4.3.Теплофизические параметры горных пород

Тепловые свойства горных пород в значительной мере определяются особенностями их внутреннего строения:

• свойствами и соотношением слагающих минералов;

• соотношением различных фаз (твердой, жидкой и газообразной);

• текстурой породы, ее анизотропией;

• структурой порового пространства, формой и размерами пор;

• свойствами цемента.

Наличие в горных породах порового пространства, заполненного флюидом, резко снижает процент переноса тепла, складывающегося из кондуктивной теплопередачи внутри отдельной твердой частицы, в местах соприкосновения частиц.

Анализ данных показал, теплопроводность λ возрастает в ряду глины→ аргиллиты→ пески→ алевролиты→ известняки→ доломиты→ каменная соль. В этот ряд не входят песчаники. Диапазон изменения теплопроводности у песчаника очень большой.

Для интрузивных магматических пород наблюдается снижение теплопроводности в ряду ультраосновные→ основные → средние рост у сиенита, и гранита.

Метаморфические породы отличаются широкими пределами изменения коэффициента теплопроводности. Причем особенно они значительны у роговиков и кварцитов. Исключение составляют некоторые кристаллические сланцы серпентиниты и эклогиты.

Теплоемкость пород варьирует от 0,42 (известняк) до 4,65 (каменная соль) Дж/кг·К.

Для отдельных же групп пород теплоемкость изменяется следующим образом:

• от 0,42 до 4,65 Дж/кг·К (осадочные породы)

• от 0,45 до 2,13 Дж/кг·К (магматические породы)

• от 0,3 до 1,72 Дж/кг·К (метаморфические породы).

Наибольший диапазон теплоемкости среди осадочных пород имеют каменная соль, песчаники, мел, известняки и глины, а наиболее узкий – ангидриты, гипсы, аргиллиты. Для большинства осадочных пород вариации теплоемкости связаны с коэффициентом пористости и влажности. Чем больше их значения, тем выше теплоемкость. Вариации теплоемкости магматических и метаморфических пород также связаны с влажностью. Теплоемкость пород не зависят от их зернистости, слоистости, состояния (аморфности или кристалличности) минералов.

Контрольные вопросы к главе 4.

1. Чем объясняется высокая теплопроводность самородных элементов?

2. Какие факторы оказывают влияние на теплопроводность горных пород?

3. От чего зависит и от чего не зависит теплоемкость горных пород?

Глава 5. Магнитные свойства минералов и горных пород

5.1. Магнитные параметры физических тел

Магнетизм вещества связан с особенностями строения внешних и внутренних атомных орбит. По типу магнетизма выделяются диа- и парамагнитные химические элементы /4,6,8/.

В веществе, помещенном в магнитное поле, появляется внутреннее магнитное поле, которое накладывается на внешнее (намагничивающее). Напряженность суммарного магнитного поля (внешнего и внутреннего) называется магнитной индукцией. Магнитная индукция численно равна:

(5.1)

J –намагниченность вещества, которая является функцией внешнего поля.

Реакция вещества на приложенное магнитное поле характеризуется магнитной восприимчивостью æ:

, (5.2)

Магнитные свойства вещества обуславливаются главным образом магнитными моментами электронов. Одновременно с вращением электронов вокруг своей оси (спиновое движение) они (электроны) совершают также движение по орбите вокруг положительно заряженных ядер (орбитальное движение). Оба вида движения эквивалентны круговому току, создающему магнитный момент.

Внешнее магнитное поле взаимодействуют с магнитными полями атомов, в результате чего возникает дополнительный момент, либо совпадающий с направлением внешнего поля, либо противоположный ему (диамагнетики).

