Магнитные свойства минералов

Основными носителями естественной остаточной намагниченности горных пород являются природные минералы, которые относят к ферримагнетикам или антиферромагнетикам. Их принято называть просто ферромагнетиками, или ферромагнитными минералами.

Магнетизм магматических, осадочных и метаморфических горных пород обуславливается в основном ферромагнитными минералами. Практически все эти минералы относятся к классу окислов, входят в группы магнетита, гематита и ильменита. Носителем ферромагнетизма в метасоматических, осадочных и сульфидных месторождениях является пирротин.

Ферромагнитные минералы охватывают довольно большое число минеральных видов и разновидностей. Систематизация природных ферромагнетиков выполнена минералогами и опубликована в минералогических справочниках и учебниках /22/. Выделены следующие классы минералов: самородные элементы, окислы и гидроокислы, карбонаты и сульфиды. Приведем их основные характеристики.

К самородным элементам относят железо. По условиям происхождения различают теллурическое (земное) железо, железо метеоритное и лунное (космическое). Теллурическое железо редко образует крупные скопления, встречается в виде мелких зерен в изверженных, метаморфических и осадочных породах. Магнитные свойства железа земного происхождения практически изучены слабо. Температура Кюри железа Т_к равна 770^оС. Степень изученности магнитных свойств метеоритного и лунного железа тоже недостаточная.

К классу сложных окислов относится магнетит. Магнетит FeFe₂O₄ – один из наиболее распространенных ферромагнитных минералов, встречающихся в различных изверженных горных породах (кислых, щелочных, основных, ультраосновных) и месторождениях различных генетических типов. Магнетит является основным в магматических месторождениях, приуроченных к кислым и щелочным породам типа сиенитов; в месторождениях, связанных с пегматитами; в контактово-метасоматических месторождениях; в гидротермальных месторождениях; месторождениях, возникающих при региональном метаморфизме осадочных железных руд. Разновидности магнетита: титаномагнетит, хроммагнетит и др. Синоним: магнитный железняк. Магнетит является основной рудой железа.

Магнитные свойства магнетита достаточно хорошо изучены. Ферримагнитные свойства обусловлены антипараллельным расположением магнитных моментов спинов и подрешеток. Точка Кюри Т_к= 578^оС, намагниченность насыщения J_s = 480 10 ^–3 А/м. Критические размеры доменов магнетита 0.01-0.1 мкм и 10-20 мкм. Присутствие в горных породах однодоменных зерен магнетита обеспечивает их стабильную термоостаточную намагниченность этих пород. В природе магнетит - важная составляющая, участвующая в формировании твердых растворов минералов типа маггемита и др.

Маггемит γ-Fe₂O₃ образуется в железных шляпах при низких температурах в процессе окисления магнетита и других ферримагнетиков. Встречен в лавах. Обычной формой нахождения этого минерала в природе являются прожилковые и петельчатые выделения. Маггемит термически не устойчив. При температуре выше 220-300^оС необратимо переходит в гематит. Сильно магнитен. Удельная намагниченность маггемита равна 85 Ам²/кг.

Титаномагнетит. Минерал представляет собой твердый раствор магнетита и ульвошпинели. Существование твердых растворов зависит от температуры: чем выше температура, тем устойчивее минерал, а при снижении температуры равновесие твердого раствора нарушается, составы становятся неустойчивыми. Увеличение содержания кислорода приводит к появлению титаномаггемитов (γ = Fe₂O₃).

Гематит Fe₂ O₃ является весьма распространенным минералом, он встречается в горных породах и рудах различного генезиса: в кислых и средних изверженных породах обычно в качестве акцессорного минерала, в метаморфических и осадочных породах как породообразующий минерал. В некоторых железорудных месторождениях гематит является основным компонентом руд.

Гематит – низкотемпературная α-фаза магнетита, обладающая при идеальной антиферромагнитной структуре слабым ферромагнетизмом. В интервале температур 0≤Т≥250^оК гематит становится скомпенсированным антиферромагнетиком. Отличительными чертами гематита как носителя магнитных свойств горных пород является его высокая магнитная жесткость и высокая температура Кюри. Гематит обладает слабой спонтанной намагниченностью, ему свойственна одноосная анизотропия. Намагниченность насыщенного гематита равна 0.36 А м²/кг (по данным исследования в Японии). Магнитная восприимчивость гематита обнаруживает закономерное изменение в зависимости от размера зерен. Образцы магматических и метаморфических пород с тонкозернистым гематитом обладают очень высокой магнитной стабильностью.

Ильменит FeTiO₃ является ранним минералом многих изверженных пород, преимущественно основного и, реже, кислого состава: габбро, андезитов, диоритов и др. Широко проявлен в титаномагнетитовых рудах, а также пегматитах. Ильменит обладает антиферромагнитной структурой, при комнатной температуре парамагнитен. В естественных условиях часто встречается совместно с гематитом, образуя структуры распада.

В классе сульфидов, магнетизм которых представляет интерес для исследователей, выделяют подкласс простых и сложных сульфидов. Рассмотрим свойства пирротина – наиболее распространенного в природе минерала подкласса сульфидов.

Пирротин Fe_1-x S (FeS_1+x) входит в состав сульфидов железа, отличающихся последовательным увеличением молекулярного содержания серы. При увеличении содержания серы у пирротинов наблюдаются обычные ферромагнитные свойства, но имеются данные, позволяющие относить его к нескомпенсированным антиферромагнетикам /20/. Как акцессорный минерал он характерен для различных изверженных и эффузивных пород. В месторождениях медно-никелевых руд (Талнахское, Норильское, Седбери (Канада) и др.) пирротин является важной составляющей руд. Значительные скопления пирротина встречаются в месторождениях контактово-метасоматического типа, в которых он находится в ассоциации с халькопиритом, пиритом и магнетитом. Пирротин – распространенный минерал типичных гидротермальных месторождений. Выделения пирротина обнаружены в осадочных железосодержащих месторождениях. Известны находки пирротина в карбонатах и кимберлитах. Синоним: магнитный колчедан.

Важный вклад в образование магнетизма горных пород вносят минералы подкласса гидроокислов – гетит и лепидокрокит.

Гетит α - FeOOH, гидрогетит α –FeOOH nH₂O обладают слабыми магнитными свойствами. Все они являются антиферромагнетиками, но благодаря внутренним эффектам кристаллической решетки часто обладают заметной остаточной намагниченностью. Удельная намагниченность составляет

0.1 Ам²/кг.

Лепидокрокит γ-FeOOH часто встречается в ассоциациях с гетитом, гидроокислами железа в зоне окисления железорудных месторождений, а также в глинистых почвах. Лепидокрокит относится к антиферромагнетикам. При температуре 150-250^оС он переходит в маггемит.