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テリエ法実験中鐵磁粒子非理想行為的檢測與校正.pdf

新たな古地磁気強(qiáng)度推定方法について ― 

鄭　　　重＊ 趙　　西　　西＊＊ 上 野 直 子＊＊＊ 

Probing and Correcting the Non-ideal Behavior of Magnetic Grains

during Thellier Paleointensity Experiment : A New Method

of Paleointensity Determination

Zhong ZHENG＊, Xixi ZHAO＊＊ and Naoko UENO＊＊＊

Abstract 　　

We present a new method of paleointensity determination based on comparing the thermal  demagnetization of natural remanent magnetization （NRM） with that of an artificial total thermoremanent magnetization （TRM）. Igneous rocks often contain pseudo-single domain （PSD）,  multidomain （MD）, and/or single domain （SD） particles as magnetic remanence carriers under  strong magnetic grain （domain） interactions. The magnetic grain interactions have particular  disastrous effects on paleointensity experiments, which make determination of paleointensity  unreliable. We have critically examined how magnetic grain interactions affect the Thellier experiment, and have developed a new technique for correcting grain-interaction effects in the experiment of paleointensity estimation. The essential point of our experimental method is that by  comparing the thermal demagnetization of natural remanent magnetization （δNRM_loss） with  that of an artificial total TRM （δTRM_loss） for estimating its paleointensity, rather than that by  comparing the remaining of NRM during thermal demagnetization （NRM_remaining） with a progressive TRM_gain in the traditional Thellier-Coe method, which essentially requires the additivity of partial TRM and independence of pTRMs. Using our new method, a mild alternating field  （AF） demagnetization pre-treatment is applied to destroy most of the low coercivity remanence,  which makes the samples behave more suitebly for a paleointensity study. We also make an apparent paleointensity estimation with pTRM, which is acquired in the perpendicular direction  of NRM in a narrow non-overlapping temperature interval and cooled slowly in air. In this way,  the non-ideal behavior of samples is detected most sensitively by the discrepancy between NRM  loss and pTRM gain. Finally, we employ an artificial total TRM test to elucidate the relation be-tween TRM_loss and pTRM_gain, and to correct interference caused by the non-ideal behavior. We  have applied our new method to several representative suites of historical lava flows of known  geomagnetic field intensity, and successfully extracted reliable paleointensity with a precision  higher than 95％ from samples even containing PSD and MD grains. 

Key words： paleointensity, Thellier method, non-ideal behavior correction, pTRM measurement, AF pre-treatment, volcanic rocks

