科学网第5章:磁化率概念进一阶

2020-02-06

某一物质的磁化率可以用体积磁化率(volume magnetic susceptibility, 通常用k表示)或者质量磁化率(mass magnetic susceptibility, 通常用c表示)表示。体积磁化率k为无量纲参数。在cgs单位系统下的磁化率值是SI下的4p倍,即c(cgs) = 4pc(SI)。体积磁化率除以密度即为质量磁化率c,亦即c=k/r其单位为m3/kg。磁化率通常在弱场(e.g., <1 mT)中测量。

磁化率如此受欢迎,我猜想有如下几个原因:

第一就是测量便捷,尤其是野外手提式磁化率仪,可以用来进行高精度测量,非常适合磁性地层学研究。即便是在实验室内,磁化率测量也是最简单,速度最快的一种。所以,在环境磁学研究早期,磁化率仪就成为最常见的仪器。

第二个原因离不开地理学家们的普及。由于磁化率测量便捷,在早期划分地层、研究古气候与古环境变化方便应用非常广泛。不用特别理解磁化率本身的物理含义,磁化率值高低变化,就蕴含着天文轨道周期的信息。

在这里,我们不得不提中国黄土-古土壤研究。中国黄土是风成粉尘沉积,粉尘来源于黄土高原北部的沙漠区,被亚洲冬季风吹到黄土高原,沉积下来,形成一两百米厚的黄土地层。在黄土层中间,发育着深色的古土壤层。这些古土壤层代表着过去温暖潮湿的气候,对应着间冰期。此时,亚洲夏季风盛行,带来丰沛的水汽,于是在成土作用下,发生矿物转化,生成了大量的SP/SD磁赤铁矿,造成古土壤的磁化率大增。一般情况,没有经历成土作用的黄土,其磁化率大约为2*10-7m3kg-1,而古土壤会比这个值高出十到几十倍。

早期研究第四纪气候变化的科学家就利用磁化率来划分地层,磁化率高的层对应着古土壤,磁化率低的层位则对应着黄土,高高低低,韵律十足。这种韵律和海洋沉积物里记录的全球气候变化特征几乎可以一一对比,这就实现了古气候的海陆对比,一下子提升到全球高度,科学意义大增。可以说,磁化率这个参数为第四纪研究立下了汗马功劳。

可是磁化率是一个简单的磁学参数吗?

后来随着第四纪科学家研究的深入,慢慢发现在黄土高原周边地区的黄土性质变得有些异常,当研究更古老的第三纪黄土时,第四纪的研究模型不完全成立。当研究中国西部成土作用更弱的地区(如兰州)以及阿拉斯加黄土时,人们甚至得出相反的气候模式。于是,很多研究开始提出,磁化率并不是总能作为气候指标,还有其它因素产生重要影响。

如果我们了解了磁化率的物理含义和影响因素,我们就不会对磁化率的复杂性产生惊讶,也会对磁化率在中国黄土研究的成功感到幸运,因为中国黄土模式相对来说确实是简化了不少,具体体现在物源输入的磁性本底值低,物源相对稳定;物源输入的磁性矿物为大颗粒的PSD/MD磁铁矿;成土作用产生的则是纳米颗粒SP/SD的磁赤铁矿,有一部分可达到PSD(几个微米以下);这些SP/SD颗粒的粒径分布非常一致,与成土作用的强弱无关。因此,SP/SD颗粒的含量变化控制着样品整体磁化率的变化,以至于不用任何矫正,只用磁化率的变化就可以对成土作用的强弱进行定量化,甚至可以用来确定当时的古降雨量。

前面我们已经指出,磁化率是一个衡量物质被磁化强弱的量。磁性物质的磁化强度与外加场成正比。

对于直流场的测量方式,磁化率更准确的定义是MH的一阶导数:

c= dM / dH

在饱和状态,M不会再变,此时dM = 0,因此,c = 0

物质的磁化率还能为零?

答案是当然!在高场(比如大于0.5-0.7 T)情况下,亚铁磁性矿物就被饱和了,此时它们的磁化率就为零。这一性质可以用来分离亚铁磁性磁化率(ferrimagnetic susceptibilitycferri)和顺磁性磁化率(paramagnetic susceptibilitycpara)。因为在高场情况下,顺磁性颗粒的M会继续随着H增大而增大。

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