Магнитные свойства минералов и горных пород

    Если совместить начало  координат с центром сферы  и полярную ось сферической системы координат. R, Ø ориентировать по направлению магнитного поля, то магнитные потенциалы U₁     вне и   U₂ внутри сферы определятся уравнениями:

 

U₁ (R, Ø) = – H_c (1 – K  r₀/ R³) x,

 

U₂ (R, Ø) = – H₀  ( 1 – K ) x,

 

где H₀  = B₀ / µ ₁  — первоначальная напряженность магнитного поля в среде с проницаемостью µ ₁ ;

 

   B₀ — значение магнитной индукции;

 

   К - µ₂ -_{_} µ ₁ /  µ₂ + 2 µ ₁

 

   х — координата точки наблюдения по оси х, совпадающей с направлением поля H₀.

Из анализа уравнения следует, что среда с магнитной проницаемостью µ ₁

 после внесения сферы с  магнитной проницаемостью µ₂ будет иметь напряженность поля H₁ = – д U₁ / д х = ( 1 – K  r₀/ R³) H₀

и изменит напряженность поля на величину, равную искажению напряженности от магнитного поля диполя с моментом М = H₀ К r₀³ , находящегося в центре сферы.

    Поле H₂ = – д U₂ / д х = ( 1 – K  )H₀= H₀ –К H₀ внутри шара остаётся однородным, но изменяется на величину -К H₀ .Таким образом, добавочное поле внутри шара H´= -К H₀= 4/3 П J.

    Этой напряженности соответствует  интенсивность намагничивания:

                            

J=M/V= K r₀³ H₀ /   4/3 П r₀³=3/4 K/ П H₀.

 

    Для облегчения дальнейших расчетов коэффициент K к следующему виду:

 

К = µ₂ -_{_} µ ₁ /  µ₂ + 2 µ ₁ = µ₂ /µ ₁ -1 /  µ₂ /µ ₁ +2 = µ -1 /  µ+2,

 

где

 

µ = µ₂ /µ ₁.

 

Коэффициент К в случае, когда среда, вмещающая сферы, парамагнитна (µ ₁ не зависит от напряженности поля), численно равен значению К, которое было бы получено, если бы шары с фиктивной проницаемостью                                         µ = µ₂ /µ ₁ находились в пустоте с проницаемостью µ ₁=1.

    Для определения среднего значения породы вырежем из нее шар радиусом Rо, значительно превышающим по величине среднее расстояние между центрами магнитных сфер, и расположим его в пустоте в однородном магнитном поле напряженностью Но.

В этих условиях

                                                      _     _         _

К = µ -1 /  µ+2,

 

    Средняя интенсивность намагничевания

 

                                                        _

J=3/4 К H₀ /П

 

                         

    и средняя напряженность магнитного поля внутри шара                                       

                                                      _

Н= H₀ – ¾ П J.

 

 

    Кроме того, интенсивность намагничивания J равна сумме магнитных моментов отдельных сфер в единице объема, т. Е.

                                                  _

J= n M = n K r₀³ H₀ .

 

    Но так как 

 

                                                       _

J=3/4 K H₀ / П,

то

                                                  _

К=4/3 П n r₀³ =V₀K,

                                                                              _

Подставив в последнюю  формулу значения К и К, выраженные через          _

µ  и  µ, получим:

                                                 _         _

                                                 µ -1 /  µ+2= V₀ (µ -1 /  µ+2)

 

но µ= µ ₁ /  µ₂, поэтому

                    _

                   µ= µ₂(1 +2 V₀ )+2 µ ₁ (1- V₀ )/ µ₂(1 – V₀ )+ µ ₁ (2+ V₀ )

 

    И следовательно,

                                                    _

                                                   æ=µ-1                             

 

    При одном и том содержании магнетита, но различной структуре его включений в породе можно получить значения магнитной восприимчивости пород, разнящиеся почти на порядок (Рис. №5).

   

Разброс точек на экспериментальной  зависимости может быть, кроме того, объяснен различной природой ферромагнетиков. Образцы пород с пирротиновой и титаномагнетитовой ферромагнитными минерализациями имеют более низкую магнитную восприимчивость, чем образцы, содержащие магнетит, магнитная восприимчивость которого также изменяется в широких пределах.

                                         

 

 

Рис. № 5 Зависимости магнитной восприимчивости                                                                         æ от содержания V₀  в породах ферромагнитных минералов

 

                         

.

