段宗奇，刘青松，石学法

段宗奇，刘青松，石学法_大人地球物理科学

段宗奇^1，2，刘青松¹⁽¹⁾，石学法³

（1.中国科学院地质与地球物理研究所，岩石圈演化国家重点实验室，北京，100029；

2.中国科学院研究生院，北京，100049；3.国家海洋局第一海洋研究所，青岛，266061）

摘　要：古地磁场演化和全球环境变化是当今地球系统科学问题中的重要前沿课题。一方面，海洋的洋壳和上覆沉积物能够记录古地磁场演化信息，为研究地球内部过程提供强有力的约束，同时为海洋沉积物提供可靠的时间标尺；另一方面，海洋沉积物还记录了丰富的气候与环境变化信息，是全球古气候研究的理想介质。环境磁学参数是重建海洋沉积物记录的环境与气候演化信息的重要手段。文章归纳了最近几年古地磁学在洋壳中取得的新认识，主要包括磁异常记录的地球磁场信息及其磁性载体（熔岩、席状岩墙、辉长岩及蛇纹岩化的地幔橄榄岩）两方面的研究进展；在简要介绍环境磁学理论和方法的基础上，按照进入海洋系统的载体的不同，着重回顾了环境磁学在粉尘演化、河流输送、冰筏碎屑沉积等海洋沉积物研究中的进展，并对我国20世纪80年代以来海洋磁学的发展历程进行了总结。最后，对海洋磁学的发展方向进行了简单的展望，我们认为通过详细的岩石磁学分析及地球化学方法仔细甄别影响磁性矿物的各类因素（如低温氧化）是深入探讨剩磁记录机制和利用海洋磁异常条带建立完善的地磁极性年表及相对强度研究的关键。在海洋环境磁学方面，采用多参数的系统研究是解决受粉尘输入影响的全球碳循环问题、地质历史时期冰盖的稳定性问题及古环流演化等重大课题的关键。对于我国所处的西太平洋边缘海而言，海洋磁学在建立沉积物的年龄框架方面有着广阔的应用前景，并将在识别海相层和陆相层、探讨沉积物的物源、研究黑潮的时空演化及亚洲干旱化等方面发挥极其重要的作用。

关键词：洋壳，古地磁学，环境磁学，磁性矿物

20世纪60年代以来，通过对大洋的深入系统研究，提示了海洋地球科学中的两大革命性的发现：板块构造理论和利用深海沉积物记录解释地球古气候史。前者堪称为科学革命的经典范例，提升了地球科学的全面性，古地磁学可以说是这座“理论大厦”的基石。紧随板块构造革命之后，利用深海沉积物记录进行地球古气候重建，是海洋科学发展的另外一座里程碑。沉积物中记录了不同时间尺度的气候变化信息，而这些信息的解读可以帮助人类进行更加合理的发展规划和可靠的气候预测。在众多的研究方法中，环境磁学自20世纪80年代诞生以来，因其在分辨率、测试速度及灵敏度等方面具有优势，成为海洋沉积物研究中不可或缺的技术手段。可见，在海洋研究范畴中，古地磁学和环境磁学发挥着十分重要的作用。因此，我们将两者在海洋中的应用合称为“海洋磁学”（marine magnetism）。

海洋磁学的研究对象是洋壳，洋壳可以笼统地分为下部的岩石层（包括枕状玄武岩、辉长岩和橄榄岩）和上部的软泥沉积物两部分。其中，通过对下部的岩石层的古地磁记录可以用来研究地球动力学和地球磁场演化；而沉积物所蕴含的环境气候信息是研究全球变化的重要场所。首先总结洋壳所记录的古地磁信息，然后回顾国内外对海洋沉积物的环境磁学研究进展，最后对海洋磁学研究进行展望。

1　海洋古地磁研究

海洋古地磁研究始于20世纪60年代，大量的地磁测量发现海底记录着条带状分布的磁异常。Matthews和Vine在1963年对海洋磁异常条带的成因进行了解释，验证了海底扩张理论，为板块构造理论的提出奠定了基础。近期，Florio等^［1］根据第勒尼安海的磁异常数据发现，大洋扩张导致的地壳破裂不仅发生在海岭，还可能发生在弧后盆地，其机制值得进一步研究。海洋磁异常还可以用来研究地球磁场演化，Gee和Kent^［2］对其及海洋磁异常的磁性源区进行了详细的总结。笔者在文中着重介绍近几年的研究进展。

