テリエ法実験中铁磁粒子非理想行为的检测与校正.pdf

新たな古地磁気強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：絶対古地球磁場強度，テリエ法，非理想挙動補正，部分熱残留磁気測定，交流消磁前 処理，火山岩類

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，コンピュータの計算能力の急激な進歩により 近年大きな進展があり，より現実的な電磁流体ダ イナモを数値実験において検討することができる ようになった。この数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 象は，地球外核における電磁流体運動によって説 明することができる（Glatzmaier and Roberts,  1995）。地心双極子磁場の逆転は，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，電磁流体ダイナモ過程それ自身に おいて自発的に起きうると結論されるに至った。 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，磁場の生成過程は内核の 成長やマントルの熱対流などの地球進化過程その ものと密接に結ばれている。これを解明するため に，過去の地球磁場の情報を詳細に復元すること は，地球科学全体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められない白亜 紀後期スーパークロンの古地磁気強度の解明は， 非逆転モードの電磁流体ダイナモ・モデルの構築 にとって非常に重要な情報となるであろう。 このような流れの中で，近年古地磁気強度に対 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岩から得られたピン ポイント情報だけである。絶対古地磁気強度測定 の唯一の材料は火山岩である。これを処理する 既存の標準的な古地磁気強度測定法は，ThellierCoe 法である（Thellier and Thellier, 1959; Coe,  1967）。この方法は，実験室内の既知磁場（Hlab） で試料を段階的に加熱して熱残留磁化 TRM （Ti,  T0）_gain を与え，その大きさを自然残留磁化 （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 地磁気強度（Han）を推定する。この方法の特徴 から以下の 3 項目が古地磁気強度推定の前提条 件として要求される。 1．重なっていない温度区間で獲得した部分熱残 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．別々の温度区間で獲得した pTRM が独立し分 割できる。すなわち pTRM （T2, T1）は T1 以下 の温度で安定であり，T2 以上の温度で消磁で きなければならない。 3．印加磁場中で獲得した熱残留磁化の強度はこ の印加磁場強度に比例する。 これらの条件を満たす強磁性粒子の挙動を“粒 子の理想挙動”と呼ぶ。Néel（1949）の理論は 孤立した単磁区粒子（single domain, SD）群が この粒子の理想挙動のもとで熱残留磁化を獲得す ることを証明した。しかし，自然界に存在する通 常の火山岩では，この前提条件を完全に満足する ケースはむしろ希である。通常の火山岩においては，単磁区粒子が擬似単磁区（pseudo-single domain, PSD）ないし多磁区（Multi domain, MD） 粒子と共存するか，あるいは単磁区粒子がほと 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度が測定される例 が相次いで報告されている（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）。単磁区粒子が多く含ま れている試料を厳選することは，当然一つの対処 方法である。例えば，単磁区粒子が多く含まれ る斜長石の単結晶（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 る普通の火山岩から正確に古地磁気強度を求めら れる方法の開発が熱望されている。 　古地磁気強度のもう一つの測定法は，人工熱残 留磁化と自然残留磁化の段階交流消磁結果同士を 比較する Shaw 法である（Shaw, 1974）。この方 法は pTRM 加法則と pTRM 独立性の二つの前提 条件が全く不要であり，擬似単磁区や多磁区粒子 が含まれる試料にも適用できる可能性がある。し かし，人工熱残留磁化の獲得のためには，強磁性 鉱物の化学変化をしばしば伴うキュリー点以上ま 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 法の欠点である高温 での化学変化を補正するために，いくつかの方法 が提案されている。Rolph and Shaw（1985）は ARM（非履歴性残留磁化）補正法を提案したが， この方法に対する批判は強い（Kono 1987; Vlag  et al., 2000; Juarez and Tauxe, 2000）。最近，低 温消磁 2 回加熱補正法が提案され，成功した実 例が報告されている（Tsunakawa et al., 1997;  Yamamoto et al., 2003）。こうした試みはあるも のの，化学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， ある温度 Ti まで一旦加熱されてから Ti－1 まで定 常磁場，Ti－1 より室温まで無磁場環境で冷却する 過程において獲得された部分熱残留磁化 pTRM （Ti, Ti－1）において，着磁の上限温度 Ti までの熱 消磁で消去できない部分（pTRM tail という）お よび，着磁の下限温度 Ti－1 より低温の熱消磁で 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，消磁温度（unblocking 温度という，Tub）が 着磁温度（blocking 温度という，Tb）と同一で なくなる現象である。Fabian（2001）はこの現 象に着目して，Tub が Tb のある Cauchy 関数で あると仮定し，数値シミュレーションを行った。 彼の主要な結論は，人工熱残留磁化と自然残留磁 化の段階熱消磁結果同士を比較すれば，絶対古地 磁気強度の推定は，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， この人工熱残留磁化の獲得は Shaw 法と同じよ うにキュリー点以上の加熱が要求される点が問題 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 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点 　

標準テリエ法は，全量ではなく部分的な熱残留 磁化を用いて NRM と比較するため厳しい前提条 件が必要で，通常の火山岩に適用されると問題が 生じる。しかし，キュリー点（Tc）以上の温度ま で加熱して熱残留磁化の全量（total TRM）を与 え，その大きさを NRM と比較することにより絶 対古地磁気強度を推定すれば，加法則と pTRM 独立性の二つの前提条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 子サイズを均質化した試料について熱残留磁化 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 の強度は，粒子サイズが小さい（＜ 6 μm）場合，ほぼ 印加磁場の強度に比例する。この場合，理論的に NRM（total）より未知の磁場（Han）が求めら れる。