岩石与矿物的磁性.pdf

19 90 年6月国外地质勘探技术第6期 声 岩石与矿物的磁性 R ober t 5 . Ca r创比ic h ael 月 l J 舀 岩石由矿物颗粒与晶体组成 , 它们的磁化强度由具有磁性的矿物组分所引起 . 全岩中 的磁性矿物也许只占百分之几 . 正是因为占比例很小的这一部分岩石及其化学与物理状 态 , 决定了岩石的磁性和磁化强度 , 于是就产生了两个结果 1 . 在给定的岩体或构造内 , 磁性变化很大 , 它取决于化学不均匀性 , 沉积或结晶条 件 , 以及形成后的地质历史 . 2 . 根据岩性岩石类型 和名称不一定能够 准确地预测磁性特征 . 这是因为岩石一 般是根据总的矿物成分 , 主要是硅酸盐矿物 , 来命名或分类的 . 然而 , 正是这一小部分 , 如铁的氧化物控制其磁化强度 . 尽管标准岩石的磁性变异性大 , 但磁性与岩石类型 和总体成分之间 , 存在着一般的关 系 , 这仍然是一个事实 . 若了解了以下内容 , 那么正确地预测和解释磁性 的可能性就增 加 1 . 结晶物质磁化的基本现象 . 2 . 磁性矿物的磁性特征 , 以及磁性随化学成分 、 粒度 、 机械状态 、 温度 、 压力与其 它因素的变化 . 3 . 典型岩石的性质及其随地质条件的变化 . 岩石磁性的应用包括 1 . 用磁法勘探进行地下填图 , 对隐伏岩石的深度 、 规模 、 磁性矿物 、 磁性物质比例 进行解释 , 并对岩石性质岩石类型作出推断 . 这种磁法勘探 , 无论是在地面 、 空中 或海上进行 , 在勘探与解释隐伏地质构造 、 岩性 、 资源和矿床方面 , 都是首先使用的良好 工具 . 用磁法勘探能够直接或是通过推断确定出矿体例如铁矿的位置 . 另外的例子是从 厚的沉积地层下面隐伏的结晶的 “基底’岩石的起伏界面, 确定有利的储油气的构造环境 . 2 . 为开展古地磁工作 , 了解岩石磁性的起因与性质 , 目的是解释剩余磁化强度 . 它 能够表明在岩石形成时的地球磁场的特征 , 并用来进行地层的对比 、 年龄鉴定以及恢复过 去的地壳运动 . 后者包括构造形变 、 海底扩张和大陆漂移 “板块构造”。 正是岩石 的磁 性与磁化以及岩石序列中的磁化模式 , 给出了原始的定量证据 , 令人信服地证明 了在地 质历史上 , 地壳断面曾经历过大规模的横向位移 . 下面两句话 , 表明 了这种作用 ‘ 磁性可能是恢复洋底和大陆 漂移历史的关键 ” He i r曰e r , J , R ., 197 3 .“ 百地 磁的 彭 { 究 , 在过去的十年内 , 已经引起地球科学的一场变革 ”M c E lhi n ny , M . W ., 197为 。 3 . 材料科学方面的应用 , 像生产具有预期磁性的材料 , 例如铁氧体存储器磁芯 、 滋 带或者永久磁铁 . 符号与单位 岩石与天然物质的磁性研究包括 l 地磁地磁场的起源与成因 , 特征与形态以 及随时间的变化; 2 岩石磁性磁性矿物和岩石的磁性与特征;3 古地磁研究 岩石中保留下来的剩余磁化强度 , 以作为一种方法来推演在整个地质年代地磁场经历的历 史以及它的性质 . 地磁场的方向 、 强度 、 极性和形态具有重要的意义 . 表 1 磁性的符号与单位 符符号号名称称 C GS单位 翎‘一m u MKS单位 SI 和单位的等价盆级丫丫 巾巾巾 磁通通 1 0 , ma x 二U演克斯韦 二lwc b 试韦伯 B B B B B 磁通密度度r r r 二It已幻皿皿 感应户 户 } J0 ’g au Ss 高斯 , , 特斯拉 1 1 1 1 1 1 1平乎件子甲l , 些乎二二 或叭b盯/位 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1段克斯韦了厘术, , 韦伯/米勺 勺 } } } } } } } ”一 ,任‘““‘s s s n a no t留Ia a a { { { { { { { ““H 4 ’ , , 毫徽特斯勿 勿 B B B B B B B B B料。份 J H H H H H 磁场强度度 4汉x10 - , o饥ted d d I 加 79 . 