1.1　磁异常记录的地球磁场变化

海洋磁异常记录可以被用来研究地球磁场倒转、强度变化以及磁异常倾斜：①结合钾氩等定年方法，现在已经建立起160个百万年来的地磁极性年表（GPTS）^［3］，该研究推动了磁性地层学的发展。Tominaga和Sager^［4］根据太平洋夏威夷的磁性剖面对GPTS进行了修订。②海底磁异常数据常呈现“V”字形槽口状，地球磁场强度的变化起着主导作用^［2］；但在某些地区，其他因素（如低温氧化）的影响也不容忽略^［5］。③所谓异常偏斜，指的是磁异常的形状与周围场的有效倾角和岩石的剩磁有关，常用来进行构造或者地球磁场的研究。磁异常倾斜还可以提供板块视极移曲线的信息，如加拉帕戈斯和克利珀顿的磁异常倾斜表明太平洋热带相对于旋转轴自32Ma以来的相对运动^［6］。磁异常倾斜度还与洋脊扩张速度有关，Koivisto等^［7］对太平洋73.0～71.6Ma的异常重新进行了分析，发现太平洋中同样存在磁异常倾斜与扩张速度的相关性，并重新修订了极点位置，发现自72Ma夏威夷热点发生了相对于旋转轴的南向移动。

1.2　磁异常的磁性载体

洋壳磁异常主要由壳中的磁性矿物引起，要深入研究地球磁场并建立可靠极性年表，首先必须确定洋壳中磁性矿物的构成及性质。洋壳自上而下主要由喷出的熔岩、席状岩墙、辉长岩及蛇纹岩化的地幔橄榄岩组成。

喷出熔岩的分异与洋脊扩张速度有关。铁和钛元素在岩浆中的含量和岩浆的冷却过程控制着矿物的磁学性质，包括钛磁铁矿中钛的含量、矿物浓度、粒径及低温氧化程度等，进而影响着喷出熔岩携带的天然剩磁（NRM）。具体来讲，扩张较慢的洋脊中Fe的含量相对较少，从而可能导致玄武岩的强度及异常的整体值较低。比如，北大西洋晚侏罗世—早白垩世的磁异常具有低波动幅度的特征，与扩张速度过慢导致玄武岩层很薄或缺少有关^［4］。最新研究表明，ODP/IODP 1256D孔的熔岩携带稳定的热剩磁（TRM），但随后发生了低温氧化^［8，9］。低温氧化可以促发一种自反磁化机制，从而改变NRM^［10］。最近，Brown等^［11］研究表明，火成岩中的斜长岩因存在稳定的hemo-ilmenites磁化层而获得较强的剩磁，这也可能是重要的磁源之一。

早期岩墙剩磁的研究主要关注从断裂带获取的蛇绿岩和变玄武岩。岩墙一般具有中等强度的NRM和矫顽力，其所含磁性矿物为较纯的磁铁矿（居里温度高于550℃）。目前，对岩墙携带NRM的成因机制还存在着争论。如果岩墙中的磁铁矿来自于居里温度下的化学变化或者经受了低温氧化过程，化学剩磁的影响就会显著^［2］。同时，这些改变的程度与所处的深度有关。较浅的岩墙仍携带着初始剩磁；但在岩墙底部，磁性矿物的改造更为彻底^［9］。

上地壳辉绿岩的磁化强度为1～2A/m，表明这部分岩石也是磁异常的主要贡献区之一。辉绿岩的居里点接近580℃，表明贫钛磁铁矿是主要的载磁矿物^［2］。辉绿岩中最初的磁铁矿含量较多，但在辉绿岩的主体岩石中较少，携带稳定剩磁的细颗粒磁铁矿被硅酸盐颗粒包裹着。除铁钛氧化物外，绝大多数的辉绿岩具有高稳定性的剩磁^［2，9］。此外，辉绿岩可能是海洋核杂岩的主体并记录了洋脊扩张的过程^［12］。

