petrophysics2004

ти доменов, у которых это изменение не сопровождается: преодоле­

нием значительных энергетических барьеров. Нормальная: намагни­

ченность получается:, например, у осадочной породы в современном

геомагнитном поле (Не=40 А/м).

Кроме нормальной, различают и д е а ль н у ю и т ер м о н а м а г­ нИ ч е н н о с т ь. Идеальная: намагниченность наблюдается: при совме­

стном действии постоянного и переменных магнитных полей с амп­

литудой, изменя:ющейся: от полей насыщения: до нуля:. Термонамагниченность обычна для: пород, нагретых до температу­

ры выше точки Кюри и остывающих до нормальных температур в по­ стоянном магнитном поле. При этом возникаетнаиболее значительная: остаточная: намагниченность Jvтt пород, так какпри высокихтемпера­

турах в условияхнезначительных механических напряжений ориен­

тируется: наибольшее число векторов намагниченности доменов По

полю, направление которых после остывания: пород закрепляется:.

Для: этого процесса максимальны также объемная: магнитная: вос­ приимчивость ret, относительная: остаточная: намагниченность Jvтtf Jv и относительная: коэрцитивная: сила HctfH8 или ее абсолютное значе­ ние Hct при одинаковой остаточной намагниченности.

Магнитная: восприимчивость ферромагнетиков при напряженно­ сти поля:, близкой к нулю, постоянна, затем она возрастает, достиг­

нув максимума, в дальнейшем уменьшается:.

Большинство сильно магнитных минералов, имея: близкие к фер­

римагнетикам магнитные свойства, значительно отличаются: от пос­ ледних по магнитной структуре и относятся: по этому признаку косо­

бой группеферримагнетикам.

В кристаллах ферримагнетиков векторы намагниченности обра­

зуют две группы; в группах векторы намагниченности параллельны,

а у различных группантипараллельны. Так как результирующие

магнитные моменты групп не равны (рис. 75), возникает значитель­ ная: собственная: намагниченность ферримагнетиков.

Свойствами ферромагнетиков обладают ферромагнитные титана­ магнетиты, слабоферромагнитныегематит, гидроксидыжелеза (гетит, ГИдрогетит и лепидокрокит), сидерит, такие ферриты, как магrемит, треволит, я:кобсит, франклинит, магнезиоферрит, гемоильмениты(ред­ кие разности антиферромагнитные со слабым ферромагнетизмом), а

190

также сульфоферритыпирротик (некоторые разности его), валле­ рит, кубанит.

Магнетит имеет большую восприимчивость (от 1,25 до 25 ед. СИ),

намагниченность насыщения около 490·103 А/м, точку Кюри около

576 ·с.

Длякубических монокристаллов магнетита обычна магнитная ани­

зотропиянамагничивание происходит легче всего по оси диагонали

куба и наиболее трудно в направлении его ребер. В направлении диа­ гоналей границкуба намагниченность имеетпромежуточноезначение.

Магнитные свойства ферромагнитных минералов зависят и отве­ личины их зерен. Например, магнитная восприимчивость гематита уменьшается с повышением их дисперсности. Последнее объясняет­

ся снижением числа доменов в зернах при уменьшении их размеров.

По той же причине с уменьшением размеров зерен коэрцитивная сила

возрастает.

Совместное действие магнитного поляи механических напряжений, так же как и температуры, оказывает большое влияние на значения магнитных характеристик пород. В магнитном поле образцы ферри-и ферромагнитных минералов могут иметь как положительную, так и отрицательнуюмагнитострикциюотносительное удлинение образ­ ца при его намагничивании. С ростом растягивающей нагрузки намаг­ ниченность магнитных минералов с положительной магнитострикци­ ей (например, магнетита) увеличивается, а ферромагнитных минера­ лов с отрицательной магнитострикцией уменьшается.

Магнитная восприимчивость минералов изменяется под действи­

ем одноосного сжатия. Титанамагнетиты при одноосном давлении

10з МПа и намагничивающем поле 800 А/м имеют re почти в 6 раз

меньшую, чем при атмосферном давлении, а при Н= 1700 А/м - в 7 раз. Значения re магнетита при тех же давлении и намагничиваю­ щих полях уменьшаются соответственно в 4, 5 и 6 раз. При значи­ тельных нагрузкахre магнетита стабилизируетсяине зависитот поля. Изменение re под действием одноосного давления р объясняют вра­ щением векторов Jvтs доменов.

