中新世玄武岩中核-边钛磁铁矿结构与磁赤铁矿化辅助相互作用的自我反转热剩磁——来自中欧厄尔士山脉/克鲁什内山脉北部奥赫热/埃格尔裂谷的实例

《Physics and Chemistry of the Earth, Parts A/B/C》：Self-reversed thermoremanent magnetization linked to maghemitization-assisted interactions in core–rim Ti-magnetite structures in Miocene basalts from the Kru?né Hory/Erzgebirge Mountains, northern Oh?e/Eger rift in Central Europe

　　

自我反转（Self-reversal）是一种现象，即材料的剩余磁化方向与其获得磁化时所处的外部磁场方向相反。该现象最早由Néel（1951）从理论上提出，由Nagata等人（1952）在日本榛名山英安岩中发现，随后Havard和Lewis（1965）以及Ozima和Ozima（1967）利用玄武岩样品在实验室热实验中成功重现。近年来，研究人员利用电子全息术及相关方法在晶粒尺度上直接观察并可视化自我反转现象（Harrison等，2002，2005）。在火成岩中，自我反转可导致剩余磁化方向与原始地磁场方向反平行，从而可能引起对磁极性和强度的误判。尽管未被识别的自我反转对重建过去地磁场行为、地球动力学过程和火山历史构成严重挑战，但在常规火成岩古地磁研究中，其发生仍常被忽视。因此，阐明自我反转剩余磁化产生的机制和条件，并提供有助于识别自我反转可能性的岩石磁学和显微学依据至关重要。 钛磁铁矿（Ti-magnetites，Fe3?xTixO4，0 < x < 1），即磁铁矿-钛尖晶石固溶体，被广泛认为是世界各地多种火成岩中主要的剩磁载体矿物（如?zdemir和O'Reilly，1981；Banerjee和Moskowitz，1985；Ucar和Cengiz，2024）。其磁学性质及获取和保持热剩磁（TRM）的能力强烈受钛替代程度、晶粒尺寸、晶体几何形态、各向异性、杂质、应力、冷却速率、温度和氧化程度等因素控制（Moskowitz，1980；Banerjee和Moskowitz，1985；?zdemir和Dunlop，1985，2010；Cui等，1994；Ge等，2021）。与此依赖性相关，Krása等人（2005）提出，鉴于矿石矿物中部分氧化的频繁发生，自我反转在玄武岩中可能相对常见。这与大量关于含钛玄武岩中自我反转热剩磁的报道相符，这些报道涵盖了广泛的地质背景，包括陆上玄武岩（如Nishida和Sasajima，1974；K?dzia?ko-Hofmokl和Kruczyk，1976；Pan等，2006；Pavlov等，2019）和洋底玄武岩（如Ozima和Larson，1970；Matzka等，2003；Doubrovine和Tarduno，2004；Carvallo等，2010）。因此，该现象是玄武岩古地磁研究中的实际问题。 熔岩中自我反转剩余磁化可归因于两种主要机制类型：单相和两相相互作用（综合评述见Krása等，2005；Trukhin和Bezaeva，2006）。在氧化玄武岩体系中，两相耦合机制尤为重要。根据Néel（1951）的理论，这种耦合可源于磁性组分间的静磁相互作用或超交换相互作用。静磁相互作用通常与低温氧化将部分钛磁铁矿转变为钛磁赤铁矿相关（如Heller和Petersen，1982；Krása等，2005）。而后者通常涉及钛赤铁矿系列中的矿物对（如Nagata和Uyeda，1959；Prévot等，2001），或在某些情况下涉及赤铁矿（如McClelland，1987；Swanson-Hysell等，2011）。 尽管已有理论框架和案例研究报道，自我反转仍是一个复杂且尚未完全理解的热剩磁获取过程，尤其是在粗粒天然玄武岩中。虽然静磁模型被广泛引用，但可见氧化结构、与相互作用相关的磁学特征以及不同剩磁组分之间的直接联系仍未得到充分记录。在本研究中，研究人员通过结合详细的放射性测年、显微学、岩石磁学和古地磁分析，在克鲁什内山脉（当地德语名：厄尔士山脉）的两个新采样火山中解决这一问题。奥赫热（当地德语名：埃格尔）裂谷内的克鲁什内山脉火山场为研究自我反转的机制提供了极佳的自然条件，因为它在一个单一火山系统中结合了密切相关的单元、对比鲜明的结构和矿物学特征，以及铁钛氧化物不同程度的氧化。这使得可以对比可能具有不同磁行为的玄武岩样品。重要的是，该工作最初是由旨在理解区域构造背景和奥赫热裂谷火山作用发展的古地磁重建所推动的，该裂谷是更广泛的欧洲新生代裂谷系统（ECRIS；Dèzes等，2004，图1）的一部分。然而，矛盾性和过渡性古地磁方向、异常剩磁行为以及多磁组分的出现，需要对剩磁载体和蚀变过程进行专门的、多学科的评估。在此意义上，所研究的地点提供了一个例子，说明如果未明确检验，未被识别的自我反转可能如何使火山和古地磁解释产生偏差。因此，研究人员旨在提供实用的约束条件：（i）表征氧化的微结构和化学表现；（ii）评估矫顽力谱、解阻温度窗口和岩石磁行为如何反映共存相之间的磁相互作用；（iii）识别由复杂退磁轨迹表达的中间剩磁状态；（iv）测试所研究材料是否能在实验室加热实验中重现类似自我反转的行为。

