近期，国际知名地学期刊《Journal of Geophysical Research: Solid Earth》以“The Origin of Magnetofossil Coercivity Components: Constraints from Coupled Experimental Observations and Micromagnetic Calculations”为题，发表了海洋与地球科学学院薛鹏飞博士与合作者的最新研究成果。该研究通过海洋沉积样品的实验观测分析和微磁模拟计算，建立了生物磁铁矿宏观磁学性质和微观矿物特征之间的联系，探讨了生物磁铁矿在沉积物中的可能赋存状态，为基于生物磁铁矿的古环境重建研究提供了重要依据。
趋磁细菌细胞内由生物矿化形成的纳米级生物磁铁矿颗粒可以形成化石磁小体，保存在沉积物中，有效记录地球磁场和古海洋环境等信息，是一种很好的古气候重建信息载体。结合生物磁铁矿宏观磁学性质和微观矿物特征，能够很好地解译其记录的古地磁和环境磁学信号。然而，由于生物磁铁矿颗粒的粒径和形貌等微观特征多样性，以及沉积物中保存结构的复杂性，准确理解其宏观磁性特征存在诸多困难（如生物软/硬磁组分，biogenic soft/hard，BS/BH，图1a）。
图1. (a)生物磁铁矿微观矿物特征和宏观磁学性质间的关系；（b-d）具有不同排列结构的生物磁铁矿示意图；（e-g）岩石磁学微磁模拟结果示例
针对上述科学问题，研究团队以北大西洋地质历史极热时期的典型海洋沉积样品为研究对象，开展了系统的岩石磁学测试和电子显微观测分析。基于获取到的生物磁铁矿粒径和形貌信息，构建了反映微观矿物真实赋存状况的微磁模型，系统模拟计算了岩石磁学性质（图1b-g），并与磁学实验结果进行对比分析（图2）。
图2.通过构建微磁模型，可以模拟计算生物磁铁矿的磁学特征，并与磁学实验结果进行对比研究
结果揭示：（1）等轴型生物磁铁矿是生物软磁组分的主要贡献者，而生物硬磁组分主要由子弹头型生物磁铁矿贡献、部分来自链结构棱柱型生物磁铁矿；（2）沉积物中生物磁铁矿多以坍塌链形式存在；（3）当生物磁铁矿中子弹头型颗粒的占比大于～2%时，就可以在磁学测试中产生生物硬磁组分（图3）。
图3.生物硬磁组分随着子弹头型颗粒比例的逐渐降低而减少
不同粒径形貌的生物磁铁矿组合通常反映了周围环境的差异性，因此基于研究样品的宏观磁学性质可以探究其微观矿物特征，进而重建古环境记录，该研究获取的微磁模拟结果和实验测试结果具有良好的对应关系（图4），为基于生物磁铁矿指标的古环境重建提供了重要的指示意义。
图4.微磁模拟计算和实验测试结果之间的对应关系
论文第一作者和通讯作者为我院博士后薛鹏飞，合作者包括北京大学地球与空间科学学院常燎研究员、博士生裴召文和英国剑桥大学Richard Harrison教授。该研究受到了国家自然科学基金、英国皇家学会和中国博士后基金项目的共同资助。
原文链接：https://doi.org/10.1029/2023JB028501