Горные руды обычно содержат некоторое количество ферромагнитных зерен или ферримагнитных минералов. Поэтому большинство горных руд обнаруживают свойственные ферромагнетикам магнитный гистерезис и температуру Кюри, хотя их намагниченность в ряде случаев очень незначительно превышает намагниченность парамагнетиков. Рассеянное состояние ферромагнитных частиц не влияет на интенсивность намагниченности и точку Кюри, но магнитная восприимчивость и гистерезисные характеристики горных пород имеют отличительные от чистых ферромагнетиков особенности. С точки зрения магнетизма «идеализированными горными породами» являются такие, в которых небольшое количество мелких ферромагнитных частиц эллипсоидальной формы распределено равномерно, частицы имеют хаотическую ориентацию и находятся друг от друга на расстояниях, исключающих магнитное взаимодействие между ними.
Намагниченность горных руд зависит от целого ряда факторов и, в частности, от величины напряженности магнитного поля, температуры, давления, химических изменений, времени, механических деформаций и др. А промежуток времени, в течение которого магматические, горные руды приобретают тот или иной вид намагниченности, зависит от скорости остывания магм или скорости седиментации и диагенеза. Он может меняться в пределах от нескольких часов до десятков и тысяч лет.
Так как к настоящему времени в Карачаево-Черкесской республике (КЧР) не исследованы и не изучены магнитные свойства горных руд ввиду удаленности объектов исследований от научных центров; сложности и экономической дороговизны, неоднородности состава горнорудных руд и взаимодействие между ними, поэтому представляло интерес изучить горную руду – габбро.
Целью данной работы является экспериментальным путем выяснить возможность перемагничивания горной руды – габбро при одновременном воздействии температуры и слабых магнитных полей разных направлений порядка земного поля.
Материалы и методы исследования
Образцы горных руд – габбро были взяты из левобережья р. Марухи, Зеленчукского района, Карачаево-Черкесской республики, номером буровой скважины № 7/1022 и возрастом υPR – PZ1.
Так как диапазон изменения первичной остаточной намагниченности одной и той же горной руды весьма велик, одно и тоже значение намагниченности может быть у руд различного состава и учитывая, что существует еще вторичная остаточная намагниченность, которая возникает в результате последующего умеренного разогрева (например, при метаморфизме) или механической деформации (при тектонических нарушениях, дислокациях, метаморфизме и т.д.), химических изменениях, а также при общем размагничивании в ходе времени или под влиянием переменных магнитных полей локального происхождения.
Поскольку вторичная остаточная намагниченность, накладываясь на первичную остаточную намагниченность, затрудняет получение истинных значений, образцы в процессе экспериментальных измерений подвергали магнитной или термической чистке. Сущность магнитной чистки пород заключается в том, что образец подвергали размагничиванию в плавно меняющемся переменном магнитном поле, в результате чего нестабильная вторичная остаточная намагниченность удалялась, а более стабильная первичная остаточная намагниченность сохраняется как бы в чистом виде.
Результаты исследования и их обсуждение
На рис. 1 приведена экспериментальная установка для стабилизации температуры. Схема стабилизации работала таким образом, что разностный сигнал сводился к нулю путем изменения тока через нагреватель. Питание потенциометра Р–306 осуществлялось от стабилизатора тока, что позволило устранить возможности изменения температуры из-за сползания рабочего тока потенциометра. Необходимая постоянная времени схемы стабилизации для данной температуры подбиралась посредством изменения коэффициента усиления предварительного усилителя Ф-116 и параметров фильтра схемы У-1136. Измерения температуры проводились «золото – хромель» термопарой «К», ЭДС которой измерялась потенциометром Р-348. Измерения намагниченности насыщения от температуры автоматически записывались на ЭВМ.
Рис. 1. Схема стабилизации температуры
Ориентированный образец – габбро кубической формы медленно нагревался до 200 °С. При постоянной температуре образец – габбро выдерживался около 5 часов и затем медленно охлаждался до комнатной температуры. Затем несколько раз повторяли нагрев от комнатной температуры до 600 °С с шагом 100 °С. Опыты показали, что степень нагрева не вносит существенных изменений намагниченности горной руды габбро.
