磁化率随温度变化的新研究初步进展-王华沛[1]

３
对上述 5 块样品分别在初始条件下，在氩气环境中加热到 700 oC并冷却到室温，达到如下的 曲线：
E5
200
E31
200
160
160
Ktot (10-6)
Ktot (10-6)
120
120
80
80
40
40
0
0
0 200 400 600 800
T (oC)
figure 4.1
D70
160 120
A27r1Ar K-T Curve
100 80 60 40 20 0
A27r2Ar K-T Curve
120
A27r3Ar K-T Curve
120
80
80
40
40
0
0
0 200 400 600 800
T (oC)
figure 3.1
0 200 400 600 800
T (oC)
figure 3.2
１
Temperature - time
800
Temperature (oC)
600
400
200
0 0
2000
4000
6000
time (s)
figuer 1
8000
10000
采样者在位于中国陕西省洛川县（lat. 35.4o N, long. 109.5 o E）的黄土剖面，从地表层， 向下连续取样，到表层下 10 m。
以上试验所得出的结论是：在分析样品的热磁性质时，初始加热的 k-t 曲线，尤其是初 次升温的曲线中所含的矿物磁信息最为丰富，但也不应该轻视其降温曲线的分析和忽视多次 反复加热所能够提供的辅助分析信息。尤其是对一些微小变化的把握，还能带来规律性很强 的新发现。
下面就对A27 初始加热的k-t 曲线进行一些新颖的分析。尤其是对其降温曲线，对它进 行一些处理就可以得到甚至比升温曲线更加有趣的信息。如图figure 5.1 就是A27 的初始加 热曲线，figure 5.2 是对figure 5.1 进行微分运算的结果。其中，粗线为加热升温时随温度变 化曲线；细线为降温时的变化曲线。可以看到，在figure 5.1 中，升温曲线提供了较多的信 息，而降温曲线信息较少。但是，在figure 5.2 中可以看到升温曲线表现一般，而降温曲线 却提供了惊人多的信息，但不幸的是，这种信息在前人的分析讨论中往往是被忽略的。现在， 在对k-t 曲线进行了微分运算后，其中所含的信息被才表现出来。从降温微分曲线中，可以 明显的看到，在 510 oC左右，存在一个极小值的谷，在 575 oC左右又有一个此小值的小谷。 更有趣的是，在这两个谷之间，曲线并不是单调变化的，而在 560 oC左右很存在一个较高的 小峰值。降温微分曲线在 500－580 oC中这种一波三折的变化，说明样品中磁性矿物再次温 度区间还存在着复杂的变化。为了验证这种变化的性质是否具有在所有深度样品都存在。以 上选取的不同深度的 5 块样品都被用来做同样的分析，并得出图中所标出的特征点的温度及 磁化率，用来分析比较。 统计数据见如下的表格：
A27
160
120
80
40
0
0 200 400 600 800
T (oC)
figure 4.5 figure 4: 1. E5, 282 mg; 2. E31, 263 mg; 3. D70, 266 mg; 4. B27, 312 mg; 5. A27, 255 mg
４
从上面的 figure 4 可以明显的看出洛川黄土和古土壤在 k－T 曲线上表现出来的磁学相 似性。由于存在这种相似性，我们可以通过对某一个样品的深入详细的分析，来推知其他深 度和年龄的样品的磁学性质。 以下就是样品 A27 被深入分析的图像直观输出结果：
0
200 160 120
200 400 600 800
T (oC)
figure 4.2
B27
Ktot (10-6)
Ktot (10-6)
80
80
40
40
0
0
0 200 400 600 800
T (oC)
figure 4.3
0 200 400 600 800
T (oC)
figure 4.4
Ktot (10-6)
６
基本信息，以及加热升温过程中的特征量：
sample depth (m) age (ka)
E5
0.20
4.80
E31
