岩石并不只记录年龄和成分，其中的磁性矿物还可以保存当时的磁场信息。对地球和行星科学而言，古磁场记录尤其珍贵：它们可以帮助研究者追踪行星磁场发电机的强弱变化，进而理解行星内部结构、热演化和动力学过程。然而，样品从采集、运输、保存到实验室处理，可能会接触各种各样的磁场。对月球陨石、返回样品（如嫦娥与阿波罗任务样品）和其他地外样品而言，这种风险更加突出：陨石猎人在野外寻找陨石时使用的手持磁铁，航空仪器和实验设备周围的局部强磁场，甚至一些常见电子产品（智能手机/手表、个人电脑）附近的磁场，都可能让样品获得等温剩磁（Isothermal remanent magnetization, IRM）。如果这种IRM足够强，它就会叠加在原有信号之上，干扰甚至完全重置原始磁记录。更棘手的是，IRM有时并不会被同等磁场强度的交变退磁（AF demagnetization，一种常见的用于分离信号的磁清洗方法）完全去除，而会留下一段不容易清理干净的“尾巴”。这段“IRM尾巴”可能被误认为原生剩磁的一部分，也可能让原本有价值的样品被误判为不可用。那么，“IRM尾巴”到底有多普遍？它为什么会出现？受到污染的样品，是不是就一定不能用于古磁场研究？

从月球样品到地球玄武岩

为了探究上述问题，中国科学院地质与地球物理研究所古地磁与年代学实验室博士后祁锴贤与蔡书慧研究员、朱日祥研究员以及其他实验室团队成员（潘永信研究员、邓成龙研究员、秦华峰副研究员）合作，并联合同所的李秋立研究员与田恒次研究员、英国爱丁堡大学的Wyn Williams教授，开展了系统性的古地磁学实验和统计模型分析。

研究使用了四种具有不同磁学性质的样品：嫦娥五号返回的低钛月海玄武岩岩屑CE5 404、月球陨石NWA 14137（图1），以及两块来自新疆塔里木大火成岩省的地球玄武岩样品K0116和H0816。

这些样品的磁性矿物和磁畴状态各有不同，因此可以用来比较不同磁性颗粒组合下“IRM尾巴”的表现。研究团队先对样品开展天然剩磁和岩石磁学测试，再人为施加10‒100 mT的脉冲磁场使样品获得IRM污染，并在每一步IRM污染之后进行交变退磁，观察这些IRM能否被“清洗”。

同时，团队还设计了模拟IRM污染的古磁场强度实验，用来检验一个实际问题：如果样品已经受到中等强度（10‒50 mT）的磁场污染，后续得到的古强度结果是否仍然可信？

图1 研究样品图像：（a）嫦娥五号玄武岩 CE5 404；（b）月球陨石 NWA 14137；（c）NWA 14137样品中的铁颗粒（Fe）

“同等退磁”不一定能清掉“同等污染”

实验结果显示，“IRM尾巴”并不是少数样品中的偶发现象，而是普遍存在于地球和地外样品中。以CE5 404为例，污染磁场超过约20 mT后，尾巴通常更加明显（图2）。为揭示这一现象的成因，研究团队首先对实验使用的脉冲磁场和交变退磁场进行了独立校准，并评估了测量噪声，结果表明场强偏差和仪器噪声不足以产生实验中观察到的“IRM尾巴”。岩石磁学分析进一步显示，颗粒间磁相互作用的强弱与“IRM尾巴”的分布并不对应，因此也无法充分解释这一现象。相比之下，“IRM尾巴”更可能与磁性颗粒的矫顽力分布和磁畴状态有关，即源于磁性颗粒自身的物理行为。

图2 CE5 404样品的逐步 IRM 污染实验。彩色虚线显示不同污染场下的 IRM 退磁曲线，黑线是作为对比的50 μT ARM退磁曲线

为什么会有“尾巴”？

为此，研究者提出了一种可能的机制，其核心依据是前人发现：部分单涡旋（single-vortex，SV）和单畴（single-domain，SD）颗粒存在多个可供磁矩稳定停留的轴取向（multiple choices of axes for domain stability，MCADS）。如图3所示，同一颗粒可以处于较软、中等或较硬矫顽力状态，图中的蓝色、黄色和红色箭头分别代表这三类稳定取向。对于中等磁场（对应中等矫顽力状态）的污染，颗粒不仅能在较软状态与中等状态之间切换，也可能从较软状态或中等状态单向切换至较硬状态。然而，由于此时磁场强度小于较硬颗粒的矫顽力，所以不会使其切换至中等或较软状态（图3）。在这一过程中，外磁场不仅使磁矩趋向其方向（并获得IRM），还会增加处于高矫顽力状态的颗粒数量。正因如此，后续交变退磁时，部分颗粒就需要使用大于污染场的峰值交变场才能被完全退磁，即IRM信号会残留至更高矫顽力区间，形成“IRM尾巴”。

图3 可切换磁畴轴颗粒的概念示意。污染场可能使部分颗粒从较软状态切换到较硬状态，从而形成难以完全退掉的“IRM尾巴”

