Магнитные свойства минералов и горных пород

               КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ

Геологический факультет 

                                           Специальность: геофизика

 

 

 

 

Курсовая  работа

на тему:

Магнитные свойства минералов и горных пород

                                                                                                                                       

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                    Выполнил  студент 366 гр.:

                                                Шаштавлетов Л.Т.          

                                                         Научный руководитель:

                                     Ясонов П.Г.  

 

 

 

 

 

 

 

Казань- 2007.

Содержание

 

      Введение…………………………………………………………………3

Глава №1 Магнитные свойства минералов………………………………...4

Глава №2 Магнитные свойства горных пород……………………………..8

Глава №3 Магнитные свойства магматических  горных пород…………..14

          3.1. Магнитная  восприимчивость кислых пород  и их переходных 

                 разностей…………………………………………………………14

          3.2. Магнитная  восприимчивость средних магматических  горных 

                 пород……………………………………………………………..14

          3.3. Магнитная  восприимчивость основных  магматических  горных 

                 пород……………………………………………………………...15

Глава №4 Магнитные свойства метаморфических горных пород………17

Глава №4 Магнитные свойства осадочных  горных пород………………18

      Заключение……………………………………………………………...19

      Список литературы……………………………………………………..20

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                         Введение

 

    Магнетизм – свойство пород намагничиваться в магнитном поле, изменять его и иногда сохранять намагниченное состояние после прекращения действия поля. В результате намагничивания любой объём породы приобретает магнитный момент. Магнетизм проявляется при взаимодействии двух намагниченных образцов пород или образца породы и проводника, по которому течёт ток; его, определяют концентрация и распределения в породе диа -, пара -, антиферро -, ферро- или гораздо чаще ферримагнитных компонентов, их химический состав, структура кристаллической решетки минералов, в частности, тип связи в ней атомов или ионов. Магнетизм зависит от происхождения и условий жизни пород. Он не постоянен, если растут со временем действующие на погружающуюся породу давление и температура; при этом изменяется не только её структура, но и минеральный состав.    Намагниченное состояние пород характеризуется величиной результирующего магнитного момента единицы и объема, единицы массы или грамм - атома и рядом других магнитных свойств.  
     Результирующий момент единицы объема породы, намагниченной  в однородном магнитном поле  J, является геометрической суммой результирующих магнитных моментов µ, а ее отдельных атомов результирующих магнитных моментов каждого из атомов возникает как следствие магнитных свойств элементарных частиц – электронов, нейтронов и протонов ,составляющих ядро и электронную оболочку атомов.  
     Каждая яз этих частиц характеризуется при отсутствии поля, прежде всего собственным магнитным моментом для электрона этот момент                  

µ _δ=9,27. 1О ЭРГ/гаусс,

Элементарными носителями магнетизма являются также и атомные  микроскопические токи, орбитальный  магнитный момент которых (для кругового  тока и атома с одним электроном).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава № 1

МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА МИНЕРАЛОВ

    Большинство, минералов диа - я парамагнитны; антиферромагнитных минералов значительно меньше; ферромагнитнтых — точнее ферримагнитных – или близких к ним по свойствам минералов немногим более десяти.   
К диамагнетикам относятся важнейшие породообразующие минералы горных пород — кварц, кальцит в галит.  
    Анизотропия магнитных свойств, обнаруженная  у кристаллов диамагнетиков, не характерна для поликристаллических разностей минералов вследствие различной ориентации их кристаллов.  
Согласно этим измерениям магнитная восприимчивость природных парамагнитных минералов изменяется приблизительно от нуля 500 . 10 СГСМ и более.  
    Близкие к нулевым значениям магнитной восприимчивостью имеют, например, шпинель, магнезит я доломит.  
    Магнитная восприимчивость порядка нескольких сотен установлена у ильменита, свободного от ферромагнитных включений, вольфрамита касситерита, хромита и др. У поликристаллических разностей  парамагнитных минералов такой анизотропии не наблюдается по тем же причинам, что  и у диамагнитных поликристаллических минералов. Среди парамагнитных минералов выделяется группа антиферромагнетиков. К антиферромагнетикам относятся, например, пиролюзит, гематит, сидерит, некоторые разности пирротина. Магнитная восприимчивость антиферромагнитных минералов имеет тот же порядок, что и у парамагнитных минералов. Ферромагнитны самородное железо Fe, такие ферриты, как магнетит FeO•Fe₂O₃ ,франклинит  (Mn, Zn)O • Fe₂O_3, яксобит MnO Fe₂O₃ , магномагнетит (Mn, Fe)O • Fe₂O₃   и ряд шпинелей, отвечающих формуле вида Mg Cr₄O₄– Mg Fe₂O₃ , у которых магнетизм определяется наличием 80 – 100%  MnO Fe₂O₃     , титаномагнетиты Fe Ti O₃  • n Fe₂O₃ , пирротин Fe _1-x S (твёрдый раствор  FeS и Fe₂ S₃  или FeS и  Fe₃ S₄) и другие сульфоферриты  (Cu₂ S • 2FeS •  Fe₂ S₃  и валлерит Cu₂ S •  2Fe₂ S₃  ).

