磁法勘探-02-巖石的磁性課件

第二章巖石的磁性概述：巖石、礦物的磁性,是指其吸引鐵、鎳等物質(zhì)的性質(zhì)。地殼內(nèi)不同地質(zhì)體之間存在的磁性差異,是開展磁法勘探工作的地球物理前提條件,也是對磁測結(jié)果進行校正與解釋不可缺少的參數(shù)。研究巖石磁性,可以掌握巖石、礦物受磁化的原理。了解巖石、礦物的磁性的特征及其影響因素,便于正確確定磁法能夠解決的地質(zhì)問題,以及對磁異常作出正確的解釋。有關(guān)巖石磁性的研究成果,可直接用于解決某些基礎(chǔ)地質(zhì)問題,如區(qū)域地層對比,構(gòu)造劃分等。1第二章巖石的磁性概述：1

第1節(jié)物質(zhì)的磁性（1）.抗磁性（逆磁性）2

第1節(jié)物質(zhì)的磁性（1）.抗磁性（逆磁性）2（2）.順磁性3（2）.順磁性3（3）.鐵磁性4（3）.鐵磁性4K是熱力學(xué)開式溫度減去273.16就是常用的攝氏溫度了

5K是熱力學(xué)開式溫度減去273.16就是常用的攝氏溫度了

各種鐵磁性的原子磁矩排列示意圖a-鐵磁性；b-反鐵磁性；c-亞鐵磁性

a．鐵磁性磁疇內(nèi)原子磁矩排列在同一方向，例如鐵、鎳、鈷即屬于此類物質(zhì)。b．反鐵磁性磁疇內(nèi)原子磁矩排列相反，故磁化率很小，但具有很大的矯頑磁力。

c．亞鐵磁性或稱鐵淦氧磁性，磁疇內(nèi)原子磁矩反平行排列，磁矩互不相等，故仍具有自發(fā)磁矩。此類物質(zhì)具有較大的磁化率和剩余磁化強度。abc純錳鐵合金6各種鐵磁性的原子磁矩排列示意圖a．鐵磁性磁疇內(nèi)原子磁一、表征磁性的物理量

(1)磁化強度和磁化率

均勻無限磁介質(zhì)，受到外部磁場H的作用，該物質(zhì)即被磁化，而衡量物質(zhì)被磁化的程度，以磁化強度M表示，它與磁化場強度之間的關(guān)系為式中，

是物質(zhì)的磁化率，它表征物質(zhì)受磁化的難易程度，是一個無量綱的物理量。實際工作中，磁化率仍注以單位，SI單位制它用SI（

）標明，CGSM單位制，它用CGSM（

）標明，兩者的關(guān)系是1SI（

）=CGSM（

）。在二種單位制中，磁化強度M的單位，分別是A/m及CGSM（M），二者的關(guān)系是1A/m=0.001CGSM（M）。

第2節(jié)巖(礦)石的磁性特征7一、表征磁性的物理量(1)磁化強度和磁化率

第2節(jié)(2)磁感應(yīng)強度和磁導(dǎo)率

在各向同性磁介質(zhì)內(nèi)部任意點上，磁化場H在該點產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度（磁通密度）為B=

H式中，B以特斯拉（T）為單位，

是介質(zhì)的磁導(dǎo)率H/m（亨利/米）。若介質(zhì)為真空，則有B=

0H式中，

0是真空的磁導(dǎo)率。令

r=

/

0（相對磁導(dǎo)率）得：此式表明了物質(zhì)磁性（B）與外磁場（H）的定量關(guān)系。顯然，在同一外磁場H作用下?？臻g為磁介質(zhì)充填，與空間為真空二者相比，B增加了

