Яновский Б.М. Земной Магнетизм. Том 2

Подождите немного. Документ загружается.

Ферромагнитные минералы

101

Если

TiFe

составляет

n-ую

часть раствора,

a Fe

(1 — п)-ую,

то

общая формула раствора будет:

(*)

Титаномагнетиты имеют инверсионную шпинельную решетку

типа

Так

как Fe

+++

имеет пять магнетонов Бора,

— четыре,

7Ï++-H- —

ни

одного,

то

магнитный момент молекулы

этом

случае будет

Отсюда видно,

что цв

остается положительным,

если

п<

и отрицательным, если

η >

; и,

следовательно,

при η =

должна происходить инверсия. Однако экспериментальных фак-

тов,

подтверждающих возможность такой инверсии,

еще не

имеется. Известно лишь,

что с

увеличением

насыщение

Js ре-

гулярно падает.

Кроме указанного соединения титана

магнетитом,

гор-

ных породах встречаются соединения титана, представляющие

собой комбинацию /г'-ой части минерала ильменита РеТЮз

(1 —п)-ой части гематита

виде твердого раствора,

т. е.

Гематит

ильменит являются чистыми антиферромагнети-

ками

со

слабыми явлениями ферромагнетизма,

соединении

же

друг

другом

они

могут обладать ярко выраженными ферро-

магнитными свойствами.

Так, например,

имеет молекулярный момент

насыщения

2μ

Объясняется

это тем, что в

гематите,

где

слои ионов череду-

ются, один слой

параллельными моментами, другой —

анти-

параллельными

ему,

титан, замещая железо, благодаря своей

четырехвалентности распределяется между слоями неодинаково

тем самым вызывает разницу

числе ионов

Fe,

параллельных

антипараллельных.

Согласно Нагата

[48],

слой

одним направлением имеет

структуру

а слой

противоположным направлением

102

Магнитные свойства горных пород

[Гл.

III

В первом случае

(1/6-4+2/3·5)μ

4μ

во

втором

JLIS=—

4-1/2

μΒ=— 2μ

. Откуда результирующий момент

2μ

Пуйярдом

[133] на

основании химического, рентгеновского

термомагнитного анализов была составлена диаграмма фазо-

iBoro равновесия тройной системы:

—FeO—Ti0

представ-

ленная

на рис. 45.

Сторона треугольника

ВС

дает содержание

по

отношению

FeO,

сторона В А

—

содержание

ТЮ

по

отношению

FeO и,

наконец, сторона

АС

—

содержание

ТЮ

по

отношению

Точки

D, Е, F и G со-

ответствуют стабильным

состояниям,

именно:

точка

лежащая

на 1/3

стороны А

В,

соответству-

ет одной трети

ТЮ

двум третям

FeO или од-

ному молю

ТЮ

двум

молям

FeO, т. е..

Ti0

-2FeO=TiFe

Рас.

45.

Диаграмма фазового равновесия

тройной системы.

Аналогично:

Точка

F: 3Ti0

-2Fe

—

(Ti0

)

Fe0

(ферритовый титанат)

Точка

G: FeO ·

(магнетит)

Точка

Ε: Ti0

-FeO = TiFe0

(ильменит)

Ильменит

(TiFe0

) и

гематит

(Fe

)

имеют ромбоэдриче-

скую систему; поэтому, казалось

бы, они

могут растворяться

един

другом

любых соотношениях. Однако опыт показывает,

что растворимость

их

ограничена.

Так,

ильменит

гематите

может растворяться

пределах

от

до (TiFe0

-2Fe

з гематит

ильмените

от TiFe0

до (Fe^^TiFeOe). На

диа-

грамме первый случай соответствует отрезку

СС,

второй

ЕЕ'.

Соединения

(магнетит)

и TiFe

имеющие шпинель-

«ую структуру, растворимы

во

всем диапазоне,

что и

отмечено

«а диаграмме прямой

DG,

точки которой соответствуют титано-

магнетитам, определяемым формулой

(*).

