Зависимость магнитных свойств горных пород от намагничивающего поля и температуры

11.01.2017

Зависимость намагниченности ферромагнитных веществ от намагничивающего поля характеризуется основной кривой намагничивания и гистерезисной кривой (см. рис. 10). Обычно эти кривые даются для комнатной температуры, если это специально не оговорено. Изменение намагниченности горных пород, содержащих ферромагнитные минералы, в зависимости от поля H происходит по тому же закону и изображается аналогичными кривыми, откуда следует, что магнитная восприимчивость при различных намагничивающих полях различна.
В магниторазведке используются изменения магнитного поля возникающие вследствие намагничивания горных пород земным магнитным полем. В настоящее время нет никаких оснований предполагать, что земное магнитное поле существенно изменялось по величине за время формирования земной коры. Наличие относительно большой отстаточной намагниченности многих горных пород не требует предположения о значительно большей величине намагничивающего поля в период образования пород, так как это явление вполне убедительно обосновывается влиянием температуры в поле намагничивания, равном современному. Поэтому для определения намагниченности горных пород, вызываемой индукционным действием земного магнитного поля, нужно иметь сведения о магнитной восприимчивости горных пород в поле около 0,5 э.
При небольших колебаниях намагничивающего поля изменения магнитных свойств горных пород можно считать незначительными сравнительно с теми, которые возникают при изменении температурных условий. Горные породы в период своего образования и в последующее время проходили через различные температуры, соответствующие диапазону от расплавленного состояния до вечной мерзлоты. Изменение температурных условий для горных пород продолжается и в настоящее время, о чем наиболее наглядно свидетельствуют вулканические извержения.
Существование точки Кюри для всех ферромагнетиков определяет огромное влияние температуры на их магнитные свойства. На рис. 14 изображено изменение магнитной восприимчивости железа (точка Кюри 775° С) в зависимости от температуры при различных намагничивающих полях. Горные породы, содержащие ферромагнитные минералы с различными магнитными свойствами, характеризуются более сложной зависимостью магнитной восприимчивости от температуры, чем это установлено для железа.
Зависимость магнитных свойств горных пород от намагничивающего поля и температуры

При экспериментальном выяснении рассматриваемой зависимости образец подвергается нагреванию до температуры выше точки Кюри с последующим охлаждением в поле, приблизительно равном земному. Через определенные интервалы времени определяется величина намагниченности, известным образом связанная с магнитной восприимчивостью. Опыт показывает, что для горных пород точка Кюри ниже 600° С, поэтому нагревание до указанной температуры можно считать достаточным. Ho необходимо иметь в виду, что нагревание образцов пород может вызвать необратимое изменение состава пород, вследствие чего магнитные свойства до нагревания и после нагревания могут измениться. Выше, например, было указано, что ферромагнетик маггемит является неустойчивым и по некоторым данным уже при t = 275° С переходит в слабо магнитный гематит. Могут иметь место и обратные явления в смысле образования новых ферромагнитных минералов.
Зависимость магнитных свойств горных пород от намагничивающего поля и температуры

На рис. 15 представлены примеры простой зависимости магнитной восприимчивости от воздействия температуры обратимого и необратимого типов. Изменение восприимчивости при нагревании характеризуется одним максимумом; дальнейшее нагревание сопровождается быстрым уменьшением восприимчивости до нуля. Изменение восприимчивости пород при остывании в рассматриваемых четырех случаях происходит различно: на рис. 15, а и в показан случай, когда кривые, соответствующие нагреванию и охлаждению, почти одинаковы, т. е. восприимчивость является обратимой. На рис. 15, б и г показаны случаи необратимой намагниченности. Из рассмотрения последних следует, что до нагревания в составе пород были два вида ферромагнетиков («две фазы»), явно не выделяющиеся по кривой, определяющей величину восприимчивости при нагревании. При охлаждении получены существенно отличные кривые с максимумами, смещенными в сторону уменьшения температуры. Это явление показывает, что в составе пород до нагревания было не менее двух видов ферромагнетиков. Одна из этих двух фаз, имеющая точку Кюри около 450° С, оказалась неустойчивой в рассматриваемом интервале температур, ее исчезновение устанавливается по кривой, соответствующей убыванию температуры. Сохранившаяся фаза имеет точку Кюри около 300° С.
Кривые зависимости восприимчивости от температуры, построенные по результатам измерений во время охлаждения образца, при последующих циклах нагревание — охлаждение повторяются, так как в составе пробы остаются только фазы, устойчивые в данном интервале температур.
Зависимость магнитных свойств горных пород от намагничивающего поля и температуры

