CC BY
78
УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИКИ ИЗМЕРЕНИЯ МАГНИТОЙ ВЯЗКОСТИ ВО ВРЕМЕННОЙ ОБЛАСТИ ЛАБОРАТОРНОЙ ИНДУКЦИОННОЙ УСТАНОВКОЙ
Ярослав Константинович Камнев
Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, проспект Коптюга, 3, аспирант, тел. (383)330-79-08, e-mail: [email protected]
Николай Олегович Кожевников
Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, проспект Коптюга, 3, д.г.-м.н., профессор, главный научный сотрудник, тел. (383)333-28-16, e-mail: [email protected]
Сергей Михайлович Стефаненко
Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, проспект Коптюга, 3, ведущий инженер, тел. (383)330-79-08, e-mail: [email protected]
В статье приведены результаты измерений переходных характеристик магнитовязких образцов.
Ключевые слова: переходные процессы, магнитная вязкость, суперпарамагнетизм.
IMPROVEMENT METHOD TIME-DOMAIN MAGNETIC VISCOSYTY MEASUREMENTS WITH LABORATORY INDUCTIVE SYSTEM
Yaroslav K. Kamnev
A.A. Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 690090, Russia, Novosibirsk, 3 Prosp. Koptyuga, Ph.D. student, tel. (383)330-79-08, e-mail: [email protected]
Nikolai O. Kozhevnikov
Dr. Sci. (Geol .-Min.), Prof., A.A. Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 690090, Russia, Novosibirsk, 3 Prosp. Koptyuga, general researcher, tel. (383)333-28-16, e-mail: [email protected]
Sergey М. Stefanenko
A.A. Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 690090, Russia, Novosibirsk, 3 Prosp. Koptyuga, leading engineer, tel. (383)330-79-08, e-mail: [email protected]
The paper discuses inductive transient response, measured on magnetically viscous samples.
Key words: transient response, magnetic viscosity, superparamagnetism.
Магнитное последействие, или магнитная вязкость, может быть проявлением нескольких физических процессов. В данной статье рассматриваются эффекты магнитной вязкости, связанные с релаксацией намагниченности однодоменных частиц ферримагнитных минералов. Если однодоменная частица мала, или температура велика, её магнитный момент испытывает тепловые флуктуа-
ции. Под действием внешнего магнитного поля частицы пытаются выстроиться по его направлению. После выключения магнитного поля в результате тепловых флуктуаций приобретённая намагниченность J спадает по экспоненциальному закону: J(t)=J0exp(-t/т). Здесь J0 - намагниченность в момент выключения внешнего поля, t - время после выключения поля, т - постоянная времени релаксации намагниченности: т=т0exp(KV/kT), где K - постоянная магнитной анизотропии, V - объем частицы, T - температура, k - постоянная Больцмана, т0=10-9с.
Обычно, в геологических средах присутствуют однодоменные частицы разного размера, поэтому их намагничивание характеризуются спектром времен релаксации. Во многих случаях можно принять, что логарифмы времен релаксации распределены равномерно. Для такого распределения намагниченность ансамбля частиц при ступенчатом изменении магнитного поля изменяется пропорционально логарифму времени [Кожевников и др., 2012].
В геофизике магнитная вязкость рассматривается преимущественно как помеха, осложняющая измерения. Так, в палеомагнетизме выявление и устранение вязкой намагниченности является важной частью исследований. После появления в начале восьмидесятых годов прошлого столетия высокочувствительной аппаратуры для работ методом переходных процессов (МПП) эффекты магнитной вязкости отмечаются и в электроразведке. И здесь магнитную вязкость рассматривают как нежелательный фактор, препятствующий интерпретации данных МПП в терминах электропроводности. С другой стороны, в последние 10 - 15 лет появились работы, где показано, что изучение магнитной вязкости геологических сред, в том числе в условиях их естественного залегания, может найти применение при решении разнообразных геологических задач. В этой связи исследования, ориентированные на изучение магнитной вязкости, представляются перспективными.
