지자기 및 자력 탐사에 대해 알아보자

지자기 및 자력 탐사

 

 기초 이론

◦ 자력선

얇은 종이 위에 철가루를 뿌려 놓고 그 밑에 막대자석을 위치시키면 철가루가 놓인 선상

· 자극 - 자력선이 모이는 부분, 막대자석의 끝부분

· 자기 쌍극자 - 자극은 항상 양극과 음극이 존재

· 단극 - 한쪽 극이 다른 쪽 극의 영향을 거의 받지 않을 경우에는 두 극을 분리하여 독립적으로 생각할 수 있다.

◦ 자기장

· 자기 강도(magnetic pole strength)

F = 1 over mu {m_1 m_2 } over {r^2} hat r (dyne → 가우스 단위계(cgs 단위계))

┏ μ : 투자율(magnetic permeability), 진공 → 1

┣ m1, m2 : 자력 강도

┣ r : 이격 거리

┗ F : 두 극 사이에 작용하는 자력

· 자기장에서는 부호가 다른 극 → 인력, 같은 극 → 척력 존재

· 자기장 H

H = F over m_2 = 1 over mu m_1 over r^2 hat r (dyne/unit pole → Oersted)

· 자기 유도 or 자속 밀도 B

자기장의 세기를 단위 면적당 자력선수로 표현한 것

B = mu H (G(Gauss) → cgs 단위계, T(Tesla → mks 단위계)

◦ 자화 강도

모든 자성 물질은 자기장내에서 자화 되는데 이때 자화되는 정도

I = m over A hat l

┏ A : 단면적, m : 자극 강도

┗ I : 자극 강도, hat l : 음극에서 양극 쪽으로 향하는 단위 벡터

· 자기 모우먼트(M, magnetic moment)

M=m``l`` hat l

자석의 부피 → V = Al

I = {ml`` hat l} over V = M over V

◦ 쌍극 자장

자극 강도는 같으나 부호가 반대인 두 극 ±m이 가까운 거리 ℓ 만큼 떨어진 쌍극자에 의하여 형성되는 자기장

H = Del V(r)^*, V(r) = - int from {∞} to {r} H ⋅dr = - int from {∞} to {r} m over mur^2 dr = m over mur

μ = 1인 공기나 진공에서 V(r) = - M over r^2 cos θ

 

◦ 대자율과 투자율

· 대자율(k) - 물질의 자기적 특성을 결정하여 주는 상수(진공 = 0

I ~∝~H ,~~I = kH

┏ I : 자화강도

┣ H : 외부 자기장의 강도

┗ k : 대자율

· 대자율과 투자율 사이의 관계

mu = B/H

mu = 1 + 4pi k

◦ 반자성, 상자성 및 강자성

· 반자성

외부 자기장이 없을 경우, 반자성 물질의 자성 효과는 나타나지 않는다.

외부 자기장이 가해지면 전체적으로 나타나는 자기장은 외부 자기장과 반대 방향으로 미약하게 나타나며 따라서 반자성 물질의 대자율은 (-)이 된다.

반자성 광물 - 석영, 암염, 석고, 장석

· 상자성

최외각 전자가 쌍을 이루지 않는 원자는 전자의 spin에 의해 자기 모멘트가 존재하고 외부 자기장이 가해지면 이들 자기 모멘트는 외부 자기장과 같은 방향으로 정렬되어 내부 자기장은 증가한다.

상자성 물질의 대자율은 (+), 절대온도에 반비례하여 감소

반자성, 상자성의 크기는 미약하여 자력 탐사에서 중요하지 않다.

