《磁法勘探》02 第二章 巖石的磁性

巖石的磁性主要內(nèi)容2.1物質(zhì)磁性2.2巖礦石磁性特征2.3巖石的剩余磁性2.4地質(zhì)體磁化的消磁作用2.5下地殼和上地幔的磁性表征磁性的物理量磁化強度M:

均勻無限磁介質(zhì)受到外部磁場H作用，衡量物質(zhì)被磁化程度的物理量К--物質(zhì)磁化率它表征物質(zhì)受磁化的難易程度，是無量綱的物理量注意單位制！

無量綱，但к仍注以單位在SI制中:к單位注明為SI（к），磁化強度單位為A/m;CGSM制中:

к單位注明為CGSM（к），磁化強度單位為CGSM（m）兩者關(guān)系:表征磁性的物理量磁感應(yīng)強度B（磁通密度）表示貫穿一個標(biāo)準(zhǔn)面積的磁通量的物理量

在各向同性磁介質(zhì)內(nèi)部任意點上，磁化場H在該點產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度

若介質(zhì)為真空，則

μ0真空磁導(dǎo)率令μr=μ/μ0，代入上式得其中，к=μr-1-------表明物質(zhì)磁性與外磁場的定量關(guān)系

同一外磁場作用下，空間為磁介質(zhì)與空間為真空比，B增加了kH即介質(zhì)受磁化后產(chǎn)生的附加場，大小與介質(zhì)的磁化率成正比。表征磁性的物理量感應(yīng)磁化強度：位于巖石圈中的地質(zhì)體，受到現(xiàn)代地磁場的磁化而具有的磁化強度T：地磁場總強度к：巖礦石的磁化率μ0:

真空中的磁導(dǎo)率剩余磁化強度巖礦石在生成時，處于一定條件下受當(dāng)時的地磁場磁化，成巖后經(jīng)歷漫長的地質(zhì)年代，所保留下來的磁化強度

巖石的總磁化強度M由兩部分組成：表征磁性的物理量磁性：物質(zhì)響應(yīng)磁場作用的屬性，每種物質(zhì)或多或少都

會被磁場影響

原子總磁矩：①電子軌道磁矩；②電子自旋磁矩；③原子核自旋磁矩物質(zhì)結(jié)構(gòu)不同，在外磁場作用下呈現(xiàn)不同的宏觀磁矩§2.1物質(zhì)磁性帶電粒子運動物質(zhì)磁性物質(zhì)的磁態(tài)與溫度、壓強、外磁場等等有關(guān)，依照溫度或其它參數(shù)的不同，物質(zhì)會顯示出不同的磁性?！?.1物質(zhì)磁性分三類：抗磁性、順磁性、鐵磁性結(jié)構(gòu)不同表現(xiàn)不同抗磁性（逆磁性）：原因：1.本身沒有凈剩磁矩

(1)各電子層中，電子成對出現(xiàn)，自旋方向相反，自旋磁矩抵消

(2)相鄰軌道相互作用，抵消軌道磁矩§2.1物質(zhì)磁性抗磁性：原因：2.外磁場作用下，運動電子（軌道）受到洛侖茲力，繞外磁場旋進(jìn)（拉莫爾旋進(jìn)），旋進(jìn)產(chǎn)生附加磁矩，其方向與外磁場方向相同，形成逆磁性。§2.1物質(zhì)磁性抗磁性:逆磁性是普遍的與溫度無關(guān)去掉外磁場，附加磁矩消失，即磁性消失§2.1物質(zhì)磁性N：單位體積物質(zhì)的原子數(shù)e：為元電荷Me：為電子靜質(zhì)量Z：為每個原子中的電子數(shù)：為電子軌道半徑的均方值抗磁性:所有物質(zhì)都具有抗磁性對于具有順磁性的物質(zhì)，順磁性通常比較顯著，遮掩了抗磁性只有純抗磁性物質(zhì)才能明顯地被觀測到抗磁性惰性氣體元素和抗腐蝕金屬元素（金、銀、銅等等）§2.1物質(zhì)磁性順磁性：原因：1.電子層中，有非對稱的電子，其自旋磁矩未被抵消，在作用下，轉(zhuǎn)向平行；2.無外磁場時，雜亂排列，不顯示磁性，有外磁場時，轉(zhuǎn)向，顯示順磁性?！?.1物質(zhì)磁性順磁性：由于熱騷動造成的碰撞會影響磁矩整齊排列，溫度越高，順磁性越微弱；溫度越低，順磁性越強烈。與（絕對）溫度成反比（居里定律）發(fā)展了通過磁化率測定，確定原子磁矩的重要實驗方法

