В веществе, помещённом в магнитное поле, появляется внутреннее магнитное поле, которое накладывается на внешнее (намагничивающее). Напряжённость суммарного магнитного поля (внешнего и внутреннего) называется магнитной индукцией. Магнитная индукция

В = mо(H + J).

Намагниченность вещества J является функцией внешнего поля. Для парамагнетиков связь между J и H в широкой области полей носит линейный характер: J = æH, где безразмерная величина æ носит название магнитной восприимчивости. Для ферромагнетиков условно принимают туже форму записи, но их æ сложным образом зависит от поля.

С той же оговоркой связь между величиной магнитной индукции и внешним полем выражается через магнитную проницаемость

                                                        m = mо(1+ æ).

Для характеристики магнитной проницаемости вакуума используется величина mо, равная 107/4p.

7.2.1       Магнитные свойства метаморфических пород

Для метаморфических пород характерен наиболее широкий диапазон изменения значений магнитной восприимчивости и естественной остаточной намагниченности. Встречаются образования от диамагнитных до очень сильно ферромагнитных. Широкие пределы изменения æ, J, Jn обусловлены сравнительно редко распространенными породами – мраморами и кристаллическими известняками, характеризующимися отрицательной магнитной восприимчивостью и железистыми кварцитами, серпентинитами, скарнами, среди которых встречаются очень сильно магнитные разности, по значениям æ, J и Jn приближающиеся к магнетитовым рудам. Наиболее широко развитые метаморфические породы – микрокристаллические и кристаллические сланцы, гнейсы, амфиболиты и другие имеют меньший диапазон изменения значений параметров; они обладают более низкими максимальными значениями, чем магматические образования.

Контактовый метаморфизм определяет образование пород, характеризующихся очень непостоянными магнитными свойствами, что зависит как от параметров исходных пород, так и от давлений и температур, обуславливающих метаморфизм.

Так, для скарнов, наиболее вероятная величина магнитной восприимчивости (в 10-5 ед. СИ) – 10 - 12000, а максимальная величина – 30000.

7.3 Электрические свойства

Из электрических свойств веществ наибольшее значение в геофизике имеют удельное электрическое сопротивление, диэлектрическая проницаемость, естественная и вызванная поляризация и пьезоэлектрический эффект.

Возможность направленного движения частиц (электронов и ионов) под действием внешнего электрического поля обусловливает электропроводность веществ. Сопротивление возникающему электрическому току вызывается хаотическим (тепловым) перемещением заряженных частиц и зависит от строения электронной оболочки атомов, кристаллохимических структур минералов и ионизационных свойств водных растворов солей.

Удельное электрическое сопротивление

r = Rs/l,

где R – сопротивление вещества, Ом; l – длина тела, м; s – поперечное сечение тела, м2.

Удельная электрическая проводимость g = 1/r.

По природе электропроводности выделяются: проводники, полупроводники и диэлектрики (электронные и ионные).

7.3.1       Удельное электрическое сопротивление метаморфических пород

Удельное электрическое сопротивление метаморфических пород зависит от ряда факторов. Выше уровня грунтовых вод породы характеризуются гигроскопической влажностью; их сопротивление достигает 103 – 106 Ом×м. Наблюдается значительное колебание сопротивления пород в зависимости от климатических условий. Ниже уровня грунтовых водообильность кристаллических пород определяется наличием в них связанных (капиллярных) и свободных (гравитационных) вод. Капиллярная влажность для ненарушенных массивов и толщ, главным образом ниже зоны выветривания. Свободные гравитационные воды в складчатых областях и древних щитах являются трещинно-жильными; они подразделяются на трещинные воды зоны выветривания (до 100 м), жильные воды (до 1- 2 км) и трещинно-карстовые.

Удельное сопротивление кристаллических пород, обводнённых трещинно-жильными водами, в несколько раз меньше сопротивление тех же пород в ненарушенных массивах.

