磁法勘探02 岩石的磁性ppt课件.ppt

1,第二章 岩石的磁性,概述：岩石、矿物的磁性,是指其吸引铁、镍等物质的性质。地壳内不同地质体之间存在的磁性差异,是开展磁法勘探工作的地球物理前提条件,也是对磁测结果进行校正与解释不可缺少的参数。研究岩石磁性,可以掌握岩石、矿物受磁化的原理。了解岩石、矿物的磁性的特征及其影响因素,便于正确确定磁法能够解决的地质问题,以及对磁异常作出正确的解释。有关岩石磁性的研究成果,可直接用于解决某些基础地质问题,如区域地层对比,构造划分等。,2,第1节 物质的磁性,（1）.抗磁性（逆磁性）,3,（2）.顺磁性,4,（3）.铁磁性,5,K 是热力学开式温度 减去273.16 就是常用的摄氏温度了,6,各种铁磁性的原子磁矩排列示意图a-铁磁性；b-反铁磁性；c-亚铁磁性,a铁磁性 磁畴内原子磁矩排列在同一方向，例如铁、镍、钴即属于此类物质。b反铁磁性 磁畴内原子磁矩排列相反，故磁化率很小，但具有很大的矫顽磁力。c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。,a,b,c,纯锰铁合金,7,一、表征磁性的物理量,(1)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，该物质即被磁化，而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，SI单位制它用SI（）标明，CGSM单位制，它用CGSM（）标明，两者的关系是1SI（）=CGSM（）。在二种单位制中，磁化强度M的单位，分别是A/m及CGSM（M），二者的关系是1A/m=0.001CGSM（M）。,第2节 岩(矿)石的磁性特征,8,(2)磁感应强度和磁导率 在各向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 B=H 式中，B以特斯拉（T）为单位，是介质的磁导率H/m（亨利/米）。若介质为真空，则有 B=0H 式中，0是真空的磁导率。令r=/0（相对磁导率）得：此式表明了物质磁性（B）与外磁场（H）的定量关系。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，即介质受磁化后所产生的附加场，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,9,(3)感应磁化强度和剩余磁化强度位于岩石圈中的岩体和矿体，处在约0.510-4(T)的地球磁场作用之下，它们受现代地磁场的磁化(T)，而具有的磁化强度，叫感应磁化强度，它表示为 式中，T是地磁场的总强度，是岩矿石的磁化率，它取决于岩矿石的性质。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Mr，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，即磁法勘探中，表征岩石磁性的物理量是、及。,10,(1)抗磁性矿物与顺磁性矿物,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，约二个数量级。,二、矿物的磁性,11,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，它的三元系统如右图所示。由FeO、Fe2O3和TiO2组合成的固溶体，其主要矿物及其它磁性矿物，如右表所示。地壳中纯磁铁矿少见，大多由不同比例的铁、钛、氧组成复杂的因溶体，它是典型的亚铁磁性。磁铁矿不仅有较强的磁化率，且有较强的剩余磁性，其变化范围较大。磁黄铁矿属铁-硫二元系，它常见于汞、砷、锑层控矿床。当0 x0.1时，它是反铁磁性，当0.1x0.25时，它是亚铁磁性。它亦分为型和型，后者磁化率较大。,铁磁性矿物磁化率,(2)铁磁性矿物,铁钛氧化物的三元系统,12,沉积岩的磁性 一般来说，沉积岩的磁性较弱，如表所示。沉积岩的磁化率主要决定于副矿物的含量及成分，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。,三、各类岩石的一般磁性特征,13,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。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征。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。基性、中性岩，一般来说其磁性较超基性岩次之。花岗岩建造的侵入岩，普遍是铁磁-顺磁性的，磁化率不高。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。火成岩具有明显的天然剩余磁性，使Q=Mr/Mi称为柯尼希斯贝格比。不同岩石组的Q值范围，可从010或更大。,14,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。其Mr方向往往近于片理方向。磁化率各向异性可用下式来评价 式中，是磁化率各向异性系数。在强变质沉积岩石中，值最大可达1.01.5。,15,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，如图所示。