Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Эффекты магнитотекстурной памяти горных пород и влияние на них механического давления

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Эффекты магнитотекстурной памяти горных пород и влияние на них механического давления"

од

■''" о.

Санкт-Петербургский Государственный Университет

На правах рукописи

Ершов Андрей Николаевич

ЭФФЕКТЫ МАГНИТОТЕКСТУРНОЙ ПАМЯТИ ГОРНЫХ ПОРОД И ВЛИЯНИЕ НА НИХ МЕХАНИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ

Специальность 04.00.22 - ФИЗИКА ТВЕРДОЙ ЗЕМЛИ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург - 1998

Работа выполнена в Рыбинской государственной авиационной технологической академии.

Научный руководитель: доктор физико-математических

наук, профессор Вечфинский B.C.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Гуськова Е.Г.; кандидат физико-математических наук, доцент Петров И.Н

Ведущая организация - Всероссийский нефтяной научно-исследовательский геологоразведочный институт

Защита диссертации состоится ш<х/~СлЯ_1998 г.

в/Ь час, на заседании диссертационного совета Д.063.57.18 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора наук в Санкт-Петербургском государственном университете по адресу: 199034, СанктПетербург, Университетская наб., д. 7/9, Геологический факультет, ауд. 347.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке им, А.М.Горького СПбГУ.

Автореферат разослан "с¿¿-ОлЯ_1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Шашканов В.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Исследования, проведенные в последние годы, показали, что магнитная текстура, образующаяся в породах в результате их термомагнитной обработки хранит информацию о напряженности действовавшего на породу магнитного поля. На основе исследований эффектов магнитотекстурной памяти (МТП) был развит метод ступенчатого перемагничивания (метод СП) для определения палеонапряженности геомагнитного поля, магнитный геотермометр для определения палеотемператур, а также различные методы, позволяющие определять характеристики магнитных полей, создавших ту или иную магнитную текстуру.

В природных условиях магнитная текстура пород формируется в условиях давления окружающих толщ. Поскольку многие петрофизи-ческие свойства пород зависят от давления, естественно предположить, что эффекты МТП также могут зависеть от давления. В то же время эта зависимость до сих пор не была исследована.

Изучение влияния давления на магнитотекстурную память важно как с теоретической, так и с практической точек зрения, поскольку требуется знать, насколько применимы методы, основанные на данных эффектах, для пород, расположенных на разных глубинах. Кроме того, изучение влияния давления на МТП может оказаться важным при разработках методик определения палеодавления.

В настоящее время существует феноменологическая модель эффектов магнитотекстурной памяти, построенная на основе диаграммы Прейзаха, но нет физико-математической теории этих эффектов.

Целью работы явилось исследование влияния дазления на эффекты магнитотекстурной памяти, создаваемой в различных условиях, построение физико-математической модели этих эффектов.

Основные задачи работы.

1. Исследование влияния механического давления (Рх) на процесс наведения в горных породах различных видов магнитотекстурной памяти в изотермических условиях (при комнатной температуре) .

2. Исследование влияния Рх на магнитотекстурную память, создаваемую в породе при ее термонамагничивании.

3. Построение физико-математической модели эффектов МТП и сравнительная оценка энергетических параметров магнитной тексту-

ры, определяющей эти эффекты.

Научная новизна работы определяется следующими результатами.

1. В работе впервые изучено влияние одноосного механического давления на эффекты магнитотекстурной памяти горных пород. Установлено, что давление в сильной степени влияет на магнито-текстурную память горных пород, создаваемую при различных температурах.

2. В горных породах возможно возникновение гигантских скачков Баркгаузена, приводящих к ступенчатому изменению намагниченности на петлях гистерезиса, подобных тем, что наблюдаются на бистабильных магнитных элементах, используемых в технике.

"' 3. Эффекты магнитотекстурной памяти зависят от частоты магнитного поля, в котором они измеряются. При этом МТП уменьшается с ростом частоты переменного магнитного поля.

4. Разработана физико-математическая модель магнитотекстурной памяти пород, содержащих многодоменные ферримагнитные зерна, которая позволила оценить "относительные энергетические параметры потенциальных барьеров, вызывающих эффекты МТП.

