吉林隕石中鐵鎳合金的磁學(xué)性質(zhì)

紀(jì)新林，潘永信

1中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所地球深部研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029 2中國科學(xué)院研究生院，北京 100049

吉林隕石中鐵鎳合金的磁學(xué)性質(zhì)

紀(jì)新林1，2，潘永信1＊

1中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所地球深部研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029 2中國科學(xué)院研究生院，北京 100049

鐵鎳合金是隕石中重要的磁性物質(zhì)，其中鐵紋石、鎳紋石和四方鎳紋石是球粒隕石中的主要鐵鎳合金.然而，迄今針對(duì)隕石中鐵鎳合金的磁學(xué)性質(zhì)研究仍非常缺乏.本文研究了吉林隕石中的鐵紋石、四方鎳紋石、以及隕硫鐵的磁學(xué)特征.實(shí)驗(yàn)表明，鎳含量為6%～7%的鐵紋石是該隕石中最主要的鐵鎳合金物質(zhì)，它具有低矯頑力和高的熱穩(wěn)定性，居里溫度～750℃.鎳含量為～48%的四方鎳紋石具有高矯頑力和高的熱穩(wěn)定性，居里溫度～565℃，它是剩磁的主要載體.隕硫鐵在室溫為反鐵磁性，不具有載剩磁能力，在60K左右存在一個(gè)低溫轉(zhuǎn)換，在氬氣中加熱較穩(wěn)定而在空氣中加熱被氧化轉(zhuǎn)化為磁鐵礦.這些研究結(jié)果為鑒定球粒隕石中的磁性物質(zhì)提供了依據(jù).

吉林隕石，鐵紋石，四方鎳紋石，隕硫鐵

1 引 言

隕石中磁性物質(zhì)的研究是認(rèn)識(shí)太陽星云、小行星磁場(chǎng)及其演化的基礎(chǔ)［1］.巖石磁學(xué)和古地磁學(xué)研究表明，地球樣品中的磁性礦物主要是鐵氧化物（如磁鐵礦、赤鐵礦和磁赤鐵礦等）、鐵硫化物（如磁黃鐵礦、膠黃鐵礦等）以及鐵的氫氧化物（如針鐵礦等）［2］.但是，隕石中的磁性物質(zhì)則以鐵鎳合金為主，極少數(shù)隕石中含有磁鐵礦或磁黃鐵礦等鐵氧化物.在鐵隕石中鐵鎳合金達(dá)到100%，在石鐵隕石中鐵鎳合金約為50%，在球粒隕石中鐵鎳合金為5%～25%，在無球粒隕石中為1%或更少.隕石中鐵紋石（Ni，＜10%）、鎳紋石（Ni，22%～65%）、四方鎳紋石（Ni，48%～55%）等是鐵鎳合金的主要形式［3－5］，隕石的磁性與這些鐵鎳合金物質(zhì)密切相關(guān).

在已發(fā)現(xiàn)的隕石中，球粒隕石占90%以上，球粒形成時(shí)幾乎都經(jīng)歷了不同程度交代變質(zhì)作用，可能記錄太陽系的早期演化歷史［6－7］.無球粒隕石在母體內(nèi)形成時(shí)經(jīng)歷了局部或是全部的熔融分異，主要記錄了其母體的演化［7－8］.然而，由于受到樣品稀少和實(shí)驗(yàn)技術(shù)的限制，迄今人們對(duì)隕石中磁性物質(zhì)研究較少，這制約了人們通過隕石磁性認(rèn)識(shí)太陽星云和小行星磁場(chǎng)形成和演化的研究.地球深部研究表明鐵鎳合金還是地核的主要物質(zhì)［9－10］.

為了認(rèn)識(shí)鐵鎳合金的磁學(xué)性質(zhì)，我們選擇1976年降落于我國的吉林隕石進(jìn)行了巖石磁學(xué)研究.吉林隕石屬于普通球粒隕石（H5），其Rb－Sr和Pb－Pb等時(shí)線年齡約為45億年［11］.早期的礦物學(xué)分析表明，該隕石曾受到明顯的熱變質(zhì)和沖擊變質(zhì)作用［12］；主要礦物有橄欖石、輝石、金屬、隕硫鐵、鉻鐵礦、鈦鐵礦、白磷鈣石等［13］.最近，我們通過掃描電子顯微鏡和X射線能譜儀（EDS）重點(diǎn)對(duì)吉林隕石中金屬相做了分析，發(fā)現(xiàn)金屬物質(zhì)主要由鐵鎳合金和少量的鐵硫化物組成，粒度從小于1μm至數(shù)百微米不等.其中，鐵紋石中鎳含量為6%～7%，鐵紋石顆粒占全部鐵鎳合金～95%；鎳紋石（鎳含量35%～50%）和四方鎳紋石（鎳含量～48%）占鐵鎳合金～5%；鐵硫化物（FeS，硫含量～50%）少量.本文主要報(bào)道吉林隕石中的鐵紋石、四方鎳紋石、隕硫鐵的磁學(xué)研究結(jié)果.

