古地磁学与环境学课件：第二章 磁性地层学

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1、1 1 物质的磁性物质的磁性2 2 磁性地层学磁性地层学3 3 磁性地层学的发展趋势磁性地层学的发展趋势磁偶极子的磁矩磁偶极子的磁矩 M=ml偶极子1、物质的磁性质物质的磁性质 物质通过产生磁性感应外界磁场，部分物质在无外磁场的情况下也能产生自发磁化.所以，可以把物质的磁化分成两部分：感应磁化感应磁化只有在外磁场时才存在；剩余磁化剩余磁化零场时也可以存在的磁化1.2 磁矩磁矩 电流产生的磁矩电流产生的磁矩 M=i r2 Jiles,1992 磁矩M的单位为Am2 磁矩在均匀磁场的力矩磁矩在均匀磁场的力矩()和静磁能和静磁能(Em)力矩力矩Em=-MH=-MHcos量子化的原子磁矩量子化的原子磁

2、矩 玻尔磁子玻尔磁子：MB=9.2710-24Am2磁化强度磁化强度单位:Am-1或Am2kg-1 磁化强度磁化强度 质子和电子可以等效于小磁矩，当有外场作用时，质子和电子可以等效于小磁矩，当有外场作用时，它们会被感应磁化它们会被感应磁化.感应磁化强度与外场感应磁化强度与外场H的关系为：的关系为：其 中其 中 是 体 磁 化 率（是 体 磁 化 率（b u l k m a g n e t i c susceptibility），它是多种参数的函数，诸如样品），它是多种参数的函数，诸如样品的定向、温度、应力状态、观测的时间尺度以及外的定向、温度、应力状态、观测的时间尺度以及外场大小等，但是它通常

3、作为标量使用场大小等，但是它通常作为标量使用 磁化率：磁化率：magnetizability of a substanceJi=H磁化率磁化率Diamagnetism水（水（-0.9 10-8 m3/kg）与温度与温度 T 无关无关典型矿物：石英，典型矿物：石英，SiO2（约（约为水的一半）为水的一半）外加场只改变电子运动轨道外加场只改变电子运动轨道Paramagnetism3.5 10-5SI典型矿物：Fe2SiO2Ferromagnetism矿物的磁性：矿物的磁性：Paramagnetism 具有原子磁矩，原子磁矩之间无相互作用 原子磁矩与外场和热能有相互作用 原子磁矩M2MB T=300

4、K 外场H103 T（109 A/m）磁能1.8510-22J 热能 kT=4.14 10-23J通常，实验室磁场是n 个T（106 A/m），1.8510-25J Curies law =J/H=nM2/3kT=C/T注意：室温注意：室温Paramagnetism无剩磁，对无剩磁，对 有贡献有贡献 Ferromagnetism具有原子磁矩，原子磁矩之间有相互作用 原子磁矩与外场和热能有相互作用 Generally speaking:上述四种通称为铁磁性上述四种通称为铁磁性Strickly speaking:Ferromagnetism才是铁磁性才是铁磁性,地球上无地球上无Ferromagne

5、tism 在古地磁在古地磁(甚至磁学领域甚至磁学领域)人们认为的一些重要铁磁性矿物，人们认为的一些重要铁磁性矿物，实际上主要是实际上主要是FerrimagnetismCantedantiferromagnetismImperfect b c d none铁磁性矿物的最大特点Hysteresis loop，居里（奈耳）温度之下剩磁，居里（奈耳）居里（奈耳）温度之下剩磁，居里（奈耳）温度之上温度之上Paramagnetism主要磁性矿物的性质主要磁性矿物的性质磁铁矿磁铁矿磁赤铁矿磁赤铁矿钛磁铁矿钛磁铁矿赤铁矿赤铁矿剩磁剩磁(Jr)是在某些晶体中邻近电子自旋有很强的相互是在某些晶体中邻近电子自旋有很

