1. Вопрос.

10.2. Упругие и пьезоэлектрические свойства горных пород и сред

Основными упругими параметрами горных пород принято считать скорости продольных и поперечных волн и их поглощения, которые определяются упругими модулями и плотностью.

10.2.1. Скорости распространения упругих волн в различных горных породах.

Скорости распространения упругих волн являются определенным диагностическим признаком горной породы. Методы их определения делятся на лабораторные (измерения на образцах), скважинные (сейсмические и акустические наблюдения в скважинах), полевые (расчет скорости в результате интерпретации данных сейсморазведки).

Скорости распространения волн определяются составом, строением и состоянием горных пород, которые, в свою очередь, зависят от гранулометрического и минерального состава твердых частиц, глубины залегания, возраста пород, степени метаморфизма, плотности, пористости, трещиноватости, разрушенности, выветренности, водонасыщенности, нефтегазонасыщенности и других факторов.

Наименьшими скоростями обладают рыхлые сухие пески (0,5 - 1 км/с), нефть (~1,2 км/с), вода (~1,5 км/с), глины (1,3 - 3 км/с), уголь (1,8 - 3,5 км/с). Большие скорости (3 - 6 км/с) у скальных осадочных пород (известняки, мрамор, доломит, соль и др.). Самые большие (4 - 7 км/с) - у изверженных и метаморфических пород.

Все остальные факторы, которые делают породу более массивной, сцементированной, консолидированной - например, водонасыщенность, замерзание, степень метаморфизма - делают больше. С увеличением раздробленности, трещиноватости, рыхлости, пористости (при заполнении пор воздухом или газом) уменьшается. Нефтенасыщенные породы по мало отличаются от водонасыщенных. Для сильно рассланцованных пород характерно различие скоростей в разных направлениях (анизотропия): у них скорость на 10 - 20 % больше вдоль, чем вкрест напластования. Чем больше абсолютный возраст пород и глубина залегания, тем больше скорость. Для осадочных пород известна следующая эмпирическая формула зависимости скорости от этих факторов , где - коэффициент пропорциональности.

Скорости распространения поперечных волн меньше, чем продольных. Отношение меняется для разных пород: от 1,3 - 1,6 (для высокопористых газонасыщенных), к 1,5 - 2 (для сцементированных скальных или водонефтенасыщенных) до 2 - 3 (для рыхлых плохо сцементированных типа лессов, песков, глин). Этим отношением определяется коэффициент Пуассона.

2.Вопрос.

Остаточная намагниченность. Если вы внесете такой минерал в магнитное поле (или он будет кристаллизоваться, остывать, осаждаться и т.п. в магнитном поле), то он намагнитится, т.е. приобретет в зависимости от своей восприимчивости определенный магнитный момент или намагниченность (магнитный момент единицы объема материала). Это происходит с большинством веществ, но их восприимчивость очень мала (примерно в 10000 раз меньше, чем у магнетита) и соответственно они намагничиваются очень слабо. Если теперь магнитное поле "убрать", то обычный материал полностью потеряет свой намагниченность, его магнитный момент окажется равным нулю, тогда как ферромагнитный* материал останется намагниченным. Сохранившаяся в нулевом поле часть намагниченности называется ОСТАТОЧНОЙ НАМАГНИЧЕННОСТЬЮ. Дело в том, что в ферромагнетике* до внесения в магнитное поле существуют участки собственной СПОНТАННОЙ намагниченности, так называемые ДОМЕНЫ. Эти домены расположены в "размагниченном" состоянии ферромагнетика так, что их суммарная намагниченность равна нулю. Под действием внешнего магнитного поля часть доменов, направление намагниченности которых близко направлению внешнего поля, увеличиваются за счет "поедания" соседних доменов. С ростом поля идет не только "поедание" соседей, но и поворот направлений магнитных моментов доменов и, в конечном счете, весь материал оказывается намагничен как один домен - это состояние НАСЫЩЕНИЯ. Дальше поле сколько не увеличивай общая намагниченность остается постоянной - это НАМАГНИЧЕННОСТЬ НАСЫЩЕНИЯ. Она равна сумме спонтанных намагниченностей всех доменов материала. То-есть, строго говоря, ферромагнетик не намагничивается, а только перемагничивается.