2 室溫巖石磁學(xué)性質(zhì)

圖1 吉林隕石樣品在室溫下的巖石磁學(xué)性質(zhì)（a）典型磁滯回線（經(jīng)過順磁性校正）；（b）IRM 獲得曲線；（c）FORC圖，平滑因子為3.Fig.1 Rock magnetic results of the Jilin meteorite in room temperature（a）Hysteresis loops（after slope correction for paramagnetic contribution）；（b）Isothermal remanence acquisition；（c）FORC diagram，smoothing factor of 3.

實(shí)驗(yàn)樣品選自吉林隕石核部（不包括融殼）的新鮮樣品.磁化率隨溫度變化（－T曲線）測(cè)量在捷克Agico公司KLY－3卡帕橋（溫度控制系統(tǒng)為CS－3）上完成.磁滯參數(shù)（包括飽和剩磁Mrs，飽和磁化強(qiáng)度Ms，矯頑力Bc和剩磁矯頑力Bcr）、等溫剩磁（IRM）獲得曲線及其反向場(chǎng)退磁、磁化強(qiáng)度隨溫度變化（M－T曲線）使用德國Petersen公司VFTB可變場(chǎng)居里秤測(cè)量.一階反轉(zhuǎn)曲線（FORC）圖采用美國Princeton公司MicroMag2900變梯度磁力儀測(cè)量.低溫磁學(xué)測(cè)量使用美國Quantum Design公司MPMS－5低溫超導(dǎo)磁測(cè)量系統(tǒng).巖石磁學(xué)分析的樣品包括新鮮吉林隕石全巖粉末和經(jīng)過磁選分離兩種樣品.后者是將新鮮塊狀樣品磨成粉末后用磁鐵（最大磁場(chǎng)強(qiáng)～50mT）進(jìn)行磁分選.

室溫磁滯回線測(cè)量使用的最大外磁場(chǎng)為±1T.全巖樣品的磁滯回線為細(xì)窄型，在0.5T外場(chǎng)中接近飽和（圖1a），通過測(cè)量三塊樣品獲得的平均飽和剩磁Mrs為1.3Am2·kg－1，平均飽和磁化強(qiáng)度Ms為45Am2·kg－1，平均矯頑力Bc為6mT.等溫剩磁（IRM）獲得曲線顯示，在0.3T時(shí)樣品僅獲得了1T時(shí)IRM的～60%，說明其IRM主要由硬磁物質(zhì)所攜帶（圖1b）.反向場(chǎng)退磁結(jié)果也顯示樣品具有較高的剩磁矯頑力，平均值為80mT.在FORC圖上顯示樣品也具有較小的矯頑力（平均矯頑力為2.3mT），等值線不閉合而沿縱軸開口（圖1c）.因此，樣品的磁性物質(zhì)主要由多疇（MD）和超順磁性（SP）顆粒組成［14－15］.

4 M－T 曲線

圖2 吉林隕石在氬氣中加熱的χ－T曲線，加熱速率為9℃/min（a）全巖樣品一次加熱到700℃；（b）—（d）為磁選樣品分段加熱的χ－T 曲線，最高加熱溫度分別為（b）300℃，（c）580℃和（d）700℃.實(shí)線（虛線）表示加熱（冷卻）曲線.Fig.2 χ－Tcurves in argon for the Jilin meteorite，heating rate of 9℃/min（a）Samples heated to 700℃；Samples by magnetic separation heated after various temperature（b）300℃；（c）580℃and（d）700℃.The solid（dashed）line represents heating（cooling）curve.

