环境磁学在古气候环境研究中的回顾与展望

基于磁性矿物的性质变化能敏感记录现在和地质历史时期的气候环境变化信息,环境磁学方法能鉴别环境演化过程中磁性物质在大气圈、水圈和岩石圈中运移、沉积和转化的过程,系统介绍了沉积物中磁性矿物的特征和鉴别方法以及主要的环境磁学参数和意义,着重回顾了环境磁学在以黄土、湖泊和海洋沉积物为载体的古气候环境研究中的应用及其取得的重要进展,指出了环境磁学在古气候环境研究过程中要加强多磁学参数综合应用,促进地质记录和磁学指标之间的定量研究,有利于理解不同沉积物的磁性矿物特征和环境变化过程的相关关系。同时强调沉积物还原成岩作用过程的环境磁学研究是目前以至今后发展的一个重要方向。     

华北平原中部第四纪沉积物的岩石磁学性质

岩石磁学是古地磁学和环境磁学研究的基础。本文对华北平原中部SK1和G4两个第四系钻孔岩芯代表性样品进行详细的岩石磁学和系统退磁实验研究,结果表明,SK1和G4孔沉积物中磁性矿物以赤铁矿和磁铁矿为主,赤铁矿含量较高。SK1孔中高矫顽力磁性矿物以赤铁矿和针铁矿为主,而G4孔则以赤铁矿为主;两孔沉积物的磁化率主要来自磁铁矿的贡献,SK1孔中磁铁矿含量较高,其平均磁化率较高,而G4孔中多赤铁矿,其平均磁化率较低;SK1孔沉积物的特征剩磁载体主要是磁铁矿,而G4孔沉积物的特征剩磁载体主要是赤铁矿。赤铁矿主要有两个来源：一是河流侵蚀再搬运上游沉积物中的赤铁矿,为碎屑成因;二是同沉积过程中,风化作用将磁铁矿氧化为赤铁矿,这类赤铁矿为次生成因。

     

中国南方红土环境磁学

第四纪红土是中国南方古环境演化与气候变迁的最佳载体之一,记录了南方的古地理、古气候环境变迁信息。典型红土剖面由现代红壤层、均质层、网纹层、砾石层或基岩层组成,均质红土磁化率值多在80×10-8~250×10-8m3/kg,网纹红土磁化率约低一个数量级。红土的磁化率-温度（-T）曲线、等温剩磁获得曲线、XRD和TEM分析认为,成土过程产生的细粒磁性矿物（包括磁铁矿、磁赤铁矿和赤铁矿）是红土磁性的主要载体。对红土的岩石磁学和矿物学综合分析认为,红土磁性矿物的含量、粒度、类型等可能指示其形成时期的某种环境变化,红土磁性是南方第四纪环境变迁研究的重要手段,但由于红土的物源以及受后期化学风化改造的复杂性,红土的环境磁学研究需要新的思路和方法。     

磁学方法及其在环境污染研究中的应用

针对日益突出的环境问题,磁学方法依靠自身便捷、经济等一系列优势在环境污染研究方面得到了广泛的应用.文章总结了环境研究中磁性矿物的特征和鉴别方法及主要的环境磁学参数,回顾了磁学方法在地表沉积物污染、水环境污染和大气环境污染方面的应用进展.并指出增进对磁性物质与污染源关系、污染物磁性形成机理的理解,加强从单纯的磁化率测量到多磁性参数的综合运用以及与矿物学、地球化学等方法的结合来查明污染物质的多源性、记录环境信息在时空尺度上的不确定性和不同环境对污染物承载能力的差异性,是提高磁学方法在环境污染研究领域应用效果的关键,有利于使环境污染监测和评价由定性研究向定量化研究发展.     