5 amP一tur n /m m m 力场 澳斯翔翔伎 , 匝/米 或或或或如e/ cmZ Z Z Z Z 磁力线数/厘米b b b b b 产产产 磁导率率 10 , /4泥 g a 璐 s/ o c c c web Cr/ampe em m m 内内内内 ‘l l l 韦伯/安一米 B B B B B B B邵H H H 或he nr y /m m m 亨利/米 内内内内内“4 笼城 10 一, , B B B B B B B B B‘ 拜 r内H H H 妈妈妈妈妈l 尤尤 X X X X X 磁化率碑 碑 4铲 铲铲 I I I I I 比磁化率 , 龙 K /p p p J二XH H HJ 军H H H m m m m m 磁极强度度 1加m诚电磁单幻 幻 二amp一m 安培 米 l l l l l l l0 ’单位磁极 极极 m m m . d d d 磁瞩极矩矩 103 ‘前u ’或 或或 g g g g g g g au ss / c m、 高斯/厘米 3 J J J J J 磁化强度度 l『3 口恤u, 毯 au s s ampw em Z/ m 3 3 3 单单单位体积的偶极矩矩矩或 am p/m安培/ 米 I I I I I 徽化强度 . 单位位 ga us吮m3 / g g gF I n ,m 公/4 二拜r邢2 质质质盆 的偶极矩矩 高斯厘米 3 /克 库库库伦定律律 F二恤,I ng/解r 2 2 2 2 2 a . 1麦克斯韦比1韦伯要小10 . b . 地球表面的磁通密度约为0 . ‘高斯 . 或60 冷勿 在s I单位制中为0 . 00的6特斯拉 . 此结果是由下 面以s I单位表示 的截场强度力 得到的 H二互二 些 拼.月泥 x 一。一 x 一。一 , ‘4 7. 7 5 安 匝/米 在c g s单位制中. 此H值为4 7 . 75x4月xIr 0 . ‘奥斯特 . c . 在有理单位制中 , 有理单位是以 l/ 4习 x 无理单位 . d . 磁化率是没有盈纲的 , 但习惯上标出单位 , 以表示它所依据 的磁化强度J是恤u/ cm 即磁化率心 还是 .mu /g即比磁化率 . 52 上述工作已有长久的历史 . 几千年以前 , 中国人就把磁性岩石用于变戏法和导航 . 1269年Pc tr oPe rc gr i n u s研究了磁性岩石范围的极性特征 , 并且写下了也许是最早的 一篇重要 科学论文 Epi s to l a de M ag nete , 虽然这篇论文 , 直到 155 8 年才公布 . 160 0 年 , Wi l l i am Gi lbert根据他对磁石 磁铁矿周围磁场的实验观测结果 , 在英国发表了另 一篇早期的科学著作 ‘磁石’ , 并作出地球像一块磁铁的推论 . 传统和习惯上单位一直采用厘米 克 秒一电磁单位制c gs - - c t n u , 实际上所有文 献上的数值都是采用这种 c g s 单位 . 全面过渡到采用国际单位制s I 的时候尚未到来 , 因为对如何实现单位制的转换还缺乏一致意见 . 这是 由于这个专门问题与磁学 中基本量的 定义有关 . 例如 , 它们应当建立在磁极的基础上还是建立在电流的基础上;是选择有理化 单位或是无理化单位 。 表 1列出了厘米 克 秒制c gs 和米 千克 秒制m ks 单位以及它们之间的换 算 . 由于现存的岩石磁学方面的资料太多 , 加之工作者普遍的对 c g 制的偏爱 , 所以在下 面的图表中 , 仍采用 c g s 制单位 . 磁化 类型与参数 固有磁化的类型 反磁性 顺磁性 铁磁性 反铁磁性 自旋一斜交反铁磁性 亚铁磁性 超顺磁性 反磁性反磁性物质的磁感应略小于外加磁场 , 也就是原子磁矩起反抗外磁场的作 用 . 反磁性 归因于 电子绕 原子核的轨道运 动 , 磁化率 ‘ J/ H是负值 , 其大小 为 一10书em u / cm 3 左右 . 这种弱效应 , 在所有物质中都存在 , 而且只是在有外加磁场的情 况下才具有 . 顺磁性顺磁性物质其磁感应略大子外加磁场 . 原子偶极矩有一部分在外加磁场方 向上排列成行 , 增大了净磁化强度 . 顺磁性归因于不成对电子的自旋 . 其磁化率是小的正 值 , 界于1 0 闷到1 0 飞m u / cm3 之间 . 