Глава 7. Магнитные свойства химических элементов, минералов и горных пород.

Большинство химических элементов являются диа- и парамагнитными. Характерна четко выраженная периодичность смены диамагнетизма на парамагнетизм элементов. Элементам первой половины периодов свойственен парамагнетизм в связи с незаполненностью электронами внешней орбиты, элементам второй половины – диамагнетизм, определяющийся полностью заполненными орбитами.

Диамагнитная восприимчивость большинства элементов составляет (–10÷0)·10^-5 СИ. Диамагнетиками являются инертные газы, ряд металлов (медь, серебро, золото, цинк, висмут) и неметаллов (кремний, кварц, алмаз, графит, сера, фосфор), органические соединения.

Восприимчивость парамагнитных веществ положительна, и магнитные моменты усиливают внешнее поле. При намагничивании атомные моменты выстраиваются по направлению поля. Абсолютные значения æ меняются в диапазоне 10^-2 ÷10^-5 ед. СИ.

К парамагнетикам относятся щелочные и щелочноземельные металлы, некоторые переходные металлы; ряд солей железа, кобальта, никеля и редкоземельных элементов, из газов кислород.

Среди парамагнитных веществ выделяется особая группа веществ, называемая ферромагнитными. К ферромагнетикам относится железо, кобальт, никель, и некоторые виды лантаноидов: гадолиний (64 Gd), тербий (65 Tb), диспрозий (66 Dy), гольмий (67 Ho), эрбий (68 Er). А также ряд соединений хрома, марганца и урана с неферромагнитными элементами.

По величине æ все минералы делятся на три группы: диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики.

Диамагнитные минералы (висмут, медь, золото, серебро, алмазы, свинец, кварц, гипс, и другие) обладают самой малой восприимчивостью æ обычно порядка (1–2) ·10^-5 ед. СИ. Такие минералы не могут создавать магнитных аномалий.

Парамагнетизмом обладают соли редкоземельных элементов, щелочные металлы ряд широко распространенных породообразующих минералов умеренно кислого и основного состава: оливина, пироксенов, амфиболов, гранатов, железосодержащих слюд, а также доломит, магнезит, каолинит. Парамагнитные минералы (платина, гранат, турмалин, мусковит, биотит) имеют магнитную восприимчивости æ порядка (20–90)·10^-5 ед. СИ. Их крупные скопления вызывают аномалии в несколько нТл. Магнитная восприимчивость чисто парамагнитных минералов, как правило, не превышает значений (25–35)·10^-5 ед. СИ. Наличие микровключений ферромагнитных элементов, связанных с ранней стадией кристаллизации магматических пород или с высокотемпературными метасоматическими процессами, повышает значение æ. Двух- и трехвалентное железо, входя в состав слюд, оливинов, пироксенов, гранатов, создает повышенную парамагнитную восприимчивость. Для большинства известных минералов характерна смешанная параферромагнитная природа магнетизма.

Примеры магнитной восприимчивости (·10^-5 ед. СИ) некоторых минералов (Н.Б. Дортман, 1984 г.):

Интенсивность намагничивания которая у диамагнитных минералов и парамагнитных минералов прямолинейно растет в увеличением магнитного поля. Если минерал вынести из магнитного поля, то он просто размагнитится.

Ферромагнетики характеризуются значениями æ >> 0, μ >> 1, а также намагниченностью, являющейся нелинейной и неоднозначной функцией внешнего магнитного поля. Ферромагнитные минералы (от лат. слова ferrum – железо) обладают самыми высокими значениями магнитной восприимчивости æ. Никель и кобальт естественных ферромагнитных минералов не образуют.

Наиболее постоянными параметрами для чистых ферромагнитных минералов является намагниченность насыщения J_s и температура Кюри.

Наиболее распространенными ферромагнитными минералами являются окисные соединения железа – магнетит 8,8–25 ед. СИ, титаномагнетит 1,3–10^-4 ед. СИ, маггемит 3,8–25 ед. СИ; сидерит 2,5–7,5·10^-3 ед. СИ; из сульфидных минералов – пирротин 0,13–1,3 ед. СИ. Большой магнитной восприимчивостью обладает минерал якобсит MnFe₂O₄ – 250 ед. СИ.