На рис. 16 приведены случаи сложной зависимости обратимого и необратимого типов. В первых двух случаях (а и в) сложные кривые состоят по крайней мере из двух фаз с точками Кюри около 200° С для одной и немного более 400° С для другой фазы. Обе фазы оказываются устойчивыми в выбранном интервале температур, вследствие чего намагниченность является обратимой. Кривые б указывают на четкое выявление двухфазной системы после нагревания, а кривые г — на исчезновение одной фазы после нагревания. Изменение восприимчивости, характеризуемое кривыми в процессе остывания, сохраняется при последующем нагревании и охлаждении.
На рис. 17 изображены кривые, характеризующие намагниченность образца магнетитовых руд Ангаро-Илимского района. Намагниченность при остывании свидетельствует о переходе в более устойчивое состояние, по-видимому, двух фаз. Таковыми в данном случае предположительно могут быть маггемит и магнезиальный феррит (MgO*Fe2O3).
Аналогичные явления наблюдаются при нагревании и охлаждении осадочных пород, поскольку их намагниченность также объясняется присутствием ферромагнитных минералов. Большинство определений дают простую кривую обратимого типа, показывающую, что ферромагнитные свойства вызываются присутствием магнетита. Опыты по нагреванию и охлаждению слабо магнитных железных руд (х<1*10в-5 СГС) в восстановительной среде (активизированный уголь) показали увеличение магнитной восприимчивости до 10в-3—10в-2 СГС за счет образования магнетита.
Таким образом, изменение температуры может существенно повлиять на магнитные свойства пород вследствие изменения их состава. В тех же случаях, когда изменения вещества не происходит, магнитная восприимчивость ферромагнитных горных пород в земном магнитном поле возрастает по мере увеличения температуры до определенного максимума. При однофазной системе после достижения максимума восприимчивость быстро падает до нуля. В случае многофазной системы (ферромагнитные включения представлены различными ферромагнитными минералами) кривая намагниченности в зависимости от температуры может иметь ступенчатые изменения с новыми максимумами кривой.
Зависимость магнитных свойств горных пород от намагничивающего поля и температуры

Остаточная намагниченность, возникающая при охлаждении образца от точки Кюри до комнатной температуры в слабом магнитном поле, во много раз превышает остаточную намагниченность при соответствующем намагничивающем поле в условиях постоянной лабораторной температуры. Ввиду существенного различия между ними первая называется термоостаточной намагниченностью и обозначается Jrt, а вторая — изотермической и обозначается Jr. На рис. 18 показано, насколько велико различие между rt и Jr образца магнетита с уральского месторождения «Благодать». По мере увеличения намагничивающего поля расхождение уменьшается, но остается значительным. Относительно высокая термоостаточная намагниченность в слабых магнитных полях характерна для всех горных пород, содержащих ферромагнитные минералы.
Представляет большой интерес исследование коэрцитивной силы при термонамагничивании Hct в слабых полях, так как от ее величины зависит устойчивость термоостаточной намагниченности. Опыты показывают, что в слабых магнитных полях величина Hct также во много раз превосходит Hc, т. е. величину коэрцитивной силы при изотермическом намагничивании (рис. 19). Очень важно отметить, что при термонамагничивании в слабых магнитных полях величина коэрцитивной силы может быть в несколько раз больше напряженности намагничивающего поля, что невозможно при изотермическом намагничивании. Например, для образца магнетита KMA в магнитном поле H = 5 э коэрцитивная сила при изотермическом намагничивании Hc = 0,4 э, а при термонамагничивании Hct = 12,8 э, т. е. в два с половиной раза больше намагничивающего поля.
Зависимость магнитных свойств горных пород от намагничивающего поля и температуры