0.   引言

自然界岩石和沉积物样品中的磁信息取决于所含磁性矿物的种类、大小和含量，而这些磁性矿物(例如：铁磁性矿物，反铁磁性矿物)具有很宽的磁性粒度分布。为了精确地解释沉积物记录的环境和气候变化的信号，必须对这些磁性矿物所携带的磁性信息进行有效分离。

部分非磁滞剩磁(pARM)谱分析可以有效分离岩石样品中不同粒径的磁性矿物，从而识别矫顽力分布范围^[1~3]。实验室中，非磁滞剩磁(ARM)是在一个衰减的交变场中施加一个偏置直流场的条件下获得。pARM是在不连续的交变场中施加一个偏置直流场的条件下获得^{[2, 4]}，与设定的交变场区间对应的磁性矿物颗粒将会获得ARM，而其它磁性颗粒将会被退磁^[2]。ARM对单畴磁颗粒的变化非常敏感^[5~9]，因此被广泛用于沉积物的古气候研究。

1.   区域概况和背景

干海(38°53′N、112°11′E，见图 1a)位于宁武县城西南20 km东庄乡境内的分水岭海子背山顶的夷平面上，平均海拔约1854 m。干海与天池为邻，位于天池之东北约1 km处，水面积0.04 km²，水深＜2 m，主要由降雨积水造成，系季节性封闭湖泊(见图 1b)。因面积较小，蒸发量大且容易干涸，故而得名。干海一带草甸发育，灰褐色至深灰黑色草炭、黑色泥炭层厚达2.1 m，含介形和孢粉化石，并常见成层植物叶片。泥炭层之下灰褐色粘土层厚约0.6 m，含有螺、介形和孢粉化石。下层是黑褐色、黄绿色砂砾石层，厚度约0.26 m，其下覆盖的是沙层。干海湖泊剖面是华北西部和黄土高原东部全新世最好的剖面之一^[10]，将为研究华北地区第四纪高山湖泊演化、气候变化、古地理变迁及第四系湖相地层划分等提供了有利的佐证^[10]。

图  1  干海湖泊地质位置和全貌图^[11]

Figure  1.  Location and detail map of Ganhai Lake indicated by a blue circle

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2.   实验样品和测试方法

实验所用样品是来自山西宁武天池干海剖面湖泊沉积物，根据磁滞曲线测量结果得知其主要载磁矿物是多畴磁铁矿。在湖泊剖面上、中、下三层分别取样：上层5个(约7.3~4.0 ka；0.15~0.95 m)，主要是泥炭、草炭和有机泥，并常见大量植物残体；中层9个(约12.0~7.3 ka；0.95~3.55 m)，主要是深黑色富含有机质的泥和浅灰色泥，常见植物残叶；下层3个(约12.0~13.0 ka；3.55~4.10 m)，主要包含碎屑沉积物，细粒度的沙、粉沙和粘土，有大粒度的砾岩和鹅卵石出现，偶尔可见植物残体。每个样品质量均为10 g，一般可认为高pARM值对应的磁铁矿颗粒在样品中含量也高。这三组样品具有不同的沉积特征，因而可以指示不同湖泊沉积环境。目前，还没有关于宁武高山湖泊的非磁滞剩磁谱分析方面的研究，本文应用这三组具有代表性的样品进行实验分析。

所有测量在加拿大温莎大学古地磁实验室完成。ARM获得是用Sapphire交变退磁仪(SI-4) 完成，交变场区间0~100 mT，偏置直流外加场0.05 mT，而最大交变场110 mT。pARM(AF₁、AF₂)是在两个交变场AF₁和AF₂之间获得(AF₂>AF₁)，为了获得pARM谱，交变场需要逐步增加，本文设定AF₂-AF₁=10 mT，即：0~10 mT，10~20 mT，20~30 mT，……，90~100 mT。虽然ARM对细磁性颗粒(SD)的变化很敏感^[5~9]，但是颗粒间的磁性相互作用会强烈影响颗粒的磁响应，所以ARM也会受到颗粒间磁性相互作用的影响^[12~13]。

3.   实验结果

图 2—图 4分别显示了上层、中层和下层沉积物的pARM矫顽力谱，在任何一个交变场区间获得的pARM与ARM的比值(pARM/ARM)，是该区间内获得的pARM的归一化值，中部立柱的高度指示样品在该区间内获得归一化后的pARM。细磁性矿物颗粒(如SD)具有较高矫顽力(AF>20 mT)，因而具有较高的pARM。然而，粗磁性颗粒(如MD)具有较低的pARM，因为MD磁性物质具有较低矫顽力(AF＜20 mT)。很显然，粒径不同的磁铁矿颗粒，其获得ARM的物理机制存在一定差异性^[3]。假单畴(PSD)磁颗粒实际上是SD和MD的混合物，在此不做更多研究。

图  2  干海湖泊剖面上层沉积物样品的pARM谱变化规律

Figure  2.  Variations in pARM spectra for samples from the uppermost level

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图  3  干海湖泊剖面中层沉积物样品的pARM谱变化规律

Figure  3.  Variations in pARM spectra for samples from the middle level

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图  4  中文干海湖泊剖面下层沉积物样品的pARM谱变化规律标题

Figure  4.  Variations in pARM spectra for samples from the lowermost level

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其中，上层沉积物(全新世中晚期)的pARM谱特征(见图 2)：pARM归一化值在10~20 mT的区间内最高(约0.22~0.24)，暗示该层沉积物主要含有粗磁铁矿颗粒(MD)，这与刘青松等^[3]研究的多畴磁性颗粒的pARM归一化值0.31~0.33相近，根据Jackson等^[2]对不同粒径磁铁矿颗粒的矫顽力模型，判定这些主要磁铁矿颗粒粒径大小为3~6 μm。其次，在交变区间70~80 mT，pARM归一化值有较高突起(0.11~0.14)，暗示该层沉积物含少量SD磁铁矿颗粒，粒径大约是0.1~0.5 μm，或者含有较少量硬磁矿物，例如：赤铁矿、磁赤铁矿、胶黄铁矿、针铁矿。

