2.1 Geophysikalische Grundlagen

2.1.1 Das Erdmagnetfeld

Nach C. F. Gauss lä�t sich das an der Erdoberfl�che gemessene magnetische Feld in zwei Anteile zerlegen. Dies geschieht mit Hilfe einer Entwicklung nach  Kugelfl�chenfunktionen. Die Quellen des ersten Anteils, der ca. 99% des Gesamtfeldes ausmacht, liegen im Erdinneren, die des zweiten Anteils liegen in der  Ionosph�re und der  Magnetosph�re.

Da als Magnetfeldquelle ein Permanentmagnet wegen der hohen Temperatur im Erdinneren nicht in Frage kommt - bereits ab etwa Tiefe wird die  Curie-Temperatur ferromagnetischer Mineralien �berstiegen - mu� das  Erdmagnetfeld durch Str�me erzeugt werden, deren Dimensionen nicht mehr im Mikroskopischen liegen k�nnen. Dies f�hrte zur Entwicklung der sogenannten  Dynamotheorie des Permanentmagnetfeldes der Erde [Els58]. Die  Konvektionsbewegungen im Erdkern rufen allerdings kein unmittelbares magnetisches Dipolfeld hervor. Dieses bildet sich erst als Sekund�reffekt durch Wechselwirkung zwischen dem durch  Konvektionsbewegung hervorgerufenen Feld und weiteren Materiebewegungen aus [Ker69].

Das  Erdmagnetfeld lä�t sich vektoriell in eine horizontale und eine vertikale Komponente zerlegen. Den Winkel zwischen der Richtung des Erdmagnetfeldes und der Erdoberfl�che bezeichnet man als  Inklination. In unseren Breiten beträgt sie 65 �. Die  Deklination oder auch magnetische Mi�weisung beschreibt den Winkel zwischen dem geographischen Nordpol und der Vertikalkomponente des Magnetfeldes der Erde. Die Totalintensität des Magnetfeldes betr�gt in Bonn ca. . Ein nT wird in der �lteren Fachliteratur häufig mit (Gamma) bezeichnet.

Die langsame Änderung des Hauptfeldes, die sogenannte  S�kularvariation, ist für eine magnetische Prospektion von keinerlei Bedeutung. Sie ist auf eine vergleichsweise langsame �nderung des magnetischen Innenfeldes zur�ckzuf�hren. St�rend wirken sich hingegen  Tagesvariationen,  Mikropulsationen und  Magnetst�rme aus, da sie kurzzeitige Magnetfeldschwankungen von mehreren hundert nT ausl�sen k�nnen. Sie werden durch Variationen des magnetischen Au�enfeldes erkl�rt. Dem kann man zum einen mit einer Messung des  Tagesganges begegnen, mit dessen Hilfe man die Me�daten korrigieren kann. Zum anderen lassen sich diese St�rungen sehr gut durch eine Gradiometeranordnung eliminieren, wozu man aber eine zweite Me�sonde ben�tigt. Trotzdem sollte man w�hrend eines Magnetsturms eine magnetische Prospektion wegen der St�rke der Magnetfeldschwankungen unterlassen. Die  Tagesvariationen werden in solare und lunare Variationen unterschieden. Die solaren Variationen erreichen gegen Mittag ihren H�hepunkt und sind mit bis etwa zehnmal gr��er als die lunaren Variationen. Sie werden durch Kreisstr�me in der  Ionosph�re hervorgerufen. Diese beiden Induktionsstromsysteme entstehen dadurch, da� sich die Hochatmosph�re mit der Tageserw�rmung und den Sonnen- und Mondgezeiten im  Erdmagnetfeld hebt bzw. senkt. Str�me, die zu einer Magnetfeld�nderung von am Erdboden f�hren, haben eine St�rke von [Ger95]. Unter  Mikropulsationen versteht man erdmagnetische Variationen zwischen und . Sie entstehen am Rande der  Magnetosph�re, breiten sich bis zur  Ionosph�re aus und werden von dort als elektromagnetische Wellen zum Erdboden abgestrahlt.  Magnetst�rme sind eng an sehr hohe Sonnenaktivit�ten gekoppelt. So beobachtet man im Zusammenhang mit Magnetst�rmen  Sonneneruption. Es handelt sich also um die Magnetfeldwirkung einer an die  Magnetosph�re heranr�ckenden solaren Partikelwolke [Ker69].

