13-1第二章岩矿石的磁性

1/33第二章岩(矿)石的磁性地球科学与工程学院E-mail:[e-mail]2/33一、物质的磁性二、岩(矿)石的磁性特征三、岩石的剩余磁性内容提要3/33一、物质的磁性任何物质的磁性都是带电粒子运动的结果。各类物质，由于原子结构不同，它们在外磁场作用下，呈现不同的宏观磁性。4/331）抗磁性(逆磁性)在外磁场H作用下，这类物质的磁化率为负值，且数值很小，如图所示。抗磁性物质没有固有原子磁矩，受外磁场作用后，电子受到洛仑兹力的作用，其运动轨道绕外磁场作旋进（拉莫尔旋进），此旋进产生附加磁矩，其方向与外磁场相反，形成抗磁性。抗磁性磁化率很小，约为10-5数量级。5/332）顺磁性顺磁性物质受外磁场作用，其磁化率为不大的正值，这类物质中原子具有固有磁矩，当无外磁场作用时，热骚动使原子磁矩取向混乱。有外磁场作用，原子磁矩（电子自旋磁矩所作的贡献）顺着外磁场方向排列，显示顺磁性。顺磁性物质其磁化率与绝对温度成反比，称为居里定律。6/337/333）铁磁性在弱外磁场的作用下，铁磁性物质即可达到磁化饱和，其磁化率要比抗磁性、顺磁性物质的磁化率大很多。它具有下述磁性特征:(1)磁化强度与磁化场呈非线性关系。(2)磁化率与温度的关系，服从居里—魏斯定律。(3)实验室结果说明，铁磁性物质的基本磁矩为电子自旋磁矩，而轨道磁矩基本无贡献。8/33铁磁性物质的磁滞回线9/33由于磁畴内原子间相互作用的不同，原子磁矩排列情况有别，铁磁性又分为三种类型。①铁磁性：磁畴内原子磁矩排列在同一方向，例如铁、镍、钴即属于此。②反铁磁性：磁畴内原子磁矩排列相反，故磁化率很小，但具有很大的矫顽力。③亚铁磁性：或称铁淦氧磁性，磁畴内原子磁矩反平行排列，磁矩互不相等，故仍具有自发磁矩。此类物质具有较大的磁化率和剩余磁化强度。10/33各种铁磁性原子磁矩的排列示意图(a)铁磁性(b)反铁磁性(c)亚铁磁性11/33二、岩(矿)石的磁性特征（一）表征磁性的磁化率1、磁化强度和磁化率均匀无限磁介质，受到外部磁场H的作用，衡量物质被磁化的强度，以磁化强度M表示，它与磁化场强度之间的关系为:式中，是物质的磁化率，它表征物质受磁化的难易程度，是一个无量纲的物理量。12/33在国际单位制中，磁化强度和磁场强度量纲相同，都为安(培)/米(A/m)，在CGSM制中，磁化强度用高斯(Gs)，磁场强度用奥斯特()，两种单位的关系是1A/m=10-3CGSM(m)。13/332、磁感应强度和磁导率在各向同性磁介质内部任意点上，磁化场H在该点产生的磁感应强度(磁通密度)为:式中以B特斯拉(T)为单位，是介质的磁导率，单位为H/m(亨(利)/米)。若介质为真空，则有式中是真空的磁导率()。14/333、感应磁化强度和剩余磁化强度位于岩石圈中的地质体，处在约为0.5X10-4T的地球磁场作用下，它们受现代地磁场的磁化，而具有的磁化强度，叫感应磁化强度，它表示为式中T是地磁场总强度，是岩石、矿石的磁化率，它取决于岩石、矿石的性质。岩石的总磁化强度M，是由两部分组成，即:15/33（二）矿物的磁性矿物组合成岩石，岩石的磁性强弱与矿物的磁性强弱有直接的关系。16/331、抗磁性矿物与顺磁性矿物(1)抗磁性矿物，其磁化率都很小，在磁法勘探中通常视为无磁性。(2)顺磁性矿物，其磁化率要比抗磁性矿物大得多，约两个数量级。17/3318/332、铁磁性矿物自然界中不存在纯铁磁性矿物，最重要的磁性矿物当推铁—钛氧化物。19/33（三）各类岩石的一般磁性特征地壳岩石可分为沉积岩、火成岩及变质岩三大类。20/331、沉积岩的磁性一般说来，沉积岩的磁性较弱。沉积岩的磁化率主要决定于矿物的含量和成分，它们是磁铁矿、磁赤铁矿、赤铁矿，以及铁的氢氧化物。造岩矿物如石英、长石、方解石等，对磁化率无贡献。沉积岩的天然剩余磁性，与由母岩剥蚀下来的磁性颗粒有关，其数值不大。