Régen ismert tapasztalat, hogy égetett agyagtárgyak égetésük alkalmával kihűlés közben a Föld mágneses terében a térerősség irányában megmágneseződnek, és ezt a mágnesezettséget, mint remanens mágnességet nagy állandósággal meg is tartják. Eszerint ilyen égetett agyagtárgyakban az égetésük (helyesebben a kihűlésük) idején működő földmágneses tér intenzitásának legalábbis az iránya rögzítődik. Tehát az agyagtárgy remanens mágnesességének irányából és a tárgynak az égetés alatt elfoglalt helyzetéből az egykori földmágneses tér intenzitásának az iránya meghatározható.

Az olasz Folgheraiter a múlt század végén régi etruszk agyagedények remanens mágnességét vizsgálta meg ebből a szempontból. Az agyagedények égetés közben nyilván a talpukon állanak, tehát bennük a függőleges irány jól kijelölhető, vízszintes síkbeli irányításuk azonban akármilyen lehet. Ezért a remanens mágnesezettségük irányából az egykori földmágneses térintenzitás irányának csak a függőleges iránnyal bezárt szöge, illetve ennek pótszöge, az inklináció határozható meg, a térintenzitás vízszintes vetületének irányát jellemző deklináció ismeretlen marad.

Folgheraiter az agyagedények felületén megnyilvánuló szabad mágnesesség eloszlása alapján következtetett a remanens mágnességük irányára és ebből az égetésük idején érvényes inklinációra. Azt találta, hogy Olaszországban időszámításunk kezdete előtt a 8. században az inklináció kicsiny és a maival ellenkező irányú volt, néhány évszázaddal, később lett 0 és azóta pozitív.

Tökéletesebb eljárással nálunk Eötvös Loránd végzett hasonló vizsgálatokat, nemcsak égetett agyagedényeken hanem égetett téglákon is. Ugyanis bélyeges téglák esetén szintén ismeretes, hogy égetés közben melyik lapjukon fekszenek, és a vízszintes síkbeli irányításuk szintén akármi lehet. Tehát ebből a vizsgálatból is csak a régi korbeli inklináció határozható meg. Eötvös nem a szabad mágnesség eloszlását vizsgálta, hanem érzékeny mágneses transzlatométerével a remanens mágneses momentum komponenseit határozta meg. Ezek eredőjéből megkapta az eredő mágnesezettség irányát, és ebből számította ki az illető korbeli földmágneses inklináció szögét. Főbb eredményei a következők voltak:

Tehát az időszámításunk kezdete előtti évszázadokban az inklináció nálunk is negatív volt, az első évszázadok valamelyikében lett 0, azóta pozitív és a 17. század vége felé érte el a maximumát.

Az eljárás alapgondolatát és az inklinációra kapott eredményeket Eötvös nyomtatásban nem közölte, csak a Mathematikai és Physikai Társulat 1900. február 1-i ülésén tartott előadásában tárgyalta. Az előadást a Természettudományi Közlönyben Mikola Sándor ismertette. Eszerint Eötvös a vizsgálatot folytatni kívánta, és különösen az első évezred folyamán készült agyagtárgyakra kívánta figyelmét fordítani. Nincs tudomásunk arról, hogy ez megtörtént-e.

Később, az Internationale Erdmessung 1909. évi általános konferenciájára írt jelentésében Eötvös a Fruska Gorában talált szerpentin-kőzetminták szuszceptibilitás-adatait közölte. E kőzetek mágnességének behatóbb vizsgálatát és eljárásának ismertetését ígérte, de a továbbiakban erre sem került sor.

A szuszceptibilitás és a remanens mágneses momentum meghatározásának Eötvös által alkalmazott eljárását a Math. és Phys. Lapok EÖTVÖS-füzetében egészen röviden Fekete Jenő ismertette, az eljárás részleteit azonban ő sem tárgyalta.

Fekete Jenő azt is megemlíti, hogy Eötvös a kőzetek ilyen vizsgálatára történő mintavételére egyszerű mágneses tájolót is szerkesztett. Ennek segítségével a kőzetdarabnak a lelőhelyen elfoglalt helyzete, orientációja, illetve rajta az északi, a keleti és a függőleges irány megjelölhető, tehát a remanens momentum északi, keleti és függőleges irányú összetevője meghatározható.

Ismeretes, hogy az eruptív kőzetek remanens mágnessége is az izzón folyós állapotból történt kihűléskor felvett és állandósult mágnesezettségből származik. Eszerint az ilyen orientált kőzetminták remanens mágnességének meghatározása a lávalehűlés, tehát a kőzetkeletkezés korában ható földmágneses, térintenzitás meghatározására alkalmas. Fordítva, ha tudjuk, hogy melyik geológiai korban volt a földmágneses térintenzitás ilyen irányú, akkor meghatározhatjuk a kőzet keletkezésének és ezzel együtt a vulkán kitörésének korát.

