Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Магнитные свойства многодоменных зерен естественных ферримагнетиков при высоких термодинамических параметрах

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Магнитные свойства многодоменных зерен естественных ферримагнетиков при высоких термодинамических параметрах"

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ОРДЕНА ЛЕНИНА ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ЗЕМЛИ пы. О.ЮЛШВДТА

На правах рукописи УДК 650.382.3

ТАРАЩАН Сергей Аркадьевич

МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА МНОГОДОМЕННЫХ ЗЕРЕН ЕСТЕСТВЕННЫХ СЕГОШГНЕТИКОВ ПРИ ВЫСОКИХ ТШЮДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРАХ

Специальность 04.00.22 - Теофазика"

Автореферат лгссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 1992

Работа выполнена в Ордена Ленина Институте Физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук

В.П. Щербаков

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

В.И. Белоконь,

кандидат фиоико-математических наук В.А. Большаков

Ведущая организация - ЛО ИЗМИР РАН

Защита состоится "" ^¿¿-¿-с-Р 1992 г в " ^ Уп час. на заседании Специализированного Совета то геофизика K0Q2.08.20 в Ордена Ленина Институте Физики Земли им. О.Ю. Пкидта РАН по адресу: 123810, Москва, Большая Грузинская, 10.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке 1KG РАН.

Автореферат разослан " I99£j.

Ученый секретарь Специализированного Совета доктор физико-математических наук

В.А. Дубровский

■ . 1 ......I

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность тем. Проблема глубинной намагниченности является одной из ключевых при интерпретации как континентальных, так и океанических региональных магнитных аномалий. Ее решение, т.е. выяснение распределения естественной намагниченности по толщине земной коры тесно связано с исследованием физических механизмов намагничивания и перамагничивания ферримагнитных зерен горных пород при высоких термодинамических параметрах. В этом плане представляет интерес гипотеза о равновесной намагниченности как предельном значении вязкой намагниченности. Предполагается, что именно она определяет, в•основном, величину и направление намагниченности глубинных зон земной коры: Однако, эта гипотеза как с экспериментальной, так и теоретической стороны пока еще недостаточно обоснована.

Кроме того, известно, что спектр размеров форркмагаипшх зерен в горных породах весьма широк, причем, достаточно крупные, так называемые многодомэнныв' зерна, играют существенную роль в создании намагниченности большинства интрузивных пород глубинных слоев земной коры. Очевидно, что свойства этих зерен определяются, в основном, поведением доменной структуры (ДО) при различных температурах и давлениях. Проведенные в последние годы эксперименты показали, что при различных РТ-условиях доменная структура испытывает значительные перестройки, связанные с изменением ее типа и параметров. Однако для понимания язлений, связанных с процессами перестройки доменной структуры, недостаточно только экспериментальных исследований непосредственно ДС либо косвенно связанных с ними аффектов (например, нулевого и абсолютно нулевого состояний ферримагнетиков и т.п.). Возникает необходимость теоретического описания процесса перостроек ДС. Такой теоретический анализ свойств доменной структуры многодомекпых зерен в магнетизме горных пород практически не проводился и является предметом настоящей работы.

Основные решаемые задачи.

I. Теоретический анзлкз домэяпой структуры многодсменных зерен титаномагаетитов различного состава при высоких термодинамических параметрах.

2. Расчет равновесной и термоостаточной намагниченностей шогодоменного зерна ,с учетом индуктивной составляющей.

3. Экспериментальное исследование равновесной намагниченности при одновременном действии температуры и квазивсестороннего давления.

В диссертации на защиту выносятся.

1. Методика и результаты математического моделирования доменной структуры многодомашшх зерен титансмагнэтитов при изменяющихся температурах и давлениях.

2. Модель равновесной и термоостаточной намагничешостей в неоднородном по магнитной хосткости многодоменном зерне.

3. Методика и результаты экспериментального исследования равновесной намагниченности при одновременном воздействии высокой температуры и всестороннего давления.

Научная новизна. I) Развита теория доменной структуры многодомашшх зерен горних порд при высоких термодинамических параметрах. 2) Развит общий подход к описанию термоостаточной намагниченности многодоменных зерен, включающий в себя, как пределышо случаи, ранее предложенные модели термонамагниченности Нееля и Стэси. 3) Дано теоретическое и экспериментальное обоснование возможности существования равновесной намагниченности пород Голубкиных зон земной коры.

