CC BY
144
УДК 550.382.3
ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТНОИ ВОСПРИИМЧИВОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД © 2010 г. Б.И. Урусова, З.А. Салпагарова, У.М. Лайпанов
Карачаево-Черкесский государственный университет, ул. Ленина 29, г. Карачаевск, 369200, kcsu@mail.ru
Karachi-Cherkess State University, Lenin St., 29, Karachaevsk, 369200, kcsu@mail.ru
Экспериментально исследованы магнитная восприимчивость, магнитная анизотропия восприимчивости и кажущаяся восприимчивость горных пород (андезито-базальт) при комнатных температурах и магнитных полях до 1,6 -103 А/м.
Ключевые слова: намагниченность, магнитная восприимчивость, магнитная анизотропия, кажущаяся восприимчивость, андезито-базальт, порода.
In work are considered a magnetic susceptibility, magnetic anisotropy of a susceptibility and a seeming susceptibility of rocks (andezit-basalt) at room temperatures and magnetic fields to 1,6 103 А/m.
Keywords: magnetization, magnetic susceptibility, magnetic anisotropy, seeming susceptibility, andezit-basalt, rock.
Горные породы обычно содержат некоторое количество ферромагнитных зерен или ферримагнитных минералов. Поэтому большинство горных пород обнаруживают свойственные ферромагнетикам магнитный гистерезис и температуру Кюри, хотя их намагниченность в ряде случаев очень незначительно превышает намагниченность парамагнетиков. Рассеянное состояние ферромагнитных частиц не влияет на интенсивность намагниченности и точку Кюри, но магнитная восприимчивость и гистерезисные характеристики горных пород имеют отличительные от чистых ферромагнетиков особенности. С точки зрения магнетизма «идеализированными горными породами» являются такие, в которых небольшое количество мелких ферромагнитных частиц эллипсоидальной формы распределено равномерно, частицы имеют хаотическую ориентацию и находятся друг от друга на расстояниях, исключающих магнитное взаимодействие между ними.
Целью данной работы является исследовать при комнатных температурах и магнитных полях до 1,6 -103 А/м (20 Э) магнитную восприимчивость магнитную анизотропию восприимчивости и кажущуюся восприимчивость горных пород (андезито-базальт), взятых из правобережья р. Б. Зеленчук Карачаево-Черкесской Республики, номер буровой скважины 16/1061, возраст р2+К2.
Намагниченность горных пород (андезито-базальт) измеряли баллистическим методом [1]. По кривым намагничивания вычисляли величину магнитной восприимчивости к:
к = 1/И (1)
или удельной магнитной восприимчивости %
Х = ЦРИ , (2)
где I - намагниченность, соответствующая различным значениям напряженности магнитного поля; Н - напряженность приложенного магнитного поля; р - плотность горной породы (андезито-базальт).
На рис. 1 риведена зависимость магнитной восприимчивости (андезито-базальт) от величины приложенного магнитного поля Н.
А--103
2,0 -1,5 -
0,5 '
400
800
1200
"1-
1600 Н, А/м
Рис. 1. Зависимость магнитной восприимчивости горных пород от внешнего магнитного поля
Измеренная магнитная восприимчивость горных пород является кажущейся из-за влияния размагничивающего фактора зерен ферромагнитных минералов,
0
содержащихся в горных породах. Зная истинную намагниченность и размагничивающий фактор горной породы (андезито-базальт) можно вычислить кажущуюся восприимчивость КД .
Для этой цели предположили, что в горной породе ферромагнитное зерно находится внутри произвольной полости. Тогда эффективное магнитное поле Нэфф в полости будет равно [2]:
Яэфф = Н - (Ь - М) I ; (3)
I = кАИудд , (4)
где Ь и М - размагничивающие факторы горной породы и полости.
Обозначая через Н1 - эффективное магнитное поле; 11 - интенсивность намагничивания; N - размагничивающий фактор отдельного зерна ферромагнитного минерала, присутствующего в полости; р - объёмное содержание данного минерала в породе, получили следующие формулы:
Я = Я эфф - NII ; (5)
I = И;. (6)
I = р1г . (7)
На основании уравнений (1)-(7) получили выражение для кажущейся магнитной восприимчивости:
Рк
кА =
1 + [N + (Ь -ы)р]к '
Если р<<1, рк
КА =-
(8)
(9)
ZA =
21 3
. г
1
1
1
л
1 + N1k 1 + N 2 к 1 + N3k
Рк 1 + Nk
V
где N1, N2, N - размагничивающиеся факторы вдоль главных осей = 4л).