· 강자성

외부 자기장이 없는 상태에서도 원자의 배열이 규칙적이어서 스스로 자화된 상태로 나타냄

외부 자기장을 가했다가 제거한 후에도 외부 자기장에 의한 자화 상태를 계속 유지

큐리 온도(curie temperature) - 물질내의 원자들이 자유로워져서 자성을 잃게 되는 한계 온도

강자성

┏ 이웃하는 원자의 magnetic moment가 서로 같은 방향으로 배열하는 것

┗ 니켈(Ni) - 358℃, 철(Fe) - 770℃, 코발트(Co) - 1127℃

페리 자성

┏ 한 원자의 magnetic moment가 이웃 원자의 magnetic moment와 크기도 다르고 방향도

┃ 서로 반대로 배열되어 나타나는 자성

┗ 자철석(Fe2O4) - 580℃, 크롬철석(FeCr2O4), 자류철석(FeS) - 320℃

반강자성

┏ 한원자의 magnetic moment가 이웃하는 적과 크기는 같으나 방향이 반대로 배열되어

┃ 전체적으로 magnetic moment가 0이 됨

┣ 대자율이 매우 낮음

┗ 적철석(Fe2O3), 티탄철석(FeTiO3)

 

 

◦ 자기 이력

◦ 자성 광물

암석 자화의 가장 큰 영향을 주는 요소 - 강자성 광물의 종류와 함량

함량이 가장 많은 광물 → 페리 자성 광물

┏ Fe-Ti-O group

┗ Fe-S group

· Fe-Ti-O group

 

□ 지자기장

◦ 지자기의 요소와 자극

◦ 구면 조화 해석과 비 쌍극 자장

◦ 지자기의 변화

· 일변화(주간변화)

지자기는 근소하지만 규칙적으로 변화

┏ 지구 외적인 원인 - 태양운동, 달 운동 → 대부분의 요인

┗ 지구 내적인 원인 - 맨틀 or 핵의 유도 전류 → 극히 미약

· 자기 폭풍(magnetic storm)

지자기장의 갑작스럽고 큰 변화

원인 - 태양의 흑점 활동인 기인. 크기는 1000γ, 주기는 27일

적도 지역보다 극지방에서 강도가 크며 극광(aurora) 현상 발생

· 영년변화

지자기장의 세기가 장기적으로 서서히 변하는 느린 변동

맨틀이나 외핵의 운동과 연관

◦ 지자기의 생성 원인

· 다이나모 이론 - 액체의 운동에 의하여 전류가 발생

회전축 주위에 수직으로 부착된 원판과 축에 평행한 자장을 가정하고 회전시키면 축과 원판의 주변에는 기전력이 생성된다. 이 기전력에 의해 전하가 원판 주변에 모이게 된다. 이때 축괴 원판을 회로 외부로 연결하면 전류가 원판을 거쳐 회로를 따라 흐르게 되고 이 전류가 회로 주위에 자장을 형성

· 다이나모 이론의 에너지원

┏ 핵에서의 상변화 - 외핵의 유체운동을 유지

┣ 맨틀과의 경계부에서의 마찰에 의한 와동류가 생성

┗ 방사능 붕괴에 의한 열

 

□ 암석, 광물의 자화

· 유도 자기(induced magnetism)

암석의 자화에 의하여 나타나는 자기장중 현재의 자기장에 의하여 자화된 자기

· 잔류 자기(remanent magnetism)

암석이 생성될 당시의 지자기장에 의하여 자화된 것이 현재까지 보존된 자기

◦ 유도 자기

· 현재의 지자기장에 의하여 자화된 자기

· 자화 강도는 암석의 대자율에 좌우

· 자화 방향은 현재의 지자기장과 평행

· I_i = {k_0 H_e } over{1+ k_0 lambda}

┏ Pi : 유도 자기 강도

┣ λ : 소자인자(demagnetization factor)

┣ He : 지자기장의 강도

┗ k0 : 대자율

· I = pI_i

┏ I : 암석 전체의 유도가지강도

┣ Ii : 하나의 자성 광물에서의 유도 자기 강도

┗ p : 자성광물의 총부피(암석내부의)

· k = pk' (k : 암석 전체에 대한 용적대자율(bulk magnetic susceptibility)

◦ 육지와 해양에서의 자기 특성

· 암석의 자화 강도 - 퇴적암 < 변성암 < 화성암(산성 < 염기성)

· 큐리온도 등온면

┏ 자기이상을 나타내는 한계깊이

┗ 지역적인 지열환경에 따라 다르다.