      Таким образом, природные ферромагнетики, за редким исключением , являются ферритами со структурой шпинели или сульфоферритами . Они относятся   к ферромагнетикам или имеют характер последних. Собственно ферромагнитно только железо.

 

 

Анализ значений магнитной  восприимчивости феррмагнитных  минералов показывает, что наибольшие значения этого параметра наблюдаются  у магнетита ( самородное железо здесь  и в дальнейшем не рассматривается вследствие его незначительной распространенности ). Установлено, что магнитная восприимчивость монокристаллов магнетита, измеренная в слабых полях (до 2 э), близка к 5. Поликристаллические разности этого минерала в зависимости от примесей имеют восприимчивость от 0,1 до 2,0 СГСМ и более в полях той же напряженности.

      Магнитная восприимчивость  титаномагнетиков изменяется от  0,03 до 0,135 СГСМ в полях напряженности  до 1 э .Таким образом, титаномагнетиты значительно менее магнитны, чем магнетит.

       Ферримагнитнитные разности пирротина обычно имеют еще меньшую магнитную восприимчивость, не превышающую (в слабых полях до 0,6) 0,125 СГСМ. Затем следует франклинит с æ = 0,035 ÷ 0,036 СГСМ. Наибольшее значение магнитной восприимчивости гематита(0,004 СГСМ). Менее магнитны валлерит (0,0035 СГСМ) и кубанит (0,002 СГСМ). Слабо магнитен лимонит; его восприимчивость оценивается в пределах 0,0001 – 0,0006 СГСМ.

    Так как магнетит имеет  наибольшие восприимчивость и  распространенность, его считают  главным ферромагнитным минералом горных пород.

    Характерной особенностью  монокристаллов магнетита является  их магнитная анизотрапия. У  кубических кристаллов магнетита  намагничивание происходит легче  всего по оси диагонали куба  и труднее всего в направлении  его ребер.

    Призматические кристаллы  пирротина в магнитном поле  любого направления и невысокой  напряженности намагничиваются  только в плоскости, перпендикулярной  оси призмы, и особенно значительно  в главном осевом направлении  О_х.

    Намагниченность насыщения максимальна у магнетита; имеет меньше значения для титаномагнетитов, еще меньшие для пирротина и совсем незначительные для гематита и лимонита.

    По величине  изотермической остаточной намагниченности  ферромагнитные минералы располагаются  в тот же ряд.

    Магнетит имеет  более значительную остаточную  изотермическую намагниченность  (от единиц до нескольких десятков  эрстед), чем пирротин,

остаточная изотермическая намагниченность, которого не превышает, по – видимому, 10 э. Остаточная изотермическая намагниченность гематита меньше 0,1 э, лимонита 0,01 э.

    Коэрцитивная  сила максимальна у гематитов  (до 100 э и несколько более); меньше значения этого параметра установлены для пирротинов и магнетита, титаномагнетиты имеют еще меньшую коэрцитивную силу. Коэрцитивная сила минимальна для лимонита.                                                                                                                                                                       Характерным магнитным параметром ферромагнетиков является также температура Кюри, достигающая наибольших значений у маггемита (675°C); несколько ниже температура Кюри для магнетита (~585°C).Температуры Кюри титаномагнетиков зависят от содержания в минералах Ti Fe₂O₄

и находятся в пределах от 222 до 524 °C  при изменении содержания  Ti Fe₂O₄     

от 42 до 8 %. Точка Кюри пирротинов изменяется от 300 до  ~325 °C.

   Следует заметить, что магнитные параметры минералов,  за исключением  магнитной  восприимчивости, изучены недостаточно.

  Некоторые магнитные  свойства ферромагнитных минералов зависят от величины зёрен. Например, магнитная восприимчивость гематита уменьшается при повышении дисперсности зерен этого минерала (рис. 1). Последнее объясняется снижением числа доменов в зернах при уменьшении их размеров. В этих условиях на намагничивание единицы объема породы должна затрачиваться большая работа вследствие того, что намагничивание в основном совершается за счет вращения векторов намагниченности.