1.00
15.17
D70
4.45
38.13
B27
7.15
59.50
A27
9.35
104.25
冷却降温过程中的特征量：
mass (mg) 282 263 266 312 255
T (oC)
figure 5.2
figure 5： 1. A27，255mg，在初始条件下氩气环境中加热到 700 oC并冷却到室温的曲线 2. 对 5.1 中的曲线做对温度求导运算的结果
５
5 试验数据的分析 从 figure 3 中看出，所选黄土－古土壤样品在升温变化和降温变化时，其磁化率会发生
明显的变化。这种宏观上的磁化率变化，其微观机制是由于样品中所含的磁性矿物在加热升 温和冷却降温过程中所发生的化学变化以及某种磁性矿物自身的热磁性质所导致的。 第一次，初始条件下在氩气环境中加热到 700 oC并冷却到室温，可以看出其升温曲线一直保 持在降温曲线之下，在同一温度点的磁化率值，降温曲线上是升温曲线上的大约 2 倍。而且， 还注意到升温曲线的变化明显比降温曲线要曲折，说明了其中富含了大量的有关样品中磁性 矿物的成分、粒级以及磁学特性等信息，则在分析热磁数据是，应该给予足够的关注。但是， 与此同时，初次加热的降温曲线中所含的信息虽然没有升温时的那么丰富，但是只要只要认 真详细的分析，也可以从中提取出非常有规律的有用信息。正所谓“见微而知著”。在随后 的几次在氩气环境中的反复加热试验中，升温曲线和降温曲线基本保持与第一次时候的降温 曲线相类似，只是随着不断的加热反映，总磁化率不断缓慢升高，而且重复到第六次试验后， 其升温曲线和降温曲线很好的满足可逆关系，磁化率也渐渐稳定，说明这时样品中的磁性矿 物已经充分的反应，并且基本达到了可逆的平衡状态。若此时继续在氩气环境中反复加热， 已经不能获得更多的热磁信息。则停止通入氩气，而改用空气通入，第七、第八次加热，可 以观察到样品中磁性矿物在第七次加热中被氧化，其降温曲线明显的高于升温曲线，说明在 加热过程中生成了有较高磁化率的铁氧化物。而且这种氧化物相当稳定，以至于在第八次的 加热中，其升温曲线和降温曲线很好的满足可逆关系，磁化率稳定，达到了可逆的平衡状态。
80
40
50
50
0
0
0
0 200 400 600 800
T (oC)
0 200 400 600 800
T (oC)
0 200 400 600 800
T (oC)
figure 3.4
figure 3.5
figure 3.6
figure 3： 图中，粗线为加热升温时的磁化率随温度变化曲线；细线为降温时的变化曲线，下同。 1. 第一次，初始条件下在氩气环境中加热到 700 oC并冷却到室温 2. 第二次，继续在氩气环境中加热到 700 oC并冷却到室温 3. 第三次，在氩气环境中加热到 700 oC并冷却到室温 4. 第六次，在氩气环境中加热到 700 oC并冷却到室温，注意在纵坐标量度上由前三组减半 5. 第七次，通入空气，在空气环境中，继续再次将样品加热到 700 oC并冷却到室温 6. 第八次，接着，第二次在空气中将样品加热到 700 oC并冷却到室温
A27 K-T Curve
160
PC1
120
Ktot (10-6)
80
40
0 0
200
400
T (oC)
figure 5.1
PH1
PH2 PC2
600
800
dk/dT - T curve
1
0.5
dk/dT (10-6 SI/ oC)
0
-0.5
PD2
-1
PD3
-1.5
PD1
-2
0
200
400
600
800
2 采样及实验仪器与实验方法 本研究工作所需的实验是在中国科学院地址与地球物理研究所古地磁实验室完成的。所
使用的仪器是由捷克AGICO公司生产的KLY-3s旋转卡帕桥及其CS-3(L)温度控制系统。仪器 系统需装入颗粒或者粉末状的样品约 300mg，其使用频率为 875Hz，温度范围 20 oC—700 oC， 误差小于 2 oC。其测量磁化率之灵敏度高达 2.5×10-8 SI，最大量程 0.1 SI，具有自动置零和 自动调节量程的功能，误差小于 0.1%，可以在空气和氩气环境下连续自动测量不同温度下 样品的磁化率。样品的加热速率可以用图表figure 1 来描述，可见系统控温非常稳定，使得 样品升温和降温的过程都非常的均匀。