Практическая ценность. Для решения практических задач пале-омагнитологии наиболее существенным является следующее:

- установлена возможность использования эффектов МТП для разработки методов определения палеодавления;

- показано, что в природе существуют породы, содержащие магнитные минералы с магнитной текстурой подобной текстуре бистабильных материалов, применяемых для устройств автоматики и измерительной техники;

- установлено, что при использовании различных методов исследования МТП, а также при применении метода СП для определения палеонапряженности следует пользоваться ■ переменными магнитными полями не высокой частоты;

- в рамках предложенной физико-математической модели МТП сделана оценка ее энергетических параметров. Показано, что для возникновения в породах эффектов магнитотекстурной памяти не требуется наличия в них каких-либо специфических добавок. Таким образом, теоретически подтверждено, что эффекты МТП могут наблюдаться на широком классе горных пород.

Основными защищаемыми положениями работы являются:

1. Экспериментальное изучение влияния механического давления на различные виды магнитотекстурной памяти, создаваемой в разных условиях.

2. Анализ физических процессов, сопровождающих наведение МТП под давлением.

3. Физико-математическая модель эффектов МТП.

4. Экспериментальные наблюдения эффектов, обусловленных большими скачками Баркгаузена, на базальтовых лавах Камчатки и искусственных ферримагнетиках.

5. Зависимость эффектов МТП от частоты намагничивающего поля.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на международной школе-семинаре "Эффект Баркгаузена и аналогичные физические явления" (г. Пушкиногорск, 1995г.), на международной конференции "Problems of Geocosmos" (г. Санкт-Петербург, Петергоф, 1996 г.), Всероссийских семинарах "Палеомагнетизм и магнетизм горных пород" (п. Борок, 1996, 1997 гг.), на областной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Современные проблемы естествознания" (г. Ярославль, 1997 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано одиннадцать печатных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы (106 наименований). Общий объем работы составляет 112 страниц, в том числе 37 рисунков, 2 таблицы.

Диссертационная работа выполнена автором в аспирантуре РГАТА под научным руководством доктора физико-математических наук, профессора Вечфинского B.C. и кандидата физико-математических наук Цельмовича В.А.

Автор благодарит В.С. Вечфинского и В.А.Цельмовича за руководство работой, Д.А.Ларионова за помощь в проведении экспериментов и ценные советы, А.К.Крикова и Б. Б.Малкова за помощь в наладке аппаратуры.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Во введении дается обоснование актуальности работы. формулируются цель и основные задачи диссертации.

Глава 1.Магнитотекстурная память горных пород.

В этой главе дается описание объекта исследований, рассматривается аппаратура и методика измерения частных петель гистерезиса намагниченности. Также в первой главе представлен обзор эффектов. непосредственно связанных с магнитотекстурной памятью горных пород и искусственных ферримагнетйков, описано влияние частоты переменного магнитного поля на эффекты МТП.

В данных исследованиях использовались образцы изверженных пород Дальнего Востока, Камчатки, Курильских островов, Средин-но-Атлантического хребта, Армении, Монголии. Образцы содержали магнетит или титаномагнетит с температурами Кюри 160 - 575 °С. Часть образцов была проанализирована на электрозондовом микроанализаторе "СагаеЬах".. Получены данные о химическом составе их ферримагнетика и фотографии микроструктур.

При изучении эффектов магнитотекстурной памяти измерялись так называемые скомпенсированные дифференциальные частные петли гистерезиса намагниченности (СДПГ). СДПГ представляют собой ЭДС (е), возникающую в датчике, измеряющем намагниченность образца породы, находящегося в переменном магнитном поле й. От обычных дифференциальных петель гистерезиса СДПГ отличаются тем, что в них почти нет первой гармоники ЭДС. Перетяжки и асимметрия петель гистерезиса, обусловленные наведением магнитной анизотропии очень малы и не регистрируются при измерении обычных, некомпенсированных петель гистерезиса и наблюдаются только на СДПГ.

Как известно, для образцов горных пород, охлажденных от некоторой температуры Т<ТС (Тс -температура Кюри образца) в постоянном магнитном поле Нт, наблюдаются перетянутые или асимметричные СДПГ. Местоположение перетяжки определяется напряженностью поля Нт, а степень асимметрии (т.е.отношение площадей, ограниченных петлей гистерезиса справа и слева от оси намагниченности) зависит также от напряженности постоянного магнитного поля.

