Магнитные и электрические свойства горных пород: определяющие факторы и закономерности.

Ферромагнетизм. Виды намагниченности

В методах магниторазведки и палеомагнитологии важна намагниченность горных пород: индуктивная и остаточная. В электромагнитных методах, использующих переменные поля достаточно высокой частоты, определенное значение имеет магнитная проницаемость (μ), но для большинства горных пород μ =1, только сильные ферромагнетики имеют μ порядка 2—20.

Полная намагниченность горной породы J векторно складывается из индуктивной J_i и остаточной J_r, намагниченности. Индуктивная намагниченность пропорциональна напряженности современного магнитного поля J_i = кН, где коэффициент пропорциональности к — магнитная восприимчивость (тензор). В полях с большой напряженностью Н магнитная восприимчивость нелинейно зависит от Н, но для слабых полей порядка земного можно считать к(Н) = соnst.

Значения магнитной восприимчивости, а это безразмерная величина, зависят от выбора системы единиц, в СГС и СИ они не совпадают. Это следует из определения вектора Н — напряженности магнитного поля в различных системах единиц и из определения намагниченности и магнитной индукции:

вСИ: Н=В/μ₀ —J; J=кН; В=μμ₀Н; отсюда μ=1+к;

вСГС: Н=В-4πJ; J=кН; В=μН; отсюда μ=1+4πк.

 

Здесь μ₀ — магнитная постоянная, μ₀=4π·10^-7 Гн/м, часто называемая магнитной проницаемостью вакуума. Магнитная восприимчивость минералов и горных пород определяется, за небольшими исключениями (о них — позже), содержанием ферромагнитных минералов переходных металлов, в основном — группы железа, и в первую очередь — самого железа как наиболее распространенного из переходных металлов.

Ферромагнетизм имеет следующие свойства.

1. Он создается спиновыми магнитными моментами валентных электронов, что однозначно определяется при измерениях гиромагнитного отношения γ=е/m_е = 1,759·10¹¹ Кл/кг (е и m_е — заряд и масса электрона соответственно).

2. Имеется три уровня магнитного упорядочения:

а) параллельная ориентация магнитных моментов валентных электронов, энергетически выгодная, вопреки правилу Хунда, приводящая к взаимной компенсации магнитных полей антипараллельно ориентированных магнитных моментов электронов у диа- и парамагнетиков;

б) упорядочение направлений магнитных моментов атомов в кристаллической решетке, по которому различают:

— собственно ферромагнетики — с параллельной ориентацией магнитных моментов всех атомов,

— антиферромагнетики - с двумя подрешетками равных по модулю и противоположно ориентированных магнитных моментов,

— феррмиагнетики (ферриты) — с противоположно ориентированными разными по модулю магнитными моментами подрешеток,

— слабые ферромагнетики — с ориентированными под разными углами магнитными моментами подрешеток, атомных плоскостей;

в) доменная структура ферромагнитных материалов, согласная ориентация намагниченности в небольших частях ферромагнитных тел доменах.

З. Намагничивание требует энергетических затрат. Известны три механизма намагничивания, подменяющие друг друга во времени или с увеличением напряженности намагничивающего поля:

а) смещение доменных стенок, что приводит к росту доменов с ориентацией магнитных моментов, близкой к направлению намагничивающего поля и к сокращению размеров противоположно ориентированных магнитных моментов доменов;

б) повороты доменов до наилучшего совпадения их магнитных моментов с направлением намагничивающего поля;

в) парапроцесс усиление согласованности магнитных моментов атомов в кристаллической решетке за счет преодоления магнитной силой взаимодействия магнитных моментов друг на друга, нарушающих параллельную ориентацию, и влияния тепловых колебаний атомов в решетке.

По J_H намагниченностью насыщения и Н_c - коэрцитивной силой (полем противоположного знака, которое требуется для снятия намагниченности) различают магнитомягкие материалы, применяемые для измерения магнитных полей и в датчиках магнитной ориентации, и магнитожесткие материалы, к числу которых относятся ферромагнитные минералы. Намагниченность насыщения у магнитомягких материалов достигается в основном за счет смещения доменных стенок а у магнитожестких за счет поворота доменов. Второй механизм требует большей энергии, и магнитожесткие вещества могут быть постоянными магнитами.

