Исследование вязкой намагниченности в горных породах Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УДК 550. 382. 3

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЯЗКОЙ НАМАГНИЧЕННОСТИ В ГОРНЫХ ПОРОДАХ

© 2006 г. Б.И. Урусова, М.З. Лайпанов, М. Т. Шидаков

Viscous magnetization and its mechanism in the rocks of KCHR are researched. It is showed that remanence of the rocks falls down on 80 % of its initial value, moreover depression - 1Г in monodomain samples is higher, than in multidomain ones. And also are showed analogy between viscous magnetization and disaccomodation and connection of time with the reduction of the magnetic viscosity's factor.

Исследование магнитной вязкости в горных породах дает новые экспериментальные данные для построения теоретических моделей эффекта магнитного последействия. Зная магнитные характеристики, можно определить условия формирования намагниченности в породе и, следовательно, условия формирования породы.

Целью данной работы является исследование вязкой намагниченности горных пород Карачаево-Черкесской республики (КЧР).

Горные породы, находящиеся в небольшом магнитном поле Земли в течение многих лет, имеют свойства проявлять магнитную вязкость.

Магнитная вязкость - это явление, связанное с временным запаздыванием магнитных характеристик: I - намагниченности; % - восприимчивости от изменения магнитного поля [1].

Нами были отобраны образцы проб магнетических горных пород с точным указанием местности, номера буровой скважины, слоя скважины, возраста породы и даты отбора Шаонинского комплекса КЧР.

Процессы магнитной вязкости связаны с установлением в веществе магнитного равновесия в соответствии с его новым магнитным состоянием: У13Я

Ie

NIS th -

(1)

1 (() = Ieq + (t0 -Ieq ^

-tl T

(2)

где Iо = М/У - (М - магнитный момент) - начальная намагниченность;

т - время релаксации; которое определяется соотношением:

( Еа }

t = t0 • expI -Т l=T0exP

( К V л

kT

(3)

где К - константа анизотропии; То - постоянная порядка 10-10с; Еа - энергия активации, необходимая для перемагничивания частиц.

Если в формуле (2) учесть, что 1о = 0, и применить условие нормировки

IP (t) d (t) = 1,

получим:

то

I (() = 11

eq

1 - exp | —

(4)

P(t) d T = IeqG(t) , (5)

где

ед - - кт

где N — число частиц в образце; У = ш/р (ш - масса; р - плотность) - объем образца; Н— приложенное магнитное поле; к— постоянная Больцмана; Т— термодинамическая температура; I$ = NgJJ /иБ (gJ -фактор Ланде; J - полное квантовое число атома; /иБ - магнитон Бора) - намагниченность насыщения.

Изменение намагниченности определяется по формуле:

0 (() = 0 Р (т) 1-ехр ^—J с1т . (6)

Аналогично для уравнения зависимости спада вязкой намагниченности от времени ^ при 1ед = 0

имеем:

I(с) = 1о [1-О(/с)]. (7)

Пусть функция Р (т) ограничена в интервале времени [т2 -т1], тогда:

Р(т) = , (1 , ) при т <<Т<<Т2 . (8)

т1п (2 /т)

Для различных интервалов значений времени /, учитывая, что т2 >> т1, можно получить следующее выражение О (/):

О(()= С1+(1Пт) при т1 <</<<т2, (9)

1п(2 /т1)

где С - постоянная Эйлера.

В интервале времени т^ <</ <<т2 можно найти рост намагниченности по формуле:

1 (()= 1п (!е;/т1) (ш1+с - шт1). (10)

Для спада намагниченности, учитывая (7), получим:

I (td )=

'eqd

7-7-^ (max + C - ln td \ (11)

ln v max ! t1 )

где ттах - максимальное время релаксации.

Изменение вязкой намагниченности в интервале времени (ть т2

2 ), по Неелю, подчиняется соотношению [3]:

(12)

I (() = + B ln — - C ln

t

0

0

где ^ - время, отчитываемое при росте вязкой намагниченности; - при ее спаде.

оо

В этом случае коэффициенты роста и спада вязкой намагниченности при небольших магнитных полях равны:

^ = —; sd . (13)

д 1п ( д 1п

Исследования роста индуктивной 1у и остаточной вязкой намагниченности 1Г велись в интервале вре-

13

мени от = 1 с до т2 = 10 с при комнатной температуре в магнитных полях до 8-104 А/м.

Ранее в [2] нами рассмотрена методика проведения магнитных измерений.

Результаты экспериментальных измерений вязкой намагниченности приведены на рис. 1 и 2.

На рис. 1 приведена линейная зависимость остаточной вязкой намагниченности 1Г от ^ / в широком временном интервале, а на рис. 2 показан спад вязкой остаточной намагниченности после выдержки в магнитном поле.