μa--原子磁矩N--單位體積物質(zhì)原子數(shù)k--玻爾茲曼常數(shù)C--居里常數(shù)T--熱力學(xué)溫度§2.1物質(zhì)磁性§2.1物質(zhì)磁性抗磁性與順磁性物質(zhì)的特點鐵磁性：某些物質(zhì)（Fe,Co,Ni）含有非成對電子，電子自旋磁矩構(gòu)成原子磁矩，由于相鄰原子彼此相互發(fā)生交換力的作用，迫使這些電子保持自旋平行，即使沒有外磁場作用，也在局部“區(qū)域”內(nèi)產(chǎn)生平行排列，這種磁化叫自發(fā)磁化，小區(qū)域稱為“磁疇”?！?.1物質(zhì)磁性鐵磁性與外磁場的關(guān)系：在弱外磁場作用下，鐵磁性物質(zhì)即可達(dá)到磁化飽和，其磁化率要比抗磁性、順磁性物質(zhì)的磁化率大很多?！?.1物質(zhì)磁性鐵磁性與外磁場的關(guān)系：

§2.1物質(zhì)磁性磁滯洄線:鐵磁體的磁感應(yīng)強度與磁場強度的關(guān)系曲線，當(dāng)磁化磁場作周期的變化時，鐵磁體中的磁感應(yīng)強度與磁場強度的關(guān)系是一條閉合線它表明鐵磁性物質(zhì)的磁化強度隨磁化場變化，呈不可逆性。其Hc稱為矯頑磁力，不同磁性物質(zhì)它的變化范圍較大。鐵磁性磁化過程：（與外磁場關(guān)系，溫度不變）無外磁場作用時，各磁疇的取向混亂，不呈磁性；施加外磁場時，磁疇結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，疇壁移動，磁疇轉(zhuǎn)動，顯示出宏觀磁性；當(dāng)外磁場增加時，磁疇的磁化方向都接近磁場的方向，外磁場繼續(xù)增加時，磁化方向趨于飽和，磁化強度不再增加；如果減小外磁場直到零，磁化并不按原過程返回，而落后于外磁場變化，外磁場為零時，仍保留部分磁化強度（剩余磁化強度）?！?.1物質(zhì)磁性鐵磁性：（與溫度關(guān)系，外磁場不變）① 溫度