◦ 잔류 자기

자연잔류자화(NRM, Natural Remanent Magnetization) - 암석에 잔류 자기를 갖게 되는 현상

· 등온 잔류 자화(IRM, Isothermal Remanent Magnetization)

일정한 온도하에서 짧은 시간동안 존재하다가 없어지는 외부자기장에 의하여 암석이 잔류자기를 얻게 되는 현상

지자기장이 미약한 외부자기장일 경우 등온 잔류 자화에 의한 잔류 가지의 강도는 매우 미약

번개에 의한 잔류자기의 강도는 매우 큼

· 열 잔류 자화(TRM, Thermo-Remanent Magnetization)

자성물질이 높은 온도에서 큐리온도를 거쳐 식어갈 때 외부 자기장에 의하여 강하고 안정된 잔류자기를 얻게 되는 현상

화성암류가 형성될 당시의 지자기장의 방향을 알아내는데 널리 이용

· 퇴적 잔류 자화(DRM, Detrital/Depositional Remanent Magnetization)

콜로이드 상태의 세립질 물질이 퇴적되면서 잔류 자기를 얻게 되는 현상

자철석 입자들은 퇴적당시의 지자기장의 방향과 평행하게 배열

· 점성 잔류 자화(VRM, Viscous Remanent Magnetization)

암석의 약한 외부 자기장 일지라도 오랫동안 영향을 받아서 잔류자기를 띠게 되는 현상

시간에 따라 log 함수로 증가 암석의 자기 점성에 좌우됨. 안정도는 시간에 따라 증가

· 화학 잔류 자화(CRM, Chemical Remanent Magnetization)

 

큐리 온도 이하에서 암석 내에서의 화학 작용으로 자성 광물이 성장하거나 또는 재결정되어 잔류 자기를 얻게 되는 현상

◦ Konigsberger 비

자연 잔류 자기와 현재의 지자기장에 의한 유도 자기와의 비(보통 Q로 표시)

Q = I_r over I_i = I_r over kH_e

┏ Ir : 자연 잔류 자기의 강도

┗ Ii : 유도 자기의 강도

 

□ 간단한 형태의 자성체에 의한 자력 효과

◦ 단극자

◦ 쌍극자

◦ 구형

◦ 수평판

◦ 수평 원통

◦ 수직판

◦ 수직 원통

 

□ 자력측정 및 보정

◦ 수평 및 수직 성분 측정

쌍극자 이용

· 수직 성분 측정

· 수평 성분 측정

쌍극자를 수직으로 장치한 것

좁은 지역에서의 탐사에 이용

◦ 총 자기 측정

자기장의 축에 대한 핵의 세차운동으로 측정

지자기장과 거의 직각 방향으로 분극된 양성자의 세차 운동의 주기율을 측정

◦ 자력계

· Schmidt 형 자력계

수직 성분의 상대적인 변화값을 측정하는 계기

측정 범위는 최소 1γ

· Flux-gate 자력계

지자기장에 의하여 서도 자화가 가능할 정도로 투자율이 높은 강자성체를 이용

 

강자성 물질에 코일을 감고 여기에 강한 교류를 보내서 주기적으로 변하는 자기장을 형성 시켜 주면 이 자기장은 지자기장과 합성되고 합성된 자기장은 코일중심에 있는 코어를 자화시켜 자기 이력 곡선에 나타나는 포화상태에 이른다. 이 포화 상태를 측정

· 핵 자력계

양성자의 세차운동을 이용하여 총 자기를 측정하는 자력계

약 1γ의 총자기의 변화를 측정하기 위하여서는 약 0.02㎐의 세차주기를 측정

양성자의 세차운동은 매우 짧은 시간에 소멸되기 때문에 매우 짧은 시간내에 측정

세차 주기의 측정 ┳ 일정시간내의 세차운동의 진동수를 측정

┗ 일정한 진동을 나타내는 수정발진기의 진동과의 차이를 측정

핵 자력계의 장점

┏ 다른 자력계에 비하여 정밀도가 높다.

