3. Основные петрофизические характеристики горных пород. Магнитн. Тема Основные петрофизические характеристики горных пород Магнитные свойства горных пород и руд
 Скачать 271.5 Kb.
|
|
Тема 2. Основные петрофизические характеристики горных пород 2.2. Магнитные свойства горных пород и руд Любое вещество, помещенное в магнитное поле, приобретает намагниченность I, которая является векторной величиной и представляет собой магнитный момент единичного объема. Единицы намагниченности не имеют наименования; в системе СИ они выражаются в амперах на метр (А/м). Связь между единицами намагниченности системы СГС и СИ следующая: 1 ед. СГС = 103 А/м. Способность к намагничиванию под действием внешнего поля называется магнитной восприимчивостью ϰ. Это величина безразмерная, 1 ед. СГС =4 π ед. СИ ≈ 12,57 ед. СИ Все вещества, в том числе минералы, по магнитным свойствам делятся на диамагнитные (ϰ < 0), парамагнитные (ϰ > 0) и ферромагнитные (ϰ >> 0). Ферромагнетики при нормальных температурных условиях обладают исключительно высоким значением магнитной восприимчивости. Абсолютное значение ϰ природных диамагнетиков очень мало, обычно порядка 10-5 ед. СИ и не может обеспечить возникновения ощутимых магнитных аномалий. К природным диамагнетикам относятся некоторые металлы (например, золото и висмут), фосфор, сера и такие минералы, как кварц, кальцит, галит, гипс, ангидрит, ортоклаз, циркон, галенит, сфалерит, барит, флюорит, апатит, графит. Природные парамагнетики имеют магнитную восприимчивость порядка 10-5 - 10-4 ед. СИ. Их крупные скопления могли бы вызвать магнитные аномалии в несколько нанотесла. К парамагнетикам, в частности, относятся платина, гранаты, тальк, турмалин, мусковит, большинство окислов и сульфидов. Ферромагнитные вещества отличаются большими значениями ϰ и сложной зависимостью намагниченности от намагничивающего поля и температуры. Свойства ферромагнетиков проявляются только до некоторой температуры (точка Кюри), выше которой они превращаются в парамагнетики. Эта температура для разных веществ и минералов различна. Связь между магнитной восприимчивостью и намагниченностью ферромагнетиков, возникающей под действием постоянного магнитного поля напряженностью Н, т.е. индуцированной намагниченностью Ii,описывается формулой: Ii = ϰ Н/(1 +ϰ N), где N — коэффициент размагничивания, зависящий только от формы тела и изменяющийся от 0 до 1. Минимальные значения N будут по направлению длинной, а максимальные — по направлению короткой оси намагничиваемого тела. Если произведение ϰN мало по сравнению с единицей, то им можно пренебречь, и тогда Ii = ϰН. Это соотношение справедливо для всех диа- и парамагнетиков, в том числе для подавляющего большинства горных пород, в состав которых входят ферромагнитные минералы, но не для руд с высоким содержанием ферромагнитных минералов. Ферромагнетизм объясняется наличием в веществе областей спонтанного намагничивания - магнитных доменов (домен - макроскопическаяобластьвмагнитномкристалле, вкоторойориентациявектораспонтанной (самопроизвольной)однороднойнамагниченности определенным образом повернута или сдвинута относительно направлений соответствующеговекторавсоседнихдоменах) в границах которых магнитные моменты атомов соответствуют состоянию магнитного насыщения и взаимно параллельны. Намагничивание ферромагнетика постепенно возрастающим полем ведет к росту намагниченности вещества до определенного предела, называемого намагниченностью насыщения Is. Если после такого намагничивания измерить Iв нулевом магнитном поле, то окажется, что намагниченность уже не равна нулю, как это было до начала эксперимента. Часть намагниченности сохранится из-за того, что при намагничивании произошли необратимые смещения границ доменов. Такая намагниченность называется изотермической остаточной намагниченностью Ir. Ее можно разрушить, создав магнитное поле, направление которого противоположно первоначальному. Напряженность магнитного поля, необходимого для разрушения Ir, называется коэрцитивной силой Нс. Известны и другие виды остаточной намагниченности: термоостаточная Irt, динамическая Ird, химическая Irc. Термоостаточная намагниченность возникает при охлаждении ферромагнетика от точки