Н.Б. Дортман выделяет четыре группы минералов:

1) безжелезистые диамагнитные и парамагнитные минералы, характеризующиеся очень низкой магнитной восприимчивостью, составляющие наибольшую часть (в процентном отношении) магматических и метаморфических пород кислого состава;

2) железистые минералы, ферропарамагнитные, магнитная восприимчивость которых изменяется от первого десятка до сотен 10^-5 СИ за счет включений ферромагнетиков; они входят в небольшом количестве в состав кислых магматических и метаморфических пород и составляют существенную часть пород основного и ультраосновного состава;

3) ферромагнитные минералы с очень высокой восприимчивостью и часто очень высокой остаточной намагниченностью; являются характерными акцессорными минералами магматических и метаморфических пород;

4) ферромагнитные минералы с низкими магнитными свойствами; специфичны главным образом для осадочных и метасоматических измененных пород.

Магнитные свойства горной породы зависят от ее химико-минералогического состава, структуры, соотношения в породах диа-, пара-, и ферромагнитных минералов и их количества.

Магнитные свойства пород характеризуются широким диапазоном значений до десятков тысяч 10^-5 СИ. В зависимости от магнитных свойств на практике используют классификацию горных пород, предложенную Д.Л. Берсудским. Он разделил все породы по величине æ на пять групп:

1. Практически немагнитные æ < 50·10^-5 ед. СИ – в основном это осадочные породы;

2. Очень слабомагнитные æ = (50–100)·10^-5 ед. СИ – часть осадочных пород, метаморфических и кислых магматических пород;

3. Слабомагнитные, æ = (100–1000)·10^-5 ед. СИ (часть осадочных, магматических, и метаморфических пород);

4. Магнитные æ = (1000–5000)·10^-5 ед СИ (магматические породы и часть метаморфических);

5. Сильномагнитные æ > 5000·10^-5 ед. СИ.

Для определения магнитных свойств пород отбирают образцы из обнажений и измеряют в лабораторных условиях. Для измерения остаточной намагниченности отбирают ориентированные образцы по специальной методике.

Магнитные характеристики горных пород определяются следующими факторами:

· Концентрацией ферромагнитных материалов.

Основные породообразующие минералы являются диа- и парамагнетиками и характеризуются значениями æ от –5·10^-5 ед. СИ до 10–150·10^-5 ед. СИ. Присутствие в составе породы зерен ферромагнитных минералов (магнетита, гематита, титаномагнетита, маггемита и др.) резко повышает значение магнитной восприимчивости.

· Их составом и структурой.

· Особенностями их магнитного строения.

Магматические породы характеризуются очень широким диапазоном значений магнитной восприимчивости – от единиц до десятков тысяч 10^-5 ед. СИ. Гипербазиты неизмененные характеризируются слабой магнитной восприимчивостью, соответствующей (20–100)·10^-5.

Широкий диапазон измерения значений æ определяется составом первоначальных расплавов, термобарическими и окислительно-восстановительными условиями образования и последующих изменений пород.

В магматических породах ферромагнитные минералы присутствуют в виде зерен первично-магматических минералов – магнетита, титаномагнетита, ильменита, гемольменита и других веществ низко- и высокотемпературного окисления при кристаллизации магмы – гематита, маггемита.

Таким образом, эти минералы появляются как одновременно с образованием породы, так и в процессе ее жизни. Средние значения магнитной восприимчивости возрастают от кислых к основным и ультраосновным группам пород. Кроме того, основные и средние породы ранних фаз внедрения расплавов отличаются во всех интрузивных комплексах различных формаций более высокими значениями æ, чем у последующих фаз. Это связано с ростом кислотности пород от начальных фаз и соответственно уменьшением содержания ферримагнетиков.

Для метаморфических пород характерен наиболее широкий диапазон изменения значений магнитной восприимчивости и естественной намагниченности.

