MAGNETOMETRIA
1.Diamagnetyki.
Diamagnetyki to ciała które, ze względu na w pełni zapełnione powłoki elektronowe, posiadają
zerowy moment magnetyczny.
Zjawisko diamagnetyzmu związane jest z procesem precesji orbit elektronowych w atomie
umieszczonym w zewnętrznym polu magnetycznym. Precesja ta odbywa się z częstotliwością
Larmora proporcjonalną do przyłożonego zewnętrznego pola magnetycznego. Zjawisko to jest
źródłem momentu magnetycznego skierowanego przeciwnie do kierunku pola zewnętrznego. W
związku z tym diamagnetyki magnesują się przeciwnie w stosunku do przyłożonego pola
magnetycznego . Ich podatność magnetyczna ma wartość ujemną κ<0 i jest niezależna od
temperatury oraz od wielkości przyłożonego pola magnetycznego. Przenikalność magnetyczna
absolutna jest niewielka i bliska przenikalności magnetycznej próżni, a względna przenikalność
magnetyczna bliska jest jedności (μr 1).
≅
Typowymi diamagnetykami są gazy szlachetne (hel, neon, argon, krypton, ksenon), a także jony
niektórych metali. Diamagnetykami są również woda, sól kamienna, ropa naftowa, i inne związki
organiczne oraz wieloatomowe jony np. CO32-, SO42-. Niektóre metale: bizmut, cynk, złoto,
srebro, miedź oraz grafit.
2.Paramagnetyki.
Paramagnetyki to ciała które, posiadają wewnętrzny niezerowy moment magnetyczny.
Umieszczenie tych ciał w zewnętrznym polu magnetycznym powoduje zachodzenie w nich
zjawiska diamagnetyzmu jednak bardzo słabego. Dominującym zjawiskiem zachodzącym w tych
ciałach pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego jest ustawienie własnego ciał momentu
magnetycznego w kierunku zgodnym z kierunkiem pola zewnętrznego. Oznacza to że pod
wpływem przyłożonego pola magnetycznego ciało ulega namagnesowaniu i wykazuje słabe
własności magnetyczne. Podatność magnetyczna paramagnetyków jest dodatnia (κ>0) rzędu 10–5-
0–2, a względna przenikalność magnetyczna jest większa od jedności (μr>1). Stopień
uporządkowania momentów magnetycznych zależy przyłożonego pola zewnętrznego oraz od
temperatury.
W zewnętrznym polu magnetycznym w paramagnetykach następuje uporządkowanie momentów
magnetycznych atomów, które rośnie wraz ze wzrostem zewnętrznego pola magnetycznego,
osiągając przy odpowiedniej wartości tego pola stan nasycenia i maleje wraz ze wzrostem
temperatury.
Ilość paramagnetyków występujących w przyrodzie jest bardzo duża. Najważniejsze z nich to: tlen,
tlenek azotu, platyna, pallad, magnez, chrom, molibden, mangan, miedź dwuwartościowa,
lantanowce ich tlenki i siarczki oraz sole ziem rzadkich, a także sole żelaza, sole kobaltu, sole niklu
i metale alkaliczne .
3.Prawo Curie.
Związek między podatnością magnetyczną paramagnetyków, a temperaturą bezwzględną został
podany przez Piotra Curie:
κ = C / T
Gdzie:
κ – podatność magnetyczna,
C – stała Curie,
T – temperatura bezwzględna.
4.Ferromagnetyki.
Zjawisko ferromagnetyzmu występuje u stosunkowo niewielkiej grupy ciał, które nazywamy
ferromagnetykami. W ferromagnetykach oddziaływania między momentami magnetycznymi
atomów lub jonów są na tyle silne, że powodują uporządkowanie kierunków momentów
magnetycznych atomów.
Ferromagnetyki to ciała, zazwyczaj krystaliczne, charakteryzujące się silnymi własnościami
magnetycznymi. Ciała te magnesują się nawet w słabych polach magnetycznych. Do tzw.
ferromagnetyków „sensu stricto” należą niektóre metale grupy przejściowej, a mianowicie: Fe, Co,
Ni. Lantanowce są ferromagnetykami w niskich temperaturach (<- 168
o
C). Własności magnetyczne
ferromagnetyków zależne są od temperatury, wielkości przyłożonego pola magnetycznego, ich
kształtu, ciśnienia itd.
