Magnetyzm skały

Wibrujący magnetometr próbki , szeroko stosowane narzędzie do pomiaru histerezy magnetycznej .

Magnetyzm skalny to badanie właściwości magnetycznych skał , osadów i gleb . Pole powstało z potrzeby paleomagnetyzmu , aby zrozumieć, w jaki sposób skały rejestrują pole magnetyczne Ziemi. Ta remanencja jest przenoszona przez minerały, szczególnie niektóre silnie magnetyczne minerały, takie jak magnetyt (główne źródło magnetyzmu w lodzie ). Zrozumienie remanencji pomaga paleomagnetykom w opracowaniu metod pomiaru starożytnego pola magnetycznego i korygowaniu efektów, takich jak osad zagęszczenie i metamorfizm . Metody magnetyczne skał są wykorzystywane do uzyskania bardziej szczegółowego obrazu źródła charakterystycznego pasiastego wzoru w morskich anomaliach magnetycznych , który dostarcza ważnych informacji na temat tektoniki płyt . Są one również wykorzystywane do interpretacji ziemskich anomalii magnetycznych w badaniach magnetycznych , a także silnego magnetyzmu skorupy ziemskiej na Marsie .

Silnie magnetyczne minerały mają właściwości zależne od wielkości, kształtu, struktury defektów i koncentracji minerałów w skale. Magnetyzm skał zapewnia nieniszczące metody analizy tych minerałów, takie jak histerezy magnetycznej , pomiary remanencji zależnej od temperatury, spektroskopia Mössbauera , rezonans ferromagnetyczny i tak dalej. Za pomocą takich metod magnetycy skał mogą mierzyć skutki zmian klimatycznych w przeszłości i wpływu człowieka na mineralogię (patrz magnetyzm środowiskowy ). W osadach duża część remanencji magnetycznej jest przenoszona przez minerały, które zostały stworzone przez bakterie magnetotaktyczne , więc magnetycy skalni wnieśli znaczący wkład w biomagnetyzm .

Historia

Do XX wieku badania pola ziemskiego ( geomagnetyzm i paleomagnetyzm ) oraz materiałów magnetycznych (zwłaszcza ferromagnetyzm ) rozwijały się oddzielnie.

Magnetyzm skał narodził się, gdy naukowcy połączyli te dwa pola w laboratorium. Koenigsberger (1938), Thellier (1938) i Nagata (1943) badali pochodzenie remanencji w skałach magmowych . Podgrzewając skały i materiały archeologiczne do wysokich temperatur w polu magnetycznym, nadali materiałom namagnesowanie termoremanentne (TRM) i zbadali właściwości tego namagnesowania. Thellier opracował szereg warunków (praw Thelliera), których spełnienie umożliwiłoby wyznaczenie natężenia starożytnego pola magnetycznego metodą Thelliera-Thelliera. W 1949 roku Louis Néel opracował teorię, która wyjaśniła te obserwacje, wykazał, że prawa Thelliera są spełnione przez niektóre rodzaje magnesów jednodomenowych i wprowadził koncepcję blokowania TRM.

Kiedy prace paleomagnetyczne w latach 50. XX wieku poparły teorię dryfu kontynentów , sceptycy szybko zakwestionowali, czy skały mogą przenosić stabilną remanencję przez epoki geologiczne. Magnetycy skałowi byli w stanie wykazać, że skały mogą mieć więcej niż jeden składnik remanencji, niektóre miękkie (łatwe do usunięcia) i niektóre bardzo stabilne. Aby dostać się do stabilnej części, zabrali się za „oczyszczanie” próbek poprzez ich podgrzanie lub wystawienie na działanie zmiennego pola. Jednak późniejsze wydarzenia, zwłaszcza odkrycie, że wiele skał północnoamerykańskich zostało wszechobecnie ponownie namagnesowanych w paleozoiku , wykazało, że pojedynczy etap czyszczenia był niewystarczający, a paleomagnetycy zaczęli rutynowo stosować stopniowe rozmagnesowanie, aby usunąć pozostałości w małych kawałkach.

