勘查地球物理课讲稿-磁法

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1、磁法部分§2.1岩（矿）石的磁性位于地壳中的岩矿体，在形成时，由于受地球磁场的磁化而表现出不同的磁性，由于这种磁性差异在地表反映出一定的磁异常，通过对岩石磁性的研究，可以掌握岩石磁化的原理，了解岩（矿）石的磁性特征及影响因素，从而解决对应的地质问题。一、物质的磁性由现代电磁学理论可知，任何物质的磁性都是带电粒子运动的结果。由于物质的原子结构不同，所呈现的宏观磁性也不同。根据物性的不同，世间所有的物质可按其磁化率的不同，划分为三大类，即：抗磁性、顺磁性和铁磁性，这三类物质的磁性随温度变化与受外磁场磁化作用等方面都有明显不同。1、抗磁性物质抗磁性物质的磁化率κ与温度无关。在外磁场H的作用

2、下，这类物质的磁化率表现为负值，且数量很小。这是因为抗磁性物质没有固定的原子磁矩，在受到外磁场作用后，原子磁矩将沿外磁场方向旋进，进而产生附加磁矩，方向与外磁场相反，形成抗磁性，其磁化率可用下式计算：式中为真空中磁导率；N为单位体积内的原子数：e为元电荷；为电子静质量；Z为每个原子的电子数；r2i为电子轨道半径平方的平均值。抗磁性磁化率是无量纲的负值。磁化率多为-10-5SI(κ)。2、顺磁性物质原子的电子壳层中，含有非成对的电子，其自旋磁矩未被抵消，此时原子具有固定磁矩，在外部均匀磁场强度H的作用下，将使原子磁矩沿H方向整齐排列，这种特性叫顺磁性。在不存在外磁场时，整个磁介质的各个

3、原子磁矩的取向是杂乱无章的，宏观上不显磁性。在外磁场的作用下，原子磁矩在外磁场方向的作用下定向排列，物体发生磁化，即产生顺磁效应。顺磁性物质的磁化率可用下式表示式中N为单位体积内含有非成对电子的原子数，μa为每个顺磁物质的原子磁矩，K为玻尔兹曼常数，T为热力学温度，C为居里常数。由公式可见顺磁物质的磁化率与热力学温度成反比。此现象由居里所发现，故称之为居里定律。研究表明纯顺磁性矿物的磁化率一般不超过(25～35)×10-5SI(κ)，但通常来说这些矿物具有混合的磁性，若其中含有铁磁性矿物的微包裹体，磁化率值增大，这种现象与矿物结晶早期阶段或变质胶代过程中的重新结晶有关。3、铁磁性在自

4、然界中，铁磁性物质只有铁、镍、钴和它们的化合物、合金以及铬和锰的合金。在这一类物质中，由于存在磁畴这种特殊结构，所以，它们磁性特别强，其磁化率比顺磁性物质大得多。这是铁磁性物质的第一个特性，除此之外，铁磁性物质还有两个明显的磁性特征：(1)磁滞现象铁磁性物质的磁化强度与磁化场呈非线性关系，即具有磁滞现象。如果用磁化曲线来表示磁性物质的磁化强度与磁化场强的关系，则顺磁性和抗磁性物质的磁化曲线均为直线，见图（a），其磁化过程是可逆的。但铁磁性物质的磁化曲线却表现为复杂的磁滞回线，如图（b）所示。由图（b）可以看出，铁磁性物质的磁化曲线表现为：当磁场强度H增加时，磁化强度M沿着A一B—C一

5、D曲线增加，在C点达到饱合值MS。随着H的降低，M沿着另一条曲线D一C一E下降。H=0时，磁化强度保持定值Mr。再继续往下，相反的磁场抵消了剩余磁性，在F点，H=-Hc时，M等于零。以后随反向磁场增加到G时，M达到饱合值-Ms。相反的过程曲线沿G一H一I一C变化。铁磁性物质的磁化是不可逆的，称之为磁滞。其中MS称为饱合磁化强度；Mr称为剩余磁化强度；HS称为饱合磁化磁场；Hc称为矫顽磁力（使铁磁质完全退磁所需要的反向磁场的大小，叫铁磁质的矫顽力)。只有铁磁性物质才有磁滞现象。(a)(b)图抗磁质、顺磁质和铁磁质的磁化（a）抗磁质和顺磁质的磁化（1.顺磁质；2.抗磁质）；（b）铁磁质的

6、磁滞回线(2)铁磁性物质的磁性和温度的关系抗磁性物质的磁化率不随温度变化，顺磁性物质的磁化率与热力学温度成反比：而铁磁性物质当温度升高时，磁化率逐渐增加，临近居里点时达到极大值，然后急剧下降趋于零（见图）。居里点为铁磁性物质的磁化率陡然降低，由铁磁性转变为顺磁性的温度。这个关系是服从居里—魏斯定律，即；式中：C—居里常数；T—热力学温度；Tc居里温度。当T〉Tc时，铁磁性消失，变为顺磁性。对于铁磁性物质，在磁化磁场增加时，加热或振动可使磁化率增加。在磁化磁场减弱时，加热或振动将使其提前去磁。根据原子磁矩在磁畴中排列的形式不同，铁磁性物质一般可分为三类：铁磁性、亚铁磁性(或称为铁淦氧磁

7、性)和反铁磁性，见图。图铁磁质磁化率随温度变化示意图图原子磁矩在磁畴中的排列示意图（a）铁磁质；（b）反铁磁质；（c）铁淦氧磁质由图中可见：1．铁磁性物质：磁畴内原子间存在很强的正交换力，在磁畴内原子磁矩排列在同一方向上。2．反铁磁性物质；磁畴内磁性离子间存在超交换作用力，磁畴内离子磁矩排列相反，故磁化率很小；但具有很大的矫顽磁力。3．铁淦氧磁性物质：磁畴内离子间存在超交换作用力，磁畴内磁性离子反平行排列，且磁矩互不相等，故每一磁畴仍有自发磁矩。所以具有较