Одновременно с перетяжкой на СДПГ для многих термонамагни-ченных образцов горных пород наблюдается эффект нелинейности за-

висимости 1гр1 = ИН), открытый В.А.Шашкановым и В.В.Металловой. Постоянное магнитное поле, в котором термонамагничивается образец, определяет не только местоположение перетяжки на СДПГ или нелинейности зависимости 1гр1= ИН), от него зависит также абсолютное значение величины перетяжки и эффекта нелинейности.

Перетяжки на петлях гистерезиса и эффект нелинейности 1гр1= ИН) называются эффектами магнитотекстурной памяти 1-го рода (МТП-1).

Для термонамагниченных образцов с асимметричньми СДПГ наблюдается эффект изменения (как правило, уменьшения) угла наклона зависимости 1гр1 = ПН) для полей Н > Нт. Эти два эффекта (асимметрия и "излом" зависимости 1гр1= ИН) для полей Н > Нт) называются эффектами магнитотекстурной памяти 2-го рода (МТП-2).

В первой главе рассматриваются эффекты, причиной которых являются так называемые гигантские скачки Баркгаузена.

В 1925-1933 гг. ряд исследователей, экспериментировавших с образцами ферромагнитной проволоки, наблюдали на петлях гистерезиса участки скачкообразного изменения намагниченности. Причем, величина этих скачков доходила до 1/10 от индукции насыщения. Причиной подобных резких изменений намагниченности являлись действительно гигантские (без кавычек) скачки Баркгаузена.

Большие скачки Баркгаузена являются также причиной перетянутых обычных (нескомпесированных) частных петель магнитного гистерезиса (ЧПГ).

Сильно перетянутые ЧПГ наблюдались на образцах камчатской лавы четвертичного периода (вулкан Мутновский), содержащих многодоменные зерна титаномагнетитов с низким содержанием титана и Тс= 520-570 °С. ЧПГ, полученные на образцах с природной, термоостаточной намагниченностями, а также на образцах в абсолютном нулевом состоянии (АНС), в нулевом состоянии (НС), были практически одинаковыми. Наблюдаемые перетяжки соответствовали приблизительно одним и тем же значениям магнитного поля независимо от магнитной предыстории образцов.

Большие скачки Баркгаузена в этом случае являются действительно гигантскими, т.к. сделанная теоретическая оценка показала, что потенциальные барьеры, вызывающие эти скачки, должны в 100 и более раз превышать среднюю энергию доменных границ.

Асимметричные обычные ЧПГ наблюдались на искусственных фер-

римагнетиках с добавкой кобальта (Ге3_хСох04, где х = 0.01), термонамагниченных в постоянных полях много больших геомагнитного. Наблюдаемая асимметрия и в этом случае объясняется гигантскими скачками Баркгаузена.

В ходе работы по исследованию корреляции эффектов нелинейности зависимости 1гр1= Г(Н) с амплитудой переменного магнитного поля (рабочего поля Ьр), применяемого при создании в образце 1гр1 , сотрудником Института геофизики Словацкой АН П.Вайдой было выявлено еще одно проявление магнитотекстурной памяти.

Для образцов термонамагниченного синтетического магнетита, содержащих 5% зерен магнетита различного размера, измерялись зависимости 1гр1= ИН). Параллельно этим измерениям после создания каждого значения 1гр1 определялась величина магнитной восприимчивости для различных значений Н и вычислялось приращение восприимчивости Дэе.

Эксперименты П.Вайды показали, что кроме эффекта нелинейности, магнитотекстурная память может проявляться и в зависимостях Дэе = Г (Н).

Известно, что в результате действия переменного магнитного поля на образцы, хранящие информацию о наведенной магнитной анизотропии (НМА), происходит разрушение эффектов магнитотекстурной памяти. Для эффектов магнитотекстурной памяти 1-го и 2-го рода это выражается в уничтожении перетяжек и асимметрии на СДПГ образцов.

В ходе измерения СДПГ образцов с НМА в переменном магнитном поле разной частоты и наблюдения действия поля 11 в процессе размагничивания образцов обнаружены новые эффекты.

Первый эффект состоит в том, что величина перетяжек на петлях гистерезиса при измерении СДПГ в переменном магнитном поле с частотой от 1 до 10 кГц зависит от частоты поля 11. Перетяжки становятся значительно меньше с увеличением частоты переменного магнитного поля.

Второй эффект заключается в следующем. После термонамагничивания образца и снятия СДПГ образец размагничивался переменным магнитным полем с амплитудой 500 Э и частотой 50 Гц. В случае кратковременного (менее 1 с) действия поля в.для некоторых образцов было отмечено увеличение перетяжки на СДПГ в 2-3 раза, а в некоторых случаях даже в 4 раза.