上地壳原始的超基性岩石基本是无磁的，但蛇纹岩化产生的磁铁矿及其携带的剩磁足以构成磁异常潜在的源区^［2］。蛇纹岩化过程中，Fe^3＋常以蛇纹石或磁铁矿形式产生^［13］；当温度高于200℃时，主要以磁铁矿形式出现^［14］。蛇纹岩化的磁化强度在0.1A/m到30A/m之间，这一值相当于较老的大洋玄武岩，且其Q值大部分大于1，以剩磁为主。这层的剩磁可能包含化学剩磁（CRM）、TRM及黏滞剩磁（VRM）^［2］。在扩张速度较慢的洋脊中，蛇纹岩化的上地壳至少对局部异常造成影响^［5］。

目前，虽然已经对磁异常的各源区的磁性矿物获得初步的认识，但对剩磁获得过程仍存在颇多争议，从而影响利用钻孔的剩磁记录建立可靠的古地磁数据。通过大洋深钻获得更多的样品，采取进一步的研究是解决问题的关键。

2　海洋沉积物的环境磁学研究

海洋沉积物是全球变化研究的理想载体之一。环境磁学以具有高分辨率、快速、无破坏性等优点成为研究海洋沉积物的重要手段。本部分拟在简要阐述环境磁学原理的基础上，介绍其在海洋沉积物中的应用。

2.1　环境磁学的基本理论与方法

各种沉积物中，磁性矿物的形成、搬运、沉积和转化与所处气候和环境密切相关。不同磁性矿物的组合特征以及磁性矿物的种类、含量及粒径等信息，可以作为环境变化和气候过程的有效代用指标^［15］。环境磁学主要研究属于铁磁性的特殊亚种的几种天然矿物，包括亚铁磁性（如磁铁矿、磁赤铁矿、磁黄铁矿等）和不完全反铁磁性矿物（如赤铁矿、针铁矿）。前人已对这类磁性矿物的物理机制及磁学参数特征做过详细的总结^{［15～17］}。

居里温度是矿物的固有属性，可以用来识别不同的磁性矿物。χ-T曲线（磁化率随温度的变化曲线）和M_s-T曲线（饱和磁化强度随温度变化特征）都可以通过磁性矿物的居里点进行区分，二者所不同的是：χ-T曲线除反映矿物种类的不同，还受粒径变化的影响。三轴等温剩磁法也是根据热退磁曲线上的突变点来鉴别磁性矿物，与χ-T曲线和M_s-T曲线不同的是，它利用的是阻挡温度（T_B）^{［15，16］}。对于高温热不稳定的矿物，低温实验是理想的选择，它主要测量磁性矿物的低温转换点。另外，低温测量也可以判断磁性颗粒的大小，尤其是超顺磁颗粒的存在及其含量^［17］。

在众多环境磁学参数中，通常用磁化率［体积磁化率（κ）、质量磁化率（χ）］、饱和等温剩磁（SIRM）和饱和磁化强度（M_s）来表征沉积物中磁性矿物的总含量。无论是磁化率还是饱和等温剩磁都会受到磁性矿物粒径及种类的影响，在用来指示磁性矿物含量时需对其粒径和种类进行分析。相比χ和SIRM，M不受粒径因素的影响^［15］。另外，很多磁性参数可以反映矿物

s的相对含量。S-ratio的大小与样品中低矫顽力磁性矿物和高矫顽力磁性矿物含量的相对比例成正比^［15］。Thompson和Oldfield^［16］定义了HIRM＝（SIRM＋IRM）/2，用来对样品

_-0.3T中高矫顽力的反铁磁性矿物的含量进行估算。

磁性矿物的粒径可以通过磁畴状态进行划分，也可以通过不同磁学参数间的比值来进行相对粗细及绝对粗细的比较。利用磁滞参数饱和剩余磁化强度（M_rs）与饱和磁化强度（Ms）之比和剩磁矫顽力（H）与矫顽力（H）之比，即对M/M和H/H构成的Day图^［15］进行投点，可以用来确定亚铁磁性矿物的磁畴状态［按粒径大小排列：多畴（MD）、准单畴（PSD）、单畴（SD）、超顺磁（SP）］。FORC图测量能更加详细研究磁性矿物的磁畴状态，并可以反映颗粒间的相互作用和矫顽力的大小^{［15，16］}。频率磁化率（χ_fd%）对SP颗粒非常敏感，可以有效地估计样品中是否存在SP颗粒，并进行半定量估计^［15］。当磁性矿物由磁铁矿占主导时，ARM/SIRM（ARM即非磁滞剩磁）、ARM/χ、SIRM/χ的比值可以反映磁性矿物颗粒的相对大小^［15］。

