Лекция 2 магнитные свойства горных пород

2.1 Основы теории магнетизма. Магнетизм минералов

2.1.1 Общие сведения о магнетизме

Магнетизм – свойство пород намагничиваться в магнитном по­ле, изменять его и иногда сохранять намагниченное состояние после прекращения действия поля.

Взаимодействие между проводниками с током, т. е. взаимодействие между движущимися электрическими зарядами, называют магнитными. Причиной возникновения сил магнитного взаимодействия является магнитное поле, которое появляется вокруг проводника с током. Магнитное поле, как и электрическое, является частным проявлением единого электромагнитного поля.

Характерной, отличительной особенностью электрического поля является его способность действовать на неподвижные заряды. Главное свойство магнитного поля заключается в том, что оно действует на движущиеся заряды (электрический ток). Неподвижные заряды не создают магнитного поля. Только движущиеся заряды и постоянные магниты создают магнитное поле.

В результате намагничивания любой объем породы приобретает магнитный момент. Магнетизм проявляется при взаимодействии двух намагниченных образцов пород или образца породы и проводника, по которому течет ток; его определяют концентрация и распределение 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 ее структура, но и минеральный состав.

Магнитные свойства горных пород описываются несколькими параметрами, среди которых для интерпретации геофизических данных наибольший интерес представляют магнитная восприимчивость , магнитная проницаемость  и вектор намагниченности горных пород J.

Мерой намагничивания служит вектор намагниченности вещества J. Он равен векторной сумме всех магнитных моментов М_м молекул, заключенных в единице объема вещества:

.

(2.1)

Намагниченность зависит как от величины намагничивающего поля, так и от магнитной восприимчивости , характеризующей способность материалов намагничиваться под воздействием магнитного поля:

,

(2.2)

где Н – вектор напряженности существующего магнитного поля, внешнего по отношению к веществу, А/м.

Магнитная восприимчивость является безразмерной величиной, магнитную восприимчивость горных пород принято измерят в 10^-5 ед. СИ; именно такой порядок значений имеет  у наименее магнитных пород.

Напряженность суммарного магнитного поля, т. е. сумма напряженностей намагничивающего поля и внутреннего поля, возникающего под действием намагничивающего поля, называется магнитной индукцией (или плотностью магнитного потока). Магнитная индукция В определяется по формуле:

.

(2.3)

Способность породы намагничиваться можно характеризовать с помощью другого магнитного параметра – магнитной проницаемости.

Магнитная проницаемость показывает, во сколько раз увеличилось магнитное поле в результате намагничивания среды. Различают абсолютную и относительную магнитные проницаемости.

Абсолютная магнитная проницаемость вещества характеризует связь между индукцией и напряженностью в любой среде и определяется по формуле:

.

(2.4)

Для характеристики магнитной проницаемости вакуума используется величина магнитной постоянной ₀. В СИ ₀=410^-7 Гн/м.

Относительная магнитная проницаемость вещества  характеризует отношение абсолютной проницаемости к магнитной постоянной:

.

(2.5)

Магнитная восприимчивость и относительная магнитная проницаемость связаны между собой соотношением:

.

(2.6)

Намагниченность горных пород J слагается из вектора остаточной намагниченности J_n и вектора индуцированной намагниченности J_i:

.

(2.7)

Остаточная естественная намагниченность приобретается породами в предшествующее время в отличие от индуцированной намагниченности, которая вызвана действием современного нормального геомагнитного поля.

Породы, в которых направление вектора J_n совпадает с современным магнитным полем Земли, называются нормально намагниченными. В течение геологической истории направление магнитного поля Земли неоднократно менялось на обратное, т. е. происходило изменение знака магнитного момента Земли. Число таких инверсий только за последние 500 млн. лет (с начала палеозоя) превышает 1000, а поворот вектора напряженности геомагнитного поля занимает около 10⁴ лет. Породы, образовавшиеся во время инверсий, имеют обратную по сравнению с современной намагниченность. По наблюдениям прямой и обратной намагниченности горных пород проводится корреляция вулканогенных и осадочных пород по границам, разделяющим породы прямо и обратно намагниченные.