这种效应是弱的且仅在有外磁场的情况下才具有 . 铁磁性铁磁性物质的原子磁矩 , 包括在不加外磁场的情况下 , 由于交换相互作用 能 , 而强烈地趋向平行排列 . 滋矩指向同一方向 . 于是能有一内在的或自发的磁化强度和 一剩余磁化强度保留下来 。 仅当温度为绝对零度时 , 才能达到完整 的有序排列 , 在那种场 合 , 磁化强度将恰好是所有原子的磁矩的总和 . 在绝对零度之上 , 热能开始使磁矩发生紊 乱 物质在某一特征温度居里温度几 , 其磁矩的长程相互作用有序排列就 消失 . 在低 于居里点温度T c 时 , 铁磁性物质在外磁场内 , 使磁化排列得以致其磁感应远大于单独的 场 . 磁化率为正值 , 大小在 10一10, cm u / c m 3 之间 . 高于居里温度时 , 物质变成顺磁性 的 . 有一些物质 , 尤其是 Fe 、 C 。 、 Ni具有这种效应 , 它的强度大而且有剩余磁性 . 反铁磁性反铁磁物质在无外磁场存在时 , 其原子磁矩趋 向反 向平行的有序排列 , 子是样品没有净余的磁化强度 . 这类物质的例子是它们有两个磁矩相等但方向相反的磁原 子亚晶格 . 譬如在每个亚晶格内 , 有相同磁矩的原子的数目相等或原子数不等但其磁矩与 反方向的磁矩保持平衡 . 这类物质的磁化率类似于顺磁性物质 . 在温度高于奈尔点 T N 以 上时 , 磁性的相互作用被热能全部扰乱 , 于是转变成顺磁性物质 . 自旋斜交反铁磁性 是反平行的磁矩 , 偏离反铁磁性平面 , 结果引起一种弱磁性或 ‘ 寄生磁性 ’. 该物质在居里 温度时 , 磁性消失 . 赤铁矿 F勺o p是其中的一例 . 亚铁磁性物质或铁氧体此类物质的原子磁矩为反平行排列 , 但具有明显户净磁化 强度 . 由于自旋电子的数量不等或是偶极矩不等 , 使磁性亚好 各并不具有平衡的磁矩 . 于 是有了一剩余磁化强度 . 高于居里温度时厂物质为顺磁性的 . 此类物质的例子有磁铁矿 Fc 3o ’ 、 磁赤铁矿,F eZ仇 以及几种具有尖晶石结构的矿物 . 超顺磁性此类物质是指磁性颗粒或磁性区域很小 小于 0 .01拼m , 以致原子偶极 矩的共向排列被热能的无序化效应所压倒 . 在一定的温度情况下 , 有一个阻挡尺寸 , 低于 它时 , 磁性排列的驰豫时间很短 . 剩余磁化强度的类型 岩石和矿物可以保留各种形式的 、 取决于它们的磁性 、 地质起源和历史的剩余磁化强 度 . 可分为以下几 类 ARM 、 CRM 、 DRM 、 NRM 、 NRM 、 PRM 、 T RM以及 VRM . ARM一一 非磁滞剩余磁化强度 , 它是由于样品置于衰减的交变场中 , 另加上一 恒定的外磁场而引起的 . 交变场通常是由交流电通过螺线管或线圈产生 . 而定向场的作用 是当交变场减到零时 , 来偏置磁矩的最后取向 . 它用于实验室研究和样品 的 品质鉴定 . CRM 化学或结晶剩余磁化强度 , 它是在沉积或结晶后 , 经受某种物理化学变 化而获得的一种磁性状态 . 这种物理化学变化 , 可以是氧化作用或者是还原作用 , 也可 以 是物相变化 , 脱水作用 , 胶泥的沉淀作用 , 出溶 , 再结晶或颗粒生长 . 其过程通常是在地 磁场中恒温条件下发生的 . 对于某些沉积岩红层 和变质岩而言 , CRM 可能是重要 的 . DRM 沉积或碎屑剩余磁化强度 , 它是在碎屑沉积物 中由于细的颗粒沉积在 水体底部而形成的 . 最简单的情况是颗粒在静水 中落在一个水平面上 , 也 一 许伴随一些沉积 后的转动和调整 . 这些颗粒顺地磁场优先取向 , 得到一个地磁场方 向上的净磁矩 . 对于海 相沉积物 、 湖相沉积物和纹泥粘土 , DRM 可能是重要的 . IRM 等温剩余磁化强度 , 它是在施加外磁场以后 , 在样品中保存的剩余磁 矩 . 这通常是在为室温的恒温条件下完成的 . 它可能类似于闪电一感应剩余磁性 . 这对在 室内分析岩石的磁性特征是有用的 . NRM 天然剩余磁化强度 , 它是在采集样品时样品在自然状态或者在原地条 件下所见到的磁化强度 . NRM 是一个统称 , 它表示这里所描述的其它类型的剩余磁化强 度中的一种或者是几种的组合 . 