Увеличенная перетяжка была неустойчива: во-первых, она исчезала за первые десятки секунд при измерении СДПГ 11»(1,5-2)-Нт, во-вторых, она разрушалась либо в случае более длительного действия II, либо при повторном размагничивании образца тем же Ь.

Третий эффект состоит в следующем. Если выдержать образец несколько дней в геомагнитном поле, то перетяжка, образованная полем Нт, может исчезнуть. СДПГ становится перетянутой в районе нулевого поля. После кратковременного воздействия на образец 11 перетяжка в нулевом поле исчезает и возникает другая - в поле Нт, т.е. перетяжка, которая была наведена ранее.

Переменное магнитное поле низкой частоты увеличивает перетяжки, созданные под действием давления.

Глава 2. Влияние давления на эффекты магнитотекстурной памяти горных пород.

В данной главе описана методика наведения в породах магнитотекстурной памяти под давлением, а также рассматривается зависимость эффектов магнитотекстурной памяти от давления и влияние структуры магнитной фракции пород на эффекты МТП.

Для наведения магнитотекстурной памяти под давлением при различных температурах образцы пород помещались в кварцевую трубку с нагревательной обмоткой и подвергались одноосному статическому сжатию с помощью двух цилиндрических пуансонов диаметром 1 см, изготовленных из немагнитного материала. Образцы пород имели кубическую форму с ребром в 1 см. Давление на пуансоны регулировалось в пределах от 0 до 100 МПа. Постоянное магнитное поле (Н от 0 до 30 Э) создавалось по оси сжатия образца с^ помощью соленоида, охватывающего кварцевую трубку. Для измерения СДПГ образцов применялось синусоидальное переменное магнитное поле Ь частотой 1 кГц. Экспериментальная установка позволяла исследовать эффекты МТП в диапазоне температур 20-300°С.

С целью изучения влияния давления на эффекты магнитотекстурной памяти 1-го рода, наведенной при комнатной температуре (Тк), образец подвергался одновременному воздействию магнитного поля Нт и давления Рх в течение определенного времени (твыд).

Для наведения МТП-1 (перетяжек на СДПГ) в образце при охлаждении от некоторой температуры Тх (Тк< Тх< Тс, где Тс - температура Кюри образца) и одновременном действии статического

давления образец нагревался до этой Тх в присутствии поля Нт и давления Рх, определенное время (твыд) выдерживался в поле Нт и под давлением Рх, а затем охлаждался до Тк при одновременном действии Н, и Р„.

СДПГ образца измерялась при отключенном Нт и снятом давлении. Перед наведением перетяжки при каждом значении Рх и Нт образец размагничивался переменным магнитным полем Ь = 500 Э и частотой 50 Гц с целью уничтожения предыдущей перетяжки.

При создании МТП-2 (асимметрии СДПГ) под давлением образец нагревался до некоторой температуры Тх (Тк< Тх< Тс), а затем охлаждался до Тк в течение определенного времени тохл, зависящего от Тх. Во время процессов нагревания и охлаждения на образец одновременно действовали постоянное магнитное поле Нх и давление Рх. Снятие СДПГ и размагничивание образца проводилось точно также, как и в случае изучения эффектов МТП-1.■

Было изучено влияние давления на^величину перетяжки, создаваемой на СДПГ при комнатной температуре (Тк).

В качестве параметров, характеризующих, перетяжку были выбраны ее ширина (ДШ, глубина (Де) и площадь (ДБ). Погрешность измерения параметров определялась толщиной луча осциллографа и не превышала 5-7 % в зависимости от глубины перетяжки и магнитной восприимчивости образцов. Возникновение перетяжки на СДПГ вызвано диффузионной стабилизацией доменных границ (ДГ). В результате этой стабилизации на пути ДГ возникают так называемые "гигантские" потенциальные барьеры. Расположение "гигантских" барьеров (Хх) определяется напряженностью Нт. Для различных ДГ в многодоменных ферримагнетиках существует дисперсия в координатах Хт и высотах (т.е. энергиях) этих барьеров. Если бы этой дисперсии не было, то перетяжки на СДПГ были бы узкие, примерно одинаковой высоты и ширины. Мы связываем Де в основном с высотами барьеров, а ДЬ - с дисперсией Хт. Конечно эта связь не однозначна. На все параметры перетяжки влияют как высота, так и расположение "гигантских" барьеров, но очевидно, что их энергия сильнее влияет на глубину, а дисперсия Хт - на ширину перетяжки. Таким образом параметры Дй и Де могут качественно характеризовать статистический разброс в положении и энергии потенциальных барьеров. Площадь перетяжки ДБ характеризует общие потери энергии на перемагничивание, возникающие при взаимодействии доменных границ

- и -

с "гигантскими" барьерами.