Выше было указано,

что

величина насыщения

титаномаг-

нетитов уменьшается

увеличением содержания

в них Ti.

Точно

так

же и

точка Кюри

их

изменяется

от

578°

до

200°

С с

увеличе-

нием

твердом растворе

TiFe

от

нуля

до 100%, т. е. от чи-

стого магнетита

до

чистого соединения TiFe

Ô4.

Ферромагнитные минералы

103

Пирротин, общая формула которого Fe„S

+i, представ-

ляет собой,

как

показал

С. В.

Липин

[38],

твердый раствор,

образованный сернистым железом

FeS с

трехсернистым желе-

зом

или

сульфоферритом железа

S4.

Анализы показы-

вают,

что

атомное отношение

Si к Fe

меняется

от 1,20 до 1,00,

принимая

все

промежуточные значения,

что,

примерно, соответ-

ствует формулам

от Fe

до Fe

Кристаллы чистого пирротина относятся

гексагональной

системе, имеющей

вид

прямоугольных призм,

распределение

спинов

в них

имеет антипарал-

лельный характер. Намагничи-

вание кристалла пирротина

независимо

от

направления

намагничивающего поля про-

исходит только

одной плос-

кости, перпендикулярной

к оси

призмы

называемой магнит-

ной плоскостью.

этой плос-

кости имеется направление

(ОХ),

котором намагничива-

ние происходит легко, тогда

как перпендикулярно

нему

(направление

ОУ)

намагничи-

вание идет трудно.

Эти

напра-

вления называются главными

осями кристалла. Перпендикулярно

магнитной плоскости

на-

магниченность может быть обнаружена лишь

очень сильных

полях.

Кривые намагничивания, соответствующие этим направле-

ниям,

для

одного

из

образцов пирротина показаны

на рис. 46.

то

время,

как

насыщение вдоль

оси ОХ

происходит

при

= 1000 э,

насыщение вдоль

оси ОУ

достигается

поле

7300 э,

для

насыщения вдоль

оси OZ

требуется поле порядка

176

000 э.

Величина

же

насыщения

зависимости

от

образца

может меняться

от 17 до 79

СГС,

коэрцитивная сила

от 15 до

э.

Кристаллы пирротина обладают наиболее резко выражен-

ными свойствами анизотропии

представляют наибольший

интерес

точки зрения теории ферромагнетизма.

Естественные пирротины,

так же как и

магнетиты, вследст-

вие поликристаллической структуры теряют свойства анизотро-

пии

представляют

магнитном отношении изотропные тела.

Магнитные свойства

их

зависят

от тех

включений, которые

имеет пирротин, взятый

из

того

или

иного месторождения.

На

рис.

представлены кривые намагничивания двух пирротинов.

У первого образца остаточная намагниченность

= 1,12 СГС

Рис.

46.

Основные кривые намаг-

ничивания кристалла пирротина

вдоль различных осей.

104

Магнитные свойства горных пород

[Гл.

III

и коэрцитивная сила Я

= ПО э, у второго /

= 8 СГС и

= 46 э. Как показали опыты Т. Н. Розе [59], у естественных

пирротинов магнитные свойства сильно меняются при нагрева-

нии их до температуры выше 270° С. Так, на рис. 48 представ-

лены гистерезисные кривые пир-

ротина из месторождения Коль-

ского полуострова, содержаще-

го 75% пирротина и 20% магне-

тита, до нагревания и после на-

гревания выше 270°. Опытами

установлено, что при 270° проис-

ходит необратимый переход пир-

Рас. 47. Кривые намагничива-

ния образцов пирротина.

а — для образца, содержащего Fe

7,5%; б — для образца, содержащего

.магнетита 20% и халькопирита ~ 10%.

Рис. 48. Кривые намагничива-

ния образца пирротина до и

после нагревания.