例如NRM可以是原有 T RM 的颗粒的D RM , 加上在形 成后的地点在地磁场中获得小部分的v RM . pRM 压力剩余磁化强度;它是样品在磁场中经过机械形变过程获得的 . 因此 可以把它叫做形变剩余磁化强度 , 或叫做应变剩余磁化强度 。 外加的应力可以是在弹性或 塑性范围内 , 也可以是有向的构造压力 , 流体静压力或冲击力 . 最显著的效应是与磁性矿 物结构上的不可逆变化有关 . T RM 热剩余磁化强度 , 它是样品在磁场中从高于居里温度冷却到常温条件下 获得的 . 一般说来 由于它众所周知的产生方式 , 它的稳定性 . 它在火成岩及导生于火成岩 的沉积岩中有广泛的分布 , 以及它在古地磁应用中的可靠性 , TRM是最重要时一种剩余 磁化强度 PT RM 部分热剩余磁化强度是总热剩余磁化强度的一部分 , 它仅仅是在 一个有限 闷J温度间隔 , 即TZ - - T , 范围内 , 在加有磁化场时样品冷却而产生的 , 这里丸与 T 均低于居里温度 T C . ITRM 反 向热剩余磁化强度是使样品在磁场中从低温加热到 常温引起的 , 它存吞于那些在低于居里温度T c 时遭受过一定的结构变化和磁性变化的磁 性 一 忌休 , 输段中 . vR M 粘滞剩余磁化强度 , 它是样品在一个小的外磁场中 , 随着时间的流逝逐 渐获得的 . 一般是在低温和地磁场中发生的 . 其磁矩不可逆的增长 , 通常是时间的对数函 数 . 这是一种使磁矩择优取 向的过程 , 是 由于热扰动所产生的 . 这种剩余磁化强度相当弱 也不稳定 , 但多数岩石都有这种剩余磁性 , 这是由于岩石自从获得其原始磁化强度以来一 直存在于地磁场中 . 总磁化强度是剩余磁化强度J r 与感应磁化强度J , 之和 . 对于弱磁场 , 后者是与磁场 成正比的 , 即J总J r J*J* ‘H . 术语与参数磁滞 , 形状效应表2 在对岩石磁性进行比较 、 描述和分类时用到以下的概念和术语 磁滞 这是指磁化强度J或者通量密度 化的磁滞曲线 。 它有如下参数 1 . 饱和或 “ 自发 , 磁化强度 J, . 样品 的总体磁矩是所有原子磁 矩处在最完善的有序排列 时 的磁 矩 . 这可由自发排列得到 , 例如在 单磁畴晶粒度 , 加一个充分大的磁 场 , 也能够达到饱和磁化 . J, 与 温度有关 , 在居里温度时 , 它减小 到零 . 2 . 饱和等温剩余磁 化强度 J t , s . t . 它是 当外 加磁场减 小到零 时 , 从饱和磁场留在样品中的剩余 磁化强度 . 3 . 剩余磁 化强度J r . 它是 从 不同于饱和IBM 的T RM , NRM 等某些磁化过程留下来的剩余磁化 强度 . 磁感应B随外磁场H外的变化 , 图1表示一理想 图l 磁滞曲线的一般形态与参数 4 . 矫顽力或矫顽磁场H C . 它是使 J。 . 减到零所需的磁场 . 有时称为剩余矫顽磁场 凡 . 剩余磁性并不因此长久减到零 , 当磁场移去时 , 磁化强度曲线将沿着一条 向上的轨 迹在J纵坐标上达到一个剩余值 . 对识别岩石磁性特征和分类有用的其它参数是反向磁场 , 当加上它时 , 剩余磁化强度例如J r . 、。 将减小到零 , 见图 1 中H c . J r . 或者欲使剩余 磁性减小到零 , 所要求的反 向磁场H . H 二 H 。 H c . , r 参阅表9脚注中的图 . 5 . 磁化率 K . 它表示在外磁场 中物质磁化的容易程度 . 通常 ‘ J/H 是 J随H 变化 曲线的斜率 . 然而它随H横坐标值的位置而变化 . 在小磁场时 , 磁化率是低的 , 外 场增大 ‘ 值也增大 , 然后当接近 J 时 , ‘ 值随之减小 . 磁化率或磁导率 ” , 对B与H 的关系曲线而言能从 曲线的任意点上测得 , 因此实验所得的变化很大 . 在岩石磁性和古 地磁工作中 , 确切的磁化率值是在零磁场 中测量得的 , 或者为了实用 , 在不超过地磁场 扭 0 . 5奥斯特 的磁场中测量得到的磁化率 . 磁化率的值确定岩石的感应磁化强度 , 因 此它在关于隐伏构造和岩体或矿体的地质勘探 中 , 对磁力图的解释与推断是有用的 . 标准的参量是 起始磁化率 d J . , , 。 ‘o 丽 ., 一。 ”J U 可逆磁化率 ‘ ,., 一 器 ., ,, H 式中H 0 或者是H小于 0 .5 奥斯特 剩余磁化率 在J r 处 , 即 J‘J r △J ‘ 二 ,二冬 __, △月 士。拙 退磁或形状效应 图2退磁场的影响 对于一个普通样品的磁滞曲线 , 在图 1 中有一个用虚线表示的向右上方延伸的斜率 . 这是由 “形状效应’引起的, 图2可以说明 . 在磁能状态不受其他因素 , 例如磁结晶各向异 性能支配时 , 磁化强度往往趋向样品 颖粒 、 晶体的最大尺寸长轴方向 . 这使产生 与 自由磁极有关的静磁能趋于最小值 . 由自由磁极产生的磁场是一个退磁场H, t g , 它与 J的值成正比 . 这个磁化强度J可以是J s例如 , 在一个单磁畴颗粒中或者是某个剩余 { { 磁化强度 J r 因此H, 二. s o c J , 也即H妇。 N J , N为退磁系数 , 它取决于样品的形状 于是作用于样品的有效磁场为 H of r H一H 山二明H一NJ 在图 1 中 , 对于横坐标H 。 虚线的斜率是 1/N . 如果将H‘绘制到横坐标上 , 则磁 滞回线便会被反 “剪切’ 成直立逆时针方向 , 以致倾斜的虚线变成垂直 . 即退磁效应将 从曲线中消去 , 也就是N O 均匀的磁化体 , 其形状效应 , 导致以下c g 单位制的退磁系数关系 物体形状 球体 参阅图 3扭 N a N ‘ N e 二4 兀 a 二b二e 因此 , N 。 4/ 3瓜 并在方向余弦为 1 , “2 , “, , 的方 向上 , 一, 。 , , 二 。 无限长圆柱体 3 B N 。 二N 。 二2“ 或长针 N 。 0 板状体 3c N 。 4 “ 或圆盘 N 一 N 。 0 B C a 1 矛上 艇竺二飞 _ 分多 一一 一 ” 一 肠 扁长椭球体 采 ‘ 无限长圆柱体 园盘 图3形状各向异性 , 为考代 阵N用 A扁长椭球体 a/b仁 功无限长圆柱体;c 圆盘 表2列举了椭球 、 圆柱 、 矩形棱柱体的退磁系数的值 , 以N/ 4二作单位 . 颗粒形状 , 特别是拉长的颗粒或者晶体中的磁区 , 对其磁性 气 与H c 等有重要影响 . 磁畴 为了使磁化孩粒或晶体的磁能减到最小 , 区域有趋向重新排列或再分成磁化强度取向 不同的 ‘磁 畴 ” . 每一磁畴都保留饱和磁化强度J . . 磁畴被畴壁平面区域隔开 , 在平面区域 内 , 原子磁矩是逐渐偏转的 . 因此作为磁畴磁化强度矢量和的体磁矩小于J . . 如果在能量 上容许 , 磁畴完全重新排列 , 样品能 ‘退磁’ 到 J r 。 . 势 一乌 万 . 禅了 “ 产 2 、椭球体 , 、 尺度比翻/价 回柱体与矩形梭柱体的退磁系数以 N 。/ 奴表示 ’椭 球妒 ”” } 圆柱常 ’ { ’ 0 9845 0 8608 07 5n气 0 心 、 月 0 -一 j 0 . 1 、 j6 0 . 1087 0 .0 754 0 .04 32 0 .0 284 0 . 02 03 0 . 口汉川3 0 夕650 0 7 967 0 , 680 2 0 528 1 0 . 3619 0 . 3 1 16 1819 它 . 1278 0 . 0984 0 . 0673 0 . 0511 0 . 0412 0 . 0例23 棱柱体 ‘ 0 9660 0 . 8051 0 . 6942 05482 U3 只4二 O飞J3 t , 3 0 . 1404 0 . 1085 0 . 0745 00567 0 , 0457 0 . 00 4 7 2 0 . 10 20 . 4护 24 . 61 0 1 0 0 。 . 椭球体的尺度比是a / b a/b l为长椭球体; 长度为h的圆柱体其尺度 比是h /d i a d i a 为直径;长度为h . 宽度为 w 的矩形棱柱体 , 其尺度比为h/ w . b . 根据s t 。加r , c . 根据J o阴p玩 化 。 E . C , 19 45; 和0 吕bo 、 , J . A . , 1 94 5 . 椭球体能被均匀磁化 , 因而有均匀的退磁场 . R . L , 19 7‘ 用 ‘徽侧方法’ 侧出样品体积空间变化的退磁系数取平均求得的 . 