地質地球所含鋁赤鐵礦的磁學機理研究取得新進展

　　赤鐵礦普遍存在于有氧沉積物和熱帶-亞熱帶土壤中，具有弱磁性，可以攜帶穩定的天然剩磁。同時作為特殊的鐵氧化物，其生成、運輸與保存與古氣候和環境變化密切相關。在自然界中，赤鐵礦主要有兩種形成途徑：1）通過水鐵礦的水熱轉換，這在土壤和有氧沉積環境中（如氧化還原界限之上的海洋沉積物）較為普遍；2）鐵水合物的熱脫水過程，尤其是針鐵礦，這是火成巖或者沉積巖中赤鐵礦的一種主要形成途徑。但是在土壤溶液中含有大量的雜質離子和分子，在成土作用過程中，這些雜質離子會進入到礦物的晶體結構中，使得成土作用產生的不再是純的赤鐵礦，而是含有一定離子或分子替代的物質。鋁(Al)替代赤鐵礦就是一個典型的例子，在熱帶、亞熱帶地區，土壤物質由于礦物的風化，形成弱堿性條件，隨著可溶性鹽、堿金屬和堿土金屬及硅酸離子的大量流失，而造成鐵鋁在土體內相對富集。所以在赤鐵礦的形成過程中會有部分鐵離子被鋁離子替代，從而對赤鐵礦的性質產生影響。前人研究通常忽略自然界中赤鐵礦的鋁晶格替代問題，造成解釋的多解性。

　　中科院地質與地球物理研究所博士研究生姜兆霞及其導師劉青松研究員等，為了系統分析不同來源赤鐵礦的磁學特性以及鋁替代量對赤鐵礦磁學性質的系統影響，利用水熱法和熱脫水法在實驗室中合成了兩組赤鐵礦（HFh*和HG*，分別代表水熱法和針鐵礦熱脫水法合成的赤鐵礦），并利用X射線衍射（XRD），透射電鏡（TEM）和磁學方法對其進行了綜合研究。

　　結果表明，隨著Al替代量的增加，兩組樣品的磁學參數存在一致的變化趨勢。盡管如此，這兩組赤鐵礦的晶體形貌及磁學性質存在很大差異。HFh*系列赤鐵礦顆粒為扁平的板狀結構，而HG*系列赤鐵礦為拉長狀結構（見圖1）。與HG*系列樣品相比，HFh*系列赤鐵礦磁性較強，矯頑力較低，這對于反演自然界中赤鐵礦的形成環境具有重要的指示意義。其次，含鋁赤鐵礦為化學成因，可將其作為化學剩磁存在的標志。根據前人研究結果推斷，單疇純赤鐵礦的解阻溫度與矯頑力為正相關關系，而本研究結果發現，對于單疇鋁替代赤鐵礦，解阻溫度與矯頑力為負相關關系（見圖2）。該結論可作為單疇含鋁赤鐵礦存在的證據，進而指示化學剩磁的存在，具有十分重要的古地磁和古環境學意義。

　　該成果近期已發表在國際地球物理學刊物Journal of Geophysical Research上（Jiang et al. Magnetic discrimination between Al-substituted hematitessynthesized by hydrothermal and thermal dehydration methods and its geological significance. Journal of Geophysical Research. 2012, 117, B02102, doi:10.1029/2011JB008605）。

　　圖1：兩系列赤鐵礦樣品的透射電鏡分析結果

　　圖2：各系列赤鐵礦Tc與Bc相關圖