Зависимость магнитных свойств горных пород от минералогического состава

11.01.2017

Все вещества по магнитным свойствам делятся на диамагнитные (х≤0), парамагнитные (х≥0) и ферромагнитные, обладающие при известных температурных условиях высоким значением восприимчивости.
Диамагнетизм присущ всем веществам, так как природа его связана с вращением электронов вокруг ядра. Внешнее магнитное поле оказывает индукционное действие на вращающиеся электроны, вследствие чего увеличивается частота ларморовской прецессии орбит электронов; в результате увеличения угловой скорости электронов возникает магнитный момент, направленный против намагничивающего поля.
Однако диамагнетизм в чистом виде обнаруживается только в том случае, если атомы вещества не обладают постоянными магнитными моментами. Это условие выполняется при симметричной электронной структуре, когда магнитные моменты электронов, как спиновые, так и орбитальные, компенсируются и при отсутствии внешнего магнитного поля результирующий момент каждого атома равен нулю.
Магнитные свойства будут иными, если в атоме существуют незаполненные оболочки. Тогда результирующий магнитный момент каждого атома отличен от нуля, направление моментов при отсутствии внешнего магнитного поля произвольно вследствие теплового движения, разрушающего согласованную ориентировку. Внешнее магнитное поле оказывает направляющее воздействие на постоянные атомные моменты, благодаря чему вещество приходит в намагниченное состояние. С увеличением намагничивающего поля количество атомов с ориентированными по полю моментами увеличивается, хотя всегда остается относительно малым. В соответствии с направлением векторов намагниченность тела будет положительной (х≥0), т. е. данное вещество будет парамагнитным. Парамагнетизм во всех случаях проявляется более интенсивно, чем диамагнетизм вещества, ввиду чего последний наблюдается только у некоторых веществ, хотя свойствен всем без исключения.
Магнитная восприимчивость диамагнитных веществ выражается долями или первыми единицами 10в-6 СГС (медь, серебро, золото, ртуть, свинец, мышьяк и др.); наибольшее значение восприимчивости имеет висмут, для которого х = -13*10в-6 СГС.
Восприимчивость парамагнитных веществ (хром, молибден, вольфрам, уран, марганец, платина и др.) изменяется в пределах от 10в-6 до нескольких единиц 10в-1 СГС.
Ферромагнитные вещества выделяются по большому значению и и по сложной зависимости намагниченности от величины намагничивающего поля и температуры. Свойства ферромагнетиков проявляются только до известной критической температуры (точка Кюри), выше которой они превращаются в парамагнетики. К ним относятся железо, никель, кобальт и многие сплавы. Типичная кривая намагничивания ферромагнетика изображена на рис. 10, где показана зависимость намагниченности J от намагничивающего поля Н.
Зависимость магнитных свойств горных пород от минералогического состава

Напомним, что величина Js называется намагниченностью насыщения, Jr — остаточной намагниченностью, Hc — коэрцитивной силой, кривая OA — начальной кривой намагничивания, а вся замкнутая кривая — петлей гистерезиса.
По современному учению о магнетизме ферромагнетизм объясняется наличием областей спонтанного намагничивания, называемых магнитными доменами, в границах которых магнитные моменты атомов по величине соответствуют состоянию магнитного насыщения и имеют одинаковое направление, т. е. взаимно параллельны. Если ферромагнитный материал не намагничен, то суммарный магнитный момент тела равен нулю вследствие хаотического распределения результирующих моментов доменов. Намагничивание ферромагнетика под действием внешнего поля происходит вследствие увеличения объема доменов, намагниченных по направлению поля за счет других (изменение границ доменов), и ориентировки магнитных моментов доменов по направлению поля (вращение моментов). Существование доменов вытекает из современной теории магнетизма и хорошо иллюстрируется спектром сверхтонких порошков на намагниченных кристаллах.
Сложной зависимостью магнитной восприимчивости от температуры и намагничивающего поля обладают некоторые вещества с относительно слабой восприимчивостью. Например, у окислов железа, марганца, кобальта и некоторых других при намагничивании 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 с антипараллельным направлением магнитных моментов внутри доменов.
Магнитные свойства горных пород, создающих наблюдаемые магнитные аномалии, зависят в основном от включения ферромагнитных минералов, к числу которых относятся широко распространенный магнетит (FeO*Fe2O3), титаномагнетит (магнетит, содержащий избыточное количество TiO2) и пирротин (FeS). Включаемый часто в эту группу гематит (Fe2O3) в так называемом α-состоянии относится к антиферромагнетикам, обладает слабой магнитной восприимчивостью, но очень большой коэрцитивной силой; имеющий такой же химический состав маггемит (γ-состояние Fe2O3) является ферромагнетиком, при температуре в несколько сот градусов он необратимо переходит в гематит. Магнитные свойства названных минералов приведены в табл. 1.
Зависимость магнитных свойств горных пород от минералогического состава

