Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Формирование ориентационной намагниченности в различных геофизических условиях

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Формирование ориентационной намагниченности в различных геофизических условиях"

со

^ сг> О

'Зг С\/

О. ^

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ОБЪЕДИНЁННЫЙ ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ЗЕМЛИ ИМЕНИ О.Ю.

ШМИДТА

На правах рукописи

КУРАЖКОВСКИЙ АЛЕКСАНДР ЮРЬЕВИЧ

УДК 550.382.3

ФОРМИРОВАНИЕ ОРИЕНТАЦИОННОЙ НАМАГНИЧЕННОСТИ В РАЗЛИЧНЫХ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

04.00.22-физиха твердой земли

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Москва - 1998

Работа выполнена в Объединенном Института физики Земли РАН имени О.Ю.Шмидта

Научный руководитель: доктор физико-математических наук

В.П.Щербаков

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Г.З.Гурарий (ПЯ РАН) кандидат физико-математических наук В.А.Большаков (МГУ)

Ведущая организация: Всероссийский нефтяной

научно-исследовательский гчэолого-разведочный институт (ВЬЯГРИ, г-. Санкт-Петербург)

Защита диссертации состоится 1998

в/у час О О мин. на заседании специализированного Совета К 0С2.08.02 лпл Обгьединекном Институте физики Земли РАН. по адресу :123810, г. Москза, ул. Б.Грузинская,10

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОИФЗ

РАН.

Автореферат разослан

¿с 1998

Ученый секретарь Специализированного Совета кандидат технических наук

Э. А.Боярский

Общая характеристика работы

Актуальность_темы Ориентационная

намагниченность является основным источником непрерывной информации о векторе

геомагнитного поля и ряде других геофизических условий, имевших место во время осадкообразования. Недостаточная изученность физики процессов приобретения остаточной намагниченности осадков во многих случаях оказывается серьезным препятствием в получении корректных сведений о

реконструируемых условиях.

Настоящая работа направлена на устранение некоторых пробелов в исследовании процессов, связанных с образованием ориентационной намагниченности. Кроме того, показаны новые возможности использования петромагнитных методов 'в изучении динамики геофизических условий на земной поверхности.

Целью работы является:

1)Экспериментальное исследование закономерностей, связанных - с образованием ориентационной намагниченности алевритов в лабораторных и естественных условиях.

2) Обоснование возможности использования водных алевритов в проведении реконструкций временного хода модуля древнего геомагнитного поля и некоторых экологических процессов.

Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие конкретные геофизические задачи:

Отобраны коллекции современных и древних водных алевритовых осадков различной структуры, генезиса и минералогического состава.

Выполнены лабораторные эксперименты по исследованию влияния ионного состава жидкости, начального влагосодержания,

временной выдержки, уплотнения, напряженности внешнего магнитного поля и деятельности бентоса на величину и направление ориентационной намагниченности.

Сопоставлено поведение современных осадков Рыбинского, Уводьского и Кубенского водохранилищ с известными эколого-климатическими событиями.

Проведено определение климатической цикличности позднего голоцена в Западной Туркмении.

Определена напряженность земного

магнитного поля в нижнем мелу и позднем голоцене.

Научная новизна работы определяется рядом впервые полученных экспериментальных результатов, среди которых:

1.Обнаружено влияние водного ионного состава на модуль ориентационной намагниченности осадков.

2.Выявлены неизвестные ранее особенности поведения ориентационной намагниченности, связанные с начальными условиями осаждения.

3.Разработана методика моделирования ориентационной намагниченности алевритов

для определения модуля древнего

геомагнитного поля.

4.Проведена апробация разработанной методики для определения древнего магнитного поля на образцах позднеголоценновых и нижнемеловых осадков.

5.Показано влияние локальных и региональных климатических изменений на магнитные параметры осадков искусственных водоемов и такырных отложений Западной Туркмении.

Практическое значение работы заключается в том, что обнаруженные закономерности образования вектора ориентационной

намагниченности, можно использовать в системе наук об окружающей среде для реконструкции ряда прошлых физических условий на земной поверхности. Предложенная методика моделирования ориентационной намагниченности алевритов позволит

одновременно получать данные о геомагнитном поле и структурно-минералогических

особенностях осадка.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1.Модуль ориентационной намагниченности алевритов зависит от ионного состава жидкости, в которой осуществляется осаждение.

2.Вид зависимости модуля ориентационной намагниченности от начальных условий осаждения связан со структурой и магнитоминералогическим составом осадков. Магнетитсодержащие осадки имеют нелинейную

форму зависимости намагниченности от начального влагосодержания.