┗ 측정시 측정방향이나 고도를 고려할 필요 X → 해상이나 항공탐사에 유용

핵 자력계의 단점

┏ 총 자기만 측정 가능

┗ 측정 간격이 약 1초 내외로서 연속 측정이 불가능

· 자력계의 눈금 환산

◦ 야외 측정

· 항공 측정

육상 측정용에 비해 감도가 높은 Flux-gate 자력계나 핵 자력계를 사용

항공 측정에 고려해야 할 사항

┏ 비행기 내부의 전류나 날개 등의 와동전류의 영향을 최소화 → 이격시켜 측정

┗ 비행의 안정도

· 해상 측정

Flux-gate 자력계나 핵 자력계 사용

주로 석유 탐사나 지구 물리학적 연구와 연관된 대규모 해상 탐사가 주 목적

· 육상 측정

광체 탐사와 같은 비교적 소규모의 탐사 작업에 주로 사용

측점 설정시 철로나 철탑 같은 자기장에 영향을 줄 수 있는 금속 물질이 없는 곳을 선정

◦ 자기 보정

· 위치에 따른 보정

지자기장의 각 성분은 위치에 따라 다르기 때문에 이에 대한 보정이 필요

자기 분포도를 이용하여 각 측점에서의 측정치에서 그 지점의 표준치를 빼 준다.

· 지자기의 일변화와 계기 오차에 대한 보정

지자기장은 하루에 약 10~100γ 정도 변하므로 측정 시간차에 따른 변화치를 보정

◦ 자기 이상

주위 물질과 자성의 차가 있는 물질에 의하여 나타나는 매우 높거나 낮은 자기값

· 자기 이상을 좌우하는 요인

┏ 자기 이상의 근원이 되는 물질의 형태

┣ 그 지역의 자기 위도에 따른 지자기장의 방향

┣ 물질의 자화 방향

┗ 측선의 방향

◦ 대자율 측정

· 대자율 측정 방법

┏ 야외에서 채취한 시료와 대자율을 이미 알고 있는 표준 시료와 대비하여 측정

┗ solenoid coil에 시료를 두고 inductance의 변화를 이용하여 대자율을 측정

 

□ 해석

 

◦ 정성적 해석

자기 이상 단면도나 평면도를 이용한 정성적인 해석

주로 자기 이상도에 나타나는 주요 자기 이상의 형태나 방향성을 중용시한다.

자기 이상도에 나타나는 등자기선의 형태가 지하의 지질구조의 형태와 반드시 일치하지는 X

특징적인 부분 해석

┏ 음의 이상과 양의 이상의 상대적인 위치와 크기

┣ 동자기 곡선에서 선형으로 나타나는 형태의 연장성

┗ 등자기 곡선의 간격으로 표현되는 경사의 정도

◦ 정량적 해석

자기 이상도를 이용하는 정성적 해석보다 더 정확한 해석이 요구될 때 실시

· 자기장의 연속을 이용하는 방법

- 상향 연속

작은 구조들에 의한 영향을 최소화시킴으로써 전체적인 구조해석에 도움을 줌

- 하향 연속

여러 복잡한 구조에 의하여 나타나는 자기 이상에 대한 분해능을 높여 퇴적층의 두께를 계산한다든지 또는 작은 구조들을 나누어서 생각하는데 도움을 줌

· 모형에 의한 정량적 해석

적절한 모형을 설정하고 이에 의한 자기 이상을 계산한 후 실제로 측정된 자기 이상과 비교하면서 이들이 서로 일치할 때 까지 모형을 변경

◦ 자기 이상 곡선에 의한 심도 결정

자기 이상의 해석에서 자성체의 최상부까지의 깊이 결정이 매우 중요

◦ 수치 해석법

 

□ 지질 구조에 따른 자기 이상

◦ 퇴적 분지

퇴적층의 대자율이 매우 낮기 때문에 그 영향을 무시할 수 있다.