；② 溫度

；（臨近居里點）

鐵磁性順磁性臨近居里點服從居里-魏斯定律：§2.1物質(zhì)磁性根據(jù)磁疇內(nèi)原子間相互作用的不同，原子磁矩排列情況有別，鐵磁性分為三類：鐵磁性：磁疇內(nèi)原子磁矩排列在同一方向，例如鐵、鎳、鈷；反鐵磁性：磁疇內(nèi)原子磁矩排列相反，故磁化率很小，但有很大的矯頑磁力；亞鐵磁性：磁疇內(nèi)原子磁矩反平行排列，磁矩互不相等，故仍有自發(fā)磁矩，有較大的磁化率和剩余磁化強度?！?.1物質(zhì)磁性物質(zhì)的磁性規(guī)律：1、當(dāng)原子（或分子）的磁矩總和為零時，顯示抗磁性;2、當(dāng)原子具有一定磁矩（電子自旋磁矩）時:①當(dāng)原子磁矩間沒有相互作用時，顯示順磁性；②當(dāng)原子磁矩間有很強的交換力時，原子磁矩之間的相互作用形成磁疇，顯示鐵磁性(三種類型：鐵磁性、反鐵磁性、亞鐵磁性)§2.1物質(zhì)磁性幾個問題：1、物質(zhì)的磁性從何而來？§2.1物質(zhì)磁性2、物質(zhì)的磁性分幾類？3、溫度與物質(zhì)的磁性有什么關(guān)系？4、鐵磁性物質(zhì)（隨外磁場變化）的磁化過程?一．礦物的磁性逆（抗）磁性、順磁性、鐵磁性§2.2巖礦石的磁性一．礦物的磁性抗磁性物質(zhì)，磁化率很小，在磁法勘探中通常視為無磁性的順磁性物質(zhì)，磁化率比抗磁性物質(zhì)大得多，大約兩個數(shù)量級§2.2巖礦石的磁性鐵磁性礦物：自然界中不存在純鐵磁性礦物。最重要的磁性礦物當(dāng)推鐵-鈦氧化物。地殼中純磁鐵礦少見，大多由不同比例的鐵、鈦、氧組成復(fù)雜的固熔體，它是典型的亞鐵磁性。磁鐵礦不僅有較強的磁化率，且有較強的剩余磁性，其變化范圍較大。鐵-鈦氧化物的三元系統(tǒng)如下圖所示，由FeO、Fe2O3和TiO2組成的固熔體,其主要礦物及磁性見以下附表所示。一、礦物的磁性鐵磁性礦物：鐵-鈦氧化物的三元系統(tǒng)：其主要礦物及磁性見附表所示。一、礦物的磁性一、礦物的磁性巖石的磁性與巖石中鐵磁性礦物的有無、含量的多少，顆粒的大小及其分布情況直接有關(guān)。二、各類巖石的磁性(一).沉積巖：磁性較弱。沉積巖的磁化率主要決定于副礦物(磁鐵礦、磁赤鐵礦、赤鐵礦等）的含量及成分(二).火成巖：

1.侵入巖的磁化率隨巖石的基性增強而增大

2.超基性巖磁性最強,基性、中性巖次之

3.花崗巖建造的侵入巖,磁化率不高,噴發(fā)巖磁化率變化大

4.火成巖具有明顯的天然剩磁(三).變質(zhì)巖：其磁性與原來基質(zhì)有關(guān),也與生成條件有關(guān)二、各類巖石的磁性二、各類巖石的磁性1、與鐵磁性礦物含量關(guān)系一般來說，巖石中鐵磁性礦物含量愈多,磁性也愈強。三、影響巖石磁性的因素2、與磁性礦物顆粒大小結(jié)構(gòu)關(guān)系

(半徑)給定外磁場作用下，鐵磁性礦物相對含量不變，顆粒粗的較顆粒細(xì)的磁化率大當(dāng)磁性礦物相對含量、顆粒大小都相同，顆粒相互膠結(jié)的比顆粒呈分散狀者磁性強矯頑磁力隨鐵磁性礦物顆粒的增大，呈減小相關(guān)。三、影響巖石磁性的因素3、與溫度、壓力的關(guān)系；①與溫度的關(guān)系

A、順磁性（居里定律）；

B、抗磁性（無關(guān)）；C、鐵礦性（可逆、不可逆）.溫度增高還使礦物質(zhì)矯頑力減小，使剩余磁化強度退磁.三、影響巖石磁性的因素3、與溫度、壓力的關(guān)系；②與壓力的關(guān)系構(gòu)造運動各種力（拉伸力、壓力、地震振動）

壓力（方向一致）

壓力（方向垂直）

（很?。┤?、影響巖石磁性的因素一、巖石剩磁的類型1.熱剩余磁性(TRM)2.碎屑剩余磁性(DRM)3.化學(xué)剩余磁性(CRM)4.粘滯剩余磁性(VRM)5.等溫剩余磁性(IRM)§2.3巖石的剩余磁性二、巖石剩磁的特點：1.熱剩磁磁性：在恒定磁場作用下，巖石從居里點以上溫度逐漸冷卻到居里點以下,在這個過程中受磁化所獲得的剩磁§2.3巖石的剩余磁性熱剩磁的特點：強度大；(火成巖剩磁方向，成巖時地磁場的方向)穩(wěn)定；(磁性弛豫時間長)

