Рубрикатор

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 I_s) 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 (I_s), точки Кюри (T_c) и Нееля (TN) и коэрцитивная сила (H_c).

намагничивание ферромагнетика В точке Кюри (T_c) 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 I_s и T_c (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 T_c= 575°С, I_s (при 20°С) 92 А• м²/кг; для гематита TN=675°С, I_s (при 20°С) 0,36, А•м²/кг; для самородного железа T_c = 770°С, I_s (при 20°С) 218 А•м²/кг и др. Значения T_c 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 T_c, где aMgO — содержание MgO в% по массе и T_c — значение температуры Кюри. Значение коэрцитивной силы H_c 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 T_c, TN и I_s величины k, H_c 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 I_п, 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 породы — сланцы, 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).