6、强的相互作用引起作用引起 物质对磁场的记忆物质对磁场的记忆 古地磁学古地磁学 物质剩磁的起源物质剩磁的起源相互作用能Interaction energy内部退磁场形状各向异性磁晶各向异性与磁晶各向异性能磁晶各向异性常数单畴颗粒single-domain grainsMagnetite d0=0.1 m Js=480 kA/mHematite d0=15 m Js=2.5 kA/m磁铁矿磁铁矿磁赤铁矿磁赤铁矿钛磁铁矿钛磁铁矿赤铁矿赤铁矿剩磁的热行为？剩磁的热行为？当温度增加时，晶格会扩展，交换作用当温度增加时，晶格会扩展，交换作用会变弱会变弱.高于每种晶体类型的特定温度高于每种晶体类型的特定温度

7、（称为居里温度（称为居里温度Curie temperature，Tc），），相互作用的电子自旋行为会完全消失，物相互作用的电子自旋行为会完全消失，物质就变成顺磁性了质就变成顺磁性了.02004006000200400600800020040060002004006008001000温度 剩磁冷却加热Tc磁性驰豫Magnetic relaxation超顺磁Superparamagnetism阻挡温度Blocking temperature Mt=M0e-t/=f eE1/E2=f exp(vHcJs/2kT)磁铁矿磁铁矿磁赤铁矿磁赤铁矿钛磁铁矿钛磁铁矿赤铁矿赤铁矿剩磁在强磁场的行为？剩磁在强磁场

8、的行为？单畴颗粒多畴颗粒似单畴颗粒Pseudo-single-domain grains Jr/Js Hc较小的Hc和磁铁矿磁铁矿磁赤铁矿磁赤铁矿钛磁铁矿钛磁铁矿赤铁矿赤铁矿 古地磁学的重要基石单晶能够古地磁学的重要基石单晶能够克服各向异性能，从而使得磁化强克服各向异性能，从而使得磁化强度从某种低能状态转到与外界地磁度从某种低能状态转到与外界地磁场相关的高能均衡状态，并被场相关的高能均衡状态，并被“冻冻结结”从而能够在地质时间尺度上被从而能够在地质时间尺度上被保存在岩石中保存在岩石中 磁铁矿磁铁矿磁赤铁矿磁赤铁矿钛磁铁矿钛磁铁矿赤铁矿赤铁矿自然界岩石获得剩磁的过程？自然界岩石获得剩磁的过程？地

9、磁场地磁场火山岩火山岩剩磁记录地磁场剩磁记录地磁场From Tauxe磁铁矿磁铁矿磁赤铁矿磁赤铁矿钛磁铁矿钛磁铁矿赤铁矿赤铁矿热剩磁的特点热剩磁的特点1对弱磁场，热剩磁的强度和冷却时的对弱磁场，热剩磁的强度和冷却时的外加磁场的强度线性相关外加磁场的强度线性相关2pTRM彼此独立彼此独立3pTRM具有可加性具有可加性沉积沉积剩磁剩磁(DRM)记录地磁场记录地磁场 在沉积环境中，岩石被磁化的过程和火山岩中的在沉积环境中，岩石被磁化的过程和火山岩中的热剩磁行为完全不同热剩磁行为完全不同.碎屑颗粒在沉积前已被磁碎屑颗粒在沉积前已被磁化化(主要为热剩磁主要为热剩磁)，这和火山岩中晶体处于它们，这和火山岩

10、中晶体处于它们的居里温度点之上不同的居里温度点之上不同.磁性碎屑颗粒沉积时会磁性碎屑颗粒沉积时会和外界磁场保持一致和外界磁场保持一致DRM.但是，磁性颗粒在沉积后会受生物或其他扰动重但是，磁性颗粒在沉积后会受生物或其他扰动重新排列，称为沉积后剩磁新排列，称为沉积后剩磁(pDRM)沉积沉积剩磁记录地磁场的可靠性剩磁记录地磁场的可靠性 一些沉积剩磁的倾角会比预期的外磁场的倾角小，一些沉积剩磁的倾角会比预期的外磁场的倾角小，这个现象称为倾角误差这个现象称为倾角误差.实验观测到的倾角的正切一实验观测到的倾角的正切一般是外磁场正切的般是外磁场正切的0.4 0.6值得注意的是，许多天然沉积物值得注意的是，