太行山红层磁学性质及古环境意义初探

环境磁学研究磁性矿物特征（磁性矿物类型、含量和颗粒大小）及其转化与环境关系,在不同地质时期古气候和古环境重建中得到广泛应用。本文将磁学方法应用于太行山中元古界红层研究,并从其磁学性质角度初步探讨太行山红层的古环境。对太行山红色石英砂岩和紫红色砂质泥岩样品进行了高温磁学和常温磁学系统测试。结果显示,太行山红层主要以硬磁性的赤铁矿为主,包含少量磁铁矿,部分样品赤铁矿是唯一磁性矿物;磁性颗粒大小以单畴为主;红色石英砂岩不同样品间磁性差别显著,反映沉积环境的不稳定性。紫红色砂质泥岩中的青灰色层表现为顺磁性特征,原因可能是紫红色砂质泥岩中的赤铁矿在后期还原环境下溶解或转化为弱磁性矿物所致,说明紫红色层并非形成于长期的水下还原环境。太行山红层中普遍存在的红色波痕和泥裂说明水环境对其有短暂影响,但是红层及赤铁矿的富集说明其长时间处于氧化环境,推断太行山红层可能形成于高度氧化的陆地环境。     

湿润亚热带山地土壤磁学特征对气候条件变化响应的敏感程度

土壤磁性矿物的形成、转化、运移和保存与气候条件密切相关,其对气候的响应形式、敏感程度及机制是土壤环境磁学的基础研究内容。本研究选取亚热带山地不同海拔高度,但位置相近,母质、地形和植被类型上基本无差异的3个剖面为对象,进行环境磁学、色度、常量元素等参数的测量,探究土壤磁学特征对气候的响应及其敏感程度。结果表明：1）随着土壤发育,土壤中超顺磁（SP）、单畴（SD）细粒亚铁磁性矿物增加,次生反铁磁性矿物的含量也不断增加,亚铁磁性矿物增加的速率高于反铁磁性矿物。土壤磁性随着成壤强度的增加而增强。2）气候通过风化/成壤作用进而影响土壤中磁性矿物,是3个研究剖面磁学特征随海拔规律性变化的主导因素。3）降水量不是湿润亚热带山地土壤磁性增强的限制因子。气温通过化学反应速率和蒸发量调节土壤磁性矿物的生成、转化与保存,是山地垂直地带性土壤磁性差异的主导因素。亚热带山地土壤磁性矿物可以非常敏感地响应气温的微小变化。

     

1200a来洪湖演变的环境磁学记录

对取自洪湖的 140cm沉积物样芯进行了环境磁学测量,分析了所获得的环境磁学参数随深度变化的曲线,结果表明,沉积物磁性特征由稳定单畴(SSD)和细粘滞性 (FV)亚铁磁性矿物所主导,磁性矿物颗粒由下至上粒径逐渐减小。结合AMS测年和地球化学分析,可以推断出洪湖在 1200a来经历了沼泽沉积和湖相沉积。并且磁性特征的变化与气候的变化大致对应:磁性参数较大值对应着冷干的气候条件;水热条件增强时,磁性参数值下降。较好记录了湖泊随气候的扩张和缩小过程,同时也反映了人类活动的影响。     

花岗岩上发育的亚热带红土岩石磁学特征

本文对发育于花岗岩上的两个亚热带红土剖面进行了系统的岩石磁学研究,测试了磁化率、频率磁化率、等温剩磁、非磁滞剩磁、磁滞回线等常温磁学参数,选取代表性样品进行了高低温岩石磁学分析,拟探讨亚热带红土磁性矿物的特征及湿热环境下土壤中磁性矿物的转化规律。实验结果表明：亚热带红土的强磁性矿物为磁铁矿、磁赤铁矿;弱磁性矿物为赤铁矿和针铁矿,滞水土层中含有纤铁矿。花岗岩具有较强的磁性,在其上发育的红土也因此具有较强的磁性。花岗岩中的亚铁磁性矿物的磁畴以多畴占主导地位,随着风化强度的增强,逐渐形成较细粒的超顺磁与单畴磁性矿物。亚热带红土中的磁赤铁矿与位于半干旱区黄土高原成土作用形成的磁赤铁矿存在着磁学性质上的差异,表现为具有更高的居里点（约600℃和640℃）,可能说明亚热带红土中的磁赤铁矿粒径更粗。两个剖面在磁学性质上存在着明显的差异,泉州剖面磁性矿物以磁铁矿为主,磁化率最高可达1823×10-8m3/kg,平均值为1033.1×10-8m3/kg,具有较低的剩磁矫顽力;福州剖面磁性矿物以磁铁矿和部分热稳定磁赤铁矿为主,磁化率最高为385.73×10-8m3/kg,平均值为91.5×10-8m3/kg。基于磁学参数分析,认为母质与后期成土作用共同造成了两个剖面的磁学性质差异,但后者起主导作用。磁化率在两个剖面中,均随着深度减小而减小,与温带地区表层土磁化率增强有很大区别。湿热环境条件下,强磁性矿物溶解或转化为弱磁性矿物的程度主导剖面磁化率变化。     

