.jpg/1280px-A_Vibrating_Sample_Magnetometer_(VSM).jpg)
Магнетизм горных пород — это изучение магнитных свойств горных пород , осадков и почв . Эта область возникла из-за необходимости в палеомагнетизме понять, как горные породы регистрируют магнитное поле Земли. Эта остаточная намагниченность переносится минералами, особенно некоторыми сильномагнитными минералами, такими как магнетит (основной источник магнетизма в железном железняке ). Понимание остаточной намагниченности помогает палеомагнитистам разрабатывать методы измерения древнего магнитного поля и вносить поправки на такие эффекты, как уплотнение осадков и метаморфизм . Методы магнитного исследования горных пород используются для получения более подробной картины источника отличительного полосатого рисунка в морских магнитных аномалиях , который дает важную информацию о тектонике плит . Они также используются для интерпретации земных магнитных аномалий в магнитных исследованиях , а также сильного корового магнетизма на Марсе .
Сильномагнитные минералы обладают свойствами, которые зависят от размера, формы, структуры дефектов и концентрации минералов в породе. Магнетизм горных пород обеспечивает неразрушающие методы анализа этих минералов, такие как измерения магнитного гистерезиса , измерения остаточной намагниченности в зависимости от температуры, мессбауэровская спектроскопия , ферромагнитный резонанс и т. д. С помощью таких методов магнетисты горных пород могут измерять эффекты прошлых изменений климата и антропогенного воздействия на минералогию (см. магнетизм окружающей среды ). В отложениях большая часть остаточной магнитной намагниченности переносится минералами, которые были созданы магнитотактическими бактериями , поэтому магнетисты горных пород внесли значительный вклад в биомагнетизм .
До XX века изучение поля Земли ( геомагнетизм и палеомагнетизм ) и магнитных материалов (особенно ферромагнетизма ) развивалось раздельно.
Магнетизм горных пород возник, когда ученые объединили эти две области в лабораторных условиях. [1] Кенигсбергер (1938), Телье (1938) и Нагата (1943) исследовали происхождение остаточной намагниченности в магматических породах . [1] Нагревая горные породы и археологические материалы до высоких температур в магнитном поле, они придавали материалам термоостаточную намагниченность (TRM) и исследовали свойства этой намагниченности. Телье разработал ряд условий (законы Телье), которые, если они будут выполнены, позволят определить напряженность древнего магнитного поля с помощью метода Телье–Телье. В 1949 году Луи Неель разработал теорию, которая объяснила эти наблюдения, показал, что законы Телье удовлетворяются определенными видами однодоменных магнитов, и ввел концепцию блокировки TRM. [2]
Когда палеомагнитные работы в 1950-х годах подтвердили теорию континентального дрейфа , [3] [4] скептики быстро усомнились в том, могут ли породы нести стабильную остаточную намагниченность в течение геологических эпох. [5] Магнетисты горных пород смогли показать, что породы могут иметь более одного компонента остаточной намагниченности, некоторые мягкие (легко удаляемые), а некоторые очень стабильные. Чтобы добраться до стабильной части, они занялись «очисткой» образцов, нагревая их или подвергая их воздействию переменного поля. Однако более поздние события, в частности, признание того, что многие североамериканские породы были повсеместно перемагничены в палеозое , [6] показали, что одного шага очистки недостаточно, и палеомагнитисты начали регулярно использовать ступенчатое размагничивание, чтобы удалить остаточную намагниченность небольшими порциями.
Вклад минерала в общий магнетизм породы сильно зависит от типа магнитного порядка или беспорядка. Магнитно-неупорядоченные минералы ( диамагнетики и парамагнетики ) вносят слабый магнетизм и не имеют остаточной намагниченности . Более важными минералами для магнетизма породы являются минералы, которые могут быть магнитно упорядочены, по крайней мере, при некоторых температурах. Это ферромагнетики , ферримагнетики и некоторые виды антиферромагнетиков . Эти минералы имеют гораздо более сильную реакцию на поле и могут иметь остаточную намагниченность .
Диамагнетизм — это магнитный отклик, общий для всех веществ. В ответ на приложенное магнитное поле электроны прецессируют (см. прецессия Лармора ), и по закону Ленца они действуют, чтобы экранировать внутреннюю часть тела от магнитного поля . Таким образом, создаваемый момент направлен в противоположном направлении полю, а восприимчивость отрицательна. Этот эффект слаб, но не зависит от температуры. Вещество, единственным магнитным откликом которого является диамагнетизм, называется диамагнетиком.
Парамагнетизм — это слабый положительный отклик на магнитное поле из-за вращения электронных спинов . Парамагнетизм возникает в некоторых видах железосодержащих минералов, поскольку железо содержит неспаренный электрон в одной из своих оболочек (см. правила Хунда ). Некоторые из них парамагнитны вплоть до абсолютного нуля, и их восприимчивость обратно пропорциональна температуре (см. закон Кюри ); другие магнитно упорядочены ниже критической температуры, и восприимчивость увеличивается по мере приближения к этой температуре (см. закон Кюри–Вейсса ).
В совокупности сильномагнитные материалы часто называют ферромагнетиками . Однако этот магнетизм может возникать в результате более чем одного вида магнитного порядка. В строгом смысле ферромагнетизм относится к магнитному упорядочению, при котором соседние электронные спины выстраиваются в ряд за счет обменного взаимодействия . Классический ферромагнетик — это железо . Ниже критической температуры, называемой температурой Кюри , ферромагнетики обладают спонтанной намагниченностью и в их реакции на изменяющееся магнитное поле наблюдается гистерезис . Что наиболее важно для магнетизма горных пород, они обладают остаточной намагниченностью , поэтому они могут регистрировать поле Земли.
