Войти
A магнитометр с вибрирующим образцом, широко используемый инструмент для измерения магнитного гистерезиса.магнетизма горных пород - это исследование магнитных свойств горных пород, отложения и почвы. Это поле возникло из-за необходимости палеомагнетизма понять, как горные породы регистрируют магнитное поле Земли. Эту намагниченность переносят минералы, в частности некоторые сильномагнитные минералы, такие как магнетит (основной источник магнетизма в магнитном поле ). Понимание остаточной намагниченности помогает палеомагнетистам в разработке методов измерения древнего магнитного поля и корректировки таких эффектов, как осадок уплотнение и метаморфизм. Методы магнитного поля используются для получения более детального изображения источника характерного полосатого рисунка в морских магнитных аномалиях, который дает важную информацию о тектонике плит. Они также используются для интерпретации земных магнитных аномалий в магнитных съемках, а также сильного земного магнетизма на Марсе.
Сильно магнитные минералы обладают свойствами, которые зависят от размера, форма, дефектная структура и концентрация минералов в породе. Магнетизм горных пород обеспечивает неразрушающие методы анализа этих минералов, такие как измерения магнитного гистерезиса, измерения остаточной остаточной способности в зависимости от температуры, мессбауэровская спектроскопия, ферромагнитный резонанс и так далее. С помощью таких методов магнетисты горных пород могут измерить влияние прошлых изменений климата и антропогенного воздействия на минералогию (см. магнетизм окружающей среды ). В отложениях большую часть магнитной намагниченности переносят минералы, созданные магнитотактическими бактериями, поэтому магнетисты горных пород внесли значительный вклад в биомагнетизм.
До 20 века изучение поля Земли ( геомагнетизм и палеомагнетизм ) и магнитных материалов (особенно ферромагнетизм ) развивались отдельно.
Каменный магнетизм возник, когда ученые объединили эти два поля в лаборатории. Кенигсбергер (1938), Телье (1938) и Нагата (1943) исследовали происхождение остаточной намагниченности в магматических породах. 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, которые, если они будут выполнены, позволят определить напряженность древнего магнитного поля с помощью. В 1949 году Луи Неель разработал теорию, объясняющую эти наблюдения, показал, что законы Телье удовлетворяются некоторыми видами однодоменных магнитов, и представил концепцию блокировки TRM.
Когда палеомагнитные исследования в 1950-х годах подтвердили теорию дрейфа континентов, скептики сразу же усомнились в том, что породы могут нести стабильную остаточную величину для геологических эпох. Магнетисты горных пород смогли показать, что камни могут иметь более одного компонента остаточной намагниченности, некоторые из них мягкие (легко удаляются), а некоторые очень стабильные. Чтобы получить стабильную часть, они начали «очищать» образцы, нагревая их или подвергая воздействию переменного поля. Однако более поздние события, в частности признание того, что многие североамериканские породы были повсеместно перемагничены в палеозое, показали, что одного шага очистки было недостаточно, и палеомагнетики начали регулярно использовать пошаговое размагничивание, чтобы удалить остаточную намагниченность. маленькие биты.
Вклад минерала в общий магнетизм горной породы сильно зависит от типа магнитного порядка или беспорядка. Магнитно-неупорядоченные минералы (диамагнетики и парамагнетики ) вносят слабый магнетизм и не имеют остаточной намагниченности. Более важные минералы для магнетизма горных пород - это минералы, которые можно магнитно упорядочить, по крайней мере, при некоторых температурах. Это ферромагнетики, ферримагнетики и некоторые виды антиферромагнетиков. Эти минералы обладают гораздо более сильным откликом на поле и могут иметь намагниченность.
Диамагнетизм - магнитный отклик, присущий всем веществам. В ответ на приложенное магнитное поле электроны прецессируют (см. прецессия Лармора ), и в соответствии с законом Ленца они действуют, чтобы защитить внутреннюю часть тела от магнитное поле. Таким образом, создаваемый момент направлен в направлении, противоположном полю, и восприимчивость отрицательна. Этот эффект слабый, но не зависит от температуры. Вещество, чей единственный магнитный отклик - диамагнетизм, называется диамагнетиком.
Парамагнетизм - это слабая положительная реакция на магнитное поле из-за вращения электронных спинов. Парамагнетизм возникает в определенных видах железосодержащих минералов, потому что 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 магнетически упорядочены ниже критической температуры, и восприимчивость увеличивается по мере приближения к этой температуре (см. закон Кюри – Вейсса ).