Ferromagnetyk, który nigdy nie był poddany działaniu pola magnetycznego nie wykazuje własności
magnetycznych, co jest wynikiem jego wewnętrznej (domenowej) struktury. Powstanie domen jest
zgodne z zasadą, według której każdy układ fizyczny dąży do osiągnięcia najniższego stanu
energetycznego. Spontanicznemu namagnesowaniu towarzyszy powstanie sił magnetostatycznych,
które powodują podział ferromagnetyka na domeny. Domeny te układają się w taki sposób, aby
sumaryczna energia kryształu ferromagnetyka była minimalna.
Charakterystyczną cechą ferromagnetyków jest fakt iż, domeny raz uporządkowane niechętnie
wracają do pierwotnego chaosu. Skutek jest taki, że nawet, gdy zewnętrzne pole magnetyczne
zmniejszy się do zera, część domen nadal jest uporządkowana, zatem ferromagnetyk nadal
wytwarza pole magnetyczne. Namagnesowanie ferromagnetyka po usunięciu zewnętrznego pola
magnetycznego nazywamy namagnesowaniem trwałym lub pozostałością magnetyczną .
Namagnesowanie ferromagnetyków znika całkowicie tylko, gdy osiągną temperaturę krytyczną, zw.
temperaturą Curie powyżej której domeny magnetyczne tracą ułożenie kierunkowe i na nowo
przechodzą w stan ułożenia chaotycznego. Temperatura Curie jest cechą charakterystyczną dla
każdego z ferromagnetyków.
5.Antyferromagnetyki.
Przyjmuje się, że krystaliczna sieć antyferromagnetyka składa się z dwóch podsieci
namagnesowanych w przeciwnych kierunkach. W tym przypadku domena nie posiada
spontanicznego namagnesowania i wypadkowy moment magnetyczny domeny równa się zero.
Antyferromagnetyki posiadają słabe własności magnetyczne, a ich podatność magnetyczna zbliżona
jest do podatności magnetycznej paramagnetyków. W niektórych antyferromagnetykach momenty
spinowe atomów nie są antyrównoległe, dzięki czemu domeny posiadają niewielkie
namagnesowanie wypadkowe.
Do antyferromagnetyków należą: tlenki ferromagnetyków i innych metali, a także antymonki,
arsenki, tellurki i selenki .
6.Ferrimagnetyki.
Ferrimagnetyki posiadają dwie podsieci o przeciwnym namagnesowaniu, których wypadkowe
momenty różnią się między sobą. W niektórych ferrimagnetykach podsieci mogą wykazywać ten
sam kierunek namagnesowania. Domeny ferrimagnetyka posiadają namagnesowanie spontaniczne,
a sam ferrimagnetyk ma własności magnetyczne zbliżone do ferromagnetyków „sensu stricto” .
7.Ferromagnetyki „sensu lato”.
Oprócz ferromagnetyków „sensu stricto” w literaturze można spotkać termin ferromagnetyki „sensu
lato” (w ogólnym tego słowa znaczeniu), który stosuje się do określenia ferromagnetyków,
antyferromagnetyków i ferrimagnetyków razem wziętych.
8.Namagnesowanie skał.
Namagnesowanie skał zależy od:
Skały wulkaniczne i metamorficzne – ich namagnesowanie zależy od dwóch czynników, od
obecności minerałów ferromagnetycznych oraz zawartości kwasów krzemowych. Najbardziej
podatne magnetycznie są skały zasadowe i ultrazasadowe takie jak – gabra, diabazy, porfiryty,
bazalty, perydotyty, serpentynity podczas gdy granity i granodioryty są praktycznie całkowicie
niemagnetyczne.
Rozpatrują występowanie minerałów ferromagnetycznych zaobserwowano iż większy wpływ na
własności magnetyczne ma rozmieszczenie tych minerałów niż ich rozmiar. Sposób i kierunek
namagnesowania zależy od ilości i położenia wrostków minerałów magnetycznych. Wpływ na
namagnesowanie mają również mechaniczne oddziaływanie na ciało – takie jak ściskanie,
rozciąganie, podgrzewanie a także wstrząsy sejsmiczne (np. ściskanie powoduje zmniejszenie
indukcji magnetycznej w magnetytach).
Skały osadowe – są praktycznie niemagnetyczne. Wyjątek stanowi kilka rodzajów glin i piasków.
Kierunek namagnesowania zależy od kierunku ułożenia poszczególnych części skały. Jeśli części
skał osadowych podczas powstawania zawierały minerały ferromagnetyczne, układają się one
równolegle do kierunku działającego podczas ich powstawania pola magnetycznego.
9.Pole magnetyczne Ziemi.