Для разных районов величина удельного сопротивления пород в зоне развития трещинных вод неодинакова в связи и различной интенсивностью развития процесса выветривания и отличием в степени минерализации вод. Сопротивление одних и тех же пород обычно значительно изменяется по площади.

Необходимо отметить, что в пределах эксплуатируемых рудных месторождений в результате вскрытия их горными выработками и нарушения естественной циркуляции вод рудничные воды характеризуются значительно более высокой минерализацией (10 – 20, реже 100 г/л) по сравнению с водами неэксплуатируемых месторождений. Поэтому сопротивление пород, полученное в результате параметрических измерений на эксплуатируемых месторождениях, может быть значительно ниже, чем сопротивление аналогичных пород в пределах невскрытых месторождений.

Удельное электрическое сопротивление (в Ом×м) метаморфических пород (по литературным и фондовым данным)

Пьезоэлектрический эффект – свойство определенных кристаллических веществ проявлять электрическую поляризацию под действием механических напряжений или деформации.

Пьезоэлектрическая поляризация проявляется как в монокристаллах определенного типа симметрии, так и в полнокристаллических агрегатах, содержащих ориентированные пьезоэлектрические кристаллы.

Горные породы, в составе которых находятся пьезоэлектрические активные минералы, образуют обширную и распространенную группу пьезоэлектрических текстур. Тип симметрии пьезоэлектрических текстур горных пород и величина их пьезоэффекта находятся в зависимости от следующих свойств пьезоактивного минерала: типа кристаллографической симметрии, величины пьезомодулей, характера пространственной ориентировки электрических (полярных) и других осей, процентного содержания минерала и его пространственного положения относительно нейтральной компоненты в породе. К наиболее распространенным в природе минералам пьезоэлектрикам относятся кварц, турмалин, сфалерит, нефелин.

При наложении на породу электрического поля в ней происходит смещение внутренних связанных зарядов. В результате на ее поверхности появляются неуравновешенные заряды, которые создают электрическое поле, направленное противоположно внешнему и ослабляющее последнее. Это явление носит название поляризации породы. Вектор поляризации h – суммарный электрический момент единицы объема диэлектрика. По природе поляризации и величине поляризуемости выделяются 4 группы веществ:

1.               полезные ископаемые с высокой поляризуемостью, образующиеся за счет высокой электронной проводимости;

2.               полезные ископаемые и горные породы с непостоянной поляризуемостью, изменяющейся в зависимости от содержания и состава вкрапленных электронно-проводящих минералов;

3.               магматические и метаморфические породы со слабой поляризуемостью, возникающие за счет полупроводниково-ионной проводимости;

4.               осадочные породы со средней и слабой поляризуемостью, образующиеся в средах с ионной проводимостью

Минералами, способствующими увеличению поляризуемости пород, являются: пирит, пирротин, галенит, графит, марказит, халькозин, халькопирит и др.

Поляризуемость пород, содержащих вкрапленность проводящих минералов, изменяется также от влажности – с увеличением влажность поляризуемость заметно возрастает.

Магматические, метаморфические и осадочные “чистые” породы (не содержащие вкрапленности рудных минералов или графита) имеют относительно невысокую поляризуемость, определяющуюся полупроводниково-ионной и ионной проводимостью.

7.4 Теплофизические свойства

Тепловое состояние земных недр является первопричиной многих геологических процессов.

Теплофизические параметры определяются следующими формулам:

теплопроводность

l  = q/grad T,

где q – плотность теплового потока; grad T – температурный градиент;

удельная теплоёмкость

c = Q/m(T2 – T1),

где Q – количество теплоты; m – масса тела; Т – Т – разность температур, на которую изменяется температура тела массой m при подведении к нему количества теплоты Q;

температуропроводность

a =l /cs,

где cs - объёмная теплоёмкость [Дж/(м3*К)].

Параметром теплового поля земли, который можно непосредственно измерить, является плотность теплового потока

q = Q/St,

где S – площадь изотермической поверхности ; t – время.

