第二章岩石磁性ppt课件.ppt

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1、磁法勘探第二章 岩石的磁性 第一节 物质的磁性 第二节 岩（矿）石磁性特征 第三节 岩石的剩余磁性 第四节 地质体磁化的消磁作用 位于地壳中的岩石和矿体处在地球磁场中，从它们形成时起，就受其磁化而具有不同程度的磁性，其磁性差异在地表引起磁异常。 研究岩石磁性，其目的在于掌握岩石和矿物受磁化的原理，了解矿物与岩石的磁性特征及其影响因素。 有关岩石磁性的研究成果，亦可直接用来解决某些基础地质问题，如区域地层对比，构造划分等。 各类物质，由于原子结构不同，它们在外磁场作用下，各类物质，由于原子结构不同，它们在外磁场作用下，呈现不同的宏观磁性。呈现不同的宏观磁性。一、抗磁性一、抗磁性( (逆磁性逆磁性

2、) ) 在外磁场H作用下，这类物质的磁化率为负值，且数值很小。 抗磁性物质没有固有原子磁矩，受外磁场作用后，电没有固有原子磁矩，受外磁场作用后，电子受到洛伦茨磁力的作用，其运动轨道绕外磁场作旋子受到洛伦茨磁力的作用，其运动轨道绕外磁场作旋进进( (拉莫尔旋进拉莫尔旋进) )，此旋进产生附加磁矩，其方向与外，此旋进产生附加磁矩，其方向与外磁场相反，形成抗磁性。磁场相反，形成抗磁性。 抗磁性磁化率很小，约为抗磁性磁化率很小，约为1010-5-5数量级。数量级。第一节 物质的磁性二、顺磁性二、顺磁性 顺磁性物质受外磁场作用，其磁化率为不大的正值 这类物质中原子具有固有磁矩，当无外磁场作用时，热骚动使

3、原子磁矩取向混乱。 有外磁场作用，原子磁矩(电子自旋磁矩所作的贡献)顺着外磁场方向排列，显示顺磁性。三、铁磁性三、铁磁性 (1)磁化强度与磁化场呈非线性关系 在弱外磁场的作用下，铁磁性物质即可达到磁化饱和，其磁化率要比抗、顺磁性物质的磁化率大很多。 它具有下述磁性特征：铁磁性物质的磁滞回线对未磁化样品施加磁场H作用，随H值由零增至Hs，而后减至零，反向由零减至-Hs，再由-Hs增至Hs，变化一周，样品的磁化强度M，沿O、A、B、C、D、 E、F、A变化，诸点所围之曲线，称磁滞回线。表明铁磁性物质的磁化强度随磁化场变化，呈不可逆性。其Hc称为矫顽磁力，不同铁磁性物质它的变化范围较大。 (2)磁化

4、率与温度的关系，服从居里魏斯定律。即 式中C是居里常数，T是热力学温度，Tc是居里温度 当TTc，铁磁性消失， 转变为顺磁性. 一般铁磁性的很高，例如铁为1 043K，钴为1 388K。但是，随着低温测量技术的发展，又发现了一些稀土元素低温下会转变为铁磁性，如铒（Er）、钬（Ho），其均为20K。CTTCk (3).实验室结果说明，铁磁性物质的基本磁矩为电子自旋磁矩，而轨道磁矩基本无贡献。实验证明，铁磁物质内，包含着很多个自发磁化区域，它叫做磁畴。在无外磁场作用时，各磁畴的磁化强度矢量取向混乱，不呈磁性。当施加外磁场时，磁畴结构将发生变化，随外磁场增加。通过畴壁移动和磁畴转动的过程，显示出宏观

5、磁性。 由于磁畴内原子间相互作用的不同，原子磁矩排列情况有别，铁磁性又分为三种类型。 各种铁磁性原子磁矩的排列示意图 (a)铁磁性(b)反铁磁性(c)亚铁磁性 铁磁性：磁畴内原子磁矩排列在同一方向，例如铁、镍、钴即属于此。 反铁磁性：磁畴内原子磁矩排列相反，故磁化率很小，但具有很大的矫顽力。 亚铁磁性：或称铁淦氧磁性，磁畴内原子磁矩反平行排列，磁矩互不相等，故仍具有自发磁矩。此类物质具有较大的磁化率和剩余磁化强度。第二节 岩（矿）石磁性特征不同岩石的密度不同岩石的密度 一、表征磁性的物理量一、表征磁性的物理量( (一一) )磁化强度和磁化率磁化强度和磁化率 均匀无限磁介质，受到外部磁场H的作用

