Тас магниттігінің зерттелуі

Кіріспе

Тау жыныстарындағы магнетизмді зерттеу

Тау жыныстарындағы магнетизм – тау жыныстарының, шөгінділердің және топырақтың магниттік қасиеттерін зерттейтін ғылым. Бұл сала палеомагнетизмде тау жыныстары Жердің магнит өрісін қалай сақтайтынын түсіну қажеттілігінен пайда болды. Бұл қалдық магниттік қасиеттер минералдар арқылы жүзеге асырылады, әсіресе магнетит сияқты күшті магниттік минералдар (магниттің негізгі көзі). Қалдық магниттік қасиеттерді түсіну палеомагнетистерге ежелгі магнит өрісін өлшеу әдістерін жасауға және шөгінділердің тығыздалуы және метаморфизм сияқты факторларды түзетуге көмектеседі. Тау жыныстарының магниттік әдістері теңіз магниттік аномалияларындағы ерекше жолақты үлгінің пайда болу себебін анықтау үшін қолданылады, бұл плиталық тектоника туралы маңызды ақпарат береді. Олар магниттік іздеулерде жер бетіндегі магниттік аномалияларды түсіндіру үшін, сондай-ақ Марстағы күшті қыртыс магнетизмін зерттеу үшін де қолданылады. Күшті магниттік минералдардың қасиеттері тау жынысындағы минералдардың мөлшеріне, пішініне, құрылымдық ақауларына және концентрациясына байланысты. Тау жыныстары магнетизмі осы минералдарды бұзбай талдауға мүмкіндік беретін әдістерді ұсынады, мысалы магниттік гистерезис өлшеу, температураға тәуелді қалдық магниттік қасиеттерді өлшеу, Мессбауэр спектроскопиясы, ферромагниттік резонанс және т.б. Мұндай әдістер арқылы тау жыныстары магнетистері өткендегі климаттың өзгеруінің әсерін және минералогияға адамның тигізетін әсерін зерттей алады (қ. Қоршаған орта магнетизмі). Шөгінділерде қалдық магниттік қасиеттердің көп бөлігі магниттік бактериялар жасаған минералдармен байланысты, сондықтан тау жыныстары магнетистері биомагнетизмді зерттеуге маңызды үлес қосты.

Тарих

20 ғасырға дейін Жердің магнит өрісін (геомагнетизм және палеомагнетизм) және магниттік материалдарды (әсіресе ферромагнетизмді) зерттеу дербес дамыды. Тас-жындысының магнетизмі ғалымдар осы екі саланы зертханада біріктірген кезде пайда болды. Кёнигсбергер (1938), Телье (1938) және Нагата (1943) жанартаулық тастардағы қалдық магнетизмінің пайда болуын зерттеді. 1950 жылдардағы палеомагниттік жұмыстар континенттік қозғалыс теориясын қолдағанда, күмәнданушылар тастар геологиялық кезеңдер бойы тұрақты қалдық магнетизмді сақтай ала ма деген сұрақ көтерді. Тас-жындысы магнетистері тастарда бірнеше компоненттік қалдық магнетизм болуы мүмкін екенін көрсетті, олардың кейбіреулері әлсіз (оңай алынып тасталады), ал кейбіреулері өте тұрақты болды. Тұрақты бөлігіне қол жеткізу үшін олар үлгілерді қыздыру немесе оларды айнымалы магнит өрісіне ұсыну арқылы "тазалауға" кірісті. Алайда, кейінгі жағдайлар, әсіресе Солтүстік Американың көптеген тастары палеозой дәуірінде кеңінен қайта магниттенгенін анықтау, бір тазалау қадамы жеткіліксіз екенін көрсетті, және палеомагнетистер қалдық магнетизмді кішкентай бөліктермен жою үшін қадамдық демагнетизацияны жүйелі түрде қолдана бастады.

Магниттік реттіктің түрлері

Тау жынысының жалпы магниттілігіне минералдың үлесі магниттік реттелудің немесе ретсіздіктің түріне күшті байланысты. Магниттік ретсіз минералдар (диамагнетиктер және парамагнетиктер) әлсіз магнетизмге үлес қосады және оларда қалдық магниттелу болмайды. Тас магниттілігі үшін ең маңызды минералдар – кем дегенде бірнеше температурада магниттік реттелуге қабілетті минералдар. Бұлар ферромагнетиктер, ферримагнетиктер және антиферромагнетиктердің кейбір түрлері. Бұл минералдар магнит өрісіне күштірек жауап береді және қалдық магниттелуге ие болуы мүмкін.

