2.1.5 Магнитное упорядочение. Ферромагнитные минералы

Ферромагнетики характеризуются положительными и очень высокими значениями магнитной восприимчивости и >>1.

Ферромагнетики обладают в отсутствие внешнего магнитного поля определенным атомным магнитным порядком. Он проявляется в параллельной или антипараллельной ориентации спиновых магнитных моментов соседних атомов (рис. 2.5), в существовании спонтанной (самопроизвольной) намагниченности.

Это свойство характерно для металлических кристаллов, сплавов и соединений переходных элементов.

Рисунок 2.5 – Типы атомного магнитного порядка:

а – ферромагнитный; б – антиферромагнитный; в – ферримагнитный;

1 – междоузлия типа «А»; 2 – междоузлия типа «В»

Внутренняя энергия, благодаря которой магнитные моменты атомов ориентируются относительно друг друга, по квантовой теории является энергией электростатического взаимодействия между электронами с нескомпенсированными спинами, обусловленной особыми, некулоновскими силами, получившими название обменных. По Френкелю и Гейзенбергу, величина обменной энергии для системы, содержащей N атомов, приближенно оценивается следующим равенством:

,

(2.14)

где Z – число ближайших атомов, на которые распространяется обменное взаимодействие;

r и l – число атомов с «положительным» и «отрицательным» спиновым магнитным моментом;

А – обменный интеграл.

Из (2.14) следует, что если обменный интеграл для соседних атомов положительный, то минимум обменной энергии получается при (r и l)N, т.е. при параллельной ориентации магнитных моментов атомов и намагниченности вещества насыщения. Таким образом доказывается энергетическая выгодность самопроизвольного намагничивания. Вещества с параллельным расположением спиновых магнитных моментов называются ферромагнетиками.

Если же обменный интеграл отрицательный, то энергетически выгодно антипараллельное расположение спиновых магнитных моментов соседних атомов (рис. 2.5). Поскольку векторы намагничения направлены противоположно и модули их равны, то результирующей намагниченности не возникает, несмотря на упорядоченность. Такие вещества называются антиферромагнетиками. Антиферромагнетики намагничиваются слабо, но их намагниченность стабильная во времени.

Величина и знак обменного интеграла зависят от отношения межатомного расстояния к радиусу незаполненного электронного слоя (см. рис. 2.6). Для существования спонтанной намагниченности радиус этого слоя должен быть мал по сравнению с расстоянием между ядрами в кристаллической решетке. Из переходных элементов такое условие соблюдается для железа, кобальта, никеля и гадолиния, которые относятся к ферромагнетикам. Хром, марганец и остальные элементы переходной группы являются антиферромагнетиками, хотя в сплавах могут проявлять ферромагнитные свойства. Так, ферромагнетизм сплава марганца с висмутом, сурьмой и другими обусловлен тем, что введение в решетку марганца атомов этих элементов вызывает изменение межатомного расстояния до условий, необходимых для возникновения самопроизвольной намагниченности.

Рисунок 2.6 – Зависимость интеграла обменной энергии (А) от отношения межатомного расстояния (а) к радиусу незаполненного слоя (R)

Названные выше металлы в самородном состоянии в горных породах встречаются весьма редко. Поэтому, несмотря на сильный ферромагнетизм, они не оказывают заметного влияния на магнитные свойства горных пород. Основное значение здесь имеют оксиды и сульфиды металлов, и в первую очередь железа, как наиболее распространенного в горных породах.

В сульфидах и оксидах между магнитоактивными катионами переходных металлов расположены магнитонейтральные анионы О^2- и S^2-. В результате этого магнитные ионы оказываются столь удалены друг от друга, что прямое обменное взаимодействие между ними пренебрежимо мало. В этом случае имеет место так называемое косвенное (сверхобменное) взаимодействие, при котором «посредниками» между ионами металла выступают электроны серы или кислорода, что также приводит к магнитному порядку, к антиферромагнетизму. Примерами минералов этого типа служат вюстит FeO, троилит FeS, гексагональный пирротин Fe_1-хS, халькопирит CuFeS₂, ильменит FeTiO₃, пиролюзит МnO₂. Несмотря на магнитный порядок, в этих минералах отсутствует спонтанная намагниченность, а по величине магнитной восприимчивости они близки к парамагнетикам.

