Петрофизика (стр. 14 из 20)
(-10÷0)*10-5СИ. Диамагнетиками являются инертные газы, ряд металлов (медь, серебро, золото, цинк, висмут) и неметаллов (кремний, кварц, алмаз, графит, сера, фосфор), органические соединения.
Восприимчивость парамагнитных веществ положительна, и магнитные моменты усиливают внешнее поле. При намагничивании атомные моменты выстраиваются по направлению поля. Абсолютные значения æ меняются в диапазоне 10-2 ÷10-5 ед. СИ.
К парамагнетикам относятся щелочные и щелочноземельные металлы, некоторые переходные металлы; ряд солей железа, кобальта, никеля и редкоземельных элементов, из газов кислород.
Среди парамагнитных веществ выделяется особая группа веществ, называемая ферромагнитными. К ферромагнетикам относится железо, кобальт, никель, и некоторые виды лантаноидов: гадолиний (64 Gd), тербий (65Tb), диспрозий (66Dy), гольмий (67 Ho), эрбий (68Er). А также ряд соединений хрома, марганца и урана с неферромагнитными элементами.
По величине æ все минералы делятся на три группы: диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики.
Диамагнитные минералы (висмут, медь, золото, серебро, алмазы, свинец, кварц, гипс, и другие) обладают самой малой восприимчивостью æ обычно порядка (1-2) ·10-5 ед. СИ. Такие минералы не могут создавать магнитных аномалий.
Парамагнетизмом обладают соли редкоземельных элементов, щелочные металлы ряд широко распространенных породообразующих минералов умеренно кислого и основного состава: оливина, пироксенов, амфиболов, гранатов, железосодержащих слюд, а также доломит, магнезит, каолинит. Парамагнитные минералы (платина, гранат, турмалин, мусковит, биотит) имеют магнитную восприимчивости æ порядка (20-90) ·10-5 ед. СИ. Их крупные скопления вызывают аномалии в несколько нанотесл. Магнитная восприимчивость чисто парамагнитных минералов, как правило, не превышает значений (25-35)·10-5ед.СИ. Наличие микровключений ферромагнитных элементов, связанных с ранней стадией кристаллизации магматических пород или с высокотемпературными метасоматическими процессами, повышает значение æ. Двух- и трехвалентное железо, входя в состав слюд, оливинов, пироксенов, гранатов, создает повышенную парамагнитную восприимчивость. Для большинства известных минералов характерная смешанная параферромагнитная природа магнетизма.
Примеры магнитной восприимчивости (*10-5 ед. СИ) некоторых минералов (Н.Б.Дортман, 1984г.):
Кварц …………–1,6;
Микроклин…… 0;
Ортоклаз …….. –0,6;
Плагиоклаз ….. 0;
Шпинель …….. 2,8;
Корунд ………. 1,8;
Циркон ………. –1,2;
Галенит ……… –3,3;
Касситерит …… -2,0;
Флюорит ……… -1,2;
Сфалерит ……… -6,5;
Графит ………… -0,5
Интенсивность намагничивания
, которая у диамагнитных минералов и парамагнитных минералов прямолинейно растет в увеличением магнитного поля. Если минерал вынести из магнитного поля, то он просто размагнитится.Ферромагнетики характеризуются значениями æ>> 0, μ>>1, а также намагниченностью, являющейся нелинейной и неоднозначной функцией внешнего магнитного поля. Ферромагнитные минералы (от лат. слова ferrum –железо) обладают самыми высокими значениями магнитной восприимчивости æ. Никель и кобальт естественных ферромагнитных минералов не образуют.
Наиболее постоянными параметрами для чистых ферромагнитных минералов является намагниченность насыщения Js и температура Кюри.
Наиболее распространенными ферромагнитными минералами являются окисные соединения железа – магнетит 8,8-25 ед. СИ, титаномагнетит 1,3-10-4 ед. СИ, маггемит 3,8-25 ед. СИ; сидерит 2,5-7,5 10-3 ед. СИ; из сульфидных минералов – пирротин 0,13-1,3 ед. СИ. Большой магнитной восприимчивостью обладает минерал якобсит MnFe2O4 – 250 ед. СИ.
Н.Б.Дортман выделяет четыре группы минералов:
1) безжелезистые диамагнитные и парамагнитные минералы, характеризующиеся очень низкой магнитной восприимчивостью, составляющие наибольшую часть (в процентном отношении) магматических и метаморфических пород кислого состава;
2) железистые минералы, ферропарамагнитные, магнитная восприимчивость которых изменяется от первого десятка до сотен 10-5 СИ за счет включений ферромагнетиков; они входят в небольшом количестве в состав кислых магматических и метаморфических пород и составляют существенную часть пород основного и ультраосновного состава;
3) ферромагнитные минералы с очень высокой восприимчивостью и часто очень высокой остаточной намагниченностью; являются характерными акцессорными минералами магматических и метаморфических пород;
4) ферромагнитные минералы с низкими магнитными свойствами; специфичны главным образом для осадочных и метасоматических измененных пород.