 

    Вследствие того, что магнитная восприимчивость горных пород в основном определяется содержанием ферромагнетиков, она зависит от напряженности магнитного поля, в котором определяется этот параметр.

Так как геофизике  приходится чаще всего встречаться с магнитными характеристиками, возникшими в земных полях порядка H₀ = 0,5 э, то определение и рассмотрение магнитных характеристик следует проводить в основном именно при этих полях. Хотя в ряде случаев оказываются и полезными и магнитные характеристики пород в сильно магнитных полях.

    По величине  магнитной  восприимчивости горные породы классифицируются па практически немагнитные, характеризующиеся объемной магнитной восприимчивостью æ < • 30 • 10^-6СГСМ,очень слабо магнитные(10 • 10^-6–100• 10^-6  СГСМ), слабо магнитные (100 • 10^-6–1000• 10^-6  СГСМ), магнитные (1000 • 10^-6–5000• 10^-6  СГСМ) и сильно магнитные (>5000• 10^-6  СГСМ).

    В настоящее  время благодаря более совершенной  аппаратуры, позволяющей измерять  магнитные поля даже около десяти гамм и магнитную восприимчивость в несколько единиц 10^-6СГСМ, породы с                                              магнитной восприимчивостью от единиц 10^-6СГСМ до нескольких десятков 10^-6СГСМ могут быть дифференцированы по магнитным свойствам. Это представляет большой практический интерес. Следовательно, в дальнейшем породы, имеющие магнитную восприимчивость меньше 30• 10^-6  СГСМ, нельзя будет рассматривать как практически немагнитные. Поэтому после накопления достаточного количества экспериментальных данных приведенную классификацию следует переработать.(1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава №3

  МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА МАГМАТИЧЕСКИХ ГОРНЫХ ПОРОД

 

3.1. Магнитная восприимчивость кислых пород и их переходных разностей.

       Породообразующие минералы (кварц, ортоклаз, плагиоклазы) кислых магматических пород, а также пород, переходных от кислых к средним, диамагнитны.

    Биотит, мусковит, роговые обманки, реже кордиерит, турмалин и пироксены (авгит), содержание которых не превышает 12% у кислых пород и 25% у переходных разностей, парамагнитны.

    Из перечисленных  парамагнитных минералов мусковит очень слабо магнитен или практически немагнитен, а авгит, биотит, гранат, кордиерит, роговая обманка и турмалин слабо магнитны.

Ферромагнитные минералы представлены в гранитоидах и их излившихся аналогах чистым, относительно крупнозернистым магнетитом, магнетитом с незначительной изоморфной примесью окиси титана и, по-видимому, маггемитом.

    Содержание  ферромагнитных минералов в кислых и переходных магматических породах колеблется от тысячных и сотых долей процента примерно до 2—3,5% и редко больше. Это в основном определяет широкие пределы изменения магнитной восприимчивости гранитоидов — от < 5• 10^-6  до >6000• 10^-6   СГСМ. При этом в природе преобладают практически немагнитные гранитоиды и довольно часто встречаются очень слабо и слабо магнитные разности этих пород.(2)

 

3.2. Магнитная восприимчивость средних магматических горных пород.

 В средних магматических породах содержание очень слабо и слабо магнитных минералов (авгита, биотита, гиперстена, мусковита, роговой обманки и др.) достигает 35—45% (в диоритах).

    Ферромагнитным является магнетит, который, вероятно, как правило, содержит больше окиси титана, чем в породах кислых, и более мелкозернист. Это определяет понижение точек Кюри и магнитной восприимчивости ферромагнетиков средних пород по сравнению с теми же параметрами для ферромагнетиков кислых пород.

    Содержание ферромагнетиков по исследованиям на ограниченном числе образцов оценено для кварцевых диоритов в пределах 0,2— 2,1%, для дацитов 0,2—3,5% и андезитов 1,3—6,61%; встречаются также практически немагнитные разности с меньшим содержанием ферромагнетиков. Таким образом, магнитная восприимчивость средних пород изменяется в широких пределах — они могут быть от практически немагнитных до сильно магнитных.(2)

3.3. Магнитная восприимчивость основных магматических горных пород.

