CC BY
42
ИЗМЕРЕНИЕ МАГНИТНОЙ ВЯЗКОСТИ ВО ВРЕМЕННОЙ ОБЛАСТИ ЛАБОРАТОРНОЙ ИНДУКЦИОННОЙ УСТАНОВКОЙ
Ярослав Константинович Камнев
Институт нефтегазовой геологии и геофизики СО РАН, 630090, г. Новосибирск, пр. Коптюга, 3, аспирант, тел. (383) 330-79-08, e-mail: [email protected]
Николай Олегович Кожевников
Институт нефтегазовой геологии и геофизики СО РАН, 630090, г. Новосибирск, пр. Коптюга, 3, главный научный сотрудник, тел. (383) 333-28-16, e-mail: [email protected]
Галина Гельевна Матасова
Институт нефтегазовой геологии и геофизики СО РАН, 630090, г. Новосибирск, пр. Коптюга, 3, ведущий научный сотрудник, тел. (383) 335-64-33, e-mail: [email protected]
В статье приведены результаты измерений переходных характеристик образцов магнитовязких базальтов.
Ключевые слова: переходные процессы, магнитная вязкость, суперпарамагнетизм, базальт.
TIME-DOMAIN MAGNETIC VISCOSYTY MEASUREMENTS WITH LABORATORY INDUCTIVE SYSTEM
Yaroslav K. Kamnev
A.A. Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 3 Prosp. Koptyuga, Novosibirsk, 690090, Ph.D. student, tel. (383) 330-79-08, e-mail: [email protected]
Nikolai O. Kozhevnikov
A.A. Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 3 Prosp. Koptyuga, Novosibirsk, 690090, general researcher, tel. (383) 333-28-16, e-mail: Kozhevnikov-
Galina G. Matasova
A.A. Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 3 Prosp. Koptyuga, Novosibirsk, 690090, leading researcher, tel. (383) 335-64-33, e-mail: [email protected]
The paper discuses inductive transient response, measured on magnetically viscous basalt
cores.
Key words: transient response, magnetic viscosity, superparamagnetism, basalt.
Явление магнитной вязкости известно физикам с 40-х годов прошлого столетия. В геофизике с этим эффектом так же давно знакомы, однако, в основном, как с помехой, осложняющей измерения. В палеомагнетизме выявление и устранение вязкой намагниченности является важной частью исследований. После появления в начале 80-х годов прошлого столетия высокочувствительной аппаратуры для измерения индукционных переходных
процессов, эффекты магнитной вязкости стали заметны и в электроразведке [1]. При работах методом переходных процессов (МПП) релаксация намагниченности ультрадисперсных частиц ферримагнитных минералов наводит в приёмной петле ЭДС, сравнимую или даже превышающую индуцируемую вихревыми токами. Магнитную вязкость рассматривают преимущественно как помеху, осложняющую интерпретацию данных МПП в терминах электропроводности. Однако магнитные свойства и пространственное распределение однодоменных частиц ферримагнитных минералов представляют собой источник геологически-содержательной информации. В связи с этим целесообразно изучить эффект магнитной вязкости в лабораторных условиях во временной области.
Проявления магнитной вязкости в геологических средах связаны преимущественно с релаксацией намагниченности однодоменных частиц ферримагнитных минералов. Если однодоменная частица мала, или температура велика, её магнитный момент может испытывать тепловые флуктуации. Под действием внешнего магнитного поля частицы пытаются выстроиться по его направлению. После выключения магнитного поля в результате тепловых флуктуаций приобретённая намагниченность постепенно исчезает. Это явление называют суперпарамагнетизмом. После выключения поля остаточная намагниченность (1г) убывает во времени по экспоненциальному закону
где 10 - намагниченность в момент выключения внешнего поля, 1 - время после выключения поля, и т0 - постоянная времени релаксации процесса. Время
- энергия анизотропии, V - объём частицы, к - постоянная Больцмана, Т -абсолютная температура. В геологических средах однодоменные частицы представлены ансамблями с широким спектром размеров. Как правило имеет место равномерное распределение времён релаксации частиц, при этом увеличение и спад намагниченности среды, при включении и выключении внешнего магнитного поля, происходит по логарифмическому закону.
Электроразведочный метод переходных процессов основан на изучении магнитного поля вихревых токов, устанавливающихся после выключения тока в источнике. Для возбуждения и регистрации переходных процессов используются горизонтальные незаземлённые петли. При исследовании среды, содержащей суперпарамагнитные (СПМ) частицы, релаксация намагничености создаёт переменный магнитный поток через приёмную петлю, и индуцирует в ней ЭДС. Так как спад намагниченности в большинстве случаев имеет логарифмический характер, ЭДС в приёмной петле описывается зависимостью а1;-1.