11、许多天然沉积物(比如深海或沉积速比如深海或沉积速率很低的湖相沉积物率很低的湖相沉积物)没有倾角误差没有倾角误差.最不理想的沉积最不理想的沉积物是剩磁载体为碎屑赤铁矿，它是物是剩磁载体为碎屑赤铁矿，它是片状的颗粒，有很小的饱和剩磁片状的颗粒，有很小的饱和剩磁沉积后扰动对剩磁的影响非常大沉积后扰动对剩磁的影响非常大.且不易观测到，所且不易观测到，所以，不是所有的以，不是所有的“观测异常观测异常”都起源于地磁场本身都起源于地磁场本身Lock-in of DRM：Dewatering and consolidation Estimates of lock-in time range up to 103

12、 yr化学剩磁Modified From Tauxe磁铁矿磁铁矿磁赤铁矿磁赤铁矿钛磁铁矿钛磁铁矿赤铁矿赤铁矿化学剩磁的特点化学剩磁的特点岩石或沉积物中的磁性矿物在形成以后经岩石或沉积物中的磁性矿物在形成以后经常会因为环境的变化而发生变化常会因为环境的变化而发生变化赤铁矿在低温生长时所携带的剩磁被称为赤铁矿在低温生长时所携带的剩磁被称为颗粒生长型化学剩磁颗粒生长型化学剩磁（grain growth chemical remanent magnetization,g-CRM）磁铁矿风化磁赤铁矿磁铁矿风化磁赤铁矿CRM与外磁场的关系很复杂与外磁场的关系很复杂 2 2 磁性地层学磁性地层学 Magne

13、tic stratigraphy or magnetostratigraphy 定义定义:研究岩石单元的磁特征研究岩石单元的磁特征 磁性地层分类磁性地层分类 1-磁极性地层磁极性地层 Magnetic polarity stratigraphy 2-岩石磁性地层岩石磁性地层 Rock magnetic stratigraphy 3-古强度磁性地层古强度磁性地层 Paleointensity magnetic stratigraphy 4-地磁场长期变磁性地层地磁场长期变磁性地层 SV magnetic stratigraphy 2.1 磁极性地层的定义磁极性地层的定义 什么是地磁极性？什么是地

14、磁极性？什么是地磁极性倒转？什么是地磁极性倒转？地磁极地磁极地磁极地磁极现在地磁场形态 78万年前地磁场形态 通过测定不同时代沉积物的剩磁，就可以确定沉通过测定不同时代沉积物的剩磁，就可以确定沉积物形成时的地磁极性积物形成时的地磁极性磁极性地层的发展历史磁极性地层的发展历史-1-1 1 1Khramov(1958)-Khramov(1958)-大陆沉积物大陆沉积物 2 2Cox(1963)-Cox(1963)-火山岩剩磁年代学火山岩剩磁年代学 012345Depth(100m)命名：命名：Brunhes,Matuyama,Gauss,Gilbert012345Depth(100m)Age/Ma

15、磁极性地层的发展历史磁极性地层的发展历史-2-2 HarrisonHarrison等等(1964)-(1964)-海洋沉积物海洋沉积物 012345678910Depth(100m)012345678910Depth(100m)Vine&Mathews(1963)proposed 线性海洋磁异常起因于地磁线性海洋磁异常起因于地磁极性倒转极性倒转磁极性地层的发展历史磁极性地层的发展历史3 3Vine Vine 等等(1965)-(1965)-海洋磁异常条带海洋磁异常条带10Ma10Ma Heirtzler et al(68)早于早于C33C33，线性磁异常不明显线性磁异常不明显意大利的陆相地层表