Целью исследований является совершенствование методики измерения магнитной вязкости во временной области. В настоящее время измерения проводятся преимущественно в частотной области, однако при работе во временной области есть преимущества (нечувствительность к постоянной компоненте магнитной восприимчивости, широкий частотный диапазон измерений и др.). Поэтому, методика измерений во временной области стала бы полезным инструментом при исследовании магнитной вязкости.
Ранее на основе полевой станции для зондирований методом переходных процессов FastSnap была разработана лабораторная установка для изучения магнитной вязкости во временной области. Метод переходных процессов основан на изучении магнитного поля затухающих в среде вихревых токов, устанавливающихся после выключения тока в источнике. Для возбуждения и регистрации переходных процессов в полевых условиях используются горизонтальные незаземлённые петли. При исследовании среды с высоким содержанием суперпарамагнитных частиц релаксация их намагниченности создаёт переменный магнитный поток через приёмную петлю и индуцирует в ней ЭДС. Для исследований в лаборатории используются генераторные и измерительные катушки. Лабораторная установка и методика измерений подробно описаны в
[Камнев и др., 2012]. В качестве материала для исследований использовались образцы древнего металлургического горна, а так же синтетические образцы магнитовязкой почвы.
При работе с упомянутой установкой выявились некоторые проблемы. Как выяснилось, необходимая чувствительность измерений достигалась при использовании цилиндрических образцов большого объема (диаметр 63мм, высота 30мм). При использовании образцов в виде кубика с ребром 2см погрешность измерений оказалась слишком значительной для уверенного измерения эффектов магнитной вязкости (особенно для образцов с низким содержанием суперпарамагнитных частиц). Напомним, что кубические образцы такого размера являются стандартными в палеомагнитных и петромагнитных исследованиях, в том числе, при изучении магнитной вязкости в частотной области. Кроме этого, большое количество образцов кубической формы содержатся в коллекции палеомагнитного центра ИНГГ СО РАН.
Для повышения чувствительности индукционной системы авторами разработана специальная система катушек. В качестве приёмной используется катушка кубической формы с ребром 2 см, плотно облегающая образец. Генераторная катушка цилиндрической формы диаметром 6,3 см располагается вокруг приёмной и не соприкасается с ней. Причины, по которым генераторная катушка разнесена от приёмной, заключаются в следующем. Во-первых, вязкая намагниченность сильно зависит от температуры, и нагревание образца от генераторной обмотки во время измерений приводит к дрейфу показаний прибора. Во-вторых, система с разнесенными генераторной и приёмной катушками в отличие от той, где катушки располагаются рядом, характеризуется меньшими амплитудой и длительностью собственного переходного процесса. Качество измерений удалось улучшить также благодаря шунтированию генераторной катушки переменным сопротивлением R. Измерения на ранних временах выполняются при R=1кОм, что обеспечивает малую длительность собственного переходного процесса катушек. На поздних временах, когда необходимо измерять сигналы низкого уровня, R=100 Ом. Это позволяет подавить шумы, однако приводит к затягиванию собственной переходной характеристики катушек. Поэтому измерения выполняются дважды: сначала с пустыми катушками, что дает их собственную переходную характеристику, а затем с катушками, в которые помещен образец, в результате чего измеряется суммарная переходная характеристика. Затем находится разность между суммарной и собственной переходными характеристиками, таким образом получается свободная от искажений переходная характеристика, отражающая эффекты магнитной вязкости.