Мрамор, кристаллические известняки характеризуются отрицательной магнитной восприимчивостью. Железистые кварциты, серпентиниты, скарны по значениям магнитной восприимчивости, остаточной и естественной намагниченности приближаются к магнетитовым рудам. При этом эти метаморфические породы встречаются редко и образуют самостоятельный класс диамагнитных пород. Наиболее широко распространенные породы – микрокристаллические сланцы, гнейсы, амфиболиты имеют и малый диапазон изменений магнитных свойств и обладают более низкими максимальными значениями, чем магнитные образования.

Метаморфические породы имеют либо очень слабую магнитную восприимчивость, зависящую от состава породообразующих минералов, либо различное значение магнитной восприимчивости от 100·10^-5 до 10000·10^-5 ед. СИ, пропорционально содержанию ферромагнитной фракции.

Все магнитные параметры метаморфических пород зависят от первоначального субстрата и от различий процессов его преобразования.

В регионально-метаморфизованных породах ферромагнетики представлены магнетитом, в породах, подвергшихся гидротемально – метасоматическим процессам, – магнетитом, гематитом, маггемитом в тесной ассоциации с породообразующими железосодержащими минералами – оливином, амфиболом, пироксеном. Низкие значения магнитной восприимчивости характерны для метаморфических пород, происходящих из практически немагнитных осадочных (глинистые сланцы, филлиты, кварциты, мрамор и др.).

Магнитные характеристики осадочных пород обусловлены главным образом акцессорными минералами, обладающими выраженными ферромагнитными свойствами – магнетитом и его разновидностями, маггемитом, гематитом и гидроокислами железа.

Значения магнитной восприимчивости осадочных пород существенно меньше значений æ магматических пород, поскольку содержание в них ферромагнитных минералов ниже. Наиболее распространенные породообразующие минералы осадочных пород (кварц, кальцит, полевые шпаты, гипс, ангидрит, галит) являются диамагнетиками или слабыми парамагнетиками и естественно не вносят заметного вклада в магнитную восприимчивость пород.

Среди сильных парамагнетных минералов наибольшую роль играют сидерит, хлорит, пирит, ильменит, биотит, иногда глинистые минералы.

Однако в значительной мере эта роль обусловлена примесями, реликтами и новообразованиями железоокисных минералов с ферромагнитными свойствами. С этими включениями и примесями связаны повышенные значения магнитной восприимчивости.

Магнитные минералы присутствуют в виде зерен магнетита, мартита и гематита с эффективным диаметром от 0,01 до 2 мм. По размерам эти зерна принадлежат к песчано-алевритовой фракции.

В глинистых породах они встречаются в виде тонкорассеянного гематита, маггемита осадочно-диагенетического происхождения. Диаметры зерен в этом случае изменяются от долей микрометра до нескольких десятков микрометров. Все эти частицы попадают в глинистые фракции.

Нефть является диамагнетиком. Ее магнитная восприимчивость примерно равна (-1)·10^-5 ед. СИ. В зависимости от плотности и состава магнитная восприимчивость нефти может несколько изменяться. В пластовых условиях нефть может характеризоваться даже слабыми парамагнитными свойствами, что обусловлено молекулярными свойствами органических компонент с железом и его окислами и повышенной концентрацией этих соединений.

Магнитные свойства газа неизвестны. По аналогии с другими газами можно предполагать, что значения магнитной восприимчивости имеет порядок 1·10^-5 ед. СИ.

Магнитные аномалии от залежей связываются с различием магнитной восприимчивости углеводородов и законтурных вод, а также пород коллектора.

Литература

6. В.К. Хмелевской. Геофизические методы исследования земной коры.Кн.1: Методы прикладной и скважинной геофизики. Учебник.- Дубна: Международный университет природы, общества и человека «Дубна». –1997, 276с., с ил.

7. В.К. Хмелевской. Геофизические методы исследования земной коры.Кн.2: Региональная, разведочная, инженерная и экологическая геофизика. Учебное пособие.- Дубна: Международный университет природы, общества и человека «Дубна». –1999, 184с., с ил.