8.6 Петромагнітні методи

Магнетизм (магнетизм - властивість порід намагнічуватись в магнітному полі, змінювати його та, інколи, зберігати намагнічений стан після припинення дії поля) проявляється при взаємодії двох намагнічених зразків, або при взаємодії намагніченого зразка та провідника, по якому тече струм. Магнетизм порід залежить від їх генезису, умов утворення та існування. Магнітні властивості змінюються при зміні тиску і температури, адже при цьому змінюється не тільки структура породи але і її мінеральний склад. Теорія магнетизму, методика виміру магнітних параметрів, характеристика намагніченості мінералів і гірських порід розглянуті в багатьох роботах, а петромагнітні методи є найуживанішими в практиці геологічних досліджень.

У речовині, розміщеній у магнітному полі, з’являється внутрішнє магнітне поле, що накладається на зовнішнє (намагнічуюче). Мірою намагнічування речовини є її намагніченість, яка є функцією напруженості зовнішнього поля (H) і чисельно дорівнює магнітному моменту одиниці об’єму (J) чи маси (I). Для парамагнетиків зв’язок між цими параметрами в широкій області полів носить лінійний характер: J=æH. Коефіцієнт пропорційності æ називається об’ємною магнітною сприйнятливістю, він пов’язаний з відносною магнітною проникністю () співвідношенням =1+æ. В феромагнетиках æ та  складним чином залежать від напруженості поля.

Магнітні властивості атомів обумовлені рухом електронів, які, одночасно з обертанням навколо своєї осі (спіновий рух) здійснюють також рух по орбіті навколо позитивно заряджених ядер (орбітальний рух). Обидва види руху еквівалентні круговому струмові, який створює магнітний момент. Зовнішнє магнітне поле взаємодіє з магнітними полями атомів, у результаті чого виникає додатковий момент, який або збігається із напрямком зовнішнього поля, або протилежний йому (діамагнетики).

Сприйнятливість діамагнітних речовин негативна, тобто наведені магнітним полем магнітні моменти послабляють його. Сприйнятливість парамагнітних речовин позитивна, і магнітні моменти посилюють зовнішнє поле. Серед парамагнітних речовин виділяється особлива група речовин, що називаються феромагнітними. Внаслідок особливості будови внутрішніх електронних орбіт у речовин цієї групи взаємодія між атомами настільки велика, що магнітні моменти всіх атомів навіть при відсутності зовнішнього магнітного поля розташовуються паралельно, оскільки сили, що зумовлюють взаємодію атомів (обмінні сили), при температурах нижчих критичної, виявляються сильнішими за дезорієнтуючий тепловий рух. Магнітні моменти групи атомів, орієнтуючись паралельно, утворюють елементарні обсяги (домени), характерною рисою яких є їх самочинна (спонтанна) намагніченість, яка не залежить від величини зовнішнього магнітного поля. Межі між доменами можуть зміщуватись під дією зовнішнього магнітного поля, а їх намагніченість поступово переорієнтовується в напрямку прикладеного поля.

Намагніченість, яка зникає з припиненням дії на речовину поля Н, одержала назву індукованої J_i. Намагніченість, що залишається і після зменшення поля до нуля, називається залишковою – J_n. Для приведення залишкової намагніченості феромагнетику до нуля необхідно прикласти деяке обернене за напрямком поле. Величина цього поля називається коерцитивною силою Н_C і є мірою стабільності залишкової намагніченості. Однодоменні частки мають найбільш яскраво виражену властивість зберігати залишкову намагніченість. За інших рівних умов залишковий ефект виявляється тим сильніше, чим більшу кількість однодоменних часток містить зразок. Водночас, магнітна жорсткість зменшується для часток розмір яких значно менший за однодоменні. Такі ультрадрібні частки, які не спроможні зберігати залишкову намагніченість навіть декілька секунд, називаються суперпарамагнітними.

Намагніченість феромагнетиків нелінійно залежить не тільки від зовнішнього поля, але і від додаткових чинників - часу, температури, механічних напруг тощо. До зменшення спонтанної намагніченості призводить підвищення температури - при визначеній температурі, названій температурою Кюрі (Т_C), у феромагнетику відбувається порушення орієнтації спінових моментів, і в подальшому феромагнетик поводиться як парамагнетик.

