Лабораторная работа № 4

Измерение магнитной восприимчивости горных пород

Цель работы

Изучение теории и методики измерения магнитной восприимчивости горных пород, ознакомление с лабораторными и полевыми индукционными приборами. Производство измерений на образцах горных пород и порошковых пробах.

Материалы и принадлежности

Измеритель магнитной восприимчивости ПИМВ-М; блок аккумуляторных батарей; образцы горных пород; микрокалькулятор.

Порядок проведения работы

1. Изучение устройства и принципа работы прибора.

2. Проверка технического состояния измерителя магнитной восприимчивости и выполнение серии измерений на различных образцах.

3. Оценка результатов, формулирование выводов.

Пояснение к работе

Магнитные свойства минералов и горных пород - это их способность намагничиваться во внешнем магнитном поле. По этим свойствам минералы подразделяются на диамагнетики (кварц, кальцит, полевые шпаты, самородное серебро, золото, флюорит и др.) и парамагнетики (железосодержащие силикаты, хлорит, слюды и др.). В группе парамагнетиков выделяют сильномагнитные минералы. Это ферромагнетики (самородное железо, никель и др.), антиферромагнетики (гематит, гётит и др.), и ферримагнетики (магнетит, титаномагнетит, магномагнетит, хромит и др.). Примесное содержание сильномагнитных минералов (главным образом ферромагнитных) в горных породах и определяет их магнитные свойства.

Характеристиками магнитных свойств являются магнитная восприимчивость (), намагниченность (I_s), точки Кюри (T_c) и Нееля (TN) и коэрцитивная сила (H_c). В точке Кюри происходит переход вещества из ферромагнитного в парамагнитное состояние, самопроизвольная намагниченность практически исчезает. Температура перехода вещества из антиферромагнитного в парамагнитное состояние называется температурой Нееля.

В практике геофизических работ в основном изучают показатель , который принято измерять в 10 ед. СИ, поскольку такой порядок имеют наименее магнитные породы. Для измерения  наибольшее распространение получил индукционный способ. Он основан на том, что при внесении магнитной среды или образца в рабочую область датчика (катушек, питаемых переменным током) изменяется поток магнитной индукции. Достоинство способа состоит в том, что он позволяет измерять  горных пород непосредственно, то есть остаточная намагниченность не оказывает влияние на результаты измерений. Приборы носят название каппометров. К современным приборам относятся ПИМВ-М, КТ-6 и др. Принцип работы этих приборов следующий (рисунок 6). Если расположить на концах Н-образного сердечника из листового пермаллоя 1 две пары одинаковых возбуждающих катушек 2, питаемых током I различного направления, то в индикаторной индукционной катушке 3, находящейся на перемычке магнитопровода, магнитный поток будет практически отсутствовать. При замыкании верхних концов магнитопровода образцом породы 4 магнитный поток, созданный верхними катушками, изменится в соответствии с магнитной восприимчивостью  образца породы.

Рисунок 6. Схема действия дифференциального магнитного моста измерителя магнитной восприимчивости

1 - листовой пермаллой, 2 - две пары одинаковых возбуждающих катушек, 3 – индикаторная индукционная катушка, 4 - образец породы, 5 – пластмассовый корпус

Блок–схема измерителей  изображена на рисунке 7. Возбуждающие катушки прибора питаются от генератора переменного тока заданной частоты f, который генерирует в индикаторной катушке ЭДС , пропорциональные магнитному потоку Ф.

Рисунок 7 Блок–схема измерителя магнитной восприимчивости

ПИМВ-М - полевой измеритель  горных пород в полевых условиях. Прибор измеряет частоты при размещении первичного преобразователя «в воздухе» и в момент, когда катушка преобразователя вплотную прикладывается  поверхности образца. По формуле (6) рассчитывается кажущаяся магнитная восприимчивость (_к):

_к = (6),

где F₀ - частота колебаний « в воздухе»; F - частота в присутствии магнитной среды; k - калибровочный коэффициент прибора; h - коэффициент определяемый пользователем.

Переход от значений _к к истинной () осуществляется посредством зависимости:

 = (7)

При значениях _к  0,1 ед. СИ можно считать, что  = _к

Питание прибора осуществляется от 4-х батарей типа «ААА» номинальным напряжением 6 В. Допустимая погрешность измерений ПИМВ находится в диапазоне 1*10 ÷1,0 ед. СИ (не более 10%). Прибор обеспечивает: 1) вычисление среднего значения измеряемой величины; 2) введение поправочного коэффициента (на размеры образца, диаметр керна и.т.д.); 3) передачу содержимого памяти во внешнее устройство с помощью интерфейса RS232C.

Назначение органов управления ПИМВ-М показано на рисунке 8.