2.2　国外海洋环境磁学研究进展

海洋沉积物中，外缘输入的磁性矿物包括火山碎屑物、土壤、基岩及其风化碎屑和宇宙成因的微粒。研究表明，火山碎屑物和宇宙成因的微粒与环境变化之间的相互关系不显著^［18］。下面按照土壤、基岩及其风化碎屑进入海洋系统的载体分类对国外的研究进展作简述。

2.2.1　粉尘

作为大气重要组分的粉尘，不仅能反映气候变化，而且对全球变化也有着重要作用。粉尘及其通量历来是研究气候演化的重要手段。北非撒哈拉干旱区和亚洲中纬度干旱沙漠区是全球粉尘的最主要源区，作为“汇”的海洋沉积物能够记录粉尘演化历史^［19］。与冰筏沉积和河流输送等来源相比，海洋中粉尘输送的陆源碎屑物质颗粒较小、密度较小，但这部分物质的磁化率往往高出沉积区的背景值，磁学方法因而广泛地应用于海洋沉积物粉尘物质变化的研究。磁性矿物的变化可以灵敏地揭示出粉尘通量及源区的变化，并反映季风变化、轨道周期等气候信息^［20］。精确定年的红海KL09孔中，表征源于阿拉伯地区粉尘变化的磁学参数同中国黄土的粉尘记录变化趋势相关性较好，可能为重建千年尺度上黄土粉尘记录提供技术手段^［21］。这表明磁学参数还有潜力成为海陆间粉尘记录对比的良好指标。

在粉尘的众多磁性矿物中，高矫顽力的赤铁矿和针铁矿是独特的“示踪器”^［19］。最近，Liu等^{［22，23］}在对地中海腐泥的研究中发现，赤铁矿和铝针铁矿因受还原作用影响较弱仍能用来追踪撒哈拉地区的粉尘演化。笔者结合其他参数进而探讨了影响腐泥形成的短周期气候重组事件的时空特点，为研究相关的气候机制提供了新的思路。一般认为，高矫顽力含量（HIRM）可以反映陆源粉尘的输入量。而粉尘输入间接提供的Fe元素能否产生营养化的作用，将直接影响全球碳循环的研究。利用HIRM变化与表征海洋生产力的参数进行对比研究可以验证这一理论^［24］。近期，北太平洋ODP 882孔和ODP 885孔高分辨率的环境磁学及冰筏物质分析表明，2.75Ma前后样品磁性增强并非与IRD物质增多有关，而主要是由亚洲粉尘输入量的增加引起^［25］。Bailey等^［25］结合前人的δ¹⁵ N和δ³⁰Si数据还发现，在盐跃层形成之后，882孔Fe的输入与表面水的营养消耗具有密切联系。现代海洋中Fe对生物的限制在过去的环境中并不适用，从而加深对该时期营养应用指标变化过程的理解。

2.2.2　河流输入物

河流输送是海洋沉积物的主要来源，现在全球每年河流输送的泥沙量为20×10¹²kg左右。在众多的磁学参数中，磁化率在这类沉积物中的应用最为广泛。磁化率等参数可以反映出河流输入物源区上的变化，在对全新世以来极地喀拉海沉积物变化进行研究时，发现磁化率的差异可以很好区分叶尼塞河和鄂毕河的泥沙输送物质^［26］。另外，磁化率的周期性变化还可以反映出受气候因素（季风变化、干旱化、轨道周期等）控制的物源输入量的变化^［26，27］。

受有机质含量、沉积速率及气候变化控制的还原成岩过程可能对河流输送的沉积物进行改造，而详细的岩石磁学可以经济、快速且灵敏地识别出沉积物的氧化还原状态，这可能成为评价与氧化还原环境相关的环境代用指标的参数，从而可以探讨特定时期的气候事件。

