Магнитные свойства минералов и пород

Магнитные свойства минералов и пород: лабораторные методы изучения

Магнитные свойства минералов и горных пород определяются их способностью реагировать на внешнее магнитное поле. В геофизике особое внимание уделяется таким характеристикам, как магнитная восприимчивость, остаточная намагниченность, коэрцитивная сила, насыщенная намагниченность, а также температуры магнитных превращений. Эти параметры определяют поведение пород в естественном магнитном поле Земли и находят широкое применение в палеомагнитных, магниторазведочных и тектонофизических исследованиях.

Магнитная восприимчивость (магнитная проницаемость)

Магнитная восприимчивость (χ) — это отношение намагниченности материала к напряжённости внешнего магнитного поля. Измерения проводят с использованием индукционных и мостовых методов.

Приборы:

Индукционные катушки – для оценки изменения магнитного потока.
Кварцевая крутильная система – используется для измерения слабой восприимчивости.
Измерители типа Kappabridge – автоматизированные приборы высокой чувствительности.

Особенности измерений:

Измерения проводят как при нормальных условиях, так и при нагревании для изучения зависимости χ от температуры.
Возможна анизотропия магнитной восприимчивости (АМВ), которую исследуют для выявления ориентированных текстур в породе, отражающих тектонические процессы или условия осадконакопления.

Остаточная намагниченность

Остаточная намагниченность (Jr) — это намагниченность, сохраняющаяся после снятия внешнего магнитного поля. Является фундаментальной характеристикой для палеомагнитных исследований.

Разновидности остаточной намагниченности:

Термореманентная (TRM) – возникает при остывании минерала в магнитном поле.
Детритовая (DRM) – формируется в осадках при оседании магнетитовых частиц.
Химическая (CRM) – появляется при кристаллизации или преобразовании минералов.
Искусственная (IRM) – индуцируется в лаборатории при кратковременном воздействии поля.

Методы измерения:

С помощью магнитометров с флюксгейтовыми или сверхпроводящими сенсорами (SQUID).
Применяются альтернирующие размагничивания или термические методы для выделения различных компонентов Jr.

Кривая намагничивания и коэрцитивная сила

Кривая намагничивания демонстрирует зависимость намагниченности от приложенного магнитного поля. Она включает петлю гистерезиса, характеризующую такие параметры, как:

Коэрцитивная сила (Hc) – напряжённость поля, необходимая для размагничивания минерала.
Наcыщенная намагниченность (Js) – максимальная намагниченность, достигаемая в сильном поле.
Остаточная намагниченность (Jrs) – сохраняющаяся намагниченность после снятия поля.

Измерения:

Производятся на вибрационном магнитометре (VSM) или импульсных установках.
При анализе гистерезисных петель получают информацию о магнитных минералах: их зернистости, степени окисления, и фазовых соотношениях.

Анизотропия магнитной восприимчивости (АМВ)

АМВ отражает различия в магнитной восприимчивости в разных направлениях и служит индикатором структурной ориентировки минералов в породе. Методика включает:

Измерение χ вдоль нескольких ортогональных направлений.
Построение эллипсоидов восприимчивости.
Расчёт параметров линейности и плоскостности текстуры.

Применение АМВ:

Реконструкция условий деформации пород.
Определение направления палеотечений в осадочных толщах.
Выявление магматических потоков.

Температурные исследования: кривая Кюри и магнитные превращения

Магнитные свойства минералов изменяются с температурой. Ключевое значение имеет точка Кюри — температура, выше которой ферромагнетик теряет способность к спонтанной намагниченности.

Методы:

Термомагнитные кривые χ(T) записываются при нагреве и охлаждении образца в переменном магнитном поле.
Анализ фазовых переходов — позволяет установить тип магнетика (например, магнетит, гематит) и определить степень окисления.

Аппаратура:

Kappabridge с высокотемпературной приставкой.
Лабораторные печи с контролем магнитного поля.

Импульсная и переменная остаточная намагниченность

Импульсная (IRM) и переменная остаточная намагниченность (ARM) являются важными диагностическими параметрами при лабораторном моделировании процессов естественной намагниченности.

IRM получают кратковременным воздействием сильного поля, что позволяет оценить наличие высококоэрцитивных минералов (гематит, гоитит).
ARM индуцируется в переменном затухающем поле с добавлением направленного постоянного, имитируя природные условия DRM.

Значимость:

Используются для расчёта коэффициентов коэрцитивности.
Применяются в палеомагнитных реконструкциях для оценки стабильности записи древнего магнитного поля.

Минералогический состав и его влияние на магнитные параметры

Магнитные свойства пород определяются в первую очередь содержанием и состоянием следующих минералов:

Магнетит (Fe₃O₄) – основной носитель природной намагниченности, с высокой χ и TRM.
Гематит (Fe₂O₃) – антиферромагнетик с высокой коэрцитивной силой, устойчив к термическому размагничиванию.
Титаномагнетиты и ильмениты – сложные твердые растворы, отражающие историю магматического процесса.
Пирротин – слабомагнитный минерал, встречающийся в сульфидных месторождениях.

Петрографический анализ и магнитоминералогическое фракционирование позволяют установить фазовый состав, размер и распределение магнитных зерен, а также степень окисления и текстуру минералов.

Интеграция методов

Для комплексного изучения магнитных свойств требуется объединение множества методик:

Измерение χ и Jr, анализ температурных кривых.
Гистерезисные исследования – для интерпретации поведения в сильных полях.
Тонкий магнитный анализ – декомпозиция сигналов, извлечение стабильных и нестабильных компонентов намагниченности.
Картирование АМВ – для тектонических и осадочных реконструкций.

Комплексный подход обеспечивает не только количественное описание магнитных свойств, но и раскрывает процессы формирования, изменения и сохранения намагниченности в геологических телах. Именно такие данные лежат в основе интерпретации аномалий магнитного поля, уточнения моделей геодинамики, поисков полезных ископаемых и реконструкции древних геологических событий.