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土壤磁性的物理原理
发表日期: 2012-07-30 编辑: 朱宏伟 南宏伟 文章来源:生态中心
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土壤磁化率是土壤在外磁场中受感应产生的磁化强度与外加磁场强度的比值,它反映了土壤中磁性矿物的数量,是常用的磁性指标之一。而土壤频率磁化率则是用于区分土壤中存在的超顺磁性颗粒(d<0.03 μm)与单畴颗粒(0.03-0.10 μm),反映磁性矿物颗粒大小分配和超顺磁颗粒的相对含量(Lu, 2000),它是表征土壤磁性的指标,作为反映所处环境变化的重要指示体,在观测、统计测量、数据分析等方面具备很多优势。

1.物质磁性的物理来源

说到土壤(包括泥沙、岩石)磁性来源就有必要简单的从微观说起。物质都是由原子组成的,原子核在不停自旋,同时核外电子也在绕原子核旋转。它们各自具有不同的角动量,分别产生了自己的磁矩,具体来说有三类:原子核自旋、电子自旋、电子轨道运动。虽然大多数元素的孤立原子磁矩不为零,但化合物中多数情况这些磁矩都会在内部被抵消,故绝大多数分子磁矩为零。而有些情况,如铁族元素的自旋磁矩和轨道磁矩未能抵消,那么它的原子就具有永久磁矩(张三慧,1999;俞劲炎和卢升高,1991)。回到宏观上来看,土壤磁性的主要来源是继承于母岩。待母岩风化后,其风化壳、碎屑乃至最终发育成的土壤均会承接其磁性特性,相应的磁性称为原生磁性。而在形成土壤之后,由于受到氧化还原环境、有机物等等复杂因素的影响而附加的磁性称为次生磁性。

2.有关物质磁化的基本原理

物质如果处于外磁场中,往往会被磁化并感生出附加磁场,假设其磁场强度H’与外磁场强度H 之和称为该物质的磁感应强度B,即:B=H+H’若H’与H 相同方向,则称其为顺磁性物质,反之则为抗磁性物质。另外,还有一类物质如铁、钴、镍等及其合金,H’通常比H 大得多(H’/H 高达10 以上),而且附加磁场在外磁场撤销后并不马上消失,这类物质称为铁磁性物质。从原理上说,原子、离子或分子的微观结构起到决定性作用。在抗磁性物质中,由于电子自旋已配对,故无永久磁矩。但是内部电子的轨道运动,在外磁场作用下产生拉穆尔旋进,这会感生出一个与外磁场方向相反的诱导磁矩,所以表现出抗磁性。而在顺磁性物质中,存在自旋未配对的电子,所以具有永久磁矩,即其剩余不为零,在外加磁场中,永久磁矩顺着外磁场方向排列,就会产生顺磁性。而铁磁性物质是由一系列叫做磁畴的“小团体”组成,如铁、钴、镍,他们都具有较大的相对磁导率μr,并随着外磁场强弱变化而变化,而且都具有磁滞效应(张三慧,1999)。

一般在地学领域中,研究地磁场需要进行矢量测量,包括磁偏角、磁倾角、总磁场强度、水平分量、北向分量、东向分量、垂向分量。以上七项统称为地磁要素。已知其中三个即可推得其余,而最常用的是磁倾角、磁偏角、水平分量(罗孝宽,郭邵雍,1990)。而在土壤磁性分析上,鉴于土壤颗粒相比大块地层、岩层甚至岩石都微小的多,且颗粒属于随机分布,磁性的方向测量相对也次要得多,所以地磁上的测量要素不适合土壤。土壤磁性的相对强弱和在母岩风化并发育成土壤的过程中磁性的变化是土壤研究过程中的重点。


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