由图可见，该曲线明显地分为两部分。在铁磁性组分含量小于0.001，铁磁体为稀有颗粒，即属于深色矿物中的杂质，磁化率和铁磁性矿物含量之间未发现有规律的关系。在铁磁性组分含量大于0.01，铁磁效应主要是由大颗粒磁铁矿（钛磁铁矿）造成的，这些岩石的和之间，呈有规律的相关关系。一般情况下，岩石中铁磁性矿物含量愈多，磁性也愈强。,四、影响岩石磁性的主要因素,16,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，与铁磁性矿物颗粒大小的关系恰相反，如下图所示,表明随铁磁性矿物颗粒的增大，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，铁磁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、颗粒大小都相同时，颗粒相互胶结的比颗粒呈分散状者磁性强。,与铁磁性矿物颗粒大小的关系,17,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。铁磁性矿物的磁化率与温度的关系，有可逆型及不可逆型。前者磁化率随温度增高而增大，接近居里点则陡然下降趋于零，加热和冷却过程，在一定条件下磁化率都有同一个数值。后者其加热和冷却曲线不相吻合，即不可逆，它是温度增高后不稳定的那类铁磁性矿物的特征。此外，温度增高还能引起矿物矫顽磁力的减小。岩石磁化率与温度的相依关系比单纯矿物复杂，岩石的k-t曲线与铁磁性矿物的成分有关。如下图。曲线具有跃变形状，此特征代表岩石中不同居里点的几种矿物。岩石的居里温度Tc分布仅与特磁性矿物成分有关，而与矿物的数量、大小及形状无关。,岩石磁化率与温度的关系,18,岩石在自然界中成岩时期的地磁场作用下所获得的剩余磁性，称为天然剩余磁性，通常用NRM（Natural Remanent Magnetism）表示，它是岩石磁性的重要组成部分,因此,它是磁法勘探及古地磁学的研究对象。岩石获得天然剩磁，不仅是地磁场作用的结果，也与岩石形成过程密切有关，所以形成天然剩磁的机制是多种多样的。不同的机制形成不同类型的剩磁，它们主要是：热剩余磁性，化学剩余磁性，沉积剩余磁性和粘滞剩余磁性。下面分别加以叙述。,第3节 岩(矿)石的剩余磁性,19,（1）.热剩余磁性TRM（Thermal RM）将岩石加温至居里点（600700）以上，然后在外磁场中冷却至室温，结果获得很强的剩磁，这种剩磁称为热剩磁。火成岩是由炽热的岩浆（8001200）在地磁场中冷却而成的，所以获得了热剩磁。热剩磁有以下几个特点：(1)热剩磁的强度大。在弱磁场中，热剩磁比等温剩磁（即常温下用外磁场磁化后的剩磁）强几十至几百倍。(2)热剩磁的方向与外磁场一致。因此，火成岩的天然剩磁方向一般代表岩石形成时的地磁场方向。(3)在弱磁场中热剩磁的强度正比于外磁场感应强度：因此可以用热剩磁强度推算古地磁场强度(4)热剩磁主要在居里点附近获得。(5)热剩磁有很高的稳定性。表现在弛豫时间很长，对于一定大小的单畴，450 度时，弛豫时间1000s，冷却至室温，弛豫时间增加至1014a,20,(2).沉积剩余磁性DRM（Depositional RM）沉积岩的剩磁来源于沉积剩磁（或称碎屑剩磁）。沉积岩中含有从母岩剥蚀而来的磁性颗粒，当这些颗粒在水中下沉时，就象一枚小“磁针”那样，受到地磁场的定向排列作用，或者在岩石固化以前，小“磁针”在沉积物的含水孔隙中转至地磁场方向。当沉积物固结后，剩磁被固定在沉积岩中，这就是沉积剩磁，它有以下几个特点：对于球状颗粒，沉积剩磁与外磁场同向。(2)对于长形颗粒，由于颗粒沉积后平躺，沉积剩磁的倾角I较地磁场倾角要小。(3)沉积剩磁强度的大小与外磁场成正比。(4)沉积岩中磁性物质大多来源于火成岩，因此本质上是热剩磁的，也具有很高的稳定性。但是沉积岩中的磁性物质比火成岩少，所以沉积岩的沉积剩磁比火成岩的热剩磁低几十倍或几百倍。,21,(3).化学剩余磁性CRM（Chemical RM）在一定磁场中，某些磁性物质在其居里点以下的温度，经过化学过程(氧化还原)或相变过程(重结晶)而获得的剩磁，称为化学剩磁。将直径小于1微米的赤铁矿粉末加热至270340，在有外磁场时使它还原成磁铁矿，就获得平行于外磁场的剩余磁性，这就是化学剩磁，它有以下几个特点：在弱磁场中，化学剩磁的强度正比于外磁场的感应强度：(2)在同样的磁场中，化学剩磁的强度只有热剩磁强度的几十分之一。但大于碎屑剩磁强度。(3)化学剩磁和热剩磁一样具有高度稳定性。只要单畴颗粒足够大，化学剩磁的驰豫时间也非常长，磁性惊人地稳定。,22,(4).粘滞剩余磁性VRM（Viscous RM）岩石长期放置地磁场中获得的剩磁，称为粘滞剩余磁性。它有以下几个特点：它的强度与时间的对数成正比。(2)随温度增高,粘滞剩磁增大。裸露于地表的岩石,受昼夜及季节的温差变化的热骚动影响,随时间增长,会形成较强的粘滞剩磁。具有较大粘滞剩磁的岩石标本,不宜用于古地磁研究。(5).等温剩余磁性(IRM)在常温未加热情况下,岩石因受外部磁场的作用(如闪电)获得的剩磁称等温剩余磁性。等温剩余磁性不稳定,其大小和方向随外磁场变化。粘滞剩余磁性与等温剩余磁性是岩石形成以后,因受外部因素的作用而获得的，因此称它们为次生剩磁。,23,24,25,26,三大岩类及其磁性特征的区别,橄榄石等,