45. Магнитные свойства горных пород, их петрофизическая информативность.

Магнетизм-свойство пород намагничиваться в магнитном поле, изменять его и иногда сохранять намагниченное состояние после прекращения действия поля.

В результате намагничивания порода приобретает магнитный момент. Магнетизм возникает при взаимодействии 2-х намагниченных образцов породы и проводника, по которому течет ток. Магнетизм зависит от происхождения и условий жизни пород. Он не постоянен, если растут со временем действующие на погружающуюся породу давление и температура, то изменяется не только ее структура, но и минеральный состав.

К основным характеристикам магнитных свойств относятся магнитная восприимчивость (k), намагниченность (Is), точки Кюри (Tc) и Нееля (TN) и коэрцитивная сила (Hc).

В точке Кюри (Tc) происходит переход вещества из ферромагнитного в парамагнитное состояние, самопроизвольная намагниченность практически исчезает. Температура перехода вещества из антиферромагнитного в парамагнитное состояние называется температурой Нееля (TN). Намагниченность вещества при увеличении напряжённости (Н) внешнего магнитного поля возрастает, а затем достигает насыщения Is. Величины Is и Tc (TN) определяются составом и распределением ионов по кристаллографическим позициям и практически не зависят от размера и формы выделений, характера распределения ферромагнитного минерала в слабомагнитной матрице, распределения напряжений и др. Эти константы ферромагнитных минералов могут быть использованы в целях диагностики, так, для магнетита Tc = 575°С, Is (при 20°С) 92 А• м2/кг; для гематита TN=675°С, Is (при 20°С).

Кроме того, магнитные свойства ГП определяются размерами, формой, расположением в среде и присутствием других намагничивающихся минералов.

Различие магнитных свойств по разным направлениям породы определяется кристаллографической анизотропией(различие значений свойств по разным направлениям.) ферромагнитных минералов, текстурой, неизометричностью формы зёрен, линейным или послойным их распределением. Наибольшей магнитной анизотропией обладают метаморфические горные породы — сланцы, гнейсы, у которых отношение kмaкc/kмин достигает 1,5-2,0 и более.

Высокая намагниченность характерна для пород глубинных мантийных магм. Самую малую намагниченность имеют породы которые появляются в результате расплавления верхних горизонтов коры.

Изучение магнитных свойств позволяет судить об условиях образования и преобразования минералов и горных пород, о природе магнитных аномалий Земли. Например, естественная остаточная намагниченность горных пород характеризует напряжённость и направление магнитного поля времени образования породы, что позволило создать палеомагнитную шкалу времени, способствовало развитию тектоники литосферных плит.

46. Комплексные параметры, характеризующие интенсивность взаимодействия нейтронов с горными породами. Их зависимость от химического состава, плотности, пористости, характера насыщения пород.

Способность пород рассеивать и поглощать нейтроны- их рассеивающая и поглощающая активности, оцениваются макроскопическими сечениями рассеяния Σр и поглощения Σз.

σ_р и σ_з зависят от вида ядер и энергии нейтронов:

Ср= σ_рINs и Сз= σ_з INs, где Ср и Сз выражают числа нейтронов, рассеянных или захваченных ядрами на S=1м2 в 1с-нейтр.∕(м2∙с), I-интенсивность потока, Ns-число ядер.

Для расчета макроскопических эффективных сечений используются формулы:

Σр= σ_рN=σ_р*(Nаδт)∕А

Σз= σ_зN=σз*(Nаδт)∕А, где N-число ядер, А и δт-относительная атомная масса и плотность элемента, Nа- постоянная Авогадро, σ_р и σ_з - эффективные микроскопические сечения рассеяния и захвата соответственно.