キーワード：絶対古地球磁場強(qiáng)度，テリエ法，非理想挙動補(bǔ)正，部分熱殘留磁気測定，交流消磁前 処理，火山巖類

I．ま え が き 　

地球の固有磁場を生成するダイナモ作用の研究 は，コンピュータの計(jì)算能力の急激な進(jìn)歩により 近年大きな進(jìn)展があり，より現(xiàn)実的な電磁流體ダ イナモを數(shù)値実験において検討することができる ようになった。この數(shù)値実験の成果によれば，地 球磁場の定常的な維持および地磁気の極性逆転現(xiàn) 象は，地球外核における電磁流體運(yùn)動によって説 明することができる（Glatzmaier and Roberts,  1995）。地心雙極子磁場の逆転は，地球の自転の 変動や核?マントル境界における熱流束分布の変 動がなくても，電磁流體ダイナモ過程それ自身に おいて自発的に起きうると結(jié)論されるに至った。 一方，逆転の頻度は核?マントル境界における熱 流束分布による影響を受けるという説も提出され ている（Glatzmaier et al., 1999）。ダイナモのエ ネルギー源の見地から，磁場の生成過程は內(nèi)核の 成長やマントルの熱対流などの地球進(jìn)化過程その ものと密接に結(jié)ばれている。これを解明するため に，過去の地球磁場の情報(bào)を詳細(xì)に復(fù)元すること は，地球科學(xué)全體にとって非常に重要な課題の一 つである。例えば地磁気逆転の認(rèn)められない白亜 紀(jì)後期スーパークロンの古地磁気強(qiáng)度の解明は， 非逆転モードの電磁流體ダイナモ?モデルの構(gòu)築 にとって非常に重要な情報(bào)となるであろう。 このような流れの中で，近年古地磁気強(qiáng)度に対 する関心度が高まっている。ところが，過去の絶 対地球磁場強(qiáng)度の測定は，地球磁場の方位の測定 に比べてはるかに困難であり，既存の信頼できる データは限られた一部の火山巖から得られたピン ポイント情報(bào)だけである。絶対古地磁気強(qiáng)度測定 の唯一の材料は火山巖である。これを処理する 既存の標(biāo)準(zhǔn)的な古地磁気強(qiáng)度測定法は，ThellierCoe 法である（Thellier and Thellier, 1959; Coe,  1967）。この方法は，実験室內(nèi)の既知磁場（Hlab） で試料を段階的に加熱して熱殘留磁化 TRM （Ti,  T0）_gain を與え，その大きさを自然殘留磁化 （NRM）の段階熱消磁で消去された部分（NRM （Ti）_loss と呼ぶ）と比較することにより，絶対古 地磁気強(qiáng)度（Han）を推定する。この方法の特徴 から以下の 3 項(xiàng)目が古地磁気強(qiáng)度推定の前提條 件として要求される。 1．重なっていない溫度區(qū)間で獲得した部分熱殘 留磁化（pTRM）の間に加法則が成り立つ。すな わち pTRM （T1, T0）＋ pTRM （T2, T1）＋ ....... ＋ pTRM （Tn, Tn－1）＝ TRM （Tn, T0） 2．別々の溫度區(qū)間で獲得した pTRM が獨(dú)立し分 割できる。すなわち pTRM （T2, T1）は T1 以下 の溫度で安定であり，T2 以上の溫度で消磁で きなければならない。 3．印加磁場中で獲得した熱殘留磁化の強(qiáng)度はこ の印加磁場強(qiáng)度に比例する。 これらの條件を満たす強(qiáng)磁性粒子の挙動を“粒 子の理想挙動”と呼ぶ。Néel（1949）の理論は 孤立した単磁區(qū)粒子（single domain, SD）群が この粒子の理想挙動のもとで熱殘留磁化を獲得す ることを証明した。しかし，自然界に存在する通 常の火山巖では，この前提條件を完全に満足する ケースはむしろ希である。通常の火山巖においては，単磁區(qū)粒子が擬似単磁區(qū)（pseudo-single domain, PSD）ないし多磁區(qū)（Multi domain, MD） 粒子と共存するか，あるいは単磁區(qū)粒子がほと んど存在していないことが多いためである。こ の場合，Thellier-Coe 法を単純に適用しても信 頼しうる古地磁気強(qiáng)度を求めることはできない （Levi, 1977; Xu and Dunlop, 1994）。最大で真の 値の 2 倍もの絶対古地磁気強(qiáng)度が測定される例 が相次いで報(bào)告されている（例えば, Tanaka and  Kono, 1991; Tanaka et al., 1995; Hill and shaw,  2000; Calvo et al., 2002; Yamamoto et al., 2003;  Mochizuki et al., 2004）。