16、明意大利的陆相地层表明CNS存在存在 01020304050607080Age/MaC33C1正极性编号正极性编号 Msequence 最初只给负极性编号最初只给负极性编号(M1-M25),但但M2和和M4表示正极性混淆表示正极性混淆后来编号为后来编号为M0,M1,M3,M5,M6,M7.Channel(1995)-M1-M29Handschumaker(1998)-M1-M388090100110120130140150160Age/Ma C34 M0 M29165Ma以來地磁極性倒轉序列以來地磁極性倒轉序列555045403530252015105011010510095908580757

17、0656055165160155150145140135130125120115Q PleistocenePlioceneNeogeneMiocenePaleogeneOligoceneEocenePaleogenePaleoceneLate CretaceousMaastrichtianCampanianSantonianConiacianTuronianCenomanianEarlyCretaceousAlbianEarly CretaceousAptianBarremianHauterivianValanginianBerriasian MiddleJurassicLate Jurass

18、icTithonianKimmeridgianOxfordianCallovianMaMaMa113113磁极性地层的标准已经建立磁极性地层的标准已经建立5550454035302520151050110105100959085807570656055165160155150145140135130125120115Q PleistocenePlioceneNeogeneMiocenePaleogeneOligoceneEocenePaleogenePaleoceneLate CretaceousMaastrichtianCampanianSantonianConiacianTuronianC

19、enomanianEarlyCretaceousAlbianEarly CretaceousAptianBarremianHauterivianValanginianBerriasian MiddleJurassicLate JurassicTithonianKimmeridgianOxfordianCallovianMaMaMa113113可以测量需要可以测量需要研究的地层研究的地层Doell&Dalrymple(1966)-Event(discovery place)Jaramillo(New Mexico,Jaramillo Creek)Olduvai(Tanzania,Olduvai

20、Gorge)磁极性地层磁极性地层极性亚时与短极性事件极性亚时与短极性事件Magnetic polarity stratigraphyVery low amplitude,but correlatable,magnetic anomalies have been called tiny wiggle or cryptochron-can be modeled SPC or intensity fluctuation-20kyr Some have been identified as SPC -Reunion -Cobb Mountain Tiny wiggles in continent se

21、diment?Unlike marine sediments,terrestrial sediments-nonhomogeneous,variation rate Foreland basin in the front of the rising Himalayan -Siwaliks of Pakistan and India -sedimentary environment meandering river system -sedimental:mudstones,sandstones,gravels deposition -many hiatus -gap interval1000 y

22、ears -105106 years continues 国际地层表国际地层表 Pliocene(N2)/Pleistocene(Q1)-1.77Ma(2.6)Pliocene(N2)/Pleistocene(Q1)-1.77Ma(2.6)Miocene(N1)/Pliocene(N2)-5.3Ma(5.3)Miocene(N1)/Pliocene(N2)-5.3Ma(5.3)Oligocene(E3)/Miocene(N1)-23.5Ma(23.3)Oligocene(E3)/Miocene(N1)-23.5Ma(23.3)Eocene(E2)/Oligocene(E3)-33.7Ma(32

23、)Eocene(E2)/Oligocene(E3)-33.7Ma(32)Paleocene(E1)/Eocene(E2)-53Ma(56.5)Paleocene(E1)/Eocene(E2)-53Ma(56.5)Cretancous(K2)/Paleocene(E1)-65Ma(65)Cretancous(K2)/Paleocene(E1)-65Ma(65)K1/K2-96Ma(96)K1/K2-96Ma(96)J3/K1-135Ma J3/K1-135Ma 值得注意的基本概念值得注意的基本概念 地磁极性带与海洋磁异常地磁极性带与海洋磁异常 Polarity zone and Oceanic

24、magnetic anomaly Polarity zone labels-polarity chron C26 Oceanic magnetic anomaly numbers-anomaly 26 Different Phenomena,but they have a common cause and be time correlaive磁性地层三部曲磁性地层三部曲 第一步：野外第一步：野外 Geologic setting-地层厚地层厚,连续连续 Sampling schedule,褶皱褶皱,倒转，砾石倒转，砾石 定向地层，样品定向地层，样品 第二步：加工样品第二步：加工样品 第三步：实

