岩石磁学基础知识

8．2　岩石磁学基础知识

8.2.1　固体物质的磁学分类和磁滞现象

固体物质的磁性源于固体内部荷电粒子(电子、核子)自旋和轨道运动产生的磁矩。把固体样品放在外加磁场中，样品就会产生感应磁矩。单位体积的感应磁矩称为磁化强度(M)。磁化强度(M)与外加磁场强度(H)的比值称为磁化率(κ=M/H)。根据磁化率κ的大小和正负符号可以把物质的磁性分为抗磁性、顺磁性、铁磁性、亚铁磁性和反铁磁性5种基本类型(表8－1)。其中，铁磁性物质磁性最强，亚铁磁性物质次之，反铁磁性、顺磁性和抗磁性物质磁性较弱，磁化率高低相差可达10个数量级。

表8－1　不同磁性质的原子磁矩结构及宏观磁现象

8．2．1．1　抗磁性物质

当每层的电子数为偶数时，各层内的电子成对出现而自旋方向相反，其自旋磁矩完全相互抵消;并且由于原子内部的对称特征，相邻轨道磁矩也相互抵消，这类物质的原子的总磁矩为零，即不显示磁性。加上磁场以后，按照电磁感应的楞次定律，物质中运动着的电子在外磁场作用下将被感应出电流，形成与外磁场相反的磁场;当去掉外磁场时，感应磁矩也立即消失，这种磁学性质称为抗磁性(或称反磁性，逆磁性)。所有物质都具有抗磁性，抗磁性物质的磁化率都是负数，即κ＜0，一般为10－5 SI量级。所有的惰性气体及一些金属和非金属如锌、金、汞、硅、磷、硫等属于抗磁性。抗磁性矿物有纯净的岩盐、石膏、方解石、石英、石油、大理石、石墨、金刚石及某些长石等。

8．2．1．2　顺磁性物质

当组成物质的原子中含有非成对电子，轨道磁矩和自旋磁矩之和将不能完全相互抵消，原子净磁矩不为零。在无外磁场时，原子磁矩在热运动的作用下，取向完全是紊乱的，因而物质宏观上不显示磁性。但在有外磁场作用时，原子磁矩将趋向沿外磁场方向排列，物质在宏观上显示磁性，磁化方向与外磁场相同;当去掉外磁场时，感应磁矩也立即消失，这是顺磁性特征。顺磁性物质的磁化强度随外磁场增加而线性增加，但随温度升高而降低。顺磁性物质的磁化率κ＞0，室温下为10－6～10－3 SI量级。顺磁性物质有稀土金属、铁族盐及碱金属等，矿物有黑云母、辉石、角闪石、蛇纹石、石榴石、堇青石及褐铁矿等。

8．2．1．3　铁磁性物质和磁滞现象

铁磁性物质包括铁、镍、钴及它们的化合物和合金，以及铬和锰的合金，其内部的原子磁矩能按区域自发平行取向。这类物质有很强的磁化率值，磁化强度M与磁场强度H之间是非线性的复杂函数关系。设想一个内部无净磁矩的铁磁性样品，置于外磁场H中(图8－5)，H从零增大时，其磁化强度M将随H线性增大，即图8－5中的a段。假若此时H减至零，M也回到零，这个过程是可逆的，这段M－H曲线的斜率即该样品的初始磁化率。当H继续增大时，在图8－5的b段曲线的斜率增大，即M增大得快;如果此时H减小到零，M却回不到零，而是沿着c路径下降，此为不可逆过程，样品获得一个等温剩余磁化强度M r。若继续增加H，使其超过曲线上的d点之后，M将不再增大，此时的磁化强度称为饱和磁化强度M s，外磁场称为该样品的饱和磁场H sat。使外磁场H逐步降至零，M沿e段曲线下降，并在H=0处获得一剩余磁化强度，即饱和等温剩磁M rs。在相反的方向上继续施加磁场，在－H c处，M rs被抵消，M为零，H c称为该固体样品的矫顽力。继续增加反向磁场，可使其磁化强度在相反的方向上达到饱和(－M s)，如果此时H减小到零，样品将获得一个和上述M rs等量而反向的饱和等温剩磁(－M rs)。若磁场循环的话，就会获得一条闭合的磁化强度变化曲线，该曲线称为磁滞回线。当磁场以低于H sat的值循环时，将得到图8－5中较小的环状曲线。磁滞现象说明这类物质的磁性状态和磁化的历史有关。

