Question

岩石、矿石的磁性特征

Answer 1

（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的作用时，衡量物质被磁化的程度是以磁化强度M表示，它与磁场强度之间的关系为

地球物理勘探概论

式中：κ是物质的磁化率，它表征物质受磁化的难易程度，是一个量纲为一的物理量。实际工作中，磁化率仍注以单位。SI单位制用SI（κ）标明，CGSM单位制用CGSM（κ）标明，两者的关系是

。在两种单位制中，磁化强度的单位，分别是A/m及CGSM（M），二者的关系是1A/m＝10^－3CGSM（M）。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）。

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

地球物理勘探概论

式中：B以T［特（斯拉）］为单位；μ是介质的磁导率，单位为H/m［亨（利）/米］；H以A/m（安/米）为单位。

若介质为真空，则有：

地球物理勘探概论

式中：μ₀是真空的磁导率，μ₀＝4π×10^－7H/m。令μ_r＝μ/μ₀（相对磁导率），由式（1-2-5）得：

地球物理勘探概论

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相比，B增加了κH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μ_r＝1＋κ是一个纯量。μ与μ₀二者之间的关系为

地球物理勘探概论

3.感应磁化强度和剩余磁化强度

位于岩石圈中的地质体，处在约为0.5×10^－4T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（M_i），它表示为

地球物理勘探概论

式中：T是地磁场总强度（磁感应强度）；κ是岩石、矿石的磁化率，它取决于岩石、矿石的性质。

岩石、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过程，所保留下来的磁化强度，称作天然剩余磁化强度，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

地球物理勘探概论

磁法勘探中，表征岩石磁性的物理量是κ（M_i）、M_r及M。

（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。

1.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。其中几种常见矿物的磁化率，见表1-2-1。

由此可见：

（1）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。

（2）顺磁性矿物，其磁化率要比抗磁性矿物磁化率大得多，大了约两个数量级。

2.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，它的三元系统如图1-2-4所示。由FeO、Fe₂O₃和TiO₂组合成的固熔体的主要矿物及其他磁性矿物如表1-2-2所示。

表1-2-1 常见矿物磁化率

图1-2-4 铁-钛氧化物的三元系统

地壳中纯磁铁矿少见，大多是由不同比例的铁、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（0.002～0.2）SI （κ），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。表1-2-2列出了一些铁磁性矿物的磁化率。

磁黄铁矿属铁-硫二元系，它常见于汞、砷、锑层控矿床。当0＜x＜0.1时，它是反铁磁性；当0.1＜x＜0.25时，它是亚铁磁性，它亦分为α型和γ型，后者磁化率较大。

表1-2-2 铁磁性矿物磁化率

（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。

1.沉积岩的磁性

一般说来，沉积岩的磁性较弱，如表1-2-3所示。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。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。

表1-2-3 地壳岩石的磁化率和天然剩余磁化强度

注：表中数字表示数量级。

2.火成岩的磁性

依据产出状态，火成岩又可分为侵入岩和喷出岩。

（1）不同类型的侵入岩（花岗岩、花岗闪长岩、闪长岩、超基性岩等），其κ_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。

（2）超基性岩是火成岩中磁性最强的。超基性岩体系在经受蛇纹石化时，辉石被蚀变分解形成蛇纹石和磁铁矿，使磁化率急剧增大，可达到几个SI（κ）单位。

（3）基性岩、中性岩，一般来说其磁性较超基性岩要低。

（4）花岗岩建造的侵入岩，普遍是铁磁—顺磁性的，磁化率不高。

（5）喷出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。由于喷出岩迅速且不均匀地冷却，结晶速度快，因而其磁化率离散性大。

（6）火成岩具有明显的天然剩余磁性，其Q＝M_r/M_i称为柯尼希斯贝格比。不同岩石组成的Q值范围，可在0～10或更大范围内变化。

3.变质岩的磁性

变质岩的磁化率和天然剩余磁化强度的变化范围很大。按磁性，变质岩可分为铁磁-顺磁性和铁磁性两类，其与原来的基质有关，也与其形成条件有关。由沉积岩变质生成的，称副变质岩，其磁性特征一般具有铁磁—顺磁性；由岩浆岩变质生成的，称正变质岩，其磁性有铁磁-顺磁性与铁磁性两种。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M_r方向往往近于片理方向。磁化率各向异性可用下式来评价：

地球物理勘探概论

式中：λ_κ是磁化率各向异性系数。在强变质沉积岩石中，λ_κ值最大可达1.0～1.5。

（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。

1.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，岩石中铁磁性矿物含量愈大，磁性愈强。

2.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，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H_c，与铁磁性矿物颗粒大小的关系恰好相反，H_c随铁磁性矿物颗粒的增大而减小。喷出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岩石的磁化率也有影响。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。

3.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，有可逆及不可逆两种。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；加热和冷却的过程，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H_c的减小。

岩石磁化率与温度的相互关系比单纯矿物的复杂，岩石的磁化率-温度曲线与铁磁性矿物的成分有关，岩石的居里温度T_c分布仅与铁磁性矿物成分有关，而与矿物的数量、大小及形状无关。因此，热磁曲线（磁化率-温度曲线）可用于分析确定岩石中的铁磁性矿物类型。

温度增高，还导致岩石剩余磁化强度退磁。

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40MPa的单向压力时，其磁化率减小，且其减小与磁化场强度还有关系。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，与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。