Магнитоакустическая эмиссия магнетитовых и титаномагнетитовых руд железорудных месторождений Урала

Природные ферримагнетики, к которым относится магнетит (РеО • Ре2СЬ) и титаномагнетит (РегТЮД кристаллизуясь в различных термодинамических и физико-химических условиях, в своём химическом составе и магнитной структуре несут генетическую информацию об этих условиях. Типоморфные особенности магнетита широко используются при решении задач рудно-формационного анализа (Стебновская, 1985). Использование кроме основных магнитных характеристик (намагниченность насыщения, температура Кюри) ещё и «структурно-чувствительных» параметров (магнитная восприимчивость, остаточная намагниченность, коэрцитивная сила) позволяет расширить круг решаемых задач, включая поиски и разведку месторождений полезных ископаемых (Глухих, Шерендо, 1990).

Активное развитие геомагнитных исследований для изучения сейсмотектонических процессов основано на том, что на структурно-чувствительные магнитные характеристики природных ферримагнетиков оказывает влияние целый ряд факторов: изменение температуры в земной корехимические превращенияизменение сжимающих и растягивающих напряжений, отражающих различные тектонические проявления (Гульельми, 1995).

Совокупное влияние этих факторов приводит к изменению энергетического состояния ферримагнетика и, соответственно, к изменению положения доменных границ. Их конфигурация обуславливает магнитную текстуру, изменение которой связано с возникновением упругих, тепловых, электрических и других явлений в ферримагнетиках.

Одним из эффективных методов изучения доменной структуры феррои ферримагнетиков являются оптические методы (эффект Керра, маг нитная по-рошкография). Доменная структура на монокристалле магнетита была изучена Богдановым А. А. и Власовым А. Я. (Богданов, Власов, 1965) методом порошковых фигур, наблюдение которых производилось с помощью микроскопа МБИ-6. Изменяя величину внешнего магнитного поля вдоль различных кри4 сталлографических направлений, авторы следили за изменением доменной структуры на поверхности. На рис. 1 показано изменение доменной структуры на естественном кристалле магнетита из хлоритовых сланцев Шабровского месторождения (Средний Урал). Поле накладывалось вдоль — [II0], наблюдаемая поверхность — (110) (рис. 1, е). Предварительно образец подвергался механическому воздействию (шлифовке, полировке), а затем четырёхчасовому отжигу в вакууме при температуре 900 °C и последующему медленному охлаждению для снятия внутренних напряжений. Изучение доменной структуры на образцах магнетитов и титаномагнетитов без предварительного отжига не принесло положительных результатов (Богданов, Власов, 1965).

Рис. 1. Доменная структура на кристалле магнетита Шабровского месторождения (по: Богданов, Власов, 1965): а — намагничивающее поле Н = 0- б — Н = 6,4 кА/мв — Н = 13,6 кА/мг-Н = 26,4 кА/мд — Н = 59,2 кА/м.

Полученные результаты об изменении доменной структуры монокристалла магнетита в процессе его намагничивания находятся в согласии с известными положениями (Вонсовский, 1971), согласно которым результирующая намагниченность в слабых полях создаётся путём смещения доменных границ, тогда как в более сильных полях она обусловливается вращением векторов намагниченности доменов в направлении поля. Однако, наблюдаемая на поверхности образца картина не даёт информации о происходящих изменениях магнитной структуры внутри образца.

Повторное открытие эффекта магнитоакустической эмиссии в 19 741 оду дало мощный инструмент изучения внутреннего состояния ферромагнетика и особенностей процесса его перемагничивания (Lord et al., 1974). При исследовании перемагничивания ферромагнетиков различают электромагнитный эффект Баркгаузена (ЭБ) и акустическую эмиссию Баркгаузена (магнитоакусти-ческая эмиссия). Причем магнитоакустическая эмиссия (МАЭ) не всегда сопровождается скачками Баркгаузена и, наоборот, скачки Баркгаузена не всегда сопровождаются магнитоакустической эмиссией (Ломаев и др., 1981).