在某一特定的临界温度之上，铁磁性矿物会骤然变为顺磁性，该临界温度称为居里温度。居里温度与铁磁性矿物的组分有关，不同的铁磁性矿物具有不同的居里温度，因而能够用来鉴定磁性矿物类型。居里温度的高低反映了交换作用的强弱和抵抗热运动能力的大小。

图8－5　铁磁性物质的磁滞回线
(据McElhinny＆McFadden，2000修改)
M s．饱和磁化强度;M rs．饱和剩余磁化强度;M r．剩余磁化强度;H c．矫顽力;H sat．饱和磁场

8．2．1．4　反铁磁性和亚铁磁性物质

在反铁磁性物质中，原子间的量子作用使相邻原子的磁矩排列方向相反，合磁矩等于零。但当原子磁矩不完全平行排列时，物质内部则产生净磁矩，这类物质称为不完全反铁磁性物质。

亚铁磁性的内部磁结构与反铁磁性相同，但相反排列的磁矩不等量。亚铁磁性物质的宏观磁性特征与铁磁性物质相同，仅仅是磁化率的数量级稍低一些。因此，亚铁磁性是未抵消的反铁磁性结构的铁磁性。

8.2.2　常见的磁性矿物

一般文献中所说的磁性矿物实际上指的是携磁矿物(或称载磁矿物)，即能够获得剩磁的铁磁性、亚铁磁性和不完全反铁磁性矿物。铁和钛的氧化物是最重要的磁性矿物，最常见的有磁铁矿、磁赤铁矿、赤铁矿和钛磁铁矿。一些铁的硫化物(如磁黄铁矿、胶黄铁矿等)、氢氧化物(如针铁矿等)和铁的碳酸盐(如菱铁矿等)也是非常重要的磁性矿物。沉积岩也包含大量的顺磁性矿物(例如碎屑岩)和抗磁性矿物(碳酸盐岩和硅质岩等)，但由于亚铁磁性物质的磁性较顺磁性和抗磁性物质强得多，所以一般地层的磁学特征主要由亚铁磁性物质控制。但当亚铁磁性物质含量极少时，顺磁性和抗磁性物质的作用就不可忽视了。表8－2列出了自然界中主要磁性矿物的类型及其主要的磁学参数。

表8－2　常见磁性矿物及其磁学参数

注:前5列引自McElhinny＆McFadden(2000)，质量磁化率(固体的磁化率除以密度)和剩磁矫顽力(使饱和等温剩磁为零时所需要的反向磁场强度)数据引自Thompson＆Oldfield(1986)，矫顽力数据转引自Lowrie(1990)。

8.2.3　岩石的主要剩磁类型

天然剩磁是磁极性地层学研究的主要对象。自然界火成岩和沉积岩在成岩和成岩后都可能获得各种剩磁记录，但具有不同的成因机制，主要类型列述如下。

热剩磁(thermal remanentmagnetization，TRM):磁性矿物在磁场中从居里点以上温度冷却至室温的过程中获得的剩磁为热剩磁。如果样品为各向同性，热剩磁的磁化方向与外磁场方向平行，对弱磁场来说，热剩磁的强度与外加磁场成正比。而且，热剩磁极为稳定，具有部分热剩磁的可叠加性。

化学剩磁(chemical remanentmagnetization，CRM):在居里温度之下，通过化学作用产生的磁性矿物记录了周围磁场的方向。当磁性颗粒生长变大，大于它的阻挡体积时，化学剩磁被固定在矿物颗粒内部;当化学生长作用持续进行，远大于阻挡体积，晶粒变为多畴，跨过假单畴阶段。化学剩磁比热剩磁强度小，但也相当稳定。化学剩磁在沉积岩中很常见。