论文解读：中新世玄武岩核-边钛磁铁矿结构中的自我反转热剩磁及其磁赤铁矿化辅助相互作用

一、研究背景与科学问题

自我反转（self-reversal）是指材料的剩余磁化方向与其获取磁化时所处的外部磁场方向相反的现象。该现象由Néel（1951）首先从理论上提出，随后在日本的英安岩中被发现，并在实验室热实验中成功重现。在火成岩中，自我反转可导致剩磁方向与原始地磁场方向反平行，从而可能引起对古地磁极性和强度的错误解读。尽管未被识别的自我反转对重建过去地磁场行为、地球动力学过程和火山历史构成严重挑战，但在常规火成岩古地磁研究中其发生仍常被忽视。

钛磁铁矿（Ti-magnetite，Fe_3?xTi_xO₄）是多种火成岩中主要的剩磁载体矿物，其磁学性质受钛替代程度、晶粒尺寸、晶体几何、各向异性、杂质、应力、冷却速率、温度和氧化程度等多种因素控制。Krása等人（2005）指出，鉴于矿石矿物中部分氧化的频繁发生，自我反转在玄武岩中可能相对常见。在氧化玄武岩体系中，两相耦合机制尤为重要，可源于磁性组分间的静磁相互作用或超交换相互作用。静磁相互作用通常与低温氧化将部分钛磁铁矿转变为钛磁赤铁矿（Ti-maghemite）相关。

尽管已有理论框架和案例研究，自我反转仍是一个复杂且尚未完全理解的热剩磁（TRM）获取过程，尤其是在粗粒天然玄武岩中。静磁模型虽被广泛引用，但可见氧化结构、与相互作用相关的磁学特征以及不同剩磁组分之间的直接联系仍未得到充分记录。因此，本研究旨在通过结合放射性测年、显微学、岩石磁学和古地磁分析，在克鲁什内山脉/厄尔士山脉（Kru?né hory/Erzgebirge Mts.）的两个新采样火山中阐明自我反转的机制和条件。

二、研究内容与主要结论

研究人员对奥赫热/埃格尔裂谷（Oh?e/Eger Rift）北部克鲁什内山脉的三个新采样点（BRN、VKV和ZCJ）进行了系统研究。40Ar/39Ar定年结果显示，Brandov火山（BRN）和?esky Ji?etín火山（ZCJ）的年龄分别为11.7±0.4 Ma和11.5±0.3 Ma，属于中新世。古地磁分析揭示了显著的反常剩磁行为：BRN和VKV样品仅显示正倾角组分，而ZCJ样品则表现出三种不同的剩磁方向组——仅正倾角、仅负倾角以及同时含正负倾角组分。ZCJ样品中正负倾角组分的平均方向并非完全反平行，表明其并非简单的地磁极性反转记录，而是与自我反转现象相关。

