ธรณีแม่เหล็กและแม่เหล็กสิ่งแวดล้อม

ความแม่นยำของบันทึกทางบรรพชีวินแม่เหล็กขึ้นอยู่กับแร่แม่เหล็กในหิน ซึ่งสถานะโดเมนและคุณสมบัติของแร่เหล่านี้ยังทำหน้าที่เป็นตัวบ่งชี้ที่ละเอียดอ่อนของการเปลี่ยนแปลงสิ่งแวดล้อมและสภาพภูมิอากาศ

Definition

ธรณีแม่เหล็กคือการศึกษาคุณสมบัติทางแม่เหล็กของแร่ หิน และตะกอน รวมถึงวิธีการที่พวกมันได้รับและรักษาสภาพแม่เหล็กไว้ ในขณะที่แม่เหล็กสิ่งแวดล้อมประยุกต์ใช้คุณสมบัติทางแม่เหล็กเหล่านั้นเป็นตัวบ่งชี้สำหรับกระบวนการทางสิ่งแวดล้อม ภูมิอากาศ และมานุษยวิทยา

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมพื้นฐานทางกายภาพของธรณีแม่เหล็กและการประยุกต์ใช้ในสิ่งแวดล้อม: แร่แม่เหล็กในหินและตะกอน, ทฤษฎีโดเมนแม่เหล็กและพฤติกรรมของโดเมนเดี่ยวเทียบกับโดเมนหลายโดเมน, และวิธีที่ขนาดเม็ดและองค์ประกอบควบคุมการได้มาและความเสถียรของสภาพแม่เหล็กตกค้าง นอกจากนี้ยังกล่าวถึงการวัดในห้องปฏิบัติการ เช่น ฮิสเทอรีซิส, สภาพบังคับ, และเส้นโค้งเทอร์โมแมกเนติก, และการใช้พารามิเตอร์แม่เหล็กเป็นตัวบ่งชี้แหล่งกำเนิดตะกอน, ภูมิอากาศบรรพกาล, การก่อตัวของดิน, และมลพิษในแม่เหล็กสิ่งแวดล้อม โดยเน้นที่แร่แม่เหล็กที่เป็นพื้นฐานของความน่าเชื่อถือทางบรรพชีวินแม่เหล็กและการตีความทางสิ่งแวดล้อม

Core questions

• แร่ชนิดใดที่นำพาสภาพแม่เหล็กในหิน และคุณสมบัติของพวกมันแตกต่างกันอย่างไร?
• สถานะโดเมนแม่เหล็กและขนาดเม็ดควบคุมความเสถียรของสภาพแม่เหล็กตกค้างได้อย่างไร?
• การวัดในห้องปฏิบัติการใดที่ใช้จำแนกแร่แม่เหล็ก?
• คุณสมบัติทางแม่เหล็กสามารถใช้เป็นตัวบ่งชี้การเปลี่ยนแปลงสิ่งแวดล้อมได้อย่างไร?

Key concepts

• แร่แม่เหล็ก: แมกนีไทต์, ฮีมาไทต์, และไททาโนแมกนีไทต์
• โดเมนแม่เหล็กและพฤติกรรมโดเมนเดี่ยว
• สภาพบังคับ (Coercivity), ฮิสเทอรีซิส (hysteresis), และอุณหภูมิบล็อกกิ้ง (blocking temperature)
• การพึ่งพาขนาดเม็ดของสภาพแม่เหล็กตกค้าง
• ตัวบ่งชี้แม่เหล็กในการศึกษาด้านสิ่งแวดล้อมและภูมิอากาศบรรพกาล

Key theories

ทฤษฎีโดเมนแม่เหล็กของสภาพแม่เหล็กตกค้าง

ความเสถียรของสภาพแม่เหล็กของหินขึ้นอยู่กับว่าเม็ดแร่แม่เหล็กของมันเป็นโดเมนเดี่ยว ซึ่งมีโมเมนต์สม่ำเสมอเพียงหนึ่งเดียวที่ต้านทานการเปลี่ยนแปลง หรือเป็นโดเมนหลายโดเมน ซึ่งมีผนังโดเมนที่เคลื่อนที่ได้ ขนาดเม็ดและองค์ประกอบควบคุมว่าพฤติกรรมใดเด่นกว่า และด้วยเหตุนี้จึงส่งผลต่อความน่าเชื่อถือทางบรรพชีวินแม่เหล็ก

