2 Дәріс. Магниттік барлау. Магниттік барлаудың физикалық, геологиялық негіздері.

Магниттік барлау – таужыныстардың әр түрлі магниттелуіне байланысты геомагниттік өрістің кеңістікте өзгерісін зерттейтін барлау геофизикасының әдісі.

Жердің магниттік әсері тарайтын кеңістік жердің магнит өрісі немесе геомагниттік өріс деп аталады.

Еркін ілінген магниттік стрелка Жер шарының кез-келген нүктесінде геомагниттік өрістің күші бағытын көрсетеді. Егер ол горизонталь жазықтықта орналасса, магниттік меридианмен бағыттас болады – компас қызметін атқарады. Жердің магнит өрісі таужыныстарды, әсіресе, минералдардағы ферромагнитті қоспаларды магниттейді, қозғалыстағы өткізгіштерде электр тогын тудырады және т.б. электрлік, магниттік құбылыстарға себеп болады.

Таужыныстардың көбісі магнитсіз немесе әлсіз магниттілерге жатады.

Таужыныстар мен рудалардыңдың жоғары магнителуі аномалиялы (қалыпты өрістен ауытқыған, өзгерген) магнит өрісін туғызады. Оларды зерттей отырып геологиялық денелердің контурын, пішіні мен өлшемдерін, орналасу тереңдігі және т.б. параметрлерін анықтауға болады. Қалыпты өріс бойынша аномалия көзін қоршаған ортаның (таужыныстардың) контурын анықтайды. Демек, таужыныстардың, минералдардың магниттік қасиеттерінің әр түрлі болуын магниттік барлаудың физикалық негізі, ал геологиялық құрылымдардың, денелердің, таужыныстардың заттық, минералдық құрамының бір-бірінен ерекшеленуін геологиялық негізі деп айтамыз.

Магниттік барлаудың мазмұны магнит өрісін өлшеуде және оны түсіндіруде.

Магнит өрісінің параметрлері.

Барлау геофизикасының магниттік әдісі Жердің магнит өрісінің ерекшеліктерін зерттеуге негізделген. Бұл өріс таужыныстардың магнетизмінен пайда болады.

Магнетизм – қозғалыстағы электрлік зарядталған бөлшектердің арасында пайда болатын материялық әсерлесудің бір формасы.

Кез-келген зат жекелеген элементтердің атомдарынан тұрады. Өз кезегінде атомдар ядродан және оны белгілі бір орбитамен айналатын электрондардан тұрады. Теріс зарядты электрон ядроны айналу кезінде орбиталық магнит моментін (µ₀), өз осімен айналғанда спиндік магнит моментін (µ_S) тудырады.

Магнит өрісі газ, сұйық, қатты күйдегі барлық заттарға тән.

Магнит массасы m ретінде екінші өзіне тең массаға 1 см ара қашықтықта 1 дина күшпен әсер ететін масса саналады.

Магнит полюстерінің әрқайсындағы магнит массасының m полюстар ара қашықтығына 2l көбейтіндісі магниттік момент М деп аталады.

М = 2·l·m (2.1)

Магниттік моменттің өлшем бірлігі – А·м².

Сыртқы өріс әсерінен магниттік моменттер онымен бағыттас болады. Бұл кезде зат магнителеді деп айтылады.

Заттың магниттелуі деп сол заттың көлеміндегі бөлшектердің магниттік моменттері сомасын айтады.

, (2.2)

мұндағы V – заттың көлемі, – заттың N бөлшектері магниттік моменттерінің векторлық сомасы, N – магниттік бөлшектер саны.

Магниттелудің өлшем бірлігі – А/м.

Магниттік барлауда магниттелу индукциялық _і және қалдық _r болып бөлінеді. Индукциялық деп магниттелудің затқа (таужынысқа) сыртқы өріс әсер еткенде пайда болатын, әсер ету тоқтатылғанда жойылып кететін түрін айтамыз. Қалдық деп магниттелудің сыртқы өріс әсер еткенде пайда болатын, ал әсер ету тоқтатылғанда сақталып қалатын түрін айтамыз.

Табиғи магнитке магнетит, ильменит сияқты минералдар жатады. Жасанды магниттер құрышты, темірді, никельді, кобальтті күшті магнит өрісінде ұстау арқылы немесе оларды келесі магниттерге тигізу арқылы жасалады.

Сырттан әсер етуші өріс пен дененің немесе ортаның магниттелу өрісінің қосындысы магнит индукциясы В деп аталады.

