Магнитные свойства горных пород и руд

Все породы и минералы в той или иной степени магнитны. Наиболее важными параметрами, характеризующими их магнитное состояние и используемыми при интерпретации результатов магниторазведки, являются общая намагниченность горных пород I, индуцированная намагниченность I_i, магнитная восприимчивость (c ), естественная остаточная намагниченность I_n, и фактор Q: Q = I_n / I_i. Намагниченность I представляет собой сумму I = I_i + I_n. Единица намагниченности не имеет собственного наименования. В системе СИ она выражается в А/м; 1 СГС=10 ³ А/м.

Магнитная восприимчивость характеризует способность различных веществ к намаг-ничиванию под действием внешнего магнитного поля. Это величина безразмерная. 1 СГС = 4 p СИ = 12, 57 СИ.Относительная магнитная проницаемость m и магнитная восприимчивость c связаны между собой соотношением

m =1+ c.

Связь между намагниченностью, возникающей под действием постоянного магнитного поля напряженностью Н и магнитной восприимчивостью c выражается зависимостью

I_i = c H / ( 1 + c N ),

где N - коэффициент размагничивания, зависящий только от формы тела и изменяющийся от 0 ( по направлению длинной оси) до 4p (по направлению короткой оси).

Остаточная намагниченность I_n возникает при намагничивании пород в слабом магнитном поле во время их образования и в последующий период при перепаде температур. Величина и направление остаточной намагниченности определяются механизмом и возрастом ее образования.

Для магматических горных пород характерна термоостаточная намагниченность, которую они приобретают при остывании ферромагнетиков в геомагнитном поле после их нагревания. Осадочные породы в процессе диагенеза приобретают ориентационную остаточную намагниченность за счет упорядочения магнитных моментов осаждающихся частиц под действием магнитного поля Земли. Термоостаточная намагниченность характеризуется большими значениями Q-фактора (до сотен единиц). В древние геологические эпохи геомагнитное поле меняло знак ( инверсия магнитного поля), поэтому некоторые геологические тела(горные породы) имеют обратную (отрицательную) намагниченность, что весьма важно для правильного истолкования результатов магнитных съемок.

В породах различного происхождения встречается также химическая остаточная намагниченность, возникающая под действием магнитного поля при физико-химических преобразованиях ферромагнитных минералов. Иногда это приводит к самообращению вектора I_n, т.е. образованию отрицательной намагниченности из положительной.

Намагниченность, исчезающая при прекращении действия на вещество внешнего магнит-ного поля называется индуцированной I _i. Она может быть как больше, так и меньше остаточной намагниченности. Фактор Q может быть различным для одной и той же породы.

Способностью намагничиваться в магнитном поле обладают все вещества в том числе и породообразующие минералы. По магнитным свойствам они делятся на диамагнитные (c< 0, m< 1), парамагнитные (c > 0, m > 1) и ферромагнитные (c > > 0, m > 1). Среди ферромагнитных минералов выделяются собственно ферромагнетики, антиферромагнетики и ферриты.

У диамагнетиков значение c очень мало (около 10^-5 ед.СИ) и вызывает намагничивание противоположное намагничивающему полю. К природным диамагнетикам относятся некоторые металлы ( золото, серебро, свинец, ртуть, висмут, химически чистая медь), минералы (кварц, сера, фосфор, кальцит, гипс, галит, ангидрит, галенит, циркон и др.) и многие органические соединения.

Для парамагнетиков характерна бó льшая по сравнению с диамагнетиками величина c (около 10^-5 - 10^-4 ед. СИ). Их намагничивание совпадает с направлением намагничивающего поля. К парамагнетикам относятся платина, хром, молибден, гранаты, мусковит, турмалин, большинство окислов и сульфидов.

Диа- и парамагнетики обладают пропорциональной зависимостью намагниченности от величины поля. При снятии поля их намагниченность исчезает.

Ферромагнетики отличаются большими значениями c (до 25 ед. СИ) и нелинейной и не-однозначной зависимостью величины намагниченности от намагничивающего поля и температуры.

Природу ферромагнетиков объясняют наличием в веществе областей спонтанной намагниченности: доменов, которые намагничены до насыщения даже при отсутствии внешнего поля. В доменах ферромагнетиков магнитные моменты параллельны и ориентированы в одну сторону, и хотя взаимная ориентировка доменов хаотична, вещество обладает сильной намагниченностью. Такими свойствами обладают титаномагнетит, маггемит( g-состояние Fe₂O₃ ).

Под действием приложенного магнитного поля домены ориентируются по его направлению и намагниченность увеличивается. Когда все домены приобретают ориентировку по полю, наступает магнитное насыщение и рост намагниченности прекращается. Типичная кривая намагничивания ферромагнетиков показана на рис. 4.6 ( Логачев А.А.Захаров В.П.).

 

 

Рис. 4.6. Кривая намагничивания феромагнетика (петля гистерезиса).

I_S -намагниченность насыщения; I_R -остаточная намагниченность;

H_C -коэрцитивная сила

 

Свойства ферромагнетиков проявляются только до некоторой температуры (точка Кюри), выше которой они превращаются в парамагнетики.

