磁性测量

• 非滞后剩磁ARM， Anhysteretic Remanent Magnetization • 非滞后剩磁磁化率（ARM） ARM= ARM/H 对SD颗粒最敏感
Molspin
Agico JR6 旋转磁力仪
Dtech-2000 交变退磁仪
ARM/ ---粒度指标
King et al., 1982
研究介质
沉积物/泥沙 土壤 岩石
大气悬浮颗粒物 生物
研究问题
• • • • 来源？ 污染？ 古环境变化 。。。
磁性测量做什么？-成分分析
来源分析
泥沙/沉积物
沉积物地球化学过程
有机成分
无机成分 光学 元素 矿物 强磁性矿物 磁学 …. 弱磁性矿物
磁学仪器做什么？
分析沉积物来自百度文库泥沙/土壤中的磁性矿物 类型 含量 颗粒大小
泥沙示踪 地球化学
磁性矿物
环境磁学与矿物学/地球化学
• 环境磁学/矿物学
矿物 重矿物 轻矿物
• 地球化学
元素
磁性测量特点
• • • • Rapid Simple Cost-effective Non-destructive
重要实验室
• Institute for Rock Magnetism (Minneapolis, SAU): http://www.irm.umn.edu/index.html • http://www.geo.uu.nl/~forth/ • Scripps Institution of Oceanography (La Jolla, USA) Lisa Tauxe’s website http://sorcerer.ucsd.edu/ • 中科院地质与地理所古地磁实验室 http://www.paleomag.net
0.5~0.75 1.0 0.3 0.15 0.05，0.027 0.16~0.69 0.01~1.3 0.05~0.95 0.04~0.94
注：据 Dearing（1999）简化
表 1.1.3 室温下环境中常见铁氧化物、硫化物和碳酸盐的磁学性质 矿物 磁铁矿 磁赤铁矿 赤铁矿 针铁矿 纤铁矿 水铁矿 胶黄铁矿 磁黄铁矿 黄铁矿 菱铁矿
基本磁学量
I
磁场强度H
H＝ I 2r
r
I: 电流；r：据导线距离；单位：A/m
基本磁学量
m
磁矩 m
m＝IA
r I
I: 电流；A：面积；单位：Am2
基本磁学量
磁化强度 M
m M＝ V
单位体积内磁矩矢量和，单位：A/m
基本磁学量
磁化强度
m ＝
m ass
单位质量内磁矩矢量和，单位：Am2/kg
热磁曲线 Ms-T
热磁曲线 thermomagnetic curve
Magnetite
ferrimagnetic Fe3O4, TC = 578 °C
Hematite
canted antiferromagnetic Fe2O3, TN = 680 °C
奥斯特（Hans Christian Oersted；1777～1851） 丹麦物理学家。1794年考入哥本哈根大学， 1799年获博士学位。1806年起任哥本哈根大学教授。 1820年4月发现了电流对磁针的作用，即电流的 磁效应。同年发表《关于磁针上电冲突作用的实验》 ，由此开辟了物理学的新领域──电磁学。
and Dekkers, 1999 De Boer and Dekkers, 1996,1998；Wells et al., 1999；Zergenyi et al., 2000 等综合 注 2：FM-亚铁磁性；AFM-不完整反铁磁性；PM-顺磁性；DM-抗磁性
英文名称 magnetite maghemite hematite goethite lepidocrite ferrihydrite greigite pyrrhotite pyrite siderite
基本磁学量
（体积)磁化率
M ＝ H
单位：无量纲
质量磁化率
＝ ＝ H

单位：m3/kg 为密度
五种磁性质
铁磁性、亚铁磁性、反铁磁性、顺 磁性、抗磁性
五种磁性质
抗磁性：原子磁矩为零 顺磁性 ：原子间无交换作用，磁矩杂乱排列，净磁矩为零
表 1.1.2
矿物/物质的磁化率 化学组成 铁 钴 镍 αFe Co Ni (10-6m3kg-1) 276000 204000 68850
相关期刊
• • • • • • • Earth and Planetary Science Letters Geophysical Research Letters Journal of Geophysical Research Geophysical Journal of International Physics of the Earth and Planetary Interiors
磁性测量
张卫国
• 环境磁学 Environmental Magnetism
将磁学方法应用于环境问题的研究
环境磁学的诞生
• Roy Thompson • Frank Oldfield
北爱尔兰Lough Neagh年代问题，20世纪70年代，Roy Thomposon的博士论文工作
Thompson, R. and Oldfield, F., 1986 "Environmental Magnetism". Allen & Unwin: London 227pp.