实验室热剩磁实验证实，具有负倾角天然剩磁（NRM）的ZCJ样品在50 μT和10 μT外加磁场中冷却后获得了与外加场方向相反的剩磁，而其他样品则获得平行于外加场但倾角显著变浅的剩磁。这一结果与天然剩磁行为一致，表明所研究材料能够在实验室条件下重现类似自我反转的剩磁获取过程。

三、关键技术方法

研究人员采用了多种关键技术方法：（1）40Ar/39Ar阶段加热定年法，在德国Argonlab Freiberg实验室进行，用于约束火山单元的时代；（2）交变场（AF）和热（TH）逐步退磁分析，结合主成分分析（PCA）确定特征剩磁（ChRM）方向；（3）系统的岩石磁学分析，包括低频磁化率（κ_lf）、频率依赖磁化率（κ_fd）、场依赖磁化率（κ_hd）、非磁滞剩磁（ARM）、等温剩磁（IRM）获取及矫顽力谱分解、S比值、低温/高温磁化率温度依赖性测量；（4）磁滞回线和一阶反转曲线（FORC）分析，使用VARIFORC平滑算法；（5）扫描电子显微镜（SEM）结合能谱仪（EDS）进行显微结构和矿物学表征；（6）实验室热剩磁获取实验，在500°C和50 μT或10 μT外加磁场条件下进行。

四、研究结果

4.1 40Ar/39Ar定年结果

BRN和ZCJ样品的坪年龄分别为11.48±0.12 Ma和11.82±0.12 Ma，反等时线年龄分别为11.44±0.16 Ma和11.67±0.18 Ma，两者在误差范围内一致。反等时线截距显示近大气的氩同位素组成，表明氩丢失或过剩氩继承可忽略不计。最终确定ZCJ和BRN的优先年龄分别为11.5±0.3 Ma和11.7±0.4 Ma。

4.2 天然剩磁退磁结果

BRN和VKV样品仅显示正倾角组分，NRM强度分别为5–10 A/m和14–50 A/m，中值退磁场（MDF_NRM）为4–10 mT。两个采样点均显示两个矫顽力和解阻窗口：高矫顽力/高解阻温度组分（15–50 mT，280–440°C）约占NRM的20%，低矫顽力/低解阻温度组分（2–10 mT，80–200°C）占NRM的一半以上。BRN的平均方向（倾角=67.3°，偏角=359.5°）接近该地点的地心轴向偶极子（GAD）值，而VKV的平均方向（倾角=48.1°，偏角=357.9°）则明显更浅。

ZCJ样品表现出三种剩磁方向组。仅负倾角样品的NRM强度（17–43 A/m）比仅正倾角样品（1–6 A/m）高约一个数量级。仅负倾角样品的稳定矢量方向在10–30 mT AF步长和160–480°C温度范围内解析，而仅正倾角样品则在更高AF（15–70 mT）和温度（160–520°C）范围内解析。含双组分的样品中，负倾角组分具有较低的解阻温度（80–300°C），正倾角组分则位于较高范围（400–520°C）。反转检验显示，正倾角组和负倾角组之间的观测角（γ_o=17.6°）超过临界角（γ_c=13.17°），表明两组平均方向在水平面上并非完全反平行。

4.3 实验室诱导热剩磁结果

在50 μT外加场下获得的TRM强度（3.5–6.5 A/m）约为10 μT场下（0.4–1.3 A/m）的五倍，表明获取的剩磁与外加场强度成正比。原始显示仅正倾角NRM或双组分的样品获得了平行于外加场方向但倾角显著变浅（平均倾角=27.8°）的TRM。而原始显示仅负倾角NRM的样品获得了与外场反平行的向上方向剩磁（TRM_50μT倾角=?59.5°，TRM_10μT倾角=?61.7°）。TRM的退磁行为总体上与NRM相似，重现了“上翘”（uptick）和“拐折”（kink）特征及补偿行为，为样品能在实验室冷却过程中获取类似自我反转的剩磁提供了定性证据。