(2.3)

мұндағы μ₀ – магниттік тұрақты деп аталатын вакуумның абсолюттік өтімділігі;

СИ жүйесінде μ₀ = 4π ∙ 10^-7 Гн/м (Генри /метр); СГС-те μ₀ = 1, өлшем бірліксіз шама,

Т – сыртқы өріс кернеулігі.

Вакуумда В = μ₀ ∙ Т, табиғи ортада В = μ ∙ μ₀, мұндағы μ – салыстырмалы магнит өтімділігі. μ∙ μ₀ көбейтіндісі ортаның абсолюттік магнит өтімділігін сипаттайды.

В-ның СИ жүйесіндегі өлшем бірлігі – Тесла (Тл), СГС-те – Гаусс (Гс); 1 Гс = 10^-4 Тл. Магниттік барлауда оның қолданылатын өлшем бірлігі – нанотесла (нТл), 1 нТл = 10^-9 Тл.

Т сыртқы өрістің зарядқа әсер ететін тартылыс немесе итеру күшін білдіреді.

Оның өлшем бірлігі СИ жүйесінде – ампер/ метр (А/м); СГС-те – Эрстед (Э); 1А/м = 4π ∙ 10² Гамм; 1γ = 10^-2 мэ = 1∙ 10^-5 э; 1 мэ = 100 γ; 1 э = 1000 мэ= 100 000 γ (гамма)

Заттардың (таужыныстардың) сыртқы өрістер әсерінен магниттелу қасиеті магнит қабылдағыштық (магниттік қабілеттілік) (æ) деп атайды.

χ = , (2.4)

мұндағы æ – өлшем бірліксіз шама, 1 СГС бірлігі = 4π СИ бірлігі.

Магнит өрісінің күштік сипаттамасын магнит индукциямен де, өріс кернеулігімен де беруге болады.

Магниттің күштік сызықтары – бұл магниттік полюстардың, басқа әсерлер болмағанда, бойымен қозғалатын қисықтар.

Жердің магнит өрісі элементтері.

Жердің кез-келген нүктесінде кернеуліктің толық векторымен сипатталатын магнит өрісі болады. Егер магниттік стрелканы векторының бойымен салмағының ортасынан ілсек, горизонталь жазықтыққа проекциясы оның көлденең – , ал вертикаль жазықтыққа проекциясы тік құраушысы – деп аталады. векторы арқылы өтетін тік (вертикаль) жазықтық (ZOH) магниттік меридиан жазықтығы деп аталады (1 сурет).

векторы мен 0х осі арасындағы бұрыш магниттік бұрылу бұрышы D деп, - пен векторы арасындағы бұрыш магниттік иілу бұрышы I деп аталады. Егер бұрыш 0х осінен шығысқа ауытқаса D оң таңбалы, батысқа – теріс таңбалы. Егер стрелканың солтүстік ұшы төмен иілсе I оң, ал оңтүстік ұшы төмен иілсе I теріс таңбалы. ОХ - тың солтүстік, ал ОY – шығыс құраушысы болып табылады. , , , D, I – магнит өрісінің элементтері Т, D, I шамалары үшін абсолюттік өлшеулер жүргізіледі. Оларды қолданып қалған элементтердің шамалары есептеулер арқылы анықталады. Салыстырмалы өлшеулер кезінде, мысалы ΔZ немесе ΔH шамаларын, зерттеу ауданындағы кез-келген нүкте үшін ондағы абсолюттік мәнді белгілі бір нүктенің абсолютті мәнімен салыстыру (айырмасы) арқылы алады.

1 сурет. Жердің магнит өрісі элементтері.

Қалыпты және аномалиялы (ауытқыған) магнит өрістері.

Қалыпты геомагниттік өріс Т_Н біртекті магниттелу Т₀ , материктік (құрлықтық) Т_m , сыртқы Т_е өрістердің қосындысынан тұрады:

Т_Н = Т₀ + Т_m + Т_е (3.1)

Қалыпты өрістен ауытқыған магнит өрісі аномалиялы деп аталады. Өрістің аномалиялы бөлігі жер қабығының жоғарғы қабатының геологиялық құрылысы туралы мәліметтер береді. Аймақтық аномалиялар үлкен территорияны қамтиды және магниттік қасиеті ерекше таужыныстардан тұратын ірі құрылымдармен байланысты.

Өлшенген (бақыланған) шама Т қалыпты Т_н және аномалиялы Т_а бөліктерден тұрады:

Т = Т_н + Т_а (3.2)

Т аспап көмегімен өлшенсе, Т_Н қалыпты магнит өрісі карталарынан (қысқаша магниттік карталар) алынады.

