Магнитометрия. (Лекция 6)

1. Магнитометрия

Лекция 6.

2. Общие положения

B=m0(H+J)
B - магнитная индукция (Тл)
H – напряженность магнитного поля (А/м)
J – намагниченность (А/м)
m0=4p10-7(Тл м)/А – магнитная постоянная
B= mm0H
m– магнитная проницаемость вещества
J=cH
c – магнитная восприимчивость вещества

3. 6.1 Магнитное поле Земли: дипольное поле

66 мкТл
33 мкТл
6.1 Магнитное
поле Земли:
дипольное поле
Геомагнитные полюса:
Северный 79 с.ш., 71 з.д.
Южный 79 ю.ш., 109 в.д.
8·1022А·м2
Геомагнитные
полюса

4. Составляющие магнитного поля

Потенциал магнитного
диполя
μ M cos
U
0
4p
r2
Составляющие поля
μ 2M
μ 2M
dU
Z 0 3 cos 0 3 sin φ
dr
4π r
4π r
μ0 M
μ0 M
dU
H
sin
cos φ
3
3
rdΘ
4π r
4π r
μ M
T H 2 Z 2 0 3 4 sin 2 φ cos 2 φ
4π r
μ M
0 3 3 sin 2 φ 1
4π r
-
H
q f
r
Z
Магнитное
наклонение:
tg I
Z
2 tg φ
H

5. Магнитное наклонение

Магнитное наклонение
90
60
30
0
0
30
60
Широта
90
tg I
Z
2 tg φ
H

6. На самом деле поле –сложнее по структуре…

Магнитные полюса:
76о с.ш., 1010 з.д. и
66о ю.ш., 141ов.д.
Калькулятор
магнитного поля
http://www.ngdc.
noaa.gov/geomag/
magfield.shtml
MAGSAT
Главное магнитное поле Земли (T0, микротесла) состоит из
дипольной составляющей и континентальных аномалий

7. …и меняется со временем

Изменения магнитного поля, нТл/год

8. 6.2 Магнитные аномалии

T T - T0
T0 -карты магнитного поля среднего – крупного масштаба,
-калькулятор
T
T
- измеренное значение поля
- скаляр (!) “приращение модуля вектора индукции
магнитного поля”

9. Чем они отличаются от гравитационных?

Могут превышать магнитное поле
Земли (>66 мкТл);
Как правило – биполярные, имеют
положительную и отрицательную
части

10. 6.3 Изменение магнитного поля со временем: (а) солнечно-суточные вариации

11. (б) Вековой ход магнитного поля

12. (в) инверсии магнитного поля

0
0.5
Брюнесс
1
1.5
2
T,млн.
лет 2.5
3
3.5
4
4.5
5
Матуяма
Гаусс
Гильберт
(пример последних пяти миллионов лет)

13. 6.4 Происхождение магнитного поля

Внутреннее
ядро
Внешнее
ядро

14. 6.5 Магнетизм горных пород

B=m0(H+J)
(1)
J=M/V
(2)
J=cH
(3)
B=m0(1+c)H
(4)
H
J
Диамагнетик
c~ -10-6
J
J
Парамагнетик Ферромагнетик
c~10-6 – 10-3

15. Парамагнетики: распределение магнитного момента

Парамагнетик:
Поле = 0
Парамагнетик:
Приложено поле

16. Магнитная восприимчивость диа- и парамагнитных минералов

Минерал
Микроклин
Плагиоклаз
Плагиоклаз с
железистыми
примесями
Мусковит
c, 10-5СИ
0
>50
4-21
Минерал
Кварц
Циркон
Галенит
Касситерит
Ковеллин
Сфалерит
Графит
Ортоклаз
c, 10-5 СИ
-1.6
-1.2
-3.3
-2.0
-1.2
-6.5
-25/-0.6
-0.6

17. Ферромагнетики: спонтанное намагничивание

Ферромагнитное зерно
малого размера (<0.001 – 1 mm):
Магнитный
момент
Поле=0
Преимущественные
направления
Приложено
поле
Изменение направления магнитного момента зерна требует приложения
значительного поля, однако новое направление является устойчивым