ตัวบ่งชี้แม่เหล็กสำหรับกระบวนการทางสิ่งแวดล้อม

เนื่องจากความเข้มข้น ชนิด และขนาดเม็ดของแร่แม่เหล็กตอบสนองต่อการผุพัง การขนส่ง สภาพภูมิอากาศ และมลพิษ พารามิเตอร์แม่เหล็กที่วัดได้อย่างรวดเร็วและไม่ทำลายสามารถใช้ติดตามแหล่งกำเนิดตะกอน วัฏจักรภูมิอากาศบรรพกาล และการปนเปื้อนได้

Mechanisms

แร่เฟอร์ริแมกเนติกและแอนติเฟอร์ริแมกเนติก เช่น แมกนีไทต์และฮีมาไทต์เป็นตัวนำสภาพแม่เหล็กของหิน ภายในเม็ดแร่ ความสมดุลของพลังงานแลกเปลี่ยน พลังงานแอนไอโซโทรปี และพลังงานแม่เหล็กสถิตจะกำหนดโครงสร้างโดเมน โดยเม็ดแร่ที่เล็กมากจะเป็นโดเมนเดี่ยวและเสถียรทางความร้อน ในขณะที่เม็ดแร่ที่ใหญ่กว่าจะแตกออกเป็นหลายโดเมน และอุณหภูมิบล็อกกิ้ง (blocking temperature) และสภาพบังคับ (coercivity) ที่เกิดขึ้นจะกำหนดว่าเม็ดแร่บันทึกสนามแม่เหล็กแวดล้อมได้อย่างแม่นยำและนานเพียงใด

Clinical relevance

การวัดทางธรณีแม่เหล็กเป็นรากฐานความน่าเชื่อถือของการศึกษาบรรพชีวินแม่เหล็กและลำดับชั้นแม่เหล็ก ในขณะที่แม่เหล็กสิ่งแวดล้อมเป็นตัวบ่งชี้ที่รวดเร็วและต้นทุนต่ำสำหรับการสร้างภูมิอากาศบรรพกาลขึ้นใหม่ การระบุแหล่งกำเนิดตะกอน วิทยาศาสตร์ทางดิน และการทำแผนที่มลพิษในบรรยากาศและทางน้ำ

History

ทฤษฎีของ Néel เกี่ยวกับเม็ดแร่โดเมนเดี่ยวและซูเปอร์พาราแมกเนติกในช่วงทศวรรษ 1940 และ 1950 ได้วางรากฐานทางกายภาพสำหรับธรณีแม่เหล็ก การศึกษาธรณีแม่เหล็กในห้องปฏิบัติการอย่างเป็นระบบพัฒนาขึ้นตลอดช่วงปลายศตวรรษที่ 20 และการสังเคราะห์งานของ Thompson และ Oldfield ในปี 1986 ได้เปิดตัวแม่เหล็กสิ่งแวดล้อมในฐานะสาขาที่แตกต่างและมีการใช้งานอย่างแพร่หลาย

Key figures

• Louis Néel
• David Dunlop
• Frank Oldfield

Seminal works

• dunlop1997
• thompson1986
• tauxe2010

Frequently asked questions

เหตุใดขนาดเม็ดจึงมีความสำคัญต่อการบันทึกสนามแม่เหล็ก?

เม็ดแร่แม่เหล็กที่ละเอียดมากจะรักษาสภาพแม่เหล็กที่มั่นคงเพียงทิศทางเดียว ซึ่งสามารถคงอยู่ได้นานหลายพันล้านปี ทำให้เป็นตัวบันทึกในอุดมคติ ในขณะที่เม็ดแร่ที่ใหญ่กว่าจะประกอบด้วยโดเมนภายในที่เคลื่อนที่ได้ ซึ่งสภาพแม่เหล็กของมันสามารถถูกรีเซ็ตได้ง่ายกว่า ดังนั้นขนาดเม็ดจึงส่งผลอย่างมากต่อความน่าเชื่อถือที่หินจะรักษาสนามแม่เหล็กโบราณไว้ได้

แม่เหล็กสามารถเปิดเผยภูมิอากาศในอดีตหรือมลพิษได้อย่างไร?

กระบวนการทางสิ่งแวดล้อมเปลี่ยนแปลงปริมาณและชนิดของแร่แม่เหล็กในตะกอนและดิน ตัวอย่างเช่น การผุพังที่เกิดจากสภาพภูมิอากาศหรืออนุภาคอุตสาหกรรมจะทิ้งร่องรอยแม่เหล็กที่โดดเด่น ซึ่งสามารถวัดได้อย่างรวดเร็วเพื่อสร้างวัฏจักรภูมิอากาศขึ้นใหม่หรือทำแผนที่การปนเปื้อน