Восприимчивость диамагнитных веществ отрицательна, то есть наведенные магнитным полем магнитные моменты ослабляют его. Таким образом, диамагнетик, вещество обладающий отрицательной магнитной восприимчивостью (порядка –10^-5÷-10^-6). Диамагнетизм является наиболее универсальным магнитным свойством, присущим всем веществам. Физическая суть этого явления состоит в следующем. Под действием внешнего магнитного поля в замкнутом токовом контуре (орбите вращения электрона) возникает электродвижущая сила, порождающая дополнительный индукционный ток. Этот ток создает индукционный момент, направленный в соответствии с законом электромагнитной индукции противоположно внешнему магнитному полю, что проявляется в отрицательных значениях магнитной восприимчивости. Магнитная индукция B в диамагнетике меньше напряженности поля H. Однако ослабление поля незначительно. Поскольку индуцированный полем отрицательный магнитный момент значительно меньше орбитального или спинового момента электронов, явление диамагнетизма можно обнаружить лишь у тех атомов, у которых орбитальные и спиновые моменты взаимно скомпенсированы.

Восприимчивость парамагнитных веществ положительна, и магнитные моменты усиливают внешнее поле. Природа парамагнетизма заключается в ориентации элементарных магнитных моментов внешним магнитным полем: происходит ориентировка собственных магнитных моментов атомов. Поэтому рост намагниченности не прекращается даже в сильных полях. При выключении поля намагниченность парамагнетика исчезает.

Среди парамагнитных веществ выделяется особая группа веществ, называемая ферромагнитными. Вследствие особенности строения внутренних электронных орбит у веществ этой группы взаимодействие между атомами настолько велико, что магнитные моменты всех атомов даже при отсутствии внешнего магнитного поля располагаются параллельно друг другу и одинаково ориентированы. Это так называемая спонтанная намагниченность. То есть, обладают магнитным моментом даже при отсутствии внешнего магнитного поля. В высоких полях магнитное состояние ферромагнетиков изменяется путем постепенного вращения спонтанной намагниченности в направлении магнитного поля. При насыщении магнитные моменты располагаются параллельно магнитному полю. Изменение намагниченности при повышении напряженности внешнего магнитного поля графически изображают кривой намагничивания (рис.5.1). В малых полях намагниченность в основном обратима. В случае скачкообразного изменения намагниченности процесс необратим.

Рис. 5.1. Кривая намагничивания ферромагнетика

Необратимые процессы приводят к остаточным явлениям и сохранению в веществе некоторой части намагниченности при уменьшении внешнего поля до нуля.

Намагниченность, остающаяся и после уменьшения поля до нуля, получила название остаточной намагниченности.

Для приведения остаточной намагниченности ферромагнетика к нулю необходимо приложить некоторое обратное по направлению поле. Величина этого поля носит название коэрцитивной силы. Дальнейшее увеличение обратного магнитного поля снова приведет ферромагнетик в состояние магнитного насыщения. При уменьшении обратного поля весь цикл намагничивания повторяется. В результате образуется петля названная петлей гистерезиса.

Повышение температуры приводит к уменьшению спонтанной намагниченности. При определенной температуре, названной точкой Кюри, в ферромагнетике происходит ориентации спиновых моментов, и выше этой температуры ферромагнетик ведет себя как парамагнетик.

Существуют вещества, у которых энергетически более выгодно антипараллельное расположение спинов соседних атомов (отрицательное обменное взаимодействие). При параллельном расположении спинов (ферромагнетики) их магнитные моменты складываются, в то время как антипараллельное расположение (антиферромагнетики) дает результирующий момент равный нулю (рис5.2). Наконец, известны вещества, в которых при антиферромагнитном порядке атомных магнитных моментов их взаимной компенсации не происходит. Такие вещества получили название ферримагнетиков, и среди природных минералов они встречаются чаще, чем ферромагнетики. Во внешнем магнитном поле ферримагнетик намагничивается подобно ферромагнетики.

Рис 5.2. Схема ориентации атомных моментов, обусловленной обменными взаимодействием: I – ориентация моментов; II – результирующая спонтанная намагниченность решетки; а - ферромагнетик, б – антиферромагнетик, в – ферримагнетик, г – антиферромагнетик с некомпенсированным магнитным моментом.

