29 Основные магнитные свойсива гп

Все вещества с точки зрения их магнитных свойств подразделяются на три основные группы:

• Диамагнетики

(золото, серебро, медь, висмут, алмаз, ртуть, сера, свинец, графит, вода, почти все газы, кроме кислорода, кварц, полевые шпаты, кальцит, гипс).

• Парамагнетики

(платина, алюминий, вольфрам, все щелочные и щелочно-земельные металлы, кислород, воздух, доломит,).

• Ферромагнетики

(железо, кобальт, никель, некоторые редкоземельные металлы и сплавы).

В отличие от диа- и парамагнетиков для ферромагнетиков и являются не постоянными величинами, а функциями напряженности магнитного поля.

Диа- и парамагнетики до наложения на них магнитного поля не намагничены. Хотя каждая из элементарно движущихся частиц атомов (молекул или ионов) в них обладает собственным (спиновым) и орбитальным магнитным моментами. Магнитный момент атомных ядер, складывающийся из магнитных моментов протонов и нейтронов, очень мал.

Диамагнитныевещества в целом до действия поля не намагничены, т.к. структура их электронных оболочек симметрична, и поэтому спин-орбитальные моменты электронов скомпенсированы.Парамагнетики же обладают результирующим магнитным моментом, т.к. у их электронных оболочек внутренние (3dи 4f) энергетические подуровни не достроены и спин-орбитальные моменты электронов не уравновешены. Но в целом и парамагнетики до действия поля не намагничены, т.к. результирующие атомные моменты, имея любое пространственное направление, взаимно скомпенсированы.

Возникновение магнитного поля в веществе объясняется следующим образом. В магнитном поле электроны всех веществ приобретают дополнительные скорости вследствие прецессии (рис. 1). Она возникает в результате индукционного действия магнитного поля на электроны, и они приобретают добавочную угловую скорость, с которой их орбиты прецессируют вокруг внешнего поля.

Это ведет к появлению у диамагнетиков дополнительного магнитного момента, пропорционального напряженности магнитного поля по величине и противоположно направленному в соответствии с правилом Ленца, в результате их намагниченность отрицательна. У парамагнетиков магнитное поле ориентирует уже имеющиеся магнитные моменты диполей по направлению поля, в результате их магнитная восприимчивость положительна (рис. 2).

30 Магнитные свойства насыщенных горных пород

Твердая фаза. Обычно она состоит из смеси диа-, пара-, ферри- и реже ферромагнитных минералов; иногда представлена одним или двумя из этих минералов. Магнитные свойства этого компонента пород в основном зависят от содержания и распределения в его объеме ферри- и редко ферромагнитных минералов. Значения магнитной восприимчивости этой фазы пород изменяются от <-0,4-10^-5до 1 ед. СИ.

Жидкая фаза. Главные компоненты этой фазы пород — вода и нефть — диамагнитны. Для воды χ_в= 0,9- 10^-5ед. СИ, для нефтиχ_н= -1,04-10^-5ед. СИ, т. е. эти компоненты природных жидкостей практически не магнитны. Минерализация вод мало влияет на их магнитные свойства, так как обычные для них соли (NaCl,CaCl2,MgCl2 и др.) также диамагнитны и их магнитная восприимчивость невелика.

Газовая фаза. Эта фаза пород, представленная воздухом, еще слабее намагничивается и имеет меньшую восприимчивость по сравнению с жидкой фазой, и все ее компоненты, за исключением кислорода, диамагнитны.

Магнитная восприимчивость парамагнитного кислорода значительно выше, чем у других газов, а его содержание в воздухе по объему относительно велико, то воздух также является парамагнетиком, и его χ= 0,04-10^-5ед. СИ.

Очень незначительна и диамагнитная восприимчивость сухих углеводородных газов. Магнитная восприимчивость метана χ= -0,0008-10^-5ед. СИ, этанаχ= -0,0015-10^-5ед. СИ, пентана = -0,0003 ед. СИ.

Удельные значения магнитных свойств горных пород будут тем меньшье, чем выше коэффициент их пористости и меньше влажность. Однако многофазность пород влияет меньше, чем различия, связанные с неодинаковыми магнитными свойствами их твердой фазы, так как вклад последней в магнитные свойства этих сред несравненно выше. Вовсе не влияет многофазность пород на такую их характеристику, как точка Кюри.

Таким образом, у сухих пород большинство магнитных характеристик имеют меньшие значения, чем у влажных, и с ростом влажности увеличивается, но незначительно, их магнетизм.

Ферро- и ферримагнитные минералы встречаются здесь в виде зерен с эффективным диаметром от 0,01 до 2 мм; магнетитовые включения обнаруживаются также в зернах кварца тех же размеров. Кроме того, ферримагнетики оказываются в глинистой фракции этих пород в тонко рассеянном состоянии или в виде скоплений и пленок гидроокиси железа. Зерна их в этом случае изменяются от долей микрометра до нескольких десятков микрометров.

Магнитная восприимчивость глин сравнительно низка. Максимальные значения установлены у песчаников и алевролитов и они обусловлены относительно высокой концентрацией магнетита. Наименьшей магнитной восприимчивостью обладают известняки, доломиты, ангидриты, гипсы, каменная соль и угли.

У осадочных пород обнаружена очень слабая, но весьма стабильная естественная остаточная намагниченность. Она растет с увеличением содержания ферромагнитных минералов, в частности магнетита. Направление естественного остаточного намагничивания осадочных пород обычно мало отличается от направления современного геомагнитного поля. Однако встречаются породы, у которых ориентация векторов J_Vnне совпадает с ориентацией современного поля Земли, а иногда даже обратна этому направлению. Прямой связи междуJ_nи минеральным составом осадочных пород не обнаружено. Большие значенияJ_nобычны для осадочных бокситовых и железных руд, а малые - для известняков, доломитов, кварцевых песчаников, гипсов и доломитов. Для осадочных пород характерна анизотропия магнитной восприимчивости.