首先對(duì)全巖樣品在空氣中加熱，實(shí)驗(yàn)最高加熱溫度為800℃，實(shí)驗(yàn)升溫速率為40℃/min.加熱曲線顯示隨溫度升高500℃前磁化強(qiáng)度（M）緩慢降低，565℃左右出現(xiàn)M小幅度降低，750℃左右迅速降低.冷卻曲線顯示630℃左右M迅速上升，冷卻至室溫時(shí)磁化強(qiáng)度M值低于初始值約8%（圖3a）.樣品重復(fù)加熱的M－T曲線與第一次加熱曲線特征基本一致，冷卻至室溫時(shí)M出現(xiàn)輕微降低，低于初始值約5%（圖3b）.對(duì)磁選樣品在空氣中加熱實(shí)驗(yàn)結(jié)果與全巖樣品實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本相同.

全巖樣品在氬氣中的M－T實(shí)驗(yàn)也顯示了750℃的居里溫度.加熱曲線也在565℃左右小幅度降低，加熱和冷卻曲線在600～750℃之間明顯不可逆，在低溫段（＜600℃）加熱冷卻曲線基本可逆（圖3c）.重復(fù)加熱M－T曲線基本特征不變.磁選樣品在氬氣中分段加熱顯示，當(dāng)最高溫度加熱至650℃時(shí)加熱曲線和冷卻曲線基本可逆.與空氣中加熱的實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較，M－T曲線主要特征十分相似，但在氬氣中加熱的冷卻曲線與加熱曲線可逆性比較好，說明空氣加熱可能使部分磁性物質(zhì)被氧化而造成磁化強(qiáng)度降低.

無論是在空氣中還是在氬氣中加熱的M－T曲線上最顯著的特征是750℃出現(xiàn)的磁化強(qiáng)度降低.根據(jù)純鐵的居里溫度為765～780℃［19－20］，以及上述EDS分析顯示鐵紋石的鎳含量為6%～7%，我們認(rèn)為750℃出現(xiàn)的磁化強(qiáng)度降低是鐵紋石的居里溫度，鎳造成了其居里溫度低于純鐵.加熱過程中在565℃左右小幅降低，可能對(duì)應(yīng)四方鎳紋石的解阻溫度.

圖3 吉林隕石全巖樣品的M－T 曲線，所施加的外磁場(chǎng)強(qiáng)度為366mT，加熱速率為40℃/min，最高加熱溫度為800℃（a）在空氣中第一次加熱；（b）在空氣中第二次加熱；（c）在氬氣中第一次加熱；（d）在氬氣中第二次加熱.實(shí)線（虛線）表示加熱（冷卻）曲線.Fig.3 M－Tcurves for the Jilin meteorite，field is 366mT，heating rate of 40℃/min，from room temperature to 800℃（a）First heating in air；（b）Second heating in air；（c）First heating in argon；（d）Second heating in argon.The solid（dashed）line represents heating（cooling）curve.

5 低溫磁性測(cè)量

低溫磁性測(cè)量首先將樣品由室溫在零場(chǎng)中冷卻至10K，然后測(cè)量樣品在10mT外磁場(chǎng)中升溫（10～300K）和降溫（300～10K）過程中所獲得的感應(yīng)磁化強(qiáng)度.全巖樣品的低溫測(cè)量結(jié)果顯示，升溫曲線在60～70K之間明顯升高，隨后緩慢升高；降溫曲線在～60K時(shí)迅速升高（圖4a）.60K附近的轉(zhuǎn)換溫度可能對(duì)應(yīng)隕硫鐵的低溫轉(zhuǎn)換溫度［21－22］.樣品中含有較多的鐵紋石，但圖4a中未見其他的低溫轉(zhuǎn)換溫度，說明鐵紋石可能沒有明顯的低溫轉(zhuǎn)換溫度.

圖4 吉林隕石低溫（10～300K）有場(chǎng)（10mT）中的磁化強(qiáng)度隨溫度變化曲線（a）全巖樣品；（b）磁選樣品氬氣中加熱至800℃后；（c）磁選樣品空氣中加熱至800℃后.Fig.4 Low temperature（10～300K）induced magnetization（measured at 10mT）curves of the Jilin meteorite（a）Whole rock samples；（b）Samples by magnetic separation heating to 800℃in argon；（c）Samples by magnetic separation heating to 800℃in air.