2.2.3　冰筏碎屑物

冰筏沉积是负载沉积物的浮冰进入海洋或湖泊中，冰块融化导致沉积物卸载形成的。海洋中的冰筏沉积物（ice rafted debris，简称IRD）往往成层出现，其特点为：粗颗粒的组分较多且伴随着生物碳酸盐含量的减少，与黏土等细颗粒层互层出现。在古气候研究中，Heinrich events（HE）备受关注。HE最初由Heinrich于1988年在东北大西洋沉积物中发现，其特点为冰筏沉积物的异常出现^［28］。大颗粒冰筏碎屑中含有丰富亚铁磁性颗粒，因此，磁学方法成为HE事件主要的研究手段。

近期研究表明，磁学参数不但可以识别HE事件，还能揭示出磁性矿物的来源存在差异。对南大洋海域的表层样品的磁化率及IRD研究发现，不同区域的冰筏物质受不同因素影响，如底层流、浊流及水流分选，这可能是南大洋沉积物IRD记录复杂性的原因^［29］。另外，在探讨HE的形成机制中，详细的环境磁学分析具有潜在的应用价值。如大西洋表面温度低，HE事件和χ_ARM/χ的相互关系可能是劳伦冰盖不稳定性的表现。Stanford等^［30］根据浮游有孔虫δ¹⁸ O含量、碎屑物质及κ_ARM/κ等参数进行综合分析，其结果与传统认识不同：HE1持续时间长达4 000年（19.6～14.6kaBP），跨越了整个北大西洋深层流的崩溃过程，且大西洋深水形成于环境变化不仅仅受控于冰川融水的速度，还可能与局地融水的参与有关。

2.2.4　底层流

无论是冰筏物质，还是粉尘或者河流输送的物质，在海洋形成沉积物后，都可能会受到底层流的影响，包括改变原有的物理属性及沉积信息等。经过底层流改变形成的沉积物称之为平流沉积或漂流沉积，其分布特点与纬度位置无关。

磁化率各向异性（AMS）等参数可以揭示底层流强度的变化。Parés等^［31］利用沉积物的特征剩磁（ChRM）方向将AMS的主轴旋转至地理坐标下，从而恢复出古海洋环流的方向，其与该地区（南极半岛）沉积物漂移的形态相一致。这表明沉积物的AMS等磁学性质还可以用来研究底层流的演化历史。目前，海洋沉积物的磁性特征成为研究过去海洋环流的重要手段之一，并成功地应用于南极绕流、Feni Drifts和Gardar Drifts深海流^［32］等研究，其中多钻孔的磁学分析反映了底层流的运移趋势。尽管底层流的活动性与气候变化之间的响应机制尚不明确，但磁学结果表明这似乎和太阳活动变化有关^［33］。

近年来，温盐环流的研究成为古海洋研究的热点。一般认为，千年尺度上的D/O变化与大西洋的经向反转有关，但其机制问题尚未解决，环境磁学有可能成为探讨这一机制的有效手段。Kleiven等^［34］成功地利用磁学参数研究了在冰退期时快速气候变化下的北大西洋深层强度。在相对强度定年的时间框架下，南大西洋的记录滞后北大西洋860±220年，这可能是北部冰川水南下与大西洋混合所需要的时间，首次量化了大西洋经向反转环流在半球之间气候响应间的作用^［35］。

2.2.5　混合源区

全球海洋沉积物中，各种陆源组分呈现大致的纬度地带性特征，在一定的区域各组分存在着交叉混合，造成沉积物中不同的磁性矿物组合。环境磁学在探讨与其相关的环境问题中发挥着重要作用。

在低纬度地区，沉积物的变化经常受河流输入和风所携带的粉尘共同作用。如Itambi等^［36］对非洲西北部的3个陆架钻孔进行了详细的环境磁学等分析，北部钻孔（如GeoB9516-5）沉积物的变化主要受控于风成粉尘的输入量；而南部的GeoB9527-5则主要反映河流输入量的变化。进一步的研究表明，GeoB9516-5孔中的磁性矿物受河流输入和风成粉尘共同影响，位于两种物源共同控制的混合区^［18］。在中高纬海域，磁性矿物的组合能够灵敏地识别出冰筏沉积物、粉尘等来源的物质交互作用。南大洋中的大西洋区域的表层沉积物磁化率的空间分布表明：该区域的磁性矿物来源复杂，包括毛德皇后地的镁铁质火成岩、冰期输入的碎屑及底层流和浊流造成的再沉积，以及风尘颗粒的输入^［37］。这种源区的复杂性无疑增加了气候解译的难度，但各种磁学参数的组合仍能清晰地从中提取出不同源区对沉积物的贡献，在此基础上仍能获得可靠的气候信息。