 Минералы, преобладающие в основных породах и в их переходных разностях (габбро-диабазах, габбро-норитах и т. д.), очень слабо некоторые из пироксенов, оливин, эпидот, мусковит и хлориты) и слабо (роговая обманка, оливин, авгит, диаллаг, гиперстен, гранат, биотит и др.) магнитны. Практически немагнитные минералы представлены основными плагиоклазами. Поэтому магнитность основных пород в известной степени создается слабо магнитными минералами.

    Основными  носителями магнитных свойств  основных пород являются первичный  магнетит и титаномагнетиты и  в некоторых случаях маггемит.

   Метаморфизованные разности имеют в своем составе, кроме того, тонко распыленный вторичный магнетит и, по–видимому, маггемит.

В основных породах (базальтах) зерна ферромагнетиков минимальны по размерам, содержат больше всего окиси титана и имеют минимальную магнитную восприимчивость.                                                                                                                                      Сравнение свойств ферромагнетиков кислых, средних и основных пород показывает, что: 1)  удельная магнитная восприимчивость их возрастает, а коэрцитивная сила уменьшается с увеличением размеров зерен; 2) удельная намагниченность насыщения I _s и приведенная к одинаковому размеру зерен начальная удельная магнитная восприимчивость Х ₀ тем больше, чем меньше в этих минералах окиси титана; 3) имеется коррелятивная зависимость между I _s и Н_с, причем Н_с изменяется от 30 до 110 э; 4) ферромагнетикам соответствуют кривые Х =f(T) обратимого (Рис. № 6,а) и необратимого (Рис. № 7, б) типов; при необратимом характере кривых, обычно обнаруживающемся у ферромагнетиков, содержащих Ti O ₂, имеются две точки Кюри: Ø_с, полученная при первом нагревании образца, и Ø_с, полученная по кривой охлаждения. Причем Ø_с уменьшается с увеличением содержания Fe₂O₃ в минерале и соответствует стабильному состоянию неустойчивого к нагреванию ферромагнетика.

           

Рис. № 6. Связь между коэрцитивной силой                   Рис. № 7. Зависимости удельной магнитной

Н_с и намагниченностью насыщения I _s для                         восприимчивости Х от температуры Т для

ферромагнитных минералов, выделенных из                    ферромагнетиков, выделенных из магматических

магматических горных пород.                                         горных пород .                  

    Следовательно,  основные породы при равном  с остальными типами магматических пород содержании ферромагнетиков имеют минимальную магнитную восприимчивость.

    При изучении  магнитных свойств горных пород  целесообразно использовать параметр  М= Х/Ф_с ,где Ф_с– процентное содержание в породе ферромагнетиков. Этот параметр характеризует состав и состояние ферромагнетиков и, следовательно, породу в целом; он изменяется от 1600 (кислые породы) до 600 и ниже (основные породы).

    Среди основных  пород практически немагнитных  разностей не встречаются и  мало очень слабо магнитных образцов.

    Ультраосновные горные породы. Главная и некоторые второстепенные минералы ультраосновных горных пород очень слабо или слабо магнитны. Это уже известные нам парамагнетики — оливин, гиперстен, авгит, реже роговая обманка и из второстепенных минералов хромит, ильменит и шпивель.

    Ферромагнетиками  этих пород являются магнетит и пирротин, которые находятся в породах порознь или совместно.

    Отсутствие  магнетита иногда наблюдается  у гиперстенитов, причем у пород, не имеющих в своем составе магнетита, ферромагнитная минерализация обязана пирротину.

    Среди ультраосновных  пород не обнаружено практически  немагнитных      разностей. Это определяется, по-видимому, относительно высоким содержанием в этих породах очень слабо и слабо магнитных минералов. Породы остальных степеней магнитности встречаются у большинства ультраосновных пород, хотя очень слабо магнитные разности достаточно вероятны только у гиперстенитов. Для перидотитов наиболее характерны магнитные и сильно магнитные разности.(2,3)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава №4

 

  МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА МЕТАМОРФИЧЕСКИХ ГОРНЫХ ПОРОД

 

     Магнитная  восприимчивость метаморфических  горных пород изменяется в  тех же пределах, что и пород  магматических. Эти породы бывают  от практически немагнитных.

    Незначительная магнитная восприимчивость характерна для метаморфических пород, происходящих из практически немагнитных осадочных (глинистые сланцы, филлиты, кристаллические сланцы, параамфиболиты, кварциты, парагнейсы, мрамор и др.) или из практически немагнитных магматических (гранитогнейсы и др.) пород.