2.1.2 Magnetische Eigenschaften von B�den

Magnetisierung

Ein  Magnetfeld besitzt im Vakuum die   magnetische Flu�dichte
(). Wenn man Materie einem magnetischen Flu� mit der magnetischen Flu�dichte aussetzt, dann beginnen um die Flu�richtung herum mikroskopische Kreisstr�me zu flie�en. Man spricht dann von der  Magnetisierung der Materie. Sie ist als  magnetisches Moment pro Volumeneinheit V definiert:

Das Verh�ltnis zwischen magnetischer Flu�dichte mit Materie und der magnetischen Flu�dichte ohne Materie bezeichnet man als  Permeabilit�t  [Ber87]:

Wenn man nun die zus�tzliche, von der Materie herr�hrende magnetische Feldst�rke als additive Gr��e hinschreibt erh�lt man mit f�r die  Magnetisierung:
 
Analog zu 2.3 geht man f�r die magnetische Flu�dichte vor und erh�lt die  magnetische Polarisation :

Die  Permeabilit�t ist bei Stoffen, die nicht ferromagnetisch sind, nur sehr wenig von eins verschieden. Deshalb benutzt man h�ufiger die  Suszeptibilit�t :

Sie bestimmt das magnetische Verhalten der Materie. Da diese jedoch sehr unterschiedliche magnetische Eigenschaften aufweist, mu� man folgende Arten von  Magnetismus unterscheiden [Ger95]:

         
1. Diamagnetismus  
2. Paramagnetismus  
3. Ferromagnetismus  
4. Antiferromagnetismus  
5. Ferrimagnetismus  

  3: Die Atome oder Molek�le ferromagnetischer Stoffe besitzen - wie die Atome oder Molek�le diamagnetischer Stoffe auch - ebenfalls permanente magnetische Momente. Der entscheidende Unterschied besteht jedoch darin, da� in Ferromagnetika die Wechselwirkung zwischen den einzelnen magnetischen Momenten so stark werden, da� sie der ungeordneten W�rmebewegung entgegenwirken. Dies �u�ert sich in einer spontanen Magnetisierung des K�rpers. In einem �u�eren Magnetfeld der Flu�dichte nehmen ferromagnetische Materialien eine sehr hohe magnetische Polarisation an, die gleichgerichtet ist. Die gro�e  Permeabilit�t dieser Stoffe ist aber sehr stark vom �u�eren Feld und der Vorgeschichte des Materials abh�ngig. Eine vorhandene Magnetisierung bleibt auch beim Wegfall des �u�eren Feldes erhalten. Es handelt sich hierbei um die sogenannte   remanente Magnetisierung. Das Feld, das n�tig ist, um die Magnetisierung aufzuheben, bezeichnet man als  Koerzitivfeld. Im Gegensatz zu paramagnetischen Substanzen zeigen Ferromagnetika keinen linearen Zusammenhang zwischen urspr�nglichem und resultierendem Feld. Materialien dieser Art durchlaufen beim Anlegen eines Wechselfeldes eine Hysteresiskurve. Aus ihr kann man die Remanenzmagnetisierung, das Koerzitivfeld und die S�ttigung ablesen. Diese ferromagnetischen Eigenschaften gehen aber bei �berschreitung der sogenannten   Curie-Temperatur verloren, und der Stoff wird paramagnetisch. Sinkt die Temperatur wieder unter die Curie-Temperatur, so richten sich die magnetischen Momente in Feldrichtung aus und werden bei Erreichen der  Blockungstemperatur , die knapp unter der Curie-Temperatur liegt, in dieser Richtung ,,verblockt``. Die bekanntesten ferromagnetischen Elemente sind Eisen, Nickel und Kobalt.
    4: Manche Stoffe besitzen eine kritische Temperatur , die nach ihrem Entdecker  N�el-Temperatur genannt wird. Oberhalb dieser Temperatur folgt die  Suszeptibilit�t folgendem Gesetz:

bezeichnet hierbei eine materialabh�ngige Temperaturkonstante. Unterhalb der Temperatur sinkt die Suszeptibilit�t wieder ab. Sie erreicht bei also ihr Maximum. Dieses Verhalten bezeichnet man als antiferromagnetisch und deutet es folgenderma�en: Die Elektronenspins sind bei tiefen Temperaturen im Gitter paarweise antiparallel ausgerichtet und damit nach au�en hin magnetisch neutral. Steigt nun die Temperatur an, wird diese Ordnung aufgelockert und bricht bei Erreichen der  N�el-Temperatur v�llig zusammen. Oberhalb dieser Temperatur verh�lt sich das Material wie ein Paramagnetikum, da die Spins nun nur noch der W�rmebewegung ausgeliefert sind.