磁性弛豫：剩磁隨時間衰減的現(xiàn)象總熱剩磁是各部分熱剩磁之和；(疊加定律)熱退磁也服從疊加定律古地磁研究的主要對象之一§2.3巖石的剩余磁性二、巖石剩磁的特點2.碎屑剩磁磁性：

磁性顆粒沉積過程中，受當(dāng)時地磁場的作用，使其沿地磁場的方向排列，或者是這些磁性顆粒在沉積物的含水空隙中轉(zhuǎn)向地磁場的方向。

沉積物固積成巖后，按其碎屑的磁化方向保留下來的磁性§2.3巖石的剩余磁性二、巖石剩磁的特點碎屑剩磁磁性：強度正比于定向排列的磁性顆粒數(shù)目；比熱剩磁小的多比較穩(wěn)定；等軸狀顆粒，碎屑剩磁方向和外磁場方向一致?！?.3巖石的剩余磁性3.化學(xué)剩余磁性：在一定磁場中，某些物質(zhì)在低于居里溫度的條件下，經(jīng)過相變（重結(jié)晶）和化學(xué)過程（氧化還原）所獲得的剩磁§2.3巖石的剩余磁性3.化學(xué)剩余磁性：在一定磁場中，某些物質(zhì)在低于居里溫度的條件下，經(jīng)過相變（重結(jié)晶）和化學(xué)過程（氧化還原）所獲得的剩磁§2.3巖石的剩余磁性特點弱磁場中，剩磁強度正比于外磁場比較穩(wěn)定強度?。ㄏ嗤艌鲋校瘜W(xué)剩磁=熱剩磁/n10>碎屑剩磁）4.粘滯剩余磁性

巖石生成之后，長期處于地磁場作用下，原來走向排列磁疇馳豫到地磁場方向上，所形成的剩磁§2.3巖石的剩余磁性4.粘滯剩余磁性

巖石生成之后，長期處于地磁場作用下，原來走向排列磁疇馳豫到地磁場方向上，所形成的剩磁§2.3巖石的剩余磁性特點：強度與時間的對數(shù)呈正比隨溫度增高強度增大（地表巖石，粘滯剩磁強）具較大粘滯剩磁的巖石樣品，不適用古地磁研究5.等溫剩磁

在常溫下，巖石受外部磁場作用（如閃電等）所獲得的剩磁特點：不穩(wěn)定，大小、方向隨外磁場發(fā)生變化§2.3巖石的剩余磁性分類：原生剩磁:熱剩磁；碎屑剩磁；化學(xué)剩磁次生剩磁:粘滯剩磁；等溫剩磁

§2.3巖石的剩余磁性巖石剩磁的成因：成因復(fù)雜.由成巖至今，經(jīng)歷各種地質(zhì)作用、物理和化學(xué)變換過程，都會影響巖石的剩余磁性不同類型巖石，剩磁的形成原因不同§2.3巖石的剩余磁性巖石剩磁的成因：1、火成巖剩磁成因：

熱剩磁---火成巖原生剩磁§2.3巖石的剩余磁性巖石剩磁的成因：2、沉積巖剩磁成因：沉積作用、成巖作用---碎屑剩磁和化學(xué)剩磁§2.3巖石的剩余磁性巖石剩磁的成因：3、變質(zhì)巖剩磁成因：

與原巖有關(guān)火成巖變質(zhì)生成的正變質(zhì)巖-熱剩磁

沉積巖變質(zhì)生成的副變質(zhì)巖-碎屑剩磁和化學(xué)剩磁§2.3巖石的剩余磁性研究巖石剩磁的地質(zhì)意義:

