土壤磁性的物理原理

楊帆

土壤磁化率是土壤在外磁場(chǎng)中受感應(yīng)產(chǎn)生的磁化強(qiáng)度與外加磁場(chǎng)強(qiáng)度的比值，它反映了土壤中磁性礦物的數(shù)量，是常用的磁性指標(biāo)之一。而土壤頻率磁化率則是用于區(qū)分土壤中存在的超順磁性顆粒（d<0.03 μm）與單疇顆粒（0.03-0.10 μm），反映磁性礦物顆粒大小分配和超順磁顆粒的相對(duì)含量（Lu， 2000），它是表征土壤磁性的指標(biāo)，作為反映所處環(huán)境變化的重要指示體，在觀測(cè)、統(tǒng)計(jì)測(cè)量、數(shù)據(jù)分析等方面具備很多優(yōu)勢(shì)。

1 物質(zhì)磁性的物理來源。說到土壤（包括泥沙、巖石）磁性來源就有必要簡(jiǎn)單的從微觀說起。物質(zhì)都是由原子組成的，原子核在不停自旋，同時(shí)核外電子也在繞原子核旋轉(zhuǎn)。它們各自具有不同的角動(dòng)量，分別產(chǎn)生了自己的磁矩，具體來說有三類：原子核自旋、電子自旋、電子軌道運(yùn)動(dòng)。雖然大多數(shù)元素的孤立原子磁矩不為零，但化合物中多數(shù)情況這些磁矩都會(huì)在內(nèi)部被抵消，故絕大多數(shù)分子磁矩為零。而有些情況，如鐵族元素的自旋磁矩和軌道磁矩未能抵消，那么它的原子就具有永久磁矩（張三慧，1999；俞勁炎和盧升高，1991）。回到宏觀上來看，土壤磁性的主要來源是繼承于母巖。待母巖風(fēng)化后，其風(fēng)化殼、碎屑乃至最終發(fā)育成的土壤均會(huì)承接其磁性特性，相應(yīng)的磁性稱為原生磁性。而在形成土壤之后，由于受到氧化還原環(huán)境、有機(jī)物等等復(fù)雜因素的影響而附加的磁性稱為次生磁性。

2 有關(guān)物質(zhì)磁化的基本原理。物質(zhì)如果處于外磁場(chǎng)中，往往會(huì)被磁化并感生出附加磁場(chǎng)，假設(shè)其磁場(chǎng)強(qiáng)度H與外磁場(chǎng)強(qiáng)度H 之和稱為該物質(zhì)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B，即：B=H+H若H與H 相同方向，則稱其為順磁性物質(zhì)，反之則為抗磁性物質(zhì)。另外，還有一類物質(zhì)如鐵、鈷、鎳等及其合金，H通常比H大得多（H/H 高達(dá)10 以上），而且附加磁場(chǎng)在外磁場(chǎng)撤銷后并不立即消失，這類物質(zhì)稱為鐵磁性物質(zhì)。從原理上說，原子、離子或分子的微觀結(jié)構(gòu)起到?jīng)Q定性作用。在抗磁性物質(zhì)中，由于電子自旋已配對(duì)，故無永久磁矩。但是內(nèi)部電子的軌道運(yùn)動(dòng)，在外磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生拉穆爾旋進(jìn)，這會(huì)感生出一個(gè)與外磁場(chǎng)方向相反的誘導(dǎo)磁矩，所以表現(xiàn)出抗磁性。而在順磁性物質(zhì)中，存在自旋未配對(duì)的電子，所以具有永久磁矩，即其剩余不為零，在外加磁場(chǎng)中，永久磁矩順著外磁場(chǎng)方向排列，就會(huì)產(chǎn)生順磁性。而鐵磁性物質(zhì)是由一系列叫做磁疇的“小團(tuán)體”組成，如鐵、鈷、鎳，他們都具有較大的相對(duì)磁導(dǎo)率μr，并隨著外磁場(chǎng)強(qiáng)弱變化而變化，而且都具有磁滯效應(yīng)（張三慧，1999）。

一般在地學(xué)領(lǐng)域中，研究地磁場(chǎng)需要進(jìn)行矢量測(cè)量，包括磁偏角、磁傾角、總磁場(chǎng)強(qiáng)度、水平分量、北向分量、東向分量、垂向分量。以上七項(xiàng)統(tǒng)稱為地磁要素。已知其中三個(gè)即可推得其余，而最常用的是磁傾角、磁偏角、水平分量（羅孝寬，郭邵雍，1990）。而在土壤磁性分析上，鑒于土壤顆粒相比大塊地層、巖層甚至巖石都微小的多，且顆粒屬于隨機(jī)分布，磁性的方向測(cè)量相對(duì)也次要得多，所以地磁上的測(cè)量要素不適合土壤。土壤磁性的相對(duì)強(qiáng)弱和在母巖風(fēng)化并發(fā)育成土壤的過程中磁性的變化是土壤研究過程中的重點(diǎn)。