此外，在远洋的某些特定海洋环境中，生物成因的磁性矿物可能对沉积物的剩磁产生了一定的贡献。利用磁学手段可以准确地识别出生物成因的磁性矿物，如Yamazaki^［38］在对北太平洋深海沉积物的研究中发现，χARM/SIRM和Forc图可以用来区分陆源物质和生物成因磁性矿物的相对贡献。且生物成因磁性矿物与海洋生成力相关，可以用来探讨古海洋的碳循环过程。东赤道太平洋IODP U1337钻孔中，χARM/SIRM与S-ratio在250ka以来冰期与间冰期的变化，可能与ITCZ赤道辐合带的北移有关^［39］。可见，环境磁学在研究深海沉积物来源及古海洋环境变化中存在广泛的应用价值。

值得注意的是，海底上涌的甲烷发生厌氧氧化能够产生胶黄铁矿或黄铁矿，岩石磁学可以有效快速地检测出海洋沉积物中的胶黄铁矿和磁黄铁矿，从而能快速确定古甲烷气及天然气水合物扩散的发生。

2.3　国内海洋磁学研究进展

同国际上相比，我国在海洋磁学方面起步较晚。自20世纪80年代初，我国学者开始利用磁学对海洋沉积物进行研究，其发展可以分为3个阶段。

第一阶段：20世纪80年代至90年代初，主要利用磁性地层进行定年。这一时期，磁性地层在渤海湾、南黄海滨岸沉积、长江三角洲及黄海中得到广泛的应用。

第二阶段：20世纪90年代初至20世纪末，国内学者在磁性地层及各种定年的基础上，开始进行环境磁学分析。在众多参数中，χ最为常用，并显示出很好的天文轨道周期。南黄海QC2孔沉积物的磁化率研究表明，χ的变化特征整体反映气候变化的总趋势，同时也反映出气候变化的诸多细节，可以为该区气候变化研究提供重要的依据^［40］。随着《Rock MagnetismFundamentals and Frontiers》一书的问世，国内学者开始在海洋研究中进行多参数的环境磁学分析。刘健等^［41］对南黄海东北陆架YSDP105孔冰消期以来的沉积物的磁学特征研究表明，该孔磁性矿物的粒径受控于沉积环境，反映了沉积水动力的大小；高矫顽力磁性矿物的含量自冰消期以来逐渐降低，表明进入黄海的风尘物质逐渐减少。

第三阶段：20世纪末至今，环境磁学结合其他参数对周边海域的环境变化已经取得初步的认识，按照海域可以分为：黄海、东海、南海。

黄海：刘健等^［42］从磁学性质的角度分析了南黄海北部YA023柱状样，结果表明该沉积物的磁性矿物的特点明显不同于中国风成黄土，而属于末次冰期河流的洪泛沉积。南黄海东南部冷涡泥质沉积区YSDP103孔中，除上表层外均遭受了还原成岩作用，导致磁性矿物的含量和低矫顽力组分比例显著降低，进而探讨该海域环境变化对磁性矿物成岩过程的控制^［43］。同样地，Ge等^［44］对来自南黄海表层沉积物磁化率的研究表明，该海域的表层沉积物χ受控于物源和沉积环境两方面的影响。因此，不能像在黄土或者湖泊一样将沉积物直接用作气候待用指标。南黄海中部平原的钻孔EY02-2磁性地层研究揭示了M/B极性界线，并识别出布容期和松山期内的多次极性漂移。χ和沉积物的粒度可以揭示一些大的环境转换界面。但是，二者可能由于半封闭陆架海复杂的沉积物源和冰期—间冰期沉积动力变化的复杂性，导致不能简单地作为气候变化指标与深海氧同位素曲线进行对比^［45］。

东海：根据东海陆架表层沉积物的岩石磁学结果，Liu等^［46］认为沉积物主要来源于古黄河沉积物的侵蚀和长江的卸载。东海内陆架EC2005孔沉积物的χ受多种因素制约，徐方建等^［47］发现该孔不同层位的主要控制因素不同，将χ作为气候代用指标应用时需要谨慎。Zheng Y等^［48］在东海内陆架MD06-3040钻孔的研究中发现，全新世以来该孔沉积物虽然遭受了沉积后成岩作用，但仍保存了高矫顽力磁性物质，仍能反映该区域的古环境信息。