ротина в другую фазу, которая при последующих нагреваниях

сохраняется.

Кривые показывают, что нагревание вызвало резкое увели-

чение магнитной восприимчивости и остаточной намагниченно-

сти,

коэрцитивная же сила почти не изменилась. Сопоставляя

кривые намагничивания естественной породы с кривыми для

кристаллического пирротина, можно видеть, что магнитные

свойства естественных пирротинов являются промежуточными

§ 3] Изверженные породы 10ό

между свойствами кристаллического по трем взаимно перпенди-

кулярным направлениям, что соответствует их поликристалли-

ческой структуре, где оси легкого и трудного намагничивания

расположены по всевозможным направлениям.

§ 3. Изверженные породы

Изверженные породы по содержанию в них кремниевой ки-

слоты

(Si0

)

делятся на кислые, богатые кремниевой ки-

слотой, к которым принадлежат граниты, гранодиориты, диори-

ты,

основные и ультраосновные, бедные кремние-

вой кислотой, к ним относятся габбро, диабазы, базальты,

змеевики, перидотиты, дуниты, порфириты и другие породы,

и богатые щелочью, такие как сиениты. Магнитные свойства

каждой из этих пород колеблются в столь больших пределах,

что нельзя указать для каждой породы определенную магнит-

ную восприимчивость или определенную кривую намагничи-

вания.

В зависимости от содержания тех или иных минералов, вхо-

дящих в горную породу, магнитные свойства их резко меняются.

Однако многочисленные наблюдения, произведенные различ-

ными исследователями, позволяют сделать некоторые опреде-

ленные выводы, а именно: из всей совокупности изверженных

пород наиболее магнитными оказываются основные и ультра-

основные породы и среди них габбро, диабазы, порфириты,

змеевики, базальты, перидотиты, пироксениты. Граниты и гра-

нодиориты в большинстве своем практически немагнитны. Маг-

нитные

свойства изверженных пород обусловлены, как указы-

валось выше, присутствием, в них ферромагнитных минералов,

однако эти свойства не являются аддитивными, так как, по всей

вероятности, на них влияет не только количество ферромагнит-

ных минералов, но и форма, в какой они входят в состав горных

пород: в виде ли отдельных включений или же в виде тесного

соединения.

Подтверждением зависимости магнитных свойств извержен-

ных пород от наличия в них ферромагнитных минералов служат

опыты Н. И. Спиридовича [67], результаты которых приведены

в табл. 7.

Табл. 7 показывает, что правильной закономерности магнит-

ных свойств от содержания железа или ферромагнитного мате-

риала нет, но общая тенденция к повышению восприимчивости

при увеличении содержания ферромагнитных включений

имеется.

При отсутствии ферромагнетиков порода становится пара-

магнитной, что подтверждает случай с одним из образцов мета-

морфизованного габбро.

106

Магнитные свойства горных пород

[Гл.

III

Таблица

Содержание

Название породи

Общее

содержа-

χ-ΙΟβ

При

= 400 э

Содержание

Название породи

ние

железа

χ-ΙΟβ

Диабаз

Магнетит

27,5

Диабаз

... .

Магнетит

0,2

Габбро-диабаз

. .

Магнетит

6,37

Габбро-диабаз

. .

Магнетит

4,0

Диабаз

Гематит

3,83

0,3

ЛЛ ÛT9

иЛП/ТШОЛП91111

LI1Ж

30,6

11.2

12,1

88000

85000

5600

5000

3200

7,34

0,91

0,23

0,43

0.02

75.0

89,0

31,6

57,0

5.3

iVIC

Г4МирфИоиВаННЫИ

диабаз

. .