18. Ферромагнетики: доменная структура

Граница
домена

19. Ферромагнетики: магнитный гистерезис

Js
J
D
C
Jrs
B
-Hc
A
Hc
H
-Jrs
-Js

20. Ферромагнетики: остаточная намагниченность в зависимости от температуры

Остаточная намагниченность
250-5000С
температура
Поле=0

21. Исчезновение ферромагнитного эффекта с ростом температуры. Температура Кюри

c
Ферромагнитное
состояние
Парамагнитное
состояние
300 - 675
Приложено магнитное поле
t, 0C

22. Свойства ферромагнитных минералов

Минерал
Формула
c, СИ
Js, A/м
tc, 0C
Магнетит
Титаномагнетит
Треволит
Якобсит
Магнезиоферрит
Маггемит
Гематит
Пирротин
Fe3O4
x Fe3O4(1-x) Ti Fe2O4
NiFe2O4
MnFe2O4
MgFe2O4
γFe2O3
Fe2O3
FeS1+x
8.8 – 25
1.3 10-4
6.3
250
10
3.8 – 25
(1.3-13) 10-3
(0.13 – 1.3) 10-3
4.9 105
(0.8-4.3) 105
2.4 105
3.2 105
1.4 105
4.4 105
(1.5-2.5) 103
(1.7 – 7) 104
578
100-578
590
510
310
675
675
300-325

23. Магнитные свойства горных пород

Cф
Зависимость магнитной восприимчивости от содержания ферромагнитных
минералов

24. Магматичес-кие породы

Магматические породы

25. Осадочные породы

Диапазон изменения магнитной
восприимчивости составляет (5-10)·10-5
ед.СИ, а для карбонатных пород χ
обычно не превышает 4·10-5 ед.СИ.
Относительно повышенные значения χ, в
пределах (30-100)·10-5 ед.СИ,
свойственны терригенным породам,
особенно накопившимся вблизи областей
древнего размыва.

26.

Метаморфические породы: первичные породы,
характер изменений
Плотность
Магнитная восприимчивость
Серпентиниты
Карбонатиты
Ультраосновные
породы
Изменение магнитной восприимчивости при автометаморфизме

27. Индуцированная и остаточная намагниченность

H
H
Jr
Ji
•Порода остыла
•Переместилась
•Магнитное поле
изменило
направление
J
Ji
Образование породы
Q=|Jr|/|Ji|
Параметр Кенигсбергера – мера
интенсивности остаточной
намагниченности

28. 6.6 Измерение магнитного поля: а. Принцип протонного магнитометра

T~f

29. Напоминание о вариациях

30. б. Учет вариаций

dT
Вариационная станция
Полевой магнитометр
T=T- dT -T0
T
Поправка, учитывающая вариации.

31. 6.7 Магнитное поле тел простой формы

Шар – Горизонтальный цилиндр –
Пласт малой мощности
безграничный и ограниченный на
глубину – уступ
Тела произвольной формы - подбор

32. Обозначения

y
y
Jxy
H
x
A
A0
i
I
f
x
f0
J
T
Jxz
z
ctg ctgi cos A
z
Txz
ctg 0 ctgI cos A0

33. Шар – магнитный диполь (частный случай вертикальной намагниченности)

0.3
0.25
0.2
0.15
μ0 M 2h 2 - x 2 - y 2
T
4π x 2 y 2 h 2 5 / 2
(
0.1
0.05
0
-10
-5
-0.05 0
5
h
J
10

34. Пласт малой мощности (ПММ) безграничный по падению

T
μ0 Jb h1 cos ε - x sin ε
sin I
sin
α
2
p
sin 0
h1 x 2
90 - - 0
T (0) Tmax Tmin
cos ε
Tmax Tmin
Tmax - Tmin
ctg 0 ctgI cos A0
h1
J 2b
x1 - x2
2p
m0
2
sin ε
x3 - x4
2
T (0)h sec α cos ec
h1
cos ε
sin 0
sin I

