При палеомагнитных исследованиях

Цель работы:освоить технику измерений магнитной восприимчивости образцов горных пород индуктивным методом.

Приборы и оборудование: прибор для измерения магнитной восприимчивости (каппамер) ИМВ-2, эталоны, образцы горных пород.

Пояснения к работе

Изучение магнетизма горных пород, особенно их естественной остаточной намагниченности I_n, приобрело большое значение для геологии в связи с исследованием явлений палеомагнетизма. Эти явления составляют предмет исследования отрасли геофизики – палеомагнитологии, которая изучает геологическое прошлое магнитного поля Земли и на основе этих данных исследует явления исторической геологии, тектоники и физики Земли.

Сложность истории изменения земного магнитного поля, колебания состава разновозрастных компонент I_n и разная степень их сохранности даже в пределах одной коллекции образцов – все это обусловливает многообразие распределения I_n в тех или иных группах пород. Однако во многих случаях эти распределения можно интерпретировать как результат сложения двух векторов первичной (остаточной) намагниченности и вторичной намагниченности , которая возникла недавно и имеет одинаковое направление с современным земным магнитным полем в точке наблюдения.

Первичная (остаточная) намагниченность является своего рода памятью магнитной истории формирования горных пород, а также изменений древнего магнитного поля Земли.

Естественная остаточная намагниченность горных пород возникла во время их образования, ориентирована в направлении существовавшего в то время геомагнитного поля и сохранилась неизменной по отношению к последующим изменениям магнитного поля. Следовательно, по измеренным значениям вектора остаточной намагниченности с учетом координат точки отбора можно вычислить направление земного магнитного поля эпохи возникновения намагниченности в образце. По изучению первичной остаточной намагниченности образцов различного возраста, отобранных в различных регионах земного шара, получена основная часть сведений об истории магнитного поля Земли.

Величина естественной остаточной намагниченности зависит от многих факторов – концентрации магнитных минералов, их магнитных свойств (особенно коэрцитивной силы) и условий формирования. Величину естественной остаточной намагниченности горных пород выражают с помощью параметра , где – индуктивная намагниченность. Параметр Q мало зависит от концентрации магнитных минералов и может свидетельствовать о степени сохранности . Более точно это понятие выражается термином стабильность. Самая высокая стабильность присуща горным породам, содержащим магнитные минералы с большим значением коэрцитивной силы (гематит, титаномагнетит). Фактор Q таких образований исчисляется десятками единиц. Естественная остаточная намагниченность горных пород, обладающих высокой стабильностью, обычно устойчива по отношению к размагничивающим воздействиям различной природы (температуры, переменного магнитного поля, времени и т.п.). Особенно стабильно ее направление.

Считается, что направления первичной намагниченности являются функцией географического положения и возраста соответствующих геологических объектов. Распределение же направлений первичной намагниченности горных пород, изученных в пределах тектонически стабильных территорий и имеющих один геологический возраст, соответствует полю диполя с характерными для данного возрастного интервала координатами палеомагнитного полюса и определенной полярностью. Под прямой полярностью понимается полярность, соответствующая нынешнему направлению главного магнитного поля Земли. Установлено, что магнитное поле планеты многократно изменяло знак, измерение же координат палеомагнитных полюсов, устанавливаемое при палеомагнитных исследованиях, связывается с движением литосферных плит относительно оси вращения Земли.

Смена магнитным полем Земли знака (инверсия) происходила в геологическом масштабе очень часто. Это следует из того, что разновозрастные разрезы осадочных и вулканогенных толщ, изученные в различных регионах Земли, оказались расчлененными на чередующиеся зоны n и r соответственно прямой и обратной намагниченности. Длительность формирования каждой зоны оценивается в 1 – 10 млн. лет.

Связь между остаточной намагниченностью и магнитной восприимчивостью определяется выражением

где χ – это наиболее информативный и наиболее просто измеряемый магнитный параметр.

В практике палеомагнитных измерений большое распространение получил индукционный способ определения магнитной восприимчивости χ, которая является безразмерной величиной, но имеет разные значения в системах еди­ниц СИ и СГС:

χ (СИ)=4π ∙χ (СГС),

χ принято измерять в 10^-5 ед. СИ, поскольку такой порядок имеют наименее магнитные породы.

Индукционный метод измерения магнитной восприимчивости горных пород в переменном магнитном поле основан на том, что при внесении маг­нитной среды или образца в рабочую область датчика (катушек, питаемых переменным током) изменяется поток магнитной индукции, или индуктив­ные параметры катушек.

Достоинство индукционного метода состоит в том, что он позволяет измерять χ горных пород непосредственно. Остаточная намагниченность не оказывает влияния на результаты измерений.

Для измерения χ используются приборы двух типов: полевые (ИМВ-2, КТ-3, КТ-5 и ПИМВ) и лабораторные (KLY-1, KLY-2). Принцип работы этих приборов следующий. Если расположить на концах Н-образного сер­дечника из листового пермаллоя 1 две пары одинаковых возбуждающих ка­тушек 2,питаемых током I различного направления (рис. 2.1), то в индика­торной индукционной катушке 3, находящейся на перемычке магнитопровода, магнитный поток будет практически отсутствовать. При замыкании верхних концов магнитопровода образцом породы 4 магнитный поток, соз­данный верхними катушками, изменится в соответствии с магнитной восприимчивостью χ образца породы.

Рис. 2.1.Схема действия дифференциального магнитного моста

измерителя магнитной восприимчивости

Возбуждающие катушки прибора питаются от генератора переменного тока заданной частоты f, который генерирует в индикаторной катушке ЭДС (ε), пропорциональные магнитному потоку Ф (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Блок-схема измерителя магнитной

восприимчивости ПИМВ

При наложении на верхние концы дифференциального магнитного моста образца породы происходит изменение во времени магнитного потока дФ/дτ, что приводит к изменению величины ЭДС на величину Δε, в связи с чем

,

где С – постоянная прибора.

Накладывая последовательно образцы определенной формы и размеров с известной χ₀ и неизвестной χ’ величинами магнитной восприимчивости, будем иметь

,

откуда

,

где n и n₀ – числа делений, на которые отклоняется стрелка прибора с образцом с эталоном на магнитопроводе.

Величина измеренной магнитной восприимчивости χ’ связана с истинным ее значением зависимостью следующего вида:

, (2.5)

где N_Б – баллистический коэффициент размагничивания, величина которого зависит от типа установки, формы образца и параметров датчика магнитного поля. Коэффициент N_Б определяется экспериментально по данным измерений χ’ материалов с высокой и известной магнитной восприимчивостью χ.

Перед использованием приборы должны быть проэталонированы, т. е. должен быть выполнен их метрологический контроль. После эталонирования выполняют массовые измерения на образцах (в лаборатории или в кернохранилищах).

Контрольные вопросы

1. Что называется первичной (остаточной) намагниченностью горных пород, от каких факторов она зависит?

2. Какова связь между остаточной намагниченностью и магнитной восприимчивостью горных пород?

3. В чем заключается индукционный метод определения магнитной восприимчивости?

Практическое занятие № 3