Nach C. F. Gauss läßt sich das an der Erdoberfläche gemessene magnetische
Feld in zwei Anteile zerlegen. Dies geschieht mit Hilfe einer Entwicklung nach
Kugelflächenfunktionen. Die Quellen des ersten
Anteils, der ca. 99% des Gesamtfeldes ausmacht, liegen im Erdinneren, die des
zweiten Anteils liegen
in der Ionosphäre und der Magnetosphäre.
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
überstiegen - muß das Erdmagnetfeld durch Ströme erzeugt
werden, deren Dimensionen nicht mehr im Mikroskopischen liegen können. Dies
führte 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
Sekundäreffekt durch Wechselwirkung zwischen dem durch
Konvektionsbewegung hervorgerufenen Feld und
weiteren Materiebewegungen aus
[Ker69].
Das Erdmagnetfeld läßt sich vektoriell in eine
horizontale und eine vertikale Komponente zerlegen. Den Winkel zwischen der
Richtung des Erdmagnetfeldes und der Erdoberfläche bezeichnet man als
Inklination. In unseren Breiten beträgt sie 65 °. Die
Deklination oder auch magnetische Mißweisung beschreibt
den Winkel zwischen dem geographischen Nordpol und der Vertikalkomponente des
Magnetfeldes der Erde. Die Totalintensität des Magnetfeldes beträgt in Bonn
ca. 
. Ein nT wird in der älteren Fachliteratur häufig mit
(Gamma) bezeichnet.
Die langsame Änderung des Hauptfeldes, die sogenannte
Säkularvariation, ist für eine magnetische
Prospektion von keinerlei Bedeutung. Sie ist auf eine vergleichsweise langsame
Änderung des magnetischen Innenfeldes zurückzuführen. Störend wirken sich
hingegen Tagesvariationen,
Mikropulsationen und Magnetstürme
aus, da sie kurzzeitige Magnetfeldschwankungen von mehreren hundert nT
auslösen können.
Sie werden durch Variationen des magnetischen Außenfeldes erklärt. Dem kann
man zum einen mit einer Messung des Tagesganges begegnen, mit
dessen Hilfe man die Meßdaten korrigieren kann. Zum anderen lassen sich diese
Störungen sehr gut durch eine Gradiometeranordnung eliminieren, wozu man aber
eine zweite Meßsonde benötigt. Trotzdem sollte man während eines Magnetsturms
eine magnetische Prospektion wegen der Stärke der Magnetfeldschwankungen
unterlassen. Die Tagesvariationen
werden in solare und lunare Variationen unterschieden. Die solaren Variationen
erreichen gegen Mittag ihren Höhepunkt und sind mit 
bis 
etwa
zehnmal größer als die lunaren Variationen. Sie werden durch Kreisströme in
der Ionosphäre hervorgerufen. Diese beiden
Induktionsstromsysteme entstehen dadurch, daß sich die Hochatmosphäre mit der
Tageserwärmung und den Sonnen- und Mondgezeiten im
Erdmagnetfeld hebt bzw. senkt. Ströme, die zu einer
Magnetfeldänderung von 
am Erdboden führen, haben eine Stärke von
[Ger95]. Unter Mikropulsationen
versteht man erdmagnetische Variationen zwischen 
und 
. Sie
entstehen am Rande der Magnetosphäre, breiten sich bis
zur Ionosphäre aus und werden von dort als
elektromagnetische Wellen zum Erdboden abgestrahlt.
Magnetstürme sind eng an sehr hohe Sonnenaktivitäten
gekoppelt. So beobachtet man im Zusammenhang mit Magnetstürmen
Sonneneruption. Es handelt sich also um die
Magnetfeldwirkung einer an die Magnetosphäre
heranrückenden solaren Partikelwolke [Ker69].