Диамагнетизм

Диамагнетизм – барлық заттарға тән магниттік құбылыс. Сыртқы магнит өрісі әсеріне жауап ретінде электрондар прецессиялайды (Лармор прецессиясына қараңыз), ал Ленц заңы бойынша олар дененің ішкі бөлігін магнит өрісінен қорғайды. Сөйтіп, туындаған момент өріске қарсы бағытталған болады және магниттік қабылдағыштық теріс шамалы болады. Бұл әсер әлсіз, бірақ температураға тәуелсіз. Егер заттың жалғыз магниттік қасиеті диамагнетизм болса, онда ол диамагнит деп аталады.

Парамагнетизм

Парамагнетизм – электрон спинінің айналуына байланысты магнит өрісіне әлсіз оң жауап. Парамагнетизм темір құрамындағы кейбір минералдарда кездеседі, себебі темірдің бір электрондық қабығында жұпталмаған электрон болады (Хунд ережелерін қараңыз). Кейбіреулері абсолютті нөлге дейін парамагниттік қасиетін сақтайды және олардың магниттік сезімталдығы температураға кері пропорционалды (Кюри заңы); ал басқалары белгілі бір температурадан төмен магниттік реттелуге ие және сезімталдық осы температураға жақындаған сайын артады (Кюри-Вейс заңы).

Ферромагнетизм

Көбінесе күшті магниттік материалдар ферромагниттер деп аталады. Дегенмен, мұндай магнетизм бірнеше түрлі магниттік реттердің нәтижесінде туындауы мүмкін. Нақты мағынасында ферромагнетизм – көршілес электрон спиндерінің алмасу өзара әрекеттесуі арқылы реттелуіне байланысты магниттік рет. Классикалық ферромагнит – темір. Кюри температурасы деп аталатын шекті температурадан төмен ферромагниттер өздігінен магниттеледі және өзгеріп отыратын магнит өрісіне жауап ретінде гистерезис көрсетеді. Тас магниттігі үшін ең маңыздысы – оларда қалдық магнетизм болады, сондықтан олар Жердің магнит өрісін жаза алады. Темір таза күйінде кеңінен таралмайды. Ол көбінесе темір оксидтеріне, оксигидроксидтеріне және сульфидтеріне қосылады. Бұл қосылыстарда темір атомдары тікелей алмасу үшін жеткілікті жақын болмайды, сондықтан олар жанама алмасу немесе супер алмасу арқылы байланысады. Нәтижесінде кристалл торы екі немесе одан көп субторларға бөлінеді, олардың магниттік моменттері әртүрлі болады. Егер тас кейін қыздырылса (мысалы, жер астындағы қабаттарға көмілуі нәтижесінде), TRM-нің бір бөлігі немесе барлығы жаңа қалдық магнетизммен алмастырылуы мүмкін. Егер ол қалдық магнетизмнің тек бір бөлігі болса, онда ол ішінара термоқалдық магнетизм (pTRM) деп аталады. Реманентті қалыптастырудың әртүрлі жолдарын модельдеу үшін көптеген тәжірибелер жүргізілгендіктен, pTRM басқа мағыналарға да ие болуы мүмкін. Мысалы, оны зертханада нөлдік өрісте температураға дейін (Кюри температурасынан төмен) салқындату арқылы, магнит өрісін қолданып, температураға дейін салқындату арқылы, содан кейін нөлдік өрісте бөлме температурасына дейін салқындату арқылы алуға болады. TRM-нің стандартты моделі мынадай: Магнетит сияқты минерал Кюри температурасынан төмен салқындағанда ферромагнитті болады, бірақ ол бірден қалдық магнетизмді алып жүруге қабілетті болмайды. Оның орнына, ол суперпарамагниттік, магнит өрісінің өзгеруіне қайтымды түрде жауап береді. Қалдық магнетизмнің болуы үшін магниттік анизотропияның магниттеуді тұрақты күйге жақын ұстауға жеткілікті күшті болуы керек; әйтпесе, жылулық флуктуациялар магниттік моментті кездейсоқ түрде қозғалысқа келтіреді. Тас салқындауын жалғастырған сайын, магниттік анизотропияның моментті қозғалысқа келтірмейтіндей жеткілікті үлкен болатын шекті температура болады: бұл температураны тоқтату температурасы деп атайды және оны символмен белгілейді. Магнетизация тас бөлме температурасына дейін салқындаған кезде сол күйде қалады және термоқалдық магнетизмге айналады.

Collectively, strongly magnetic materials are often referred to as ferromagnets. However, this magnetism can arise as the result of more than one kind of magnetic order. In the strict sense, ferromagnetism refers to magnetic ordering where neighboring electron spins are aligned by the exchange interaction. The classic ferromagnet is iron. Below a critical temperature called the Curie temperature, ferromagnets have a spontaneous magnetization and there is hysteresis in their response to a changing magnetic field. Most importantly for rock magnetism, they have remanence, so they can record the Earth's field. Iron does not occur widely in its pure form. It is usually incorporated into iron oxides, oxyhydroxides and sulfides. In these compounds, the iron atoms are not close enough for direct exchange, so they are coupled by indirect exchange or superexchange. The result is that the crystal lattice is divided into two or more sublattices with different moments. If a rock is later re heated (as a result of burial, for example), part or all of the TRM can be replaced by a new remanence. If it is only part of the remanence, it is known as partial thermoremanent magnetization (pTRM). Because numerous experiments have been done modeling different ways of acquiring remanence, pTRM can have other meanings. For example, it can also be acquired in the laboratory by cooling in zero field to a temperature (below the Curie temperature), applying a magnetic field and cooling to a temperature , then cooling the rest of the way to room temperature in zero field. The standard model for TRM is as follows. When a mineral such as magnetite cools below the Curie temperature, it becomes ferromagnetic but is not immediately capable of carrying a remanence. Instead, it is superparamagnetic, responding reversibly to changes in the magnetic field. For remanence to be possible there must be a strong enough magnetic anisotropy to keep the magnetization near a stable state; otherwise, thermal fluctuations make the magnetic moment wander randomly. As the rock continues to cool, there is a critical temperature at which the magnetic anisotropy becomes large enough to keep the moment from wandering: this temperature is called the blocking temperature and referred to by the symbol The magnetization remains in the same state as the rock is cooled to room temperature and becomes a thermoremanent magnetization.

Химиялық (немесе кристалдану) қалдықтарды магниттеу (CRM)

Магниттік түйіршіктер айналымдағы ерітіндіден тұнбаға түсуі немесе химиялық реакциялар барысында қалыптасуы мүмкін, сондай-ақ минерал пайда болатын кезде магнит өрісінің бағытын тіркеуге қабілді. Мұндай жағдайда өріс химиялық қалдық магниттелу (ХҚМ) арқылы жазылады. Өрісті тіркеп алатын минерал әдетте гематит, басқа бір темір оксиді. Қызыл түсті шөгінді тау жыныстары (мысалы, құмтастар), гематит пайда болуының нәтижесінде шөгінді диагенезі кезінде немесе одан кейін қызыл түске боялуы мүмкін, пайдалы ХҚМ белгілеріне ие болуы мүмкін, ал магнитостратиграфия осындай белгілерге негізделуі мүмкін.

Қалған магниттеу (DRM)

Шөгінділердегі магниттік түйіршіктер шөгіну кезінде немесе одан кейін магнит өрісімен бағытталуы мүмкін; бұл детриттік қалдық магниттеу (DRM) деп аталады. Егер магниттеу түйіршіктер шөгіп жатқанда пайда болса, нәтижесі шөгінділік детриттік қалдық магниттеу (dDRM) болады; егер ол шөгінуден кейін көп ұзамай пайда болса, онда ол шөгінуден кейінгі детриттік қалдық магниттеу (pDRM) болады.

Қалдық магниттеу

Вискоздық қалдық магниттеу (VRM), сондай-ақ вискоздық магниттеу деп те аталады, – ферромагниттік минералдардың магнит өрісінде белгілі бір уақыт бойы тұрғанда қабылдайтын қалдық магниттелу. Бұл процесс нәтижесінде жанартаулық тау жыныстарының табиғи қалдық магниттелуі өзгеруі мүмкін. Бұл компонентті жою үшін кезеңдік магниттендірудің бір түрін қолдану қажет.