為了進(jìn)一步分析加熱對(duì)樣品中鐵鎳合金和鐵硫化物的影響，對(duì)經(jīng)過氬氣和空氣中800℃加熱后的磁選樣品分別進(jìn)行了低溫磁性測(cè)量.如圖4b所示，經(jīng)過氬氣中800℃加熱后樣品的磁化強(qiáng)度隨溫度變化曲線與未加熱樣品相似，僅在60K出現(xiàn)隕硫鐵的轉(zhuǎn)換溫度，但變化幅度略有減弱，可能是部分隕硫鐵分解所致.然而，經(jīng)空氣中800℃加熱后樣品的磁化強(qiáng)度隨溫度變化曲線上，磁化強(qiáng)度在升溫曲線上120K時(shí)迅速升高和在降溫曲線上120K時(shí)降低，這很好地對(duì)應(yīng)磁鐵礦的Verwey轉(zhuǎn)變，說明在空氣中加熱生成了少量的磁鐵礦（圖4c）［2］；另外，60K的轉(zhuǎn)換消失，說明在空氣中加熱隕硫鐵被氧化.

6 討 論

吉林隕石中鐵鎳合金是其主要鐵磁性物質(zhì).前人研究表明，純鐵的居里溫度為765～780℃，鎳的居里溫度為375℃［19－20］，鐵紋石中鎳含量為7%和9%時(shí)對(duì)應(yīng)的居里溫度分別為～735℃和～705℃［20，23］，可見鎳含量的增加會(huì)導(dǎo)致鐵紋石居里溫度降低.我們實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)吉林隕石中鐵紋石（鎳含量為6%～7%）的居里溫度為～750℃.鐵紋石的一個(gè)顯著特征是在M－T曲線上600～750℃之間的不可逆現(xiàn)象（圖3）.這種不可逆現(xiàn)象不是由新生成礦物引起的，而是鐵鎳合金的α－γ相之間的轉(zhuǎn)換行為.鐵紋石在居里溫度之下為體心立方結(jié)構(gòu)（bcc，α－鐵），而在其居里溫度之上時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫘牧⒎骄Ц瘢╢cc，γ－鐵）.合金中α－γ轉(zhuǎn)換不具熱可逆性，即在冷卻時(shí)γ－α轉(zhuǎn)換發(fā)生在較低的溫度［20，23］.我們沒有發(fā)現(xiàn)鐵紋石具有低溫轉(zhuǎn)換行為（圖4）.純鐵的飽和剩磁Mrs約為0.5Am2·kg－1，飽和磁化強(qiáng)度Ms約為200Am2·kg－1，矯頑力Bc約為1mT，剩磁矯頑力Bcr約為15mT［2，19］.據(jù)此，吉林隕石的磁滯參數(shù)結(jié)果，即平均飽和剩磁 Mrs為1.3Am2·kg－1，飽和磁化強(qiáng)度Ms為45Am2·kg－1，矯頑力Bc為6mT，主要反映了鐵紋石（鎳含量為6%～7%）的磁學(xué)特征.

四方鎳紋石是有序結(jié)構(gòu)的鎳紋石，在緩慢冷卻的球粒隕石中常見，常與鎳紋石共生［16］.鎳含量較高的四方鎳紋石具有較高的剩磁矯頑力（～500mT）［17］，熱磁曲線上565℃左右的降低指示四方鎳紋石的存在［17，24］，它造成吉林隕石具有較高的剩磁矯頑力（平均值為80mT）.因此，盡管吉林隕石中的磁性物質(zhì)以鐵紋石為主，在外磁場(chǎng)中感應(yīng)磁化強(qiáng)度和矯頑力顯示了鐵紋石的特征，但是樣品中少量的四方鎳紋石卻對(duì)剩磁貢獻(xiàn)較大.

此外，低溫磁學(xué)實(shí)驗(yàn)揭示出吉林隕石中存在隕硫鐵，它具有60K的轉(zhuǎn)換溫度（圖4）.隕硫鐵在氬氣中加熱具有一定的熱穩(wěn)定性，經(jīng)800℃加熱后樣品中仍存在隕硫鐵（圖4b），然而在空氣加熱中發(fā)生了顯著的熱轉(zhuǎn)變，圖4c清楚地表明隕硫鐵在空氣中經(jīng)800℃加熱后生成了磁鐵礦，推測(cè)隕硫鐵在空氣中加熱或直接生成磁鐵礦，或先轉(zhuǎn)變成赤鐵礦，赤鐵礦在高溫時(shí)又與鐵（還原劑）反應(yīng)生成磁鐵礦［19］.前人研究表明，隕硫鐵在室溫到其尼爾溫度（315℃）之間為反鐵磁性，只有在很強(qiáng)的外場(chǎng)作用下才有微弱的磁性，在室溫下對(duì)樣品的磁性貢獻(xiàn)基本可以忽略［21－22］.