假定样品为均匀磁 d . 球体参见椭球栏从 4/30 .333 3 4 . 磁畴的建立 、 大小 、 形状 、 取向以及它的稳定性 , 均取决于颗粒的大小 , 形状和机械 条件例如微裂缝的存在 , 有错位 , 颗粒边界 , 无磁性化学 , 内应力状态以及温度等物 理因素 . 它们还取决于结晶作用和交换能 、 磁结晶各向异性能和畴壁能等磁性因素 。 有两种类型 的畴壁 布洛赫畴壁 与奈耳畴壁 . 布洛赫畴壁内 , 原子磁 矩的矢量在含有邻畴内矢量的壁平面 外旋转 , 而在奈耳畴壁内的矢量是在 该平面内旋转例如在薄膜 内 . 在 一个布洛赫壁中 , 磁矢量的方向是按 卯 。、 180 0 、 70 . 5 。 或者 109 . 5 。 改 变 , 这取决于晶体的各向异性 . 图 4 表示 了从单磁畴到多磁畴大 小不同的颗粒的横截面略图 . 表 3给出了磁铁矿 F勺 0. 和 铁磁性金属典型的畴壁厚度 . 很小的磁性颗粒不能保持原子磁 矩的连贯一致的排列 , 它们是超顺磁 性的 . 较大的颗粒能适应这种成行排 列 , 具有磁 化强度为 J . 的单个磁 畴;它们是 “单 磁畴 ’ 颗粒体 , 具有特 殊的磁性和状态 . 它们的磁化强度在 外加磁场 , 大的应力或者温度升高的 表3磁铁矿F e,0 . 和铁磁性材 料的畴壁厚度 材材料料璐壁类型 型 注解解畴壁厚度度 伽伽伽伽伽m 磁磁铁矿矿 l吕0 . . . 典型的 的 0 . 15 5 5 计计计计算的的 0 . 046 6 6 计计计计算的的 0 . 138 8 8 观观观观测的 的 0 . 50 0 0 铁铁铁 180 。。。 0 , 10 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 . 07州4 1 1 1 9 9 9 9 90 0 0 0 0 0 0 刀 5 5 5 多多多磁畴计算结果果 颗颗颗颗拉大小尔m 0 0 0 0 0 0 0 0 2 2 20 刀 12 2 2 0 0 0 0 0 0 0 .0 4 4 40刀16 6 6 0 0 0 0 0 0 0 .0 6 6 6 0 . 019 9 9 0 0 0 0 0 0 0 . 10 0 00023 3 3 雄雄雄 180 。。 典型的的 0 . 015 5 5 7 7 7 7 70 . 5 0 / l的5 。。。 0 . 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 . 206 6 6 0 0 0 0 0 0 0 0 0 . 090 . 1 1 1 1 钻钻钻 180 。。。 0刀16 影响下 , 随 J 矢量的旋转或倒转而改变 . 比 “单 畴临界尺寸 ’ 大的颗粒体 , 有一个以上的 磁畴 . 它们可以有 ‘多磁畴’ 的性质与状态特点 , 或者有一个 ‘伪单磁畴’过渡尺寸、 其中单 磁畴和多磁 畴的形态与特征都出现 . 对于多磁畴状态 , 磁化强度在外磁场中是靠一些磁畴 生长而另一些磁畴消失而改变 . 这是伴随畴壁的横向运动而完成的 . 在足够大 的磁场中 , 滋畴内的磁化强度本身可以转动 . 七 一飞 效 应 晶体中一个似江 , 公、盛一 个区域的大小 , 在决定固有磁 化强度的性质例如超顺磁性 或铁磁性 以及它的状态例 如多磁畴或单磁畴方面是很 重要的 . 它影响剩余磁化强度 的获得 、 保 持和稳定性 , 也影 响诸如 ‘ 、 H 。 和剩磁的 强 A 单磁畴大小 B 多磁崎大小 单轴的磁各 向具性 三次的体各向争 比 具有闭合磁畴 卿 度 . 表 4给出 了粒度效应对磁 性状态一一不 论是超顺磁性 SpM 、 单磁畴SD 、 伪单磁畴伊sD , 图4具有代表性磁畴外形的孩粒大小 还是多磁畴MD的影响 . 表4在室沮条件下晶粒大小对磁璐状态的影响晶粒大小以 户. 为单位 材材料料 注解 解超顺 ‘伪单 单 磁磁磁磁性单磁礴班踌 , 多磁礴礴 磁磁铁矿 矿 理论的; ; ; 0 03刊】 . 1 1 1 球球球形颗粒粒 0 . 03 0 .0 5 15一17 L L L L L/ d10 . . . 0 . 