Введение
Магнетизм в породах – это изучение магнитных свойств горных пород, отложений и почв. Эта область возникла из необходимости в палеомагнетизме понять, каким образом горные породы сохраняют информацию о магнитном поле Земли. Эта остаточная намагниченность переносится минералами, особенно некоторыми сильномагнитными минералами, такими как магнетит (основной источник магнетизма в магнетите). Понимание остаточной намагниченности помогает палеомагнитологам разрабатывать методы измерения древнего магнитного поля и корректировать такие эффекты, как уплотнение отложений и метаморфизм. Методы исследования магнетизма горных пород используются для получения более детального представления об источнике характерной полосатой структуры в морских магнитных аномалиях, которая предоставляет важную информацию о тектонике плит. Они также применяются для интерпретации наземных магнитных аномалий при магнитных исследованиях, а также для изучения сильной коры магнитных свойств Марса. Сильномагнитные минералы обладают свойствами, зависящими от размера, формы, дефектной структуры и концентрации минералов в породе. Магнетизм горных пород предоставляет неразрушающие методы анализа этих минералов, такие как измерения магнитной гистерезиса, измерения остаточной намагниченности в зависимости от температуры, спектроскопия Мёссбауэра, ферромагнитный резонанс и другие. С помощью этих методов исследователи магнетизма горных пород могут изучать последствия прошлых изменений климата и антропогенного воздействия на минералогию (см. экологический магнетизм). В отложениях значительная часть остаточной намагниченности переносится минералами, созданными магнитотактическими бактериями, поэтому исследователи магнетизма горных пород внесли существенный вклад в биомагнетизм.
Rock magnetism is the study of the magnetic properties of rocks, sediments and soils. The field arose out of the need in paleomagnetism to understand how rocks record the Earth's magnetic field. This remanence is carried by minerals, particularly certain strongly magnetic minerals like magnetite (the main source of magnetism in lodestone). An understanding of remanence helps paleomagnetists to develop methods for measuring the ancient magnetic field and correct for effects like sediment compaction and metamorphism. Rock magnetic methods are used to get a more detailed picture of the source of the distinctive striped pattern in marine magnetic anomalies that provides important information on plate tectonics. They are also used to interpret terrestrial magnetic anomalies in magnetic surveys as well as the strong crustal magnetism on Mars. Strongly magnetic minerals have properties that depend on the size, shape, defect structure and concentration of the minerals in a rock. Rock magnetism provides non destructive methods for analyzing these minerals such as magnetic hysteresis measurements, temperature dependent remanence measurements, Mössbauer spectroscopy, ferromagnetic resonance and so on. With such methods, rock magnetists can measure the effects of past climate change and human impacts on the mineralogy (see environmental magnetism). In sediments, a lot of the magnetic remanence is carried by minerals that were created by magnetotactic bacteria, so rock magnetists have made significant contributions to biomagnetism.
История
До XX века изучение магнитного поля Земли (геомагнетизм и палеомагнетизм) и магнитных материалов (особенно ферромагнетизма) развивалось обособленно. Начало магнетизма горных пород положило объединение этих двух областей в лабораторных исследованиях. Кенигсбергер (1938), Тельер (1938) и Нагата (1943) изучали происхождение остаточной намагниченности в магматических породах. Когда палеомагнитные работы в 1950-х годах подтвердили теорию дрейфа континентов, скептики сразу же усомнились в способности горных пород сохранять стабильную остаточную намагниченность на протяжении геологических периодов времени. Специалисты по магнетизму горных пород смогли показать, что породы могут содержать несколько компонентов остаточной намагниченности, некоторые неустойчивые (легко удаляемые), а некоторые – очень стабильные. Для выделения стабильной составляющей они прибегали к "очистке" образцов путем нагрева или воздействия переменным магнитным полем. Однако последующие открытия, в частности, установление того, что многие породы Северной Америки подверглись всеобщей перемагничиванию в палеозое, показали, что одного этапа очистки недостаточно, и палеомагнетики стали регулярно использовать ступенчатую демагнетизацию для последовательного удаления остаточной намагниченности.
Типы магнитного порядка
Вклад минерала в общий магнетизм породы существенно зависит от типа магнитного порядка или беспорядка. Магнитно неупорядоченные минералы (диамагнетики и парамагнетики) вносят слабый вклад в магнетизм и не обладают остаточной намагниченностью. Наиболее важными для палеомагнетизма являются минералы, способные к магнитному упорядочению, по крайней мере, при определенных температурах. К ним относятся ферромагнетики, ферримагнетики и некоторые виды антиферромагнетиков. Эти минералы демонстрируют гораздо более сильный отклик на магнитное поле и могут сохранять остаточную намагниченность.