Если рассматривать горные породы, то они характеризуются способностью изменять действующее на них магнитное поле или возбуждать собственное поле. Наиболее важными параметрами горных пород и руд являются магнитная восприимчивость æ и индуцированная и естественная намагниченность.

Магнитная восприимчивость характеризует способность вещества к намагничиванию. Появление магнитного момента тела сопровождается возникновением на его концах свободных магнитных полюсов, создающих магнитное поле внутри тела в противоположном внешнему полю направлении, т.е. размагничивающее поле. Это поле пропорционально намагниченности тела. Коэффициент пропорциональности (размагничивающий фактор N) определяется формой тела.

, (5.3)

где - кажущаяся магнитная восприимчивость, N – размагничивающий фактор, измеряющийся в системе СИ от нуля (для очень тонких вытянутых в направлении намагничивания тел) до 1 (для сжатых, пастообразных тел, намагничиваемых внешним полем перпендикулярно ограничивающим поверхностям). Для тел сферической формы .

Магнитная восприимчивость, отнесенная к единице массы вещества с плотностью σ, называется удельной (массовой) восприимчивостью:

(5.4)

Различают также молярную восприимчивость χ_М, приходящую на грамм-моль вещества, и атомную χ_а, отнесенную к атомной массе.

Если образец поместить в магнитное поле, то есть магнитная индукция изменяется за счет ориентации магнитных диполей по направлению поля, увеличив (или уменьшив) магнитную индукцию от до . Приращение

(5.5).

представляет намагниченность, или магнитный момент . Величина, показывающая, во сколько раз изменяется магнитная индукция вещества, называется относительной магнитной проницаемостью μ.

Магнитная восприимчивость æ и относительная магнитная проницаемость μ связаны между собой соотношением:

μ= 1+æ (5.6).

В природе встречается много горных пород, которые обладают остаточной намагниченностью , возникшей в древнем магнитном поле Земли за счет различных физико-химических процессов. Ферромагнитные минералы сохранили высокую остаточную намагниченность до наших дней.

Выделяют несколько остаточной намагниченности пород: термостатическую, химическую или кристаллизационную, вязкую, динамическую и др. Горные породы могут одновременно обладать различными видами намагниченности. Векторную сумму их принято называть естественной остаточной намагниченностью .

Под действием современного магнитного поля Земли все горные породы дополнительно приобрели намагниченность, которую назвали современной или индуцированной . Следовательно, горные породы, содержащие ферромагнетики, обладающие суммарной намагниченностью (5.7).

Направление определяется направлением вектора , направление может быть различно, так как оно зависит от многих причин. Вектор часто направлен навстречу T₀ (обратная полярность); в результате над рудами наблюдаются интенсивные отрицательные аномалии. Направление влияет на форму графика магнитной аномалии, поэтому его необходимо учитывать при анализе магнитных карт. С этой целью отбирают образцы в районе выявленных аномалий и в лаборатории определяют их магнитные свойства.

Характерной особенностью ферромагнитных минералов – зависимость их магнитной восприимчивости æ от температуры. С повышением температуры магнитная восприимчивость резко повышается, но определенной температуры называемой точкой Кюри (этот закон открыт Пьером Кюри). Если превысить температуру точки Кюри: железо 585°С, пирротин – 325°С, маггемит - 675°С, то минерал размагничивается и превращается в парамагнетик.

Таким образом, по определению:

Магнитная восприимчивость – это способность веществ намагничиваться (изменять свой магнитный момент) под действием внешнего магнитного поля.

Индуцированная намагниченность – это намагниченность создаваемая магнитным полем, исчезающая после прекращения его действия.

Остаточная намагниченность – намагниченность, создаваемая магнитным полем, сохраняющаяся после прекращения его действия.

Естественная намагниченность – остаточная намагниченность, создаваемая древним или современным полем Земли.