В общем случае ЭДС e(t), индуцируемая в приемной катушке за счет релаксации намагниченности образца и нормированная на ток I в генераторной катушке, записывается в виде [Кожевников и др., 2012]: e(t)/I=A•t-х, где A - амплитуда переходной характеристики, x - показатель степени, определяющий скорость убывания переходного процесса (обычно x«1).Благодаря такой конструкции катушек и новым методическим приемам удалось во временном диапазоне 1 - 10мс более чем на порядок повысить точность измерения амплитуды A на кубических образцах. Рис. 1 иллюстрирует типичные результаты измерений
индукционной переходной характеристики слабомагнитного (в том, что касается проявлений магнитной вязкости) образца. Как нетрудно видеть, суммарный сигнал лишь в несколько раз превышает собственную переходную характеристику катушек. После вычитания собственной переходной характеристики из суммарной полезный сигнал может быть представлен в виде: е(1)/1 = 3,5 Ґ1,09. Таким образом, параметр х практически не отличается от единицы. Это свидетельствует о том, что переходная характеристика связана с релаксацией намагниченности суперпарамагнитных частиц. Отметим, что при работе с предыдущей системой переходные процессы с амплитудой А менее 5 - 10 мкВ/А были сильно зашумлены, и их не удавалось аппроксимировать степенной функцией. Новые катушки и методика измерений позволяют изучать переходные характеристики с амплитудой А>0.5 мкВ/А. В описываемой версии катушечной системы не предусмотрена жесткая фиксация приемной катушки внутри генераторной. Это приводит к некоторому дрейфу показаний, что препятствует оценке погрешностей при изучении слабомагнитных образцов. Поэтому, при доработке системы необходимо обеспечить жесткую фиксацию приемной катушки по отношению к генераторной, а также образца по отношению к приемной катушке.
Рис. 1. Типичные результаты измерения индукционной переходной характеристики. 1 - суммарная переходная характеристика; 2 - собственный переходный процесс измерительной системы; 3 - переходный процесс образца Благодаря использованию шунта с сопротивлением 1кОм и уменьшению силы тока в генераторной обмотке длительность собственного переходного процесса измерительной системы удалось сократить до 50 - 80 мкс. Это позволило измерить переходные характеристики образцов с высокой магнитной восприимчивостью (к « 4^10" ед. СИ) в диапазоне времён 0,1 - 10 мс. При анализе результатов измерений диапазон времен регистрации переходных характеристик был разделен на три интервала (рис. 2). В пределах каждого интервала для
аппроксимации переходного процесса использовались разные значения параметров А и х. При работе с предыдущей версией системы, когда измерения осуществлялись в диапазоне 1 - 10 мс., изменения параметров А и х были незначительны, и считалось что они связаны с погрешностями измерений. Однако, измерения на ранних (0,1-1 мс) временах новыми катушками показали, что изменения параметров А и х в связаны не с погрешностью измерений, а являются характеристикой изучаемого образца. Среднеквадратичное отклонение при измерениях на ранних временах составляет от 1 до 5%, что намного меньше различия параметров А и х в зависимости от временного интервала аппроксимации. В настоящее время невозможно однозначно ответить на вопрос, с чем связанны трудности аппроксимации всей переходной характеристики единой степенной зависимостью. Можно лишь предположить, что распределение времен релаксации частиц, которые вносят основной вклад в релаксацию намагниченности на ранних временах, отличается от общепринятой модели, согласно которой логарифмы времен релаксации распределены равномерно [Кожевников и др., 2012]. Подтверждение этой гипотезы означало бы, что индукционные измерения магнитной вязкости во временной области могут быть использованы для оценки распределения суперпармагнитных частиц по размерам, т.е. для решения задач магнитной гранулометрии.
Ъ с
Рис. 2. Переходная характеристика сильно магнитного образца разделённая на три временных интервала. Для каждого участка переходной характеристики приведена аппроксимирующая степенная функция, и величина достоверности аппроксимации R2 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Камнев Я.К., Кожевников Н.О., Матасова Г.Г. Измерение магнитной вязкости во временной области лабораторной индукционной установкой // Интерэкспо ГЕО-Сибирь 2012. VIII Междунар. Научн. конгр., 10 - 20 апреля 2012 г., Новосибирск: VIII Междунар. науч. конф. «Недропользование. Горное дело. Новые направления и технологии поиска, разведки и разработки месторождений полезных ископаемых»: сб. материалов в 2т. Т.1. - Новосибирск: СГГА, 2012. - С. 38 - 42.
2. Кожевников Н.О., Антонов Е.Ю., Матасова Г.Г., Камнев Я.К. Метод переходных процессов при изучении геологических сред с магнитной вязкостью // Геофизический журнал, №4, Т.34, 2012, с. 137 - 149.
© Я.К. Камнев, Н.О. Кожевников, С.М. Стефаненко, 2013