對磁測資料的解釋：當(dāng)剩磁較強時，且其方向與現(xiàn)在的地磁場方向不一致時，計算及解釋需要考慮剩磁，否則，容易得出錯誤的結(jié)論，磁性體的產(chǎn)狀推斷也會出錯.§2.3巖石的剩余磁性地層對比---郯城-廬江深大斷裂，左旋平移斷層平移的時間和距離？？對東西兩側(cè)的寒武紀(jì)、侏羅紀(jì)地層進(jìn)行的古地磁測量斷裂帶東側(cè)：復(fù)縣早寒武世磁偏角338°，五蓮?fù)碣_世磁偏角7°，說明后者相對前者順時針旋轉(zhuǎn)29°斷裂帶西側(cè)：宿縣早寒武世磁偏角42°，霍山晚侏羅世偏角17°，則后者較前者逆時針旋轉(zhuǎn)25°§2.3巖石的剩余磁性斷裂帶兩側(cè)地殼各自有獨立的運動方式，至少在侏羅紀(jì)前，兩側(cè)地層已發(fā)生過相對運動。研究巖石剩磁的地質(zhì)意義:古地磁學(xué)廣泛應(yīng)用于研究古地理、古氣候、預(yù)測沉積礦產(chǎn)和協(xié)助地質(zhì)填圖等方面?！?.3巖石的剩余磁性根據(jù)歐亞板塊巖石標(biāo)本確定的各地質(zhì)時代古地磁極的遷移軌跡。在約五億年期間,古地磁極移動了約90°,平均每年移動2cm。由不同地塊的巖石標(biāo)本確定的古地磁極有不同的遷移軌跡，說明各板塊的相對位置在不同的地質(zhì)時代相差很大，這就從古地磁學(xué)方面提供了大陸漂移的證據(jù)。如南美和非洲，其視極移曲線變化趨勢很相似，都是從赤道附近逐漸移向南極，南美的視極移曲線始終在非洲的西側(cè)，和今天的狀態(tài)一樣。如果沿大陸架邊界將兩者拼合，結(jié)果中生代以前兩個大陸的視極移曲線是吻合的，中生代以后兩條曲線分開，即說明南美和非洲在古生代時候是連在一起的，南大西洋還不存在，侏羅紀(jì)以后開始分裂，逐步形成今天這種分布狀態(tài)?！?.3巖石的剩余磁性1.消磁作用與視磁化率

均勻磁化，各處M相同，無體積磁荷，只在表面出現(xiàn)面積磁荷。物體磁性越強，表面磁荷密度越大，面磁荷產(chǎn)生的磁場與外界磁場疊加，使物體的磁化受到影響。磁性體內(nèi)§2.4地質(zhì)體磁化的消磁作用＋＋＋＋－－－－1.消磁作用與視磁化率

與外磁場的方向相反，大小與磁化強度成正比，稱“消磁磁場”磁性體內(nèi)§2.4地質(zhì)體磁化的消磁作用＋＋＋＋－－－－1、消磁作用與視磁化率磁性體內(nèi)，N退磁系數(shù)He退磁磁場＋＋＋＋－－－－§2.4地質(zhì)體磁化的消磁作用磁性體內(nèi)，§2.4地質(zhì)體磁化的消磁作用磁性體內(nèi)，§2.4地質(zhì)體磁化的消磁作用磁性體內(nèi)，§2.4地質(zhì)體磁化的消磁作用2、均勻磁化體的消磁系數(shù)N