Залишкова намагніченість, яка виникає у феромагнетику при короткочасній дії зовнішнього поля і постійній температурі, називається нормальною (J_r). Феромагнетик, нагрітий вище температури Кюрі і що охолоджуваний в постійному магнітному полі, набуває повну термозалишкову намагніченість (J_rt). Якщо температура, до якої нагрівався феромагнетик, була нижчою температури Кюрі, то в ньому утвориться при охолодженні парціальна, або часткова термонамагніченість (J_rtp). Одночасний вплив постійного і змінного поля призводить до виникнення у феромагнетику ідеальної, або безгістерезисної намагніченості (J_ri). Існують також динамічна залишкова намагніченість (J_rd), обумовлена короткочасними, але періодично повторюваними напругами (наприклад, ударами); п’єзозалишкова намагніченість (J_rp), що виникає під дією постійної за величиною і напрямком механічної напруги; в’язка залишкова намагніченість (J_rv), пов’язана з релаксаційними процесами у феромагнетику. Якщо в процесі хімічних перетворень утвориться феромагнетик, на який протягом усього часу кристалізації діє магнітне поле, то така залишкова намагніченість називається хімічною J_rc.

З різноманітних видів залишкової намагніченості (при постійній Н), найбільшою за величиною і найбільш стабільною відносно будь-яких наступних впливів є термонамагніченість (J_rt). Величина і стабільність інших видів залишкової намагніченості залежить від змінного поля, динамічних напруг, часу дії постійного поля і т.п. Під дією дуже сильного постійного магнітного поля у речовині виникає намагніченість насичення (J_S) - граничний розмір намагніченості, що отримується цією речовиною. Залишкова намагніченість, що зберігається у феромагнетику після зменшення поля Н до нуля, називається залишковою намагніченістю насичення (J_rs). Діа- і парамагнітні речовини, на відміну від феромагнітних, ніякої залишкової намагніченості надбати не можуть. Залишкова намагніченість не зберігається також у згаданих вище суперпарамагнітних частках феромагнетику.

При намагнічуванні феромагнетиків відбувається пружна деформація кристалічної гратки, обумовлена зміною магнітної взаємодії між атомами. У випадку позитивної магнітострикції (магнітострикція - зміна форми й об’єму феромагнетику при його намагнічуванні), тобто при збільшенні розмірів кристала в процесі намагнічування, вплив механічного навантаження призводить до збільшення намагніченості. При негативній магнітострикції вплив механічного навантаження обумовлює зменшення намагніченості в заданому зовнішньому полі. У деяких матеріалах, наприклад залізі, магнітострикція може змінювати знак: у малих полях вона позитивна, у сильних - негативна.

Таблиця 8.22 – Основні петромагнітні параметри

Параметр, індекс	Визначення	Одиниця вимірювання (СІ)
Намагніченість, J	Магнітний момент одиниці об’єму	Ам-1
Питома намагніченість, I	Магнітний момент одиниці маси	Ам2кг‑1
Магнітна сприйнятливість, æ	Спроможність речовин змінювати свій магнітний момент під дією зовнішнього магнітного поля	б/р
Питома масова магнітна сприйнятливість, 	Спроможність одиниці маси речовини намагнічуватися під дією зовнішнього магнітного поля	м3кг‑1
Абсолютна магнітна проникність, а	Здатність речовини концентрувати в собі силові лінії зовнішнього магнітного поля.	Гн/м
Відносна магнітна проникність, 	Характеристика зростання сили магнітної взаємодії електричних струмів при перенесенні їх із вакууму в дане середовище	б/р
Намагніченість насичення, JS	Максимальна намагніченість, що виникає в речовині під дією сильного магнітного поля	А/м
Індукована намагніченість, Ji	Намагніченість утворювана зовнішнім магнітним полем, що зникає після припинення його дії	А/м
Залишкова намагніченість, Jr	Намагніченість, утворювана зовнішнім магнітним полем, що зберігається після припинення дії поля	А/м
Природна намагніченість, Jn	Залишкова намагніченість, утворювана давнім або сучасним полем Землі	А/м
Термозалишкова намагніченість, Jrt	Залишкова намагніченість сформована при остиганні зразка в постійному магнітному полі	А/м
Хімічна залишкова намагніченість, Jrc	Залишкова намагніченість утворена при мінеральних перетвореннях в постійному магнітному полі	А/м
В’язка залишкова намагніченість, Jrv	Залишкова намагніченість, що виникає внаслідок релаксаційних процесів (в постійному магнітному полі)	А/м
П’єзонамагніченість, Jrp	Намагніченість, що виникає внаслідок пружних деформацій у постійному магнітному полі	А/м
Коерцитивна сила, НC	Величина магнітного поля, необхідна для повного розмагнічування феромагнетику	А/м
Температура (точка) Кюрі, ТC	Температура, вище якої феромагнітний стан змінюється парамагнітним	K
Параметр (чинник) Кенігсбергера, Q	Відношення залишкової намагніченості до індукованої	б/р