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1、第二章第二章岩岩(矿矿)石的磁性石的磁性地球科学与工程学院地球科学与工程学院E-mail:chunguan-E-mail:chunguan-1一、物质的磁性一、物质的磁性二、岩二、岩(矿矿)石的磁性特征石的磁性特征三、岩石的剩余磁性三、岩石的剩余磁性内容提要内容提要2一、物质的磁性一、物质的磁性 任何物质的磁性都是带电粒子运动的结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。外磁场作用下，呈现不同的宏观磁性。31 1 1 1）抗磁性）抗磁性）抗磁性）抗磁性(逆磁性逆磁性逆磁性逆磁性)在外磁场在外磁
2、场在外磁场在外磁场H H H H作用下，这类物质的磁化率为负值，作用下，这类物质的磁化率为负值，作用下，这类物质的磁化率为负值，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且数值很小，如图所示。抗磁性物质没有固有原子且数值很小，如图所示。抗磁性物质没有固有原子且数值很小，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，磁矩，受外磁场作用后，电子受到洛仑兹力的作用，磁矩，受外磁场作用后，电子受到洛仑兹力的作用，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），此旋其运动轨道绕外磁场作旋进（拉莫尔旋进
3、），此旋其运动轨道绕外磁场作旋进（拉莫尔旋进），此旋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，形成抗磁进产生附加磁矩，其方向与外磁场相反，形成抗磁进产生附加磁矩，其方向与外磁场相反，形成抗磁进产生附加磁矩，其方向与外磁场相反，形成抗磁性。抗磁性磁化率很小，约为性。抗磁性磁化率很小，约为性。抗磁性磁化率很小，约为性。抗磁性磁化率很小，约为10101010-5-5-5-5数量级。数量级。数量级。数量级。42 2 2 2）顺磁性）顺磁性）顺磁性）顺磁性 顺磁性物质受外磁场作用，其磁化率为不大的顺磁性物质受外磁场作用，其磁化率为不大的顺磁性物质受外磁场作用，其磁化
4、率为不大的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，当无外磁场正值，这类物质中原子具有固有磁矩，当无外磁场正值，这类物质中原子具有固有磁矩，当无外磁场正值，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。有外磁场作作用时，热骚动使原子磁矩取向混乱。有外磁场作作用时，热骚动使原子磁矩取向混乱。有外磁场作作用时，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）顺着外用，原子磁矩（电子自旋磁矩所作的贡献）顺着外用，原子磁矩（电子自旋磁矩所作的贡献）顺着外用，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
5、性。顺磁性物质其磁化率磁场方向排列，显示顺磁性。顺磁性物质其磁化率磁场方向排列，显示顺磁性。顺磁性物质其磁化率磁场方向排列，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。与绝对温度成反比，称为居里定律。与绝对温度成反比，称为居里定律。与绝对温度成反比，称为居里定律。563 3 3 3）铁磁性）铁磁性）铁磁性）铁磁性 在弱外磁场的作用下，铁磁性物质即可达到磁在弱外磁场的作用下，铁磁性物质即可达到磁在弱外磁场的作用下，铁磁性物质即可达到磁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、顺磁性物质的磁化化饱和，其磁化率要比抗磁性、顺磁性物质的磁化化饱和，其磁化率要