4. Намагниченность изменяется с температурой. Эта зависимость нелинейная, различная у разных ферромагнетиков. Две подрешетки ферримагнетика часто имеют разные температурные кривые намагниченности. Тогда суммарная намагниченность меняет знак при изменении температуры. У всех ферромагнетиков намагниченность скачком уменьшается на несколько порядков при нагревании выше определенной для каждого вещества температуры (точки Кюри для ферромагнетиков и точки Нееля для антиферромагнетиков). Это точки магнитного фазового перехода (2-го рода), в которых разрушается ферромагнитная упорядоченность на электронном уровне. В таких переходах скачком меняются вторые производные термодинамического потенциала (свободной энергии) Гиббса: сжимаемость, теплоемкость, магнитная восприимчивость. Вещество становится парамагнитным с увеличением температуры.

5. В ферромагнитных материалах намагниченность зависит от механических напряжений (пьезо- или тектономагнетизм) и, наоборот, их намагничивание изменяет объем и форму тел (магнитостогласная рикция).

б. Намагниченность ферромагнетиков зависит от формы тела. На тело всегда действует собственное магнитное поле, направленное противоположно намагничивающему полю и создающее эффект размагничивания.

7. Намагниченность изменяется со временем и зависит от магнитной истории породы или тела. Причин магнитного старения довольно много: оно может быть самопроизвольным, вызываться действием постоянных и переменных магнитных полей, температуры, радиации, механических воздействий. Разные виды намагниченности имеют неодинаковую стабильность. Введено специальное понятие магнитной вязкости для характеристики запаздывания во времени намагниченности от изменений напряженности поля; есть несколько квантово-физических моделей ее природы.

Виды намагниченности

Намагничивание горных пород геомагнитным полем в естественных условиях происходит при определенных температурных условиях в присутствии механических напряжений, с фазовыми, а иногда и химическими преобразованиями вещества. Этот сложный процесс можно разделить на составляющие виды намагниченности.

Намагниченность постоянным магнитным полем при постоянных значениях давления и температуры, называемая нормальной или изотермической, по своей природе является индуктивной, но может быть давней, т. е. остаточной; она нестабильна при нагревании. добавление к постоянному магнитному полю переменного создает более интенсивную намагниченность, называемую идеальной; ее применяют в качестве одного из способов магнитной чистки при подготовке образцов к палеомагнитным измерениям. Вязкой называют намагниченность, уменьшающуюся со временем в результате действия релаксационных процессов.

Термоостаточная намагниченность J_rt образуется при остывании горных пород с ферромагнитными компонентами ниже температуры Кюри или Нееля. Это главный вид остаточной намагниченности магматических пород как объектов палеомагнитологии. Она весьма стабильна; необходимое для ее снятия поле (термокоэрцитивная сила) может в несколько раз превышать по напряженности земное.

Ориентационная остаточная намагниченность J_ro осадочных пород возникает при осаждении мелких, часто однодоменных частиц с ориентацией их магнитных моментов в геомагнитном поле. Эта намагниченность, как правило, слабоинтенсивная и не очень стабильная, но она наиболее интересна в палеомагнитных исследованиях ввиду широкого распространения и невысокой степени дислоцированности ее носителей терригенных осадочных пород.

Химическая остаточная намагниченность J_rc образуется в осадочных породах в результате химических изменений: новообразования окислов железа, раскристаллизации, дегидратации железосодержащих минералов; она обнаруживается у некоторых карбонатных пород, бокситов, осадочных железных руд. Химической в большинстве своем является природа изменений магнитных свойств горных пород в процессах метаморфизма.

Одной из важных характеристик магнитных свойств горных пород является отношение абсолютных значений остаточной и индуктивной намагниченности, называемое отношением или фактором (Кенигсбергера) Q=J_r/J_i. Если для объектов магниторазведки можно гарантировать малую величину этого фактора, < 0,2, то не нужно специально определять направление намагниченности, особенно для не сильно магнитных пород и руд, так как индуктивная намагниченность направлена по современному полю.