反铁磁性矿物,如针铁矿(α-FeOOH)和赤铁矿(α-Fe2O3),是自然界中最稳定的铁氧化物,主要形成于有氧的湿热环境中,在热带或亚热带地区广泛分布,记录了重要的环境气候和古地磁信息。在自然界中,赤铁矿和针铁矿往往存在晶格内离子替代现象,如铝替代。铝作为地壳中含量最为丰富的金属元素,在成土作用过程中,会进入到矿物的晶体结构中,替代部分的铁离子,形成铝替代赤铁矿和针铁矿。前人研究通常忽略了自然界中赤铁矿和针铁矿晶格内的铝替代问题,造成解释的多解性。因此,本文重点以含铝赤铁矿和针铁矿为研究对象,深入研究这两种矿物的磁性机理,以期解决红层等自然样品的复杂磁性机制。本文以实验室合成为手段,在可控的实验条件下(温度、溶液酸碱度pH、初始铁离子、有机质浓度、外加磁场等),系统研究含铝赤铁矿和针铁矿的非磁学和磁学性质。另外,在不同外加磁场环境下,模拟赤铁矿的化学剩磁获得过程,研究化学剩磁对外场的响应。同时充分利用已合成的样品,通过沉积实验,研究样品的形貌特征对其获得沉积剩磁的影响。
本研究主要内容包括:⑴作为两种重要的反铁磁性矿物,赤铁矿和针铁矿的磁性由两部分组成,弱亚铁磁性组分和反铁磁性组分。当外场足够大时,亚铁磁性组分饱和,而反铁磁性组分会随着外场增大而线性递增,因此这两种矿物的磁滞回线在高场部分很难达到饱和,而是表现为线性递增的“类顺磁”行为。(含铝)赤铁矿的反铁磁性磁化率为~2.5-3.5×10-7 m3/kg。⑵铝以离子的形式进入赤铁矿和针铁矿的结构中,替代其中的铁离子,对二者的性质产生了重要的影响。针铁矿和赤铁矿的非磁学性质,如晶胞参数、结晶度以及颗粒大小均与晶格中的铝含量呈反相关,而色度参数和漫反射光谱的一阶导和二阶导曲线的特征峰位置和特征峰强度随铝含量的变化亦存在系统变化。铝对针铁矿和赤铁矿磁学性质的影响主要通过改变晶格缺陷以及晶格的内应力实现的,最终导致样品矫顽力增加,尼尔温度减小,针铁矿的磁性增强,而赤铁矿的磁性减弱。⑶赤铁矿和针铁矿形成于两种相反的气候条件下,通过结合磁学方法和漫反射光谱法,可以对自然样品中的含铝赤铁矿和含铝针铁矿进行定量化,这对于反演当时气候的干湿变化具有十分重要的意义。⑷外加磁场对赤铁矿的生长具有显著的控制作用,在小于地磁场的外加磁场环境中,赤铁矿和针铁矿会伴生,而当磁场高于地磁场时,只有赤铁矿生成。赤铁矿记录的化学剩磁强度随着外场的增加呈指数上升,这可能是低场段样品中含有针铁矿导致的。形状不同的赤铁矿样品获得沉积剩磁记录存在一定差异,板状的赤铁矿颗粒的沉积剩磁存在明显的倾角变浅,而立方颗粒几乎不存在该问题,这对于解释自然界样品的倾角变浅问题具有启示意义。