矿物/物质 铁磁性
亚铁磁性 磁铁矿 磁赤铁矿 钛磁铁矿 钛赤铁矿 磁黄铁矿 胶黄铁矿 不完整反铁磁性 赤铁矿 针铁矿 顺磁性(20℃) 纤铁矿 菱铁矿 黄铁矿 伊利石 蒙脱石 直闪石 橄榄石 黑云母 紫苏辉石 抗磁性 石英 长石 有机质 水 高岭石 SiO2 K[AlSi3O8] H2O Al4[Si4O10][OH]8 -0.0058 -0.005 -0.009 -0.009 -0.019 Fe3O4 γFe2O3 Fe3O4 - Fe2TiO4 Fe2O3 - FeTiO3 Fe7S8 Fe3S4 390~1437 286~845 169~290 281~315 50~200
TC 或 TN C 580 590~645 675 120 -196 -158~-258 ~350 ？ 325
低温转变 K Verway ，90~120 Morin ，260
磁性质 FM FM AFM AFM PM PM FM FM AFM DM PM
等轴 单斜 六方 等轴 三方
3~29 5~20
αFe2O3 αFeOOH
0.27~1.85 0.35~1.26
γFeOOH FeCO3 FeS2 K2 (Al,Fe,Mg)4(Si,Al)8O20(OH)4·nH2O Nax(H2O)4{Al2[AlxSi4-xO10](OH)2} (Mg,Fe2+)7[Si4O11](OH)2 4[(Mg,Fe)2SiO4] K{(Mg,Fe)3[AlSi3O10](OH)2} (Mg,Fe)2[Si2O6]
高矫顽力， 低矫顽力矿物
不同磁组分混合物的磁滞行为。a) 磁铁矿和赤铁矿组合。 b) SD/SP磁铁矿组合之一（数据来自Tauxe et al., 1996）。 c) SD/SP磁铁矿组合之二。
Day Plot
高场磁化率hf
闭合直线段的斜率
亚铁磁性矿物磁化率 ferri= -hf
等温剩磁 IRM，Isothermal Ramnent Magnetization 饱和等温剩磁 SIRM，Saturation Isothermal Ramnent Magnetization 剩磁矫顽力 Bcr Remanence Coercivity
1934年以“奥斯特”命名CGS单位制中的磁场强度单位。
“我不喜欢那种没有实验的 枯燥的讲课，所有的科学 研究都是从实验开始的”。
安培，法国物理学家，
最主要的成就是1820～1827年对电磁作用的研究 电流的国际单位安培即以其姓氏命名。 提出分子电流假说
磁现象起源于电荷的运动。
• 原子的总磁矩应是按照原子结构和量子 力学规律将原子中各个电子的轨道磁矩 和自旋磁矩相加起来的合磁矩
磁滞回线 Magnetic Hysteresis Ms Mrs
Bcr
Bc
MMVFTB
MMVFTB
MMVFTB
主要功能：
磁滞回线 等温剩磁 热磁曲线
主要技术指标：
温度：－180～＋700C， 磁场：0～1.2 T， 灵敏度大于10-6 emu， 最大样品量不超过0.5 g
a) 逆磁性。b) 顺磁性。c)超顺磁 d) 单畴颗粒。e) 赤铁矿。f)假单畴颗粒。
最早解答“指南针为何能够指南”问题的 是英国科学家吉尔伯特。 “磁石之指南……莫可原其理！” 沈括， (1031—1095年)
吉尔伯特（1544～1603）是英国著名的医生、物理学家。担任英国女王伊丽莎白一世的御医。 他用观察、实验方法科学地研究了磁与电的现象，写成名著《论磁》，于1600年在伦敦出版。
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磁现象
早在两千多年前汉（公元前 206 －公元 220 年），中国人发现一 种长条的石头能指南北，他们管 这种石头叫做磁 石。把磁石打磨 凿雕成一个勺形，磁石的南极 （ S 极 ) 磨成长柄，放在青铜制成 的光滑如镜的底盘上，再铸上方 向性的刻纹。这个磁勺在底盘上 停止 转动时，勺柄指的方向就是 正南，勺口指的方向就是正北， 这就是我国祖先发明的世界上最 早的指示方向的仪器，叫做司南。
• 也叫：低场磁化率 low field
磁化率仪
AGICO MFK1-FB
• =∑ai i • i种组分的磁化率为i，它的百分含量为ai 通常样品的磁化率由绝对含量很低的亚铁 磁性矿物所主导。
主要的环境磁学参数
• 频率磁化率 • frequency dependence of magnetic susceptibility, fd • fd%=( lf - hf )/ lf 100 • fd=( lf - hf） • 对SP颗粒敏感
• 总的来说，组成宏观物质的原子有两类： 一类原子中的电子数为偶数，即电子成 对地存在于原子中。这些成对电子的自 旋磁矩和轨道磁矩方向相反而互相抵消， 使原子中的电子总磁矩为零，整个原子 就好像没有磁矩一样，习惯上称他们为 非磁原子。
• 另一类原子中的电子数为奇数，或者虽 为偶数但其磁矩由于一些特殊原因而没 有完全抵消使原子中电子的总磁矩（有 时叫净磁矩，剩余磁矩）不为零，带有 电子剩余磁矩的原子称作磁性原子。
硬剩磁 Hard IRM （HIRM）
• (SIRMIRM－300mT)/2
不完整反铁磁性矿物（赤铁矿或针铁矿） 的含量
S 比值
• S-300 亚铁磁性矿物与不完整反铁磁性矿物的相对比例 • （SIRM-IRM-300 mT）/（2SIRM）100 • S-100 （SIRM-IRM-100 mT）/（2SIRM）100
30~35
-238
~40（？）
注 1：据 Maher, 1988；Özdemir et al., 1993；Dekkers, 1997；Dekkers and Schoonen, 1996；Van Oorschot
粘土
粉砂
砂
SP
SSD
PSD
MD
Fe3O4磁畴划分
主要的环境磁学参数
• 磁化率 magnetic susceptibility,
化学式 Fe3O4 Fe2O3 Fe2O3 FeOOH FeOOH 5 Fe2O3· 9H2O Fe3S4 Fe7S8 Fe9S10～Fe11S12 FeS2 FeCO3
晶系 等轴 四方 三方 斜方 斜方
Ms Am2kg-1 80~92 60~76 0.2~0.5 0.01~0.1 4
10-8 m3kg-1 4~14 104 2.5~8.5 104 30~200 30~130 70 100 0.5~2 104 0.1~0.5 104 30 100
等温剩磁 IRM，Isothermal Ramnent Magnetization
脉冲磁化仪
旋转磁力仪
SIRM与
• SIRM不受抗磁性、顺磁性和超顺磁颗粒 影响 • SIRM/ 比值
ARM/ SIRM---粒度指标
软剩磁 Soft IRM
• IRM20mT 或者 (SIRM－IRM－20mT)/2