Схема параллельных направлений спинов в ферромагнетике. В совокупности сильномагнитные материалы часто называют ферромагнетиками. Однако этот магнетизм может возникать в результате более чем одного типа магнитного порядка. В строгом смысле, ферромагнетизм относится к магнитному упорядочению, при котором соседние электронные спины выравниваются посредством обменного взаимодействия. Классический ферромагнетик - это железо. Ниже критической температуры, называемой температурой Кюри, ферромагнетики имеют спонтанную намагниченность и гистерезис в их реакции на изменяющееся магнитное поле. Что наиболее важно для магнетизма горных пород, они обладают остаточной намагниченностью, поэтому они могут регистрировать поле Земли.
Железо в чистом виде не встречается широко. Обычно он входит в состав оксидов железа, оксигидроксидов и сульфидов. В этих соединениях атомы железа расположены недостаточно близко для прямого обмена, поэтому они связаны косвенным обменом или сверхобменом. В результате кристаллическая решетка делится на две или более подрешетки с разными моментами.
Схема несбалансированных антипараллельных моментов в ферримагнетике. Ферримагнетики имеют две подрешетки с противоположными моментами. Одна подрешетка имеет больший момент, поэтому возникает чистый дисбаланс. Магнетит, важнейший 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 изменение намагниченности. Это явление сыграло роль в спорах о морских магнитных аномалиях.
Схема чередующихся направлений спина в антиферромагнетике. 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 (наклон вращения ), в результате чего момент будет почти перпендикулярен моментам подрешеток. Гематит обладает таким магнетизмом.
Магнитная остаточная намагниченность часто отождествляется с особым видом остаточной намагниченности, которая получается после воздействия на магнит поля. при комнатной температуре. Однако поле Земли невелико, и такой 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, полученной из поля, так и остаточной намагниченности, индуцированной в лаборатории. Ниже перечислены важные естественные остатки и некоторые искусственно индуцированные виды.
Когда магматическая горная порода охлаждается, она приобретает термоостаточную намагниченность (TRM) от поля Земли. TRM может быть намного больше, чем при воздействии того же поля при комнатной температуре (см. изотермическая остаточная намагниченность ). Эта остаточная способность также может быть очень стабильной и сохраняться без значительных изменений в течение миллионов лет. TRM является основной причиной того, что палеомагнетисты могут определить направление и величину поля древней Земли.
Если порода позже повторно нагревается (например, в результате захоронения)), часть или весь TRM можно заменить новым остаточным материалом. Если это только часть остаточной намагниченности, это известно как частичная термоостаточная намагниченность (pTRM). Поскольку было проведено множество экспериментов по моделированию различных способов получения остаточной намагниченности, pTRM может иметь другие значения. Например, его также можно получить в лаборатории путем охлаждения в нулевом поле до температуры 
Стандартная модель TRM выглядит следующим образом. Когда минерал, такой как магнетит, охлаждается ниже температуры Кюри, он становится ферромагнетиком, но не сразу может нести остаточную намагниченность. Вместо этого он суперпарамагнитный, обратимо реагирующий на изменения магнитного поля. Чтобы остаточная намагниченность была возможной, должна быть достаточно сильная магнитная анизотропия, чтобы намагниченность оставалась близкой к стабильному состоянию; в противном случае тепловые колебания заставляют магнитный момент блуждать случайным образом. По мере того, как порода продолжает охлаждаться, возникает критическая температура, при которой магнитная анизотропия становится достаточно большой, чтобы не допустить отклонения момента: эта температура называется температурой блокировки и обозначается символом 
Магнитные зерна могут выпадать в осадок из циркулирующего раствора или образовываться во время химических реакций и могут регистрировать направление магнитного поля в то время минерального образования. Считается, что поле регистрируется методом химической остаточной намагниченности (CRM). Минерал, регистрирующий поле, обычно представляет собой гематит, другой оксид железа. Красные прослои, обломочные осадочные породы (например, песчаники), которые имеют красный цвет в основном 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 отложениях могут выравниваться с магнитным полем во время или вскоре после осаждения; это известно как остаточная намагниченность детрита (DRM). Если намагниченность приобретается по мере осаждения зерен, результатом является остаточная намагниченность осаждения детрита (dDRM); если он получен вскоре после осаждения, это остаточная намагниченность после осаждения обломков (pDRM).
Вязкая остаточная намагниченность (VRM), также известная как вязкая намагниченность, - это остаточная намагниченность, которую получает ферромагнетик минералы, посидев некоторое время в магнитном поле. естественная остаточная намагниченность магматической породы может быть изменена этим процессом. Чтобы удалить этот компонент, необходимо использовать некоторую форму ступенчатого размагничивания.
