介质间的场源关系

如题所述

按电磁学理论,当两种金属或导体接触时,由于两种金属或导体内电子密度的不同会在接触面两侧形成一个稳定的电势差(U)。结果引起电子密度大的金属向密度小的金属内扩散电子,并于接触面两侧形成一个由大密度指间小密度的电场E,且随着这种场源条件的出现,伴随电子的扩散定向迁移,于导体或金属内产生电流,同时还在周围空间激发电场和磁场。

虽然,小岩体和围岩介质接触情况与金属导体有根本性差别,无论岩体或围岩既不是导体,也不是完全属绝缘体性质的电介质。因为其内所含有极分子(如分子或原子电矩不为零的HCl、H2O、CO、SO2,H2S、NH4等)和无极分子(分子和原子电矩为零的He、N、CH4等)的类型和数量的不同,也会在接触面间出现电势差。特别是在有外电场作用的条件下,无论有极分子或无极分子类电介质还会通过电介质的极化,产生附加电场和改变场强叠加关系,影响到元素(离子)的迁移富集趋势。

可以确定,引起电介质极化的外电场,主要是由动力条件导致小岩体上侵而带动的带电离子(气液和矿质)的定向迁移形成的一种“非静电场”Ek,由于这种“非静电场”Ek的作用,一方面会加剧接触带间的离子浓度和电势差的增大,大大加速离子扩散势头。从原理上讲,这种由热动力条件驱使带电粒子定向运动所提供的“非静电场”Ek,本身就应当涵盖着离子运动产生电流所激发的一种电磁效应,这会对两介质表面上的离子浓度分布有较大的影响。另一方面,所引起的电介质内部极化,还会随着这种“非静电场”Ek的强弱改变着场势的分布和场源的叠加关系。

其中,就中酸性小岩体的岩石序列组合情况而言,常见的可从中性的闪长岩类到酸性或碱性的花岗岩类。主要岩石可包括闪长岩、石英闪长岩、花岗闪长岩、二长花岗岩、石英二长岩和碱性花岗岩,以及相关浅成斑岩等。按电介质类型,这些岩石总体可归属无极分子类。在熔浆状态时,由于其内含有大量H2O、CO2、CH4、HCl、H2S、SO2、F、B等极分子的气液成分,以及与成岩成矿相关的金属、非金属离子等,使其具有一定的有极分子电介质性,甚至还带有某些准导体性。

而小岩体的围岩情况要复杂得多,虽然大类上有沉积、变质和火成岩类之分,但每大类的岩性和岩石组合却又是多种多样的。如沉积类的围岩有各种碎屑岩、火山岩和碳酸盐岩等;火成岩类有基性、超基性、中性、酸性、碱性等。但不管每大类岩石类型如何繁杂多样,其电介质性质不是偏于有极分子,就是偏于无极分子类。基本条件主要决定于其内所含H2S、CO2、H2O、CH4、SO2、HCl等有极分子或N2、He、NH4等无极分子的数量和类型差异情况。如以富有极分子类则为有极分子类电介质,相反则为无极分子类电介质。当然,其间由于小岩体的侵入和其他热效应会引起一些成分的扩散作用,而局部改变某些介质的极性状态,影响到整个介质的场势状态,这也会造成小岩体成矿的多样性。

所谓有极分子和无极分子电介质,系指分子或原子中的正、负电荷中心的重合情况,如正、负电荷中心不重合具有电偶极矩者为有极分子类,正、负电荷中心重合在一起,电偶极矩为零者为无极分子类电介质。两类不同性质的电介质,在有外电场作用的条件下,其极化状况和场势叠加情况是完全不一样的。

对有极分子类电介质,在有外电场作用条件下,电介质内的分子或原子将受到一种力矩作用,使其电偶极矩(pe)转向电场方向(称为取向极化)。其取向和极化程度完全取决于外电场的强弱和电介质的温度。外电场越强温度越低,分子电偶极矩沿电场方向排列概率愈大。且被极化的电介质,由于分子的由偶极矩的规则排列,会在局部区域出现来被抵消的极化电荷。这种未被抵消的极化电荷,对均匀电介质而言,只集中在表面层里或两种不同电介质的界面层里。而对非均匀电介质,除表面层里出现极化电荷