5.3. Магнитные свойства горных пород
Магнитные свойства горной породы зависят от ее химико-минералогического состава, структуры, соотношения в породах диа-, пара-, и ферромагнитных минералов и их количества.
Магнитные совйства пород характеризуются широким диапазоном значений до десятков тысяч 10-5СИ. В зависимости от магнитных свойств на практике используют классификацию горных пород, предложенную Д.Л.Берсудским. Он разделил все породы по величине æ на пять групп:
1. практически немагнитные æ< 50·10-5 ед. СИ – в основном это осадочные породы.
2. очень слабомагнитные æ = (50-100)х 10-5 ед. Си – часть осадочных пород, метаморфических и кислых магматических пород;
3. слабомагнитные, æ = (100-1000)х 10-5 ед. СИ (часть осадочных, магматических, и метаморфических пород);
4. магнитные æ= (1000-5000) х10-5 ед СИ. (магматические породы и часть метаморфических);
5. сильномагнитные æ>5000 х10-5 ед. СИ.
Для определения магнитных свойств пород отбирают образцы из обнажений и измеряют в лабораторных условиях. Для измерения остаточной намагниченности отбирают ориентированные образцы по специальной методике.
Магнитные характеристики горных пород определяются следующими факторами:
· концентрацией ферромагнитных материалов.
Основные породообразующие минералы являются диа- и парамагнетиками и характеризуются значениями æ от -5*10-5 ед. СИ до 10-150*10-5 ед. СИ. Присутствие в составе породы зерен ферромагнитных минералов (магнетита, гематита, титаномагнетита, маггемита и др.) резко повышает значение магнитной восприимчивости.
· их составом и структурой.
· особенностями их магнитного строения.
Магматические породы характеризуются очень широким диапазоном значений магнитной восприимчивости – от единиц до десятков тысяч 10-5 ед. СИ. Гипербазиты неизмененные характеризируются слабой магнитной восприимчивостью, соответствующие (20-100)*10-5.
Широкий диапазон измерения значений æ определяется составом первоначальных расплавов, термобарическими и окислительно-восстановительными условиями образования и последующих изменений пород.
В магматических породах ферромагнитные минералы присутствуют в виде зерен первично-магматических минералов – магнетита, титаномагнетита, ильменита, гемольменита и других веществ низко- и высокотемпературного окисления при кристаллизации магмы – гематита, маггемита.
Таким образом, эти минералы появляются как одновременно с образованием породы, так и в процессе ее жизни. Средние значения магнитной восприимчивости возрастают от кислых к основным и ультраосновным группам пород. Кроме того, основные и средние породы ранних фаз внедрения расплавов отличаются во всех интрузивных комплексах различных формаций более высокими значениями æ, чем у последующих фаз. Это связано с ростом кислотности пород от начальных фаз и соответственно уменьшением содержания ферримагнетиков.
Для метаморфических пород характерен наиболее широкий диапазон изменения значений магнитной восприимчивости и естественной намагниченности.
Мрамора, кристаллические известняки характеризуются отрицательной магнитной восприимчивостью. Железистые кварциты, серпентиниты, скарны по значениям магнитной восприимчивости, остаточной и естественной намагниченности приближаются к магнетитовым рудам. При этом эти метаморфические породы встречаются редко и образуют самостоятельный класс диамагнитных пород. Наиболее широко распространенные породы – микрокристаллические сланцы, гнейсы, амфиболиты имеют и малый диапазон изменений магнитных свойств и обладают более низкими максимальными значениями, чем магнитные образования.
Метаморфические породы имеют либо очень слабую магнитную восприимчивость, зависящую от состава породообразующих минералов, либо различное значение магнитной восприимчивости от 100 *10-5 до 10000*10-5 ед. СИ, пропорционально содержанию ферромагнитной фракции.
Все магнитные параметры метаморфических пород зависят от первоначального субстата и от различий процессов его преобразования.
В регионально-метаморфизованных породах ферромагнетики представлены магнетитом, в породах, подвергшихся гидротемально – метасоматическим процессам, - магнетитом, гематитом, маггемитом в тесной ассоциации с породообразующими железосодержащими минералами – оливином, амфиболом, пироксеном. Низкие значения магнитной восприимчивости характерны для метаморфических пород, происходящих из практически немагнитных осадочных (глинистые сланцы, филлиты, кварциты, мрамор и др.).
Магнитные характеристики осадочных пород обусловлены главным образом акцессорными минералами, обладающими выраженными ферромагнитными свойствами – магнетитом и его разновидностями, маггемитом, гематитом и гидроокислами железа.
Значения магнитной восприимчивости осадочных пород существенно меньше значений æ магматических пород, поскольку содержание в них ферромагнитных минералов ниже. Наиболее распространенные породообразующие минералы осадочных пород (кварц, кальцит, полевые шпаты, гипс, ангидрит, галит) являются диамагнетиками или слабыми парамагнетиками и естественно не вносят заметного вклада в магнитную восприимчивость пород.