Магнитные свойства

МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА минералов и горных пород (а. magnetic properties of rocks; н. Gesteinsmagnetismus, magnetische Gestein- seigenschaften; ф. proprietes magnetiques des roches; и. caracteristicas magneticas de rocas, propiedades magneticas de rocas) — совокупность свойств, характеризующих способность минералов и горных пород намагничиваться во внешнем магнитном поле. Минералы подразделяются на диамагнетики (например, кварц, кальцит, полевые шпаты, самородное серебро и золото, флюорит и др.), парамагнетики (железосодержащие силикаты, хлорит, слюды и др.), антиферромагнетики (гематит, гётит и др.), ферромагнетики (самородное железо, никель и др.) и ферримагнетики (магнетит, титаномагнетит, магномагнетит, хромит и др.). К слабомагнитным относятся диа- и парамагнитные минералы, к сильномагнитным — ферромагнитные и ферримагнитные минералы.

Термин "ферромагнитные" (вещества, минералы) нередко употребляют для обозначения ферро- и ферримагнитных материалов. Кривая намагничивания для ферро- и ферримагнетиков приведена на рис. Полный цикл намагничивания (при намагничивании образца до насыщения Is) характеризуется максимальной петлей магнитного гистерезиса. Если ферромагнетик не намагничивается до насыщения, получаем частный цикл гистерезиса (петля IRS).

К основным характеристикам магнитных свойств относятся магнитная восприимчивость (k), намагниченность (Is), точки Кюри (Tc) и Нееля (TN) и коэрцитивная сила (Hc).

Реклама



намагничивание ферромагнетикаВ точке Кюри (Tc) происходит переход вещества из ферромагнитного в парамагнитное состояние, самопроизвольная намагниченность практически исчезает. Температура перехода вещества из антиферромагнитного в парамагнитное состояние называется температурой Нееля (TN). Намагниченность вещества при увеличении напряжённости (Н) внешнего магнитного поля возрастает (рис.), а затем достигает насыщения Is. Величины Is и Tc (TN) определяются составом и распределением ионов по кристаллографическим позициям и практически не зависят от размера и формы выделений, характера распределения ферромагнитного минерала в слабомагнитной матрице, распределения напряжений и др. Эти константы ферромагнитных минералов могут быть использованы в целях диагностики, так, для магнетита Tc = 575°С, Is (при 20°С) 92 А• м2/кг; для гематита TN=675°С, Is (при 20°С) 0,36, А•м2/кг; для самородного железа Tc = 770°С, Is (при 20°С) 218 А•м2/кг и др. Значения Tc минералов зависят от содержания изоморфных примесей в кристаллической структуре, концентрации которых могут быть определены на основе известных калибровочных графиков. Так, например, содержание MgO в магномагнетитах (промежуточные члены ряда магнетит — магнезиоферрит) определяется по формуле; aMgO=85 — 0,149 Tc, где aMgO — содержание MgO в% по массе и Tc — значение температуры Кюри. Значение коэрцитивной силы Hc равно абсолютной величине поля, которое надо приложить, чтобы намагниченность образца стала равной нулю. Различают магнитно-мягкие (с малыми величинами Hc) минералы — крупнозернистый магнетит, пирротин, самородное железо и магнитно-твёрдые — гематит, маггемит). В отличие от Tc, TN и Is величины k, Hc и др. помимо состава и кристаллической структуры существенно зависят от текстурно-структурных особенностей минералов и варьируют в значительных пределах для одного минерала. Различные виды естественной остаточной намагниченности Iп, кроме указанных факторов, учитывают тот факт, что формирование минеральных индивидов и их агрегатов происходит в магнитном поле Земли.

Магнитные свойства горных пород определяются содержанием в них главным образом ферромагнитных минералов, зависят также от их состава, кристаллической структуры, текстурно-структурных особенностей и характера распределения. В связи с этим различают свойства структурно-нечувствительные к текстурно- структурным особенностям горных пород (но не к кристаллической структуре минералов): намагниченность насыщения, точка Кюри; и структурно-чувствительные, которые, кроме того, зависят от размера и структуры ферромагнитных минералов: магнитная восприимчивость, остаточная намагниченность, коэрцитивная сила. Изменение концентрации ферромагнитных минералов в изверженных горных породах определяется тектоническими условиями их образования и составом магм. В одной тектономагматической зоне намагниченность статистически растёт от пород кислого состава к основным (минимальным значениям в гранитах складчатых зон). В целом с увеличением степени метаморфизма намагниченность уменьшается, хотя её значения сильно изменяются от типа метаморфизма. Например, серпентинизация перидотитов, в которых отсутствуют первичные магнитные минералы, приводит к образованию магнетита и росту намагниченности.

Различие магнитных свойств по разным направлениям породы определяется кристаллографической анизотропией ферромагнитных минералов, текстурой, неизометричностью формы зёрен, линейным или послойным их распределением. Наибольшей магнитной анизотропией обладают метаморфические горные породысланцы, гнейсы, у которых отношение kмaкc/kмин достигает 1,5-2,0 и более. Измерения магнитных свойств ведутся магнитомеханическими или индукционными методами. Магнитомеханический метод основан на измерении отклонения под воздействием магнитного поля образца и применяется для измерения остаточной намагниченности и восприимчивости образцов горных пород (MA-21, МАЛ-036, ЛАМ-3 и др.). Индукционным методом (магнитное поле движущегося образца создаёт в катушке эдс индукции) измеряют различные виды намагниченности (рокгенераторы), точки Кюри (прибор с нагревом образца), восприимчивость (ИМВ-2). Чувствительность этих приборов до 10-5 А/м. Используются также сверхпроводящие квантовые интерферометры (точность измерения 10-7 А/м).

Изучение магнитных свойств позволяет судить об условиях образования и преобразования минералов и горных пород, о природе магнитных аномалий Земли. Например, естественная остаточная намагниченность горных пород характеризует напряжённость и направление магнитного поля времени образования породы, что позволило создать палеомагнитную шкалу времени, способствовало развитию тектоники литосферных плит. На магнитных свойствах основаны магнитная разведка и археомагнетизм, на выделении ферромагнитных минералов из горных пород — обогащение методом магнитной сепарации, а разделение магнитной фракции горных пород по составу основано на различиях значений точек Кюри минералов (термомагнитная сепарация).