Зависимость вектора остаточной намагниченности от параметров акустического воздействия для образцов различных генетических типов пород и руд Кольского полуострова
Учреждение Российской академии наук Геологический институт Кольского научного центра РАН (ГИ КНЦ РАН), Апатиты, *****@***apatity. ru
Введение
Приведены некоторые результаты исследования акустического воздействия на поведение остаточной намагниченности (ОН) магнетитсодержащих пород и руд из различных геологических структур Кольского полуострова. В работе рассматривается влияние таких параметров как время ультразвукового прозвучивания (УЗП), направление фронта акустической волны и амплитуда акустических колебаний. Для изучения магнитоупругих эффектов использованы образцы из Ковдорского массива; структуры хребта Серповидный; Оленегорской рудной структуры; Нюсюкской дайки Печенсгкого района, секущей породы Кольского составного террейна; Панской расслоенной интрузии и структуры Куру-Ваара Беломорского подвижного пояса. Образец из Ковдорского массива представлен магнетит-кальцитовой породой, из структуры хребта Серповидный - магнетитсодержащим амфиболитом, из Оленегорской рудной структуры - железистым кварцитом, из Нюсюкской дайки Печенсгкого района - ультраосновной породой, из Панской расслоенной интрузии - габбро-норитом и из структуры Куру-Ваара - метагаббро-норитом.
1. Влияние амплитуды сигнала на намагниченность пород
Рис.1. Графики изменения намагниченности при использовании монохромного и импульсного сигналов с различными значениями амплитуды. На оси абсцисспоказаны этапы эксперимента: ЕН - естественная намагниченность, 1УЗП – первое ультразвуковое прозвучивание, 1Р - первое размагничивание и т. д. На оси ординат – модуль вектора намагниченности.
Для эксперимента использован магнетитсодержащий амфиболит из структуры хребта Серповидный (кубики СР001/02, СР001/05, СР001/06, СР001/10, СР001/16). Исследования состоят из двух фаз с общей методикой эксперимента, но отличающихся типом используемого сигнала. В 1-й фазе эксперимента УЗП осуществлялось на основе монохромного сигнала, амплитуда которого равна 5 В. С этой целью задействован аппаратурный комплекс, в который входит генератор синусоидального сигнала Г3-102. А во 2-й фазе эксперимента использован импульсный сигнал с амплитудой 20 В, воспроизводимый импульсным генератором ГИ-1. При этом время прозвучивания составляло 60 с. Облучение образца производилось по всем направлениям и чередовалось с этапом размагничивания (Р). В ходе эксперимента получены следующие результаты.
Результаты
В 1-ю фазу исследования, в которой использован монохромный сигнал с амплитудой 5 В, скачкообразные изменения ОН отмечаются только на 1-м этапе (1УЗП и 1Р) (рис.1, зона I). Затем наблюдается относительно спокойный характер графиков (рис.1, зона II). Во 2-й фазе, в которой образец подвергся импульсному облучению (амплитуда сигнала 20 В), вновь происходит резкое изменение модуля ОН (рис.1, зона III). А в дальнейшем (рис.1, зона IV) значимые изменения магнитного состояния образца не наблюдаются. Использование импульсного сигнала с большой амплитудой (20 В) позволяет получить более выраженный магнитный отклик образца. После многократного (6 циклов) циклического облучения и размагничивания образца наблюдается выход на асимптоту значений модуля вектора ОН. Дальнейшие процедуры УЗП и размагничивания не приводят к значимым изменениям магнитного состояния образца.
2. Влияние направления УЗП относительно вектора ОН при циклическом облучении и размагничивании образца.
Рис.2. Зависимость угла между направлениями вектора намагниченности (до УЗП и после) и разности значений модуля вектора (до УЗП и после) от направления прозвучивания для образца из Ковдорского массива: а) при малых углах УЗП; б) – больших углах УЗП.
Для эксперимента использованы следующие образцы: магнетит-кальцитовая порода из Ковдорского массива; магнетитсодержащий амфиболит из структуры хребта Серповидный; железистый кварцит из Оленегорской рудной структуры. Образец из Ковдорского массива представлен сильномагнитной породой, естественная остаточная намагниченность (ЕН) которого составляет около 100 А/м. Для эксперимента использованы 4 кубика (КВ001/03; КВ001/04; КВ001/06; КВ001/07), полученные из Ковдорского образца. В исследовании также использованы 18 кубиков (СР001/01; СР001/02 и т. д.) слабомагнитного амфиболита из структуры хребта Серповидный, ЕН которого гораздо меньше ЕН Ковдорской породы и составляет около 0.5 А/м. Для эксперимента также использованы 10 кубиков железистого кварцита (ОЛ001/01; ОЛ001/02 и т. д.), с величиной ЕН не более 32 А/м.
