古地磁学的研究对象是地球磁场的时间属性。通过测定岩石、沉积物、考古样品、生物化石等地质样品的天然剩余磁性,分析其磁化历史,反演地质历史时期的地磁场形态和其接收磁化时所处的构造与环境信息,并由此衍生出岩石和矿物磁学、构造磁学、环境磁学、生物磁学、地磁古强度、考古磁学、磁性地层学等研究方向。随着研究的深入,古地磁学业已发展成为定量探讨板块构造、全球变化、地球内核流体运动状态等重大地质问题的主要手段之一。古地磁学的研究前提是从地质样品中提取有效的地磁场信息,然而地质样品的磁性记录本身存在复杂性。首先是地质样品中磁性矿物的成分、粒径、形状等物性参数对磁场记录的影响,即原生剩磁记录过程的复杂性;另一方面是漫长地质历史时期自然环境对地质样品中磁性矿物记录磁场的改造作用,即原生剩磁改造过程的复杂性。探讨岩石和矿物的磁场磁化机制,为有效地提取古地磁学信息提供理论和实验依据是岩石和矿物磁学的主要研究目的。其主要研究对象包括热剩磁(TRM)、沉积剩磁(DRM)等天然剩磁和化学剩磁(CRM)、粘滞剩磁(VRM)等次生剩磁。过去岩石和矿物磁学的研究方法主要局限在实验方面,仅能够从宏观上定量分析矿物的磁化机制,很难从微观层面认识磁性矿物的物理、化学和热动力学性质,从而直觉地认识磁性矿物磁信息的记录和改造机制。为了进一步研究磁性矿物的微观行为,近年来微磁模拟方法逐渐受到大家的重视。应用微磁模拟可以有效地解耦各种物性参数对磁性矿物宏观磁学性质的影响,研究矿物的磁场记录过程;并能够分析多相磁性矿物的微观磁化结构,探索矿物经受化学改造时的微观磁性特征,有效地弥补了实验矿物磁学的不足。
本文综合使用实验和模拟相结合的手段,探讨磁性矿物原生剩磁的记录过程和改造过程。研究分别针对合成磁铁矿颗粒集合(模拟天然热剩磁)、生物磁小体链集合(模拟生物沉积剩磁)和低温氧化磁铁矿样品(模拟化学剩磁)等研究对象,展开了电子显微学、矿物磁学和微磁模拟三位一体的详细研究,正演研究了地质样品在已知磁场和磁化环境下的磁场记录机理,为将来从古地磁样品中反演提取更多有效磁信息提供了理论和实验依据。本文主要取得了以下几点主要进展:⑴对具有不同粒径分布和形状因子的磁铁矿颗粒集合进行了微磁模拟,模拟磁滞参数结果能够较好的与合成磁铁矿的实验结果相对应。模拟微观磁化结果显示了颗粒集合内部复杂的磁化结构,其中部分相邻颗粒在相互作用下形成具有不同稳定性的磁化超态(superstate):较小的单畴(SD)颗粒在相邻颗粒的影响下可能在零场下出现反转,相同的较大假单畴(PSD)颗粒可能在相互作用下呈现不同的磁化状态,聚集在一起的较小的PSD颗粒由于相互作用影响可以呈现出近SD的微观磁学性质,因此可能是矿物剩磁的主要载体。磁铁矿颗粒集合的宏观磁学性质受到相互作用的系统影响,与形状因子相比,颗粒集合的磁学性质对于粒径分布更加敏感。⑵综合使用微磁模拟和实验方法研究了趋磁细菌AMB-1体内磁小体链在外场作用下的磁各向异性行为。微磁模拟结果证实了实验观测,磁小体链的宏观磁学特征与单轴各向异性SD(USD)颗粒的磁学结果类似,因此可以作为天然剩磁的载体。但其外场磁化强度翻转机制不同于USD颗粒。结合双亚磁小体链的微磁模拟和实验岩石磁学证实磁小体链的相互作用仅来自于亚磁小体链之内。统计模拟显示,磁滞参数与磁小体链的分布性质相关,且剩磁与饱和磁化强度之比Mrs/Ms较矫顽力Bc对磁小体链各向异性度的反应更加敏感,这为在沉积物中从生物矿化磁铁矿角度提取有效磁场记录提供了依据。⑶研究通过逐步系统改变加热温度和加热时间得到了氧化程度连续的表面氧化磁铁矿样品,并且通过磁滞回线测量获得了详细地磁滞参数结果。随后,参照实验测量,以简单核壳结构为模型对低温氧化的磁铁矿进行了微磁模拟,计算了从单畴(SD)到假单畴(PSD)表面氧化磁铁矿颗粒的详细磁学结果。结果显示从SD到PSD颗粒磁铁矿的磁滞参数随氧化程度呈现出不同的变化特征,基于实际分布的加权模拟结果与实验结果一致性很好,说明核壳结构可以很好地解释磁铁矿的低温氧化行为;其次,微磁模拟的内部磁化结构表明,表面氧化磁铁矿的磁学行为受到核壳结构耦合的影响;综合实验和模拟结果证明SD-PSD范围低温氧化的磁铁矿能够可靠地记录古地磁场信息。