σ=ε0E

式中:σ为电荷面密度;ε0真空电容率;E为电场强度

此外,在电介质内部还将产生极化电荷(即体密度):

磁性地质学与“场论”在金属成矿学中的应用

式中:ρ′为电荷体密度。

高斯定理电介质的极化面密度和极化强度间还有如下关系,即

E=

en(en为极化强度P的外法线单位矢量)

P=χeε0E

式中:P为电极化强度;χe为介质的电极化率;ε0为真空电容率。

这说明,两类极化电荷密度均与电极化强度有关。实际上,电介质极化后所产生的一切宏观效应都是通过两种电荷来体现的。其间的关系是,外电场引起电介质的极化,而电介质极化后出现的极化电荷也要激发电场(附加电场)并改变着电场的分布,重新分布后的电场反过来再影响电介质的极化,直到静电平衡,使电介质处于一定的极化状态。这样,便在所涉及电介质的外部空间里,由于极化电荷激发的附加电场与外电场叠加的结果,使得有些区域合场强(E)增强,有些区域合场强减弱,特别是在电介质表面层或两介质的接触界面层理。即

E=E0+E′

式中:E为合场强;E0为外电场强;E′为极化电荷激发的附加电场强。

磁性地质学与“场论”在金属成矿学中的应用

磁性地质学与“场论”在金属成矿学中的应用

式中:χe为介质电极化率;ε0为真空电容率;σ为电荷面密度;σ′为极化电荷面密度。

如上两种场强度叠加关系,无论是有极分子或无极分子类电介质,由于极化电荷激发的附加电场方向都与外电场方向总是相反,二者都有减弱外电场强度之势。但比较起来,无极分子类的电矩比有极分子类小很多,约为后者的10-5(张三慧,2001)。因此,原则上讲,在有外电场作用的条件下,有极分子的电介质极化后的合场强就较无极分子类电介质合场强减弱程度大,进而会影响到电偶极子或带电离子的迁移趋势和浓集程度的不同。

既然电介质的合场强是由外电场和极化电荷激发的附加电场的矢量和所决定,而极化电荷激发的附加电场则同电介质的极化电荷面密度(σ′)和体密度(ρ)相关,并同外电场呈一种正比关系,那么,按照极化电荷主要集中在电介质的表面层里或两介质界面层里的规律,便指明,小岩体与围岩接触带,既应是极化电荷最浓集地带,也是合场强最大的界面位置。而且,依据带电离子与电场的作用关系,除由电荷激发电场(包括极化电荷激发的附加电场)外,电场对电荷(离子)还要施以作用力,即

F=qE

而对电偶极子也要受到一种力偶矩作用,其大小为

M=pe×E

式中:M为力偶矩;pe为电偶极矩。

这种力偶矩作用,在不均匀外电场中,电偶极子一方面受到力偶矩作用,使电矩(pe)转到与外场一致的方向。同时,电偶极子还受到一个合力作用,使它们向场强方向移动,其运动方程为

磁性地质学与“场论”在金属成矿学中的应用

式中:m为带电离子质量;α=

为粒子的加速度。

这就表明:小岩体的内外接触带可能是矿质流体集聚的重要原因。

另按电场的近值关系,当两种不同电介质接触时,虽然在分界面两边电场强度的切向分量相等(E1=E2),但两边的电位移矢量(D)的切向分量是不相等的(

,式中ε1、ε2为两种电介质的电容率),这样,当D线从ε值小的电介质进入到ε值大的电介质时,D线将相对偏离法线;相反则偏向法线。即所称的电场中电位移线(或电场线)的折射定律

如果说电介质空间的电场强度是由自由电荷(离子)和极化电荷的合场强形成,且以介质接触面间的粒子浓度最大,则整个介质空间的电场分布将遵循E=-gradV(V为电势)的关系式中的场强等于电势梯度的负值。亦即电场中某点电势梯度的矢量,在方向上与电势在该点处空间变化率最大的方向相同,在量值上等于沿该方向的电势空间变化率或指向电势降落方向。这就指明,岩体与围岩接触面由自由电荷(离子)和极化电荷激发的电场有向两侧或电势降落方向减弱的趋势。