前人曾嘗試從吉林隕石中獲得隕石母體的磁場(chǎng)記錄［25－26］.鐵紋石具有較低的矯頑力，很容易受后期作用的影響，例如在地磁場(chǎng)中極有可能獲得的黏滯剩磁，在收集保存過程中的被磁化，它從母體中分離時(shí)遭受的撞擊也可能導(dǎo)致退磁等［27－29］.而隕石中四方鎳紋石一般為次生礦物相，它是鎳紋石經(jīng)歷后期的改造形成的［17］，所以其記錄可能為化學(xué)剩磁.因此，吉林隕石可能并不是母體磁場(chǎng)或太陽系早期磁場(chǎng)研究的最佳材料.其他球粒隕石也可能存在類似的問題而難以保存原始剩磁記錄.此外，目前對(duì)于鐵鎳合金記錄剩磁獲得機(jī)制研究很少，通過鐵鎳合金為主要磁性載體的球粒隕石的古強(qiáng)度研究仍具有很大的挑戰(zhàn)性.

7 結(jié) 論

通過吉林隕石中鐵鎳合金的巖石磁學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，鐵紋石（鎳含量為6%～7%）的居里溫度為750℃，具有較低的矯頑力6mT，未見低溫轉(zhuǎn)換溫度，是吉林隕石樣品的感應(yīng)磁化強(qiáng)度和磁化率信號(hào)的主要載體.四方鎳紋石的居里溫度為565℃，具有較高的矯頑力，是吉林隕石樣品的剩磁的主要載體.

致 謝 作者衷心地感謝林楊挺研究員提供樣品和給予的幫助，感謝胡森博士對(duì)初稿提出的修改意見.

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（本文編輯 何 燕）

Magnetic properties of iron－nickel alloys in meteorites：A case study of the Jilin chondrite

JI Xin－Lin1，2，PAN Yong－Xin1＊

1 Key Laboratory of the Earth′s Deep Interior，Institute of Geology and Geophysics，Chinese Academy of Sciences，Beijing100029，China 2 Graduate University of Chinese Academy of Sciences，Beijing100049，China

Iron－nickel alloys such as kamacite，taenite and tetrataenite are the most important magnetic materials in chondrites meteorites.In this study we studied the Jilin chondrite and found that kamacite containing 6%～7%Ni has lower coercivity and a Curie temperature（Tc）of 750℃；tetrataenite containing～48%Ni has higher coercivity and a Tcof 565℃.Signals of magnetization and magnetic susceptibility are carried by the former，but remanence is carried by the latter.Troilite （FeS）is antiferromagnetic at room－temperature and thus has no contribution to remanence，but it has a magnetic transition at～60K.Troilite is rather thermally stable as heating in argon，while it is oxidized and transformed to magnetite when heating in air.These results provide useful information in regard to magnetic properties of chondrite containing ironnickel alloys.

Jilin chondrites，Kamacite，Tetrataenite，Troilite

10.6038/j.issn.0001－5733.2012.06.018

P318

2011－03－15，2012－04－16收修定稿

紀(jì)新林，潘永信.吉林隕石中鐵鎳合金的磁學(xué)性質(zhì).地球物理學(xué)報(bào)，2012，55（6）：1973－1979，

10.6038/j.issn.0001－5733.2012.06.018.

Ji X L，Pan Y X.Magnetic properties of iron－nickel alloys in meteorites：A case study of the Jilin chondrite.Chinese J.Geophys.（in Chinese），2012，55（6）：1973－1979，doi：10.6038/j.issn.0001－5733.2012.06.018.

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（40874032）和創(chuàng)新群體項(xiàng)目（40821091）資助.

紀(jì)新林，女，1984年生，博士研究生，主要從事古地磁學(xué)和隕石磁學(xué)研究.E－mail：jxlin@mail.iggcas.ac.cn

＊通訊作者 潘永信，男，1964年生，研究員，主要從事古地磁學(xué)、生物地磁學(xué)和生物礦化研究.E－mail：yxpan@mail.iggcas.ac.cn