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岩石磁学演绎 第29章 胶黄铁矿(Fe3S4) 精选

已有 8992 次阅读 2020-3-3 10:32 |系统分类:科研笔记|关键词:学者

         铁硫化物是一个特殊的体系。其中包括强磁性的胶黄铁矿(Fe3S4)和磁黄铁矿(Fe7S8)。如果在充分还原的环境里,最稳定的硫化产物是黄铁矿(FeS2)。

和磁铁矿一类比,我们就会发现胶黄铁矿和磁铁矿一样具有反尖晶石结构。由于S的离子半径比O的离子半径要大,所以单位体积内的铁离子含量会小,因此它的Ms也要随之减小。

MS = 23-30 Am2/kg ≈ ¼ 磁铁矿MS

BC = 20-30 mT      (比磁铁矿要高一些)

由于胶黄铁矿具有热不稳定性,测量胶黄铁矿的居里温度一直是个难题。研究表明,其居里温度(Chang et al.2008

TC ~ 320-400℃

与磁铁矿不一样,胶黄铁矿的易磁化轴一直在<100>方向(Heywood et al. 1990),所以它不具备磁铁矿那样的低温转换特征,但是在经过LTC处理后,一样会退磁。

研究胶黄铁矿比较多的学者主要包括Mark DekkersAndrew Roberts, 常燎等几位教授。Roberts教授的贡献是发现胶黄铁矿远比过去认为的分布要广泛。常燎教授则系统研究了实验室合成的纯胶黄铁矿样品,对不同粒径胶黄铁矿的性质进行了详细的厘定。

胶黄铁矿是一种中间产物,其形成的机制有两种:

第一种是向黄铁矿转化的过程被打断,从而停留在中间状态。在台湾地区大量存在胶黄铁矿。我们可以这样解释,台湾这几个百万年以来一直处于快速隆升,在构造过程中,容易形成这种“打断”机制,使得胶黄铁矿保留下来。

第二种是硫的含量相对较少,不足以形成黄铁矿。以前的模型一直认为胶黄铁矿要在氧化还原界面之下形成。最近刘建兴博士的研究发现一个重要线索。他系统研究了黄海和渤海的沉积物,发现胶黄铁矿的出现常常伴有Cd含量增加。我们知道Cd容易与微量S形成CdS,在氧化还原界面沉淀下来。Cd的峰值一般认为是弱氧化-弱还原环境,也就是氧化还原界面。这种一致性说明胶黄铁矿应该在氧化还原界面处形成。黄海和渤海属于边缘海,水深很浅。所以随着海进与海退,氧化还原界面会发生重要变化,所以胶黄铁矿会生成。只要胶黄铁矿一出现,就暗示着有水环境。所以胶黄铁矿可以被用来研究这些地区的海进情况以及海平面升降等过程。

      Rowan博士是Roberts教授的博士生。在读博士期间,他研究了沉积物中胶黄铁矿的生成过程。在沉积物浅部属于氧化环境,原生磁铁矿会得以保存。随着深度增加,逐渐转向还原环境,原生磁铁矿就会发生部分溶解。最开始小颗粒磁铁矿优先溶解,所以磁铁矿的整体粒径分布向粗颗粒方向移动,但是整体磁性会降低。深度再增加,原生磁铁矿会被大幅度溶解,胶黄铁矿会逐渐生成。自然界中形成的胶黄铁矿一般处于SD状态,成葡萄状集合在一起,磁相互作用很强,其FORC是典型的牛眼状特征,非常易于识别。其剩磁会在300多度快速下降,这也是确认胶黄铁矿主要证据之一。

上述过程在Day图上表现为一个逆时针旋转过程。粒径先粗后细,最后逐渐向SD颗粒方向转化。

如果样品含有胶黄铁矿,在AF退磁过程中,非常容易获得旋转剩磁(GRM)。具体表现为在50-60 mT之上,剩磁不但不下降,反而会逐渐升高。这对于传统的交变退磁绝对是一个干扰。很多情况下,只能用60 mT之下的退磁数据来确定古地磁场的方向。

段宗奇博士对这个现象进行了系统研究(Duan et al., 2020, G3)。他在研究中国南海样品时就发现了这个现象。他对GRM很强的样品测量了FORC图,发现了两个独立的牛眼圈,一个矫顽力小,对应着SD磁铁矿。另外一个的矫顽力偏高,对应着胶黄铁矿。对样品进行300°加热处理,胶黄铁矿受热不稳定分解。之后再做FORC图,就会发现胶黄铁矿的牛眼圈消失了,同时热处理后的样品也不获得GRM了。这充分说明胶黄铁矿对GRM的贡献。同时,也有效地证明了前期加热300°,是消除胶黄铁矿GRM干扰的有效方法。

胶黄铁矿不只产生GRM,它还能对整个磁性地层产生干扰。刘建兴博士在研究黄海样品时,在MBB边界附近发现多次“极性倒转行为”。如果按照传统的思路,会直接把这些“极性倒转”与GPTS一一对应,从而建立年龄框架。可是,随后的研究发现,有的极性倒转层对应着胶黄铁矿富集层。这说明某些极性倒转其实不是真实的信息,而是由于胶黄铁矿造成的。只有把这些干扰信息去除掉,才能得到准确的年龄框架,并和生物地层年代框架完美统一。

那么胶黄铁矿是如何记录这种反向磁化的呢?

胶黄铁矿自己不具有反向磁化的能力。于是葛坤朋博士利用微磁模拟技术对MD磁铁矿和SD胶黄铁矿体系进行了研究。他发现MD颗粒聚集在一起的时候,会形成涡旋磁化。有的方位磁场是正向磁化,有的则是反向磁化。在这些反向磁化MD磁铁矿旁边,如果生成SD胶黄铁矿,受MD颗粒涡旋磁矩的影响,这些SD胶黄铁矿就会记录反向磁化。随着还原程度加强,MD颗粒的磁铁矿会被溶解,最终就只剩下这些反向磁化的胶黄铁矿。




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