6、，衡量物质被磁化的程度，以磁化强度M表示，它与磁化场强度之间的关系为 式中，是物质的磁化率，它表征物质受磁化的难易程度，是一个无量纲的物理量。 实际工作中，磁化率仍注以单位。单位。 SI单位制它用SI()标明。 CGSM单位制，它用CGSM ()标明。 两者的关系是HM)(41)(1CGSMSI 在两种单位制中，磁化强度的单位，分别是A/及CGSM(m)，二者的关系是 A/m= 10-3 CGSM（） 在国际单位制中，磁化强度和磁场强度量纲相同，都为安培/米(A/m)， 在CGSM制中，磁化强度用高斯(GS) 磁场强度用奥斯特(Oe)( (二二) )磁感应强度和磁导率磁感应强度和磁导率 在各向

7、同性磁介质内部任意点上，磁化场H在该点产生的磁感应强度(磁通密度)为: 式中:B以特斯拉(T)为单位，是介质的磁导率H/m(亨利/米)。HB 若介质为真空，则有: 式中0是真空的磁导率(0=4x10-7 H/m)。 令r=/0 (相对磁导率)，可得 上式为物质磁性与外磁场的关系。 显然，在同一外磁场H作用下，空间为磁介质充填，与空 间为真空二者相比，B增加了H项，即介质受磁化后所生产的附加场，其大小与介质的磁化率成正比。磁介质的r=1是一个纯量。 与0二者之间的关系为HB0HHHHBrr)1 () 1(0000)(0MH )1 (0(三)感应磁化强度和剩余磁化强度 位于岩石圈中的地质体，处在约

8、为0.510-4(T)的地球磁场作用下，它们受现代地磁场的磁化，而具有的磁化强度，叫感应磁化强度，它表示为 式中:T是地磁场总强度，是岩石矿的磁化率，它取决于岩、矿石的性质。TMi 岩、矿石在生成时，处于一定条件下，受当时的地磁场磁化，成岩后经历漫长的地质年代，所保留下来的磁化强度，称作天然剩余磁化强度M，它与现代地磁场无关。 岩石的总磁化强度M，是由两部分组成，即 磁法勘查中，表征岩石磁性的物理量是(M)、M及M。rriMTMMM岩、矿石受当时地磁场的作用岩、矿石受当时地磁场的作用 经历了构造变动，剩磁的方向变化经历了构造变动，剩磁的方向变化 现代地磁场作用现代地磁场作用 总磁场强度是总磁场

9、强度是Mi与与Mr的合矢量的合矢量 二、矿物的磁性二、矿物的磁性 矿物组合成岩石，岩石的磁性强弱与矿物的磁性强弱有直接的关系。(一)抗磁性矿物与顺磁性矿物 自然界中，绝大多数矿物属顺磁性与抗磁性的。 对于其中几种常见矿物的磁化率，见下表。矿物的磁化率矿物的磁化率抗磁性矿物，其磁化率都很小，在磁法勘探中通常视为无磁性的。顺磁性矿物，其磁化率要比抗磁性矿物大得多，约两个数量级。(二)铁磁性矿物 自然界中不存在纯铁磁性矿物，最重要的磁性矿物当推铁钛氧化物。 地壳中纯磁铁矿少见，大多由不同比例的铁、钛、氧组成复杂的固熔体，它是典型的亚铁磁性。 在我国鲁、冀、鄂、苏、皖等省的铁矿区，磁铁矿的磁化率一般为

10、(0.0020.2)SI()，其剩余磁化强度一般为(2.2 2325)A/m。 可见，磁铁矿不仅有较强的磁化率，且具有较强的剩余磁性，其变化范围较大。铁磁性物质的磁化率铁磁性物质的磁化率Brennand11.6K Koppio11.34KGreenpatch20KBald Hill24KCharlton GullyOolanta14KWhite FlatIron Mount9.66K南澳大利亚Greenpatch,Bald Hill,Koppio,Brennand,Iron Muont,Oolanta 等矿区南澳大利亚Carrow矿区测井磁化率统计 岩矿石类型碳酸盐BIF氧化带BIF硅酸盐BI