Источником магнитоакустической эмиссии при перемагничивании ферромагнетиков, по современным представлениям, являются локальные участки магнитострикционных деформаций, происходящих при перестройке доменных границ (Глухов, Колмогоров, 1988). Возникающие упругие колебания имеют довольно широкий диапазон частот и могут быть зарегистрированы с помощью пьезопреобразователей. В отличие от эффекта Баркгаузена, при изучении магнитоакустической эмиссии информация поступает со всего перемаг-ничиваемого объёма исследуемого образца (Влияние ., 1986). Скачки 90°, 109″ и 71° доменных границ, помимо этого, вызывают скачкообразные изменения магнитострикционных напряжений и, следовательно, магнитоакустическая эмиссия в какой-то мере связана с магнитострикцией образца (Малышев и др., 1981).

Наибольшее применение метод магнитоакустической эмиссии нашёл в дефектоскопии (Магнитоупругая ., 1987; Burkhard et al., 1982; Buttle et al., 19 876- Hill et al., 1991; Горкунов и др., 2001;). Как ко всякому методу нераз-рушающего контроля, к нему предъявлялись определённые, достаточно жёсткие, требования. Прежде всего, применяемая аппаратура должна безотказно работать в условиях производства, быть достаточно простой в управлении. В большинстве работ перемагничивание осуществлялось приставным электромагнитом, создающим переменное магнитное поле с частотой 50 Гц. Исследователями при этом выделяется какой-либо один информативный параметр (как правило, амплитуда полученного сигнала в милливольтах) и его зависимость 6 от контролируемого свойства исследуемого образца. Изучена зависимость сигналов МАЭ от состава, микроструктуры, магнитных характеристик сплавов, приложенных напряжений и пластических деформаций (Кwan et al., 1984; Горкунов и др., 2002). Изучение же магнитоакустической эмиссии на природных ферримагнетиках не проводилось.

Актуальность исследований.

Впервые выполнено исследование магнитоакустической эмиссии, связанной с перестройкой доменных границ под воздействием внешнего магнитного поля и строением изучаемого объекта на природных ферримагнетиках, состав и структура которых, с одной стороны, определяются их генезисом, а с другой — последующим воздействием геологических процессов. Поэтому полученная информация может быть использована в качестве типоморфных особенностей природных ферримагнетиков различного генезиса. Результаты исследования влияющих на параметры магнитоакустической эмиссии внешних воздействующих факторов (давление и температура) позволяют получить дополнительную информацию о динамике локальных аномалий земного магнитного поля.

Цель работы.

Изучение магнитоакустической эмиссии и магнитострикции природных ферримагнетиков различного генезиса, исследование зависимости магни гоа-кустической эмиссии от внешних воздействий.

Задачи исследования.

1. Разработка и изготовление аппаратурного комплекса, создающего переменное намагничивающее магнитное поле, изменяющееся по амплитуде от 0 до ± 200 кА/м, с частотой перемагничивания от 0,01 до 10 Гц, для изучения магнитоакустической эмиссии и гистерезиса магнитострикции на образцах природных ферримагнетиков.

2. Измерение магнитоакустической эмиссии и гистерезиса магнитос фикции на образцах магнетитовых и титаномагнетитовых руд различных месторождений.

3. Выделение информативных параметров магнитоакустической эмиссии, связанных с особенностями генезиса изучаемых образцов.

4. Изучение влияния на параметры сигналов магнитоакустической эмиссии температурных воздействий, давления и структурно-текстурных особенностей руд.

Методы исследования.

Лабораторные экспериментальные исследования, обобщение и детальный анализ полученных результатов.

Основные защищаемые положения.

1. Впервые изучена магнитоакустическая эмиссия на монокристаллах магнетита, определены основные информационные параметры магнитоакустической эмиссии: амплитуда сигналаформа кривой МАЭзначение ма! нит-ных полей, на которых отмечаются максимумы и минимумы кривой.

2. Установлено уменьшение амплитуды МАЭ при одностороннем сжа1 ии, полное исчезновение сигналов МАЭ при дроблении и истирании, анизотропия сигналов МАЭ при намагничивании по трём, взаимно перпендикулярным направлениям, аддитивное сложение сигналов МАЭ при наличии в образцах двух и более генераций природных ферримагнетиков.

3. Изучена магнитоакустическая эмиссия магнетитовых и титаномагнетитовых руд железорудных месторождений скарново-магнетитовой рудной формации и гидротермально-силикатного типа. Установлено, что различные условия образования магнетита отражены в различиях основных информационных параметров МАЭ.

Научная новизна работы.