6、比抗磁性、顺磁性物质的磁化化饱和，其磁化率要比抗磁性、顺磁性物质的磁化率大很多。率大很多。率大很多。率大很多。它具有下述磁性特征它具有下述磁性特征它具有下述磁性特征它具有下述磁性特征:(1)(1)(1)(1)磁化强度与磁化场呈非线性关系。磁化强度与磁化场呈非线性关系。磁化强度与磁化场呈非线性关系。磁化强度与磁化场呈非线性关系。(2)(2)(2)(2)磁化率与温度的关系，服从居里磁化率与温度的关系，服从居里磁化率与温度的关系，服从居里磁化率与温度的关系，服从居里魏斯定律。魏斯定律。魏斯定律。魏斯定律。(3)(3)(3)(3)实验室结果说明，铁磁性物质的基本磁矩为电实验室结果说明，铁磁性物质的基本
7、磁矩为电实验室结果说明，铁磁性物质的基本磁矩为电实验室结果说明，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。子自旋磁矩，而轨道磁矩基本无贡献。子自旋磁矩，而轨道磁矩基本无贡献。子自旋磁矩，而轨道磁矩基本无贡献。7铁磁性物质的磁滞回线 8 由于磁畴内原子间相互作用的不同，原子磁矩由于磁畴内原子间相互作用的不同，原子磁矩由于磁畴内原子间相互作用的不同，原子磁矩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。排列情况有别，铁磁性又分为三种类型。排列情况有别，铁磁性又分为三种类型。排列情况有别，铁磁性又分为三种类型。铁磁性铁磁性铁磁性铁磁性：磁畴内原子磁矩排列
8、在同一方向，例：磁畴内原子磁矩排列在同一方向，例：磁畴内原子磁矩排列在同一方向，例：磁畴内原子磁矩排列在同一方向，例如铁、镍、钴即属于此。如铁、镍、钴即属于此。如铁、镍、钴即属于此。如铁、镍、钴即属于此。反铁磁性反铁磁性反铁磁性反铁磁性：磁畴内原子磁矩排列相反，故磁化：磁畴内原子磁矩排列相反，故磁化：磁畴内原子磁矩排列相反，故磁化：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。率很小，但具有很大的矫顽力。率很小，但具有很大的矫顽力。率很小，但具有很大的矫顽力。亚铁磁性亚铁磁性亚铁磁性亚铁磁性：或称铁淦氧磁性，磁畴内原子磁矩：或称铁淦氧磁性，磁畴内原子磁矩：或称铁淦氧磁性，磁畴内原子
9、磁矩：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。反平行排列，磁矩互不相等，故仍具有自发磁矩。反平行排列，磁矩互不相等，故仍具有自发磁矩。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。此类物质具有较大的磁化率和剩余磁化强度。此类物质具有较大的磁化率和剩余磁化强度。此类物质具有较大的磁化率和剩余磁化强度。9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 10二、岩二、岩(矿矿)石的磁性特征石的磁性特征（一）表征磁性的磁化率（一）表征磁性的磁化率 1 1、磁化强度和磁化率、磁化强度和磁化率 均匀无限磁介
10、质，受到外部磁场均匀无限磁介质，受到外部磁场H H的作用，的作用，衡量物质被磁化的强度，以磁化强度衡量物质被磁化的强度，以磁化强度M M表示，表示，它与磁化场强度之间的关系为它与磁化场强度之间的关系为:式中，式中，是物质的磁化率，它表征物质受是物质的磁化率，它表征物质受磁化的难易程度，是一个无量纲的物理量。磁化的难易程度，是一个无量纲的物理量。11 在国际单位制中，磁化强度和磁场强度量纲相在国际单位制中，磁化强度和磁场强度量纲相在国际单位制中，磁化强度和磁场强度量纲相在国际单位制中，磁化强度和磁场强度量纲相同，都为安同，都为安同，都为安同，都为安(培培培培)/)/)/)/米米米米(A/m)(A