Лимонит

1,8

Габбронорит Пирротин

3,0

ЛЛ**тя

rvrh

Q П tl Я

UULIU

2,5

280

1700

0,22 78,0

&VLC

ιαπιυρψηουοαππηιΐ

15,0

12400

0,30

21,3

Метаморфизованныи

габбро Ильменит

2,12

—

510

0,04 58,0

Метаморфизованныи

габбро

. . Нет

Пироксенит

Пирротин

2,5

7,7

820 0,05 46,0

Ввиду этого каждую известную породу можно характеризо-

вать лишь пределами,

которых могут меняться

их

свойства,

выражаемые, например, величиной максимальной магнитной

восприимчивости

или же

просто качественной оценкой — немаг-

нитна, слабо магнитна, магнитна, сильно магнитна.

Таблица

Наименование породы

Количество

образцов

х-106

Гранит

. .

171

4555

Гранодиорит

6 200 - 2000

Диорит

— —

Диабаз

0-13820

Габбро

1000—

7470

Базальт

. .

125—15500

Перидотит

36 400—72800

Порфирит

136 400—22700

Сиениты

38 0 - 5590

В табл.

приведены пределы,

каких лежит магнитная вос-

приимчивость

по

определениям различных исследователей.

Хотя магнитные свойства изверженных пород

принято

характеризовать величиной магнитной восприимчивости,

но

Изверженные породы

107

нельзя

при

этом забывать,

что все они

являются ферромагнит-

ными,

поэтому

каждой отдельной породы восприимчивость

может меняться

довольно широких пределах

зависимости

от

намагниченности

их.

Кроме того, каждая порода

как

ферромаг-

нетик обладает гистерезисом, вследствие чего может иметь есте-

ственную остаточную намагниченность

приобретенную

про-

цессе остывания

ее в

магнитном поле Земли.

Величина

изверженных парод может принимать значения

в широких пределах, однако максимальное значение

не

превос-

ходит значения термоостаточной намагниченности магнитных

минералов

и в

частности магнетита.

В табл.

составленной

А. Н.

Храмовым [73], приведены зна-

чения

различных пород, взятых

из

различных месторожде-

ний, которые дают ясное представление

численных значениях

/„ этих пород.

Таблица

J„

в СГС

Группа пород

Число

образцов

максим.

миним.

средн.

Магнетитовые

титаномагнетито-

103 28,4

0.050

0,774

0.420

0 0,170

Ультраосновные изверженные поро-

127

0,044

0.00043

0,011

127

0,044

0.00043

0,011

Основные изверженные породы

642

0,042 0 0,0039

Кислые изверженные породы 1596

0,196 0 0,022

Метаморфические породы

381 0,00074 0 0,00017

На рис.

приведены кривые намагничивания

зависимости

магнитной восприимчивости

от

намагничивающего поля

для об-

разцов диабаза

(а),

габбро-норита

(б) и

габбро-диабаза

(в) по

измерениям

Н. И.

Спиридовича. Рисунки показывают,

что все

три образца имеют ярко выраженный характер ферромагнети-

ков.

Точка Кюри изверженных пород. Изверженные породы,

бу-

дучи конгломератами различного рода минералов,

в том

числе

и ферромагнитных,

при

нагревании будут вести себя

так же,

как ведут себя составляющие

их

минералы.

Так,

если

состав

породы входит лишь один минерал,

то

изменение магнитных

свойств

при

нагревании будет происходить примерно

так же.

как происходит

при

нагревании этого минерала. Поэтому точка

Кюри такой породы будет соответствовать точке Кюри ферро-

магнитного минерала. Однако точного соответствия может

108

Магнитные свойства горных пород

[Гл.

III

не быть, так как ферромагнитные минералы не всегда входят

в породу в виде механической смеси, а соединены химически

или минералогически с другими минералами. При наличии в

породе двух и более ферромагнитных минералов, обладающих

различными точками Кюри, изменения магнитных свойств поро-

ды при нагревании будет происходить по закону аддитивности,

отражая изменения каждого ферромагнитного минерала в от-

дельности.

Рис. 49. Кривые намагничивания образцов.