Podstawy

Rodzaje porządku magnetycznego

Udział minerału w całkowitym magnetyzmie skały zależy w dużym stopniu od rodzaju porządku magnetycznego lub nieporządku. Minerały nieuporządkowane magnetycznie ( diamagnetyki i paramagnetyki ) mają słaby magnetyzm i nie mają remanencji . Ważniejszymi minerałami dla magnetyzmu skał są minerały, które można uporządkować magnetycznie, przynajmniej w pewnych temperaturach. Są to ferromagnesy , ferrimagnesy i niektóre rodzaje antyferromagnesów . Te minerały mają znacznie silniejszą reakcję na pole i mogą mieć remanencję .

Diamagnetyzm

Diamagnetyzm jest reakcją magnetyczną wspólną dla wszystkich substancji. W odpowiedzi na przyłożone pole magnetyczne elektrony ulegają precesji (patrz precesja Larmora ) i zgodnie z prawem Lenza chronią wnętrze ciała przed polem magnetycznym . Zatem wytworzony moment jest skierowany w kierunku przeciwnym do pola, a podatność jest ujemna. Efekt ten jest słaby, ale niezależny od temperatury. Substancja, której jedyną reakcją magnetyczną jest diamagnetyzm, nazywana jest diamagnetem.

paramagnetyzm

Paramagnetyzm to słaba pozytywna reakcja na pole magnetyczne spowodowana rotacją spinów elektronów . Paramagnetyzm występuje w niektórych rodzajach minerałów zawierających żelazo, ponieważ żelazo zawiera niesparowany elektron w jednej z ich powłok (patrz zasady Hunda ). Niektóre są paramagnetyczne do zera absolutnego, a ich podatność jest odwrotnie proporcjonalna do temperatury (patrz prawo Curie ); inne są uporządkowane magnetycznie poniżej temperatury krytycznej, a podatność wzrasta w miarę zbliżania się do tej temperatury (patrz prawo Curie-Weissa ).

Ferromagnetyzm

Schemat równoległych kierunków wirowania w ferromagnetyku.

Łącznie, materiały silnie magnetyczne są często określane jako ferromagnesy . Jednak ten magnetyzm może powstać w wyniku więcej niż jednego rodzaju porządku magnetycznego. W ścisłym znaczeniu ferromagnetyzm odnosi się do uporządkowania magnetycznego, w którym sąsiednie spiny elektronów są wyrównane przez interakcję wymienną . Klasyczny ferromagnes to żelazo . Poniżej temperatury krytycznej, zwanej temperaturą Curie , ferromagnesy spontanicznie się magnetyzują , a ich odpowiedź na zmieniające się pole magnetyczne ma charakter histerezy . Co najważniejsze dla magnetyzmu rockowego, mają remanencję , dzięki czemu mogą rejestrować pole ziemskie.

Żelazo nie występuje powszechnie w czystej postaci. Zwykle wchodzi w skład tlenków , tlenowodorotlenków i siarczków żelaza . W tych związkach atomy żelaza nie są wystarczająco blisko do bezpośredniej wymiany, więc są one sprzęgane przez wymianę pośrednią lub superwymianę. W rezultacie sieć krystaliczna jest podzielona na dwie lub więcej podsieci o różnych momentach.

Ferrimagnetyzm

Schemat niezrównoważonych momentów antyrównoległych w ferrimagnetyku.

Ferrimagnesy mają dwie podsieci z przeciwstawnymi momentami. Jedna podsieć ma większy moment, więc występuje niezrównoważenie netto. Magnetyt , najważniejszy z minerałów magnetycznych, jest ferrimagnesem. Ferrimagnesy często zachowują się jak ferromagnesy , ale zależność ich spontanicznego namagnesowania od temperatury może być zupełnie inna. Louis Néel zidentyfikował cztery typy zależności temperaturowych, z których jedna polega na odwróceniu namagnesowania. Zjawisko to odegrało rolę w kontrowersjach dotyczących morskich anomalii magnetycznych .

Antyferromagnetyzm

Schemat naprzemiennych kierunków wirowania w antyferromagnetyku.

Antyferromagnesy , podobnie jak ferrimagnesy, mają dwie podsieci z przeciwstawnymi momentami, ale teraz momenty są równe co do wielkości. Jeśli momenty są dokładnie przeciwne, magnes nie ma remanencji . Jednak momenty można przechylać ( spin canting ), co skutkuje momentem prawie pod kątem prostym do momentów podsieci. Hematyt ma taki rodzaj magnetyzmu.

Mineralogia magnetyczna

Rodzaje remanencji

Remanencja magnetyczna jest często utożsamiana ze szczególnym rodzajem remanencji, który uzyskuje się po wystawieniu magnesu na działanie pola w temperaturze pokojowej. Jednak pole ziemskie nie jest duże, a tego rodzaju remanencja byłaby słaba i łatwo nadpisywana przez późniejsze pola. Centralną częścią magnetyzmu skał jest badanie remanencji magnetycznej, zarówno jako naturalnej remanentnej magnetyzacji (NRM) w skałach uzyskanych z pola, jak i remanencji indukowanej w laboratorium. Poniżej wymieniono ważne pozostałości naturalne i niektóre sztucznie wywołane.

Magnetyzacja termoremanentna (TRM)

Kiedy skała magmowa ochładza się, uzyskuje magnetyzację termoremanentną (TRM) z pola ziemskiego. TRM może być znacznie większy niż byłby wystawiony na działanie tego samego pola w temperaturze pokojowej (patrz remanencja izotermiczna ). Ta remanencja może być również bardzo stabilna, trwająca bez znaczących zmian przez miliony lat. TRM jest głównym powodem, dla którego paleomagnetycy są w stanie wydedukować kierunek i wielkość pola starożytnej Ziemi.

Jeśli skała zostanie później ponownie podgrzana (na przykład w wyniku zakopania), część lub całość TRM może zostać zastąpiona nową remanencją. Jeśli jest to tylko część remanencji, jest to znane jako częściowe namagnesowanie termoremanentne (pTRM) . Ponieważ przeprowadzono wiele eksperymentów modelujących różne sposoby uzyskiwania remanencji, pTRM może mieć inne znaczenie. Na przykład można go również uzyskać w laboratorium przez schłodzenie w polu zerowym do temperatury (poniżej temperatury Curie ${\ displaystyle T_ {1}$ , przyłożenie pola magnetycznego i schłodzenie do temperatury ${\ displaystyle T_ {2}}$ , a następnie chłodzenie reszty drogi do temperatury pokojowej w polu zerowym.

Standardowy model dla TRM jest następujący. Kiedy minerał, taki jak magnetyt , ochładza się poniżej temperatury Curie , staje się ferromagnetykiem , ale nie jest natychmiast zdolny do przenoszenia remanencji. Zamiast tego jest superparamagnetyczny , reagując odwracalnie na zmiany pola magnetycznego. Aby remanencja była możliwa, musi istnieć wystarczająco silna anizotropia magnetyczna , aby utrzymać namagnesowanie w pobliżu stanu stabilnego; w przeciwnym razie fluktuacje termiczne tworzą moment magnetyczny wędrować losowo. Gdy skała nadal się ochładza, istnieje temperatura krytyczna, w której anizotropia magnetyczna staje się wystarczająco duża, aby powstrzymać moment od wędrówki: ta temperatura nazywana jest temperaturą blokowania i jest określana symbolem ${\ displaystyle T_ {B}}$ . Namagnesowanie pozostaje w tym samym stanie, gdy skała jest schładzana do temperatury pokojowej i staje się namagnesowaniem termoremanentnym.

Chemiczne (lub krystalizujące) namagnesowanie szczątkowe (CRM)

Ziarna magnetyczne mogą wytrącać się z krążącego roztworu lub powstawać podczas reakcji chemicznych i mogą rejestrować kierunek pola magnetycznego w czasie tworzenia się minerałów. Mówi się, że pole jest rejestrowane przez chemiczne namagnesowanie szczątkowe (CRM) . Minerałem zwykle rejestrującym pole jest hematyt, inny tlenek żelaza. Redbeds, klastyczne skały osadowe (takie jak piaskowce), które są czerwone głównie z powodu tworzenia się hematytu podczas lub po diagenezie osadowej, mogą mieć przydatne sygnatury CRM, a magnetostratygrafia może być oparta na takich sygnaturach.

Remanentne namagnesowanie depozycyjne (DRM)

Ziarna magnetyczne w osadach mogą wyrównać się z polem magnetycznym podczas osadzania lub wkrótce po nim; jest to znane jako detrytyczne namagnesowanie szczątkowe (DRM). Jeśli namagnesowanie jest uzyskiwane podczas osadzania się ziaren, wynikiem jest detrytyczne namagnesowanie resztkowe (dDRM); jeśli zostanie nabyty wkrótce po osadzeniu, jest to pozostałościowe namagnesowanie detrytyczne po osadzeniu (pDRM) .

Lepkie namagnesowanie remanentne

Lepkie namagnesowanie remanentne (VRM) , znane również jako namagnesowanie lepkie, to remanencja nabywana przez minerały ferromagnetyczne poprzez przebywanie przez pewien czas w polu magnetycznym . W wyniku tego procesu można zmienić naturalne namagnesowanie szczątkowe skały magmowej . Aby usunąć ten element, należy zastosować pewną formę stopniowego rozmagnesowania.

Zastosowania magnetyzmu skalnego

Notatki

Dunlop, David J.; Özdemir, Özden (1997). Rockowy magnetyzm: podstawy i granice . Uniwersytet Cambridge Naciśnij . ISBN 0-521-32514-5 .
Polowanie, Christopher P.; Moskowitz, Bruce P. (1995). „Właściwości magnetyczne skał i minerałów”. W Ahrens, TJ (red.). Fizyka skał i relacje fazowe: podręcznik stałych fizycznych . Tom. 3. Waszyngton, DC: Amerykańska Unia Geofizyczna. s. 189–204.
Irving, E. (1956). „Paleomagnetyczne i paleoklimatologiczne aspekty wędrówek polarnych”. Geofis. Pura. Aplikacja _ 33 (1): 23–41. Bibcode : 1956GeoPA..33...23I . doi : 10.1007/BF02629944 . S2CID 129781412 .
Jeffreys, Sir Harold (1959). Ziemia: jej pochodzenie, historia i budowa fizyczna . Uniwersytet Cambridge Naciśnij . ISBN 0-521-20648-0 .
McCabe, C.; Elmore, RD (1989). „Występowanie i pochodzenie ponownego namagnesowania późnego paleozoiku w skałach osadowych Ameryki Północnej”. Recenzje geofizyki . 27 (4): 471–494. Bibcode : 1989RvGeo..27..471M . doi : 10.1029/RG027i004p00471 .
Neel, Louis (1949). „Théorie du traînage magnétique des ferromagnétiques en grains fins avec application aux terres cuites”. Ann. Géophys . 5 : 99–136.
Runcorn, SK (1956). „Porównania paleomagnetyczne między Europą a Ameryką Północną”. proc. Geol. doc. Kanada . 8 : 77–85.
Stacey, Frank D.; Banerjee, Subir K. (1974). Fizyczne zasady magnetyzmu skalnego . Elsevier . ISBN 0-444-41084-8 .

Linki zewnętrzne