Из экспериментов следует, что с ростом давления Де на всех исследованных образцах уменьшается. Зависимости Ah, AS = f(Px) не столь однозначны. Во всех случаях ширина и площадь перетяжки первоначально резко падают с ростом давления, но при дальнейшем увеличении Рх иногда происходит небольшой рост Ah и AS. Но в основном все параметры перетяжки уменьшаются с возрастанием Рх. Таким образом, с ростом Рх величина наводимой при Тк магнитной анизотропии в основном уменьшается.

Было проведено исследование зависимости параметров перетяжки от времени выдержки образца при различных значениях давления Рх. С увеличением твыд наблюдается рост глубины и площади перетяжки до некоторого определенного (для каждого образца) значения. Причем, под действием давления происходит значительное уменьшение Де и AS, но вид зависимостей Де, AS = f(t выд) сохраняется. Глубина и площадь перетяжки уменьшаются приблизительно в 3 раза под действием давления Рх= = 50 МПа по сравнению с этими же параметрами, измеренными при Рх = 0. Зависимость ширины перетяжки от твыл и давления очень слабая.

НМА наводилась в породах также в процессе охлаждения их от различных температур Тх = 100 - 300 0 С при воздействии механического давления разной величины. Охлаждение от разных Тх велось с одинаковыми скоростями. В результате были получены зависимости Де, Ah, AS - f(Px,Tx).

Эксперименты показали, что параметры перетяжек на СДПГ, полученных в результате охлаждения образца породы от одной и той же температуры Тх в одном и том же поле Нт, сначала возрастают с ростом Рх, а затем начинают уменьшаться. Замечено, что для меньших температур (Тх < 150 °С) параметры перетяжек возрастают с увеличением Рх значительно быстрее, чем для Тх > 150 °С.

Было изучено влияние давления на эффекты магнитотекстурной памяти 2-го рода, т.е. влияние давления на степень асимметрии. В качестве параметра, характеризующего степень асимметрии СДПГ, был взят коэффициент К = S^Sj. где Sj и S2 площади СДПГ слева и справа от от линии h = 0, причем в качестве Sj бралась большая площадь.

Как показали эксперименты, коэффициент асимметрии СДПГ, полученных в результате охлаждения образца породы от одной и той

же Тх, уменьшается при росте давления Рх приблизительно до 25-30 МПа. В диапазоне Рх от 25 до 50 МПа наблюдается увеличение коэффициента К до значений, полученных при Рх = 0. Дальнейшее увеличение давления приводит к тому, что коэффициент асимметрии уменьшается стремясь к значению К, меньшему, чем коэффициент асимметрии, наблюдаемый при намагничивании образца породы без внешнего давления.

Исследовались также зависимости величины перетяжек, полученных при одних и тех же значениях Рх и Нт, в результате охлаждения образца от разных температур Тх. Результаты экспериментов показали, что чем больше давление, тем слабее зависимость параметров перетяжки от температуры. Таким образом, МТП-1, наводимая в природных условиях в глубинных породах, должна практически не зависеть от температуры. То есть, для подобных пород факторами, определяющий запоминание палеомагнитной информации, становятся само поле Нг и Рх.

Зависимость К = ИТ*)', полученная при охлаждении образца в одном и том же Нт, но при разных давлениях мало меняется с ростом Рх и имеет разный характер для разных образцов. Общим является то, что всегда К растет до 100 °С и начинает уменьшаться при температурах выше 200-250 °С.

По результатам исследования влияния состава и структуры ферримагнитных зерен пород на процессы создания в них магнитотекстурной памяти под давлением сделан вывод о том, что при довольно разнообразной структуре образцов не замечено различия во влиянии давления на эффекты магнитотекстурной памяти.

Глава 3. Теоретические основы эффектов магнитотекстурной памяти горных пород.

В этой главе рассматриваются физические процессы, обуславливающие поведение магнитотекстурной памяти горных пород.