H項，即介質(zhì)受磁化后所產(chǎn)生的附加場，其大小與介質(zhì)的磁化率成正比。磁介質(zhì)的

r=1+

是一個純量。

與

0二者之間的關(guān)系為

8(2)磁感應(yīng)強度和磁導(dǎo)率8(3)感應(yīng)磁化強度和剩余磁化強度位于巖石圈中的巖體和礦體，處在約0.5

10-4(T)的地球磁場作用之下，它們受現(xiàn)代地磁場的磁化(T)，而具有的磁化強度，叫感應(yīng)磁化強度，它表示為

式中，T是地磁場的總強度，

是巖礦石的磁化率，它取決于巖礦石的性質(zhì)。巖、礦石在生成時，處于一定條件下，受當時的地磁場磁化，成巖后經(jīng)歷的地質(zhì)年代，所保留下來的磁化強度，稱作天然剩余磁化強度Mr，它與現(xiàn)代地磁場無關(guān)。 巖石的總磁化強度M，是由兩部分組成，即磁法勘探中，表征巖石磁性的物理量是、及。9(3)感應(yīng)磁化強度和剩余磁化強度9(1)抗磁性礦物與順磁性礦物①抗磁性礦物其磁化率都很小，在磁法勘探中通常視為無磁性的。②順磁性礦物其磁化率要比抗磁性礦物大得多，約二個數(shù)量級。二、礦物的磁性10(1)抗磁性礦物與順磁性礦物①抗磁性礦物二、礦物的磁性10自然界中不存在純鐵磁性礦物。最重要的磁性礦物當推鐵-鈦氧化物，它的三元系統(tǒng)如右圖所示。由FeO、Fe2O3和TiO2組合成的固溶體，其主要礦物及其它磁性礦物，如右表所示。地殼中純磁鐵礦少見，大多由不同比例的鐵、鈦、氧組成復(fù)雜的因溶體，它是典型的亞鐵磁性。磁鐵礦不僅有較強的磁化率，且有較強的剩余磁性，其變化范圍較大。磁黃鐵礦屬鐵-硫二元系，它常見于汞、砷、銻層控礦床。當0<x<0.1時，它是反鐵磁性，當0.1<x<0.25時，它是亞鐵磁性。它亦分為

型和

型，后者磁化率較大。鐵磁性礦物磁化率

(2)鐵磁性礦物鐵鈦氧化物的三元系統(tǒng)

11自然界中不存在純鐵磁性礦物。最重要的磁性礦物①沉積巖的磁性一般來說，沉積巖的磁性較弱，如表所示。沉積巖的磁化率主要決定于副礦物的含量及成分，它們是磁鐵礦、磁赤鐵礦、赤鐵礦以及鐵的氫氧化物。其造巖礦物如石英、長石、方解石等，對磁化率無貢獻。沉積巖的天然剩余磁性，與由母巖剝蝕下來的磁性顆粒有關(guān)，其數(shù)值不大。三、各類巖石的一般磁性特征12①沉積巖的磁性三、各類巖石的一般磁性特征12②火成巖的磁性依據(jù)火成巖的產(chǎn)出狀態(tài)，又可分為侵入巖和噴出巖。①侵入巖的不同巖石組（花崗巖、花崗閃長巖、閃長巖、輝長巖、超基性巖等），其平均值，隨著巖石的基性增強而增大。它們的磁化率，均具有數(shù)值分布范圍寬的相同特征。②超基性巖是火成巖中磁性最強的。超基性巖體在經(jīng)受蛇紋石化時，輝石被分解形成蛇紋石和磁鐵礦，使磁化率急劇增大，可達幾個SI（

）單位。③基性、中性巖，一般來說其磁性較超基性巖次之。④花崗巖建造的侵入巖，普遍是鐵磁-順磁性的，磁化率不高。⑤噴發(fā)巖在化學(xué)和礦物成分上與同類侵入巖相近，其磁化率的一般特征相同。由于噴發(fā)巖迅速且不均勻的冷卻，結(jié)晶速度快，使磁化率離散性大。⑥火成巖具有明顯的天然剩余磁性，使Q=Mr/Mi稱為柯尼希斯貝格比。不同巖石組的Q值范圍，可從0—10或更大。13②火成巖的磁性13③變質(zhì)巖的磁性變質(zhì)巖的磁化率和天然剩余磁化強度，其變化范圍很大。按其磁性，變質(zhì)巖可分為鐵磁—順磁性和鐵磁性兩類，與原來的基質(zhì)有關(guān)，也與其生成條件有關(guān)。由沉積巖變質(zhì)生成的，稱水成變質(zhì)巖，其磁性特征一般具有鐵磁—順磁性；由巖漿巖變質(zhì)生成的，稱火成變質(zhì)巖，其磁性有鐵磁—順磁性與鐵磁性兩組。這和原巖的礦物成分，以及變質(zhì)作用的外來性或原生性有關(guān)。具有層狀結(jié)構(gòu)的變質(zhì)巖，表現(xiàn)有磁各向異性。其Mr方向往往近于片理方向。磁化率各向異性可用下式來評價