Ir 10

2 4 6 8 10

lg t

Рис. 1. Рост вязкой остаточной намагниченности горной породы, взятой из Шаонинского комплекса КЧР

Ir

40 4

lg t

Рис. 2. Спад вязкой остаточной намагниченности после выдержки в магнитном поле: 1 - 50 с; 2- 250 с; 3 - 500 с; 4 -1500 с

Отклонение от линейности наблюдается при спаде 1Г при / > 0,9 /, где 1 - время вязкого намагничивания (см. рис. 2). Коэффициент магнитной вязкости спада вязкой намагниченности Sd меньше коэффициента роста индукции S и остаточной вязкой намагниченности Sr, при комнатной температуре их от-

клонение равно ~ 1. За время, равное времени намагничивания 1Г, большинство образцов уменьшается на 80 % от первоначальной величины.

Отсутствие нелинейности на рис. 2 в верхней части кривых спада 1Г объясняется тем, что т для исследуемой горной породы существенно меньше времени эксперимента. Продолжительность участка спада 1г (1Е и )> 107 с.

Уменьшение значения коэффициентов Sd при уменьшении времени вязкого намагничивания можно объяснить тем, что при малом времени роста вязкой намагниченности мало и максимальное время релаксации, и при последующем спаде 1Г наблюдается переход от линейной зависимости 1Г от ^ к зависимости 1Г , данной для >> Т2 .

Для объяснения механизма вязкого намагничивания нами был проведен эксперимент по спаду остаточной намагниченности. Размагниченные переменным полем 16-104 А/м образцы намагничивались в

поле Н = 16 -10 А/м и после измерения остаточной намагниченности 1Г (1) помещались в пермаллоев-ские экраны. После временной выдержки без поля проводилось повторное измерение 1Г (2).

Исследованы образцы горных пород с размерами

0

частиц 500 А (таблица), многодоменные образцы (1-2); монокристаллы магнетита (3- 4); образцы, полученные механическим дроблением монокристаллов магнетита (5- 6). Дальнейшее истирание магнитного порошка в агатовой ступне привело к еще большому измельчению частиц до 10-7 м. Из этого порошка приготовлены образцы (7- 8). Образцы (9-12) осадочных и изверженных пород, в которых, по данным магнитных измерений, преобладают магнетитовые частицы, по размерам близкие к однодоменным частицам.

Результаты измерений показали, что во всех исследованных образцах наблюдается спад I (остаточной намагниченности), причем спад 1Г в однодомен-ных образцах выше, чем в многодоменных.

Наиболее существенным доводом магнитной вязкости в горных породах является дезаккомодация магнитной восприимчивости х . Представлялось интересным на одних и тех же образцах измерить дезак-комодацию магнитной восприимчивости после воздействия на образцы переменного магнитного поля с максимальной амплитудой ~ 8-104А/м:

1) по всем направлениям х0 ;

2) по направлению, перпендикулярному направлению измерения х ;

3) по направлению, параллельному направлению измерения х".

Результаты измерений показали, что для многодоменных образцов разность х - Х° - отрицательна, для однодоменных образцов и осадочных пород -положительна. В случае многодоменных образцов, по-видимому, это объясняется явлением текстуриро-вания магнитной структуры х .

При хаотической ориентации частиц в образце при размагничивании по всем направлениям магнитный момент каждой частицы имеет большую вероятность установиться паралелльно оси с максимальной вели-

зывает уменьшение интенсивности вязкого намагничивания.

Из аналогии дезаккомодации и спада вязкой намагниченности следует эффективная длительность и

Результаты измерений исследованных образцов

Аналогия дезаккомодации вязкой намагниченности № образца

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Время, мин

60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5

I1 -12 J-r 1 2 О/ I2 76 74 54 50 43 40 29 25 47 79 60 24

X -0,15 -0,19 -0,02 -0,03 -0,3 -0,3 0,5 0,7 3,0 3,0 3,0 3,0

чиной энергии анизотропии, чем при размагничивании по одному направлению. Поскольку перемагни-чивание тем сложнее, чем выше энергия анизотропии,

то и величина будет минимальна.

Таким образом, из наших экспериментов следует аналогия между вязкой намагниченностью и дезакко-модацией, а также связь времени с уменьшением коэффициента магнитной вязкости, поскольку дезакко-модация приводит к возникновению энергетического барьера, который надо преодолеть, чтобы перемагни-чивать частицу.

На основании формулы (4) имеем увеличение времени релаксации частиц, что в свою очередь вы-

стабильность магнитной вязкости горных пород, т.е. термоактивационный механизм магнитного последействия. Это можно использовать на практике при тем-пературно- временной чистке вязкой намагниченности и обосновать способ ориентировки керна скважин в пространстве.

Литература

1. Вонсовский С.В. Магнетизм. М., 1971.

2. Галкина О.С., Урусова Б.И., Шалашов В.Ф. // Физика металлов и металловедение. 1984. Т. 57. Вып. 4. С. 828-830.

3. NeelL. // Ann. Geophus. 1949. Vol. 5. P. 99.

Карачаево- Черкесский государственный университет

6 июля 2005 г