岩石磁學與古地磁學

岩石磁學

歷史長廊 核心概念 粒度效應 (重點) 總結

CHAPTER 5 SUMMARIZED

岩石磁學與古地磁學
歷史與基礎

從司南到麥克斯韋方程，從微觀粒子到大陸漂移。
探索岩石如何成為記錄地球歷史的硬碟。

5.1 磁學歷史長廊

從直觀現象到大統一理論的兩千年旅程

BC 800 - BC 300

發現與發明

古希臘發現磁石；中國發明司南 (最早的指南工具)。

1600

William Gilbert 《De Magnete》

地球本身就是一塊大磁鐵。

奠定現代磁學基礎，區分電與磁。

1820 - 1831

電與磁的交會

奧斯特發現電生磁；法拉第 (Faraday) 提出電磁感應與「場」(Field) 的概念。

1839

高斯 (Gauss) 的數學勝利

利用球諧函數分析證明：90% 以上的地磁場源自地球內部 (偶極子場)。

1865

麥克斯韋 (Maxwell) 大統一

麥克斯韋方程組問世，證明光是電磁波。物理學的巔峰時刻。

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5.3 岩石磁性質核心

礦物如何響應磁場？

順磁性 / 反磁性

Paramagnetic / Diamagnetic

絕大多數基質礦物（石英、長石、黏土）。受外場影響微弱，無記憶能力。

鐵磁性

Ferrimagnetic

磁鐵礦、赤鐵礦。含量極少 (<0.1%)，但決定了岩石的所有剩磁。

居里溫度 (Tc)

Curie Temperature

• 針鐵礦: ~100°C
• 磁鐵礦: ~580°C
• 赤鐵礦: ~675°C

5.3.5 粒度效應：核心理論

為什麼有些石頭能記住 45 億年，有些連 1 秒都記不住？

內爾鬆弛時間公式 (Néel Relaxation Time)

$$ \tau \approx 10^{-9} \cdot \exp\left(\frac{v \cdot K_u}{k T}\right) $$

結論：體積 \(v\) 稍微變大，穩定性 \(\tau\) 呈指數級上升。

超順磁 (SP)

< 0.03 μm

τ << 1 秒

熱能狂勝磁能。像翻硬幣一樣隨機翻轉。無記憶。

單疇 (SD)

~0.03 - 20 μm

τ ≫ 10⁹ 年

最穩定的狀態。能量障礙最大。古地磁學家的寶貝。

深海紅黏土

多疇 (MD)

> 20 μm

不穩定

內部有磁域壁移動。矯頑力低，易受干擾 (黏滯剩磁)。

為什麼這一切很重要？

1. 地球的錄音機

99.9% 的礦物是「雜訊」，只有那 < 0.1% 的鐵磁性礦物是「訊號」。若它們處於 SD 狀態，就能記錄幾億年前的地磁場。

2. 應用於板塊構造

因為有了這些微小的磁記憶，我們才能重建盤古大陸的分裂，驗證海底擴張學說。岩石磁學是板塊構造論的物理基石。

"The physical basis of magnetism is fundamental to the geophysical topics..."

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