Изотермическая остаточная намагниченность минералов, возни­ кающая в постоянном поле, также падает при их погружении. Почти

все виды остаточного намагничивания минералов гематита, магнети­

та, титанамагнетитов и т.д. уменьшаются под действием всесторон­

него давления.

Стабильность изотермической,"термаостаточной удельной намаг­

ниченкостей при изменении давления различна, наиболее стабильна

термоостаточная.

Из-за их различной стабильности поддавлением может изменять­

ся направление суммарной намагниченности, возможно также изме­

нение знака остаточной намагниченности. Увеличение давленияобыч­ но понижает способность минералов к намагничиванию.

Влияниедавленияуменьшается, когда минералыприобретаюттем­ пературу, соответствующуюточкеКюри. Приэтойтемпературеумень­

шаются также намагниченность насыщения и коэрцитивная сила.

191

х.,1о-6 ед.СИ

оо

Рис. 76. Зависимости магнитной восnриимчивости с от темnературы Т.

Кривые типа: а -обычного обратимого; б- обычного необратимого; в- необычного обратимого; г - необычного необратимого. 1 - нагрев; 2 - охлаждение.

192

Если минерал устойчив к намагничиванию (магнетит), то x=f(T)

первого нагревания магматических пород, где он находится, не отли­

чаются от тех же кривых при повторных нагревах (рис. 76, а), что нельзя: сказать о кривых Х= f(T) для тех же породснеустойчивыми к нагреванию ферро- и ферримагнетиками (титаномагнетит, маггемит,

пирротин) (рис. 76, б).

Антиферромагнетики при Н=О не имеют результирующего маг­

нитного момента, но магнитные моменты соседних атомов в их крис­

таллах антипараллельны. Такое расположение моментов обусловле­ но отрицательным обменным взаимодействием, наблюдающимся, когда атомы сближаются между собой значительнее, чем у ферро­ магнетиков (рис. 64, б). Из-за большой общности магнитных свойств антиферромагнетики и парамагнетики относятся к парамагнитным

веществам.

Твердая, жидкая и газовая фазы [1]. Т в ер д а я ф а за. Обычно

состоит из смеси диа-, пара-, ферри-и реже ферромагнитных мине­ ралов; иногда представлена одним или двумя из этих минералов. Маг­ нитные свойства этого компонента пород в основном зависят от со­

держания и распределения в его объеме ферри- и редко ферромаг­

нитных минералов. Значения re изменяются от -0,4 ·10-5до 1 ед. СИ.

Ж и д к а я фа за. Вода и нефть диамагнитны (для воды x=re=0,9·1o-5 ед. СИ, а длянефти х=-1,04·10-5 ед. СИ), т.е. эти ком­

поненты природных жидкостей практически не магнитны. Минера­ лизация вод мало влияет на их магнитные свойства, так как обычные

для них соли (NaCl, CaCI2, MgC12 и др.) также диамагнитны.

Г а зов а я фа за. Эта фаза пород, представленная воздухом, еще слабее намагничивается и имеет меньшую восприимчивость по срав­

нению с жидкой фазой, и все ее компоненты, за исключением кисло­

рода, диамагнитны.

Поскольку магнитная восприимчивость парамагнитного кислоро­

да значительно превосходит re других газов, его содержание в возду­

хе по объему относительно велико, а re очень мала (0,17 ·10-5 ед. СИ),

то воздух также является парамагнетиком, и его re= 0,04 ·10-5 ед. СИ. Очень незначительна и днамагнитная восприимчивость сухих угле­

водородных газов.

8.1. МАГНИТНЬIЕ СВОЙСТВА ОСНОВНЬIХ ТИПОВ ПОРОД

8.2.1. Магматические породы

Магнитные свойства магматических пород определяет магнетизм их твердой фазы. Высокую и повышенную магнитную восприимчи­ вость этого компонента объясняют наличием в его составе магнетита,

гематита, минералов титаномагнетитовой и гемоильменитовой серий.

Важнейшими из них являются магнетит, титанамагнетиты и гемо­ ильмениты [1, 6].

Интрузивные породы. Сравнение свойств ферромагнетиков в кис­

лых, средних и основных породах показывает, что: 1) удельная маг­

нитная восприимчивость их возрастает с увеличением размеров зе-

реи; 2) приведеиная к одинаковому размеру зерен начальная удель­ ная магнитная восприимчивость тем больше, чем меньше в этих ми­

нералах окиси титана.

Для интрузивных комплексов магнитные свойства обусловлены

как ферри-, так и парамагнитными минералами.