1. Для монокристалла магнетита установлено наличие двух максимумов на кривой зависимости амплитуды сигнала МАЭ от поля. Амплитуда сигнала магнитоакустической эмиссии кристалла магнетита превышает амплитуду сигнала поликристаллических образцов магнетитовых руд в 10−40 раз. Определена оптимальная частота перемагничивания, равная 0,1 Гц, и оптимальная частота приёма, равная 130−140 кГц. Получено, что уменьшение частоты приёма приводит к уменьшению амплитуды принимаемого сигнала.

2. Впервые исследована связь магнитострикции и амплитуды сигнала МАЭ на образцах природных ферримагнетиков (магнетитов и титаномагнети-тов) различных месторождений. Установлено, что чем больше амплитуда сигнала МАЭ магнетитовых руд, тем больше значение магнитострикции.

3. Установлена связь между параметрами сигнала магнитоакустической эмиссии и условиями образования природных ферримагнетиков. Показано, что наличие в образце нескольких генераций магнетита приводит к появлению на кривой зависимости МАЭ от поля дополнительных пиков. Форма и амплитуда сигнала МАЭ существенно зависят от типа исследуемого месторождения. На примере Естюнинского месторождения показано, что зональность рудных тел по минералогическим данным совпадает с зональностью по МАЭ.

4. Изучена зависимость сигнала магнитоакустической эмиссии при отжиге, давлении, дроблении и т. д. Показано, что амплитуда сигналов магнитоакустической эмиссии уменьшается при одностороннем сжатии и полное! ью исчезает при дроблении. При нагреве и последующем охлаждении часть исследуемых образцов не меняет амплитуды и формы сигнала МАЭ, а у ряда образцов нагрев ведет к изменению амплитуды сигнала МАЭ.

Практическая реализация результатов работы.

Исследование магнитоакустической эмиссии позволяет расшири гь круг решаемых задач, в том числе связанных с генезисом железорудных месторождений.

Полученные в процессе работы результаты нашли практическое применение при изучении условий образования магнетитов Естюнинского месторождения. Изучение особенностей спектра сигналов магнитоакустической эмиссии позволило уточнить конкретные геологические выводы об условиях обра9 зования магнетитов Каларского анортозитового массива (Уссурийское рудное поле).

Апробация работы и публикации.

Результаты исследований и основные положения диссертации докладывались на X Уральской конференции молодых геологов и геофизиков «Геология и полезные ископаемые Урала» (Свердловск, 1989) — VII Всесоюзной научно-технической конференции «Проблемы магнитных измерений и магнитоиз-мерительной аппаратуры» (Ленинград, 1989) — IV Съезде по геомагнетизму (Суздаль, март 1991) — межрегиональной конференции «Демпфирующие материалы» (Ижевск, 1991) — XI Уральской конференции молодых геологов и геофизиков «Геология и полезные ископаемые Урала» (Свердловск, 1991) — международной конференции «Геодинамика и напряжённое состояние земных недр» (Новосибирск, 1999) — региональной конференции «Геология и минерально-сырьевые ресурсы Европейской территории России и Урала» (Екатеринбург, 2000) — Вторых научных чтениях Булашевича Ю. П. «Физика Земли, геофизические методы исследования литосферы и поисков полезных ископаемых» (Екатеринбург, 2003) — международной геофизической конференции и выставке «Геофизика XXI века — прорыв в будущее» (Москва, 2003) — V международной научно-технической школе-семинаре «Эффект Баркгаузена и аналогичные физические явления» (Ижевск, 2004) — IV межрегиональном форуме «Приборостроение-2004» (В. Пышма, Свердловская обл., 2004).

По теме диссертации опубликовано семь статей и восемь тезисов докладов.

Личный вклад автора.

Работа выполнена в лаборатории скважинной геофизики Института i ео-физики УрО РАН в период с 1989 по 2006 гг. Аппаратурный комплекс разработан и изготовлен автором. Экспериментальные исследования проведены автором, обработка результатов и их анализ выполнены совместно с научным руководителем.

Структура и объём работы.