Диамагнетизм
Диамагнетизм — это магнитное свойство, присущее всем веществам. Под воздействием магнитного поля электроны прецессируют (см. прецессию Лармора), и в соответствии с законом Ленца они создают эффект экранирования, ослабляя магнитное поле внутри тела. В результате, возникающий магнитный момент направлен противоположно внешнему полю, а магнитная восприимчивость отрицательна. Этот эффект слаб, но не зависит от температуры. Вещество, для которого диамагнетизм является единственным магнитным свойством, называется диамагнетиком.
Парамагнетизм
Парамагнетизм — это слабое положительное откликивание на магнитное поле, обусловленное ориентированием спинов электронов. Парамагнетизм наблюдается в определенных железосодержащих минералах, поскольку железо содержит неспаренный электрон в одной из электронных оболочек (см. правила Хунда). Некоторые из них остаются парамагнитными даже при абсолютном нуле температуры, и их магнитная восприимчивость обратно пропорциональна температуре (см. закон Кюри), в то время как другие становятся магнитно упорядоченными ниже определенной критической температуры, при этом их восприимчивость возрастает по мере приближения к этой температуре (см. закон Кюри — Вейса).
Ферромагнетизм
Сильно магнитные материалы часто называют ферромагнетиками. Однако этот магнетизм может возникать в результате более чем одного типа магнитного порядка. В строгом смысле, ферромагнетизм относится к магнитному упорядочению, при котором соседние спины электронов выравниваются благодаря обменному взаимодействию. Классическим ферромагнетиком является железо. Ниже критической температуры, называемой температурой Кюри, ферромагнетики обладают спонтанной намагниченностью и демонстрируют гистерезис в ответ на изменение магнитного поля. И что наиболее важно для скальной магнетизмы, они обладают остаточной намагниченностью, благодаря чему могут фиксировать геомагнитное поле Земли. Железо редко встречается в чистом виде. Обычно оно входит в состав оксидов железа, оксигидроксидов и сульфидов. В этих соединениях атомы железа недостаточно близки для прямого обменного взаимодействия, поэтому они связаны косвенным обменом или суперобменом. В результате кристаллическая решетка разделяется на две или более подрешеток с различными магнитными моментами. Если горная порода впоследствии нагревается (например, в результате погребения), часть или вся термореманентная намагниченность (ТРМ) может быть заменена новой остаточной намагниченностью. Если заменена только часть намагниченности, это называется частичной термореманентной намагниченностью (pTRM). Поскольку было проведено множество экспериментов, моделирующих различные способы приобретения остаточной намагниченности, pTRM может иметь и другие значения. Например, ее также можно получить в лаборатории путем охлаждения в нулевом поле до температуры (ниже температуры Кюри), приложения магнитного поля и охлаждения до температуры , а затем дальнейшего охлаждения до комнатной температуры в нулевом поле. Стандартная модель ТРМ выглядит следующим образом. Когда минерал, такой как магнетит, остывает ниже температуры Кюри, он становится ферромагнитным, но не сразу приобретает способность сохранять остаточную намагниченность. Вместо этого он является суперпарамагнитным, обратимо реагируя на изменения магнитного поля. Для того чтобы остаточная намагниченность стала возможной, должна существовать достаточно сильная магнитная анизотропия, удерживающая намагниченность вблизи стабильного состояния; в противном случае тепловые флуктуации приводят к случайному изменению направления магнитного момента. По мере дальнейшего охлаждения породы достигается критическая температура, при которой магнитная анизотропия становится достаточно большой, чтобы предотвратить изменение направления момента: эта температура называется температурой блокировки и обозначается символом . Намагниченность остается в том же состоянии по мере охлаждения породы до комнатной температуры и становится термореманентной намагниченностью.
Химическая (или кристаллическая) остаточная магнетизация (CRM)
Магнитные зерна могут выпадать в осадок из циркулирующего раствора или образовываться в ходе химических реакций, фиксируя направление магнитного поля в момент формирования минерала. Это направление, как говорят, записывается посредством химической остаточной намагниченности (CRM). Обычно роль минерала, фиксирующего поле, выполняет гематит – другой оксид железа. Красные отложения, кластические осадочные породы (например, песчаники), окрашенные в красный цвет преимущественно из-за образования гематита во время или после осадочного диагенеза, могут содержать полезные CRM-сигнатуры, на основе которых может строиться магнитостратиграфия.
Магнитизация остатков (DRM)
Магнитные зерна в отложениях могут ориентироваться по направлению магнитного поля во время или сразу после осаждения; это явление известно как детритная остаточная намагниченность (DRM). Если намагниченность приобретается по мере осаждения зерен, результатом является осадочная детритная остаточная намагниченность (dDRM); если она приобретается вскоре после осаждения, то это пост-осадочная детритная остаточная намагниченность (pDRM).
Магнитизация с помощью вязкого остатка
Вязкая остаточная намагниченность (VRM), также известная как вязкая намагниченность, – это остаточная намагниченность, приобретаемая ферромагнитными минералами при длительном воздействии магнитного поля. Этот процесс может изменять природную остаточную намагниченность магматических пород. Для удаления этого компонента необходимо использовать ту или иную форму ступенчатой демагнетизации.