Намагниченность горных пород и руд.

Региональные и локальные магнитные аномалии зависят от интенсивности намагничения пород J как современным (индуцированная намагниченность ), так и древним (остаточная намагниченность ) магнитными полями, т.е. это векторная сумма . Индуцированная намагниченность любого образца породы равна , где (каппа) - его магнитная восприимчивость, а T- полный вектор постоянного геомагнитного поля. Однако этот же образец несет в себе информацию о той намагниченности, которая существовала в момент образования породы и сложным образом менялась до настоящего времени. Ее называют остаточной ( ). Вместе с отношением остаточная намагниченность количественно характеризует свойство породы сохранять или менять намагниченность за весь свой возраст, может быть, составляющий многие миллионы лет.

Примером материалов и руд, обладающих сильным магнитным полем даже при экранировке от земного магнитного поля, являются искусственные магниты или естественные образцы магнетита, у которых намагниченность устойчива за счет остаточной.

Способность материалов и горных пород намагничиваться характеризуется магнитной восприимчивостью (κ) - основным магнитным свойством горных пород.

В системе СИ это безразмерная величина. Практически ее измеряют в 10^-5 ед. СИ. У разных горных пород она меняется от 0 до 10 ед. СИ. По магнитным свойствам минералы и горные породы делятся на три группы: диамагнитные, парамагнитные и ферромагнитные. У диамагнитных пород магнитная восприимчивость очень мала (менее 10^-5 ед. СИ) и отрицательна, их намагничение направлено против намагничивающего поля. К диамагнитным относятся многие минералы и горные породы, например, кварц, каменная соль, мрамор, нефть, лед, графит, золото, серебро, свинец, медь и др.

У парамагнитных пород магнитная восприимчивость положительна и также невелика. К парамагнитным относится большинство минералов, осадочных, метаморфических и изверженных пород.

Особенно большими κ (до нескольких миллионов 10^-5 ед. СИ) обладают ферромагнитные минералы, к которым относятся магнетит, титаномагнетит, ильменит, пирротин.

Магнитная восприимчивость большинства горных пород определяется прежде всего присутствием и процентным содержанием ферромагнитных минералов.

В таблице 7.1 приведены значения κ некоторых породообразующих минералов и пород. Из таблицы видно, что сильно магнитными являются ферромагнитные минералы. Среди изверженных пород наибольшей магнитной восприимчивостью обладают ультраосновные и основные породы, слабо магнитны и магнитны кислые породы. У метаморфических пород магнитная восприимчивость ниже, чем у изверженных. Осадочные породы, за исключением некоторых песчаников и глин, практически немагнитны.

Магнитная восприимчивость пара- и ферромагнетиков уменьшается с повышением температуры и практически исчезает при температуре Кюри, которая у разных минералов меняется от +400 до +700 С. Максимальная глубинность магниторазведки примерно составляет 25 - 50 км. На больших глубинах температуры недр превышают точку Кюри, и все залегающие здесь породы становятся практически одинаково немагнитными.

Магнитная восприимчивость в горной породе не всегда одинакова по всем направлениям, или изотропна. Она может меняться по разным направлениям, увеличиваясь в плоскости напластования осадочных и сланцеватых метаморфических пород, уменьшаясь в перпендикулярном направлении. Различия могут достигать 20%.

Разведываемые геологические структуры и руды с магнитной восприимчивостью залегают среди вмещающих пород с восприимчивостью . Поэтому, как и в гравиразведке, представляет интерес избыточная, или эффективная, магнитная восприимчивость . Величины могут быть и положительными, и отрицательными, разными по величине. Благодаря отличию от нуля и возникают магнитные аномалии.