11、F磁铁矿 BIF平均磁化率（10-3SI）518.5017.51359.951000-1500岩矿石类型大理岩花岗岩残余土粘土、盖层平均磁化率（10-3SI）4.530.1522.70.34 磁铁矿BIF平均磁化率较高，而被风化剥蚀的BIF磁化率较低，只有17.5110-3SI。上覆第三系的泥土、残余土磁化率仅0.3410-3SI，可视为无磁性，花岗岩和大理岩也可视为无磁性。 (二)火成岩的磁性 依据火成岩的产出状态，又可分为侵入岩和喷出岩。1、侵入岩的不同岩石组(花岗岩、花岗闪长岩、闪长岩、辉长岩、超基性岩等)，其平均值，随着岩石的基性增强而增大。 它们的磁化率，均具有数值分布范围宽的相同特

12、征。2 2、超基性岩是火成岩中磁性最强的。 超基性岩体在经受蛇纹石化时，辉石被分解形成蛇纹石 和磁铁矿，使磁化率急剧增大，可达几个SI()单位。3、基性、中性岩，一般来说其磁性较超基性岩次之。4、花岗岩建造的侵入岩，普遍是铁磁顺磁性的，磁化率不高。三、各类岩石的一般磁性特征 地壳岩石可分为沉积岩、火成岩及变质岩三大类。(一)沉积岩的磁性 一般说来，沉积岩的磁性较弱。 沉积岩的磁化率主要决定于副矿物的含 量和成分，它们是磁铁矿、磁赤铁矿、赤铁矿，以及铁的氢氧化物。其造岩矿物如石英、长 石、方解石等，对磁化率无贡献。 沉积岩的天然剩余磁性，与由母岩剥蚀下来的磁性颗粒有关，其数值不大。 地壳岩石的磁

13、化率和天然剩余磁化强度 5、喷发岩在化学和矿物成分上与同类侵入岩相近，其磁化率的一般特征相同。由于喷发岩迅速且不均匀的冷却，结晶速度快，使磁化率离散性大。6、火成岩具有明显的天然剩余磁性，其Q=Mr/Mi称作柯尼希斯贝格比。 不同岩石组的Q值范围，可在010或更大范围变化。(三)变质岩的磁性 变质岩的磁化率和天然剩余磁化强度，其变化范围很大。 按其磁性变质岩可分为铁磁顺磁性和铁磁性两类，与原来的基质有关，也与其生成条件有关。 由沉积岩变质生成的，称水成变质岩，其磁性特征一般具有铁磁顺磁性；由岩浆岩变质生成的，称火成变质岩，其磁性有铁磁顺磁性与铁磁性两组。 这和原岩的矿物成分，以及变质作用的外来

14、性或原生性有关 。 具有层状结构的变质岩，表现有磁各向异性。四、影响岩石磁性的主要因素 岩石的磁性是由所含磁性矿物的类型、含量、颗粒大小与结构、以及温度、压力等因素决定的。(一)岩石磁性与铁磁性矿物含量的关系 根据实验资料和理论计算，侵入岩的磁化率与铁磁性矿物含量之间存在统计相关关系。 一般来说，岩石中铁矿性矿物含量愈多，磁性也愈强。(二)岩石磁性与磁性矿物颗粒大小、结构的关系 实验结果表明，在给定的外磁场 作用下，铁磁性矿物的相对含量不变，其颗粒粗的较之颗粒细的磁化率大。 可用于衡量剩磁大小的矫顽力HC，与铁磁性矿物颗粒大小的关系恰相反。31.35410/HA m表明HC随铁磁性矿物颗粒的增