Исследование температурной зависимости остаточной намагниченности насыщения проводилось баллистическим методом [1–2] и велась автоматическая запись исследуемых процессов (см. рис. 2). Для регистрации сигнала с измерительной катушки использовался микровеберметр Ф-190, при этом величина погрешности измерений составляла 2,5 %. Измерительная катушка имела две секции. Намотанные проводом ПЭЛ 0.05 навстречу друг другу и дополнительную докомпенсирующую секцию из 60 витков. Так что сигнал, возникающий в них при изменении однородного поля, был скомпенсирован.
При измерении намагниченности насыщения образец продергивался через катушку, что позволяло избегать погрешности, связанной с первоначальным положением образца. Запись сигнала с катушек осуществлялась автоматически при помощи ЭВМ (см. рис. 2).
Магнитное поле создавалось с помощью сверхпроводящего соленоида с постоянной напряженностью 1,91 кЭ и критическим током 25 mА поддерживалось с точностью до 0,5 %. Неоднородность магнитного поля не превышала 0,4 % на сантиметр. Блок питания соленоида позволял задавать нужное значение тока через соленоид, по измерительной величине которого рассчитывалась величина магнитного поля [3].
Рис. 2. Схема автоматической записи остаточной намагниченности насыщения от температуры
Направление тока изменяли при помощи ключа. Расчет истинного поля в образце проводился по формуле
Hист = Hвнеш – N I, (1)
где N – размагничивающий фактор [4].
После каждого нагрева при комнатной температуре с каждого ориентированного образца были вырезаны несколько кубиков (30х30х30 мм2) для изучения изменения вектора естественной остаточной намагниченности в разных температурных условиях и внешнего магнитного поля, а также для проверки стабильности намагничивания образца методом переменного магнитного поля (магнитное поле Земли скомпенсировано) [5].
При комнатной температуре (20 °С) величина и направление естественной намагниченности кубиков из разных частей образцов горной руды одинаковы как в случае прямо намагниченных, так и обратно намагниченных горных руд [6]. По-видимому, это связано с однородной намагниченностью в исследуемых образцах горных руд – габбро.
Таким образом, эксперимент показывает, что направление естественно остаточной намагниченности прямо намагниченных образцов горных руд – габбро не изменяется до температуры ~600 °С при небольших магнитных полях и около ~600 °С совпадает с направлением внешнего поля. Когда внешнее поле направлено обратно, направление естественной остаточной намагниченности не меняется до температуры ~400 °С, а выше ~500 °С происходят изменения знака направления.
На рис. 3 приведены кривые изменения остаточной намагниченности насыщения – Irs от температуры.
Рис. 3. Изменение остаточной намагниченности насыщения – Irs от температуры (1 – прямо намагниченная кривая; 2 – обратно намагниченная кривая)
Температура Кюри прямо намагниченных образцов находится в интервале 500–600 °С. По-видимому, что прямо намагниченная горная руда содержит мельчайшую выраженность магнита от 1 до 10 мкм. Наши исследования показали, что выраженность магнита в горной руде – габбро составляет примерно 10 %.
Выводы
Экспериментальные исследование показали, что магнитные явления в горной руде – габбро и условия образования в ней остаточной намагниченности является весьма специфичными и можно выделить следующие основные факторы:
1. Ферромагнитные зерна очень малы, от 1 до 10 мкм, в отличие от обычно рассматриваемых ферромагнитных массивных образцов.
2. Неоднородное рассеяние частиц по образцу.
3. Малость внешнего намагничивающего поля, в сравнении с внутренним образца (поле эффективной анизотропии и коэрцитивной силой).
4. Внешние немагнитные воздействия, оказывающие влияние на остаточную намагниченность.
5. Температура Кюри прямо намагниченных образцов находится в интервале 500–600 °С. Прямо намагниченная горная руда содержит мельчайшую выраженность магнита от 1 до 10 мкм и составляет примерно 10 %.
6. Когда внешнее магнитное поле направлено обратно в горной руде – габбро, направлению естественной остаточной намагниченности, то направление остаточной намагниченности не меняется до температуры ~400 °С, а выше ~500 °С происходит изменение знака.