Кюри до некоторой температуры в постоянном магнитном поле. Она очень устойчива и намного превосходит изотермическую. Динамическая остаточная намагниченность возникает за счет давления вышележащих толщ и тектонических напряжений. Химическая остаточная намагниченность образуется при химических превращениях, ведущих к возникновению новых минералов или изменению кристаллической структуры существующих. Естественная остаточная намагниченность минералов и горных пород является векторной суммой различных видов остаточной намагниченности и обозначается In. Она может быть очень мала по сравнению с индуцированной современным полем Земли, но может и значительно превосходить ее. Отношение In/Ii = Q называется фактором Кенигсбергера. Эта величина может быть разной даже для двух образцов одной и той же породы. Основными ферромагнитными минералами являются магнетит, титаномагнетит, маггемит, пирротин. Их магнитные свойства приведены в табл. 1.1. Маггемит представляет собой магнитную модификацию окиси железа - γ-Fе2О3. Гематит в так называемом α-состоянии относится к антиферромагнетикам, т.е. имеет доменную структуру с параллельным, но взаимно противоположным направлением магнитных моментов внутри доменов. Поэтому в таком состоянии минерал обладает слабой магнитной восприимчивостью. Маггемит (γ-состояние гематита) является типичным ферромагнетиком, но при температуре несколько сотен градусов он необратимо переходит в α –состояние гематита.  Магнитная восприимчивость горных пород определяется главным образом концентрацией в них ферромагнитных минералов, но так как ϰкаждого природного ферромагнетика изменяется в некоторых пределах, то возможны случаи, когда породы с большим содержанием магнетита могут оказаться менее магнитными, чем другие породы с меньшим содержанием этого минерала. Кроме того, магнитная восприимчивость пород зависит от размеров кристаллов ферромагнетика (растет с увеличением размеров кристаллов), формы включений минералов. Так, менее магнитны породы, в которых ферромагнетики образуют изолированные включения, по сравнению с теми, в которых они являются цементирующей средой. Индуцированная намагниченность Iiгорных пород обычно пропорциональна магнитной восприимчивости и имеет то же направление, что и намагничивающее поле Земли. Исключения составляют сильномагнитные породы и руды; для них характерно отклонение вектора от направления намагничивающего поля в сторону плоскости, в которой расположены наиболее длинные оси тела. Естественная остаточная намагниченность In горных пород определяется их составом и геологической историей. Направления Ii и In могут не совпадать, что отчасти объясняется изменением во времени направления магнитного поля Земли. Последнее связано как с миграцией полюсов во времени, так и с инверсией земного поля, т.е. изменением его полярности. Естественная остаточная намагниченность, сформировавшаяся в прошлые геологические эпохи, может сохранить направление древнего поля. На основании изучения направления In пород, абсолютный возраст которых достоверно определен, установлено систематическое изменение направления земного магнитного поля и выделены эпохи его прямой (совпадающей с современной) и обратной полярности. Наименее магнитны породы осадочного происхождения. Чаще всего значение их магнитной восприимчивости составляет (5÷10)·10-5 ед. СИ, а для карбонатных пород и хемогенных образований ϰ обычно не превышает 4·10-5 ед. СИ. Относительно повышенные значения ϰ могут быть свойственны лишь терригенным породам, особенно накопившимся вблизи областей древнего разрушения. Магнитная восприимчивость таких пород колеблется в пределах (30÷100)·10-5 ед. СИ, хотя в отдельных случаях может и превышать эти значения. Естественная остаточная намагниченность осадочных пород обычно ничтожно мала. Магнитная восприимчивость магматических пород различного состава изменяется в зависимости от среднего содержания в них магнетита, которое повышается от пород кислого состава к основным и ультраосновным породам. Это иллюстрирует нижеследующий рисунок.  