基于环境磁学的生态系统演化和磁性矿物的关系

以广西区岑溪市一花岗岩风化壳为研究对象,利用环境磁学原理研究其上生态系统演替过程中出现的不同磁性矿物变化特征,讨论磁性矿物对生态系统变化的响应过程。研究区磁性矿物的显著差别,显示在湿热气候条件下生物、化学风化作用的参与,对磁性矿物的转变有明显的促进作用。     

罗布泊Ls2孔近7.1Ma以来沉积物的环境磁学研究

塔里木盆地的高分辨率环境记录对于理解西部干旱乃至全球变化至关重要.湖泊沉积物的磁学参数能够记录沉积环境和古气候信息.罗布泊地区是受西风影响的典型区域.本文选取罗布泊Ls2孔7.1Ma以来长度达1050.6m的沉积物进行详细的岩石磁学与环境磁学研究.结果表明,磁铁矿和赤铁矿是沉积物中主要载磁矿物.钻孔底部和上部的沉积物磁铁矿含量相对较高,中部强磁性矿物浓度降低导致赤铁矿占主导.磁性矿物以PSD (pseudo-single-domain)颗粒为主,并含有极少量的SP(super-paramagnetic)颗粒.罗布泊Ls2孔的S-ratio比值表明,7.1～5.6Ma气候为相对较干旱和相对较湿润交替出现,5.6～3.6Ma干旱化加剧,3.60～0.74Ma有所缓和,0.74～OMa干旱化最为强烈,其中5.1Ma和3.6Ma是两个明显的转折点.多磁学参数表明,晚中、上新世以来罗布泊地区的磁性矿物含量的变化,可以反映罗布泊地区气候渐进式的干旱化过程.     

Magnetism in cassiterite

Large cassiterite crystals from the Pelepah Kanan tin mine in central Johore differ from those at Aberfoyle and Renison Bell, Tasmania, in showing strong colour zoning and possessing a small but conspicuous magnetic fraction. By separating crystals from these localities into fractions of varying magnetic susceptibility, there is found to be a distinct relationship between colouration and the magnetic properties of cassiterite. Furthermore, Mössbauer spectroscopy reveals that ferroan inclusions in the dark brown magnetic fraction contain a higher ferrous to ferric ion ratio than in the colour-less fraction and that only undetectable amounts (less than about 10%) of the iron atoms in these inclusions can have a magnetically ordered environment. Although no significant differences in unit cell dimensions between the two fractions are apparent, electron diffraction d-spacings not assignable to cassiterite are found to compare with paramagnetic FeSn(OH)₆ in the dark magnetic fraction and probably with lepidocrocite in the colourless non-magnetic fraction. When the magnetic fraction is heated in air to 600°C, however, the finely dispersed particles of hydrated ferrous stannate seem to coagulate and form a rhombohedral phase which closely resembles ilmenite. It is suggested that this phase is anhydrous ferrous stannate and that it forms a series of compounds with haematite which are analogous to Fe_2–xTi_xO₃. For x near 2/3, the latter series becomes appreciably ferrimagnetic and it is concluded that the magnetisation in these cassiterite samples is primarily due to the presence of a similar tin phase which may occur in small dehydrated regions of the primary ferrous stannate hydrate. These conclusions are further substantiated by thermogravimetric and infrared studies for both the Aberfoyle and Pelepah Kanan samples and by thermal demagnetisation analyses for the dark magnetic cassiterite. The thermal demagnetisation data indicate that it is possible to have in cassiterite a series of magnetic compounds with Curie points in the range of 50–250°C which corresponds closely to the magnetic region of the Fe_2–xTi_xO₃ series. — It is shown that many features associated with cassiterite paragenesis are readily explicable in terms of colloidal systems following condensation of the primary gaseous ore fluids. Based on this hypothesis and confirmatory experimental evidence, a mechanism for the origin of zoning in cassiterite is outlined