另一重要方面,运动电荷(离子)和极化电荷,除在周围空间激发电场外,还要激发磁场。其间与电场关系,按磁场的高斯定律关系式为

B=μ0ε0v×E

式中:B为磁感应强度;μ0为真空磁导率;ε0为真空电容率;v为带电离子运动速度;E为电场强度。

由上式说明,带电离子的运动所激发的磁场与激发的电场间有一种正比关系。即电场越强磁场就强。其值主要取决于介质的电容率(ε)磁导率(μ0)和离子的运动速度(v),或者换句话说,运动电荷(离子)在电磁场运动时,除受电场力作用还要受到磁场力的作用。其力关系式为

F=qE+qv×B(洛仑兹力关系式)

qE+qv×B=ma

式中:m为离子质量;a为离子加速度。

不过,按照磁感应强度(B)与电场强度的关系即磁感应强度方向总是与电场或电荷运动方向相垂直。则由带电离子运动激发的磁场方向,大致也应平行两介质的接触面。且用下式表示:

B=μ0ε0v×E

磁感应强度与电场强度的正比关系所激发的磁场或电磁感应强度也应在两介质接触面间最强,向两侧逐渐减弱。其变化除遵循E=-gradV的关系式外,还要取决于介质的磁性状态或磁化强度,且由下式表示:

B=μ0H+μM

式中:μ0为真空磁导率;H为磁场强度;M为磁化强度;μ为介质磁导率。

上式说明由运动电荷(离子)和极化电荷激发的磁场或磁感应强度,不仅和介质的磁性状态(μ)和磁化强度(M)有关,也和所处的磁场强度(H)有关。

实际上,因为组成岩体或围岩介质的岩石,因其内分子和原子结构中除有电矩外,还有磁矩,且按磁矩为零和不为零还可分为抗磁质(总磁矩为零者)和顺磁质(总磁矩不为零者)的两类不同性质的磁介质。这在某些方面与电介质有些相似,放在磁场中的磁介质也要与磁场发生关系,相互影响而发生磁化,且处于磁化状态的磁介质也要激发一个附加磁场,影响到总磁场的分布。

对顺磁质类介质而言,虽然每个分子或原子都具一定磁矩,但在无外磁场条件下,由于分子无规则热运动,分子磁矩排列十分紊乱,其分子的总磁矩矢量为零(∑pm=0),对外不显磁效应。而在有外磁场作用时,分子磁矩(pm)大小不变,但外磁场(B)要促使pm绕磁场方向进动,并具有一定的能量,磁场愈强,温度愈低,分子磁矩pm排列愈整齐,且在任一体积单元(ΔV)内的分子磁矩矢量和∑pm将有一定的量值,宏观上呈现一个与外磁场同向的附加磁场。其情形有些类似有极分子类电介质的电极化。不同处在于电介质电极化后激发的附加电场方向总是与外电场(E)方向相反,而磁介质磁化后激发的附加磁场方向总是与外磁场同向,有增强介质周围空间磁场强度之势。

而属抗磁性磁介质(如中酸性侵入岩及同质火山岩,变质岩和沉积岩等),虽然每个分子或原子中的所有电子可整个围绕磁场进动而产生一个附加磁矩Δpm。但Δpm方向与外磁场(B)方向相反,大小与外磁场(B)大小呈正比,结果在磁场内激发一个和外磁场方向相反的附加磁场,有使介质周围空间总磁场相对减弱之势。

按小岩体和围岩的岩石类型组合的磁性特征,属小岩体的岩石,在高于居里温度的岩浆状态可完全没有磁性,但由于其内含有Fe、Ni、Ti等的高原子磁矩的元素或离子,特别是在岩浆结晶的晚期气液阶段,可不同程度地带有某些隐磁性。特别是那些中性闪长岩类的岩体,在外磁场作用下,也会与外磁场发生一定的关系,如分子磁矩的取向及向场强较强方向运动迁移等。而大多数酸性岩体,由Si、Mg、Al、Na、K、Ca 造岩矿物元素和微量Hg、Au、S、Pb、Zn、Cu元素组成,多数应偏于抗磁性的磁介质。