35. Эквивалентные модели: ПММ и антиклинальная складка

36. Зависимость поля вертикального ПММ от широты: то, чего не было в гравитационном поле

37. Зависимость поля ПММ от разностного угла e

Зависимость поля
ПММ от
разностного угла
0
0-90
=90: все
модели эквивалентны по
полю
180
180-270
90
270
270-0
90-180

38. Пласт малой мощности, ограниченный по падению: суперпозиция пласта и “антипласта”

μ0 Jb h1 cos ε - x sin ε h2 cos ε - ( x - a) sin ε
sin I
T
sin α
2
2
2
2
p
sin 0
h1 x
h2 ( x - a)
ПММ1 (x, h1, J)
ПММ2 ((x-a), h2, -J)

39. Горизонтальный цилиндр: яркий пример объекта, ограниченного на глубину: три экстремума

μ0 M (h 2 - x 2 ) cos - 2hx sin sin I
T
2p
sin 0
(h 2 x 2 ) 2

40. Зависимости поля цилиндра от направления намагничивания

41. Пласт большой мощности: интеграл от ПММ в конечных пределах

42. Уступ: интеграл от ПММ с одним бесконечным пределом

В чем отличие
гравитационного и
магнитного поля уступа?

43. Выводы

Ширина аномалии (т.е. горизонтальный
градиент) связана с глубиной залегания
объекта
Ограничение объекта в направлении
падения приводит к появлению
дополнительного экстремума
ПММ – объект в котором h1>>2b, поэтому
по магнитному полю невозможно
определить его мощность
В чем отличие гравитационного и магнитного
поля уступа?

44. 6.8 Качественная интерпретация магнитных аномалий

Градиент
неизменен
Градиент
уменьшается

45. Аномалии над складками

Отрицательные значения
над ядром антиклинали
И
положительные в центре
синклинали

46.

З
В
ε=-640
α=-640+90=260
А=900
ε =640
α=640+900=
1540
Tмакс=20 нТ, Tмин=-8 нТ
cos ε=12/28=0.43
Косью-Роговская мегасинклиналь (Гряда Чернышева-Полярный Урал)

47. Признаки разрывных нарушений

Смещение осей корреляции
Изменение горизонтального
градиента
Цепочки локальных аномалий
Изменение картины поля

48.

Выделение разрывных нарушений:
смещение осей корреляции и изменение
горизонтального градиента
50 нТ
Карта графиков T
1 км

49.

Картирование разрывного нарушения залеченного
дайками диабазов и габбро-амфиболитов

50. Картирование интрузивных тел

Картирование интрузии гранитов по спокойному пониженному
полю (Восточное Приладожье)

51.

Магнитное поле над интрузией граносиенитов
(Казахстан)
Рыхлые
известняки песчаники
граносиениты
образования

52. Как магнитная съемка помогает геологическому картированию: африканский пример

Участок в Буркина-Фасо
Мончегорский район
2 км
2 км
Сравните степень детальности этих двух геологических карт
одного масштаба (на обеих картах – древние докембрийские
породы возрастом более 1.5 млрд. лет)

53.

Геологическая карта
И магнитное поле

54. 6.9 Магнитные аномалии в океанах

55.

0
0.5
1
1.5
T, 2
2.5
Млн 3
лет 3.5
4
4.5
5
Брюнесс
c
Матуяма
Гаусс
Гильберт
t, oC
Модель Ф. Вайна и Д. Мэтьюза (1963)

56.

Палеомагнитная реконструкция
Южной Атлантики

57. Выводы - вопросы

На что похож источник магнитного поля Земли?
Чем отличаются магнитные и геомагнитные
полюса?
Что такое аномальное поле
Какие породы наиболее (наименее) намагничены?
Когда остаточная намагниченность полезна для
практики, а когда – создает помеху?
Чем отличаются магнитные и гравитационные
аномалии?
О каких элементах залегания и параметрах
простых тел можно судить по магнитным
аномалиям? Какие параметры нельзя определить?
Области применения магниторазведки?