Диссертация работа состоит из введения, шести глав и заключения. Объем работы составляет 103 страницы, включая 46 рисунков, три таблицы и списка литературы из 70 наименований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В процессе выполненных исследований автором получены следующие результаты:

1. Разработан и изготовлен аппаратурный комплекс для измерения магни-тоакустической эмиссии и магнитострикции с непрерывной регистрацией кривых МАЭ и магнитострикции на образцах природных ферримагнетиков. Комплекс позволяет проводить измерения при изменении намагничивающего поля от минус 300 до 300 кА/м с частотой перемагничивания от 0,01 до 1,0 Гц. Широкополосный усилитель позволяет проводить регистрацию измеряемого сигнала МАЭ в диапазоне от 20 до 300 кГц.

2. Выполнены измерения продольной и поперечной магнитострикций для магнетитов Магнитогорского месторождения и поперечной магнитострикции кристалла магнетита из зелёных кристаллических сланцев (Ольховское рудо-проявление, Средний Урал), Ново-Песчанского, Естюнинского, Сарбайского месторождений, серпентинитового массива Рай-Из и анортозитового массива Гаюм. По отношению величин продольной и поперечной магнитострикций для ряда образцов Магнитогорского месторождения сделан вывод об изотропности магнитных свойств (соотношение Хц / Ал. не равно двум). Этот факт может быть объяснен наличием внутренних напряжений и процессами мартити-зации. Для большинства измеренных образцов отмечается наличие гистерезиса. Отсутствие гистерезиса, вероятнее всего, связано с большими размагничивающими полями внутри зёрен. Отмечается связь величины магнитострикции с величиной МАЭ.

3. Исследована магнитоакустическая эмиссия кристалла магнетита (зелёные кристаллические сланцы, Ольховское рудопроявление, Средний Урал). МАЭ кристалла магнетита характеризуется повышенной амплитудой (в 100 раз выше амплитуды поликристаллического образца) — максимумы приходятся на намагничивающие поля минус 3,2 и 8,0 кА/м, минимум — на поле 1,6 кА/м. Кривая МАЭ практически симметрична относительно «нулевого» поля. Об.

92 ласть развития процессов ± 60 кА/м и соответствует области гистерезиса маг-нитострикции.

На кристалле магнетита изучено влияние на сигнал МАЭ амплитуды намагничивающего поля, частоты перемагничивания и анизотропии кристалла. Исследован частотный спектр МАЭ. По результатам этих исследований выработаны основные методические требования, которые были уточнены при измерении поликристаллических образцов. При сопоставлении кривой МАЭ с соотношением 1/18 сделан вывод о том, что нельзя исключать процесс смещения 180° доменных границ на возникновение МАЭ и увязывать МАЭ с процессами вращения векторов намагниченности в области сильных полей.

4. При изучении влияния термодинамических параметров на магнитоаку-стическую эмиссию показано изменение амплитуды сигнала и формы кривой МАЭ при отжиге до 600 °C для образцов Сарбайского месторождения и отсутствие этих изменений для магнетитов Абаканского и Магнитогорского месторождений. При воздействии одностороннего давления происходит уменьшение сигнала МАЭ. Дробление и истирание образцов приводит к полному исчезновению МАЭ. Показано, что наличие двух источников МАЭ приводит к аддитивному сложению их сигналов, а при измерении образцов с полосчатой или жильной текстурой необходимо учитывать расположение датчика приёма и направление намагничивающего поля относительно направления текстуры.

5. Исследована магнитоакустическая эмиссия магнетитов и титаномагне-титов Естюнинского, Ново-Песчанского, Абаканского и Магнитогорского железорудных месторождений.

Впервые предпринята попытка использовать эффект магнитоакустиче-ской эмиссии для изучения динамики движения доменной структуры природных образцов. В работе показано, что различные условия образования магнитных минералов приводят к различиям в поведении их доменной структуры при перемагничивании и, соответственно, к различиям в форме и амплитуде сигнала магнитоакустической эмиссии. При работе на Естюнинском железорудном месторождении автором поданным своих измерений были выделены.

93 три типа образцов, различающихся по амплитуде и форме сигналов МАЭ. Сделанные по микрофотографиям минералогические описания образцов показали связь с выделенными генетическими типами руд.

Основными направлениями продолжения исследовательских работ в области изучения МАЭ на природных ферримагнетиках считаем следующее:

1. Дальнейшая разработка теории метода магнитоакустической эмиссии.

2. Повышение чувствительности аппаратуры.

3. Создание скважинного варианта для определения напряжённо-деформированного состояния горных пород.

4. Создание полевого портативного комплекса на базе микро-ЭВМ с цифровой обработкой.