За основу лабораторной установки для изучения проявлений магнитной вязкости была взята полевая станция Еав18иар [2] для работ методом переходных процессов. Она позволяет измерять сигналы в диапазоне 0,01 мкВ -1 В, с диапазоном времён измерения 10 мкс - 0,5 с. Материал для исследований
релаксации процесса т0=Г0"1ехр{Киу/кТ) зависит от ^ - коэффициент частоты, Ки
был представлен образцами керна базальтов, проявление вязкости которых было ранее установлено в палеомагнитном центре ИНГГ СО РАН. Для возбуждения и измерения переходных процессов использовались многовитковые катушки. Схема установки изображена на рис. 1.
Чем больше объём образца, тем больше в нём БРМ частиц, соответственно
больше ЭДС переходного процесса. Поэтому первые измерения проводились на образцах цилиндрической
формы диаметром 63 мм и высотой 30 мм. Результаты измерений приведены на рис. 2. Во всех случаях ЭДС переходного процесса
описывался аґ1. Подобные переходные характеристики указывает на присутствие в образцах БРМ частиц, и не могут быть связанны с релаксацией вихревых токов или поляризуемостью среды [3]. Диапазон амплитуды параметра а составляет около 2-х порядков.
и для измерения ременной области:
- измеритель; 3 -
- измерительная бразец
Рис. 2. Индукционные переходные процессы, измеренные на цилиндрических
образцах керна базальтов
Следующая серия измерений проводилась на кубических образцах размером 2 см х 2 см х 2 см, изготовленных из того же керна, что и цилиндрические образцы. Использовалась индукционная система с кубической катушкой. Из полученных результатов (рис.3) видно, что амплитуда переходных характеристик меньше чем при использовании цилиндрических образцов примерно на порядок. Поэтому шумы измерительной системы начинают искажать переходные характеристики на ранних временах. Из-за этого переходные процессы не всех образцов удалось аппроксимировать степенной функцией вида аґ1.
Рис. 3. Индукционные переходные характеристики,измеренные на образцах
базальтов кубической формы
Оценка погрешностей измерений проводилась по специальной методике. Для оценки уровня шумов системы проводились измерения без образцов и без подачи тока в генераторную петлю. Среднеквадратичное отклонение амплитуды шумов от нуля, с учётом усреднения по 100 реализациям, составила 0,01мкВ. Исследовалась также воспроизводимость результатов измерений. Были проведены десятки измерений переходных процессов одних и тех же образцов. Во время измерений искусственно изменялись условия их проведения, что позволило изучить влияние возможных источников систематических погрешностей (таких как температура, ориентация образца и т.п.). Выяснилось, что среднеквадратичное отклонение переходных процессов составляет не более 5 % от их амплитуды (рассчитывалось в интервале переходных процессов, где их амплитуда была на несколько порядков выше амплитуды переходного процесса катушки и амплитуды шумов). Также было изучено влияние силы тока в генераторной обмотке на ЭДС переходного процесса. В результате этих
измерений показано, что измерительная система является линейной по отношению к силе тока.
Хотя переходные характеристики цилиндрических образцов удаётся измерять с низкой погрешностью, для изготовления таких образцов необходимо большое количество кернового материала. Более удобным представляется использование небольших кубических образцов, которые являются стандартными в палеомагнитных исследованиях. Первые попытки работы с кубическими образцами выявили проблемы. Так, из-за того что количество SPM частиц в кубических образцах невелико ЭДС переходного процесса лишь незначительно превышает уровень шумов измерительной системы. Бороться со случайными шумами можно увеличением накопления количества измерений. Однако подобная мера значительно увеличивает время измерения, а так как при длительных измерениях генераторная обмотка измерительной катушки нагревается, образец нагревается. Исследования влияния температуры на отклик SPM частиц показали, что нагревание образца на 100С увеличивает магнитную восприимчивость примерно на 10%, поэтому при проведении измерений необходимо обеспечивать постоянство температуры образца. Ещё один способ повысить чувствительность измерительной системы -минимизировать переходный процесс измерительной катушки. Это позволит измерять переходную характеристику SPM частиц на более ранних временах, где ЭДС переходного процесса больше.
В целом метод измерения релаксации намагниченности SPM частиц во временной области представляется перспективным. Лабораторная установка требует дальнейших доработок для повышения чувствительности и устранения причин погрешностей. После усовершенствования станет эффективным инструментом для лабораторного измерения геологических сред с магнитной вязкостью. Вероятно, эта установка найдёт применение и в палеомагнитных исследованиях.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Buselli. G. The effect of near-surface superparamagnetic material on electromagnetic measurements [Text] / Buselli. G. / Geophysics, vol. 47 (September 1982) p. 1315-1324.
2. Телеметрическая аппаратура FastSnap для малоглубинных электромагнитных
зондирований [Электронный ресурс] / ссылка на сайт:
http://www.sibgeosystems.ru/hardware/FastSnap/
3. Кожевников, Н.О. Магнитная вязкость траппов и её связь с аномалиями электромагнитного поля в методе переходных процессов / Н.О. кожевников, С.В. Снопков // Геология и геофизика. - 1995. - т. 36. - № 5. - с. 91-102.
© Я.К. Камнев, Н.О. Кожевников, Г.Г. Матасова, 2012