---

Zusammenfassung Die großen Kassiterit-Kristalle der Pelepah Kanan-Zinnmine in Zentral-Johore unterscheiden sich von jenen von Aberfoyle und Renison Bell, Tasmania, durch starke Farbzonen und einen bemerkbaren magnetischen Substanz-Anteil. Die Fraktionen verschiedener magnetischer Suszeptibilität zeigen Beziehungen zwischen Färbung und magnetischen Eigenschaften. Mössbauer-Spektralanalyse ergab, daß eisenhaltige Einschlüsse in der dunkelbraunen magnetischen Fraktion ein höheres Eisen(II)/(III)-Ion Verhältnis als in der farblosen Fraktion aufweisen; nur unnachweisbar kleine Mengen (<10%) der Eisenatome in diesen Einschlüssen können eine magnetisch geordnete Umgebung haben. Obschon es keine nennenswerten Unterschiede der Einheitszellgröße zwischen den beiden Fraktionen gibt, sind die Elektronenbeugungsabstände, welche sich nicht Kassiterit zuordnen lassen, in der dunklen magnetischen Fraktion vergleichbar mit denen des paramagnetischen FeSn(OH)₆, und in der farblosen, nicht magnetischen Fraktion wahrscheinlich mit Lepidokrit (-FeOOH). Bei 600°C (in Luft) scheinen die feinverteilten Teilchen von hydratisiertem Ferro-stannat zu koagulieren und bilden eine rhomboedrische Phase, die weitgehend Ilmenit gleicht. Es wird angenommen, daß diese Phase wasserfreies Ferro-Stannat ist und eine Reihe von Verbindungen mit Hämatit bildet, analog zu Fe_2–xTi_xO₃. Für x ungefähr 2/3 wird diese Serie merklich ferrimagnetisch. Daher dürfte die Magnetisation in diesen Kassiteritmustern sich vor allem aus dem Vorhandensein einer Zinn-Phase herleiten, welche in kleinen, entwässerten Stellen im primären Ferro-stannat-Hydrat vorkommt. Diese Schlüsse werden weiter gestützt durch thermogravimetrische und Infrarot-Studien sowie Thermo-Demagnetisierungsanalysen. Die Resultate der Thermo-Demagnetisation weisen auf die Möglichkeit hin, daß im Kassiterit eine Serie von Verbindungen mit Curie-Punkten im Bereich von 50–250°C vorliegt, was gut übereinstimmt mit dem magnetischen Bereich der Fe_2–xTi_xO₃-Serie. — Ausgehend von den neuen Befunden wird ein Mechanismus für die Entstehung der Zonierung im Kassiterit umrissen.

     

Magnetism in aluminous goethite

Magnetism in fine particles of goethite which contain 5, 11, 18 and 30 mole % aluminium has been investigated. Mössbauer spectroscopy was used, with the samples at 4.2 K and in applied magnetic fields of 0–8 T. Analysis was via a mean field model, in which the spectra from each sample were simultaneously least-squares fitted. The presence of aluminium increases the effective anisotropy, introduces a range of anisotropy fields, and induces ferrimagnetism. Quantitative measurements of these effects are presented. It is surmised that the anisotropy is principally determined by the local environment of ferric ions, and that the distribution of anisotropy fields is the result of a variety of atomic neighbour configurations. Ferrimagnetism is understood to arise from a strong preference, with 100% success at intermediate concentrations, for aluminium ions to crystallise on the same sublattice. Simulations of the net magnetic moment in small particle systems are presented, and it is shown that statistical fluctuations and the effects of surfaces are unimportant in the particles studied.     

断裂岩岩石磁学研究进展

断裂岩的岩石磁学研究可以揭示地震断裂作用的物理和化学环境,对于探讨地震断裂作用机制具有重要作用。本文在断裂岩岩石磁学最新文献的基础上,结合笔者及所在研究团队在龙门山断裂带获得的研究成果,综述了断裂岩的岩石磁学研究进展。大量研究发现断层泥和假玄武玻璃通常具有磁化率值或剩磁强度异常特征。顺磁性矿物在摩擦热或流体作用下形成新的铁磁性矿物是断层泥和假玄武玻璃高磁化率值或高剩磁强度的主要原因;地震断裂摩擦熔融作用中形成的单质铁是假玄武玻璃中高磁化率值或高剩磁强度异常的另一个重要原因。蠕滑断裂和出露于浅地表的断裂带中可见一些具有低磁化率值异常的断层泥,原因可能是流体作用或断裂带未经历高温摩擦热。断裂岩的岩石磁学研究为地震断裂带的应力应变、形成温度、摩擦热效应、流体作用、形成深度和氧化还原特征等提供了重要信息,可用于分析地震断裂的孕震和发震环境。综合岩石磁学测试和微米至纳米尺度的超显微学研究,并辅助地震断裂岩的摩擦实验、高温热模拟实验等研究可以更好地获得断裂岩的岩石磁学信息。     