15、大，呈减小的相关关系。喷发岩的剩磁常较同一成分侵入岩的剩磁大。 此外，铁矿性矿物在岩石中的结构，对其磁化率也有影响。 当磁性矿物相对含量、颗粒大小都相同，颗粒相互胶结的比颗粒呈分散状者磁性强。(三)岩石磁性与温度、压力的关系高温与高压，对矿物和岩石的磁性会产生影响。顺磁体磁化率与温度的关系，已由居里定律确定。 铁磁体磁化，同时发生机械变形，其形变与晶体大小变化有关。 铁磁体变化时，其形状和体积的改变称为磁致伸缩。 岩石在机械应力作用下，由于铁磁体的磁致伸缩，其磁性大小会有变化。 比如在弱磁场中，当磁铁矿受到400kg/cm2的单向压力时，其磁化率减小2030%，且其减小与磁化场强度还有关系。

16、同样，岩石磁化率随着所受机械压力的增加而减小。 垂直于受压方向所测得的磁化率，对压力的相依关系较弱。 岩石的剩余磁化强度，亦随着岩石受压的增大而减小。 第三节 岩石的剩余磁性一、岩石剩余磁性的类型及特点一、岩石剩余磁性的类型及特点 （一）热剩余磁性(TRM) 在恒定磁场作用下，岩石从居里点以上的温度，逐渐冷却到居里点以下，在通过居里温度时受磁化所获得的剩磁，称热剩余磁性(简称热剩磁)。 应当注意，热剩磁并非全都是在居里温度时产生的。如将岩石自居里点逐渐冷却至室温，且只在某一温度区间施加外磁场，由此得到的热剩余磁性，称部分热剩磁。 热剩磁具有如下的特点：(1)强度大 在弱磁场中，其热剩磁强度大致

17、正比于外磁场强度，并同外磁场方向一致。因此，火成岩的天然剩余磁化强度方向，一般代表了成岩时的地磁场方向。(2)具有很高的稳定性 剩磁随时间衰减的现象，叫做磁性弛豫。热剩磁的稳定，表现为其弛豫时间很长。实验表明，外磁场的变化，温度在200300内的热作用，很难影响热磁的变化。(3)实验证明，总热剩磁是居里温度至室温，各个温度区间的部分热剩磁之和。即热剩磁服从叠加定律。 (4)若将已具有热剩磁的标本，在零磁场空间内，从室温加热到某一个温度t1，然后再冷却至室温，则标本中温度t1以下的部分热剩磁全部被清洗掉，称部分热退磁(或热清洗)。此过程可能通过不断提高加热温度来重复进行，最终得到一个热剩余磁化强

18、度，说明热退磁过程也服从叠加定律。(5)热剩磁的方向与外场一致。因此，火成岩的天然剩磁方向一般代表岩石形成时期的地磁场方向。(6)在弱磁场中热剩磁的强度正比于外磁场感应强度B： JTRMCTB式中，CT为比例系数。(7)热剩磁主要在居里点附近获得。 （二）碎屑剩余磁性(DRM) 沉积岩中含有从母岩风化剥蚀带来的许多碎屑颗粒，其中磁性颗粒(磁铁矿等)在水中沉积时，受当时的地磁场作用，会沿地磁场方向定向排列，或者是这些磁性颗粒在沉积物的含水孔隙中转向地磁场方向。沉积物固结成岩石，保存下来的磁性称为碎屑剩余磁性(沉积剩余磁性，简称碎屑剩磁)。 碎屑剩磁具有如下的特点:(1)它的强度正比于定向排列的磁

19、性颗粒数目，其强度比热剩磁小得多。(2)形成碎屑剩磁的磁性颗粒大都来自火成岩，这些颗粒的原生磁性来自热剩磁。因此，碎屑剩磁比较稳定。(3)等轴状颗粒，其碎屑剩磁方向和外磁场(地磁场)方向一致。（三）化学剩余磁性(CRM) 在一定磁场中，某些磁性物质在低于居里温度的条件下经过相变过程（重结晶）或化学过程(氧化还原)，所获得的剩磁，称化学剩余磁性(简称化学剩磁)。 化学剩磁具有如下的特点:(1)在弱磁场中，其强度正比于外磁场的强度；(2)有较高的稳定性；(3)在相同磁场中，化学剩磁强度只有热剩磁强度的几十分之一，但大于碎屑剩磁强度。 上述二种剩余磁性，统称为原生剩磁。（四）黏滞剩余磁性(VRM)