Ziemskie pole magnetyczne jest złożoną funkcją przestrzeni i czasu, a jego głównym źródłem są
zjawiska i procesy zachodzące we wnętrzu Ziemi. Pole to jest reprezentowane przez wektor
indukcji T całkowitego pola magnetycznego Ziemi zwanym też całkowitym wektorem pola
magnetycznego Ziemi. Jest to wielkość wyrażana w jednostkach indukcji magnetycznej czyli w
teslach [T].
Rozkład wektora indukcji całkowitego pola magnetycznego Ziemi T na składowe (półkula
północna) :
Składowa pozioma – H magnetyzmu ziemskiego jest wektorem posiadającym składowe północną X
i wschodnią Y .
Składowa pionowa – Z magnetyzmu ziemskiego odpowiada rzutowi T na oś pionową „z” układu
współrzędnych.
10.Deklinacja – D .
Kąt zawartym między południkiem magnetycznym i geograficznym, którego kierunek zgodny jest z
kierunkiem osi „x” prostokątnego układu współrzędnych, wskazującym północ geograficzną
(N
geogr.
). Deklinacja jest dodatnia, gdy H odchylone jest w kierunku wschodnim od południka
geograficznego (deklinacja wschodnia), natomiast ujemna w przypadku odchylenia H w kierunku
zachodnim (deklinacja zachodnia) .
11.Inklinacja – I .
Kąt zawarty między wektorem T a płaszczyzną poziomą (kąt między T i H). Inklinacja jest
dodatnia, gdy wektor T skierowany jest w dół (półkula północna) od powierzchni Ziemi lub
ujemna, gdy wektor T skierowany jest w górę (półkula południowa).
12.Źródła pola magnetycznego Ziemi.
Obserwowane ziemskie pole magnetyczne T
obs
jest sumą pól magnetycznych różnego pochodzenia
T
D
- dipolowego pola magnetycznego (pole jednorodnie namagnesowanej kuli),
T
k
- pola kontynentalnego, zwanego także polem anomalii kontynentalnych, lub polem
szczątkowym odpowiadającym, polu niedipolowemu,
T
z
- pola zewnętrznego (pochodzenia pozaziemskiego),
T
a
- pola anomalnego - pola anomalii magnetycznych,
δT - szybko zmieniających się pól magnetycznych pochodzenia pozaziemskiego i/lub
antropogenicznego, które traktowane jako pola zakłócające są eliminowane z obserwowanego pola
magnetycznego.
T
obs
= T
D
+ T
k
+ T
z
+ T
a
+ δT
13.Zewnętrzne pole magnetyczne Ziemi.
Główną przyczyną powstawania tego pola jest oddziaływanie wiatru słonecznego na ziemskie pole
magnetyczne.
14.Wiatr słoneczny .
Źródłem wiatru słonecznego (ang. solar wind) są procesy zachodzące na Słońcu. Jest to
zjonizowany gaz o bardzo małej gęstości, będący idealnym przewodnikiem (plazma) i poruszający
się z naddźwiękową prędkością. Jego prędkość w pobliżu Ziemi wynosi 300–800 km/s (średnio 400
km/s), a przy dużej aktywności Słońca może dochodzić do 2 – 3 tysięcy km/s. W skład wiatru
słonecznego wchodzą protony, jądra helu i jony o większych masach oraz równoważna cząstkom
dodatnim ilość elektronów, co powoduje, że wiatr słoneczny jest prawie obojętny pod względem
elektrycznym. Koncentracja jonów dodatnich w wietrze słonecznym jest niewielka i w odległości
jednostki astronomicznej wynosi średnio 7–10 jonów/cm3, co daje intensywność pola
magnetycznego ok. 6 nT. Poruszający się z ponaddźwiękową prędkością wiatr słoneczny w
zderzeniu z polem magnetycznym Ziemi zachowuje się jak ciecz. Napotykając na swojej drodze
przeszkodę, jaką jest ziemskie pole magnetyczne, opływa je, powodując jednocześnie jego
spłaszczenie od strony słonecznej. Kierując się dalej w przestrzeń międzyplanetarną wiatr
słoneczny powoduje wyciągnięcie w kierunku odsłonecznym linii sił ziemskiego pola
magnetycznego.
15.Pole normalne.
Suma pól: dipolowego, kontynentalnego i zewnętrznego określana jest mianem pola normalnego :
T
N
= T
D
+ T
k
+ T
z
W magnetometrii pojęcie pola normalnego nie jest jednoznaczne i ma charakter umowny
Najczęściej z uwagi na małą wartość pola zewnętrznego (rzędu 1%) pod pojęciem
pola normalnego rozumie się główne pole magnetyczne T
G
. Znajomość pola normalnego pozwala
na wyznaczenie pola anomalnego Ta, związanego z budową i zjawiskami zachodzącymi w skorupie
ziemskiej.