X射线光电子能谱在环境磁学中的应用

近年来,环境磁学方法被广泛应用到古环境和现代环境问题的研究中[1～4].不同种类的磁性矿物具有不同的磁性强度以及磁畴范围[1],磁性矿物种类的确定是研究需要解决的首要问题.目前磁性矿物种类主要运用环境磁学比值参数,以及热磁曲线、磁滞回线等传统的磁学方法鉴别[5～8],然而这些方法对弱磁性矿物(如反铁磁性矿物)不敏感,信号常被亚铁磁性矿物掩盖.近年来,XRD矿物衍射[9,10]、漫反射光谱[11]等技术被引入到磁性矿物鉴别中,但矿物衍射的方法对于研究对象中磁性矿物的含量有一定要求,对于磁性矿物含量比较低的天然样品,如被有机质以及其他矿物稀释的湖泊沉积物,难以满足实验要求.     

存储式磁阻多点连续测斜仪的研制

存储式磁阻多点连续测斜仪主要解决了在钻孔测斜技术的电缆传输中，电缆笨重、易损坏、易受电磁干扰、信号传输远等问题，并以存储卡的方式解决了数据传输记录的问题。     

南京下蜀土的岩石磁学特征

对南京附近的下蜀土进行了岩石磁学测定,通过磁化率各向异性测量研究了它的沉积磁性组构特征,下蜀土的各异向性很不明显,各向异性废Ｐ小于水成岩的Ｐ值（＞１．０２）,且与困面理度Ｆ高度相关,与磁线理度Ｌ相关不明显,这种特征与中国中部风成黄土极相似。对新生圩剖面进行的磁化率测量发现用化率曲线上有７个旋回的波峰、波谷变化,这与剖面中的古土壤－黄土系列相一致,说明下蜀土的剖面磁化率同样可以作为地层划分与对比,反映古气候冷暧变化的物理参数。对典型下蜀土样品进行的低温磁化率测量揭示出古土壤和黄土的成颗粒的构成不同,古土壤以超顺磁质为主,黄土以顺磁质为主。细小磁颗粒在古土壤中的积聚可能与古土壤的发育及古气候的暧湿程度有关。     

环境磁学理论、方法和研究进展

环境磁学是一门介于地球科学、环境科学和磁学之间的边缘科学.环境磁学可提供大量有关区域或全球环境变化及人类活动对环境影响等的重要信息,其研究范围迅速扩大,已成为当今地学前沿学科之一.本文在简述了环境磁学的理论和方法的基础上,介绍了环境磁学中几个主要研究领域如古气候与古环境变化、土壤学和环境污染研究等方面所取得的进展,指出了环境磁学研究中存在的不足之处,并提出了近年来环境磁学的一些新的发展趋势:①加强磁信息与地质记录之间的定量研究;②利用磁信息加强应用研究;③环境磁学与地球化学方法密切相结合;④建立全球磁数据库.     

毛北榴辉岩古地磁及岩石磁学初探

对中国大陆科学钻探孔区——江苏省东海县毛北地区的55块榴辉岩样品进行了古地磁研究,并从中抽样测试了等温剩磁、磁滞迴线、磁组构、热磁化率以及电子探针和镜下分析,结果表明,毛北榴辉岩有两组稳定的剩磁,即反向磁化和正向磁化,稳定剩磁方向分别为:D=94.3°,I=-29.1°和D=273.7°,I=15.4°,携带正向磁化与携带反向磁化样品的磁化强度和密度变化很大;毛北榴辉岩的磁各向异性度非常弱,最小轴方向很难确定;等温剩磁和磁滞迴线显示磁铁矿可能是毛北榴辉岩的主要载磁矿物,且在以Mr/Ms和Hcr/Hc的对数为纵、横坐标的图上落在视单畴(PSD)区域.根据磁性特征,对毛北榴辉岩的磁性载体成因、剩磁获得机制及构造意义进行了讨论.