11、/m)(A/m)(A/m)，在，在，在，在CGSMCGSMCGSMCGSM制中，磁化强度制中，磁化强度制中，磁化强度制中，磁化强度用高斯用高斯用高斯用高斯(Gs)(Gs)(Gs)(Gs)，磁场强度用奥斯特，磁场强度用奥斯特，磁场强度用奥斯特，磁场强度用奥斯特()()()()，两种单位的，两种单位的，两种单位的，两种单位的关系是关系是关系是关系是1A/m=101A/m=101A/m=101A/m=10-3-3-3-3 CGSM(mCGSM(mCGSM(mCGSM(m)。12 2 2、磁感应强度和磁导率、磁感应强度和磁导率 在各向同性磁介质内部任意点上，磁化场在各向同性磁介质内部任意点上，磁化场H
12、 H在该点产生的磁感应强度在该点产生的磁感应强度(磁通密度磁通密度)为为:式中以式中以B B特斯拉特斯拉(T)(T)为单位，是介质的磁导率，为单位，是介质的磁导率，单位为单位为H/m(H/m(亨亨(利利)/)/米米)。若介质为真空，则有若介质为真空，则有 式中式中 是真空的磁导率是真空的磁导率()()。13 3 3、感应磁化强度和剩余磁化强度、感应磁化强度和剩余磁化强度 位于岩石圈中的地质体，处在约为位于岩石圈中的地质体，处在约为0.5X100.5X10-4-4T T的地球磁场作用下，它们受现代地的地球磁场作用下，它们受现代地磁场的磁化，而具有的磁化强度，叫感应磁磁场的磁化，而具有的磁化强度，
13、叫感应磁化强度，它表示为化强度，它表示为式中式中T T是地磁场总强度，是地磁场总强度，是岩石、矿石的磁是岩石、矿石的磁化率，它取决于岩石、矿石的性质。化率，它取决于岩石、矿石的性质。岩石的总磁化强度岩石的总磁化强度M M，是由两部分组成，是由两部分组成，即即:14（二）矿物的磁性（二）矿物的磁性 矿物组合成岩石，岩石的磁性强矿物组合成岩石，岩石的磁性强弱与矿物的磁性强弱有直接的关系。弱与矿物的磁性强弱有直接的关系。15 1 1、抗磁性矿物与顺磁性矿物、抗磁性矿物与顺磁性矿物 (1)(1)抗磁性矿物抗磁性矿物，其磁化率都很小，在磁，其磁化率都很小，在磁法勘探中通常视为无磁性。法勘探中通常视为无磁
14、性。(2)(2)顺磁性矿物顺磁性矿物，其磁化率要比抗磁性矿，其磁化率要比抗磁性矿物大得多，约两个数量级。物大得多，约两个数量级。1617 2 2、铁磁性矿物、铁磁性矿物 自然界中不自然界中不存在纯铁磁性矿存在纯铁磁性矿物，最重要的磁物，最重要的磁性矿物当推铁性矿物当推铁钛氧化物。钛氧化物。18（三）各类岩石的一般磁性特征（三）各类岩石的一般磁性特征 地壳岩石可分为沉积岩、火成地壳岩石可分为沉积岩、火成岩及变质岩三大类。岩及变质岩三大类。191 1、沉积岩的磁性、沉积岩的磁性 一般说来，一般说来，沉积岩的磁性较弱沉积岩的磁性较弱。沉积岩。沉积岩的磁化率主要决定于矿物的含量和成分，它的磁化率主要决
15、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，其性，与由母岩剥蚀下来的磁性颗粒有关，其数值不大。数值不大。202 2、火成岩的磁性、火成岩的磁性 (1)(1)不同类型的侵入岩（花岗岩、花岗闪长不同类型的侵入岩（花岗岩、花岗闪长岩、闪长岩、超基性岩等），其岩、闪长岩、超基性岩等），其平均值随平均值随着岩石的基性增强而增大。它们的磁化率均着岩石的基性增强而增大
16、。它们的磁化率均具有数值分布范围宽的相同特征。具有数值分布范围宽的相同特征。(2)(2)超基性岩是火成岩中磁性最强的。超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，使磁化率急剧增分解形成蛇纹石和磁铁矿，使磁化率急剧增大，可达到几个大，可达到几个SI(SI()单位。单位。21 (3)(3)(3)(3)基性、中性岩，一般来说其磁性较超基性岩基性、中性岩，一般来说其磁性较超基性岩基性、中性岩，一般来说其磁性较超基性岩基性、中性岩，一般来说其磁性较超基性岩要低。要低。要低。要低。(4)(4)(4)(4)花岗岩建造的