南海：李华梅和杨小强在南海93-5钻孔得到了可靠的古地磁年龄，杨小强等^［49］进而对该孔中的χ和ARM进行了研究，发现χ的变化与氧同位素曲线有着良好的对应关系，其大小变化反映了南海南部200ka以来气候的暖、冷旋回。在进一步研究该孔记录的古地磁信息时，杨小强等^［50］发现千年尺度上该孔的相对强度曲线与全球是可以进行对比的。汤贤赞等^［51］对南沙群岛海区NS97-13柱样沉积物进行了AMS分析，重建了研究海区的古水流方向、沉积物的沉积形式，并从χ中识别出Heinrich层中冷事件H1～H6。张江勇等^［52］对南海西沙群岛附近陆坡、南海南部陆坡以及东沙群岛附近陆坡第四纪的χ变化特征进行了综合对比，并初步分析了χ与碳酸钙百分含量变化间的关系。其结果表明磁化率在南海地区的地层划分方面有一定的应用前景，但需谨慎对待划分结果。

这一时期，国内学者开始对邻近海域进行研究。李萍等^［53］对冲绳海槽4个沉积环境的代表性样品进行了粒度分离并获得了多个磁学参数，得出磁性矿物以假单畴的磁铁矿为主，在物源上表现出一定联系。刘健等^［54］从磁学特征差异的角度探讨了黄、东海陆架和朝鲜海峡物源不同。西菲律宾海^［55］和东菲律宾海^［56］沉积物均良好地记录了地球磁场的极性变化。李海燕等^{［57，58］}成功在孟加拉扇和东帝汶海钻孔进行环境磁学分析，发现都存在还原成岩作用对沉积物磁记录的影响。

另外，磁化率异常还能为寻找海底天然气水合物区提供判断依据。Chen等^［59］对南中国海的145个表层沉积物的χ分析发现，χ的高值与铁氧化物的含量无关，而与自生的硫化物（胶黄铁矿等）有着良好的对应关系，这可能与甲烷的渗透导致的还原环境有关。在南海北部白云凹陷08CF7岩心沉积物中，侯红明等^［60］同样发现钻孔下部的磁化率异常可能是海底天然气水合物渗漏还原生成顺磁性的黄铁矿所致，从而提供了一种识别南海北部天然气水合物的间接方法。

3　海洋磁学发展展望

如前所述，洋壳中的磁性矿物是大洋磁异常记录的载体。近几十年的研究表明其剩磁获得过程十分复杂，例如，受洋壳扩张速度、矿物分异及低温氧化等影响的磁性矿物的差异可能会造成所记录剩磁强度的变化；另外，与磁性矿物演化过程相关的原生的TRM、CRM和次生的CRM、VRM等对剩磁强度均有贡献。通过详细的岩石磁学分析及地球化学方法仔细甄别这些影响因素，是进一步深入探讨剩磁记录机制和利用海洋磁异常条带建立完善的GPTS及相对强度研究的关键。而通过对深钻计划钻取洋壳样品是解决这一问题的基础，新的IODP（international ocean discovery program）于2013年即将实施，必将推动这一研究的深入及海洋科学的发展。

在沉积速率相对较低的海洋沉积物研究中，环境磁学因能够获得高分辨率的数据而彰显出明显的优势。海洋沉积物的磁性特征与其物源密切相关，因此，在不同来源的沉积物中寻找具有“示踪”的磁性参数至关重要。例如，粉尘中因含有大量的高矫顽力物质，利用HIRM和L-ratio的组合可以有效的研究粉尘的演化历史。另外，应采取源（如粉尘源区、河流积水区等）和汇（海洋沉积物）之间的磁性参数对比研究，辅之以地球化学分析等非磁学研究方法，可以更好地进行环境解释。只有这样，环境磁学才能在海洋中的粉尘沉积、河流搬用沉积、冰筏沉积及底层流等研究中获得新的突破。