Методика эксперимента состояла в циклическом УЗП предварительно размагниченных кубиков при следующих условиях: время облучения – 60 с, частота ультразвуковых колебаний – 100 кГц. Для ультразвукового облучения использован аппаратурный комплекс, в который входят: 1) задающий генератор импульсов Г3-102; 2) стандартные пьезоэлектрические датчики и 3) двухканальный осциллограф. В качестве датчиков в эксперименте использованы датчики-излучатели и датчики-приемники с рабочей частотой 100 кГц. Контроль изменения вектора ОН, после воздействия ультразвуковых колебаний, для сильномагнитных образцов проводился с помощью астатического магнитометра АМ-4, а для слабомагнитных пород - Рок-генератором JR-4.
Рис.4. Зависимость угла между направлениями вектора намагниченности (до УЗП и после) и разности значений модуля вектора (до УЗП и после) от направления прозвучивания для образца из Оленегорской рудной структуры: а) при малых углах УЗП; б) – больших углах УЗП.
Рис.3. Зависимость угла между направлениями вектора намагниченности (до УЗП и после) и разности значений модуля вектора (до УЗП и после) от направления прозвучивания для образца из хребта Серповидный: а) при малых углах УЗП; б) – больших углах УЗП.
Особенностью эксперимента является изменение параметров прозвучивания на различных этапах исследования: УЗП выполнялось под разными углами относительно направления намагниченности образца. На каждом этапе проведено по 4 цикла размагничивания и облучения. Процедура магнитной чистки заключалась в воздействии на образец переменного по амплитуде синусоидального магнитного поля.
Результаты
В ходе эксперимента получены следующие результаты. При облучении Ковдорского образца под разными углами относительно максимальной оси намагниченности наблюдается зависимость пространственного поведения вектора от направления УЗП. Так, при больших углах УЗП (96°÷167°) пространственное положение вектора изменяется сильнее (до 38°) (рис.2, б). В то время как для направлений прозвучивания, близких к направлению вектора ОН, наблюдается более стабильное пространственное поведение вектора (рис.2, а). Зависимость модуля вектора ОН от направления прозвучивания для данного образца не установлена.
По результатам исследований образца магнетитсодержащего амфиболита из структуры хребта Серповидный можно сделать вывод, что для углов прозвучивания 11°÷72° изменение модуля вектора ОН в целом не превосходит 0,21 А/м (рис.3,а). Исключение составляют три точки на графике (рис.3,а): при облучении под углом 55° наблюдается изменение значения модуля на 2.88 А/м, при 59° - на 0,44 А/м и при 22° - на 0,73 А/м. А для больших углов прозвучивания (107°÷169°) изменение модуля вектора ОН в целом не превосходит 0,48 А/м (рис.3,б). Что касается характера пространственного поведения вектора, можно отметить большую дисперсию отклонений направления вектора намагниченности при малых углах УЗП, нежели при больших. По результатам исследования железистого кварцита из Оленегорского месторождения Оленегорской рудной структуры влияние направления УЗП относительно вектора ОН не установлено (рис.4 а и б).
Таким образом, в целом можно сказать, что убедительных статистических данных, доказывающих зависимость вектора намагниченности различных образцов горных пород, нет. Можно отметить только некоторое различие в характере пространственного поведения Ковдорского образца при облучении под разными углами относительно максимальной оси намагниченности, что говорит о большей перспективности сильномагнитных пород и руд для магнитоакустических экспериментов.
3. Влияние времени УЗП на ОН образца
На первом этапе исследования изучено влияние времени облучения на остаточную намагниченность Ковдорской магнетит-кальцитовой породы, а также таких слабомагнитных пород, как: Нюсюкская ультраосновная порода из Нюсюкской дайки Печенсгкого района, секущей породы Кольского составного террейна, и габбро-норит из Панской расслоенной интрузии. В дальнейшем коллекция образцов, предназначенных для изучения влияния фактора времени ультразвукового прозвучивания на магнитного состояние пород, дополнена образцами докембрийских метаморфических пород, отобранных из структуры Куру-Ваара (Беломорский подвижный пояс). Это габбро-амфиболит, метагаббро-норит и эклогит. При отборе образцов в полевой сезон была замерена магнитная восприимчивость (), которая составляла не менее 5 х 10 -3 единиц СИ. Однако при измерении остаточной намагниченности на высокоточном магнитометре только один из трех образцов (метагаббро-норит) оказался пригодным для дальнейших исследований.
Методически эксперимент осуществлен по следующей схеме. Предварительно размагниченные переменным магнитным полем образцы кубической формы подвергнуты трем циклам ультразвукового облучения. Каждый цикл представляет собой прозвучивание кубиков по направлению вектора остаточной намагниченности с нарастающим временем облучения: 1с - 5с -10с - 30с - 60с. Остаточная намагниченность сильномагнитной породы измерялась астатическим магнитометром АМ-4, а слабомагнитных пород - Рок-генератором JR-4.