中层沉积物(全新世中期)的pARM谱特征(见图 3)：总体来说，该层沉积物的pARM谱分布较宽，pARM归一化值降低较缓。在10~20 mT的区间内，pARM归一化值显示最高(0.17~0.20)，在交变区间0~10 mT和20~30 mT内，pARM归一化值较高，分别为0.12~0.15和0.15~0.17。随着交变磁场增大，在交变区间30~40 mT、40~50 mT和50~60 mT内，pARM归一化值降低缓慢、基本保持恒定值0.11~0.12。这些特征暗示该层沉积物中的磁性矿物颗粒是混合物，如：较多的MD磁铁矿颗粒、较少量的较细PSD、微量的SD磁铁矿颗粒(或者硬磁矿物颗粒)，主要磁铁矿颗粒(MD)粒径大小为＜5 μm，次要磁性颗粒(PSD)粒径大约是0.1~0.5 μm^[2]。

下层沉积物(全新世早期)的pARM谱特征(见图 4)：与上层和中层相比，下层沉积物的pARM谱分布相对较宽，pARM值降低较缓。在交变区间10~20 mT、20~30 mT、30~40 mT、40~50 mT、50~60 mT、60~70 mT内，pARM归一化值分别为0.09~0.10、0.18~0.19、0.18~0.19、0.16~0.17、0.12~0.13、0.08~0.10、0.05~0.07，这些数值相对于上层和中层沉积物的pARM归一化值来说，有所降低，暗示下层沉积物中的磁性矿物颗粒是混合物，包括MD磁铁矿颗粒、小的PSD、微量的SD磁铁矿颗粒，或者硬磁矿物颗粒。下层沉积物中的粗磁铁矿粒径大约是1~6 μm，次要磁铁矿颗粒粒径大约是0.1~0.5 μm^[2]。但是，该层的磁铁矿颗粒比中层的粒径要大，而比上层的粒径要小。此外，如图 4所示样品3002，来自于中层和下层转换薄层，具有宽缓且高的pARM归一化值，大MD磁铁矿颗粒(1~5 μm)为主，虽然细PSD磁铁矿颗粒(0.1~0.5 μm)或者硬磁颗粒是次要矿物，但是其含量相对较高。

总之，在宁武干海湖泊沉积物剖面样品中，不同层位的pARM谱有共同特征，即显示粗的磁铁矿颗粒(MD；AF＜20 mT)是主要载磁矿物，而细的磁铁矿颗粒(PSD-SD；AF>20 mT)为次要载磁矿物，这与我们的磁滞结果(MD)是一致的。此外，三个层位具有各自不同的特征，上层的粗MD磁铁矿颗粒含量最高，下层次之，而中层相对最低；中层的PSD-SD磁铁矿颗粒含量最高，下层和上层的PSD-SD颗粒含量次之。

4.   分析讨论

天然岩石样品是多种磁性矿物颗粒的混合物，SD和MD颗粒含量不同，根据刘青松等^[3]的分析模型，我们假定SD颗粒相对于样品中总磁性矿物颗粒的质量百分比含量为：P=M_SD/(M_SD+M_MD)。随着样品的P值增大，SD颗粒对外加磁场的反映相对增强，pARM谱会逐渐向高矫顽力方向移动。同时，样品的ARM值、pARM值、pARM归一化值都会相应增加。如果样品中不含SD颗粒，而是含有大量MD颗粒，其ARM值(0~100 mT)不会为零，因为ARM反映粗颗粒和细颗粒的共同贡献，粗的MD颗粒浓度高，会在低矫顽力区间(0~10 mT)内产生相对较高的数值，此时粗颗粒对ARM的贡献不能忽略。对于pARM谱来说，如果样品中SD颗粒含量为零，pARM值在与SD颗粒对应的高矫顽力区间(如30~80 mT)会很低，此时MD颗粒对pARM(30~80 mT)没有贡献；然而，如果MD颗粒浓度较高，其pARM(＜30 mT)会大于零，因为粗颗粒(MD)对pARM(＜30 mT)有贡献。由此可见，pARM谱分析对细磁颗粒(SD颗粒)反映灵敏，通过用不同矫顽力区间，可以有效地识别粗磁颗粒的贡献，并减弱其对细颗粒的影响，进而突出细磁颗粒的作用。

不论岩石样品还是沉积物样品，应用pARM谱分析，并结合其它磁学参数，例如：S_ratio、磁滞性质参数、硬磁矿物含量参数(HIRM)等，就能有效判别样品中磁性矿物类型、含量、磁畴状态^[3]。虽然ARM会受到矿物颗粒之间磁性相互作用的影响，但是自然样品中的磁性矿物含量很低，一般小于几个百分比，因此矿物颗粒之间的磁性相互作用可以忽略不计。硬磁矿物具有较大矫顽力，所以在较低的矫顽力区间(＜60 mT)很难获得ARM，所以硬磁矿物对pARM的影响可以忽略不计。研究海相^[14]和湖相^[15~16]沉积物的地球物理方法很多，并由此可以研究古气候变化^{[14, 17]}，在此不一一例举。基于以上优点，pARM谱分析有助于沉积物的古气候、岩石磁学、古地磁学研究^{[3, 14]}，并具有广泛的应用前景。