Таблица 7.1 – Магнитные свойства некоторых веществ

Минерал, горная порода	(ед. СИ)
диапазон измерений	среднее
Кварц	-
Кальцит	7 - 12	-
Гипс	-
Уголь	-
Сфалерит	-
Гематит	500 - 50000
Пирротин	103-107
Ильменит	5*105 -5*106	106
Магнетит	106-107	5*106
Известняк	25 - 3500
Песчаник	0 - 20000
Гнейс	100 - 20000	-
Гранит	0 - 40000
Диабаз	1000 - 15000
Габбро	1000 - 100000
Базальт	30 - 150000
Перидотит	90000 - 200000
Осадочные (среднее)	0 - 5000
Метаморфические (среднее)	0 - 75000
Кислые изверженные (среднее)	50 - 80000
Основные изверженные (среднее)	60 - 120000

Магнитную восприимчивость измеряют как на образцах горных пород, так и в естественном залегании. С помощью так называемых астатических магнитометров измеряются магнитные свойства образцов произвольной формы. Число образцов одной породы должно составлять несколько десятков, чтобы результаты были статистически обоснованы. Для изучения в естественных условиях залегания пород применяются разного рода каппаметры.

При остывании расплавленных минералов и горных пород и переходе их температуры через точку Кюри они намагничиваются окружающим магнитным полем, приобретая начальную остаточную намагниченность ( ). Если напряженность магнитного поля начнет возрастать, то также растет до некоторого предела. При уменьшении магнитного поля она уменьшается до некоторой остаточной намагниченности. Чтобы ее уничтожить, нужно приложить поле противоположного знака, называемого коэрцитивной силой. Она является мерой жесткости остаточной намагниченности. В истории Земли были многократные изменения не только интенсивности, но и знака магнитного поля. Поэтому существующая в настоящее время величина отражает сложную магнитную жизнь породы и, может быть, неоднократную ее перенамагниченность.

Значения очень большие ( достигает 100) у быстро охлаждавшихся излившихся изверженных пород типа базальтов. В породах, подвергшихся термальному метаморфизму, может достигать 10. Величина остальных пород обычно не превышает 0,1. Основным фактором, увеличивающим пород, является наличие в них хотя бы малых концентраций ферромагнетиков.

У изверженных пород остаточная намагниченность возникает в ходе их охлаждения (перехода через точку Кюри), т.е. имеет кристаллизационную (химическую) природу. У осадочных пород она седиментационная. В ходе осаждения в водоемах твердые частицы намагничивались и сохранили в консолидированных осадочных породах эту относительно стабильную ориентированную остаточную намагниченность.

При интенсивной остаточной намагниченности пород они могут создавать аномалии другого знака, например, отрицательного среди обычно положительных, если знаки древнего и современного поля противоположны.

Остаточную намагниченность измеряют на образцах горных пород кубической или цилиндрической формы с размером 2 - 5 см, строго ориентированных в пространстве. Для этого, выбирая образец, его "привязывают" к горизонту, т.е. ставят на нем метки (х,у) по компасу и (z) - по отвесу. Для измерения используются астатические или так называемые сверхпроводящие СКВИД-магнитометры.

Методика измерений основана на представлении о том, что каждый образец является магнитным. Поэтому, измеряя три магнитные составляющие поля такого магнита ( ) на нескольких расстояниях от его центра, можно получить избыточную систему уравнений для расчета (за принимается среднее магнитное поле района расположения лаборатории). С помощью специальных приемов проводится определение первичной намагниченности во время образования породы и исключения вторичных перемагничиваний за время ее жизни. Число образцов должно составлять десятки для каждого стратиграфического комплекса пород для дальнейшей статистической обработки. Далее по ним определяются усредненные значения склонения ( ) и наклонения ( ) древнего магнитного поля (см. рис. 2.1), позволяющие оценить положение геомагнитного полюса во время образования породы в современной системе географических координат.

Третьим магнитным параметром горных пород является магнитная проницаемость которая практически у всех горных пород равна магнитной проницаемости вакуума ( , так как ед. СИ). Лишь у ферромагнитных руд может достигать нескольких единиц.