Магнитные свойства горных пород

Любое вещество, помещенное в магнитное поле, приобретает намагниченность. Способность к намагничиванию под действием внешнего поля называется магнитной восприимчивостью χ . Эта величина безразмерная; 1СГС = 4 СИ = 12,57 СИ.

По магнитным свойствам все вещества делятся на три группы: диамагнитные, парамагнитные и ферромагнитные. У диамагнитных пород магнитная восприимчивость очень мала и отрицательна, их намагничение направлено против намагничивающего поля. К диамагнетикам относятся многие минералы и горные породы, например, кварц, каменная соль, мрамор, нефть, графит, золото, серебро, свинец, медь и др. У парамагнитных пород магнитная восприимчивость положительна и также невелика. К парамагнетикам относится большинство осадочных, метаморфических и изверженных пород. Особенно большой и положительной χ характеризуются ферромагнитные минералы, к которым относятся магнетит, титаномагнетит, ильменит и пирротин.

Сложной зависимостью магнитной восприимчивости от температуры и намагничивающегося поля обладают некоторые вещества с относительно слабой восприимчивостью. Например, у окислов железа, марганца, кобальта при намагничении обнаруживаются небольшая остаточная намагниченность и очень высокая коэрцитивная сила. Такие материалы относятся к антиферромагнетикам в соответствии с тем, что они, как и ферромагнетики, имеют доменную структуру, но со взаимно противоположным направлением магнитных моментов внутри доменов.

Магнитные свойства горных пород, создающих магнитные аномалии, зависят в основном от включений ферромагнитных минералов, числу которых относятся широко распространенный магнетит, титаномагнетит и пирротин. Другие распространенные породообразующие и рудные минералы обладают слабой магнитной восприимчивостью, не оказывающей существенного влияния на общую намагниченность пород.

При небольших колебаниях намагничевающего поля изменения магнитных свойств горных пород можно считать незначительными по сравнению с возникающими под действием температурных условий. Горные породы в период своего образования и в последующее время проходили через разные температуры, соответствующие диапазону от расплавленного состояния до мерзлоты. Изменение температурных условий продолжается и в настоящее время, о чем наиболее наглядно свидетельствуют вулканические извержения.

Существование точки Кюри для все ферромагнетиков определяет огромное влияние температуры на их магнитные свойства.

Таким образом, температура может существенно повлиять на магнитные свойства пород вследствие изменения их состава. В тех же случаях, когда состав сохраняется, восприимчивость ферромагнитных горных пород в земном магнитном поле возрастает по мере увеличения температуры до определенного максимума. При однокомпонентной системе после достижения максимума восприимчивость быстро падает до нуля. В случае многокомпонентной системы (ферромагнитные включения представлены различными ферромангнитными минералами) кривая намагниченности в зависимости от температуры может иметь ступенчатые изменения с новыми максимумами.

При намагничивании породы в слабом магнитном поле во время ее остывания возникает высокая и устойчивая термоостаточная намагниченность. Этим в большинстве случаев и объясняется естественная остаточная намагниченность Jn горных пород, что подтверждается, в частности, намагниченностью современных вулканических лав: остывшие лавы обладают остаточной намагниченностью в десятки раз большей, чем могло индуцировать геомагнитное поле.

Для естественной остаточной намагниченности введено специальное обозначение J_n, так как, во-первых, исходная термоостаточная намагниченность далеко не всегда сохраняется полностью на протяжении геологических эпох, хотя и обладает высокой стабильностью; во-вторых, породы могут иметь и другие виды остаточной намагниченности. Так, динамические нагрузки, связанные, например, с давлением вышележащих толщ, ведут к возникновению динамической намагниченности J_rd. В процессах химических превращений, протекающих в земной коре, могут образоваться новые минералы или измениться кристаллические структуры существующих, в результате чего может появиться весьма устойчивая химическая намагниченность J_rc.

Измеряемая в настоящее время остаточная намагниченность пород J_n является векторной суммой разных намагниченностей, и разделение ее на составляющие не во всех случаях оказывается возможны. Работами многих исследователей, особенно И. Г. Кенигсбергера, на основании экспериментального определения J_n изверженных пород разного возраста установлено, что отношение Q = J_n/J_i( где J_i – намагниченность, индуцированная современным магнитным полем) уменьшается с увеличение возраста пород. Есть положительные опыты использования отношения Q для возрастной корреляции пород в предположении его устойчивости для тех или иных отрезков геологического времени. Как уже отмечалось, по направлению J_n находят положение геомагнитного полюса в то геологическое время, к которому относится образование пород. В этом случае предъявляются определенные требования к методике отбора образцов и к предварительным исследованиям по выяснению стабильности J_n.