Глава 8: Магнитные свойства горных пород

В результате намагничивания любой объём пород приобретает магнитные свойства.

Основными параметрами характеризующими магнитные свойства горных пород являются: намагниченность J, магнитная восприимчивость и магнитная проницаемость .

Намагниченность характеризует магнитное состояние намагниченного тела и оценивается для однородного намагниченного тела, как отношение магнитного момента М_M (произведение силы тока на площадь рамки) к единице его объема V:

(8.1).

В случае неоднородного намагниченного тела I определяется для каждой точки (физически малого объема) и представляет средний магнитный момент единицы объема (равный геометрической сумме магнитных моментов отдельных атомов и молекул, заключенных в этом объеме). Единица намагниченности — 1 А/м, это такая намагниченность при которой 1 м² вещества обладает магнитным моментом 1 А×м².

Магнитным моментом определяются силы, действующие на тело во внешнем магнитном поле.

Магнитная восприимчивость определяет связь между магнитным моментом (намагниченностью) породы и ее магнитным полем Н:

(8.2),

где — величина безразмерная; размерность Н A/м.

Различают объемную магнитную восприимчивость, отнесенную к единице объема, и удельную (массовую) _уд, рассчитанную на 1 кг вещества.

Магнитная проницаемость характеризует связь между магнитной индукцией B в породе и магнитным полем Н:

=B/ ₀H (8.3),

где ₀ — коэффициент пропорциональности, принятый в качестве магнитной постоянной. Индукция В магнитного поля и его напряженность Н связаны в вакууме соотношением . Величины и связаны соотношением ; является безразмерной величиной. В вакууме = 0 и = 1.

Все породы и минералы по величинам и , а также характеру взаимодействия с внешним магнитным полем разделяются на диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики.

Для диамагнетиков ( <0; <1) характерно намагничивание, которое проявляется в противоположном направлении относительно действующего на него магнитного поля. К диамагнетикам относятся многие породообразующие минералы (кварц, кальцит, гипс, ангидрит, ортоклаз, циркон, галит). Для галита = -0,8×10^-3 А/м. Из металлов висмут имеет наибольшее значение = 1,4×10^-3 А/м.

Для парамагнетиков (1 > >0 и >1) подмагничивание во внешнем магнитном поле совпадает с его направлением. У парамагнетиков атомы, молекулы, ионы, ядра атомов обладают собственными магнитными моментами, которые во внешнем магнитном поле ориентируются в зависимости от направления данного поля; если последнее отсутствует, то магнитные моменты ориентируются хаотически и намагниченность J = 0. Следует также отметить, что парамагнетики притягиваются к полюсам магнита, а диамагнетики отталкиваются. К парамагнетикам относятся многие металлы (Fе, Ni, К, Na, Со, Са и др.), соли элементов группы железа и породообразующие минералы (слюды, ортоклаз, роговая обманка, хлорит, эпидот, гранат, турмалин, пирит, халькопирит и др.)

У ферромагнетиков ( > 1 и > 1) магнитные моменты атомов параллельны друг другу, формируя единый магнит. Намагничивание ферромагнетиков внешним полем H происходит по замкнутой кривой, именуемой петлей гистерезиса. При снятии поля намагничивания у ферромагнетиков сохраняется остаточная (спонтанная) намагниченность I_r, имеющая важное значение при геологических исследованиях. Остаточная намагниченность ферромагнетика может быть снята воздействием намагничивающего поля противоположного знака, напряженность которого H_с получила название коэрцитивной силы. Для различных ферромагнетиков характерны предельные температуры (точка Кюри), выше которых они превращаются в парамагнетики; дальнейшее снижение температуры ведет к полной потере остаточной намагниченности. Отличительной особенностью ферромагнетиков является магнитострикция - способность изменять объем тела при намагничивании.

К основным химическим элементам ферромагнетиков относятся Fe, Со и Ni. Наиболее распространенные ферромагнитные минералы, содержащие окиси железа,— это магнетит Fe₃O₄, титаномагнетит Fe₃O₄TiFe₂O₄, пирротин Fe_nS_n+1 (n = 6 - 11) и некоторые разновидности гематита Fе₂О₃.

Осадочные породы обладают слабой магнитностью. Их магнитные свойства определяются содержанием частиц ферромагнитных минералов, сильных парамагнетиков, слабых парамагнитных и диамагнитных минералов.

Для глинистых пород = (10 - 14)×10^-3, для песчаников - (14 - 15)×10^-3, а для хемогенных (гидрохимические осадки) и карбонатных пород — менее 6×10^-3 А/м.

Изменение магнитной восприимчивости в ОГП может быть вызвано окислительно-восстановительными процессами в различных ферро-магнитных минералах под действием флюидов нефтяных и газовых залежей [5].

Под действием магнитного поля Земли горные породы в период своего формирования способны намагничиваться и сохранять приобретенную (остаточную) намагниченность в последующие геологические эпохи.

По величине и направлению остаточной намагниченности пород определяют магнитное поле, существовавшее в данной точке земной поверхности при образовании породы. На этом основывается палеомагнетизм — область знаний, занимающаяся изучением эволюции во времени геомагнитного поля.

Для осадочных пород характерна анизотропия магнитной восприимчивости. Она достигает максимального значения у сильно метаморфизованных осадочных пород.

При использовании высокоточной аппаратуры, измерение магнитной восприимчивости (каппаметрия) позволяет получить важную информацию о литологических, структурных, фациальных и других особенностях разреза.

Важным свойством использования параметра магнитной восприимчивости является выявление связи между данной величиной и содержанием магнитных веществ, сульфидов, плотностью, и наличием обратной связи с коэффициентом пористости.

Контрольные вопросы.

1. Перечислите основные магнитные параметры горных пород.

2. На какие группы разделяются минералы согласно их магнитной восприимчивости и проницаемости?

3. Каковы магнитные свойства осадочных пород?

4. Дайте определение остаточной намагниченности.