16.Pole anomalne.
Pole anomalne zazwyczaj nie przekracza 4% obserwowanego pola magnetycznego i jest obliczane
wg wzoru:
T
a
= T’
obs
– T
N
Gdzie:
T’
obs
= T
obs
– δT
17.Zmiany krótkookresowe i długookresowe.
Obserwacje elementów magnetyzmu ziemskiego wskazują na ich ciągłe zmiany w czasie. Zmiany
te noszą nazwę wariacji elementów magnetyzmu ziemskiego .
Wyróżnia się dwa typy wariacji:
- krótkookresowe o charakterze regularnym lub zaburzonym ;
- długookresowe tzw. zmiany wiekowe SV (ang. secular variations)
Krótkookresowe zmiany pola magnetycznego często mają charakter zaburzony. Przyczynami tych
zmian są prądy elektryczne płynące w jonosferze. Są to więc przyczyny pozaziemskie, zewnętrzne.
Krótkookresowe zmiany zwane zmianami chwilowymi lub wariacjami pola magnetycznego są
funkcją czasu i miejsca obserwacji. Zmiany te są reprezentowane przez wektor magnetycznych
wariacji :
δT = T
obs
– T
śr
T
śr
odpowiada średniej wartości pola magnetycznego mierzonego w wybranym przedziale czasu
(np. miesiąc, rok).
Źródła krótkookresowych zmian pola magnetycznego znajdują się w przestrzeni okołoziemskiej.
Zmiany krótkookresowe dzieli się na dwie grupy. Do pierwszej z nich należą zmiany spokojne (ang.
quiet variation ), do drugiej zmiany zaburzone (ang. disturbance variation). Obserwowane w ciągu
doby zmiany pola magnetycznego o amplitudzie rzędu kilkudziesięciu nanotesli noszą nazwę
zmian dobowych. Wśród zmian spokojnych wyróżnia się zmiany dobowe słoneczne i księżycowe.
Zmiany wiekowe (długookresowe) natomiast są wynikiem zjawisk zachodzących we wnętrzu Ziemi
(ciekłe jądro zewnętrzne) w związku z czym są zmianami pochodzenia wewnętrznego.
18.Zdjęcie magnetyczne.
Pomiary magnetyczne prowadzi się najczęściej na dwa sposoby:
− jako zdjęcie profilowe (krok pomiarowy na profilu jest różny od odległości pomiędzy profilami,
− jako zdjęcie powierzchniowe (w założonej siatce kwadratów o zadanej długości boku lub w
punktach rozproszonych).
19.Anomalie Z
a
i H
a
.
Składowe Z
a
i H
a
, anomalnego pola magnetycznego, wywołanego obecnością w skorupie ziemskiej
ciała zaburzającego, związane są z jego parametrami tj.:
-głębokością występowania,
-geometrią (kształt),
-kierunkiem namagnesowania ,
-wielkością namagnesowania.
20.Podstawowe parametry magnetyczne (namagnesowanie i podatność magnetyczna).
Podstawowymi parametrami magnetycznymi charakteryzującymi własności magnetyczne ośrodka
skalnego, a także obiektu antropogenicznego są:
- namagnesowanie
- podatność magnetyczna
Namagnesowanie jest wynikiem uporządkowania momentów magnetycznych pod wpływem
zewnętrznego pola magnetycznego i określa zdolność ośrodka do tworzenia własnego pola
magnetycznego.
Podatność magnetyczna natomiast charakteryzuje zdolność ośrodka do magnesowania się pod
wpływem zewnętrznego pola magnetycznego.
21.Namagnesowanie.
Na namagnesowanie skał, jak również obiektów antropogenicznych, składają się:
- namagnesowanie indukcyjne J
i
, związane z obecnie istniejącym polem magnetycznym (np.
ziemskim polem magnetycznym)
- namagnesowanie szczątkowe (resztkowe) J
n
definiowane jako moment magnetyczny jednostki
objętości ośrodka pod nieobecność zewnętrznego pola magnetycznego.
Namagnesowanie indukcyjne skał jest zależne od natężenia pola magnetycznego działającego np.
na skałę i znika pod jego usunięciu.