3. Систематизированы сведения о поведении наклонения намагниченности алевритовых осадков. Исследован эффект завышения наклонения намагниченности осадков.

4. Разработана методика моделирования процесса приобретения алевритами ориентационной намагниченности.

5. Поведение магнитных параметров осадков искусственных водоемов контролируется эколого-климатическими факторами.

6. Магнитное поле нижнего мела, определенное по образцам апт-барремских предкавказских отложений, обнаруживает циклические изменения напряженности в пределах от 0.7э до 0.1э.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы (110 наименований). Общий объем работы составляет 141 страницу, в том числе 20 рисунков.

Совместные исследования. Исследование влияния ионного состава жидкости на намагниченность осадков проведено совместно с А.С.Большаковым. Закономерности поведения наклонения намагниченности исследовались совместно с Т.В.Павловой. Все структурные определения, используемые в работе, выполнены Т.В.Павловой.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались:

на IV Всесоюзном Геомагнитном съезде (Суздаль, 1991), на Всесоюзных семинарах рабочих групп Научного Совета АН СССР "Физические основы палеомагнетизма и напряженность геомагнитного поля" (Борок, 1989, 1990, 1992), на Всероссийских семинарах рабочих групп Научного Совета РАН по геомагнетизму "Палеомагнетизм и магнетизм горных пород" (Борок, 1996, 1997), а также на научных семинарах Геофизической обсерватории "Борок". Диссертация

обсуждалась на межлабораторном семинаре Геофизической обсерватории "Борок" и Общемосковском семинаре по проблемам палеомагнетизма и петромагнетизма.

Автор благодарен Г.Н.Петровой и Б.И.Клайну за большую помощь в подготовке и завершении настоящей работы, А.Ю.Гужикову и В.М.Трубихину за предоставленные коллекции, помощь в отборе образцов и за обсуждение результатов, Т.В.Павловой за помощь в проведении экспериментов, А.К.Гапееву, В.Э.Павлову, С.В.Шипунову, В.А.Цельмовичу за обсуждение результатов работы и

консуль тации.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснован выбор темы, сформулирована цель диссертационной работы и кратко изложено содержание диссертации.

Глава I. Ориентационная намагниченность водных алевритов в1 палеомагнитологических построениях

В главе дан обзор имеющихся в* настоящее время представлений о механизмах

приобретения осадками ориентационной

намагниченности. Обозначены основные

направления использования палеомагнетизма осадков в решении фундаментальных и прикладных задач геологии и геофизики.

Ориентационная намагниченность

образуется в результате статистического выравнивания магнитных моментов частиц осадка, обладающих остаточной

намагниченностью, внешним магнитным полем. Наиболее часто ее поведение описывается уравнением Ланжевена:

1га=1о* (с^а-1/а), где а=гпН/Е.

Здесь 1ГС1-ориентационная

намагниченность, 1о~предельная

намагниченность осадка, т-магнитный момент одной частицы Н-напряженность внешнего магнитного поля, Е-обобщенная

дезориентирующая энергия. В качестве факторов, препятствующих ориентации частиц, принимают вязкость среды, в которой происходит ориентация зерен, тепловое броуновское движение, гравитационное

взаимодействие частиц соседей,

коагуляционное слипание, деятельность донных организмов. Вследствие аутигенных физико-химических процессов в осадках может создаваться химическая намагниченность. В общем случае намагниченность осадков зависит от ряда внешних условий, имевших место во время осадконакопления, и поэтому, в принципе, содержит в себе информацию об этих условиях.

В настоящее ' время хорошо разработана методика определения поведения направления магнитного поля, существовавшего во время образования осадка. Методы получения сведений о других внешних условиях (в том числе и о модуле магнитного поля) продолжают разрабатываться.

Одним из наиболее известных способов получения сведений о. модуле древнего магнитного поля является лабораторное моделирование ориентационной намагниченности или метод переосаждения. Этим методом еще несколько десятилетий назад были получены данные о поведении модуля древнего магнитного поля, совпадающие с современными определениями, выполненными на породах такого же возраста. Впоследствии подобные эксперименты проводились крайне редко, поскольку обнаружилась недостаточная

обоснованность метода в плане проведения процедуры переосаждения и выбора осадочных объектов, наилучшим образом подходящих для определения древнего магнитного поля.