Железо не встречается широко в чистом виде. Обычно оно входит в состав оксидов железа , оксигидроксидов и сульфидов . В этих соединениях атомы железа не расположены достаточно близко для прямого обмена, поэтому они связаны косвенным обменом или суперобменом. В результате кристаллическая решетка делится на две или более подрешеток с разными моментами. [1]
Ферримагнетики имеют две подрешетки с противоположными моментами. Одна подрешетка имеет больший момент, поэтому существует чистый дисбаланс. Магнетит , самый важный из магнитных минералов, является ферримагнетиком. Ферримагнетики часто ведут себя как ферромагнетики , но температурная зависимость их спонтанной намагниченности может быть совершенно иной. Луи Неель выделил четыре типа температурной зависимости, один из которых включает в себя изменение намагниченности на противоположную. Это явление сыграло роль в спорах по поводу морских магнитных аномалий .
Антиферромагнетики , как и ферримагнетики, имеют две подрешетки с противоположными моментами, но теперь моменты равны по величине. Если моменты точно противоположны, магнит не имеет остаточной намагниченности . Однако моменты могут быть наклонены ( спиновый кант ), что приводит к моменту, почти под прямым углом к моментам подрешеток. Гематит обладает таким типом магнетизма.
Магнитная остаточная намагниченность часто отождествляется с определенным видом остаточной намагниченности, которая получается после воздействия на магнит поля при комнатной температуре. Однако поле Земли невелико, и этот вид остаточной намагниченности будет слабым и легко перезаписывается более поздними полями. Центральной частью магнетизма горных пород является изучение магнитной остаточной намагниченности, как естественной остаточной намагниченности (NRM) в горных породах, полученных из поля, так и остаточной намагниченности, индуцированной в лаборатории. Ниже перечислены важные естественные остаточные намагниченности и некоторые искусственно индуцированные виды.
Когда магматическая порода остывает, она приобретает термоостаточную намагниченность (TRM) от поля Земли. TRM может быть намного больше, чем если бы она подвергалась воздействию того же поля при комнатной температуре (см. изотермическая остаточная намагниченность ). Эта остаточная намагниченность также может быть очень стабильной, сохраняясь без существенных изменений в течение миллионов лет. TRM является главной причиной того, что палеомагнитисты способны вывести направление и величину древнего поля Земли. [7]
Если порода позже повторно нагревается (например, в результате захоронения), часть или вся TRM может быть заменена новой остаточной намагниченностью. Если это только часть остаточной намагниченности, она известна как частичная термоостаточная намагниченность (pTRM) . Поскольку было проведено множество экспериментов, моделирующих различные способы получения остаточной намагниченности, pTRM может иметь и другие значения. Например, ее также можно получить в лаборатории, охлаждая в нулевом поле до температуры (ниже температуры Кюри ), прикладывая магнитное поле и охлаждая до температуры , а затем охлаждая оставшуюся часть пути до комнатной температуры в нулевом поле.
Стандартная модель для TRM выглядит следующим образом. Когда минерал, такой как магнетит, охлаждается ниже температуры Кюри , он становится ферромагнитным , но не способен немедленно нести остаточную намагниченность. Вместо этого он является суперпарамагнитным , обратимо реагируя на изменения магнитного поля. Для того чтобы остаточная намагниченность была возможна, должна быть достаточно сильная магнитная анизотропия , чтобы поддерживать намагниченность вблизи стабильного состояния; в противном случае тепловые флуктуации заставляют магнитный момент беспорядочно блуждать. По мере того как порода продолжает остывать, существует критическая температура, при которой магнитная анизотропия становится достаточно большой, чтобы удерживать момент от блуждания: эта температура называется температурой блокировки и обозначается символом . Намагниченность остается в том же состоянии, когда порода охлаждается до комнатной температуры, и становится термоостаточной намагниченностью.
Магнитные зерна могут осаждаться из циркулирующего раствора или образовываться в ходе химических реакций и могут регистрировать направление магнитного поля во время образования минералов. Говорят, что поле регистрируется с помощью химической остаточной намагниченности (CRM) . Минералом, регистрирующим поле, обычно является гематит, другой оксид железа. Красноцветные отложения, обломочные осадочные породы (например, песчаники), которые имеют красный цвет в первую очередь из-за образования гематита во время или после осадочного диагенеза, могут иметь полезные сигнатуры CRM, и магнитостратиграфия может быть основана на таких сигнатурах.
Магнитные зерна в осадках могут выравниваться с магнитным полем во время или вскоре после осаждения; это известно как остаточная намагниченность обломков (DRM). Если намагниченность приобретается по мере осаждения зерен, результатом является остаточная намагниченность обломков осадочного происхождения (dDRM); если она приобретается вскоре после осаждения, это остаточная намагниченность обломков после осадконакопления (pDRM) .
Вязкая остаточная намагниченность (VRM) , также известная как вязкая намагниченность, является остаточной намагниченностью , которую приобретают ферромагнитные минералы , находясь в магнитном поле в течение некоторого времени. Естественная остаточная намагниченность магматической породы может быть изменена этим процессом. Чтобы удалить этот компонент, необходимо использовать некоторую форму ступенчатого размагничивания. [1]
«Когда я в последний раз проводил магнитный эксперимент (около 1909 г.), нас предостерегали от неосторожного обращения с постоянными магнитами, а магнетизм мог измениться без особой неосторожности. При изучении магнетизма горных пород образец должен быть отколот геологическим молотком, а затем отнесен в лабораторию. Предполагается, что в ходе этого процесса его магнетизм не изменяется в какой-либо значительной степени, и хотя я часто спрашивал, как это происходит, я никогда не получал никакого ответа. Джеффрис 1959, стр. 371