Процесс намагничивания необратим, при снятии внешнего поля прежние границы доменов полностью не восстанавливаются, в результате намагниченность магнитного материала уже не будет равна нулю, появится та самая ОСТАТОЧНАЯ намагниченность (явление МАГНИТНОГО ГИСТЕРЕЗИСА).

Эффект остаточной намагниченности лежит в основе магнитной памяти. Но появления остаточной намагниченности далеко недостаточно, чтобы "помнить", нужно СОХРАНЯТЬ запоминаемый образ длительное время. Как показали экспериментальные и теоретические исследования, остаточная намагниченность таких минералов как магнетит, гематит, особенно мелких зерен с разными структурными дефектами, обладают высокой магнитной стабильностью, т.е. способностью сохранять длительное время вплоть до миллионов и даже миллиардов лет свои величину и направление. Причем состояние зерен, а, следовательно, и стабильность остаточной намагниченности очень чувствительна к условиям образования магнитных минералов (температура, давление, окислительные условия).

ИЗУЧЕНИЕ ВЯЗКОЙ ОСТАТОЧНОЙ НАМАГНИЧЕННОСТИ. Выше мы выяснили, что остаточная намагниченность - это та часть намагниченности ферромагнетика, которая остается после прекращения действия внешнего магнитного поля. У стабильных (их еще называют магнитно-жесткими) ферромагнитных материалов намагниченность, созданная любым способом, особенно при кристаллизации или остывании минерала с высоких температур, в нулевом магнитном поле со временем меняется незначительно, а например у таких жестких минералов как гематит практически не меняется. Если ферромагнитный минерал менее жесткий, как например крупнокристаллический магнетит, в нулевом поле остаточная намагниченность несколько уменьшается. Происходит так называемое остаривание. Через некоторое время величина остаточной намагниченности практически стабилизируется. Такое уменьшение намагниченности ПРОПОРЦИОНАЛЬНО ЛОГАРИФМУ ВРЕМЕНИ (коэффициент пропорциональности зависит от состава, структуры магнитного минерала, температуры и других внешних условий). Если теперь поместить образец вновь в постоянное магнитное поле, то с течением времени он дополнительно намагнитится параллельно внешнему полю на величину, пропорциональную логарифму времени. Эта приобретенная величина называется ВЯЗКОЙ.

Замечательное свойство вязкой намагниченности изменяться строго пропорционально логарифму времени может быть использовано в геохронологии. Так как вязкая намагниченность образуется в постоянном поле и значительные изменения его величины и направления существенно скажутся на закономерности роста вязкой намагниченности, то использовать ее для геохронологии имеет смысл только после последней инверсии магнитного поля, т.е. примерно для последнего полумиллиона лет. Метод не будет точен, так как и позднее магнитное поле заметно менялось по величине и направлению, что известно по результатам палеомагнитного изучения археологических объектов (обожженные изделия, кирпичи, очаги и т.п.). При осереднении данных за несколько сотен лет для последних тысячелетий, и за несколько тысяч лет для более древних эпох, результаты должны быть достаточно точными. Определение возраста по вязкой намагниченности для времени древнее нескольких десятков тысяч лет важно для четвертичной геологии, например для Северо-Востока СССР - края богатых четвертичных россыпей золота, и особенно ценно из-за того что пока не существует другого надежного метода определения такого возраста, так как радиоуглеродный метод годится примерно до 50000 лет, а другие радиоизотопные методы наоборот грубы для этого времени. Есть первые попытки определения возраста четвертичных образований по вязкой намагниченности осадков (Г.И.Гончаров, А.Н.Храмов), галек (Б.В.Гусев), эффузивов (Л.Е.Шолпо), о которых авторы рассказали на недавно прошедшей YI Всесоюзной конференции по постоянному магнитному полю и палеомагнетизму.