Клавиша ВКЛ: Включение-Выключение;

Клавиша И: Измерение-Калибровка. Увеличение адреса при просмотре памяти;

Клавиша Р: Переключение режимов работы. Набор цифры в режиме изменения параметров. Включение передачи в режиме вывода информации на внешнее устройство;

Клавиша С: Запись метки. Подсчёт среднего значения. Уменьшение адреса при просмотре памяти;

Одновременное нажатие клавиш И + С: Установка и выход из режима измерения с записью.

Рисунок 8 Назначение органов управления ПИМВ-М

KT-6 - полевой измеритель  горных пород в полевых условиях (фирмы Satisgeo). Внешний вид соответствуют прибору ПИМВ-М (рисунок 9). КТ-6 позволяет измерить предельно низкое объемное содержание магнетита в горных породах и, таким образом, обнаружить самые незначительные количества магнетита. титаномагнетита. ильменита и пирротина. Передача данных из прибора на персональный компьютер осуществляется по последовательному каналу RS-232С.

Рисунок 9 Внешний вид прибора КТ-6

Максимальная чувствительность прибора KT-6 составляет 1x10^-5 единиц СИ или 0.8x10^-6 единиц СГС. Это позволяет прибору с высокой точностью измерять чрезвычайно слабую восприимчивость для надёжной идентификации осадочных горных пород и других минералов со слабой намагниченностью. Система снабжена функцией автоматического переключения диапазонов и позволяет без дополнительной настройки со стороны оператора измерять величины до 999x10^-3 единиц СИ. Органы управления: 2 кнопки – ИЗМЕРЕНИЕ и ВЫЗОВ ДАННЫХ. Источник питания: стандартная батарея 9 В. Продолжительность работы прибора 150.

Методические указания

Перед использованием приборы должны быть проэталонированы, т. е. должен быть выполнен их метрологический контроль. После эталонировки выполняют массовые измерения на образцах (в лаборатории или в кернохранилищах) или непосредственно на обнажениях (в горных выработках, карьерах и др.).

Измерения  почв проводятся на образцах порошковых проб. Необходимо знать, что в них химический состав ферримагнетиков довольно однообразный. Среди новообразованных абсолютно преобладают магнетит и маггемит. Магнитная восприимчивость магнетита–маггемита зависит от крупности частиц, возрастая с увеличением их размеров. Для фоновых территорий среднее значение магнитной восприимчивости составляет 20–40х10^-6 ед. СИ, а для фоновых городских территорий – 60х10^-6 ед. СИ. Для почв с различным химическим составом характерна своя ассоциация минералов, в том числе и ферромагнитных. При изменении физико-химических условий в почве происходят изменения минерального состава, что приводит к изменению суммарной магнитной восприимчивости. В понижениях рельефа, где происходит накапливание крупных частичек магнитных минералов, будет проявляться локальная магнитная аномалия по сравнению с возвышенностью, откуда происходит вымывание материала.

Порядок проведения измерений  на твёрдых образцах и порошковых пробах следующий:

1. Устанавливают прибор на немагнитную подставку так, чтобы она находилась на расстоянии не менее 0,5 м от металлических предметов и добиваются нулевых значений прибора на всех диапазонах.

2. Укладывают на плоскость датчика поочередно эталоны с различной магнитной восприимчивостью. Проверку показаний эталона и нулевого положения индикатора прибора повторяют несколько раз. По данным измерений определяют погрешность прибора _, % по формуле, аналогичной формуле (3):

_^ср = (8)

Результаты измерений и расчётов записывают в таблицу 8.

Таблица 8

Результаты метрологического контроля на эталонных материалах

№ п/п	Наименова- ние эталона	Размеры эталона (d, l), мм	этал, 10 ед. СИ	изм, 10 ед. СИ	i
1	2	3	4	5	6	7
1
2

Если _^ср соответствует нормативным требованиям, т. е. _^ср , прибор считают готовым к работе и приступают к производству массовых измерений.

3. Выполняют массовые измерения. Значения ( ) снимают с трех-шести сторон образца, т. к. распределение ферромагнетиков в образце (или массиве) может быть неоднородным. Результаты измерений записывают в журнал по форме таблицы 9.

Таблица 9

№ п/п	Наименование породы	Размеры (форма) образца	Магнитная восприимчивость 10 ед. СИ		Примечание
1	2	3	4	5	6
1					Наибольшая метрологическая погрешность составляет i = ± ___
2
3
4

Содержание отчёта

1. Титульный лист.

2. Краткое описание теории и методики измерений магнитной восприимчивости горных пород и почвогрунтов на образцах горных пород и порошковых пробах в лабораторных условиях.

3. Результаты технической проверки и метрологического контроля прибора и массовых измерений магнитной восприимчивости горных пород и почвогрунтов.

4. Выводы по лабораторной работе, сопровождаемые графическими построениями.

Контрольные вопросы

1. Назовите основные показатели магнитных свойств горных пород и единицы их измерения.

2. От каких факторов зависят магнитные свойства горных пород?

3. Охарактеризуйте устройство и принцип работы каппометров.

4. Как выполнить метрологический контроль прибора?

5. Особенности магнитной восприимчивости почв и приёмы их определения.