Работами Ф.Гарниера, Г.Н.Петровой и др. показано, что вследствие периодических процессов длительностью от 100 до 10000 лет (вековые вариации), магнитный момент земного магнитного поля может меняться в несколько раз. Это явление достаточно надежно прослеживается в течение четвертичного периода и значительно хуже исследовано в более отдаленные геологические эпохи. Имеющиеся представления об "уровне магнитного поля", выполненные по изверженным породам, не дают представления о "тонкой

структуре". Оценить вековые вариации модуля древнего магнитного поля можно в результате исследования геологических объектов,

образующихся непрерывно и относительно быстро.

О.Л.Вагиной предложено использовать переосаждение для индикации химических изменений магнитоминералогической фракции осадков. Появились работы, в которых переосаждение используется для исследования минералогических и структурных особенностей осадков. Примеры применения свойств

ориентационной намагниченности в

палеогеографических, стратиграфических и экологических построениях разнообразны, но не систематизированы. В.М.Трубихиным показано влияние изменения эвстатического уровня моря на магнитные параметры осадков, что может служить основой для региональных

магнитостратиграфических построений.

Э.А.Молостовским отмечено, что вертикальные геотектонические движения сопровождаются синхронным изменением магнитной

восприимчивости осадков, образующихся на сопредельных территориях (часто весьма больших по площади).

А.Ю.Гужиков показал, что если

фаунистические и палеомагнитные методы корреляции осадочных толщ вступают в противоречие друг с другом, палеомагнитные методы являются более объективными. Подобных примеров довольно много. Имеются примеры исследования площадных распределений

техногенных загрязнений по магнитным параметрам осадков почвенного слоя.

Дальнейшие успехи применения палеомагнитных

методов в геофизических и экологических

построениях связываются с дальнейшими

исследованиями свойств намагниченности осадков.

Глава II. Изучение закономерностей

образования модуля ориентационной намагниченности

В главе показаны результаты

лабораторного исследования факторов,

влияющих на намагниченность осадков. Обнаружено, что ионный состав жидкости, в которой происходит седиментация, очень сильно влияет на намагниченность алевритовых осадков. При малых концентрациях электролита незначительные изменения ионного состава ведут к значительному изменению величины ориентационной намагниченности. Повышение концентрации ионов (более 1-5 г/л) сопровождается стабилизацией значений модуля ориентационной намагниченности.

Величина намагниченности во многом определяется начальными условиями, в которых происходит осаждение. Экспериментально установлено, что форма зависимости намагниченности от начального

влагосодержания ф в общем случае нелинейная и связана с магнитоминералогическим составом и структурой осадка. Можно выделить два наиболее характерных вида зависимости Icd, как функции от начального влагосодержания f((p). Гематитсодержащие осадки обычно обнаруживают монотонный рост ориентационной

намагниченности с увеличением начального влагосодержания и только при достижении Ф»98%-99% их 1гс1 может начать уменьшаться. Величина намагниченности магнетитсодержащих осадков быстро возрастает при изменении фо от 30%-40% (верхний предел пластичности)- до ф1«50%-70%, затем вследствие структурных перестроек уменьшается, и при достижении ф«80%-90% снова возрастает. Намагниченность образцов современных естественных осадков и тех же образцов, переосажденных в лаборатории, наиболее часто совпадает, если переосаждение проводится при начальном влагосодержании 50%-70%. Конкретные значения перехода пластичности в текучесть, положения фх и диапазон изменения 1гс1 связаны со структурой и минералогическим составом осадка.

Знание зависимости 1гб.-£ (ф) позволяет осознанно выбирать способ моделирования ориентационной намагниченности при

определении модуля древнего магнитного поля, а также делать предварительные заключения о структуре и магнитоминералогическом составе осадков.

В лабораторных условиях в процессе экспериментов, связанных с переосаждением осадков, образовавшихся в восстановительной обстановке, магнитоминералогическая фракция довольно быстро начинает испытывать явные химические изменения. В зависимости от особенностей зерен осадка эти изменения становятся значимыми за время от нескольких часов до нескольких месяцев.

Лабораторное моделирование процесса

образования ориентационной намагниченности магнетит-, титаномагнетит- и

пирротинсодержащих осадков следует проводить в течение минимально возможного промежутка времени. В естественных условиях быстрое аутигенное образование магнитных минералов может приводить к тому, что они могут принимать участие в создании

постседиментационной ориентационной

намагниченности.

Проведенная в результате многочисленных экспериментов оценка кратковременной (до 2х месяцев) механической (рытье ходов, тряска) деятельности бентоса (хирономиды, олигохеты), не позволила обнаружить значимого влияния этой деятельности на величину ориентационной намагниченности.