Среди интрузивных пород наименее магнитными чаще всего бывают граниты. Гранодиориты и кварцевые диориты встречаются различной намагниченности (рис. 1.3), но в целом они несколько более магнитны, чем граниты. Диориты и габбро встречаются как слабо-, так и сильномагнитные. Для пород группы габброноритов свойственна несколько меньшая магнитная восприимчивость, что связано с преимущественным развитием в них не магнетита, а титаномагнетита. Анортозиты имеют низкую магнитную восприимчивость. Ультраосновные породы характеризуются весьма широким диапазоном изменения магнитной восприимчивости. Их неизмененные разности слабомагнитны, так как большая часть железа в них входит в состав силикатов. Но при серпентинизации этих пород, которая очень распространена, происходит развитие серпентина по оливину и пироксену и освобождается часть железа, за счет которого образуется магнетит. В результате серпентинизированные породы имеют более высокую ϰ. Для всех интрузивных пород намечается тенденция увеличения магнитной восприимчивости с увеличением щелочности и с уменьшением глубины становления массивов. Магнитная восприимчивость эффузивов близка к ее значению у соответствующих интрузивных аналогов. Естественная остаточная намагниченность магматических пород может колебаться в широких пределах, но в целом намечаются корреляционная связь между значениями ϰ и In и уменьшение In с увеличением возраста пород. Очень высокой естественной остаточной намагниченностью обладают многие эффузивы основного состава, особенно молодые. Для эффузивов Камчатки и Кавказа, траппов Сибири коэффициент Q может достигать многих единиц. Магнитные свойства метаморфических пород определяются не только содержанием ферромагнитных минералов, но и структурой их вкрапленности. Наименьшими значениями ϰ и In обладают породы, являющиеся продуктом метаморфизма осадочных образований: глиноземистые кристаллические сланцы, кварциты, мраморы, парагнейсы и параамфиболиты. Значение магнитной восприимчивости этих пород обычно не превышает 50·10-5 ед. СИ, а естественной остаточной намагниченности — 50·10-3 А/м. В широких пределах меняются магнитные свойства ортопород. Высокие значения ϰ и In чаще всего бывают характерны для ортоамфиболитов и амфиболовых ортогнейсов. Сильномагнитными могут быть хлоритовые и хлоритсодержащие сланцы, а также скарны. Наиболее магнитными разностями метаморфических пород являются железистые кварциты. Значение их магнитной восприимчивости находится почти в прямой зависимости от содержания магнетита и может достигать 10—20 ед. СИ, но в зонах мартитизации ϰ резко уменьшается до 10-3 ед. СИ. Отметим, что окварцевание и низкотемпературные гидротермальные изменения обычно ведут к понижению магнитных свойств всех пород. Магнитные свойства руд определяются присутствием в них ферромагнитных минералов. Наиболее магнитны магнетитовые и титаномагнетитовые руды, их магнитная восприимчивость составляет 1 - 20 ед. СИ, причем для последних часто бывает характерно высокое значение In. Магнитная восприимчивость сульфидных медно-никелевых руд объясняется присутствием в них магнетита и пирротина; она обычно колеблется в пределах (50÷350)·10-3 ед. СИ. Как правило, сильномагнитными являются руды скарновых месторождений меди, вольфрама, молибдена, олова и других полезных ископаемых за счет присутствия в них магнетита, некоторые свинцово-цинковые и оловянные руды гидротермального генезиса, а также колчеданные руды благодаря наличию в них магнетита и пирротина. Их магнитная восприимчивость чаще всего составляет (30 ÷200)·10-3 ед. СИ, причем руды, содержащие пирротин, зачастую имеют заметную естественную остаточную намагниченность, не совпадающую по направлению с Ii. Магнитными являются каменистые и некоторые рыхлые разности бокситов, что объясняется присутствием в них магнетита и маггемита. Их магнитная восприимчивость варьирует от 4·10-3 до 200·10-3 ед. СИ (каменистые) и от 4·10-3 до 12·10-3 ед. СИ (рыхлые бокситы). Глинистые бокситы обычно практически немагнитны. Разнообразными значениями ϰ и In обладают кимберлиты, в том числе алмазоносные. Наиболее часто встречаются кимберлиты с магнитной восприимчивостью (17÷30)·10-3 ед. СИ и значениями Q от 0,2 до 3,3. Последние могут меняться даже в пределах одной и той же кимберлитовой трубки. Известны и слабомагнитные кимберлиты с ϰ < 10-3 ед. СИ, тоже содержащие алмазы. |