考古和地质材料古强度实验中的冷却速率校正

《Geochemistry, Geophysics, Geosystems》：Cooling Rate Correction in Paleointensity Experiments on Archeological and Geological Materials

古地磁学中冷却速率对热剩磁（TRM）的影响及校正方法研究。通过82个陶器和玄武岩样本的八种指数冷却实验，发现TRM比例与冷却速率对数呈线性关系，此规律适用于不同磁晶态组合的材料。对2100余个考古标本的校正显示，典型校正因子为2%-15%，最大可达20%。提出基于指数冷却模型的简单校正协议，强调冷却速率校正的必要性。

　　在对古地磁场强度（paleointensity）的研究中，准确估算过去磁场的绝对强度始终是一个核心挑战。这一挑战源于古地磁实验中，古代材料所获得的热剩磁（TRM）与实验室中通过受控条件获得的TRM之间存在显著的冷却差异。这些冷却差异导致TRM的强度在实验中可能被高估或低估，从而影响对古地磁场强度的准确重建。因此，如何有效校正冷却速率对TRM强度的影响，成为研究中必须解决的问题。

TRM的获取通常依赖于材料在冷却过程中磁性颗粒的磁化行为。根据Néel理论，单畴（SD）磁性颗粒在冷却时，其磁化状态会受到冷却速率的显著影响。具体而言，缓慢冷却的TRM通常比快速冷却的TRM更强，且两者的强度比与冷却速率比的对数成线性关系。然而，这一理论在实际应用中是否适用于非理想SD材料，例如陶瓷和玄武岩等常见的考古材料，一直是研究的重点。此外，如何量化冷却速率偏差对实验结果的影响，以及如何制定一个简单有效的校正方案，也是当前研究的重要方向。

在本研究中，科学家们对82个考古烧制黏土制品和玄武岩样本进行了实验，使用了七种不同的冷却速率常数，范围从0.005 min?1到0.0005 min?1，对应的冷却时间从30分钟到一周不等。这些样本的磁性颗粒具有多种磁性域状态，包括单畴、涡旋畴、强相互作用颗粒以及不同颗粒类型的混合。通过系统地比较这些样本在不同冷却速率下的TRM强度，研究者发现，TRM强度的比值与冷却速率比的对数之间存在线性关系，且这一关系不依赖于磁性颗粒的域状态。这一发现为冷却速率校正实验提供了坚实的实证基础，并表明在所有古地磁强度研究中，冷却速率校正应当成为一项常规操作。

为了进一步验证这一结论，研究者对超过2100个考古样本进行了冷却速率校正实验。实验中采用的校正方法基于Halgedahl等人（1980）的理论模型，该模型预测了TRM强度与冷却速率比之间的线性关系。通过使用三种不同的指数冷却速率常数，研究者计算了冷却速率校正因子，并发现其范围通常在几百分比到15%之间，偶尔甚至可达20%。这些数据表明，尽管冷却速率对TRM强度的影响可能因材料特性而异，但在大多数情况下，这种影响并不显著，尤其是在典型的考古烧制黏土制品中，冷却速率偏差带来的误差通常小于3%。这一结果为古地磁研究中如何处理冷却速率偏差提供了实用的指导。

从理论角度来看，冷却速率对TRM强度的影响在单畴颗粒中已经得到了较为系统的解释。Néel理论认为，随着材料从居里温度冷却，其饱和磁化强度和平衡磁化强度都会增加，而磁性颗粒的弛豫时间则呈指数增长。当弛豫时间不足以让材料达到热力学平衡时，磁化状态会被“锁定”，即形成TRM。缓慢冷却的材料有更多时间接近平衡状态，因此其TRM强度更高。这一理论在实验室中通过各种实验得到了验证，例如Fox和Aitken（1980）在陶瓷样本中观察到TRM强度随冷却速率的变化而变化，支持了Halgedahl等人（1980）的理论预测。然而，对于非理想SD材料，如多畴（MD）颗粒或强相互作用颗粒，冷却速率对TRM的影响更加复杂。例如，McClelland-Brown（1984）发现，MD颗粒在缓慢冷却时可能获得较弱的TRM，从而导致古地磁强度被低估。Winklhofer等人（1997）则通过三维磁微模拟，进一步揭示了磁性颗粒在不同冷却速率下可能表现出不同的磁化状态，如涡旋态，从而影响TRM的强度。