측정된 자기 이상을 기반암만에 의한 것으로 간주하여 기반암 최상부까지의 심도와 기반암의 구조 및 퇴적층의 두께 등을 비교적 정확하게 해석할 수 있다.

┏ 내부 기반암 자기 이상 - 기반암 전체에 의하여 나나는 대규모의 자기 이상

┗ 상부 기반암 자기 이상 - 소규모의 자기이상

위의 자기 이상은 측정된 자기 이상으로부터 분리 해석되어야 하며 이를 위하야 자기 이상 자체의 진폭 또는 2차 미분법이 이용

◦ 분출암 및 심성암체

주변암과의 자성의 차가 뚜렷한 분출암이나 심성암체의 조사에는 자력 탐사가 매우 효과적

염기성 또는 초염성암은 잔류자기의 영향이 클 경우가 많아서 유도 가기의 영향이 잘 나타나지 않을 수 있다.

 

□ 고지자기학

암석의 자연 잔류자기 자체뿐만 아니라 지질학적 시간에 따른 지자기장의 변화에 대한 정보를 제공하여 준다.

대륙이동설과 해양저 확장설을 근간으로 하는 판구조론의 설명을 위한 정량적인 증거를 제시

◦ 고지자기 연구 방법

┏ 1차 자연 잔류 자기 - 암석이 생성될 때 얻은 잔류 자기

┗ 2차 자연 잔류 자기 - 암석 생성 후 현재까지 그 사이에 얻은 잔류 자기

 

구조 변동을 받지 않은 암체에서 1차 자연 잔류자기를 측정하면, 암석 생성 당시의 지지기장의 방향을 알 수 있다.

고지자기 연구에서 측정하는 1차 자연 자류자기로는 가장 안정성이 높은 열 잔류자기 이외에도 퇴적 잔류자기와 화학 잔류가지 등이 있다.

소자 실험(pilot specimen)

점성 잔류 자기와 같은 2차 자연 잔류 자기를 제거 시킬 수 있는 교류 자기장의 세기나 온도를 알아내는 실험

교류 소자 실험, 열 소자 실험

1차 자연 잔류자기의 방향(복각과 편각) 측정기기

무정위 자력계, 스피너 자력계, 스쿼드 자력계

편각 D - D = tan^-1 (Y/X)

복각 I - I = sin^-1 (Z / sqrt {X^2 +Y^2 + Z^2} )

◦ 지자기의 역전

자기의 역전 - 현재의 지자기장과 반대 방향으로 자화

◦ 고지자기와 지구조 운동과의 관계

· 지자기 역전과 해양저 확장설

해양 확장설

맨틀내의 대류 현상에 의하여 대류의 상승부에 해당하는 중앙 해령에 맨틀의 현무암 물질이 올라와 새로운 해양 지각을 형성한다는 설

지자기장의 정상 상태와 역전 상태로 자화된 암석이 중앙해령을 중심으로 호층을 이룸

· 극의이동과 대륙 이동설

고지자기 극의 위치는 암석 시료의 채취 위치로부터 계산

극의 이동 현상은 대륙이 이동하였기 때문일 가능성이 높다.

여러 대륙에서 얻은 결과를 종합 분석

◦ 고 고지자기학

 

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2014/03/24 - [# 자격증 기출문제 ] - 지질공학 단위 및 공식 요점정리