Pole magnetyczne Ziemi jest niewidoczne, ale oddziałuje także na minerały i skały. Jedne substancje są przez nie bardzo słabo odpychane, inne przyciągane, a niektóre potrafią zachować informację o polu magnetycznym istniejącym miliony lat temu.
Reakcję materiału na zewnętrzne pole magnetyczne można w najprostszym, liniowym przybliżeniu opisać równaniem:
M = χH
gdzie:
- M – wektor namagnesowania materiału, wyrażany w amperach na metr [A/m],
- χ – podatność magnetyczna, czyli bezwymiarowy współczynnik określający, jak silnie materiał reaguje na przyłożone pole,
- H – natężenie zewnętrznego pola magnetycznego [A/m].
Wzór ten dobrze opisuje przede wszystkim słabe pola oraz materiały dia- i paramagnetyczne. W przypadku minerałów wykazujących silniejsze właściwości magnetyczne zależność między polem a namagnesowaniem może być nieliniowa i zależeć między innymi od wcześniejszej historii magnetycznej próbki. W minerałach anizotropowych podatność może również zmieniać się zależnie od kierunku pomiaru.
Jak minerały reagują na pole magnetyczne?
Ze względu na reakcję na przyłożone pole substancje można podzielić na kilka głównych grup.
Diamagnetyki
W diamagnetykach zewnętrzne pole indukuje bardzo słabe namagnesowanie skierowane przeciwnie do przyłożonego pola. Ich podatność magnetyczna jest ujemna, dlatego są przez magnes nieznacznie odpychane. Efekt ten jest jednak tak słaby, że zwykle można go wykryć dopiero za pomocą precyzyjnej aparatury.
Diamagnetyzm występuje w każdej materii, ale w niektórych substancjach jest maskowany przez silniejsze rodzaje magnetyzmu. Do minerałów, w których dominuje zachowanie diamagnetyczne, należą między innymi kwarc i kalcyt.
Paramagnetyki
Minerały paramagnetyczne zawierają atomy lub jony mające niesparowane elektrony, a więc również własne momenty magnetyczne. Bez zewnętrznego pola ich kierunki są nieuporządkowane wskutek ruchów cieplnych. Po przyłożeniu pola część momentów ustawia się zgodnie z jego kierunkiem, dlatego materiał zostaje słabo przyciągnięty.
Podatność paramagnetyków jest dodatnia, ale zazwyczaj niewielka. Po usunięciu zewnętrznego pola uporządkowanie zanika i materiał zasadniczo nie zachowuje trwałego namagnesowania.
W skałach właściwości paramagnetyczne wykazują liczne minerały zawierające żelazo lub mangan, między innymi niektóre pirokseny, amfibole, biotyty i syderyt. Minerały ilaste także mogą mieć dodatnią podatność magnetyczną, jednak jej wartość zależy od ich składu chemicznego oraz obecności domieszek, zwłaszcza tlenków żelaza.
Minerały uporządkowane magnetycznie
Niektóre minerały wykazują znacznie silniejsze oddziaływania pomiędzy momentami magnetycznymi atomów. Poniżej określonej temperatury momenty te tworzą uporządkowane struktury. Do tej grupy należą ferromagnetyki, ferrimagnetyki i antyferromagnetyki.
Materiały ferro- i ferrimagnetyczne mogą tworzyć domeny magnetyczne, czyli obszary o jednakowym kierunku namagnesowania. Pod wpływem zewnętrznego pola domeny zmieniają orientację lub rozmiary, a namagnesowanie rośnie aż do osiągnięcia nasycenia.
Po usunięciu pola część namagnesowania może pozostać w materiale. Nazywamy ją namagnesowaniem szczątkowym lub remanencją magnetyczną. Zależność namagnesowania od przyłożonego pola ma wówczas postać pętli histerezy.
Fot. Ryan Somma, CC BY-SA 2.0, via Wikimedia Commons
Trzy sposoby uporządkowania momentów magnetycznych
Ferromagnetyki
W ferromagnetykach momenty magnetyczne atomów są ustawione równolegle i mają ten sam zwrot. Dzięki temu materiał może uzyskać bardzo duże namagnesowanie.
Najbardziej znanym ferromagnetykiem jest metaliczne żelazo, jednak w skorupie ziemskiej żelazo rodzime występuje rzadko. W skałach znacznie większe znaczenie mają minerały ferrimagnetyczne i antyferromagnetyczne.
Ferrimagnetyki
W ferrimagnetykach momenty magnetyczne są ustawione w dwóch lub większej liczbie podsieci o przeciwnych zwrotach. Ich wartości nie równoważą się jednak całkowicie, dlatego minerał zachowuje wyraźne namagnesowanie.
Najważniejszym naturalnym ferrimagnetykiem jest magnetyt. Do tej grupy należą również maghemit oraz greigit – siarczek żelaza powstający między innymi w niektórych osadach pozbawionych tlenu. Minerały te często są głównymi nośnikami namagnesowania szczątkowego skał.
Antyferromagnetyki
W idealnym antyferromagnetyku momenty magnetyczne są ustawione przeciwnie i mają taką samą wartość, dlatego wzajemnie się znoszą. Wypadkowe namagnesowanie jest wówczas bliskie zeru.
Do minerałów o uporządkowaniu antyferromagnetycznym należy hematyt. Nie jest on więc typowym ferromagnetykiem, jak sugerowałby potoczny podział. Ze względu na niewielkie odchylenie momentów od układu idealnie przeciwnego może jednak wykazywać słabe namagnesowanie i zachowywać bardzo trwałą remanencję. Antyferromagnetyczny jest również goethyt, choć jego właściwości magnetyczne różnią się od właściwości hematytu.
A) ferromagnetyków sensu stricte, B) ferrimagnetyków C) antyferromagnetyków
Jak skały zapamiętują dawne pole magnetyczne?
Skała jest mieszaniną wielu minerałów, dlatego jej właściwości magnetyczne zależą nie tylko od ich rodzaju, lecz także od zawartości, wielkości ziaren, kształtu kryształów, temperatury oraz historii geologicznej.
Kiedy lawa lub magma stygnie, obecne w niej minerały magnetyczne mogą utrwalić kierunek ówczesnego pola magnetycznego Ziemi. Dzieje się to po obniżeniu temperatury poniżej charakterystycznej dla danego minerału temperatury uporządkowania magnetycznego. W przypadku magnetytu jest to temperatura Curie wynosząca około 580°C.
Namagnesowanie może zostać zapisane także podczas osadzania się drobnych ziaren mineralnych w wodzie albo w wyniku późniejszych przemian chemicznych zachodzących w skale. Zapis ten nie zawsze pozostaje nienaruszony – może zostać zmieniony przez ogrzanie, wietrzenie, procesy hydrotermalne, deformacje tektoniczne lub powstawanie nowych minerałów.
Dzięki badaniom paleomagnetycznym geolodzy mogą odtwarzać dawne położenie kontynentów, śledzić ruchy płyt litosfery, datować skały oraz rozpoznawać przebiegunowania ziemskiego pola magnetycznego.
Minerały magnetyczne są więc czymś więcej niż małymi naturalnymi magnesami. Mogą być również geologicznymi nośnikami pamięci, w których przez miliony lat przechowuje się zapis zmian zachodzących na Ziemi.
