Gesteinsmagnetismus

Bildquelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Weiss-Bezirk

Siehe auch: Gesteinsmagnetismus UNI-Jena

Magnetisierung von Gesteinen und Mineralien

Aus der Physik wissen wir, dass sich verschiedene Materialien in einem Magnetfeld sehr unterschiedlich verhalten können. Diese Beobachtung können wir auch auf Gesteine übertragen, die als magnetisch bezeichnet werden, wenn sie in der Lage sind erstens das Magnetfeld in ihrer Umgebung mit messbarem Effekt zu beeinflussen, oder die Richtung früherer Magnetfelder, die auf das Gestein gewirkt haben, zu speichern.

Dabei verhalten sich diese Minerale so ähnlich wie die Magnetite einer Festplatte oder eine Tonbands.

Träger der magnetischen Eigenschaften von Gesteinen sind die Kristalle einiger wenigen Minerale, die in der Mineralogie fast alle als Mischkristalle der Eisen- und Titanoxide beschrieben werden. Der Grad bis zu dem ein Gestein durch ein externes Magnetfeld magnetisiert werden kann, hängt von der magnetischen Suszeptibilität ab. Siehe hierzu auch die Werte in der folgenden Tabelle:

Die Suszeptibilitäten einiger Gesteine und Minerale
 

Suszeptibilität (x 10-6)

  Bereich Mittelwert
Minerale:
  Graphit
  Siderit
  Pyrit
  Hämatit
  Magnetit
 
 
100 - 310
4 - 420
40 - 3000
2.5 104
 
- 8
 
130
550
1.5 105
Sedimente:
 
0 - 75
0 - 1660
2 - 280
5 - 1480
 
10
30
25
50
Metamorphite:
  Schiefer
  Phyllit
  Gneiss
  Amphibolit
 
25 - 240
 
10 - 2000
 
 
120
130
1000
60
Tiefengesteine:
  Granit
  Diabas
  Gabbro
  Basalt
 
0 - 4000
80 - 13000
80 - 7200
20 - 14500
 
200
4500
6000
6000

Der wichtigste und bekannteste Vertreter ist der aus Oxiden des 2- und 3- wertigem Eisens aufgebaute Magnetit mit der chemischen Formel Fe Fe2 O4. Das Mineral ist nach seinem klassischen Fundort Magnesia (eine altgriechische Kolonie in Westanatolien) benannt worden und hat dem gesamten Phänomen des Gesteinsmagnetismus den Namen gegeben. Häufig wird im Magnetit ein Teil des FeO durch TiO ersetzt: man spricht dann von Titanomagnetit. Starke magnetische Eigenschaften hat auch der durch Oxidation aus Magnetit hervorgegangene Maghemit (-Fe2O3), während der Hämatit (-Fe2O3) ebenso wie der sulfidische Magnetkies um etwa eine Größenordnung schwächer magnetisiert ist. Vergleiche dazu auch die Werte in der Tabelle.

Eine kurze Bemerkung noch zur Entstehung des Gesteinsmagnetismus. Das soeben beschriebene Verhalten wird durch die strenge Ordnung der an den Elektronenspin gebundenen Elementarmagnete bestimmt. Diese stellt sich in bestimmten Bereichen (Domänen) des Kristallgitters - sogenannte Weißschen Bezirke - durch quantenmechanisch erklärbare Austauschkräfte selbst ein.

Liegen innerhalb dieser Domänen alle atomaren magnetischen Dipole parallel, wie etwa beim Eisen, so spricht man von ferromagnetischem Verhalten. Zerstört man diese Ordnung teilweise, nimmt die magnetische Wirkung ab, und man spricht von Ferrimagnetismus. Weiter oben war schon von der Curie-Temperatur die Rede. Oberhalb dieser Temperatur verhindern Schwingungen der Atome die Bildung von Weiß´schen Bezirken und das Gestein verliert seine ferri- oder ferro-magnetischen Eigenschaften, nämlich die Suszeptibilität und remanente Magnetisierung.

Für reinen Magnetit liegt die Curie-Temperatur bei etwa 580°C. Für die beispielsweise in oxidiertem ozeanischen Basalten enthaltenen Titanomaghemite ist eine Temperatur von ca. 400 °C typisch. Siehe dazu auch weitere Informationen im Abschnitt über Thermoremanenz.

Die Suszeptibilität vieler Gesteine ist häufig einfach durch den Gehalt an Magnetit bestimmt und erklärt die hohe Variationsbreite in der Tabelle. Wie stark die Magnetisierung von Gesteinen ist, hängt allerdings noch von einer Reihe anderer Faktoren ab wie z.B. von der Stärke des induzierenden Magnetfeldes, von der Art und Konzentration der magnetischen Minerale, von ihrer Korngröße und der Temperatur.