Рок магнетизм - Rock magnetism

Вибрационный магнитометр образца , широко используемый инструмент для измерения магнитного гистерезиса .

Магнетизм горных пород - это исследование магнитных свойств горных пород , отложений и почв . Поле возникло из-за необходимости палеомагнетизма понять, как горные породы регистрируют магнитное поле Земли. Этот остаточный эффект передается минералами, особенно некоторыми сильными магнитными минералами, такими как магнетит (главный источник магнетизма в магнитном поле ). Понимание остаточной намагниченности помогает палеомагнетистам разработать методы измерения древнего магнитного поля и корректировки таких эффектов, как уплотнение отложений и метаморфизм . Рок-магнитные методы используются для получения более детальной картины 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 исследованиях, а также сильного магнетизма земной коры на Марсе .

Свойства сильномагнитных минералов зависят от размера, формы, дефектной структуры и концентрации 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 т. Д. 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 несут минералы, созданные магнитотактическими бактериями , поэтому магнетисты горных пород внесли значительный вклад в биомагнетизм .

История

До 20 века изучение поля Земли ( геомагнетизм и палеомагнетизм ) и магнитных материалов (особенно ферромагнетизма ) развивалось отдельно.

Каменный магнетизм зародился, 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 придали материалам термоостаточную намагниченность (TRM) и исследовали свойства этой намагниченности. Телье разработал ряд условий ( законы Телье ), выполнение которых позволило бы определить интенсивность древнего магнитного поля с помощью метода Телье – Телье . В 1949 году Луи Нил разработал теорию, которая объяснила эти наблюдения, показала, что законы Телье удовлетворяются некоторыми видами однодоменных магнитов, и ввел концепцию блокировки TRM.

Когда палеомагнитные исследования в 1950-х годах подтвердили теорию дрейфа континентов , скептики сразу же усомнились в том, могут ли породы иметь стабильную намагниченность 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 «очищали» образцы, нагревая их или подвергая воздействию переменного поля. Однако более поздние события, особенно признание того, что многие североамериканские породы были повсеместно перемагничены в палеозое , показали, что одного шага очистки было недостаточно, и палеомагнетики начали регулярно использовать ступенчатое размагничивание для удаления остаточной намагниченности в небольших частях.

Основы

Типы магнитного ордера

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 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 гораздо сильнее реагируют на поле и могут иметь остаточную намагниченность .

Диамагнетизм

Диамагнетизм - это магнитный отклик, присущий всем веществам. В ответ на приложенное магнитное поле электроны прецессируют (см. Прецессию Лармора ), и по закону Ленца они действуют, чтобы защитить внутреннюю часть тела от магнитного поля . Таким образом, создаваемый момент направлен против поля, и восприимчивость отрицательна. Этот эффект слабый, но не зависит от температуры. Вещество, чей единственный магнитный отклик - диамагнетизм, называется диамагнетиком.

Парамагнетизм

Парамагнетизм - это слабый положительный отклик 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 магнитоупорядочены ниже критической температуры, и восприимчивость увеличивается по мере приближения к этой температуре (см. закон Кюри – Вейсса ).

Ферромагнетизм

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 спины соседних электронов выровнены обменным взаимодействием . Классический ферромагнетик - это железо . Ниже критической температуры, называемой температурой Кюри , ферромагнетики обладают спонтанной намагниченностью и гистерезисом в их реакции на изменение магнитного поля. Что наиболее важно для магнетизма горных пород, они обладают остаточной намагниченностью , поэтому они могут регистрировать поле Земли.

Железо в чистом виде широко не встречается. Обычно он входит в состав оксидов , оксигидроксидов и сульфидов железа . В этих соединениях атомы железа недостаточно близки для прямого обмена, поэтому они связаны косвенным обменом или сверхобменом. В результате кристаллическая решетка делится на две или более подрешетки с разными моментами.

Ферримагнетизм

Схема неуравновешенных антипараллельных моментов в ферримагнетике.

Ферримагнетики имеют две подрешетки с противоположными моментами. Одна подрешетка имеет больший момент, поэтому возникает 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 связан с изменением намагниченности. Это явление сыграло роль в спорах о морских магнитных аномалиях .

Антиферромагнетизм

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, у магнита нет остаточной силы . Однако моменты могут быть наклонены (наклон вращения ), в результате чего момент почти перпендикулярен моментам подрешеток. Гематит обладает таким магнетизмом.

Магнитная минералогия

Типы остаточной намагниченности

Магнитную остаточную намагниченность часто отождествляют 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.

Термоостаточная намагниченность (TRM)

Когда магматическая 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. Изотермическую остаточную намагниченность ). Эта остаточная способность также может быть очень стабильной и сохраняться без значительных изменений в течение миллионов лет. TRM является основной причиной того, что палеомагнетики могут определить направление и величину поля древней Земли.

Если позже камень повторно нагревается (например, в результате захоронения), часть или весь TRM может быть заменен новым остаточным материалом. Если это только часть остаточной намагниченности, это известно как частичная термоостаточная намагниченность (pTRM) . Поскольку было проведено множество экспериментов, моделирующих различные способы получения остаточной намагниченности, pTRM может иметь другие значения. Например, его также можно получить в лаборатории, охладив в нулевом поле до температуры (ниже температуры Кюри ), приложив магнитное поле и охладив до определенной температуры , а затем охладив оставшуюся часть пути до комнатной температуры в нулевом поле. ${\ displaystyle T_ {1}}$ ${\ displaystyle T_ {2}}$

Стандартная модель TRM выглядит следующим образом. Когда минерал, такой как магнетит, охлаждается ниже температуры Кюри , он становится ферромагнитным, но не сразу может нести остаточную намагниченность. Вместо этого он суперпарамагнитен , обратимо реагируя на изменения магнитного поля. Чтобы остаточная намагниченность была возможной, должна быть достаточно сильная магнитная анизотропия, чтобы поддерживать намагниченность около стабильного состояния; в противном случае тепловые флуктуации заставляют магнитный момент беспорядочно блуждать. 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 . Намагниченность остается в том же состоянии, в котором порода охлаждается до комнатной температуры, и становится термоостаточной намагниченностью. ${\ displaystyle T_ {B}}$

Химическая (или кристаллизационная) остаточная намагниченность (CRM)

Магнитные зерна могут выпадать в осадок из циркулирующего раствора или образовываться во время химических реакций и могут регистрировать направление магнитного поля во время образования минералов. Считается, что поле регистрируется методом химической остаточной намагниченности (CRM) . Минерал, регистрирующий поле, обычно представляет собой гематит, еще один оксид железа. Красные пласты, 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.

Остаточная намагниченность осаждения (DRM)

Магнитные зерна в отложениях могут выравниваться по магнитному полю 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 детрита (pDRM) .

Вязкая остаточная намагниченность

Вязкая остаточная намагниченность (VRM) , также известная как вязкая намагниченность, - это остаточная намагниченность , которую ферромагнитные минералы приобретают в течение некоторого времени в магнитном поле . Естественная остаточная намагниченность из вулканической породы может быть изменена с помощью этого процесса. Чтобы удалить этот компонент, необходимо использовать какую-либо форму ступенчатого размагничивания.

Languages

In other projects