式中，是磁化率各向異性系數(shù)。在強變質(zhì)沉積巖石中，值最大可達1.0—1.5。14③變質(zhì)巖的磁性14①巖石磁性與鐵磁性礦物含量的關(guān)系根據(jù)實驗資料和理論計算，侵入巖的磁化率與鐵磁性礦物含量之間存在統(tǒng)計相關(guān)關(guān)系，如圖所示。由圖可見，該曲線明顯地分為兩部分。在鐵磁性組分含量小于0.001％，鐵磁體為稀有顆粒，即屬于深色礦物中的雜質(zhì)，磁化率和鐵磁性礦物含量之間未發(fā)現(xiàn)有規(guī)律的關(guān)系。在鐵磁性組分含量大于0.01％，鐵磁效應(yīng)主要是由大顆粒磁鐵礦（鈦磁鐵礦）造成的，這些巖石的和之間，呈有規(guī)律的相關(guān)關(guān)系。一般情況下，巖石中鐵磁性礦物含量愈多，磁性也愈強。四、影響巖石磁性的主要因素15①巖石磁性與鐵磁性礦物含量的關(guān)系四、影響巖石磁性的主要因素1②巖石磁性與磁性礦物顆粒大小、結(jié)構(gòu)的關(guān)系實驗結(jié)果表明，在給定的外磁場作用下，鐵磁性礦物的相對含量不變，其顆粒粗的較之顆粒細的磁化率大?？捎糜诤饬渴４糯笮〉某C頑力，與鐵磁性礦物顆粒大小的關(guān)系恰相反，如下圖所示,表明隨鐵磁性礦物顆粒的增大，呈減小的相關(guān)關(guān)系。噴發(fā)巖的剩磁常較同一成分侵入巖的剩磁大。此外，鐵磁性礦物在巖石中的結(jié)構(gòu)，對其磁化率也有影響。當磁性礦物相對含量、顆粒大小都相同時，顆粒相互膠結(jié)的比顆粒呈分散狀者磁性強。與鐵磁性礦物顆粒大小的關(guān)系16②巖石磁性與磁性礦物顆粒大小、結(jié)構(gòu)的關(guān)系與鐵磁性礦物顆粒大?、蹘r石磁性與溫度、壓力的關(guān)系

高溫與高壓，對礦物和巖石的磁性會產(chǎn)生影響。順磁體磁化率與溫度的關(guān)系，已由居里定律確定。鐵磁性礦物的磁化率與溫度的關(guān)系，有可逆型及不可逆型。前者磁化率隨溫度增高而增大，接近居里點則陡然下降趨于零，加熱和冷卻過程，在一定條件下磁化率都有同一個數(shù)值。后者其加熱和冷卻曲線不相吻合，即不可逆，它是溫度增高后不穩(wěn)定的那類鐵磁性礦物的特征。此外，溫度增高還能引起礦物矯頑磁力的減小。巖石磁化率與溫度的相依關(guān)系比單純礦物復(fù)雜，巖石的k-t曲線與鐵磁性礦物的成分有關(guān)。如下圖。曲線具有躍變形狀，此特征代表巖石中不同居里點的幾種礦物。巖石的居里溫度Tc分布僅與特磁性礦物成分有關(guān)，而與礦物的數(shù)量、大小及形狀無關(guān)。巖石磁化率與溫度的關(guān)系

17③巖石磁性與溫度、壓力的關(guān)系巖石磁化率與溫度的關(guān)系17巖石在自然界中成巖時期的地磁場作用下所獲得的剩余磁性，稱為天然剩余磁性，通常用NRM（NaturalRemanentMagnetism）表示，它是巖石磁性的重要組成部分,因此,它是磁法勘探及古地磁學(xué)的研究對象。巖石獲得天然剩磁，不僅是地磁場作用的結(jié)果，也與巖石形成過程密切有關(guān)，所以形成天然剩磁的機制是多種多樣的。不同的機制形成不同類型的剩磁，它們主要是：熱剩余磁性，化學(xué)剩余磁性，沉積剩余磁性和粘滯剩余磁性。下面分別加以敘述。