A kőzetmágnesség ilyen irányú vizsgálatát ma már igen kiterjedten alkalmazzák és paleomágneses kutatásnak nevezik. Eötvös az irányított kőzetminták remanens mágnességének vizsgálatával ezek szerint igen közel állott a mai paleomágneses kutatások alapgondolatához, de nincs tudomásunk arról, hogy eljárását geológiai korok mágnességének vagy a kőzetkeletkezés korának meghatározására. alkalmazta volna.

Eötvös azért nevezte el eszközét mágneses transzlatométernek, mert ezzel az eszközzel lehet a mágneses testekre ható transzlációs erőhatást megmérni. Ismeretes, hogy homogén mágneses térben a mágneses testek csak forgató, irányító hatást szenvednek. Transzlációs, vonzó vagy taszító mágneses erőhatás csak inhomogén mágneses térben lehetséges. Ha a mágneses térintenzitás derékszögű komponenseit X, Y, Z-vel, az x, y, z koordináták szerinti deriváltakat pedig a megfelelő indexekkel jelöljük, akkor a mágneses tér inhomogenitását a

Az Eötvös-féle mágneses transzlatométer a Coulombféle mérleg elvén alapul. Külső alakjában Eötvös nehézségi horizontális variométeréhez, a mai Eötvös-ingához hasonlít a vízszintes mérlegrúd egyik végén a szokásos terhelő tömeggel, a másik végén pedig felfüggesztett kis mágnessel (l. ábra). A függőleges szálon függő mérlegrúdra

nyilván csak vízszintes irányú erők, tehát az inhomogén mágneses térben ható transzlációs erőnek is csak a P_x, P_y vízszintes komponensei gyakorolhatnak forgató nyomatékot. Eszerint az eszköz a transzlációs mágneses erőhatás P_x és P_y vízszintes komponenseinek mérésére alkalmas. Az eszköz eredeti alakjában a mérőmágnes hajlását a vízszinteshez képest változtatni lehetett. Eötvös megmutatta, hogy ha a mérést előbb i szöggel lefelé, azután ugyanakkora szöggel felfelé hajlított mágnessel végezzük, akkor a kapott P_x, P_y és P'_x, P'_y komponensekből az

mennyiségek, vagyis a mágneses tér inhomogenitásának jellemzésére szükséges 6 adat közül 4 meghatározható. (Természetesen a nehézség inhomogenitásából származó forgató nyomatékát külön meg kell határozni és figyelembe kell venni.)

Eötvös később megjegyezte, hogy eszközével nem érte el az érzékenységnek olyan fokát, amellyel a földmágneses tér kicsiny normális változásait nemcsak kimutatni, hanem lemérni is tudta volna. A sokkal nagyobb anomális változások meghatározására azonban az eszköz érzékenysége több mint kielégítőnek bizonyult.

Mint említettem, Eötvös nem közölte és Fekete is csak vázlatosan ismertette, hogy miképpen alkalmazható a transzlatométer kőzetek indukált és remanens mágneses momentumának meghatározására. Ezért talán nem lesz érdektelen, ha a róla elnevezett Geofizikai Intézetben a halála, után is több évtizeden át követett gyakorlat alapján az eljárást ez alkalommal valamivel részletesebben megvilágítom.

Ebben az alkalmazásban a mérőmágnes hajlását nem változtatjuk, hanem úgy függesztjük fel, hogy a tengelye állandóan függőlegesen lefelé irányuljon, azaz úgy, hogy a mágneses momentumának csak függőleges komponense legyen. Ha tehát a függőlegesen lefelé mutató irányt a z tengely pozitív irányául választjuk, akkor

és e M momentumú mágnesre ható transzlációs erőnek a transzlatométerre forgató nyomatékot gyakorló vízszintes komponensei:

Válasszunk ki valamilyen vízszintes irányt a pozitív x tengely irányául, és állítsuk a transzlatométer vízszintes rúdját erre merőlegesen úgy, hogy a rúdnak az M mérőmágnes felfüggesztése felé mutató iránya legyen az y tengely pozitív iránya (1. ábra). Ekkor a mérőmágnesre ható mágneses transzlációs erő komponensei közül a vízszintes mérlegrúdra már csak a

komponens gyakorol forgató nyomatékot. (A földmágnesség H vízszintes térerőssége is gyakorolhatna még forgató nyomatékot, de a mérőmágnes momentumának nem lévén vízszintes komponense, ez a forgató nyomaték zérus.)