关键字 黄土 岩石磁学 磁化率 温度
1 现在研究的概况 在弱磁场中，磁性矿物的磁化强度和磁化率随温度的升高而急剧升高，到接近居里温度
时，磁化强度和磁化率急剧下降，直到磁性消失为止，这种现象叫 Hopkinson 效应。(Hopkinson, 1889), Hopingson 效应实质上是一种粒度－热磁效应，因为它只对某一特定的、相对较 窄的粒度范围内的磁铁矿颗粒反应灵敏(Collinson, 1983; Dunlop and Ozdemir, 1997; Van Velzen and Dekkers, 1999)，尤其是对高矫顽力的单畴和假单畴的此行矿物颗粒。单畴和假单 畴的磁性矿物颗粒磁化率低，当温度升高至居里点附近，它们表现出超顺磁的特性 (Deng et al., 2001) 。大量的岩石磁学研究表明，中国黄土－古土壤中的主要磁性矿物是磁铁矿，其 中磁铁矿的存在形式是以假单畴为主，而集中于一个很窄的力度范围内。（朱日祥等，1994； Florindo et al., 1999）。这就是接下来我们所讨论问题的前提条件。
4.45
1.08E-03 10.36
38.13 古土壤
B27
7.15
5.07E-04 4.69
59.50 黄土
A27
9.35
2.78E-03 21.35
104.25 古土壤
样品位置及其体磁化率分布图：
sus/mass - depth
24
20
sus/mass (10-5SI/g)
16
12
8
4
0 E5 E31
本实验在不同的深度，按较典型的黄土和古土壤共取了五块样品来研究其磁学性质：
Name
Depth(m) Susc (SI) sus/mass (10-5 SI/g )
age(ka) 描述
E5
0.20
1.63E-03 14.17
4.80 古土壤
E31
1.00
6.19E-04 6.13
15.17 黄土
D70
王华源自文库1, 2
1: 北京大学地球与空间科学学院理论与应用地球物理研究所. 北京 100871； 2: 中国科学院地质与地球物理研究所. 北京 100029. 通讯联系人 王华沛 E-mail: wanghuapei@pku.edu.cn
摘要 本文对中国最典型的洛川黄土及古土壤的磁学性质进行了一些方面的研究。通过对不 同深度土壤取样的磁化率统计及特征深度取样的磁化率随温度变化及其过程的分析，得到了 一些关于土壤中所含磁性矿物的成分、粒级以及磁学特性的定性结果。更主要的是发现了在 特征点深度取样的k-t 曲线中，降温部分在 560 oC 时，普遍存在一不明显小峰这一实验事 实。在综合考虑前面学者观点的基础之上，通过对这一小峰和Hopkinson峰的比较分析提出 了对k-t 曲线可行的新解释方法，并提出了验证此模型的可能实验方法。
0
D70
B27
A27
4
8
12
depth (m)
figure 2
２
3 所得到的数据，图表，结果 不同黄土及古土壤的样品被放到仪器中，经过多次实验，被从不同的加热方法处理，得
到了各种 k-T 的曲线。 取A27 样品 117mg，在氩气及空气环境下反复加热到 700 oC并冷却到室温，得到：
Ktot (10-6) Ktot (10-6) Ktot (10-6)
0 200 400 600 800
T (oC)
figure 3.3
A27r7Air K-T Curve
250
A27r8Air K-T Curve
250
Ktot (10-6) Ktot (10-6) Ktot (10-6)
200
200
A27r6Ar K-T Curve
160
150
150
120
100
100
中国洛川黄土及古土壤之 磁化率随温度变化的 新研究初步进展
王华沛1, 2 指导教师： 朱日祥2 院士
潘永信2 研究员
1: 北京大学地球与空间科学学院理论与应用地球物理研究所. 北京 100871； 2: 中国科学院地质与地球物理研究所. 北京 100029.
０
中国洛川黄土及古土壤之磁化率随温度变化的 新研究初步进展