Сложной зависимостью c от намагничивающего поля и температуры обладают минералы с относительно слабой восприимчивостью. Так у окислов Fe (гематит), Mn, Co при намагничивании обнаруживается небольшая остаточная намагниченность и высокая коэрцитивная сила. Такие вещества относятся к антиферромагнетикам; в них отмечается доменная структура но с взаимно противоположным направлением магнитных моментов внутри доменов.

В ферритах, к которым относятся магнетит, пирротин и другие окислы металлов, происходит неполная компенсация магнитных моментов внутри доменов и результирующая намагниченность отлична от нуля.

Горные породы различного происхождения имеют различные магнитные свойства.

М а г м а т и ч е с к и е породы отличаются большим разнообразием магнитных свойств. Маг-нитная восприимчивость интрузивных пород различного состава изменяется в зависимости от содержания в них магнетита; она повышается от кислых пород к основным и ультраосновным.

Среди к и с л ы х пород ( граниты, гранодиориты) преобладают слабомагнитные разности, c которых не превосходит 6 10-4СИ, J nколеблется от 0.1 до 5-10 А/м, но встречаются и магнитные (их c достигает 0.07-0.08 ед. СИ, J n доходит до 0.05 - 10 А/м. Для плагиогранитов габбро-плагиогранитовой формации ранней стадии и гранитоидов всех формаций, образовавшихся в период завершения складчатости ) также характерна слабая намагниченность.

Для гранитоидов средней стадии формации батолитов пестрого состава и гранитоидов тектонической активизации характерна умеренная восприимчивость ( до 0.05 СИ).

Основные породы имеют как слабомагнитные разности ( c, J ок 0.3 A/м) так и магнитые ( до 0, 3 СИ и J до 40 А/м). Ультраосновные неизмененные породы (гипербазиты альпинотипных формаций ) имеют c от 2 10 ^-2 до 7 10 ^-3 СИ в отличие от гипербазитов платформенного этапа ( до 0, 8 СИ ).

Эффузивные породы имеют магнитность, соответствующую кислотности инрузивных аналогов в пределах от 0, 3 до 1, 5 10 ^-2 СИ.

Естественная остаточная намагниченность интрузивных пород обычно по напавлению совпадает с современным полем.

Для эффузивных пород Mz и более молодого возраста Jn > > Ji, при прямой и обратной по направлению намагниченности. Фактор Q сильно зависит от возраста ( от нескольких единиц для мезозойских, до нескольких сот для современных пород).

М е т а м о р ф и ч е с к и е породы. Для пород PCm возраста - наименьшие значения c и Jn отмечается у метаморфизованных осадочных пород: глинистых сланцев, кварцитов, мраморов, парагнейсов ( c < 6 10^-4 CИ ). Сильно магнитны хлоритсодержащие и хлоритовые сланцы, Fe- кварциты, скарны (до 10 -20 СИ). Вторичные изменения (метасоматоз) обычно приводят к уменьшению c и Jn; поэтому зоны околорудных изменений менее магнитны.

О с а д о ч н ы е породы как правило слабомагнитны. В платформенных областях средние значения c песчаников, глин, аргиллитов, алевролитов изменяется от 10 ^-4 до 10 ^-3 СИ; у хемогенных пород от 10^-5 до 2 10^-4 СИ, у солей не более 10^-5 СИ. В складчатых областях при разрушении магнитных пород осадочные породы имеют c на порядок выше платформенных аналогов.

У большинства осадочных пород Jn = Ji. Направление вектора Jn примерно соответствует направлению древнего магнитного поля Земли, что позволяет использовать эти породы при палеомагнитных построениях. В осадочном чехле наблюдается переслаивание пород с различным направлением вектора Jn (прямым и обратным), что говорит о миграциии магнитных полюсов и их инверсии.

Для р у д магнитные свойства определяются присутствием в них ферромагнитных минералов: магнетита, титаномагнетита, пирротина и др. Руды Fe наиболее магнитны: их восприимчивость c достигает (0.4 - 20) СИ. Руды осадочного происхождения, а также гематитовые и сидеритовые руды слабомагнитны. Сульфидные медно-никелевые руды имеют c в пределах 0.04 - 1 СИ, руды олово-магнетитовых скарнов c =0.2 - 7 СИ. Магнитными являются кимберлиты Сибирской платформы 0.5 10 ^-3 < c < 6 10 ^-2 CИ, Руды хризотил-асбеста имеют c до 0, 12 СИ.

Следовательно, основной предпосылкой для успешного применения магнитных исследований является различие в магнитных свойствах пород и руд, Эти свойства c и J_n изучаются на образцах путем измерений магнитометрическим и индукционным способом с одновременным петрографическим и литологическим их изучением, а также путем измерения магнитного поля на поверхности и в горных выработках.

 

 

Список литературы

 

Глацмайер Г., Олсон П.. Изучение геодинамо. «В мире науки», 2005 г., №3, с.

Магниторазведка. Справочник геофизика. - М.: Недра, 1980.

 

 

ЭЛЕКТРОРАЗВЕДКА.

 

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: