Измерение магнитной восприимчивости горных пород и руд
Теория. Согласно современным представлениям магнитное поле может создаваться главным образом электрическими токами. У постоянных магнитов согласно теории Ампера ими являются элементарные токи, циркулирующие внутри атомов.
В теории магнетизма доказывается, что внешнее магнитное поле длинной катушки и поле стержня, намагниченного вдоль оси, совпадают. Это позволяет заменить систему электри-ческих токов фиктивными магнитными "зарядами" или "массами", которые взаимодейст-вуют по закону Кулона.
m 0 m1 m2
F = ------------ , (1)
4 p r 2
где m0 - магнитная постоянная,
r - расстояние между точечными магнитными массами m1 и m2.
Индукция магнитного поля, создаваемого точечной массой (полюсом магнита) на расстоянии r равна
m0 m
B = -------- . (2)
4 p r 2
Для магнитного поля Земли она измеряется в нанотесла (нТл), составляющей 10-9 Тесла. Выбор такой единицы измерения обусловлен тем, что при индукции равной 1 нТл напряжен-ность поля в воздухе равна одной гамме - единице, которая раньше широко применялась в магниторазведке. Напряженность магнитного поля в воздухе
H = B / m0
Она измеряется в амперах на метр.
На концах магнита, имеющего форму стержня, возникают разноименные магнитные массы. Произведение величины магнитной массы на расстояние между ними представляет собой магнитный момент магнита.
Магнитный момент единицы объема намагниченного вещества называется намагниченностью. В системе СИ она измеряется в амперах на метр ( А / м ) и обозначается буквой I. Одна единица СГС равна 10 3 А/м. Между магнитным моментом М, объемом V, и намагниченностью существует простая связь
M = I V. (3)
Если тело намагничено однородно, то, как доказывается в курсе теории поля, магнитные массы располагаются на его поверхности с поверхностной плотностью
s = I cos j ,
где s -магнитная масса, приходящаяся на единицу поверхности,
j -угол между вектором намагниченности и нормалью к поверхности в точке, где определяется s ( сигма).
Если тело намагничено по нормали к поверхности, то
s = I. (4)
Силовой линией магнитного поля называется линия, касательная к которой в каждой точке совпадает с направлением вектора индукции магнитного поля. Физический смысл понятия "магнитная масса" заключается в том, что эта величина пропорциональна количеству силовых линий, выходящих с поверхности магнита. Использование понятия "магнитная масса" позволяет применить в магниторазведке тот же математический аппарат, что и в гравиразведке. Отношение намагниченности к напряженности намагничивающего поля называется магнитной восприимчивостью. она обозначается буквой c ( каппа).
c = I/H = m0 I / B (5).
Это величина безразмерная; 1 СГС = 4p СИ = 12,57 СИ.
Вещества, способные создавать или изменять магнитное поле, называются магнетиками. Они по своим магнитным свойствам делятся на три группы: диамагнетики, парамагнетики и ферро-магнетики.
Диамагнетики намагничиваются в направлении, противоположном внешнему магнитному полю. Это свойство наиболее отчетливо проявляется у веществ, которые характеризуются нулевым магнитным моментом атомов, что бывает в тех случаях, когда магнитные моменты электронных оболочек и спинов взаимно компенсированы. Магнитная восприимчивость диамагнетиков, к числу которых относятся кварц, галит, кальцит, нефть отрицательна и составляет первые единицы 10-5 СИ. Иными словами, диамагнетики намагничиваются против поля.
Парамагнитные свойства проявляются в тех случаях, когда магнитные моменты атомов отличны от нуля. При наличии внешнего магнитного поля магнитные моменты атомов ориентируются по полю и парамагнетик намагничивается. Магнитная восприимчивость парамагнитных минералов меняется от первых единиц (оливин, доломит) до сотен 10-5 ед.СИ
( биотит, серпентин, касситерит и др.).
Основной особенностью ферромагнитных минералов является нелинейная зависимость намагниченности от индукции магнитного поля, называемая гистерезисом. Если поместить первоначально ненамагниченный ферромагнетик в увеличивающееся магнитное поле, а затем уменьшить поле до нуля, то намагниченность не исчезнет, т.е. ферромагнетик станет постоянным магнитом с остаточной намагниченностью I r. Ферромагнетики состоят из большого числа сильно намагниченных малых областей, или доменов. Ввиду того, что каждый домен имеет свое направление намагниченности, общая намагниченность ферромагнетика равна нулю. Во внешнем магнитном поле происходит увеличение объема доменов, намагниченных по направлению поля, а также их вращение и магнетик намагничивается. Важнейшими ферромагнитными минералами являются магнетит, титаномагнетит и моноклинный пирротин.
Как правило, с увеличением основности горных пород происходит увеличение магнитной восприимчивости за счет увеличения содержания магнетита и титаномагнетита. Однако существуют исключения из этого правила. Так, встречаются сильно магнитные граниты ( c = 0,1 ед. СИ), а иногда практически немагнитные габбро. Осадочные породы обычно практически немагнтны, хотя среди песков, песчаников и глин иногда встречаются слабомагнитные разности.
Измерители магнитной восприимчивости используют для измерения магнитной воспри-имчивости горных пород и руд в естественном залегании и в лабораторных условиях.
В индукционном измерителе ИМВ-2 датчиком является дифференциальный магнитный мост, состоящий из Н - образного сердечника. На полюсах сердечника размещены 4 катушки возбуждения, через которые течет переменный электрический ток, подаваемый от транзисторного генератора. Магнитные потоки катушек возбуждения в средней части сердечника взаимно скомпенсированы, поэтому ЭДС, индуцируемая в измерительной катушке равна нулю. Если вблизи верхней пары катушек поместить магнитный образец, то компенсация магнитных потоков нарушится и в измерительной катушке появится ЭДС, одна составляющая которой пропорциональна магнитной восприимчивости образца, а вторая - его электропроводности. ЭДС подается на делитель напряжения, позволяющий изменять чувствительность прибора и производить измерения в пяти диапазо-нах. После делителя ЭДС усиливается и поступает на фазочувствительный детектор, с выхода которого составляющая ЭДС, пропорциональная магнитной восприимчивости, регистрируется микроамперметром, шкала которого проградуирована в единицах СГС.
Сигнал, связанный с электропроводностью изучаемого образца, сдвинут по фазе на 90 ° относительно напряжения генератора и детектором не пропускается. Прибор состоит из двух блоков: датчика и измерительного пульта, соединенных между собой кабелем.
Прибор “Микрокаппа КТ-5” предназначен для измерения магнитной восприимчивости в полевых условиях на обнажениях, в керне и по образцам пород в лабораторных условиях.
Характеристика прибора
Чувствительность, ед.СИ.....................................1 10 -5
Пределы измерений, ед. СИ........(9,99; 99,9; 999) 10 -3
Рабочая частота, кГц..................................................10
Память...................................................до 12 измерений
Потребляемый ток, мА..............................................3,5
Напряжение питания, батарея, В...............................9
Рабочие температуры, С...........................от -10 до +35
Размеры, мм..........................................................65 х 187
Масса, кг ( вместе с батареей)................................0,350
Принцип действия прибора Основной частью прибора является генератор, работающий на частоте 10 кГц. Индуктивность генератора зависит от измерительной катушки, расположенной под плоскостью прибора, к которой прикладывается образец. Частота генератора измеряется два раза: с образцом и без образца, разность частот меняется пропорционально магнитной восприимчимости. По разности измеренных частот вычисляется и выводится на дисплей магнитная восприимчивость образца породы.
Работа с прибором. Обратить внимание: при установке батарей прибор должен быть выключен. Прибор питается от одной батареи типа “Крона”. Батарея устанавливается в нижнем отсеке прибора. Для снятия крышки отсека отвернуть один винт. Вставить клеммы батареи в ячейки и привернуть крышку. Срок годности одной батареи до 100 ч.работы.
Включение прибора. На нижней крышке прибора находится тумблер "включено-выключено". Если прибор включен, на дисплее появляется 8.8.8.; если же батарея подсевшая и не дает нужного напряжения, на дисплее слева появляется знак "Ь". После включения прибор готов к измерениям. Вначале проводится очистка прибора, для этого следует нажать на кнопку 4 (С/М) рис. . При этом прибор должен находиться на расстоянии от образца и других предметов не менее, чем в 30 см. Процесс очистки длится 0,5 с, по его окончании слева на дисплее появляется "С", означающее, что прибор очищен от результатов предыдущих измерений, окончание очистки сопровождается коротким звуковым сигналом.
После того, как на дисплее появится знак "С", следует провести измерение магнитной восприимчивости в течение 10 с. Если замер сделан не будет, на дисплее вновь возникнет 8.8.8., и тогда снова нужно сделать очистку, нажимая кнопку 4.
Измерение магнитной восприимчивости производится повторным нажатием кнопки 4. Когда кнопка С/М нажата вторично, начинается процесс измерения, который длится 0,5 с., в конце цикла измерения величина магнитной восприимчивости выводится на дисплей в единицах 10-3 СИ. Если восприимчивость больше 999 10-3 ед.СИ, на дисплее будет указана "ошибка": Е 0 0 0.
Если после первого измерения вновь нажата кнопка 4, прибор очищается, а дисплей покажет С001. Цифра справа в дальнейшем показывает число выполненных измерений восприимчивости.
Рис.3. Общий вид прибора. 1-измерительная катушка; 2- дисплей; 3-кнопка включения сканирующего режима; 4-кнопка сброса предыдущих измерений; 5- крышка блока питания; 6- тумблер включения питания.
В памяти прибора могут храниться 12 измеренных значений восприимчивости. Выведенная на дисплей величина автоматически переводится в память после периода очистки (т.е после нажатия кн.4). Если почему-то не нужно запоминать только что измеренную величину, надо нажать кнопку RCL (3 на рис.3) перед нажатием кнопки 4. Если измерений больше 12, то все последующие измерения выводятся на дисплей со знаком "F" в левой его части, но при этом один из замеров стирается из памяти. Таким образом, в памяти существует не более 12 замеров. Хранящиеся в памяти замеры могут быть вызваны на дисплей нажатием кнопки RCL(3). Записанные в памяти значения восприимчивости выводятся на дисплей в порядке, обратном порядку их измерения. Последнее вызванное измерение на дисплее появляется с буквой "L". Это имеет большое значение, т. к. еще одно нажатие кнопки "RCL" (3) очистит всю память и прибор вернется в исходное состояние. Если же будет нажата кнопка 4, содержимое памяти сохраняется.
При выключении прибора все записанное в памяти стирается, При следующем включении питания память прибора очищена.
Режим работы прибора. Кроме режима точечных измерений прибор может работать в сканерном режиме. При этом измерения повторяются автоматически с односекундными интервалами, каждое измерение выводится на дисплей, но не записывается в память.
Измерения следует проводить в следующем порядке:
включить прибор;
очистить память нажатием кнопки 4;
включить сканерные измерения нажатием кнопки RCL(3);
включить сканерный режим кнопкой С/М (4).
Прибор КТ-5 измеряет величину, называемую кажущейся восприимчивостью c k. Отличие кажущейся восприимчивости от истинной определяется геометрией и размером измеряемого образца а также особенностью конструкции прибора. Прибор калиброван для идеального случая, когда измерительная катушка прикладывается к гладкой поверхности образца магнитогомогенной и изотропной породы с восприимчивостью:
c= ck / [ 1- (c k / 2) ] .
Это соотношение справедливо для величин восприимчивости меньших 100·10-3 ед.СИ с точностью не хуже 5 %. Практически разницей между c и ck можно пренебречь при всех пределах измерений, кроме третьего, т.е. 999 10 -3 ед. СИ (для ck ).
Поправки, вводимые при измерениях
1. Поверхность образцов чаще всего бывает шероховатой, а не идеально гладкой. Увеличение зазора между плоскостью прибора и массой образца приводит к снижению измеряемой величины магнитной восприимчивости; объясняется это уменьшением напряженности электромагнитного поля измерительной катушки прибора, воздействующего на породу по мере увеличения зазора.
На рис.4 приведена зависимость относительного уменьшения кажущейся магнитной восприимчивости от величины зазора. По графику видно, что при расстоянии между измерительной плоскостью прибора и породой равном 20 мм, показания прибора уменьшаются на 90 %.
В таблице 1 приведены значения поправок за неровность поверхности до 10 мм. Зазор определяется как расстояние между “высшей” и “ низшей “ точками поверхности породы в области, прилегающей к измерительной плоскости прибора. Не рекомендуется проводить измерения на поверхности с неровностями, превышающими 10 мм.
Рис.4
2. Если измеряемый образец имеет размеры меньше, чем измерительная площадка прибора, то следует ввести поправку в соответствии с таблицей 2.
3. В измеренное значение кажущейся магнитной восприимчивости вводится поправка за неровность поверхности образца (табл.1), а затем, полученное значение корректируется за малый размер образца (табл.2)
4. Измерение керна. В большинстве случаев диаметр керна невелик, меньше диаметра измерительной плоскости прибора. Кроме того, плоские части керна обычно очень неровны. Для таких кернов измерения следует проводить на боковых цилиндрических плоскостях. Поправка за цилиндрическую поверхность кернов разного диаметра вводятся по таблице 3. Так же как для образцов произвольной формы, вначале вводится поправка за неровность по таблице 1 (если это требуется для керна), а затем за малый диаметр по табл.3.