Ein Magnetfeld 
besitzt im Vakuum die
magnetische Flußdichte
(
). Wenn
man Materie einem magnetischen Fluß 
mit der magnetischen
Flußdichte 
aussetzt, dann beginnen um die Flußrichtung herum
mikroskopische Kreisströme zu fließen. Man spricht dann von der
Magnetisierung der Materie. Sie ist als
magnetisches Moment 
pro Volumeneinheit V
definiert:
Das Verhältnis zwischen magnetischer Flußdichte mit Materie 
und der magnetischen Flußdichte ohne Materie 
bezeichnet man
als Permeabilität 
[Ber87]:
Wenn man nun die zusätzliche, von der Materie herrührende magnetische
Feldstärke als additive Größe hinschreibt erhält man mit 
für die Magnetisierung:
Analog zu 2.3 geht man für die magnetische Flußdichte
vor und erhält die magnetische
Polarisation 
:
Die Permeabilität ist bei Stoffen, die nicht
ferromagnetisch sind, nur sehr wenig von eins verschieden. Deshalb benutzt man
häufiger die Suszeptibilität 
:
Sie bestimmt das magnetische Verhalten der Materie. Da diese jedoch sehr
unterschiedliche magnetische Eigenschaften aufweist, muß man
folgende Arten von Magnetismus unterscheiden
[Ger95]:
. Schiebt man einen
diamagnetischen Stoff in ein Magnetfeld, so entstehen in ihm
widerstandslose Kreisströme, die ein magnetisches Feld hervorrufen, das dem
ursprünglichen entgegengesetzt ist. Vereinfacht kann man sich das so
vorstellen, als rotiere das gesamte Atom mit seiner Elektronenhülle um die
Magnetfeldrichtung mit der Larmorfrequenz 
. Der Gegenstand erfährt eine repulsive Kraft.
3: Die Atome oder Moleküle ferromagnetischer
Stoffe besitzen - wie die Atome oder Moleküle diamagnetischer Stoffe auch -
ebenfalls permanente magnetische Momente. Der entscheidende Unterschied
besteht jedoch darin, daß in Ferromagnetika die Wechselwirkung zwischen
den einzelnen magnetischen Momenten so stark werden, daß sie der ungeordneten
Wärmebewegung entgegenwirken. Dies äußert sich in einer spontanen
Magnetisierung des Körpers. In einem äußeren Magnetfeld der Flußdichte
nehmen ferromagnetische Materialien eine sehr hohe
magnetische Polarisation an, die gleichgerichtet ist.
Die große Permeabilität dieser Stoffe ist aber sehr
stark vom äußeren Feld und der Vorgeschichte des Materials abhängig. Eine
vorhandene Magnetisierung bleibt auch beim Wegfall des äußeren Feldes
erhalten. Es handelt sich hierbei um die sogenannte
remanente Magnetisierung. Das Feld, das nötig ist, um die Magnetisierung
aufzuheben, bezeichnet man als Koerzitivfeld. Im
Gegensatz zu paramagnetischen Substanzen zeigen Ferromagnetika keinen
linearen
Zusammenhang zwischen ursprünglichem und resultierendem Feld. Materialien
dieser Art durchlaufen beim Anlegen eines Wechselfeldes eine Hysteresiskurve.
Aus ihr kann man die Remanenzmagnetisierung, das Koerzitivfeld und
die Sättigung ablesen. Diese ferromagnetischen Eigenschaften gehen
aber bei Überschreitung 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
Néel-Temperatur genannt wird. Oberhalb dieser
Temperatur folgt die Suszeptibilität folgendem
Gesetz:
bezeichnet hierbei eine materialabhängige Temperaturkonstante.
Unterhalb der Temperatur sinkt die Suszeptibilität wieder ab. Sie
erreicht bei
also ihr Maximum. Dieses Verhalten bezeichnet man als
antiferromagnetisch und deutet es folgendermaßen: Die Elektronenspins sind
bei tiefen Temperaturen im Gitter paarweise antiparallel ausgerichtet und
damit nach außen hin magnetisch neutral. Steigt nun die Temperatur an, wird
diese Ordnung aufgelockert und bricht bei Erreichen der
Néel-Temperatur völlig zusammen. Oberhalb dieser
Temperatur verhält sich das Material wie ein Paramagnetikum, da die Spins nun
nur noch der Wärmebewegung ausgeliefert sind.