Маrnитная восприимчивость магматических пород варьирует от де­

сятков до сотен тысяч (n ·105) долей единицы СИ. Широкие пределы из­

менения re определяются в основном составом первоначал~ных распла­

вов, термобарическими и окислительно-восстановительными условия­ ми происхождения и жизни пород и обусловливают их значительную дифференциацию по индуцированной и остаточной намагниченности.

Средние значения re возрастают от кислых к основным и ультра­

основным породам (табл. 15) [6].

Основные и средние породы фаз внедрения отличаются во всех

интрузивных комплексах различных формации более высокой re, чем последующих фаз. Это связано с ростом кислотности пород от фазы к

фазе (слабомагнитные комплексы), либо также с уменьшением содер­ жания ферримагнетиков. Однако породы с одинаковой основаостью (в частности, кислые) могут быть от сильнодо слабомагнитных.

Эффузивные породы. Быстрая скорость остывания эффузивных пород обусловливает наличие в них не только магнетита, но и тита­ номагнетитов, особенно в основных породах. Титаномагнетиты Fe3_

.rTi.r04 при О<х<1 и окисленные катион-дефицитные титаномагне­

титы (титаномаггемиты) (FeТi.r)04 являются главными легко намаг­

ничивающимися минералами эффузивных пород основного состава

(базальты, диабазы и др.) как континентального, таки глубинного оке­

анического происхождения.

Различный размер зерен, их неоднородное распределение опре­ деляют большой разброс магнитных характеристик.

Коэрцитивная сила, естественная остаточная намаrниченность

и точки Кюри. К о эр ц и т и в н а я с и л а магматических пород из­

меняется от -400 до -37 000 А/м, причем у большинства не превы­ шает -8000 А/м. Магиитожесткие разности обнаружены в основном среди базальтов, гранитов и сиенитовых порфиров.

О с т а т о ч н а я н а м а г н и ч е н н о с т ь определяется природой, концентрацией и размерами зерен ферромагнетиков. Термоостаточ­

ная намагниченность увеличивается с уменьшением размеров зерен

ферромагнетиков.

Естественная удельная объемная остаточная намагниченность Jvn

пород изменяется от 10-з до 102 А/м и более и может быть больше и

меньше индуцированной намагниченности Jvi=reHe, измеренной на порошковых пробах в магнитном поле около 40 А/м.

Естественная остаточная намагниченность у кристаллических по­ род с малым содержанием крупнозернистых ферримагнетиков, на­ пример у лейкократовых гранитов, оценивается десятыми долями Jvi· Значения Jvn• в несколько раз или даже на несколько порядков пре­

восходящие JVi• наблюдаются чаще при высоком содержании фер­

римагнетиков.

194

Т а блиц а 15. Магнитпаи восприимчивость 11е первичных осадков и пород

195

196

Продмжение табя. 15

197

Продол:ж:ен.ие табл.. 15

198

Отличительными особенностями естественного остаточного намаг­

ничивания являются неоднородность в пределах одного массива и ус­

тойчивость кразмагничиванию. С ростомтемпературы термаостаточ­

ное намагничивание уменьшается и достигает нулевых значений при

точках Кюри.

Т очки Кюри магматических горных пород не зависят от раз­

мера зерен и содержания ферромагнетиков и хорошо определяют их вещественный состав. Магматические породы характеризуются од­

ной -обычнойточкойТсо• или двумя-обычной Тсо инеобычной Тсе -

точками Кюри, устанавливаемыми, например, из зависимостейх=f(T)

первого нагревания образцов в полях напряженностью около 160 А/м (см. рис. 64).

Точка Кюри Тсо получается из обычных зависимостей Х=f(T) (см. рис. 76, а, б), тогда как две точки Тсо и Тсе получаются из необычных

(ступенчатых) зависимостей x=f(T) (см. рис. 76, г, в). При этом кри­

вые x=f(T) (см. рис. 76, а) называются обратим~хми, если их можно

получить не только в результате нагревания образца породы, но так­ же кпри его охлаждении и повторных нагреваниях. Кривые этоготипа соответствуют породам, у которых ферромагнетиками являются маг­ нетит или магнетит с незначительной примесью окиси титана. Нео­ братимыми (см. рис. 76, б) называются кривые x=f(T), которые не­ повторимы при охлаждении или последующих нагреваниях образ­ цов с нестойкими к нагреванию ферромагнетиками, например титаномагнетитами. Ступенчатые кривые получаются при наличии в породах ферромагнитных минералов различного химического со­

става. Причем необратимые кривые типичны для пород, содержащих

199