Ha a felfüggesztő szál és a vízszintes mérlegrúd metszéspontját választjuk kezdőpontul és a, vízszintes mérlegrúd pozitív felének hosszát l-lel jelöljük, akkor az M mérőmágnes (középpontjának) koordinátái a következők:

Az M mérőmágnesre ható erőknek a felfüggesztő szálon átmenő z tengelyre vonatkozó forgató nyomatéka tehát:

A torziós együtthatójú felfüggesztő szál e forgató nyomaték hatására olyan szöggel csavarodik meg, amely megcsavarodásból származó ellenkező irányú nagyságú forgató nyomaték egyensúly esetén megegyezik az F forgató nyomatékkal:

A szokásos skála- és tükörleolvasást alkalmazva, a tükör és a skála távolságát D-vel, a homogén mágneses térnek megfelelő egyensúlyi helyzetben észlelhető skálaleolvasást s_o-lal, a szöggel elcsavart helyzetben észlelt leolvasást s-sel, az s-s_o különbséget n-nel jelölve és figyelembe véve, hogy a pozitív szög növekedtével az s skálaleolvasás csökken:

A : 2 D l M tényezőt az eszköz X_z-re vonatkozó érzékenységének (helyesebben skálaértékének) nevezzük és ε-nal jelölhetjük. E jelöléssel:

Ha ezekután transzlatométerünkkel valamely kőzetdarabnak vagy más mágneses testnek az m (m_x, m_y, m_z) momentumát kívánjuk a test inhomogén mágneses terének transzlációs hatásából meghatározni, akkor ehhez a test mágneses terének inhomogenitását jellemző adatok közül csak az X_z deriváltat kell a test m momentumával és a mérőmágneshez képest elfoglalt helyzetét jellemző adatokkal kifejeznünk.

Ismeretes, hogy a (, ,  ) pontban levő m momentumú mágnes mágneses terének potenciálja az (x, y, z) pontban így fejezhető ki:

A vizsgált test helyzetének két jellegzetes esetében 1/-nek e deriváltjai és az X_z derivált is tetemesen egyszerűbbekké válnak. Az egyik esetben a vizsgált testet a mérőmágnessel egy szintben a +x tengely irányában, a másik esetben a mérőmágnes alatt helyezzük el bizonyos lemérhető, tehát adott távolságban.

I. Helyezzük tehát a vizsgálandó m (m_x, m_y, m_z) momentumú testet a mérőmágnessel egy szintben, a mérlegrúddal -90°-os szöget bezáró +x tengely irányában M-től távolságra, vagyis a

Láthatjuk, hogy ebben a helyzetben a negatív X_z gradiensből, illetve a szintén negatív P_x transzlációs erőhatásból származó F forgató nyomaték pozitív, továbbá láthatjuk, hogy ezt a forgató hatást a vizsgálandó test mágneses momentumának csak a vertikális komponense idézi elő.

Oldjuk meg egyenlőségünket m_z- re:

Tehát a vizsgált test függőlegesen lefelé irányuló mágneses momentuma és a távolság ismeretében az észlelt n kitérésből igen egyszerűen meghatározható.

Az érzékenységet rendszerint nem a , D, M, l adatokból számítjuk ki, hanem ismert m_z momentumú mágnes által ismert távolságból előidézett n kitérésből határozzuk meg. A R érzékenységet esetenként -ból és a távolságból számítjuk ki.

A vizsgált test mágneses momentumának m_z komponense két részből, a mai ς (X, Y, Z) földmágneses tér által a testben indukált mágneses momentum x v Z vertikális komponenséből és a test remanems mágneses momentumának μ_z komponenséből tevődik össze, ha x a test mágneses szuszceptibilitását és v a térfogatát jelenti.

Homogén izotrop test esetén az indukált momentum z komponense mindig x v Z, függetlenül attól, hogy a test melyik egyenese (melyik tengelye) és milyen irányban (felfelé vagy lefelé) áll függőleges helyzetben. A test remanens mágneses momentuma, μ viszont a testhez kötött vektor, tehát a vertikális komponense attól függ, hogy a test melyik tengelye és milyen (felfelé vagy lefelé mutató) irányban kerül függőleges helyzetbe.

Tehát ha a test valamelyik tengelyét függőleges helyzetbe hozzuk, és azután ezt a tengelyt a test megfordításával ellenkező irányúvá tesszük, akkor a testben indukált mágneses momentum vertikális komponense változatlanul x v Z marad, a test remanens mágneses momentumának vertikális komponense pedig nagyságának megtartásával a testtel együtt ellenkező irányúvá válik. Eszerint a test az egyik esetben az indukált és a remanens momentum vertikális komponensének összegével, a másik esetben a különbségével arányos hatást gyakorol eszközünk mérőmágnesére.