単磁區(qū)粒子が多く含ま れている試料を厳選することは，當(dāng)然一つの対処 方法である。例えば，単磁區(qū)粒子が多く含まれ る斜長石の単結(jié)晶（Cottrell and Tarduno, 2000） や SBG（Submarine Basaltic Glass）などが考 えられる（Pick and Tauxe, 1993; Smirnov and  Tarduno, 2003）。しかし，この種の試料は産出 が限定的であり，かつ仮に得られたとしても通常 は試料のサイズが極めて小さいため測定誤差が大 きい。従って，根本的な解決方法としては実験方 法の改良が必須である。すなわち，自然界に産す る普通の火山巖から正確に古地磁気強(qiáng)度を求めら れる方法の開発が熱望されている。 　古地磁気強(qiáng)度のもう一つの測定法は，人工熱殘 留磁化と自然殘留磁化の段階交流消磁結(jié)果同士を 比較する Shaw 法である（Shaw, 1974）。この方 法は pTRM 加法則と pTRM 獨(dú)立性の二つの前提 條件が全く不要であり，擬似単磁區(qū)や多磁區(qū)粒子 が含まれる試料にも適用できる可能性がある。し かし，人工熱殘留磁化の獲得のためには，強(qiáng)磁性 鉱物の化學(xué)変化をしばしば伴うキュリー點(diǎn)以上ま での加熱が要求されるため，Shaw 法はあまり広 く採用されていない。Shaw 法の欠點(diǎn)である高溫 での化學(xué)変化を補(bǔ)正するために，いくつかの方法 が提案されている。Rolph and Shaw（1985）は ARM（非履歴性殘留磁化）補(bǔ)正法を提案したが， この方法に対する批判は強(qiáng)い（Kono 1987; Vlag  et al., 2000; Juarez and Tauxe, 2000）。最近，低 溫消磁 2 回加熱補(bǔ)正法が提案され，成功した実 例が報(bào)告されている（Tsunakawa et al., 1997;  Yamamoto et al., 2003）。こうした試みはあるも のの，化學(xué)変化を回避できる最善の方法は，テリ エ法の実験方法そのものの改良である。 　非理想挙動を示す粒子の顕著な特徴の一つは， ある溫度 Ti まで一旦加熱されてから Ti－1 まで定 常磁場，Ti－1 より室溫まで無磁場環(huán)境で冷卻する 過程において獲得された部分熱殘留磁化 pTRM （Ti, Ti－1）において，著磁の上限溫度 Ti までの熱 消磁で消去できない部分（pTRM tail という）お よび，著磁の下限溫度 Ti－1 より低溫の熱消磁で その一部分が消去されてしまう部分が存在するこ とである（Dunlop and Ozdemir, 2000）。すなわ ち，消磁溫度（unblocking 溫度という，Tub）が 著磁溫度（blocking 溫度という，Tb）と同一で なくなる現(xiàn)象である。Fabian（2001）はこの現(xiàn) 象に著目して，Tub が Tb のある Cauchy 関數(shù)で あると仮定し，數(shù)値シミュレーションを行った。 彼の主要な結(jié)論は，人工熱殘留磁化と自然殘留磁 化の段階熱消磁結(jié)果同士を比較すれば，絶対古地 磁気強(qiáng)度の推定は，PSD ないし MD 粒子を含む 場合にも適用できるというものである。しかし， この人工熱殘留磁化の獲得は Shaw 法と同じよ うにキュリー點(diǎn)以上の加熱が要求される點(diǎn)が問題 である。 　我々は，粒子の非理想挙動の原因を考察した上 で，上記の問題に対処できる実用的な古地磁気強(qiáng) 度推定方法を以下に提案する。

II．新しい方法における改良の要點(diǎn) 　

標(biāo)準(zhǔn)テリエ法は，全量ではなく部分的な熱殘留 磁化を用いて NRM と比較するため厳しい前提條 件が必要で，通常の火山巖に適用されると問題が 生じる。しかし，キュリー點(diǎn)（Tc）以上の溫度ま で加熱して熱殘留磁化の全量（total TRM）を與 え，その大きさを NRM と比較することにより絶 対古地磁気強(qiáng)度を推定すれば，加法則と pTRM 獨(dú)立性の二つの前提條件は不要となるはずであ る。Day（1977）は，チタノマグネタイトの粒 子サイズを均質(zhì)化した試料について熱殘留磁化 の獲得カーブを求めた。地球磁場程度の弱い印 加磁場（＜ 1 mT）下で獲得された TRM の強(qiáng)度は，粒子サイズが小さい（＜ 6 μm）場合，ほぼ 印加磁場の強(qiáng)度に比例する。この場合，理論的に NRM（total）より未知の磁場（Han）が求めら れる。