17、侵入岩，普遍是铁磁花岗岩建造的侵入岩，普遍是铁磁花岗岩建造的侵入岩，普遍是铁磁花岗岩建造的侵入岩，普遍是铁磁顺磁性顺磁性顺磁性顺磁性的，磁化率不高。的，磁化率不高。的，磁化率不高。的，磁化率不高。(5)(5)(5)(5)喷出岩在化学和矿物成分上与同类侵入岩相喷出岩在化学和矿物成分上与同类侵入岩相喷出岩在化学和矿物成分上与同类侵入岩相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。由于喷出岩迅速且近，其磁化率的一般特征相同。由于喷出岩迅速且近，其磁化率的一般特征相同。由于喷出岩迅速且近，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不均匀的
18、冷却，结晶速度快，因而其磁化率离散性不均匀的冷却，结晶速度快，因而其磁化率离散性不均匀的冷却，结晶速度快，因而其磁化率离散性大。大。大。大。(6)(6)(6)(6)火成岩具有明显的天然剩余磁性，其火成岩具有明显的天然剩余磁性，其火成岩具有明显的天然剩余磁性，其火成岩具有明显的天然剩余磁性，其 称称称称为柯尼希斯贝格比。不同岩石组成的为柯尼希斯贝格比。不同岩石组成的为柯尼希斯贝格比。不同岩石组成的为柯尼希斯贝格比。不同岩石组成的Q Q Q Q值范围，可值范围，可值范围，可值范围，可在在在在0 0 0 010101010或更大范围内变化。或更大范围内变化。或更大范围内变化。或更大范围内变化。223
19、 3 3 3、变质岩的磁性、变质岩的磁性、变质岩的磁性、变质岩的磁性 变质岩的磁化率和天然剩余磁化强度的变质岩的磁化率和天然剩余磁化强度的变质岩的磁化率和天然剩余磁化强度的变质岩的磁化率和天然剩余磁化强度的变化范变化范变化范变化范围很大围很大围很大围很大。按磁性，变质岩可分为铁磁。按磁性，变质岩可分为铁磁。按磁性，变质岩可分为铁磁。按磁性，变质岩可分为铁磁顺磁性和铁顺磁性和铁顺磁性和铁顺磁性和铁磁性两类，与原来的基质有关，也与其形成条件有磁性两类，与原来的基质有关，也与其形成条件有磁性两类，与原来的基质有关，也与其形成条件有磁性两类，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
20、水成变质岩，其磁性关。由沉积岩变质生成的，称水成变质岩，其磁性关。由沉积岩变质生成的，称水成变质岩，其磁性关。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特征一般具有铁磁特征一般具有铁磁特征一般具有铁磁顺磁性；由岩浆岩变质生成的，顺磁性；由岩浆岩变质生成的，顺磁性；由岩浆岩变质生成的，顺磁性；由岩浆岩变质生成的，称火成变质岩，其磁性有铁磁称火成变质岩，其磁性有铁磁称火成变质岩，其磁性有铁磁称火成变质岩，其磁性有铁磁顺磁性与铁磁性两顺磁性与铁磁性两顺磁性与铁磁性两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种。这和原岩的矿物成分，以及变质作用的外来性种。这和原岩的矿物
21、成分，以及变质作用的外来性种。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。或原生性有关。或原生性有关。或原生性有关。2324（四）影响岩石磁性的主要因素（四）影响岩石磁性的主要因素 岩石的磁性是由所含岩石的磁性是由所含磁性矿物磁性矿物的的类型、含量、颗粒大小与结构，以及类型、含量、颗粒大小与结构，以及温度、压力温度、压力等因素决定的。等因素决定的。25 1 1、岩石磁性与铁磁性矿物含量的关系、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