Глава III. Закономерности образования направления ориентационной намагниченности

В главе систематизируются сведения о поведении наклонения намагниченности

различных видов алевритовых осадков. Наклонение намагниченности гематит-и

магнетитсодержащих осадков обнаруживает несколько различное поведение. Так, диапазон ошибок наклонения у гематитсодержащих осадков в зависимости от начальных условий может составлять от 0 до 50°. Наклонение постседиментационной намагниченности обычно совпадает с наклонением внешнего магнитного поля. Ошибка наклонения магнетитсодержащих осадков меняется в меньших пределах, однако,

постседиментационная намагниченность у них практически всегда на 3°-7° меньше наклонения внешнего магнитного поля. Максимальные значения наклонения намагниченности

наблюдаются при переосаждении осадков с начальным влагосодержанием ср«90%-98%. Такие условия редко реализуются в естественных водоемах. Постседиментационные процессы обычно происходят при ф меньше 70%, а седиментация естественных осадков

осуществляется, как правило, при ф>99%. Следовательно, диапазон возможных занижений наклонения намагниченности естественных осадков должен быть меньше, чем в лаборатории.

В результате экспериментальной оценки величины занижения наклонения

намагниченности 22-х видов водных осадков показано:

Основным фактором, определяющим

величину ошибки наклонения, является начальные условия осаждения. В меньшей степени наклонение намагниченности зависит от генезиса осадка (формы частиц). При образовании седиментационной намагниченности (ф«90%-95%) ошибка наклонения резко возрастает при увеличении модальных размеров зерен осадков от 20 до 25(мк).

Уплотнение при высыхании оказывает влияние на -наклонение намагниченности только магнетитсодержащих осадков. Деятельность бентоса, если она не сопровождается изменением текстуры осадка, не сказывается на наклонении намагниченности осадков.

В' естественных водоемах в илистых • осадках часто наблюдаются случаи завышения наклонения ориентационной намагниченности. В лабораторных условиях, это явление наблюдается, если в полужидком осадке происходит вертикальное перемещение частиц относительно друг друга. Завышение наклонения намагниченности

происходит в результате процессов, в которых нарушается седиментационно образовавшаяся текстура поверхностного слоя осадка.

Глава_IV. Реконструкция условий

осадконакопления

В данной главе предлагается методика переосаждения алевритов, позволяющая (за счет многократного переосаждения "образец в образец") в процессе работы определять образцы, имеющие в своем составе химически неустойчивые магнитные минералы,

гранулометрические и магнитоминералогические неоднородности. Методикой предусматривается проведение тестирования изучаемого осадка на предмет исследования зависимости

намагниченности от начального влагосодержания л величины внешнего магнитного поля. По результатам тестирования и переосаждения целается заключение о пригодности осадка для получения сведений о поведении модуля древнего магнитного поля и факторах, ответственных за зеличину коэффициента переосаждения к.

Осадки современных, хорошо изученных зодоемов являются очень удобным объектом для

проверки выполнимости * лабораторно обнаруженных законов поведения

ориентационной намагниченности в

естественных условиях, исследования влияния экологических факторов на магнитные свойства

осадков, изучения ■ диагенетических магнитоминералогических изменений. Только естественные современные отложения позволяют сделать оценку влияния таких опосредованно действующих факторов, как среднегодовая освещенность, температура, геомагнитная активность и т.д. на остаточную намагниченность осадков.

Исследование осадков Рыбинского

водохранилища позволило обнаружить следующие закономерности.

Донные отложения реагируют на увеличение биологической продуктивности повышением наклонения намагниченности и магнитной восприимчивости Повышение

уровня водоема сопровождается активизацией восстановительных диагенетических процессов, что сопровождается увеличением фактора 0.. Снижение эвстатического уровня ведет к интенсификации седиментационных процессов и уменьшению 0. Торфяные загрязнения уменьшают 1П и х- Коэффициент переосаждения обычно несколько больше 1 (что свидетельствует об аутигенном образовании магнитных минералов) и часто связан со скоростью

осадконакопления. Чем меньше скорость образования осадка, тем меньше к. По-видимому, при малых скоростях (меньше 0,3 см/год) осадконакопления, аутигенно

образованные магнитные минералы, принимают

участие в создании постседиментационной ориентационной намагниченности. Вдоль кернов отложений обнаружена 22х - летняя цикличность изменения фактора <2,

коррелирующая с гелиомагнитной цикличностью

и осредненным по два года уровнем водохранилища (в образцах также происходит двухлетнее осреднение событий).