为了更全面地理解冷却速率对TRM的影响，研究者不仅依赖于理论模型，还通过实验对不同类型的磁性材料进行了系统测试。例如，Chauvin等人（1991）在玄武岩样本中观察到，冷却速率降低至40倍时，TRM强度可增加14%。Leonhardt等人（2006）和Ferk等人（2010）则在火山玻璃和合成熔融玻璃样本中，进一步验证了冷却速率对TRM的影响。此外，Yu（2011）在研究中发现，缓慢冷却的玄武岩样本可能获得比快速冷却样本更强的TRM，而这一现象在多畴材料中尤为明显。这些实验结果表明，冷却速率偏差对TRM强度的影响在不同材料中具有普遍性，但其具体表现可能因材料的磁性域状态而有所不同。

考古材料由于其特殊的冷却条件，成为研究冷却速率效应的重要对象。Chauvin等人（2000）在陶瓷样本中首次应用了冷却速率校正，通过比较自然缓慢冷却与实验室快速冷却下的TRM强度，发现两者之间的差异可达10%。随后，Bonilla-Alba等人（2021）和Gómez-Paccard等人（2006）等研究者进一步推广了这一方法，并将其应用于更广泛的考古材料中。然而，尽管已有大量实验数据支持冷却速率校正的重要性，仍然存在一些未解的问题，例如如何准确评估不同材料的冷却速率依赖性，以及如何在实验中合理设计冷却速率常数，以确保校正因子的准确性。

在本研究中，科学家们采用了指数冷却模型，以更精确地模拟自然冷却过程。实验中使用了两个不同类型的烘箱，分别用于快速扇冷和缓慢冷却。通过在烘箱内放置热电偶，研究者能够准确测量不同冷却速率下的温度变化，并据此计算冷却速率常数。结果显示，冷却速率常数在不同烘箱和不同位置之间存在差异，因此必须对每个样本单独进行校正。实验还发现，冷却速率对TRM强度的影响具有可预测性，即TRM强度的比值与冷却速率比的对数呈线性关系，这一关系适用于各种磁性域状态的材料，包括单畴、涡旋畴、强相互作用颗粒以及不同颗粒类型的混合。

在对实验数据进行分析时，研究者采用了多种方法，包括磁滞参数分析和第一反向曲线（FORC）分析。磁滞参数能够反映磁性颗粒的域状态和相互作用情况，而FORC则提供了更详细的磁性颗粒分布信息。通过这些方法，研究者发现，尽管磁性颗粒的域状态各异，但TRM强度与冷却速率比的线性关系依然成立。这一发现表明，Halgedahl等人（1980）的理论模型不仅适用于理想SD材料，也适用于现实中的非理想材料，如考古烧制黏土制品和玄武岩。

基于这些实验结果，研究者提出了一个简单而实用的冷却速率校正方案。该方案建议在Thellier型古地磁实验中，使用至少三种不同的指数冷却速率常数进行TRM获取，并通过计算最佳拟合线来确定冷却速率校正因子。此外，研究者还强调了实验中对样本进行改变检查的重要性，以确保TRM强度的稳定性。通过将这一校正方案应用于超过2100个考古样本，研究者发现，冷却速率校正因子通常在几百分比到15%之间，偶尔甚至达到20%。然而，由于考古材料的冷却速率通常难以准确测定，因此需要在实验中对冷却速率进行合理估计，并考虑其不确定性。例如，研究者发现，如果错误地假设古代冷却速率，可能会导致TRM强度的偏差，但在最坏情况下，这种偏差通常小于3%。

综上所述，本研究通过系统的实验和数据分析，揭示了冷却速率对TRM强度的影响具有普遍性，并且可以通过指数冷却模型进行有效校正。研究结果不仅支持了Halgedahl等人（1980）的理论预测，还为古地磁研究中冷却速率校正提供了实证依据和实用方案。这一研究对于提高古地磁强度估算的准确性具有重要意义，尤其是在考古和地质研究中，因为这些研究通常涉及复杂的冷却条件和多样的磁性材料。通过引入冷却速率校正，研究者能够更准确地重建古地磁场的变化，从而为理解地球磁场的历史演化、考古年代测定以及地磁变化对地质和生物过程的影响提供更加可靠的数据支持。