Известно, что под действием механических нагрузок происходит перестройка доменной ' структуры ферро- и ферримагнетиков. Приложенная механическая нагрузка приводит к увеличению числа доменов. После снятия внешних напряжений доменная структура может возвратиться в исходное состояние.

При высоких температурах перетяжки на петлях гистерезиса, как правило, вызываются диффузионной стабилизацией ДГ. Предпола-

гается, что при комнатной температуре стабилизации ДГ способствует перегруппировка в кристаллической решетке ферримагнетика легкоподвижных дефектов. В результате стабилизации доменных границ, на пути их движения возникают "гигантские" потенциальные барьеры, которые и вызывают перетяжки на петлях гистерезиса.

Рассматриваются причины уменьшения параметров перетяжек, наводимых при комнатной температуре, с ростом давления.

Во-первых, с ростом давления исчезают некоторые микротрещины (происходит их "охлопывание"). С ростом внутренних напряжений затрудняется миграция некоторых дефектов кристаллической решетки (дислокаций, примесей и т.п.). Это затрудняет образование "гигантских" потенциальных барьеров, вызывающих возникновение пере-

ТЯЖ6К.

Во-вторых, при наведении перетяжек при комнатной температуре под давлением также происходит следующее. В зернах ферримаг-нитных минералов, содержащихся в образцах пород, под воздействием механического давления происходит перестройка доменной структуры, возникают новые доменные границы и средний.размер домена уменьшается. Известно, что при "дроблении" доменной структуры и росте числа (как правило, относительно узких) ДГ перетяжка на петле гистерезиса либо уменьшается, либо исчезает совсем. В нашем случае магнитное поле действует на образец с "раздробленной" доменной структурой.

С ростом Рх увеличиваются внутренние напряжения в кристаллической структуре ферримагнетика. которые препятствуют передвижению .легкоподвижных дефектов, что также влечет за собой уменьшение глубины перетяжки.

Дается объяснение увеличения перетяжки с ростом Рх в случае создания НМА при охлаждении породы от Тх. С ростом температуры Тх уменьшается величина потенциальных барьеров на пути движения ДГ и дефектов решетки и одновременно увеличивается коэффициент диффузии. То есть, диффузия дефектов идет интенсивнее. Это обеспечивает лучшие возможности для стабилизации ДГ. Это вызывает рост перетяжки и увеличивает ее стабильность по отношению к воздействию внешних факторов. Кроме того, при повышении температуры уменьшаются константы кристаллографической анизотропии и падают внутренние напряжения. Внешнее давление недостаточно для компенсации усиливающихся диффузионных процессов и уменьшения констант

кристаллографической анизотропии. В то же время с ростом Рх возрастает энергия каждого диффундирующего дефекта и, следовательно, возрастает энергия "гигантских" стабилизированных барьеров.

В третьей главе отмечается хорошая корреляция величин эффектов магнитотекстурной памяти с зависимостью от давления магнитной восприимчивости монокристалла магнетита.

В данной главе дается физико-математическая модель перетянутых петель гистерезиса (ПГ) горных пород, основанная на физических представлениях о виде распределения энергии 180-градусной доменной границы (ДГ) в многодоменном ферримагнитном (МД) зерне, обладающем НМА. . . .

Как говорилось, в многодоменных зернах НМА, возникающая в результате термомагнитной обработки, . обусловлена диффузионной стабилизацией ДГ. Доменная граница при подобной стабилизации попадает в энергетическую яму и для того, чтобы выбраться из этой ямы границе требуется преодолеть потенциальный барьер. В случае охлаждения образца от температуры Тх в поле Нт на пути движения ДГ возникает потенциальный барьер (условно называемый "гигантским"), положение которого в общей картине распределения энергии границы зависит от напряженности поля Ят. Возникновение этого барьера в МД зернах обусловлено диффузионным перераспределением различных дефектов кристаллической решетки (примесей, вакансий, дислокаций, микротрещин и т. п.).

Показаны схемы распределения градиента энергии вдоль оси движения 180-градусной доменной границы образца, обладающего НМА диффузионного характера, и схематические изображения перетянутой и асимметричной петель гистерезиса намагниченности, соответствующих данному распределению.

Возникновение перетянутых петель гистерезиса объясняется совокупностью большого числа "гигантских" барьеров. Асимметричные петли гистерезиса объясняются наличием асимметрии в высотах потенциальных барьеров.