Результаты
1. На основе исследований по изучению зависимости времени акустического воздействия на остаточную намагниченность магнетитсодержащего образца из Ковдорского массива можно сделать следующие выводы:
При ультразвуковом воздействии на сильномагнитную магнетит-кальцитовую породу с естественной остаточной намагниченностью (ЕН) до 159,4 А/м, происходит изменение значения и направления вектора намагниченности. Так, на рис.5 наблюдается увеличение намагниченности образца (см. намагниченность кубиков КВ01/08, КВ01/09, КВ01/10).
Установлена зависимость вектора остаточной намагниченности от времени прозвучивания (рис.5). Особенно заметно это на 1-м цикле облучения, суммарное время воздействия которого составляет 106 с. Градиент изменения значения модуля на этом участке несколько выше, чем на последующих двух циклах.
Рис.5. Изменение модуля намагниченности (In) в зависимости от времени облучения
2. В результате многократного облучения образца габбро-норита (кубики ПАН01/01, ПАН01/02, ПАН01/03, ПАН01/04) из Панской расслоенной интрузии, ультраосновной породы (с рудным пироксенитом) (кубики НЮС01/01, НЮС01/02, НЮС01/03, НЮС01/04) из Нюсюкской дайки, метагаббро-норита (кубики КР02/01, КР02/02, КР02/03, КР02/04) из карьера Куру-Ваара Беломорского подвижного пояса установлено слабое изменение вектора остаточной намагниченности (см. рис.5). На первых двух циклах не наблюдается зависимости магнитного состояния образцов от времени воздействия упругих колебаний. Причем, использование в эксперименте образцов с естественной намагниченностью, не подвергнутых предварительной процедуре размагничивания переменным магнитным полем (образцы НЮС01 и КР02), не изменило результат эксперимента: зависимости от времени облучения не наблюдается. На последнем цикле исследования для 2-х кубиков ультраосновной породы (НЮС01/03 и НЮС01/04) заметно некоторое повышение значения модуля вектора.
Выводы
В ходе исследования сильномагнитных и слабомагнитных образцов обнаружено существенное различие в характере магнитного отклика пород. Так, сильномагнитная магнетит-кальцитовая порода из Ковдорского массива обнаруживает значительное увеличение намагниченности с первых же секунд ультразвукового воздействия. Магнитный отклик остальных пород на внешнее воздействие слабее. Зависимости от фактора времени облучения либо вообще не наблюдается, либо наблюдается на последнем цикле эксперимента при значительном увеличении времени воздействия.
Магнитные свойства горных пород обусловлены содержанием ферромагнитных минералов. Эти минералы обычно рассеяны в виде мелких зерен в общей диа-парамагнитной массе, составляющей основной объем породы. Количество рассеянных (акцессорных) минералов и определяет магнитную восприимчивость и остаточную намагниченность горных пород.
Ковдорская магнетит-кальцитовая порода, обнаружившая зависимость магнитного состояния от времени облучения, содержит значительное количество ферромагнетика. В то время как в остальных исследуемых образцах его содержание не превышает 1÷2 %.
Известны результаты исследований, в которых изучена зависимость магнитного отклика пород с различным размером ферромагнитных включений на воздействие внешних факторов — давлений или температур [1]. Результаты этих исследований показали, что изменение магнитных свойств существенно зависит от размеров магнитных частиц: наиболее стабильны при внешнем воздействии системы мелких частиц размером от 0,5 до 1 мкм. Под воздействием давления изменение намагниченности становится более значительным по мере роста размера частиц.
При больших размерах ферромагнитного минерала энергетически выгодна сложная доменная структура с множеством областей спонтанной намагниченности. Изменение магнитных параметров в системах магнитных частиц больших размеров под воздействием внешних факторов является более значительным. У однодоменных частиц изменения под влиянием внешних воздействий значительно меньше, чем у многодоменных.
Под действием внешних сил изменение намагниченности вещества со сложной доменной структурой может происходить за счет изменения размеров доменов и направления векторов. Если же речь идет о малых частицах - включениях ферромагнитного минерала, размеры которых достигают пределов однодоменного состояния (dcp = 0,05 ч 0,1 мкм), то изменение намагниченности происходит в меньшей мере: возможен только процесс изменения направления векторов.
Для магнетит-кальцитовой породы с крупными кристаллами магнетита и сложной доменной структурой наблюдаются значительные изменения вектора остаточной намагниченности и его зависимость от времени воздействия упругих механических колебаний. В то время как магнитные свойства образцов с незначительными включениями ферромагнетика при акустическом воздействии более стабильны.
Литература
Магнитное общество. Нанокомпозиты. Гл. редактор: проф. . Т. 8, 2007 г.