在此基础上，团队将这类可切换颗粒按不同比例嵌入样品实际的矫顽力分布，建立了一个简化统计模型。模型假设，矫顽力小于污染磁场的可切换颗粒能在不同状态之间随机转变；这一过程只改变其微观矫顽力，不改变饱和磁化强度。模拟结果总体再现了“尾巴”长度和强度随污染场变化的趋势。模型参数敏感性分析进一步表明，尾巴形态并非主要由可切换颗粒的绝对数量决定，而更多取决于它们在特定矫顽力区间中的相对分布：如果较多颗粒恰好能由较软或中等状态切换至较硬状态，“IRM尾巴”就会在相应的矫顽力区段中格外突出。

受污染的样品，还能不能用？

团队在逐步IRM污染实验中定义了多个参数来描述“IRM尾巴”，包括尾巴高度、相对强度、长度以及真实影响值（True Effect Value, TEV）。随后，团队通过模拟IRM污染的古强度实验，将恢复出的古强度与已知实验室磁场进行比较，从而检验这些尾巴参数与古强度偏差之间的关系。结果显示，污染场小于20 mT时，IRM尾巴通常不会显著影响古强度结果；但是当污染场到达50 mT时，便很难从测试样品中得到可信的古强度值。此外，基于这些结果还可以归纳出一个评判标准：如果TEV小于0.01，并且相关污染场下的尾巴高度低于经SIRM（饱和等温剩磁）归一化后的50 μT ARM（非磁滞剩磁）的50%，那么古强度估计大概率是可靠的；而尾巴长度则可以帮助识别样品的哪些矫顽力区间仍未受到明显影响。换句话说，中等强度的IRM污染并不一定让样品“报废”，关键是要定量评估“IRM尾巴”是否已经延伸到原生剩磁所在的矫顽力区间，以及它在相应区间内的强弱。

上述判断框架在两个不同月球样品上给出了清晰对比（图4）：月球陨石NWA 14137的污染场相对更强（20‒30 mT）。对于该样品，30 mT的“IRM尾巴”可超过30 mT交变退磁后经SIRM归一化的50 μT ARM的一半，并且尾巴长度可达约20‒100 mT（取决于不同子样品）。因此，其高矫顽力组分很可能已经显著受到“IRM尾巴”的影响，得到的~400 μT的古强度值并不能可靠代表约29亿年前的月球磁场。相比之下，嫦娥五号玄武岩CE5 404的情况则不同。它的污染场较低（~10 mT），对应的“IRM尾巴”也较弱，并在60 mT交变退磁之后基本可以忽略；而即使是20 mT的“IRM尾巴”，其长度也仅为~40 mT，TEV也明显低于0.01。因此，研究认为CE5 404中大于60 mT的高矫顽力组分很可能保存了月球古磁场记录。基于这一部分信号，样品给出的古强度约为5.36 μT，与此前嫦娥五号玄武岩得到的2‒4 μT的结果相近，支持月球发电机在约20亿年前仍能产生弱磁场。

图4 CE5 404与NWA 14137a的古方向和古强度结果。CE5 404可在高矫顽力区间恢复~5 μT的可靠结果，而NWA 14137a的估计值则异常偏高

给古磁场研究的一把“筛子”

该研究不仅为IRM尾巴提出了一种可能的物理解释，还为地球和行星古磁场研究提供了一套更细致的筛选工具。过去，当样品显示出IRM污染迹象时，研究者常常面临两难：如果过于谨慎，可能舍弃仍有价值的样品或原本可靠的结果；如果过于乐观，又可能把污染信号当成古磁场记录。“IRM尾巴”的定量评估，让样品筛选从经验判断走向可量化、可检验的流程。

对行星样品尤其如此。月球和小行星返回样品、火星陨石及其他地外样品数量有限，每一件都来之不易。如何在存在IRM污染的情况下尽可能恢复可信的原始磁场记录，将直接影响我们对行星发电机历史的认识。这项研究提醒我们：IRM污染对古磁场记录的影响并不是简单的“有”或“没有”，更重要的是看清那些藏在退磁曲线后面的“尾巴”。与此同时，我们仍应更加重视样品采集和处理过程中的磁污染防护，尽量避免手持磁铁或其他强磁场源接触样品，并减少包装、运输、切割、保存和测试环节中的不必要磁暴露。对于这些珍贵样品，少一次不必要的磁暴露，就多一分保留下数十亿年前微弱磁信号的可能。

研究成果发表于国际学术期刊EPSL（Qi K, Cai S, Qin H, et al. Isothermal remanent magnetization tails: Mechanisms and implications for Earth and planetary palaeomagnetic studies[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2026, 691: 120224. DOI: 10.1016/j.epsl.2026.120224.）。研究受国家自然科学基金项目（42525802、42241101、42388101、42488201）、中国科学院院长基金（QYJ-2025-01）和中国科学院地质与地球物理研究所重点部署项目（IGGCAS-202401）共同资助。

祁锴贤（博士后）