В области Релея магнитная восприимчивость (ае) ферримагнит-ных минералов в первом приближении линейно зависит от напряженности намагничивающего поля. В случае возникновения в образце НМА под действием поля Нт линейность зависимости зе = ИН) нарушается при значениях намагничивающего поля Н близких по напряженности полю Нх, а если учесть асимметрию в высотах потенциаль-

ных барьеров, то наблюдается "излом" зависимости зе = Ш) для значений Н>НТ.

В реальном образце зависимость восприимчивости от намагничивающего поля обусловлена движением большого числа доменных границ. При наведении в образце НМА в нем возникает множество "гигантских" потенциальных барьеров. Энергия и расположение этих барьеров имеют естественнный разброс (дисперсию). Кроме того, сами границы имеют определенную длину, конфигурацию и структуру, в результате чего их различные участки взаимодействуют с "гигантскими" барьерами не одновременно. Разброс "гигантских" барьеров вокруг точки Хт в реальных образцах носит случайный \ характер. Также является случайной дисперсия энергий этих барьеров (поскольку набор дефектов в каждом конкретном образце пород является случайным). Учитывая это, для описания нарушения линейности зависимости ае= ИН) мы воспользовались формулой Гаусса для нормально распределенных случайных величин.

На основе этого положения получены формулы для расчета теоретических зависимостей эе = Г(И), скомпенсированных интегральных и дифференциальных частных петель гистерезиса (с учетом и без учета асимметрии в высотах потециальных барьеров).

Расчеты показывают, что потенциальные барьеры, вызывающие перетяжки на СДПГ, обычно не столь уж "гигантские" и , как правило, превышают средний уровень энергии доменных границ примерно в 10 * 20 раз. И только в особых случаях, при наличие в образце примесей, вызывающих сильную НМА (например, ионов кобальта) эти барьеры действительно становятся гигантскими.

Модель эффектов НМА, предложенная ранее на основе диаграммы Прейзаха, основывалась на экспериментальных зависимостях парциальных идеальных намагниченностей от постоянного магнитного поля и феноменологическом представлении этих зависимостей на диаграмме; Она на давала возможности оценить энергетические ^пераметры "гигантских" потенциальных барьеров, вызывающих НМА. Модель НМА, предложенная здесь, базируется на одной из основных характеристик магнитного материала - на зависимости восприимчивости от магнитного поля. Однако, не смотря на различие в подходах, предложенная в работе модель также хорошо описывает эффекты МТП и, кроме того, как уже говорилось, позволяет дать сравнительную оценку энергий потенциальных барьеров, обуславливающих эти эф-

фекты.

В третьей главе рассмотрена возможность влияния НМА на другие виды намагниченности пород.

Заключение

Проведенные исследования показывают, что механическое давление оказывает существенное влияние на эффекты магнитотекстурной памяти горных пород. Зависимость от Рх параметров, характеризующих МТП и, следовательно, энергию потенциальных барьеров, вызывающих ее. указывает на то, что магнитная текстура пород хранит в неявном виде информацию о величине Рх. Это указывает на принципиальную возможность разработки метода определения Рх по эффектам магнитотекстурной памяти. Трудность разработки данного метода состоит в многофакторном анализе внешних воздействий, формирующих магнитотекстурную память горных-пород.

В соответствии с поставленными задачами в данной работе были получены следующие результаты:

1. Эффекты магнитотекстурной памяти, .наводимые в изотермических условиях (при комнатной температуре), уменьшаются с ростом давления.

2. В случае наведения в породе МТП в. процессе охлаждения образцов от некоторой температуры Тх, величина МТП может возрастать с ростом давления в определенном интервале Рх, зависящем от Тх и структуры породы. Таким образом, параметры, характеризующие эффекты МТП, являются сложной функцией температуры и величины давления.

3. Магнитотекстурная память, наводимая в породе при ее охлаждении от разных Тх,. но при одном и том же Рх, тем меньше зависит от температуры, чем больше давление. Таким образом, при извлечении палеомагнитной информации в случае исследования глубинных пород, подвергнутых большим давлениям, можно в первом приближении пренебрегать температурой их нагрева.

4. Дано описание физических процессов, сопровождающих создание в породе эффектов МТП под влиянием механического давления.

Исследования, проведенные на породах с ферримагнитными зернами различной структуры, показали, что влияние давления на МТП не зависит явно от микроструктуры этих зерен.