а — диабаз; б — габбро-норрнт; о — габбро-диабаз (по Спиридовичу).

В качестве параметров, характеризующих магнитные свой-

ства минерала или породы, изменения которых с температурой

можно наблюдать, могут быть или насыщение Js, или магнит-

ная восприимчивость в слабых полях, мало отличающаяся от

начальной магнитной восприимчивости κο· Характер изменения

насыщения J

с температурой был показан на рис. 23, характер

же изменения κο несколько иной; его можно получить, пользуясь

кривыми намагничивания при различных температурах, пред-

ставленными на рис. 1.

Из этих кривых видно, что в малых полях намагниченность

/ с повышением температуры увеличивается, а в слабых —

уменьшается; откуда следует, что магнитная восприимчивость

в слабых полях с повышением температуры должна увеличи-

ваться до некоторого максимума, так как при точке Кюри она

должна стать равной нулю.

Изверженные породы

109

На рис. 50 и 51 представлена зависимость начальной вос-

приимчивости κο от температуры для образцов изверженных по-

род, имеющих различный минералогический состав.

Рис. 50. Примеры изменения магнитной восприимчивости с тем-

пературой изверженных пород (однофазная система).

На рис. 50 показано изменение κο как при нагревании, так и

при охлаждении образцов, содержащих лишь один ферромаг-

нитный минерал (магнетит), тогда как рис. 51 относится к об-

разцам, имеющим двухфазную структуру, т. е. состоящим из

Рис. 51. Примеры изменения магнитной восприимчивости изверженных

пород с температурой (двухфазная система).

двух ферромагнитных минералов. Как можно видеть, в обоих

случаях кривые а почти идентичны как при прямом, так и обрат-

ном ходе температуры, в то время как кривые б резко отличают-

по

Магнитные свойства горных пород

[Гл.

III

ся друг

от

друга.

первом случае нагревание

не

оказывает

влияния

на

ферромагнитные минералы,

во

втором происходят

изменения химического

или

минералогического состава.

Далее, можно заметить,

что

кривые

на

рис.

отличаются

от кривых

на

рис.

тем, что

имеют минимум

слабый второй

максимум

κ.

Этот минимум

соответствует точке Кюри второго

ферромагнитного минерала, которая

обоих случаях (кривые

б)

лежит около 350°

С.

Таким образом,

по

наблюдениям температурной зависимости

κο

или

горных пород можно судить

и об их

вещественном

составе,

так как,

определяя

по

кривым

—

точки Кюри, мож-

но определить

и те

ферромагнитные минералы, которые

в них

содержатся.

Осадочные породы

К осадочным породам принадлежат всевозможные

глины

песчаники, известняки, гипсы,

мел,

мергели, доломиты,

каменная соль.

Все они,

за

исключением некоторых видов глины

и песчаника, являются слабо магнитными,

так как

восприим-

чивость

их не

превосходит

-5

СГС.

числу осадочных пород,

имеющих значение

для

магнитной разведки, относятся некото-

рые виды глин, содержащие окиси железа,

песчаники, имею-

щие рудные примеси

виде зерен магнетита

или

других мине-

ралов,

которых магнитная восприимчивость может доходить

до

-3

СГС,

поэтому

те и

другие могут являться причиной

магнитных аномалий.

В качестве примера

табл.

10,

составленной

А.

Н.

Храмовым

[73],

даны значения магнитной восприимчивости осадочных

по-

род

по

всем доступным материалам

на 1957 год.

Таблица

Породы

Число

образ-

цов

Число образцов

со

значениями х-10»

СГС

со

о.

Породы

Число

образ-

цов

см

20-50

50-100

100-200

200-500

500-1000

1000

со

о.

Песчаники

алев-

ролиты

2018 43

126

Глины

1735 22 29 14

141

Мергели

....

335 63

14 1

0,5

0 0

Известняки

и до-

0,5

лериты

771

87 7

0,5

16.