В геологических исследованиях плотность теплового потока Земли находится из уравнения Фурье:

q = -l grad T,

Коэффициенты теплового линейного и объёмного расширения определяются соответственно формулами

a = (LT – L0)/L0;

b = (VT – V0)/V0,

где LТ и L0 – длина тела соответственно при температуре T и 00; VТ и V0 – объём тела соответственно при температуре T и 00.

Метаморфические породы (скарны, кварциты, гнейсы, мраморы, роговики и др.) имеют высокую теплопроводность (для скарнов lср =2,31 Вт/(м×К)), что связано с наличием у этих образований плотных кристаллических структур с низкой пористостью и широким развитием метаморфических минералов (андалузита, ставролита). Диапазон изменения теплопроводности метаморфических пород значителен - 0,55-76 Вт/(м×К). Стандартное отклонение теплопроводности метаморфических пород несколько выше, чем осадочных, и более чем в 3 раза превышает таковое для интрузивных пород. В полиминеральных метаморфических образованиях теплопроводность ниже, чем в мономинеральных метаморфических породах, как это видно на примере чарнокитов и гранито-гнейсов (Хср=1,3и 2 Вт/(м×К) соответственно). Продукты контактового метаморфизма отличаются повышенной теплопроводностью. Теплопроводность пород из зон гидротермального метасоматизма близка к теплопроводности продуктов регионального метаморфизма. Метаморфические породы имеют высокую теплоемкость, максимальными значениями ее характеризуются роговики - 1480    Дж/(кг×К). Средняя теплоемкость у метаморфических пород выше, чем у магматических.

7.5 Ядерно-физические (радиоактивные) свойства

Естественная радиоактивность пород обусловлена наличием в их составе либо минералов, содержащих радиоактивные элементы (уран U, торий Th, радий Ra), либо радиоактивных изотопов калия K40.

Кроме того, ряд минералов обладает способностью адсорбировать из окружающей среды радиоактивные элементы и изотопы (глины, глинистые сланцы).

Величина радиоактивность горных пород оценивается параметром горной радиоактивности R – количеством распадающихся в одну секунду атомов в килограмме вещества.

Содержание урана и тория в метаморфических породах, образующихся за счет метаморфизма вулканитов основного состава, является повсеместно низким и не зависит от фаций метаморфизма.

В целом в метаморфических породах – продуктах регионального динамотермального и контактового метаморфизма содержание урана и тория различно лишь для образований, метаморфизованных в условиях амфиболитовой, эпидот-амфиболитовой и зеленосланцевой фаций. В продуктах более высоких ступеней метаморфизма содержание радиоактивных элементов практически выравнивается во всех типах пород. Процессы ультраметаморфизма и метасоматоза приводят к увеличению содержания урана и тория. При этом среди продуктов ультраметаморфизма и метасоматоза выделяются образования с резко пониженным (<1) и аномально высоким (>10-20) торий-урановым отношением.

Список литературы

ü Белоусова О.Н., Михина В.В., Общий курс петрографии, “Недра”, М, 1972

ü Дортман Н.Б., Физические свойства горных пород и полезных ископаемых, “Недра”, М, 1984

ü Ермолов В.А., Попова Г.Б., Мосейкин В.В. и др., Месторождения полезных ископаемых: учебник для вузов, “МГГУ”, М, 2001

ü Ершов В.В., Геология и разведка месторождений полезных ископаемых, “Недра”, М, 1989

ü Жариков В.А., Метасоматизм и метасоматические породы, “Научный мир”, М, 1998

ü Павлинов В.Н., Михайлов А.Е., Кизевальтер Д.С. и др., Пособие к лабораторным занятиям по общей геологии, “Недра”, М, 1988

ü Попов В.С., Богатиков О.А., Петрография и петрология магматических, метаморфических и метасоматических горных пород, “Логос”, М, 2001