21/332、火成岩的磁性(1)不同类型的侵入岩（花岗岩、花岗闪长岩、闪长岩、超基性岩等），其κ平均值随着岩石的基性增强而增大。它们的磁化率均具有数值分布范围宽的相同特征。(2)超基性岩是火成岩中磁性最强的。超基性岩体系在经受蛇纹石化时，辉石被蚀变分解形成蛇纹石和磁铁矿，使磁化率急剧增大，可达到几个SI(κ)单位。22/33(3)基性、中性岩，一般来说其磁性较超基性岩要低。(4)花岗岩建造的侵入岩，普遍是铁磁—顺磁性的，磁化率不高。(5)喷出岩在化学和矿物成分上与同类侵入岩相近，其磁化率的一般特征相同。由于喷出岩迅速且不均匀的冷却，结晶速度快，因而其磁化率离散性大。(6)火成岩具有明显的天然剩余磁性，其称为柯尼希斯贝格比。不同岩石组成的Q值范围，可在0～10或更大范围内变化。23/333、变质岩的磁性变质岩的磁化率和天然剩余磁化强度的变化范围很大。按磁性，变质岩可分为铁磁—顺磁性和铁磁性两类，与原来的基质有关，也与其形成条件有关。由沉积岩变质生成的，称水成变质岩，其磁性特征一般具有铁磁—顺磁性；由岩浆岩变质生成的，称火成变质岩，其磁性有铁磁—顺磁性与铁磁性两种。这和原岩的矿物成分，以及变质作用的外来性或原生性有关。24/3325/33（四）影响岩石磁性的主要因素岩石的磁性是由所含磁性矿物的类型、含量、颗粒大小与结构，以及温度、压力等因素决定的。26/331、岩石磁性与铁磁性矿物含量的关系根据实验资料和理论计算，侵入岩的磁化率与铁磁性矿物含量之间存在统计相关关系。一般来说，岩石中铁磁性矿物含量愈多，磁性愈强。2、岩石磁性与磁性矿物颗粒大小、结构的关系27/333、岩石磁性与温度、压力的关系高温与高压，对矿物和岩石的磁性会产生影响。铁磁性矿物的磁化率与温度的关系，有可逆及不可逆两种。岩石磁化率与温度的相互关系比单纯矿物的复杂，岩石的磁化率－温度曲线与铁磁性矿物的成分有关，岩石的居里温度Tc分布仅与铁磁性矿物成分有关，而与矿物的数量、大小及形状无关。28/33三、岩石的剩余磁性1、热剩余磁性(TRMthermoremanentmagnetism)在恒定磁场作用下，岩石从居里点以上的温度，逐渐冷却到居里点以下，在通过居里温度时受磁化所获得的剩磁，称热剩余磁性(简称热剩磁)。应当注意，热剩磁并非全都是在居里温度时产生的。如将岩石自居里点逐渐冷却至室温，且只在某一温度区间施加外磁场，由此得到的热剩余磁性，称部分热剩磁。29/332、碎屑剩余磁性(DRMdepositionalremanentmagnetism)沉积岩中含有从母岩风化剥蚀带来的许多碎屑颗粒，其中磁性颗粒(磁铁矿等)在水中沉积时，受当时的地磁场作用，会沿地磁场方向定向排列，或者是这些磁性颗粒在沉积物的含水孔隙中转向地磁场方向。沉积物固结成岩石，按其碎屑的磁化方向保存下来的磁性，称为碎屑剩余磁性(沉积剩余磁性，简称碎屑剩磁)。30/333、化学剩余磁性(CRMchemicalremanentmagnetism)在一定磁场中，某些磁性物质在低于居里温度的条件下，经过相变过程(重结晶)或化学过程(氧化还原)所获得的剩磁，称化学剩余磁性(简称化学剩磁)。上述三种剩余磁性，统称为原生剩磁。31/334、粘滞剩余磁性(VRMviscousremanentmagnetism)岩石生成之后，长期处在地球磁场作用下，随时间的推移，其中原来定向排列的磁畴，逐渐地弛豫到作用磁场的方向，这一过程中所形成的剩磁称粘滞剩余磁性。32/335、等温剩余磁性(IRMisothermalremanentmagnetism)在常温没有加热情况下，岩石因受外部磁场的作用(比如闪电作用)，获得的剩磁称等温剩余磁性。等温剩磁是不稳定的，其大小和方向随外磁场变化。上述第4、5两种剩磁，是在岩石生成之后，因受某些外部因素的作用而获得的，因此称它们为次生剩磁。33/33各类岩石剩余磁性的成因1.火成岩热剩磁2.沉积岩碎屑剩磁与化学剩磁3.变质岩热剩磁、碎屑剩磁与化学剩磁