A test vizsgált tengelyének pozitív irányú - végét jelöljük meg valamilyen jellel, és a test hatására észlelt kitérést jelöljük n_a -val, ha a vizsgált tengely pozitív vége lefelé mutat, azaz alul van, és n_f -fel, ha felfelé mutat, azaz felül van. Fejtegetésünkből nyilvánvaló, hogy e két esetben:

E két egyenlőség v Z-vel osztott félősszege adja a test x szuszceptibilitását, félkülönbsége pedig a remanens mágneses momentumának μ_z vertikális komponensét. Ha tehát az n_f+n_a összeget c-vel, az _f-n_a különbséget pedig d-vel je-löljük, akkor

Paleomágneses kutatások céljára orientált kőzetminták remanens mágneses momentumát kell meghatározni. A kőzetminta orientációját, vagyis az eredeti lelőhelyén elfoglalt helyzetét legegyszerűbben úgy adhatjuk meg, hogy a testben a földrajzi koordinátarendszer tengelyeivel párhuzamosan felvett három tengely végeit alkalmas jelekkel megjelöljük. A testet a tárgyalt helyzetben a műszer közelébe hozzuk, a megjelölt tengelyeket egymásután fűggőlegessé tesszük, és mindegyik tengely kétféle függőleges állásában az ismertetett észlelést elvégezzük. Könnyen érthető jelöléssel azt kapjuk, hogy

ahol N a kőzettesthez rögzített x tengely északi (pozitív) végét, E az y tengely keleti végét és Z a z tengely lefelé mutató végét jelenti a kőzettestnek az eredeti lelőhelyén elfoglalt helyzetében.

Ha feltételezhető, hogy a kőzet remanens mágneses momentuma a kőzet keletkezésekor ható ς (X_o, Y_o, Z_o) földmágneses tér indukáló hatásából származik, és ha feltehető - legalábbis sok kőzetminta átlagában -, hogy a kőzet fekvése a keletkezésének ideje óta nem változott meg, vagy pedig ismert módon változott meg, akkor μ_M, μ_E és μ_Z rendre az egykori földmágneses térerősség X_o, Y_o és Z_o komponenseivel arányosaknak tekinthetők. Az arányossági tényező, a kőzet egykori mágneses szuszceptibilitása, nem lévén ismeretes, ς_o-nak csak az irányát határozhatjuk meg, a nagysága ismeretlen marad.

Az egykori ς_o térerősség irányát jellemző mágneses D_o deklináció és I_o inklináció a következő képletekkel számítható ki:

Nyilván cos D_o és sin D_o teljesen egyértelműen határozzák meg a D_o deklináció-szöget, de tg I_o is egyértelműen határozza meg az I_o inklinációt, mert az inklináció csak -π/2 és +&pi/2 közötti szög lehet.

II. Helyezzük most a vizsgálandó m (m_x, m_y, m_z) momentumú testet függőlegesen a mérőmágnes alá, a mérőmágnestől távolságra, vagyis a ξ=x, η=y=l,

Láthatjuk, hogy a negatív X_z gradiensből, illetve a szintén negatív P_x transzlációs erőhatásból származó F forgató nyomaték most is pozitív: Ezt a forgató hatást a vizsgálandó test mágneses momentumának most is csak az egyik komponense, de most nem a vertikális, hanem az x irányú vízszintes komponense idézi elő.

Egyenlőségünket most m_xx-re oldjuk meg:

Az x tengely pozitív iránya az y tengely pozitív irányával -90°-os szöget zár be, tehát most és a távolság ismeretében az észlelt n kitérésből a mérőmágnes alá helyezett test mágneses momentumának a mérlegrúdra ilyen értelemben merőleges m_x komponense határozható meg.

Ez az m_x komponens ismét két részből, a x v X indukált és a μ_x remanens momentumkomponensből áll. Ezek szétválasztására és az orientált kőzetminta μ_N, μ_E, μ_Z momentumkomponenseinek, valamint az egykori földmágneses tér irányát jellemző D_o deklináció és I_o inklináció meghatározására teljesen az előbb tárgyaltnak megfelelő eljárás alkalmazható.

Figyelemre méltó azonban, hogy ha a mérlegrudat a mágneses meridiánba állítjuk, akkor az x tengely irányában a földmágneses térintenzitásnak nincs komponense, tehát akkor a testnek x irányú indukált mágneses momentuma sincsen, és így ekkor az orientált mintán észlelt m_N, m_E, m_Z momentumok maguk adják a remanens momentum μ_N, μ_E, μ_Z komponenseit.

Haáz István
Eötvös Loránd Geofizikai Intézet
Budapest