均勻磁化則磁荷只分布在表面，物體內(nèi)部沒有磁荷，因此磁性體內(nèi)部仍滿足拉普拉斯方程，具體計算可通過泊松方程計算體內(nèi)的消磁場。§2.4地質(zhì)體磁化的消磁作用2、均勻磁化體的消磁系數(shù)N(泊松公式)不變是常數(shù)§2.4地質(zhì)體磁化的消磁作用2、均勻磁化體的消磁系數(shù)(泊松公式)不變的線性函數(shù)均勻磁化即磁荷只分布在表面其表面必須為二次曲面，橢球及其變形，球，柱，薄板§2.4地質(zhì)體磁化的消磁作用2、均勻磁化體的消磁系數(shù)均勻磁化則磁荷只分布在表面，物體內(nèi)部無體磁荷，因此，磁性體內(nèi)部磁場仍滿足拉普拉斯方程。具體計算可通過泊松方程計算體內(nèi)的消磁場?！?.4地質(zhì)體磁化的消磁作用2、均勻磁化體的消磁系數(shù)均勻磁化則磁荷只分布在表面，物體內(nèi)部無體磁荷，因此，磁性體內(nèi)部磁場仍滿足拉普拉斯方程。具體計算可通過泊松方程計算體內(nèi)的消磁場。由引力位計算消磁系數(shù)，具體計算實際上為引力位的二階導(dǎo)數(shù)§2.4地質(zhì)體磁化的消磁作用3、消磁系數(shù)對的影響（例子）§2.4地質(zhì)體磁化的消磁作用3、消磁系數(shù)對的影響（例子）§2.4地質(zhì)體磁化的消磁作用3、消磁系數(shù)對的影響（例子）

則的傾角：§2.4地質(zhì)體磁化的消磁作用3、消磁系數(shù)對的影響（例子）

則的傾角：§2.4地質(zhì)體磁化的消磁作用3、各種形狀物體的退磁系數(shù)薄板及長軸狀物體沿板面及長軸方向磁化時，N=0

物體磁荷分布在長軸兩端或者板的邊緣，當(dāng)物體細(xì)長或板很薄時，這部分的磁荷量很微小，分布和很遠(yuǎn)，因此在物體中間產(chǎn)生的磁場He=0，由N=0§2.4地質(zhì)體磁化的消磁作用3、各種形狀物體的退磁系數(shù)薄板在垂直面磁化時，N=4π

物體磁荷分布板面，上板面產(chǎn)生N極磁荷，下板面產(chǎn)生S極磁荷，形成相距很近，互相平行，極性相反的兩個磁荷面，在板內(nèi)產(chǎn)生的退磁磁場，由高斯定律知：He=4πσ，

σ面磁荷密度=磁化強度M。所以N=4π

§2.4地質(zhì)體磁化的消磁作用FGNNNSSS3、各種形狀物體的退磁系數(shù)球體退磁系數(shù)，N=4/3π

相當(dāng)于帶有均勻磁荷密度原來重合的S極及N極兩球體，自中心分開了一小段距離2δl，現(xiàn)求這些磁荷在球內(nèi)任一點P引起的磁場強度，即退磁磁場He。§2.4地質(zhì)體磁化的消磁作用OO’2δlr1r23、各種形狀物體的退磁系數(shù)球體退磁系數(shù)，N=4/3π

N=4/3π

§2.4地質(zhì)體磁化的消磁作用4、剩磁與退磁的關(guān)系，剩磁退磁改正考慮剩磁Mr時，剩磁雖然與外磁場無關(guān)，但是會影響退磁磁場，從而影響感應(yīng)磁化強度及總磁化強度。

當(dāng)Mr≠0時，（Mr與Mi同方向時

）由于剩磁的影響，感應(yīng)磁化強度除因退磁作用減小成外，還將因剩磁而減小。將稱為剩磁改正項?！?.4地質(zhì)體磁化的消磁作用4、剩磁與退磁的關(guān)系，剩磁退磁改正物體總磁化強度

§2.4地質(zhì)體磁化的消磁作用一、大陸下地殼的磁性陸殼一般分為兩層，其厚度在大陸架區(qū)小于20km，而在青藏高原及秘魯?shù)貐^(qū)厚度約為70km。

從巖石學(xué)觀點看，上層巖石化學(xué)成分介于酸性和基性巖漿之間，更近于花崗閃長巖;下層巖石可能是一種酸性到中性巖石的高壓形式，即麻粒巖。下地殼是指地表10一15km以下到莫霍面的這一層。

§2.5下地殼和上地幔的磁性一、大陸下地殼的磁性

研究下地殼巖石的磁性可用兩類方法第一類方