Экспериментальная величина размагничивающего фактора N на 20 % меньше соответствующей величины для сферы (4л/3).
Если Ик >> 1, то кажущаяся восприимчивость почти равна 1/N, что говорит о том, что она больше зависит от размагничивающего фактора, чем от истинной восприимчивости горной породы.
Во всех наших рассуждениях магнитная восприимчивость полагалась изотропной величиной на ос-
нове предположений об изотропности истинной восприимчивости и случайного распределения направлений больших осей ферромагнитных частиц. Если эти допущения неверны, то восприимчивость проявляет анизотропные свойства. Анизотропная магнитная восприимчивость является тензором второго порядка к^
и может быть представлена эллипсоидом восприимчивости. Следует отметить, что по определению величина, обратная квадрату длины радиус-вектора эллипсоида восприимчивости, равна величине восприимчивости в направлении радиус-вектора. Поэтому геометрическое место концов векторов, представляющих восприимчивость, параллельное Н, не образует эллипсоида (рис. 2).
F
1 + Ик
Полученная формула (9) справедлива для идеализированной породы (для одной частицы). Обозначая кажущуюся удельную восприимчивость ферромагнитного минерала (андезито-базальт) %А, а его весовую концентрацию q, получим вместо (8) соотношение
=5а =__ (Ю)
1 рА 1 + [И + (ь - м)др А / Р]Р1 , где р А - плотность ферромагнитного минерала (ан-
дезито -базальт).
Из формулы (10) следует
г = ЧХ
1 + ИрХ '
Так как горная порода содержит большое количество ферромагнитных трехосных сфероидов со случайно распределенными направлениями их больших осей, то кажущаяся восприимчивость горной породы выразится следующим образом :
Рис. 2. Анизотропная магнитная восприимчивость: ОС -направление магнитного поля Н; ОЕ - анизотропная намагниченность горной породы, вызванная полем Н; ОМ - намагниченность, измеренная баллистическим методом горной породы; геометрическое место точек К представляет эллипсоид (сплошная линия); геометрическое место точек Е (пунктирная линия) является эллипсоидом величины магнитной восприимчивости горной породы; а, Ь - главные оси эллипсоида
Из работы [3] следует, что величина магнитной восприимчивости горных пород в плоскости залегания и перпендикулярно к ней заметно отличается друг от друга. В нашем случае это расхождение достигает порядка ~25 %.
Если выразить степень анизотропии магнитной восприимчивости горной породы соотношением
тахк
Рмах/мт
штк.
то степень анизотропии составляет р
мах / мт
= 1,8.
b
По-видимому, анизотропия магнитной восприимчивости горной породы обусловлена формой магнитного тела и кристаллографической анизотропией.
Из вышеизложенного следует, что:
- магнитная восприимчивость возрастает с увеличением магнитного поля;
- магнитная восприимчивость в слабых полях имеет сложную зависимость от рода, количества и размеров ферромагнитных зерен, а также от внутреннего напряжения в них;
- средняя форма ферромагнитных зерен в горной породе (андезито-базальт) близка к форме вытянутого сфероида со случайно распределенными направлениями их больших осей;
- степень анизотропии составляет piàô / iin = 1,8 ;
- для горной породы при Nk >> 1 кажущаяся восприимчивость равна 1/ N.
Поступила в редакцию_
Полученные результаты исследования магнитной восприимчивости, магнитной анизотропии восприимчивости и кажущейся восприимчивости горных пород (андезито-базальт) имеют большое значение в геологии, петрографии и палеомагнетизме, а также их можно рекомендовать для выявления влияния анизотропии на направление остаточной намагниченности горных пород.
Литература
1. Галкина О.С., Урусова Б.И., Шалашов В.Ф. Магнитные
и энергетические свойства сплавов // Физика металлов и металловедение. 1984. Т. 57, вып. 4. С. 828-830.
2. Тикадзуми С. Физика ферромагнетизма. М., 1983.
С. 302.
3. I.sing G. The physical theory of rock magnetism // Ark Math.
Astr. Fys. 1963. Vol. 29. Р. 11-18.
22 октября 2009 г.