围岩介质方面,也可明显区分为顺磁质和抗磁质两类,前者包括基性超基性岩和同质火山岩变质岩类。后有可涵盖中酸性侵入岩、沉积岩和沉积变质岩,其间又因含磁性矿物的数量和类型的差别,而存在磁导率和磁性状态的不同,像泥砂质沉积岩、大理岩和碎屑岩等。

依据磁化强度(M)与磁场强度(H)和介质磁化率间的正比关系,即M=χmH

式中:M为磁化强度;χm为磁化率;H为磁场强度。

对顺磁质,由χm>0,其磁化强度与磁场强度(H)是同向的,且B=μ0H+μM说明,顺磁性物质在外磁场作用下,有增强磁场强度或磁感应强度之势,使得B>B0;而抗磁性物质,因χm<0,其磁化强度与磁场强度(H)方向相反,有使磁感应强度(B)减弱之势,即B<B0还有Fe、Co、Ni、Gd(钆)等的铁磁质为明显增强磁场的物质。这样在小岩体与围岩介质间,由于离子运动或由电流激发的磁场,附加磁场和介质磁性状态的不同,会在岩体与围岩接触带和附近空间出现不同场势变化和差异。具体说,如岩体的围岩为顺磁性介质,磁感应强度较强地带应出现在围岩一侧,反之则在岩体一侧或其内。

同样,按照磁场边值关系,两介质分界面处,如果磁感应线从磁导率较小的磁介质进入磁导率较大的介质时,磁感应线将偏离法线。相反,如果磁感应线从磁导率较大的介质进入磁导率较小的介质时,磁感应线将偏向法线,铁磁质偏离程度最大,近乎与界面平行(即磁感应线的折射定律)。这同电位移矢量(D)有近似的关系,说明介质磁性状态的不同,会影响界面处和附近的磁场场势分布,从而控制着元素或组分的浓散程度和某种空间的择位性。

举例说,岩体的围岩为灰岩或大理岩,尽管由于小岩体侵入的热效应会使灰岩和大理岩内某些组分(如H2O、CO2、H2S等)活化而带一定程度的有极分子电介质性,但比起小岩体熔浆状态时所含的气、液和矿质流体的有极分子化程度仍然是较差的,这可由岩石、矿物中大量熔体-流体包裹体的出现和成分分析所说明。在此条件下,由小岩体内部带电离子的定向迁移(非静电场力Ek)激发的电场和磁场,以及在这种场作用下,由电介质极化产生的附加电场,按电场与电流密度(δ=γE,γ为电导率)在两介质界面的分布关系,其场源为由围岩指向岩体,亦即电磁场较强部位应在岩体一侧的内接触带或近旁。相反,例如,围岩有极分子化程度较小岩体为高(如炭质板岩、火山碎屑岩等),情况可完全相反,场源方向则转为由小岩体指向围岩,电场强度也向外接触带一侧增强。

同样,按介质磁性状态的场源关系,除分顺磁,抗磁和铁磁质三种不同类型磁介质外,属同类性质的磁介质还可由于其内所含磁性矿物种类和数量的不同,出现岩体与围岩空间分布的磁场场势某些变异。如同样的灰岩和大理岩为例,虽然都可把岩体和灰岩视作同类型抗磁性介质,但由于二者中所含磁性物质数量的不同,会在磁导率上出现某些差别。这样,由外磁场引起的介质磁化对原磁场减弱程度是不同的,按磁场的边值关系和磁感应线的折射定律,无论是从磁导率较小的磁介质进入磁导率较大的磁介质,或是由磁导率较大的磁介质进入磁导率较小的磁介质时,由磁感应线与接触面法线间的关系说明,其磁感应强度和磁场强度应出现在磁导体较高的介质一侧。诸如岩体的围岩为顺磁质的介质(如火山岩、含铁沉积岩、铁白云岩或灰岩),在有外磁场作用条件下,由于磁介质的磁化产生的附加磁场的方向与外场同向,则磁感应强度或磁场强度较强地带应在岩体外接触带围岩一侧。这对那些原磁矩相对较高的元素或离子(如Fe、Mn、Ti、V等)有利于富集成矿,其情形与电介质的场势关系大体相似。

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