岩石与矿石的磁化率

5.4　岩石与矿石的磁化率

如果磁性矿物的体积磁化率为κ，份额为f，假定f《1，则磁性矿物对岩石磁化率的贡献约等于κf。对于像磁铁矿这样的强磁性矿物而言，当f＞0.1时，磁化率与体积份额的关系和上述线性关系相差甚远。这是由于强磁性颗粒的有效磁化率主要受自消磁的影响，而与颗粒物质的固有磁化率只是弱相关。在稀疏分散的磁铁矿颗粒的条件下，颗粒的微结构和大小对于观测到的磁化率值没有太大的影响。然而，磁铁矿含量高时，由于受颗粒之间的相互作用的影响，磁化率随含量增加而增高，比上述线性关系预计的要大。

在岩石中的一颗磁铁矿颗粒内部，内磁场F′可表示为：

式中：F是外磁场，N是消磁系数，fJ是周围介质的平均磁化。式（5.1）右边第二项是消磁磁场，第三项是洛伦兹场，校正颗粒的相互影响。要注意，在高斯单位制和国际单位制（SI）中，消磁系数的数值是不同的，N（SI）＝N（高斯）/4π，在高斯单位制中，消磁系数最大为4π，因此在SI单位制中，消磁系数最大为1。

因此，如果以x表示固有磁化率，每个颗粒的感应磁化是：

所以　

而岩石的磁化强度是fJ，这表示观测到的岩石磁化率κ是：

在磁铁矿含量低的条件下，简化为：

对于MD磁铁矿，固有磁化率数值高（x≥1G/Oe＝13SI），N为3～4Oe/G（0.25～0.3SI）。因此Nx》1，在磁铁矿含量低时，岩石的磁化率几乎与x无关：

因此，含有少量到中等含量MD磁铁矿的岩石的磁化率近似地与磁铁矿含量成正比。反之，对于含有中等含量磁铁矿的岩石，磁化率可用来推断磁铁矿含量。对于磁铁矿含量达几个百分点的情况，磁化率与磁铁矿含量之间有一个经验公式：

式中：v＝100f，是磁铁矿含量的体积百分数。

当磁铁矿含量超过10%时，就严重偏离κf线性关系。在100%的极限情况时，磁铁矿矿石的磁化率就是磁铁矿晶体的固有磁化率，固有磁化率取决于颗粒的平均大小、结晶程度和位错密度等。纯磁铁矿矿石的磁化率趋近于χ，χ的变化范围从约为1G/Oe（13SI）到约为10G/Oe（130SI），前者对应细粒、结晶差、不均匀的情况，后者对应粗粒、完好结晶的情况。对于MD磁铁矿，平均有效消磁系数N约3Oe/G（0.24SI）。图51显示含磁铁矿和单斜磁黄铁矿的岩石的磁化率与磁性矿物含量的关系曲线。

例如，测得一顺磁性花岗岩质量分数为2　wt%FeOT，密度2650kg/m³，由上式算得磁化率为9μG/Oe＝12×10⁵SI。测得一顺磁性辉长岩质量分数为12　wt%FeOT，密度3000kg/m³，由上式算得磁化率，64μG/Oe＝80×10⁵SI。在这两类岩石的接触面上，可产生约20nT的磁异常^［4］。

Clark的这一篇论文总结了20世纪与磁异常地质解释有关的岩石磁学研究成果，既有基本理论的阐述，又有大量表示研究成果和实际数据的图表，文中地球物理与地质结合紧密。我们建议从事磁异常解释的物探工作者和地质工作者仔细研读这篇文章，可能对今后的工作和学习有所帮助。还有两篇论文，将岩石磁学与地质学紧密结合起来论述，也值得参考［5～6］。

许多矿物与岩石的磁化率是各向异性的。这种特性用磁化率椭球描述，最大磁化率与最小磁化率之比称为参数A，常见的具有磁化率各向异性的顺磁性矿物的A值，变化图51 含磁铁矿和单斜磁黄铁矿的岩石的磁化率与磁性矿物含量的关系曲线^［4］范围为1.1～1.8，云母是一个典型。含有磁铁矿岩石的磁化率各向异性是由自消磁作用引起的。由消磁系数可知，沿磁铁矿颗粒长轴方向有效磁化率较大，沿短轴方向较小。典型的例子是富含磁铁矿的条带状含铁建造。垂直于层面方向，由于消磁作用，磁化率大大降低，而沿顺层方向，不受消磁作用影响，磁化率很大。因此，感应磁化方向往往不与地磁场方向平行，而偏向磁化率大的方向，即偏向层面。

图5-2　各类岩石测得的和常见的磁化率范围^［4］

图52和图53是Clark等根据澳大利亚联邦科学工业研究组织（CSIRO）勘探与矿业部在近20年内测定和研究岩石与矿石的成果编制的。CSRO是澳大利亚最大的科学研究机构。北欧和其他国家的科学家在这方面也做了许多工作。我国也曾开展岩石物性测定研究工作，但未见系统的研究成果。

由图52可见，每一岩石类型呈现很宽的磁化率范围，一般并不对应特定的岩性。通常的岩石名称对于用作磁性分类来说，实际上太宽泛了。因为大多数岩石的磁化率反映副矿物特别是磁铁矿的含量，而磁铁矿在岩石分类时是忽略不计的。

图52还有一个值得注意的地方，即许多岩类的磁化率具有双峰分布的特征。磁化率的双峰分布显示每一类岩石具有亚类或亚型，分别代表含磁铁矿或不含磁铁矿。在弱磁性亚型中，铁元素（主要是Fe^2＋）赋存于顺磁性的硅酸盐矿物中，而中等和强磁性的类似岩石则含有相当多的Fe^3＋，Fe^3＋组成磁铁矿。芬兰也进行了大规模的岩石物理采样测定研究工作，他们发现，花岗岩、辉长岩、云母片岩以及角闪岩等呈现明显的磁化率双峰分布特征。对花岗岩类来说，磁化率双峰分布反映存在两种明显不同的类型，即磁铁矿系列和钛铁矿系列花岗岩。磁铁矿系列花岗岩对应于Ⅰ型氧化花岗岩，而钛铁矿系列花岗岩对应于S型还原花岗岩。不同类型的花岗岩，可能有不同的金属矿产。