20、岩石生成之后，长期处在地球磁场作用下，随时间的推移，其中原来定向排列的磁畴，逐渐地弛豫到作用磁场的方向，这一过程中所形成的剩磁称黏滞剩余磁性。 黏滞剩余磁性具有如下的特点: (1)强度与时间的对数成正比。 (2)随温度增高，黏滞剩磁增大。 裸露于地表的岩石，受昼夜及季节温差变化的热骚动影响，随时间增长会形成较强的黏滞剩磁。具有较大黏滞剩磁的岩石样品，不宜用于古地磁研究。（五）等温剩余磁性(IRM) 在常温没有加热情况下岩石因受外部磁场的作用(比如闪电作用)，获得的剩磁称等温剩余磁性。 等温剩磁是不稳定的，其大小和方向随外磁场变化。 上述第（四）、（五）两种剩磁，是在岩石生成之后，因受某此外部因

21、素的作用获得的，因此称它们为次生剩磁。二、各类岩矿石剩余磁性的成因 岩石的天然剩磁，其形成的因素是复杂的。由成岩至今，各种地质作用、物理和化学的变化过程，都会影响剩余磁性。不同类型的岩石原生剩磁，其形成的原因不同。 1.火成岩剩磁的成因 热剩磁是形成火成岩原生剩磁的原因。熔融岩浆由高温冷却，通常当温度降至1073K时开始凝固，形成各种固熔体。铁磁性矿物的居里点一般在673-853K以下，当火成岩由高于居里点温度，下降到铁磁性组分的居里点以下，受地磁场的磁化作用，磁性矿物磁畴排列到地磁场方向上，而获得强的磁性。随着温度继续下降，磁畴热扰动能量减少，不够使磁畴体积变化和使磁畴转向，从而保留下来剩余

22、磁性，即热剩磁。 2.沉积岩剩磁的成因 沉积岩的生成与火成岩完全不同，没有高温冷却过程，沉积岩的剩余磁性，是通过沉积作用和成岩作用两个过程形成，前者形成碎屑剩磁，后一者成岩作用经氧化和脱水过程，获得化学剩磁。因此，沉积岩的剩磁系碎屑和化学剩磁。3.变质岩剩磁的成因 变质岩的剩余磁性与其原岩有关，由火成岩变质生成的正变质岩，它可能有热剩磁，由沉积岩变质生成的副变质岩，它可能有碎屑剩磁与化学剩磁。三、研究岩石剩余磁性的地质意义 岩石的剩磁Mr对于解释磁测资料是必不可缺少的，尤其是当剩磁较强，且与现今地磁场方向又不一致，在解释磁异常时若只考虑Mi，则可能导致错误结论，例如可能使推断矿体的产状出现错误

23、。在火山岩地区，研究岩石剩磁，对于区分矿与非矿的异常也有重要意义。 古地磁研究是地磁学的一个重要方面。它是通过测定岩石或古代文物（砖瓦、陶器和古冶炼炉等熔烧粘土制品）的原生剩磁，来研究地质史期和人类文明史期的古地磁场方向、强度及其演变规律。它已发展成为地学中重要的一门分支科学古地磁学。我国东部著名的郯城庐江深大断裂，多数学者认为它是左旋平移断层。但是，对平移的时间和距离，却有不同的看法。国家地震局地质研究所对断裂带东西两侧的寒武纪、侏罗纪地层进行的古地磁测量，为解决上述问题提供了有意义的资料，如图所示，在断裂带东侧，复县早寒武世磁偏角338，五莲晚侏罗世磁偏角7，说明后者是相对前者顺时针旋转了

24、29。断裂带西侧宿县早寒武世磁偏角42，霍山晚侏罗世偏角17，则后者较前者逆时针旋转25。上述表明，断裂带两侧地壳各自有着独立的运动方式，至少在侏罗纪前，两侧地层已发生过相对运动。郯城庐江断裂带两侧古地磁偏角图第四节 地质体磁化的消磁作用关于退磁、磁各向异性的影响1、退磁、退磁计算强磁性矿体磁场常常需要考虑退磁作用引起的非均匀磁化，以及磁化率和剩余磁化强度不均匀或各向异性等复杂情况。对于均质不规则强磁性体，只考虑退磁作用引起的非均匀磁化时，可以用解积分方程方法；对于更复杂的情况可以用有限单元法正演。图1磁性体上部磁场剖面图1未计消磁作用；2计消磁作用图1是用解积分方程方法计算的倾角为的板状体的