4.4 岩石磁学结果

高温磁化率曲线显示BRN和VKV样品具有两个居里温度（T_c）：约200–250°C对应于钛磁铁矿（x=0.4–0.6），约450–480°C对应于钛磁赤铁矿。ZCJ样品在加热过程中显示可逆的磁化率增加到约200°C，随后在200–450°C之间出现亚可逆增加（“磁赤铁矿凸起”），高于此范围则出现不可逆下降，对应于钛磁赤铁矿的逆转变。低温磁化率曲线显示ZCJ样品在?175°C至?155°C之间存在明显的Verwey转变，而BRN和VKV样品中不明显。

岩石磁学参数表明，ZCJ样品具有更粗的磁性颗粒和更强的相间相互作用：ARM值较低（3.3–4.3 A/m vs 5.9–6.7 A/m），SIRM值较高（6.2–9.4×102 A/m vs 3.8–5.6×102 A/m），MDF_ARM值较高（12.7–20.6 mT vs 4.9–8.0 mT），κ_fd值较低（0.9–1% vs 2.6–3.7%），κ_ARM/SIRM比值较低（0.010–0.013 vs 0.027–0.044）。IRM获取曲线的解混分析揭示了四个部分重叠的矫顽力组分。

4.5 显微结构结果

扫描电子显微镜（SEM）结合能谱仪（EDS）分析揭示了铁钛氧化物颗粒的核-边结构。BRN和VKV样品中，钛磁铁矿颗粒具有较薄的钛磁赤铁矿边。ZCJ样品中，核-边结构更为显著，钛磁赤铁矿边的相对体积占比（σ_rim）通过公式σ_rim = 1 – (a/b)3计算。核和边的成分差异，特别是Fe/O和Fe/Ti比值的差异，支持了低温氧化形成钛磁赤铁矿边的解释。

4.6 FORC分析结果

一阶反转曲线（FORC）分析提供了磁相互作用的证据。ZCJ样品的FORC图显示沿纵轴的扩展和中央脊的加宽，这与磁相互作用相关的偏置效应一致。相比之下，BRN和VKV样品的FORC图特征表明较弱的相互作用。FORC特征与核-边结构和磁赤铁矿化程度一致，为相互作用相关的偏置提供了支持证据。

五、讨论与结论

研究人员提出“未混合自我反转”（unmixed self-reversal）的概念来描述可解析的相反剩磁组分。在ZCJ样品中，负倾角组分赋存于低矫顽力/低解阻温度窗口，而正倾角组分赋存于高矫顽力/高解阻温度窗口，两者之间通过补偿点过渡。这种组分分离使得自我反转效应在逐步退磁过程中可被直接观测和解析。

研究将自我反转机制归因于磁赤铁矿化辅助的静磁相互作用：低温氧化在钛磁铁矿颗粒表面形成钛磁赤铁矿边（相B），其解阻温度低于核部钛磁铁矿（相A）。在冷却过程中，核部先获得与外场平行的剩磁，随后边部在其解阻温度以下于核部产生的退磁场中获取反平行剩磁。当边部的反平行剩磁超过核部的平行剩磁时，即发生完全自我反转。核-边结构的相对体积比例、两相的磁性强弱对比以及空间耦合关系决定了自我反转的完整程度。

该研究的意义在于：（1）提供了氧化结构、相互作用相关磁学特征和不同剩磁组分之间直接联系的自然实例；（2）证明了实验室加热实验可以重现类似自我反转的剩磁行为；（3）强调了在古地磁研究中检验自我反转可能性的重要性，特别是在含钛玄武岩中；（4）为识别未被识别的自我反转提供了岩石磁学和显微学判据，有助于避免对古地磁极性和火山历史的错误解读。