沉积剩磁(depositional remanentmagnetization，DRM):已经获得剩磁的磁性颗粒在水中搬运沉积过程中，趋向于与外磁场方向平行，从而获得沉积剩磁。大部分沉积物的沉积剩磁是在磁性颗粒已经静止在充满水的间隙中发生旋转而形成。如果未固结的沉积物受到后期扰动，原先记录的沉积剩磁会受到影响，但在孔隙中的磁性颗粒仍然能够自由旋转至新的外场方向，直到岩石固结成岩，新获得的剩磁为沉积后剩磁(post－depositional remanentmagnetization，PDRM)。由于沉积剩磁是由碎屑沉积物携带的，有时候沉积剩磁又被称作碎屑剩磁(detrital remanentmagnetization，DRM)。

黏滞剩磁(viscous remanentmagnetization，VRM):岩石在其形成过程中获得原生剩磁后，继续暴露在磁场中。由于磁滞效应，那些具有较短弛豫时间的颗粒就能够获得次生剩磁，也就是黏滞剩磁。黏滞剩磁的大小依赖于时间的变化，其大小与时间呈对数关系。一般情况下，黏滞剩磁较易清除。

热黏滞剩磁(Thermal VRM，TVRM):岩石获得原生剩磁后，如果经过埋藏或被侵入体加热(低于磁性矿物的居里温度)，冷却过程中获得的剩磁就为热黏滞剩磁。

为了解岩石的磁性特征，在实验室还可以获得另外两种重要的剩磁:①等温剩磁(isothermal remanentmagnetization，IRM):恒温下(一般为室温)磁性物质在稳定磁场中所获得的剩磁。等温剩磁的大小依赖于外加稳定磁场的强度。能够产生的最大剩磁为饱和等温剩磁(saturation IRM，SIRM)，使之饱和的外加磁场强度取决于岩石样品的矿物成分和结构。②非黏滞剩磁(anhysteretic remanentmagnetization，ARM):磁性物质在强的并平衡地衰减的交变磁场中受到弱直流场的作用，当交变场衰减到零，撤销直流场后得到的剩磁。非黏滞剩磁的强度随稳定场或交变场的作用增强而增大。

作为专门术语使用时，“天然剰磁”(natural remanentmagnetization，NRM)特指对岩石进行实验室退磁处理之前，其天然状态时的剩余磁化强度。古老岩石样品的天然剩磁一般包括多种剩磁成分。例如，如果火成岩在其冷却以后又经历了热事件则会获得新的热剩磁成分，新成分的方向将与重新加热时的地磁场方向一致。很显然，如果重新加热的温度超过了岩石或含载磁矿物的居里点，新的剩磁成分将完全替代上一次冷却时获得的剩磁。但理论和实践都能够证明如果后期热事件的温度没有超过载磁矿物的居里点，最初从居里点温度冷却下来时获得的剩磁就有可能部分地保留下来，这对古地磁方向的研究就足够幸运了。我们把岩石形成时期或极接近这一时期获得的磁性成分叫做“原生剩磁”，岩石在后期经历的地质事件中获得的剩磁成分叫作“次生剩磁”。次生剩磁又称重磁化，从岩石经历的地质过程看，重磁化几乎是不可避免的:暴露的岩石经历风化可能获得化学重磁化、埋藏的岩石叠加有黏滞剩磁及热黏滞剩磁。所以天然剩磁一般都包含“次生剩磁”，但人们最感兴趣的是原生剩磁。一个原因是，原生剩磁就像化石一样，能够和地层的年代联系在一起;次生剩磁就像化石上的附着物，只能说明其比地层年轻。另一个原因是，岩石形成时的古水平面对古地磁研究来讲是一个至关重要的概念，原生剩磁获得时原始的水平面在地层中是比较容易确定的，但次生剩磁获得时的水平面在哪里就是问题了。

古地磁学的技术要点之一就是寻找、分离出原生剩磁。