Другие распространенные породообразующие и рудные минералы обладают слабой магнитной восприимчивостью, не оказывающей (с учетом их относительного содержания в породе) существенного влияния на общую намагниченность пород, за исключением рудных скоплений.
Некоторые опубликованные сведения о магнитной восприимчивости распространенных минералов приведены в табл. 2.
Зависимость магнитных свойств горных пород от минералогического состава

Наибольшее влияние на величину магнитной восприимчивости горных пород, создающих значительные магнитные аномалии, оказывает присутствие в них магнетита. То обстоятельство, что величина х магнетита изменяется в широких пределах в зависимости от химического состава (табл. 1), заранее предопределяет возможность таких случаев, когда некоторые породы с определенным содержанием магнетита окажутся менее магнитными, чем другие породы с меньшим содержанием того же минерала.
Ho есть и другие причины, существенно влияющие на магнитные свойства горных пород. На рис. 11 показано увеличение магнитной восприимчивости при возрастании размеров зерен магнетита, а на рис. 12 — обратная зависимость коэрцитивной силы. Большое влияние на величину магнитной восприимчивости пород оказывает форма включения минералов: зерна магнетита могут быть расположены изолированно одно от другого или могут быть цементирующей средой. В последнем случае следует ожидать увеличения намагниченности породы сравнительно с первым случаем за счет уменьшения коэффициента размагничивания зерен магнетита.
Зависимость магнитных свойств горных пород от минералогического состава

Таким образом, диапазон изменения магнитной восприимчивости горных пород при неизменном относительном содержании магнетита еще более увеличивается. Эти соображения подтверждены многими экспериментами, на основе которых исследователи пришли к выводу об отсутствии связи между содержанием магнетита в породе и ее магнитной восприимчивостью.
Зависимость магнитных свойств горных пород от минералогического состава

Позднейшие экспериментальные данные о магнитной восприимчивости интрузивных пород из массивов различных геологических районов и теоретически вычисленные ее значения показывают, что существует ограниченная область возможных значений магнитной восприимчивости, представленная на рис. 13. Ширина области возможных значений x пород определяется пределами изменений восприимчивости магнетита в зависимости от химического состава и размеров зерен и от формы включений. Для отдельных массивов пород рассматриваемая область становится более узкой. При содержании магнетита в породе менее 0,01% магнитная восприимчивость породы определяется свойствами породообразующих минералов, а при большей концентрации устанавливается пропорциональная статистическая зависимость между магнитной восприимчивостью и содержанием магнетита в породе.
Результаты экспериментальных исследований, опубликованные в предыдущих изданиях «Курса магниторазведки» в качестве основания для утверждения отсутствия связи между величиной х и содержанием магнетита, не противоречат выводу, вытекающему из указанных выше работ А.К. Вейнберга, Н.Б. Дортман и др., так как все ранее приведенные табличные данные вполне укладываются в область теоретически возможных значений х, изображенную на рис. 13. Эта область весьма широкая. Так, например, величину х = 1*10в-3 могут иметь породы, содержащие магнетит от десятых долей до целых процентов, т. е. приблизительно при десятикратном изменении содержания магнетита. Естественно, что при небольшом количестве образцов, подвергающихся исследованию, статистическая закономерность не проявляется.
Зависимость магнитных свойств горных пород от минералогического состава