第十章地磁场古强度

1第十章地磁场古强度（LisaTauxe著，史瑞萍译）建议阅读的相关材料：Coeetal.(1978)(1993)同时，请参阅本书第15章和Dunlop&Ozdemir(1997)一书10.1前言上一章讨论了如何获得岩石记录的古磁场方向。在弱场（如地磁场）条件下，岩石携带的剩磁大小（例如：热剩磁、化学剩磁和碎屑剩磁）与岩石形成时外磁场强度成线性关系，因此原则上讲，古地磁场强度也可以测定。两者存在下面的关系式：和其中anc和lab是比例常数。如果它们相等，那么：如果实验室外磁场和古地磁场的anc和lab相同，即剩磁与外场大小为线性关系，对于单组分天然剩磁（NRM），只要测量其NRM大小，让岩石在已知实验室磁场强度下获得一个剩磁，再乘以该比例系数，就可以获得地磁场古强度。可实际情况并非这么简单。这主要因为：1）anc和lab可能不相同（例如：样品获得剩磁的能力被改变了，或者所获得剩磁的机制在实验室难以模拟）；2）剩磁和外加磁场大小并非线性关系（例如：在第五章中讲到的DRM数值模拟就说明了这点）；3）NRM可能由多个组分组成（例如一个原生组分加上一个粘滞剩磁）。这章将讨论测定地磁场古强度的各种假设，以及相关的实验和统计方法。首先讨论热剩磁（TRM），然后是碎屑剩磁。迄今为止，还无法从其它类型剩磁（例如，化学剩磁或粘滞剩磁）获得古强度。10.2热剩磁古强度的测定单畴颗粒的TRM与所加弱的外场（如地磁场）大小成线性关系。图10.1给出了随机排列的粒径为2080nm的单畴磁铁矿颗粒的理论TRM获得曲线。[大于80nm的磁铁矿具有更复杂的磁畴（花状，漩涡状的和多畴），可能不符合这条理论曲线]。随着颗粒的增大，剩磁与磁场的线性关系逐渐减小。现今最大地磁场（~65T）正好在线性区域。事实上，即使磁场达到几百T，这种线性关系都存在。因此，前言中提到的磁场与磁化强度之间呈线性关系的这一假设基本成立。古强度测定的第二个假设是实验室和古地磁场的两个线性比例常熟相等，即anc＝lab。只测量NRM和总的TRM并不能证明这个假设。比如，样品在加热过程中可能发生变化，从而改变样品获得TRM的能力，并给出错误的强度结果。在古强度试验中，有几种方法可2以用来检验样品获得TRM的能力。下面我们将介绍测定地磁场古强度的方法：Thellier-Thellier方法、Shaw方法，微波方法（即通过微波加热磁性矿物，非磁性部分不受热，从而避免矿物变化）；还有一些对获得的剩磁用IRM归一化方法等。图10.1：不同粒径磁铁矿颗粒的预测TRM值占饱和值的比例与外加磁场的关系。该线性受颗粒大小影响，对于低于几百个mT的磁场，线性关系存在。10.2.1Thellier-Thellier法为了检测并去除矿物变化的影响，Thellier-Thellier（1959）提出通过逐步加热样品，用部分热剩磁(pTRM)来逐步取代NRM，由此获得样品在改变前的MNRM/Mlab比例。这种被称为Thellier－Thellier的方法加上较低温度点的pTRM可重复性检验（可以判断样品是否被改变）非常有用。这种逐步加热法假设在两个不同的温度区间所获得的pTRM相互独立（图10.2），即pTRM的独立性。此外还假设总的TRM等于各个独立pTRM的和（图10.2），即pTRM的可加性。在实验室有几种方法可将NRM用pTRM取代。原始的Thellier-Thellier法是将样品加热到温度T1后，在实验室外加场（Blab）中冷却，这样室温的剩磁就为剩下的NRM（MNRM）和实验室新获得的pTRM（MpTRM）之和（Mfirst）。Mfirst=MNRM+MpTRM测量Mfirst之后，再将样品加热到同一温度，在同等大小的反向场（Blab）中冷却,再测量此时的剩磁（Msecond）:Msecond=MNRMMpTRM进行简单的矢量相减就可以计算出每个温度点剩余的天然剩磁和获得的pTRM（图10.3a），通常将这些数据投影在Arai图（Nagataetal.,1961）上（图10.3b）。3图10.2：pTRM独立性和可加性。两个温度点状之间获得的pTRM是互相独立的，其加和等于总TRM。图10.3：Thellier-Thellier方法测定地磁场古强度。a)NRM热退磁（实心圆）和实验室获得的pTRM（空心圆）；b)每个温度点的NRM剩余与获得的pTRM之间的关系。随着磁屏蔽技术的发展，提出了几种更复杂的古强度方法。在最常用的测定地磁场古强度方法中（通常指Coe,1967提出的方法），如果将第一次改为在零场中冷却，这样就可以直接获得每个温度点的剩余磁化强度，此时上面两个公式就变为：Mfirst=MNRMMsecond=MNRM＋MpTRM通过矢量相减可以计算出这种零场/有场（zero-field/on-field,ZI）实验室获得的pTRM。或者，也可以第一次加热和冷却可以在实验室有场中进行，而第二次在零场中进行（Aitkenetal.,1988），这种叫做有场/零场（in-field/zero-field,IZ）。在这三种方法中，通过测定较低温下pTRM的重复性来检验样品获得剩磁能力是否发生改变，这就是所谓的“部分热剩磁检验(pTRMcheck)”。如果在同一个温度点两次测定的pTRM强度不同，那么就表明样品获得TRM的能力已经发生了改变，这个温度点以后的数据就要舍弃。尽管两步加热法目前最受欢迎，但也存在不足。首先获得pTRM能力的改变不是引起labanc的唯一因素。回忆一下第8章有瞬时滞后性质的颗粒，一些颗粒开始时候处于饱和4状态，当磁场降为零时形成涡旋状结构。如果磁场再次增大，这些涡旋结构会被破坏。然而通常情况下，破坏涡旋结构需要的场比形成它的场要大，所以可以想象当从居里点冷却到零度，然后再加热到居里点时也会发生同样的情况。在刚低于居里点温度时，颗粒处于饱和状态（因为饱和磁化强度很低，涡旋结构只是颗粒用来减小其自身的外场）。当温度降低时，饱和磁化强度增大，所以在某些温度点涡旋结构可能形成，这些涡流结构可能在高温也可能很稳定，这类似于瞬时滞后现象。对于拥有磁畴壁的大颗粒，情形就更为不同。样品在刚低于居里点时开始饱和，当降低到一定温度时，磁畴壁开始形成。因为磁畴壁的分布并不能完全互相抵消，从而获得一个小的净磁矩，这样样品就会获得一些剩磁。如果外场适中，这部分剩磁就会与外加场成一定比例。当温度再次升高时，磁畴壁会移动以减小磁静态能量，直到非常接近于居里点时磁畴壁才会被破坏。对于涡旋状结构或多畴颗粒，其阻挡温度与解阻温度不同。这意味着在某一温度点获得的pTRM并不会在同样的温度下被解阻，也就是说lab≠anc，这样实验结果在Arai图中是曲线（更完整的解释请参考Dunlop&Ozdemir,1997）。因此，选用任何一温度段的数据，结果都会有偏差。例如，某些研究结果认为高温度段的数据因受矿物的改变，因此只选用低温度段的数据。或者因为低温度段的数据可能受到粘滞剩磁的影响而只选用高温度段的数据，这两种情况都有可能造成错误的解释。阻挡温度和解阻温度相同的假设被称为“可重复性”。为了验证阻挡温度和解阻温度的不同以及高温度下部分热剩磁残余(pTRMtails)的存在，提出了两种改进Thellier-Thellier法的方法。第一种改进方法是在IZ方法中，即在样品下一个温度点有场中加热前，再在零场中加热样品至同一温度，用来检验在某温度获得的部分热剩磁是否能够被再次在零场中加热到同样温度时被完全清洗掉，这就是所谓的“部分热剩磁残余效应检验(pTRM-tailcheck)”（例如，Riisager&Riisager,2001）。如果不能完全清洗掉，这个样品的解阻温度Tub和原来阻挡温度Tb不等，从而使得部分热剩磁可重复性不再成立，强度数据不可信。第二种改进方法就是IZ和ZI方法之间的转换（称为IZZI方法（Yuetal.,2004，见图10.4）。这种方法对部分热剩磁残余效应也是非常敏感，并且还省了做部分热剩磁检验。图10.5给出了一个IZZI方法的例子。一个成功的古强度实验数据的信度可以通过一些可靠性的参数来定量评价（见附录）。这些参数可用来检验1）样品所携带的NRM是否为单组分，2）在实验室加热过程中样品是否发生改变，3）阻挡温度和解阻温度是否相等。这些参数也提供了对数据整体质量的评估（模拟线性的分散度，温度点的分布，用于计算古强度的天然剩磁的比例等等），图10.6给出了一些古强度实验的典型例子。在古强度实验中，除了上述磁性矿物在加热中变化和可重复性等检验外外，还需要一些其它检验和校正。例如，如果样品获得的TRM具有各向异性，那么在计算古强度的时候必须要校正（e.g.Fox&Aitken,1980）。关于各向异性的检测和校正在下一章详细讨论。另外，由于平衡的过程是时间的函数，较慢的冷却速度可以获得较大的TRM，因此若自然界和实验室中岩石的冷却速率不同将会导致错误结果（e.g.Halgedahletal.,1980）。如果已知获得原生剩磁时的冷却速率并且是单畴颗粒，那么由于冷却速度的不同而引起的误差是可以校正的（e.g.,图10.7给出了一个简单的绘图式的校正办法）。或者，研究者可以花1－2天实验在实验室条件下不同的速度下冷却样品来获得热剩磁及其校正经验值。5图10.4：IZZI.[该图来自与AgnesGenevey的合作]图10.5：一个IZZI实验的数据。圆圈表示某一特定温度获得的pTRM与该点剩余的NRM。实心符号表示用来计算斜率的点。蓝色（深色）表示“有场－零场步骤”（infield-zerofieldsteps,IZ），棕色（浅色）表示“零场－有场步骤”（zerofield-infieldsteps,ZI）。三角形表示pTRM检验（pTRMcheck），方块表示pTRM残余检验（pTRMtailcheck）。pTRM检验和原始测量值之间的差为i，如图中标记为450的横条。首次NRM测量值与重复测量值（pTRM尾巴检验）之间的差值标记如图中的竖条500。矢量差和（vectordifferencesum,VDS;见第9章）为各个NRM组分的加和（见图中标记为VDS的竖直长条）。NRM组分用竖直断线条表示。插图表示零场步骤的矢量分量(x,y,z)。实心符号表示(x,y)，空心符号表示(x,z)。该样品不是关于地理坐标系定向的。实验室所加磁场在有场步骤下沿z轴方向。[该图根据Tauxe&Staudigel(2004)重绘]6图10.6：古强度数据实例（图例同图10.5）。a)曲线形Arai图的样品，双组分矢量端点图指示低温粘滞组分（注意pTRM残余检验如何接近零，IZ和ZI数据不是之字形，正如pTRM残余的情形）。b)几乎理想的古强度数据实例。c)之字形的实例，表示阻挡温度和解阻温度不一样。d)常见的古强度数据实例。(该图来自Tauxe,inpress.)图10.7：强度估计值Best和古强度Banc之间的比值与原始驰豫时间（originalrelaxationtimeanc,与冷却速率有关）和阻挡温度（图中200－550C之间的数字）的关系。如果某一颗粒度的剩磁组分的阻挡温度为400C，原始冷却为1年，而实验室的冷却时间为几百秒，这将导致高估强度约30%。[该图重绘自Selkinetal.(2000)]10.2.2用ARM检测样品变化前面主要讨论了在Thellier-Thellier方法中，如何检测样品是否在实验室获得pTRM过7程中发生了改变，这一部分我们探讨另一种已长期使用的方法，Shaw方法（e.g.,Shaw,1974）。在Shaw方法中，首先测试样品的NRM，然后对其进行逐步交变退磁得到其退磁谱。然后使样品获得一个ARM（通常认为ARM与原生的TRM类似），再对获得的ARM进行逐步退磁。接着给样品一个总TRM，并进行逐步交变退磁，之后再让品获得一个A