Магниттік түсірілімдердің нәтижелері карталарға изолиниялар түрінде түсіріледі. D мәндері бейнеленген изолиниялар изогондар, I мәндері белгіленген изолиниялар изоклиндер, ал Z, Н және Т мәндері белгіленген изолиниялар изодинамдар деп аталады.

Магниттік карталар келесі мақсаттарда қолданылады:

• Т_а мәнін анықтау үшін;

• өрістің қалыпты градиентіне түзету енгізу үшін;

• зерттеу ауданындағы магнит өрісінен ондағы таужыныстар мен рудалардың магниттелуін бағалау үшін;

• өлшеу аспабын жұмысқа дайындау үшін.

Белгілі бір бағытта қалыпты өрістің ара қашықтыққы байланысты өзгеру жылдамдығы қалыпты өріс градиенті деп аталады.

Геомагниттік өрістің уақытқа байланысты өзгеруі магниттік вариация деп аталады Магниттік вариация түрлері:

1) ғасырлық – Жер ішінде болатын процестерге байланысты ( ядрода және оның сыртқы шекарасында), периоды 500-800 жыл, интенсивтілігі 100 нТл;

2) жылдық – бұл магнит өрісі кернеулігінің айлық орташа мәндерінің өзгерістері, амплитудасы 30 нТл;

3) тәуліктік – күннің активтілігінің өзгеруінен магнит өрісі кернеулігінің күнтәуліктік және айтәуліктік өзгерістері, периоды 1 тәулік, интенсивтілігі 10-15 нТл-дан 40-60 нТл-ға дейін.

4) магниттік борандар – периоды бірнеше сағаттан бірнеше тәулікке дейін, интенсивтілігі мың нТл-ға дейін.

Магнит өрісі элементтерінің ғасырлық өзгеруін (жүрісін) көрсететін изолиниялар картасы изопорлар картасы деп аталады.

Таужыныстардың магниттік қасиеттері.

Таужыныстардың магниттік қасиеттері магнит қабылдағыштықпен æ және қалдық магниттелумен J_r анықталады.

Магнит қабылдағыштық æ таужыныстың сыртқы өріс әсерінен магниттелу шамасын білдіреді және оның нәтижесінде индукцияланған магниттелу J_і орын алады.

æ (3.3)

шамалары таужыныстардағы ферромагнитті минералдардың мөлшеріне байланысты. СИ жүйесінде æ өлшем бірліксіз шама. Іс жүзінде оны 10^-5 СИ бірлігімен өлшейді. Әр түрлі таужыныстарда олар 0-ден 10-ға дейін СИ бірлігі аралығында өзгереді.

Барлық заттар (минералдар) магниттік қасиеттері жағынан 3 топқа бөлінеді:

- диамагнетиктер ( æ < 0, μ < 1). Оларға металдар – алтын, висмут, цинк, мыс, минералдар – фосфор, күкірт, галит, гипс, галенит және т.б.

- парамагнетиктер ( æ > 0, μ > 1). Оларға платина, гранаттар, турмалин, мусковит, сульфидтердің көпшілігі.

- ферромагнетиктер ( æ ≥ 0, μ < 1). Оларға магнетит, титаномагнетит, гематит, маггемит, пирротин, гетит жатады.

Магнит қабылдағыштық таужыныстардың үлгілерінде және олардың табиғи орналасқан жерінде өлшенеді. Өлшеу жұмыстары астатикалық магнитометрлермен, каппаметрлермен жүргізіледі. æ – ны өлшеу нәтижелері статистикалық негізделген болу үшін бірнеше ондаған үлгілерде жүргізілуі тиіс.

Қалдық магниттелу J_r – магнит қабылдағыштықтың æ сыртқы өріс пен температураға байланысты өзгерісі туралы мәлімттер беретін өзгеше параметр.

Қалдық магниттелуді куб немесе цилиндр пішінді 2 - 5 см үлгілерде өлшейді. Ол үшін үлгіні кеңістікте (х,у,z) бағыттап, оған компас бойынша белгі қойылады. J_r өлшеуге астатикалық немесе жоғары өткізгішті СКВИД-магнитометрлері қолданылады.

Магнит өтімділік μ=1+4πæ, ферромагнетиктерден басқа барлық таужыныстарда, ауаның магнит өтімділігіне тең.

Магниттік деңгейі бойынша рудалар мен таужыныстар шартты түрде келесі топтарға бөлінеді:

- магнитсіз, æ < 50 ∙ 10^-6;

- әлсіз магнитті, 50<æ< 1000∙ 10^-6;

- орташа магнитті, 1000∙ 10^-6<æ< 5000∙ 10^-6;

- күшті магнитті, æ > 5000∙ 10^-6.