25、验第三步：实验 地磁场地磁场-歌唱家歌唱家 岩石岩石-录音机录音机 如何获得岩石形成时地磁场的信息如何获得岩石形成时地磁场的信息?需认识岩石的磁学性质这是过去少有注意需认识岩石的磁学性质这是过去少有注意 如何确定地磁极性如何确定地磁极性?VGP的纬度的纬度 -Normal -Reversal -Transition 磁极性地层磁极性地层 应用实例应用实例元谋古猿的生存时代？元谋古猿的生存时代？Sun et al.,2004,EPSL7Ma是天山的重要隆升期是天山的重要隆升期 2.2-岩石磁性地层岩石磁性地层 Rock magnetic stratigraphy Lithology+Suscep

26、tibility Lithology+Susceptibility磁极性地层磁极性地层磁极性地层磁化率磁极性地层磁化率Heller&Liu,Nature,198252 54 501 4 02 8 03.04.25.40.20.40.60.81.01.21.41.61.82.02.22.42.6BM_JOMG_BM_JOMG_100120(m)Units53791111719212315132729313335372539414345515347495557596163656971736775777981838589919587931011031046636CM Composite benthi

27、c oxygen isotope recordV19-30/ODP677/ODP846Median grain size (mm)Luochuan SectionAge(myr)MagneticPolarityMagneticPolarity979900204060S080S1S2S3S4S5S6-IS7S8S9S13S12S11S10S17S16S15S14S19S20S21S18S23S26S25S24S27S28S29S30S31S32L15L9L24L1L2L3L4L5L6L12L13L14L8L16L21L29L33S6-IILoessRed clayPaleosolWeak soi

28、lSandy loessPaleomagnetic polarity Magnetic susceptibility (10-8 m3 kg-1)磁极性地磁磁化率氧同位素磁极性地磁磁化率氧同位素怎么用磁性地层学研究怎么用磁性地层学研究BrunhesBrunhes以来地层的年代？以来地层的年代？磁化率各项异性磁线理磁化率各项异性磁线理Zhu et al.,2004Depth(m)磁化率各项异性地层学磁化率各项异性地层学磁面理磁面理Dec-maxInc-maxInc-min频率磁化率频率磁化率地磁漂移与地磁漂移与地层划分地层划分Pan et al.,20012.3-古强度磁性地层古强度磁性地层 P

29、aleointensity magnetic stratigraphy 12000年地磁場強度變化特徵年地磁場強度變化特徵 Valet 2003 ESR The dipole moment is not constant in time Current decrease of dipole moment:5%in last 100 yrsRelative intensity(grey)and absolute intensity(points)8080万年以来地磁场相对强度变化万年以来地磁场相对强度变化如何获得地磁场相对强度记录？详细的岩石磁学Pan et al.,20017.3万年以来黄土记

30、录的地磁场相对强度变化Pan et al.,20012.4-地磁场长期变磁性地层地磁场长期变磁性地层 SV magnetic stratigraphy海洋沉积物海洋沉积物大陆架沉积物大陆架沉积物declination2345678inclinationNRM /ARM -900900.00.51.0+_0.2+_0.4+_0.3+_0.3+_0.4+_1.9+_0.6+_0.3+_3.8+_10.6+_12.4+_17.7(ka B.P.)S0L1S1L2024681012depth(m)x*e-08 NRM /IRM 0.00.61.2ARM /x0.01.32.6IRM /x04080a)

31、b)c)d)e)f)g)Malan loess 30030030030030030010-210-3m kg3-10200400MLELEdepth(m)8.635.451.968.275.698.8134.539.410.317.122.028.40 90-180lithagesus中国黄土记录的长期变化中国黄土记录的长期变化Zhu et al.,19993 磁性地层学的发展趋势磁性地层学的发展趋势 方法学的角度方法学的角度 Bio-Chemo-Climo-Syn-Magnetostratigraphy 海陆对比海陆对比 研究对象研究对象 中生代中生代-古生代古生代-Terrestrial Miocene magnetic stratigraphy三三叠叠纪纪古生代磁性地层古生代磁性地层Laboratory of Paleomagnetism and Geochronology