03 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 赤赤铁矿矿 理论的; ; ; ,一一 刃. 03 10 球球球形颗粒粒 0 . 0 3 10 0 0 0 1 1 1 1 1 1 150 0 0 0 铁铁铁铁 - 一心 . 13 0 . 018 镶镶镶理论的 ; ; ; 0 . 5 5 5 球球球形颖粒粒 0 ,0 5 5 5 L L L L L/d 10 . . . 02 2 2 a .L/d 是长度与直径的 比 . 关于磁铁矿颗粒 的形状 横坐标 与粒度 纵坐标 的关系 , 所得 计 算的 s PM 一SD一MD 的粒度范围示如图5 . 形状以 a /b比值表示 参阅图 3A , a /b1与 c b 为长球体 , a /b 的变化范围为 1到1 0 . 单磁畴向多磁畴 , 能向上延伸到图中的虚 线 . 图6给出了长椭球体从 a /b2到2 0 范围内SPM一SD 一MD 的分布范围 , 还给出了 三种不同温度条件下 , 这种分布范围的转变 . 百 砚 0 . 璐囚† 侧事 0 . 01 5 2 . 5 1 . 6 71 . 2 5 a/b 图5大小 、 形状不同的椭球形磁铁矿 F勺o, 颖粒的磁畴大小范围 . 计算结果 . 尺 寸 a /b如 图3 A所示 . 矫顽力是根据形状各向异性计算的 , T二27℃ 汀丫 扩 5 05 55 0 t u找„ 侧么娜纂 0 . 01 48121620 a / b 图6 不同大小和形状的椭球形颗粒的磁畴分布范围 . 尺度a / b 如图3A 所示 . 60 粒度对娇顽力H 。 的影响用图表说明 , 根据磁铁矿 粉末的测量结果示于表 5 , 根据分散的磁铁矿粉末的测 量结果示于图 7 . 直径大大于7 0 拜m 时 , 娇顽力与 粒度的关系不太大 , 这是因为这时多磁畴排列主要不 由 粒度决定 . 磁化率 ‘ 和矫顽力H 。 与粒度的一般关系 , 示于图 8 . 总的说来 , 这两个参数具有的关系彼此相 反 . 磁晶各向异性 所谓磁晶各向异性是指磁化强度磁矩有向某一 定的结晶方向优先取向的趋势 . 这是由于晶体的对称性 表5矫顽力‘ H c 随磁铁矿 粉末粒度的变化 平平均粒径印m Hc o e 8 8 80 0 0l0 0 0 4 4 40 0 0 2 0 0 0 l l l2 2 250 0 0 4 4 4 4 410 0 0 0 2 2 2 2 22 0 0 0 0 0 . 0名名2 5 0 0 0 0刀5 5 54 20 0 0 H e o e 5。。丰 未退火 的翔粒 \ 叼 000n2 ‘.1 10 2 05 10 02 0 0 直 径 产m 图7分散性磁铁矿粉末的矫顽力与粒度的变化关系 所致 . 磁晶体具有一种磁性原子排列规则的晶格 . 原子磁距之间有相互作用 , 这与它们在 空间的取向以及原子间距有关 . 有些方向对于磁化排列具有较低的能量 . 由于这种各向异 性 , 磁矩将趋向于磁晶各向异性能 E 为最小的方 向 , 这些方向就是易磁化方向或称易磁 化轴 . 使磁化强度偏离这些方向需要做功 . 对于一个单轴各向异性晶体 , 其磁晶各向异性 能量 E , K O K lsin,中 Kz s i n ’职 . ⋯, 式中K 。二 常数 “各 向同性 ’ 项 , K l, K 二磁晶各 向异性常数 , 毋二磁化强度与优先轴 易磁化轴 之间的夹角 . 这是一个消去了 si n 中的 奇数项 , 具有绕 价o 对称条件的级数展开式 . p 扩与 180 。 都是易磁化方向 , 两者在 能量上是同样有利的 。 在一个立方晶系的晶体内 , E K 二K 。 K 圣 笋 圣 卜 弘协 K Z } 圣 卜⋯⋯ 式中成 二磁化强度矢量相对于立方体各轴的方向余弦 . 对于斜方晶系 , E K KO K I 卜K Z 圣 K 、 14 K 2 圣 卜K Zz 盆 式中已利用吠 峨 十心 1消去 心 . 晶粒 大 小 超 顺 磁单磁畴多磁 畴 图8磁化率劝和矫顽力似p与粒度的一般关系 磁晶各向异性常数的数值随温度变化 , 在居里温度时 , 易磁化方向与难磁化方向之间 的能量差别消失 . 有些物质在较低温度时 , 磁各向异性项可以互相抵消 , 趋近于零 , 或者 改变符号 . 