Namagnesowanie szczątkowe zwane też naturalnym namagnesowaniem szczątkowym J
n
, a w
paleomagnetyzmie naturalną pozostałością magnetyczną NRM występuje w skałach różnego
pochodzenia (magmowe, metamorficzne, osadowe), w skład których wchodzą minerały
ferromagnetyczne „sensu lato”, a także w obiektach antropogenicznych, zawierających tego typu
minerały lub ferromagnetyki z grupy metali przejściowych wśród, których najczęściej
pojawiającym się jest żelazo.
Naturalne namagnesowanie szczątkowe pozostaje w ścisłym związku z wielkością ziemskiego pola
magnetycznego istniejącego w czasie tworzenia się skały jak również z ilością, rodzajem i
wykształceniem minerałów ferromagnetycznych. Kierunek namagnesowania szczątkowego skał
różni się od kierunku obecnie istniejącego pola magnetycznego Ziemi.
22.
Rozkład dT, H
a
i Z
a
na biegunie nad pionową warstwą cienką o J pionowym zależnie od
rozciągłości
.
23.Rozkład Z
a
, H
a
, dT na równiku, nad cienką pionową warstwą, namagnesowaną indukcyjnie.
24.Prawa Maxwella.
I równanie Maxwella - prawo Faradaya dla indukcji elektromagnetycznej - równanie to opisuje
zjawiska elektryczne wywołane przez zmienne pola magnetyczne. Jeżeli pole magnetyczne zmienia
się w czasie, indukuje w przewodniku elektrycznym prąd elektryczny przewodnictwa, a w
dielektryku prąd przesunięcia. Zmienne pole magnetyczne wytwarza wokół siebie pole elektryczne.
II równanie Maxwella - uogólnione prawo Ampere'a - równanie opisuje zjawiska magnetyczne
wywołane prądem przewodnictwa i prądem przesunięcia. Jeżeli pole elektryczne zmienia się w
czasie, wytwarza wokół siebie pole magnetyczne. Prąd elektryczny jest otoczony polem
magnetycznym.
III równanie Maxwella - prawo Gaussa dla pola elektrycznego - dotyczy ładunków elektrycznych i
pola elektrycznego. Ładunki będące w spoczynku wytwarzają wokół siebie pole elektryczne. Linie
pola elektrycznego zaczynają się lub kończą na ładunkach.
IV równanie Maxwella - prawo Gaussa dla pola magnetycznego - mówi, że nie istnieją ani ładunki
magnetyczne ani prądy magnetyczne. Nie istnieją monopole magnetyczne. Zjawiska magnetyczne i
elektryczne nie są zatem symetryczne.
25.Anomalia magnetyczna.
Miarą anomalii w danym punkcie na powierzchni ziemi jest różnica między zmierzoną w tym
punkcie wartością danej składowej a wartością normalną obliczoną ze wzoru.
26.Magnetosfera.
Jest to obszar ziemskiego pola magnetycznego składającego się z następujących regionów:
magnetosfery wewnętrznej, magnetosfery zewnętrznej, magnetopauzy. Magnetosfera jest
asymetryczna (skompresowana od strony Słońca i wydłużona zgodnie z wiatrem słonecznym).
26.Prawa Archie'ego – wzór, opis i zastosowanie.
Równanie Archie’ego pozwoliło liczbowo określać zasoby złóż węglowodorów na podstawie
profilowań oporności i profilowań wyznaczających porowatość. Profilowania elektrometrii (3
profilowania oporności i PS) oraz PG pozwalają wyznaczyć skały o zmiennej litologii oraz
stwierdzić jakie jest ich nasycenie.
Wzór Gustawa Archie'ego:
R
o
/ R
w
= 1 / φ
m
Gdzie:
m = 2 - współczynnik zwięzłości,
R
o
– oporność warstwy w 100% nasyconej wodą,
R
w
– oporność wody złożowej,
φ – porowatość efektywna.
27.Magnetometria.
Magnetometria jako dział geofizyki zajmuje się badaniem pola magnetycznego Ziemi. Zjawisko
pola magnetycznego Ziemi przejawia się jako fakt stałego ustawiania się igły magnetycznej tym
samym końcem w kierunku punktu leżącego w pobliżu północnego bieguna geograficznego.
Stwierdzamy w ten sposób, że Ziemia jest źródłem pola magnetycznego, tzn. że w jej otoczeniu
występuje pole tzw. sił magnetycznych, które działają min. na bieguny magnesów stałych oraz na
inne urządzenia rejestrujące obecność pola geomagnetycznego. Przy tym pole magnetyczne Ziemi
wywołuje rozmaite zjawiska magnetyczne w skałach.