25、磁场，考虑退磁作用的计算结果大约减小20%。 综上所述，退磁作用是有一定影响的。按非均匀磁化计算其影响不超过20%，在资源评估时予以考虑。2、磁各向异性、磁各向异性磁各向异性是指磁性体由于受构造变动因素影响，各个部分的剩余磁化方向不一致。例如，沉积变质铁矿受构造影响，当含矿的沉积地层发生褶皱时，各部分的剩余磁化方向会发生变化。当剩磁很强时，就会影响总磁化强度的方向，造成反演解释结果的误差。图1磁性体上部磁场剖面图1-未计消磁作用；2计消磁作用 当磁性体的磁化率当磁性体的磁化率 （或），视磁化率与真磁化率的误差大于（或），视磁化率与真磁化率的误差大于1%，消，消磁作用不能忽略，这时候必须考虑消磁

26、作用的影响。磁作用不能忽略，这时候必须考虑消磁作用的影响。如图如图4.3.1所示，设均匀有限磁介质受外部磁场（地磁场）所示，设均匀有限磁介质受外部磁场（地磁场）T0磁化，磁化，则其两端表面将有面磁荷分布，它在其内部产生与磁场则其两端表面将有面磁荷分布，它在其内部产生与磁场T0方向相反的方向相反的磁场磁场Te，成为消磁场，成为消磁场 。则有限体内部的磁场为。则有限体内部的磁场为对于均匀磁化磁性体，其消磁场为对于均匀磁化磁性体，其消磁场为式中式中N为消磁系数，它是与磁性体的形状有关的常数，负号表示为消磁系数，它是与磁性体的形状有关的常数，负号表示Te与与M方向相反。方向相反。Mi与与Mr表示感应磁

27、化强度与剩余磁化强度。表示感应磁化强度与剩余磁化强度。0eTTT()eirTNMN MM 图4.3.1有限物体消磁作用示意图 则在消磁作用下，有限体受磁化后，其感应磁化强度为 或记为011irKKMTNMNKNK0irMK TK NM1KKNK K1NKKK 当称视磁化率，它是一个与形状有关的物理量，当 时才有常见规则形体的消磁系数消磁对 的影响 iM除球体外，同一形体不同方向的消磁系数不同。因此消磁作用不仅会影响的大小，还会影响它的方向。若有一个长度很大的水平圆柱磁性体，受倾角为45的地磁场磁化。设磁性体讨论其由消磁作用引起的 大小和方向的变化。由图可见，由于 则沿轴分量为0.1 4( )S

28、IiM10,2xzNN00cos451ixxxMTTNo00sin451112izzzMTTNo10.61112izixMtgM得a=31.6。消磁作用使Mi偏离磁化场T0，而且接近长轴达13多。一般来说，k愈大，Mi偏离T0的方向愈大；而且总是偏向磁性体的长轴方向。发展趋势发展趋势Thompson等（1980），Oldfield等（1985）提出了应用岩石矿物磁学的基本原理和分析测量方法，阐述不同来源大气尘埃的磁性特征及其在环境评价中的应用。1986年Thompson和Oldfield出版了第一部环境磁学专著Environmental Magnetism。此后20多年来，国际同行在世界许多城市对河流湖泊海洋沉积物、土壤、道路尘埃、大气悬浮物及植物茎叶等环境物质载体进行了大量磁性测量，探讨污染物质磁性变异特征在环境评价和监测中的应用。近年，人们也研究沉积物磁性与气候变迁的关系。1979年，Donovan等发现Oklahoma州 Cement 油田上方近地空间存在高频低幅度的磁异常，并推断油气藏渗漏引起的次生磁铁矿是这种异常的源，即所谓“烟囱效应”。此后大量研究证明，油气藏附近磁学-地球化学-矿物学异常与烃类微渗漏作用之间具有直接联系。图2-5-1 . Oklahoma州 Cement 油田上方部分航磁异常图（Donovan,1979）