5. В горных породах возможно возникновение гигантских скач-

ков Баркгаузена, приводящих к ступенчатому изменению намагниченности на петлях гистерезиса, подобных тем, что наблюдаются на бистабильных магнитных элементах, используемых в технике.

6. Эффекты магнитотекстурной памяти зависят от частоты магнитного поля, в котором они измеряются. При этом МТП уменьшается с ростом частоты h.

7. Разработана физико-математическая модель магнитотекстурной памяти пород, содержащих многодоменные ферримагнитные зерна, которая позволила оценить относительные энергетические параметры потенциальных барьеров, вызывающих эффекты МТП.

Как известно, одним из важнейших факторов, определяющих состав и структуру пород в природных условиях, является палео-давление. Изучение способности пород сохранять информацию о па-леодавлении дает возможность лучше понять механизм образования минералов и прогнозировать их нахождение в породах. Результаты данной диссертации указывают на то, что магнитотекстурная память пород зависит от давления и, следовательно, может хранить информацию о нем. Перспективность дальнейших исследований в данном направлении состоит в поисках методов и критериев, позволяющих определять по эффектам магнитотекстурной памяти палеодавление.

ПЕРЕЧЕНЬ ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Вечфинский B.C., Ершов А.Н., Ларионов Д.А. Эффекты магнитной памяти наведенной магнитной анизотропии ферримагнети-ков// Сб. научн. трудов межд. шк.-семинара "Эффект Баркгаузена и аналогичные физические явления",- Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 1995.- С. 30-35.

2. Вечфинский B.C., Ершов А.Н., Ларионов Д. А. Магнитная память наведенной магнитной анизотропии ферримагнетиков// Актуальные проблемы естественных и гуманитарных наук. Тез. ' докл. научн. конф. Ярославль, 1995,- С. 30-33.

3. Ершов А.Н., Ларионов Д. А., Бубнов A.A. Влияние давления и переменного магнитного поля на наведенную магнитную анизотропию титаномагнетатов// Современные проблемы естествознания. Тез. докл. обл. научн. конф. Ярославль, 1997.-С. 35-36.

4. Ершов А.Н.. Вечфинский B.C., Ларионов Д. А., Бубнов A.A., Цельмович В.А. Влияние давления на наведенную магнитную

анизотропию изверженных горных пород// Палеомагнетизм и магнетизм горных пород. Тез. докл. Всероссийского научн. семинара. Москва, 1997,- С. 45-46.

5. Vechflnsky V.S.. Ershov А. N.. Tselmovlch V. A. Influence magnetic fabric on magnetic memory igneous rocks// EGS. Annales Geophysicae. 1995. Part 1. Solid Earth & Natural Hazard. Supplement 1 to V. 13,- P. 66.

6. Vechflnsky V.S., Ershov A. N., Ivanov A. A. Use the method of high hurmonics for Investigation of domain structure and composition magnetic minerals of rocks// EGS. Annales Geop-hyslcae. 1995. Part 1. Solid Earth & Natural Hazard. Supplement 1 to Vol. 13,- P. 66.

7. Vechflnsky V.S., Ershov A.N. Use,the method of high hurmonics for investigation of paleolntenslty, paleotemperature, domain structure and composition of magnetic minerals of rocks// XXI General Assembly International Union of Geodesy and Geophysics. Geophlslcs and Enviroment. Boulder. Colorado. 1995. Abstract. Week B.

8. Vechflnsky V.S., Ershov A. N., Larlonov D.A. Influence pressure on indused magnetic anisotropy igneous rocks// EGS. Annales Geophyslcae. 1996. Part 1. Solid Earth & Natural Hazard. Suppl. 1 to V. 14.- P. 153.

9. Vechflnsky V.S., Ershov A.N., Larlonov D.A. Dependence induced magnetic anisotropy of rocks on mechanical pressure// International Conference on "Problems of Geocosmos".St.-Petersburg, 1996.- P. 130.

10. Vechflnsky V.S., Ershov A.N., Larlonov D.A. The influence of mechanical pressure on the induced magnetic anisotropy of rocks//Geologica Carpathica. .1996. Vol. 47. N3,- P. 208.

11. Vechflnsky V.S., Ershov A.N.. Larlonov D.A. The method of high harmonics for determining reheating palaeotemperatu-re// Studia geophysica et geodaetica. 1996. Vol. 40. P. 413-420.