Магнитные свойства горных пород

Лабораторные методы изучения магнитных свойств горных пород

Общие сведения о магнитных свойствах пород

Магнитные свойства горных пород определяются наличием в них магнитных минералов, прежде всего оксидов железа — магнетита (Fe₃O₄), гематита (Fe₂O₃), гётита (FeO(OH)), титаномагнетита и других. Эти минералы придают породам способность реагировать на внешнее магнитное поле и создавать собственное магнитное поле, что важно для интерпретации магнитной аномальности земной коры и для реконструкции геологической истории.

Магнитные свойства подразделяются на основные характеристики, включающие:

магнитную восприимчивость (χ),
остаточную намагниченность (Jr),
коэрцитивную силу (Hc),
насыщение намагниченности (Js),
магнитную вязкость.

Каждая из этих характеристик измеряется с использованием специализированных лабораторных методик и оборудования. Точное определение магнитных свойств образцов пород позволяет решать задачи стратиграфии, палеомагнетизма, тектоники, минералогии и при поиске полезных ископаемых.

Методы измерения магнитной восприимчивости

Магнитная восприимчивость (χ) — это мера способности материала намагничиваться под действием внешнего магнитного поля. Она является объемной или массовой, в зависимости от цели исследований.

Приборы и методы:

Индуктометрические приборы (например, kappameter, магнитометр Бартингтона) используют принцип изменения индуктивности катушки при помещении образца.
Метод переменного поля основан на регистрации ЭДС, наведённой в катушке при намагничивании и размагничивании образца.

Образцы подвергаются измерению в трех взаимно перпендикулярных направлениях для расчета анизотропии магнитной восприимчивости (АМВ). Эта анизотропия используется при интерпретации тектонических процессов, так как она может отражать ориентацию минеральных зёрен, деформационные структуры и условия образования породы.

Изучение остаточной намагниченности

Остаточная намагниченность (Jr) сохраняется в породах даже после прекращения внешнего магнитного поля. Она является основой палеомагнитных реконструкций.

Типы остаточной намагниченности:

Термореманентная намагниченность (TRM) — формируется при охлаждении магматических пород через температуру Кюри.
Детритовая (DRM) — появляется при осаждении обломочного материала в водной среде.
Химическая (CRM) — возникает при химической трансформации минералов.
Искусственная (IRM) — индуцированная в лабораторных условиях.

Лабораторные методики:

Измерение в магнитометрах — вектор Jr определяется с помощью криогенного или вращающегося магнитометра.
Пошаговое термическое или переменное размагничивание позволяет выделить компоненты Jr различного происхождения.
Методы термомагнитного анализа используются для определения температур, при которых формировалась Jr, что позволяет установить температурные условия диагенеза и метаморфизма.

Определение коэрцитивной силы и намагниченности насыщения

Коэрцитивная сила (Hc) отражает устойчивость остаточной намагниченности к размагничиванию, а намагниченность насыщения (Js) характеризует максимальное намагничивание при сильном внешнем поле.

Экспериментальные подходы:

Образец последовательно намагничивают в магнитном поле, постепенно увеличивая его напряженность.
Строится кривая гистерезиса, из которой извлекаются значения Jr, Js и Hc.
Кривые гистерезиса измеряются с помощью вибрационных магнитометров или магнитометров с циклическим режимом поля.

Интерпретация данных позволяет различать магнетит, гематит, титаномагнетит по форме петель гистерезиса и значению Hc.

Анизотропия магнитной восприимчивости (АМВ)

АМВ характеризует направленные свойства породы, отражающие структурную ориентацию минеральных зёрен. Это особенно важно в литологических и тектонических исследованиях.

Измерения АМВ:

Образец измеряется в нескольких ориентациях в трёхмерной системе координат.
Полученные данные интерпретируются с помощью тензора восприимчивости.
Построение эллипсоидов АМВ позволяет визуализировать направление максимальной, промежуточной и минимальной восприимчивости.

АМВ широко применяется в тектонофизике для выявления направления сжатия и растяжения, в исследованиях вулканических и осадочных структур.

Температурный анализ магнитных свойств

Изменение магнитных характеристик при нагревании образца отражает минеральный состав и температурные фазы перехода.

Методы температурного анализа:

Термомагнитные кривые строятся при нагреве и охлаждении породы.
Температура Кюри позволяет точно определить минеральный состав: магнетит (580 °C), гематит (675 °C), пирротин (~320 °C).
Терморазмагничивание используется в палеомагнитных исследованиях для выделения стабильных компонент Jr.

Температурные кривые информативны при изучении магматических пород, постмагматических изменений, зон метаморфизма и гидротермальных процессов.

Магнитная минералогия и микроскопия

Для интерпретации магнитных измерений необходимо установить минеральный состав. Это достигается методами магнитной минералогии и микроскопического анализа.

Применяемые методы:

Рентгенофазовый анализ (XRD) — определяет кристаллическую структуру и минералогический состав.
Электронная микроскопия (SEM/TEM) — позволяет идентифицировать форму и размер зёрен магнитных минералов.
Мёссбауэровская спектроскопия — используется для дифференциации между Fe²⁺ и Fe³⁺ в структуре минералов.
Петрофизическая корреляция — совместный анализ магнитных и плотностных характеристик породы.

Лабораторное моделирование и синтез

В научных целях используются модели магнитных свойств на искусственно созданных образцах. Это позволяет понять механизмы формирования Jr, влияние структуры и состава на χ, Hc и другие параметры.

Синтетические материалы — порошки магнетита, тонкопленочные структуры, керамики — подвергаются тем же процедурам измерения. Эти данные важны при калибровке оборудования и для теоретического моделирования магнитных аномалий.

Применение результатов

Изучение магнитных свойств в лабораторных условиях имеет большое прикладное значение:

в геологоразведке — для выявления рудных тел и магматических интрузий;
в палеомагнетизме — для реконструкции дрейфа материков, изменений магнитного поля Земли;
в тектонофизике — для анализа деформационных структур;
в археомагнетизме — при датировке археологических объектов;
в геотермии и вулканологии — при интерпретации температурных изменений пород.

Лабораторные методы являются необходимым звеном между полевыми измерениями и теоретической интерпретацией, обеспечивая высокую точность и достоверность магнитных данных.