Исследование позднеголоценовых

Туркменских такырных отложений возрастом от О до 2500 лет показало наличие циклических изменений коэффициента переосаждения к в зависимости от времени образования исследуемых осадков.

Обнаруженная цикличность была

следствием структурных изменений образцов осадков и, (как показали результаты тестирования), не могла быть связана с поведением магнитного поля. Цикличность структурных изменений могла быть связана только с климатическими процессами, которые, согласно поведению к, в среднем, имели продолжительность несколько больше 300 лет. В этой коллекции только некоторые образцы обнаружили линейную зависимость

намагниченности от величины магнитного поля. Проведенные по ним определения прошлого магнитного поля, показали, что на исследуемом временном отрезке оно менялось от 0,45э до 0,90э.

Тестирование апт-барремских

северокавказских морских алевритов показало их полное соответствие требованиям, предъявляемым к осадкам, которые

используются в определении величины древнего

магнитного поля-. Выполненные по ним определения, показали, что среднее значение магнитного поля в барреме составило 0,37э, в апте оно уменьшилось до 0,17э. Более чем двукратные отклонения к от средних значений

не могут быть объяснены структурными и минералогическими особенностями образцов и, возможно, связаны с поведением магнитного поля.

Заключение

Экспериментальное моделирование

процесса приобретения ориентационной

намагниченности это - метод, обладающий большими и до конца нераскрытыми возможностями в получении сведений о генетических структурных и минералогических особенностях осадка. Применение метода переосаждения позволяет получать самые разнообразные сведения об условиях, в которых формировался осадок.

Примеры проведения реконструкций условий окружающей среды по магнитным свойствам осадков могут иметь

самостоятельное практическое значение. В контексте настоящей работы главное назначение этих примеров демонстрация возможностей палеомагнитных методов.

Конкретные результаты работы сводятся к следующему:

1. Величина ориентационной намагниченности алевритовых осадков зависит от ионного состава жидкости, в которой происходит осаждение.

2.Гематит- и магнетитсодержащие осадки имеют различный вид зависимости модуля ориентационной намагниченности от начальных условий осаждения.

3.Систематизированы сведения о поведении наклонения намагниченности алевритовых осадков. Исследован эффект завышения наклонения намагниченности осадков.

4.Разработана методика переосаждения магнетитсодержащих алевритовых осадков для получения сведений о поведении древнего магнитного поля.

5.Показано влияние эколого-климатических факторов на магнитные параметры современных естественных осадков.

6.Проведено определение величины магнитного поля нижнего мела по образцам апт-барремских предкавказских морских осадков.

СПИСОК РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1.Большаков A.C., Куражковский А.Ю. Влияние солености- воды на намагниченность осадков. Препринт №5, М.: ИФЗ, 1988, 13с.

2.Большаков A.C., Куражковский А.Ю. Ионный состав воды и намагниченность осадков. Изв. АН СССР, Физика Земли. 1989, №5, с.118-126.

3.Куражковский А.Ю. Завышение наклонения вектора намагниченности, современных естественных осадков. Сб. Исследования в области палеомагнетизма и магнетизма горных пород. М.: ИФЗ, 1989, с.139-143.

4.Куражковский А.Ю. Влияние начального влагосодержания на намагниченность осадков.

Изв. АН СССР, Физика Земли. 1990, №10, с.76-80.

5.Куражковский А.Ю. 0,6 изменении намагниченности влажных осадков. IV Всесоюзный съезд по геомагнетизму. Владимир-Суздаль. 1991, III часть, с.22.

6.Куражковский А.Ю., Павлова Т.В. Ошибка наклонения переосажденных алевритовых осадков. Изв. АН СССР, Физика Земли. 1992, №9, с.116-120.

7.Куражковский А.Ю., Павлова Т.В. Завышение наклонения вектора намагниченности переосажденных осадков. Физика Земли. 1993, №8, с.94-96.

8.Куражковский А.Ю. Способ определения величины древнего геомагнитного поля по нелитифицированным алевритовым илам. Пат. 2024036, СССР, МКИ5 GOIV9/00 1994, Бюл. №22.

9.Куражковский А.Ю. Циклические изменения магнитных параметров современных осадков. Сб. Палеомагнетизм и магнетизм горных пород. М.: ОИФЗ., 1996, с.52.

10.Куражковский А.Ю. Особенности магнитной стратиграфии современных быстронакапливающихся осадков. Сб. Палеомагнетизм и магнетизм горных пород М.: ОИФЗ, 1997, с.56.