Но горные породы состоят из элементов с разными микроскопическими сечениями, поэтому:

Σр= δ_рN_А∕100 Σ m_эi σ_pi∕Ai

Σз= δ_рN_А∕100 Σ m_эi σ_зi ∕Ai, где σ_{pi ,}σ_зi, m_{эi и} Ai-микроскопические эффективные сечения рассеяния и захвата, содержание в % (массовых) и относительная атомная масса i-го элемента породы; δп-ее плотность.

Если анализ твердой части породы дан в виде окисло элементов, а анализ жидкой части поэлементарно, то для расчета используют:

Σз=N_А[δ_т(1-k_п) Σm_Мiσ_змi ∕М _i + k_пδ_жΣm_эiσзэi ∕ A_i]

Σр=N_А[δ_т(1-k_п) Σm_Мiσр_мi ∕М _i + k_пδ_жΣm_эiσрэi ∕ A_i], где

k_п –коэффициент пористости; δ_{т и} δ_ж- коэффициенты твердой и жидкой фаз; m_Мi mэi – содержания (в %)i-й молекулы в твердой и i-го элемента в жидкой фазах породы.

σ_змi и σзэi-эффективные поперечные сечения поглощения i-й молекулы в твердой и i-го элемента в жидкой фазах породы. A_i—относительная атомная масса i-го элемента жидкой фазы.

Т.е для подсчета Σз и Σр должны быть известны: химический состав породы, их плотность (при естественной влажности или плотности твердой и жидкой частей),микроскопические сечения рассеяния и поглощения молекул и элементов, составляющих породу.

К другим величинам, определяющим поведение и интенсивность взаимодействия пород с нейтронами относят:

D₀ – коэффициент диффузии; D₀ =λтр∕3, где λтр- транспортная длина свободного пробега

Ls-длина замедления;

Ld-длина диффузии; опред-ся как расстояние отсчитываемое от источника на котором поток Ф=Q*e ^-kr/(4πD₀r) нейтронов уменьшается, где Q-число нейтронов, испускаемых источником за 1с, r-расстояние от источника.

Ld(T₀)= √D₀(T₀) τd(T₀)

τз-время замедления (время необходимое нейтрону для замедления в породе);

τ_d-время жизни тепловых нейтронов. τ_d=λз ∕ υ=1∕ N_Аσ_з υ=( υΣni σзi)^-1, где υ-скорость тепловых нейтронов, λз-средняя длина свободного пробега нейтрона до поглощения

длина пробега нейтронов включает длину замедления и длину диффузии. Средняя длина замедления нейтронов ( ) определяется способностью ядер рассеивать нейтроны и равна расстоянию, на котором энергия нейтронов уменьшается от исходной (у быстрых нейтронов энергия превышает 0,5 МэВ) до тепловой (0,025 эВ). Наименьшей длиной замедления ( 10 см) обладают минералы, в которых имеются бериллий, углерод, железо и водородосодержащие породы, насыщенные водой, нефтью или газом. В других породах, особенно содержащих тяжелые химические элементы, составляет первые десятки сантиметров.

Ослабленные до тепловой энергии нейтроны перемещаются в породе путем диффузии до тех пор, пока не поглотятся какими-нибудь ядрами. Способность горных пород поглощать тепловые нейтроны выражают через среднюю длину диффузии или пропорциональное ей среднее время жизни тепловых нейтронов . Наименьшими значениями этих параметров ( 5 см, 5 мкс) отличаются руды, содержащие химические элементы с высоким сечением поглощения нейтронов (редкоземельные, кадмий, бор, ртуть, железо, хлор и др.), и рыхлые осадочные породы, насыщенные минерализованными водами. Для большинства породообразующих минералов и горных пород изменяется от 10 до 30 см, а - от 10 до 3000 мкс. Важным параметром среды является также коэффициент диффузии .

На изменении перечисленных нейтронных свойств химических элементов основаны нейтронные методы поэлементного анализа горных пород и их водонефтегазонасыщенности. Они сводятся к изучению плотности (интенсивности) тепловых нейтронов или вторичного гамма-излучения .