22、中铁磁性矿物含量愈多，系。一般来说，岩石中铁磁性矿物含量愈多，磁性愈强。磁性愈强。2 2、岩石磁性与磁性矿物颗粒大小、结构的关、岩石磁性与磁性矿物颗粒大小、结构的关系系 26 3 3、岩石磁性与温度、压力的关系、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，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，岩石温度曲线与铁磁性矿物的成
23、分有关，岩石的居里温度的居里温度TcTc分布仅与铁磁性矿物成分有关，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。而与矿物的数量、大小及形状无关。27三、岩石的剩余磁性三、岩石的剩余磁性 1 1、热剩余磁性、热剩余磁性(TRM(TRM thermoremanentmagnetism)在恒定磁场作用下，岩石从居里点以上在恒定磁场作用下，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，称热剩余磁里温度时受磁化所获得的剩磁，称热剩余磁性性(简称热剩磁简称热剩磁)。应当注意，热剩磁并非全都是在居里温应当注意，热剩磁并
24、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。此得到的热剩余磁性，称部分热剩磁。28 2 2、碎屑剩余磁性、碎屑剩余磁性(DRM(DRM depositionalremanentmagnetism)沉积岩中含有从母岩风化剥蚀带来的许多沉积岩中含有从母岩风化剥蚀带来的许多碎屑颗粒，其中磁性颗粒碎屑颗粒，其中磁性颗粒(磁铁矿等磁铁矿等)在水中沉在水中沉积时，受当时的地磁场作用，会沿地磁场方向积时，受当时的地磁场作用，会沿地磁场方向定向排列，或者
25、是这些磁性颗粒在沉积物的含定向排列，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。水孔隙中转向地磁场方向。沉积物固结成岩石，沉积物固结成岩石，按其碎屑的磁化方向保存下来的磁性，称为碎按其碎屑的磁化方向保存下来的磁性，称为碎屑剩余磁性屑剩余磁性(沉积剩余磁性，简称碎屑剩磁沉积剩余磁性，简称碎屑剩磁)。29 3 3、化学剩余磁性、化学剩余磁性(CRM(CRM chemicalremanentmagnetism)在一定磁场中，某些磁性物质在低于居在一定磁场中，某些磁性物质在低于居里温度的条件下，经过相变过程里温度的条件下，经过相变过程(重结晶重结晶)或或化学过程化学过程(氧化还原氧化还原)所
26、获得的剩磁，称化学所获得的剩磁，称化学剩余磁性剩余磁性(简称化学剩磁简称化学剩磁)。上述三种剩余磁性，统称为上述三种剩余磁性，统称为原生剩磁原生剩磁。30 4 4、粘滞剩余磁性、粘滞剩余磁性(VRM(VRM viscousremanentmagnetism)岩石生成之后，长期处在地球磁场作用岩石生成之后，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。程中所形成的剩磁称粘滞剩余磁性。31 5 5、等温剩余磁性、等温剩余磁性(IRM(IRM
27、isothermalremanentmagnetism)在常温没有加热情况下，岩石因受外部在常温没有加热情况下，岩石因受外部磁场的作用磁场的作用(比如闪电作用比如闪电作用)，获得的剩磁称，获得的剩磁称等温剩余磁性。等温剩余磁性。等温剩磁是不稳定的，其大小和方向随等温剩磁是不稳定的，其大小和方向随外磁场变化。外磁场变化。上述第上述第4 4、5 5两种剩磁，是在岩石生成之两种剩磁，是在岩石生成之后，因受某些外部因素的作用而获得的，因后，因受某些外部因素的作用而获得的，因此称它们为此称它们为次生剩磁次生剩磁。32各类岩石剩余磁性的成因各类岩石剩余磁性的成因n1.1.火成岩火成岩n热剩磁热剩磁n2.2.沉积岩沉积岩n碎屑剩磁与化学剩磁碎屑剩磁与化学剩磁n3.3.变质岩变质岩n热剩磁、碎屑剩磁与化学剩磁热剩磁、碎屑剩磁与化学剩磁33