（1）研究不同时间尺度下粉尘的演化特征是重建地质历史时期中大气环流模式的最佳途径之一。环境磁学能够有效的揭示出粉尘通量及源区的变化，有望成为探讨海洋沉积物中粉尘信息的首选方法。另外，粉尘还可能通过Fe元素控制着磁细菌的生物矿化过程^［24］，χ_ARM/SIRM和Forc图等环境磁学参数可以有效的区分陆源物质和生物成因磁性矿物的相对贡献，使深入探讨相应的机制成为可能。更重要的是，粉尘输入间接提供的Fe元素可能对海洋产生营养化作用，影响海洋生物的繁殖，进而影响全球碳循环，利用环境磁学同表征海洋生产力的指标进行对比是探讨这一问题的有效手段。

（2）在以河流输送为主的海洋沉积物中，虽然环境磁学开展的工作较贫乏，但已有的磁化率等研究表明磁学方法能够有效探讨这类沉积物记录的气候信息，因此大力开展多磁学参数的综合应用是在海洋沉积物中探讨与河流搬运有关的气候问题的重点。

（3）在以往的Heinrich事件研究中，磁学手段发挥了重要作用，近些年的研究表明，磁学手段还可以通过对IRD的研究探讨冰盖的稳定性问题，而冰盖的变化势与区域及全球气候变化密切相关，因此磁学手段结合其他非磁学方法可以在这类问题中提供新的认识。

（4）古环流演化是海洋环境研究中的另一重要课题。AMS等磁学参数可以反映底层流强度变化，并且还可以利用多钻孔的磁学参数研究底层流的运移趋势^［34］。因而环境磁学在探讨温盐环流等古海洋环流演化中具有广泛的应用空间。

同国际上比较，我国海洋环境磁学尚有很大的提高空间，包括中国海在内的西太平洋边缘海是进行突破的窗口。沉积了巨厚中新生代地层的西太平洋边缘海是探讨海侵或海退、洋流（黑潮）演变、东亚季风演化及中国大陆干旱化等气候信息的重要场所。然而，迄今为止，中国近海沉积物所提供的第四纪环境记录并不理想，其主要制约因素在于缺乏可靠的年龄控制，因海侵或海退造成的地层的不连续性增加了其难度。由于老碳效应，¹⁴ C定年的准确性（特别是老于4万年的沉积物）值得商榷。因缺乏公认的事件，传统的古地磁极性地层学难以开展工作。但是磁化率可能成为地层间对比、识别沉积间断的有效参数，结合相对强度并进行天文调谐可能获得比较可靠的年龄框架。全新世以来较厚的沉积物可能是研究地磁场长期变化的重要载体。另外，与全球的其他具有精确定年的长期变化记录进行对比可能提高时间分辨率和准确度。将相对强度、地球磁场的长期变化等磁学定年方法与¹⁴ C方法及光释光定年结合是获得精准定年的潜在方式。磁学参数还能有助于识别海相层和陆相层，过去的研究常使用磁化率单一指标，尽管获得了一定的认识，但磁化率受种类、粒径等多种因素共同影响。因此，综合的环境磁学分析是精确识别海相层和陆相层的可取手段之一，进而可用于研究相关的海侵或海退。环境磁学在揭示近海沉积物物源中亦具有广泛的应用前景，如东海陆架表层沉积物磁学结果表明沉积物主要来源于古黄河沉积物的侵蚀和长江的卸载^［45］。这些河流带入的沉积物经常受到洋流的搬运，而洋流的格局变化会影响海水热量、盐度的分配。其中，黑潮与边缘海水交换对于西北太平洋沿海国家的经济发展和环境保护具有十分重要的意义，但至今其时空演化历史仍未彻底解决。对于沿黑潮运移的可能途径，采用多钻孔的AMS等磁学参数可能对黑潮运移途径及强弱变化提供更为全面的认识。此外，远离大陆、受物源距离变化影响较弱的北太平洋记录了晚新生代以来北半球气候变化历史，其中蕴含了季风的时空格局、源区的干旱化及源区变化等信息。这些海区由于粉尘通量较弱和较细的平均粒径，限制了非磁学替代性指标的应用。详细的环境磁学分析，辅以漫反射光谱、X射线衍射等方法，成为充分解译这些气候信息的理想选择。

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【注释】

(1)＊刘青松：中国地质大学应用地球物理系1993届本科毕业生，国家自然科学基金委杰出青年基金获得者。