 

  5: In einigen Gitterstrukturen sind benachbarte Spins antiparallel ausgerichtet, aber verschieden gro�. Die magnetischen Momente kompensieren sich also nicht v�llig, sondern nur zu einem gewissen Bruchteil, so da� ein magnetisches Moment resultiert. Diese Ferrimagnetika kommen sehr h�ufig in oberen Bodenschichten vor und spielen deshalb eine gro�e Rolle in der magnetischen Prospektion. Zwei f�r die magnetische Prospektion wichtige Stoffe dieser Art sind  Magnetit  () und  Magh�mit  (-). Magh�mit ist die kubische, ferrimagnetische Modifikation von H�matit
  (-), das antiferromagnetisch ist.    

Le Borgne-Effekt

Da Feuerstellen sehr gut prospektierbar sind, suchte man eine Erk�rung f�r diesen Effekt. Ursache hierf�r ist eine erh�hte Magh�mitkonzentration an der Bodenoberfl�che. Le Borgne erkl�rt diese hohe Konzentration durch Reduktion (Erhitzung in Anwesenheit organischen Materials) von  H�matit oberhalb von zu Magnetit. Beim Abk�hlen an Luft soll  Magnetit dann sp�ter zu  Magh�mit oxidiert werden (Le Borgne-Effekt) [LeB55] [LeB60]. Obwohl theoretisch denkbar [Sch59] [Shi77], ist ein Nachweis von  Magh�mit aus diesem Proze� bisher noch nicht gelungen [Fa�94]. Stanjek konnte 1987 zeigen, da� unter Feuereinflu� und Anwesenheit organischen Materials  Goethit   (-) zu  H�matit und  Lepidokrokit  (-) zu  Magh�mit umgewandelt werden [Sta87]. Sowohl  Goethit als auch  Lepidokrokit kommen in heimischen B�den vor und sind beide antiferromagnetisch. Findet man erh�hte Magh�mitkonzentrationen an der Bodenoberfl�che, so ist zweifellos die Entstehung durch Feuer anzunehmen [Fa�94]. Ansonsten kommt Magh�mit h�ufiger in tropischen und subtropischen B�den vor [Mar51] [Sch59].

Magnetotaktische Bakterien

Eine weitere Entstehungsm�glichkeit von  Magnetit ist dessen Bildung durch Bakterien.  Magnetotaktische Bakterien  (MV-1) wurden erstmals von Blakemoore gefunden und sind seitdem aus den verschiedensten B�den bekannt [Bla75]. Magnetische Bakterien und deren  Magnetofossilien konnten von J. W. E. Fa�binder erstmals nachgewiesen werden und spielen eine gro�e Rolle f�r die Prospektierbarkeit von Bodendenkm�ler, die fr�her aus Holz bestanden [Fa�94]. Eine weitere Bakterienart, die  GS-15 Bakterien, kommen zwar f�r die Magnetitbildung in Frage, konnten aber noch nicht aus B�den isoliert werden und sind auf ein anaerobes Milieu beschr�nkt [Lov87].   

Thermoremanenz

Die relativ starke Magnetisierung von gebranntem Ton wird durch die sogenannte Thermoremanenz erkl�rt. Brennt man den Ton, so entstehen aus den schwach magnetischen Substanzen im Ton Oxide, die zum Teil magnetithaltig sind. Durch den Brennvorgang wird der Gegenstand bei �berschreiten der  Curie-Temperatur (etwa f�r Magnetit) komplett entmagnetisiert. K�hlt er ab, so richtet sich die Magnetisierung gr��tenteils in Erdmagnetfeldrichtung aus, so da� eine remanente magnetische Polarisation in der Gr��enordnung von bis zu resultiert. Basalte und andere Schmelzgesteine zeigen ebenfalls eine  remanente Magnetisierung, die sie sich w�hrend des langsamen Abk�hlens und Erstarrens erworben haben [Cla90].

Viskose Remanenz

Werden feink�rnige magnetische Stoffe �ber einen l�ngeren Zeitraum einem schwachen magnetischen Feld ausgesetzt, so w�chst ihr magnetisches Moment logarithmisch mit der Zeit an. Man spricht dann von   viskoser Remanenz. Unter dem Einflu� der W�rmebewegung findet ein Ausrichten des magnetischen Moments in Erdmagnetfeldrichtung statt:

Hierbei bedeutet m(t) das magnetische Moment zur Zeit t, das magnetische Moment zur Zeit t=0 und die Konstante, welche das Verhalten der magnetischen Viskosit�t beschreibt [Sco90].