5: In einigen Gitterstrukturen sind
benachbarte Spins antiparallel ausgerichtet, aber verschieden groß. Die
magnetischen Momente kompensieren sich also nicht völlig, sondern nur zu einem
gewissen Bruchteil, so daß ein magnetisches Moment resultiert. Diese
Ferrimagnetika kommen sehr häufig in oberen Bodenschichten vor und spielen
deshalb eine große Rolle in der magnetischen Prospektion. Zwei für die
magnetische Prospektion wichtige Stoffe dieser Art sind
Magnetit (
)
und Maghämit
(
-
).
Maghämit ist die kubische, ferrimagnetische Modifikation von Hämatit
(
-), das antiferromagnetisch ist.
Da Feuerstellen sehr gut prospektierbar sind, suchte man eine Erkärung für
diesen Effekt. Ursache hierfür ist eine erhöhte Maghämitkonzentration an der
Bodenoberfläche. Le Borgne erklärt diese hohe Konzentration durch Reduktion
(Erhitzung in Anwesenheit organischen Materials) von Hämatit
oberhalb von 
zu Magnetit. Beim Abkühlen an Luft soll
Magnetit dann später zu Maghämit oxidiert
werden (Le Borgne-Effekt) [LeB55] [LeB60]. Obwohl theoretisch
denkbar [Sch59] [Shi77], ist ein Nachweis von Maghämit
aus diesem Prozeß bisher noch nicht gelungen [Faß94]. Stanjek
konnte 1987 zeigen, daß unter Feuereinfluß und Anwesenheit organischen
Materials Goethit
(-
) zu Hämatit und
Lepidokrokit (-) zu
Maghämit umgewandelt werden [Sta87]. Sowohl
Goethit als
auch Lepidokrokit kommen in heimischen Böden vor und sind
beide antiferromagnetisch. Findet man erhöhte Maghämitkonzentrationen an der
Bodenoberfläche, so ist zweifellos die Entstehung durch Feuer anzunehmen
[Faß94]. Ansonsten kommt Maghämit häufiger in tropischen und
subtropischen Böden vor [Mar51] [Sch59].
Eine weitere Entstehungsmöglichkeit von Magnetit ist dessen Bildung durch Bakterien. Magnetotaktische Bakterien (MV-1) wurden erstmals von Blakemoore gefunden und sind seitdem aus den verschiedensten Böden bekannt [Bla75]. Magnetische Bakterien und deren Magnetofossilien konnten von J. W. E. Faßbinder erstmals nachgewiesen werden und spielen eine große Rolle für die Prospektierbarkeit von Bodendenkmäler, die früher aus Holz bestanden [Faß94]. Eine weitere Bakterienart, die GS-15 Bakterien, kommen zwar für die Magnetitbildung in Frage, konnten aber noch nicht aus Böden isoliert werden und sind auf ein anaerobes Milieu beschränkt [Lov87].
Die relativ starke Magnetisierung von gebranntem Ton wird durch die sogenannte
Thermoremanenz erklärt. 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 Überschreiten der
Curie-Temperatur (etwa 
für Magnetit)
komplett entmagnetisiert. Kühlt er ab, so richtet sich die Magnetisierung
größtenteils in Erdmagnetfeldrichtung aus, so daß eine remanente magnetische
Polarisation in der Größenordnung von bis zu 
resultiert. Basalte und
andere Schmelzgesteine zeigen ebenfalls eine remanente
Magnetisierung, die sie sich während des langsamen Abkühlens und
Erstarrens erworben haben [Cla90].
Werden feinkörnige magnetische Stoffe über einen längeren Zeitraum einem
schwachen magnetischen Feld ausgesetzt, so wächst ihr magnetisches Moment
logarithmisch mit der Zeit an. Man spricht dann von
viskoser Remanenz. Unter dem Einfluß der Wärmebewegung 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 Viskosität beschreibt [Sco90].