当它们的联合作用是将 E x 减到零 , 晶体实际上成为磁各向同性的 . 过了这一 温度 , 磁化强度优先的取向可以从一个轴或一组轴转换到另外的轴 . 这叫做磁晶各向异性 转变 , 它发生在 T K 温度时 , 而且可在多种物质中发现 . 磁致伸缩各向异性 磁致伸缩现象是样品尺寸和机械形变的变化对它的磁化强度的大小和方向变化的依赖 关系 . 在一个晶体中 , 原子偶极矩的成行排列引起弹性应变 . 尺寸上的变化也即应变 , 取 决于磁相干性的程度 , 也就是磁化的强度J . 弹性形变除改变磁晶各向异性能外 , 还产生 一磁致弹性各向异性能 . 磁致弹性各向异性能取决于应力的的大小 , 应力相对于磁化 强度矢量的取向以及磁致伸缩常数所反映的晶体对称性质 . 对于一个立方晶体 . 其磁致伸缩各 向异性能为 E、3 /2义 、. 。 子 吞圣 护卜 璧 吞 ; 3又1、、。 圣 呈 口 、口 2 圣 爹 刀J 3 心 子 召 3口1 式中 , 应力压缩应力带正号; 磁化强度矢量 J的方向余弦; 吞应力 。 的 方向余弦; 之 、、。二 晶体的[ l 10 1 轴的磁致伸缩常数; 又 , [ l川轴的磁致伸缩常数 . 久是饱和状态时的常数 , 就是各个方向上由饱和磁场与 J .引起的应变 . 对于一个 微晶无规取向的多晶样品 , 其总体平均饱和磁致伸缩常数用又 . 表示 . 假如一个晶体受外加压力发生弹性应变 , 磁化强度和它的各向异性都受到影响 , 这个 过程叫做反向的磁致伸缩 , 或叫压磁现象 . 表 6列出了某些磁性物质的磁晶各向异性常数k 与磁致伸缩各 向性常数几 表‘磁晶与磁玫伸缩各向异性常数 材 料 铁 室拐时的值 } } } } } ‘, , 4 4 4 一 2 2 2l5 5 5 5 5 一20 0 0一7 7 7 钦磁铁矿 钦尖晶石磁铁矿 eZTIO。 乏[一xF 、、G- 片℃时的值 少 磁致伸缩 X 0 0 . 0 4 0 . 10 018 031 0 . 5 6 0 . 68 J J J 。。 K r K Z Z Z emu /g x 一。 一,e; 95/ em3 钦铁赤铁矿 钦铁矿一赤铁矿 yFeT i03 l,Fe 20, 室温时的值 J J J J J . . . 之贵 ,2 2 2 又全 , 又 . . . y y y y y emu /g x 一。 一‘em / em 0 0 0 0 00 . 5 5 58 8 81 . 。 ⋯ } } } } } } } } } } } 镍 室温时的值 _ , } K 】 ⋯ - 五 - 一月- 一 凶些州塑一 典型的 } 司滩8 1 司3 吕 } 刁”} 阅乃 { 4 2 ⋯ ‘ 46 ⋯ ‘ . 3“ 又一。又一1- x 一。 一气m / em 之 . 止--- 一 _ _ _ a . 在荃面0 0 0 1上 b . 正交于以甲】面 一一2 4 4 4一34 4 4 一一25 磁性矿物学 , 结晶与磁性 在某些性磁矿物中保留着岩石的磁性 . 这些矿物及其物理化学状态 , 控制着剩余磁化 和感应磁化的强度和超时的稳定性 . 就磁法勘探和古地磁而言 , 对岩石样品的磁性作出正 确的地质解释 , 将取决于对岩石所含矿物的矿物学 、 结构 、 磁性与机械性质等方面的知 识 . 这里给出了重要特性方面有代表性的数值 . 这些数值是 “典型 的 ’ . 在已公布的数值之 间有时存在相当大的差异 , 这常常是 由于所研究的 “天然” 矿物和岩石条件和成分不同造成 的 . 岩石磁学方面的重要的矿物 具有磁性或在磁性矿物研究方面有意义的主要矿物是 铁的氧化物 钦磁铁矿系列 钦尖晶石型磁铁矿 x Fe厂10 ; l一 x Fe 30; 钦赤铁矿系列 钦铁矿赤铁矿 yFeTio , . l一y FeZO 3 磁赤铁矿 7Fe20 3 假象赤铁矿 F勺0 3 针铁矿 厂 eo oH 自然界最常见的含水的氧化铁 , 即 “褐 铁矿 ’ Fe20 3. HZo 纤铁矿 下Fe0 OH 四方纤铁矿 刀 Fe0OH 硫化物 磁黄铁矿系列 陨硫铁磁黄铁矿 yFeS l一yFe l, S 黄铁矿 F eSZ 白铁矿 FeS Z 四方硫铁镍矿 Fc S 碳