Вариантами антиферромагнетизма являются ферримагнетизм и так называемый слабый ферромагнетизм. К ферримагнетикам (ферритам) относится наиболее распространенный магнитный минерал магнетит Fe₃O₄, а также пирротин Fe_1-xS. Слабый ферромагнетизм характерен для гематита Fe₂О₃, гетита FeOOH, гидрогематита Fe₂О₃H₂О и сидерита FeCО₃.

Таким образом, магнитно-упорядоченные минералы горных пород, обладающие спонтанной намагниченностью, относятся к ферримагнетикам или слабым ферромагнетикам. С ферромагнитными металлами и сплавами их роднит наличие спонтанной намагниченности со всеми вытекающими отсюда обстоятельствами, а отличают механизм образования и величина этой намагниченности. Поскольку на магнитные свойства горных пород механизм формирования спонтанной намагниченности минералов оказывает значительно меньшее влияние по сравнению с самим фактом существования у минералов этой намагниченности, в практике петромагнитных исследований минералы – слабые ферромагнетики и ферримагнетики – принято относить к одной группе ферромагнитных минералов.

Обратите внимание на то, сколько различных условий должно соблюдаться, чтобы в веществе возникла спонтанная намагниченность. Поэтому ферромагнетизм – это очень редкое явление, присущее небольшому числу минералов (табл. 2.4). Редкое, но в высшей степени аномальное. Появление даже незначительной примеси ферромагнитных минералов в породе может полностью изменить ее магнитный облик. Магнитные свойства ферромагнитных минералов рассмотрим подробнее.

Таблица 2.4 – Магнитные параметры ферромагнитных минералов

Минералы	, ед. СИ	Js103, А/м	Нs103, А/м	Точка Кюри, °С
Магнетит, Fe3O4	425	490	0,812	578
Титаномагнетит, xFe3O4(1-x)TiFe2O3	10-51	75490		-100578
Маггемит, Fe2O3	425	435	0,810	
Гематит, Fe2O3	(1,313)10-3	1,52,5	560640	675
Пирротин, Fe1-xS	0,131,3	1770	1,29	300325

Ферромагнитные вещества обладают сложной зависимостью намагничивания от намагничивающего поля. Закон намагничивания характеризуется петлей гистерезиса (рис. 2.7).

Сразу отметим, что возрастание намагниченности происходит с разной скоростью в разных интервалах намагничивающего поля Н, что обусловлено различным механизмом намагничивания. Поскольку имеет место соотношение , то это указывает на зависимость магнитной восприимчивости от величины намагничивающего поля, что отличает ферромагнитные минералы от пара- и диамагнитных.

Намагничивание размагниченного ферромагнетика происходит в соответствии с основной кривой. При некотором значении поля, намагничение ферромагнетика достигает насыщения J_s. Если постепенно уменьшать величину намагничивающего поля до нуля, можно заметить, что уменьшение намагниченности происходит медленнее (магнитный гистерезис). Намагниченность, сохраняющаяся после прекращения действия поля (H=0), называется остаточной намагниченностью J_r. Нулевая намагниченность достигается при напряженности поля, равной коэрцитивной силе Н_с.

Рисунок 2.7 – Кривая намагничивания ферромагнетика – петля гистерезиса

При насыщении ферромагнетика магнитные моменты располагаются параллельно внешнему полю. Однако магнитная восприимчивость ферромагнетиков проявляется до определенной температуры (точки Кюри ), выше которой они превращаются в парамагнетики. Для большинства ферромагнетиков точка Кюри находится в пределах 7001000°С.

Переход от магнитного порядка к магнитному беспорядку в окрестностях точки Кюри не сопровождается кристаллохимическими превращениями вещества и относится к фазовым переходам второго рода. Эти переходы, являясь полностью обратимыми, могут наблюдаться как при нагревании вещества, так и при его охлаждении. Температура Кюри является устойчивой физической константой для данного вещества.

Если принять средний температурный градиент Земли равным 33°/км, то размагничивание горных пород должно произойти уже на глубинах порядка 2030 км. В связи с этим принято считать, что источники магнитных аномалий не могут залегать глубже 2030 км.