第3節(jié)巖(礦)石的剩余磁性18巖石在自然界中成巖時期的地磁場作用下所獲得的（1）.熱剩余磁性TRM（ThermalRM）將巖石加溫至居里點（600—700℃）以上，然后在外磁場中冷卻至室溫，結(jié)果獲得很強的剩磁，這種剩磁稱為熱剩磁。火成巖是由熾熱的巖漿（800—1200℃）在地磁場中冷卻而成的，所以獲得了熱剩磁。熱剩磁有以下幾個特點：(1)熱剩磁的強度大。在弱磁場中，熱剩磁比等溫剩磁（即常溫下用外磁場磁化后的剩磁）強幾十至幾百倍。(2)熱剩磁的方向與外磁場一致。因此，火成巖的天然剩磁方向一般代表巖石形成時的地磁場方向。(3)在弱磁場中熱剩磁的強度正比于外磁場感應(yīng)強度：因此可以用熱剩磁強度推算古地磁場強度(4)熱剩磁主要在居里點附近獲得。

(5)熱剩磁有很高的穩(wěn)定性。表現(xiàn)在弛豫時間很長，對于一定大小的單疇，450度時，弛豫時間1000s，冷卻至室溫，弛豫時間增加至1014a

19（1）.熱剩余磁性TRM（ThermalRM）19(2).沉積剩余磁性DRM（DepositionalRM）

沉積巖的剩磁來源于沉積剩磁（或稱碎屑剩磁）。沉積巖中含有從母巖剝蝕而來的磁性顆粒，當這些顆粒在水中下沉?xí)r，就象一枚小“磁針”那樣，受到地磁場的定向排列作用，或者在巖石固化以前，小“磁針”在沉積物的含水孔隙中轉(zhuǎn)至地磁場方向。當沉積物固結(jié)后，剩磁被固定在沉積巖中，這就是沉積剩磁，它有以下幾個特點：對于球狀顆粒，沉積剩磁與外磁場同向。(2)對于長形顆粒，由于顆粒沉積后平躺，沉積剩磁的傾角I較地磁場傾角要小。(3)沉積剩磁強度的大小與外磁場成正比。(4)沉積巖中磁性物質(zhì)大多來源于火成巖，因此本質(zhì)上是熱剩磁的，也具有很高的穩(wěn)定性。但是沉積巖中的磁性物質(zhì)比火成巖少，所以沉積巖的沉積剩磁比火成巖的熱剩磁低幾十倍或幾百倍。20(2).沉積剩余磁性DRM（DepositionalRM）(3).化學(xué)剩余磁性CRM（ChemicalRM）在一定磁場中，某些磁性物質(zhì)在其居里點以下的溫度，經(jīng)過化學(xué)過程(氧化還原)或相變過程(重結(jié)晶)而獲得的剩磁，稱為化學(xué)剩磁。將直徑小于1微米的赤鐵礦粉末加熱至270—340℃，在有外磁場時使它還原成磁鐵礦，就獲得平行于外磁場的剩余磁性，這就是化學(xué)剩磁，它有以下幾個特點：在弱磁場中，化學(xué)剩磁的強度正比于外磁場的感應(yīng)強度：(2)在同樣的磁場中，化學(xué)剩磁的強度只有熱剩磁強度的幾十分之一。但大于碎屑剩磁強度。(3)化學(xué)剩磁和熱剩磁一樣具有高度穩(wěn)定性。只要單疇顆粒足夠大，化學(xué)剩磁的馳豫時間也非常長，磁性驚人地穩(wěn)定。21(3).化學(xué)剩余磁性CRM（ChemicalRM）21(4).粘滯剩余磁性VRM（ViscousRM）

巖石長期放置地磁場中獲得的剩磁，稱為粘滯剩余磁性。它有以下幾個特點：它的強度與時間的對數(shù)成正比。(2)隨溫度增高,粘滯剩磁增大。裸露于地表的巖石,受晝夜及季節(jié)的溫差變化的熱騷動影響,隨時間增長,會形成較強的粘滯剩磁。具有較大粘滯剩磁的巖石標本,不宜用于古地磁研究