    Этот процесс  требует затрат более значительных  энергий, чем смещение границ доменов. В предельном случае – для зерен с одним доменом – намагничивание происходит только за счет вращения векторов намагниченности зерен; на это затрачивается максимальная энергия, поэтому должны применяться поля максимальной напряженности. Имеются критерии существования однодоменных зерен.

 

 

 

Рис. № 1. Зависимость удельной магнитной                   Рис. № 2. Зависимость коэрцитивной силы   Н_с                                                восприимчивости æ гематита от размера частиц d.               От размеров зерен d.

 

 

    С другой  стороны, по той же причине  с уменьшением размеров зерен  минералов и, следовательно, с  уменьшением числа отдельных  доменов в каждом зерне коэрцитивная  сила минералов возрастает (рис. 2). Это возрастание становится особенно резким для зерен магнетита размером < 20 мк; при этом размере зерен наблюдается также резкое уменьшение их начальной магнитной восприимчивости.

    Удельная магнитная  восприимчивость ферромагнитных  минералов, выделенных из магматических горных пород и содержавших в основном

Fe₃ O₄, а также Fe₂O_3,  FeO  и TiО_2, изменяется в пределах от 0,013 до 0,097 СГСМ, причем их магнитная восприимчивость и коэрцитивная сила зависят от содержания в минералах окиси титана и размера их зерен.(1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава №2

 

            МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД

 

      Магнитные свойства горных пород определяются их химикоминеральным составом и структурой — соотношением в породах диа-, пара- и ферромагнитных минералов и их взаимосвязью. Однако ведущая роль в создании определенных магнитных свойств горных пород принадлежит ферромагнетикам в частности магнетиту и титаномагнетитам. Это объясняется тем, что магнитная восприимчивость указанных широко      распространенных ферромагнетиков обычно на много порядков превышает восприимчивость других минералов, составляющих породы. Кроме того, установленные у многих пород коэрцитивная сила, изотермическая то остаточная естественная намагниченности и точки Кюри могут быть обусловлены только наличием ферромагнетиков.

    Опытами К. Пуциха и других  установлена тесная связь между магнитной восприимчивостью содержанием магнетита для моделей пород однородной структуры (рис. 3) в нолях большой напряженности, которая будет, по—видимому, справедливой и для слабых полей, Модели представляли собой смеси измельченных немагнитных веществ и ферромагнетиков с одинаковыми размерами и формой минеральных зерен. Однако эта зависимость не подтверждается при исследовании магнитной восприимчивостью пород.

    

 

 

 

 

                            Рис № 3. Зависимости магнитной восприимчивости æ

                                от содержания магнетита в смесях гранита с магнетитом.

 

 

Магнитные свойства горных пород определяются не только содержанием магнетитовых в титаномагнетитовых зерен, но также размерами, формой и взаимным расположением последних. Кроме того, на магнитные свойства пород существенно влияет присутствие других минералов, в например переходной разности от магнетита к хромиту, пирротина, маггемита, а иногда и слабомагнитных разностей авгита, биотита, роговой обманки, хромита и др.

    При этом прямо пропорциональная зависимость магнитной восприимчивости от содержания ферромагнитных минералов получена лишь для серии образцов из вполне определенных в незначительных по объему областей интрузивных тел, жил и других геологических образований, возникших при вполне определенных условиях и содержащих только один из общего числа ферромагнетиков.

    Задача об определении магнитной восприимчивости однородной породы в зависимости от содержания ферромагнитного минерала имеет следующее решение.

    Допустим, что в единице  объёма породы содержится п сферических зерен одинакового радиуса r ₀ с магнитной проницаемостью µ₂ занимающих объём

                                 V₀ = п 4/3 П r³ ₀ .

 

Для расчета среднего значения магнитной  проницаемости µ

и восприимчивости  æ определим  значения потенциала U₂ магнитного поля в сфере радиуса  r ₀ . Последняя имеет магнитную проницаемость µ₂  и находится в однородном магнитном поле, в пространстве, заполненном средой с магнитной проницаемостью µ₁. Определим, кроме того, величину потенциала U₁ магнитного поля в этой среде после внесения в неё указанной выше сферы.   

   

 

 

                                          

                           Рис № 4. К выводу зависимости между магнитной восприимчивостью и                                 

                           содержанием в породе ферромагнитного материала.