Практическая ценность. Построена теоретическая модель доменной структуры и ое эволюции при изменении РТ-условий многодомен-шх зерен титаномагнетитов, позволившая впервые в магнетизме горных пород дать количественное и качественное объяснение экспериментальных данных. Дано теоретическое и экспериментальное обоснование равновесной природа намагниченности, пород глубинных зон земной коры, что позволяет дать конкретные оценки величины намагш-чнности этих пород и повысить однозначность интерпретации региональных магнитных аномалий.

■Апробация работы. Результаты настоящей работы докладывали« и обсуждались на III (Ялта, 1986) и IV (Суздаль, 1991) Всесоюзна съездах по геомагнетизму, Всесоюзном семинаре рабочей группы "Физические основы палеомагнетизма ипалеояапряженность геомагнитное поля" (Борок, 1987, 1939).

Публикации. По темэ диссертации опубликовано в соавторств! 10 статей и I монография.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения общим объемом 182 страниц, включая 60 рисунков и 6 таблиц. Список цитируемой литературы содержит 134 источника.

Автор глубоко признателен В.П. Щербакову, под чьим руководством выполнена работа, и благодарен B.C.- Марковскому за плодотворное сотрудничество, а также Ю.К. Виноградову за консультацию по аппаратурным вопросам, участникам Борковского семинара за советы и внимание к работе.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обосновывается актуальность темы, формулируются цель работы и, защищаемые положения, приводятся сведаиия о практической значимости и апробации полученных результатов.

ГЛАВА I.Доменная структура природных ферримагнетиков при при различных температурах

За последнее десятилетие различными грушами исследователей в области магнетизма горных пород проведены интенсивные исследования доменной структуры кристаллов магнетита (Богданов, Власов 1965,1966; Соффель 1966; Хайдер 1988), титаномагнетитов различного состава (Соффель 1970,1971,1977; Меткалф, Фуллер 1987, Халге-дал 1987; Халгедал, Фуллер 1981). Среди главных направлений этих исследований можно выделить следующие: I) выяснение типов ДС, характерных для зерен естественных ферримагнетиков; 2) выяснение зависимости числа доменов пл от размера зерна I; 3) исследование температурного поведения ДС.

Суммируя в целом рэзультаты экспериментальных работ, можно сделать следующие выводы: I) Для зерен магнетита и титаномагнети-та.характерен широкий набор доменных конфигураций, среди которых выделяются, как преобладающие, плоскопараллельные открытая (ОДС) и закрытая (содержащая замыкающие домзны; ЗДС) структуры. Наблюдается степенная зависимость числа доменов от размера зерна вида па 11УХ, при этом интересно отметить, что в зернах даже большого размера (1=20+100 мкм) часто наблюдаются ДС, содержащие всего

несколько доменов. 2) При действии повышенных температур происходит увеличение размена доменов а и уменьшение nd> Одной из особенностей температурного поведения ДС реальных ферромагнетиков является наличие температурного гистерезиса (Меткалф, Фульлер 1987. Хайдер 1988).

В теоретическом плане до 'последнего времени существовали лишь отдельные оценки (Халгедал, 1987), полученные на основе простой модели ОДС Киттеля (1949), которые дают, по крайней мере, в 5 раз, завышенные значения nd. Анализ темпаратурного поведения ДО в модели Киттеля (Халгедал, 1987) также дает результат, противоречащий ¡эксперименту: наблюдается уменьшение размера доменов а и рост nd'

Отсутствие сколь-нибудь строгого теоретического подхода к описанию ДС ВД зерен ферримагнетиков привело к необходимости создания теоретической модели ЫД-зерна, приближенной к реальным ДС и позволившей бы описать ее температурное поведение. Данная задача и основные ее результаты подробно рассмотрены в работах 14,7,8] и излагаются в первой главе диссертации.

Основным моментом в выборе метода описания модели ДС ВД-зер-на фэрримагнетика является следующее обстоятельство. Как было показало в работах Бенердеи (1975) и Щербакова (1978) для слабоанизотропных веществ (для которых выполняется условие I(j>|Zl|, где I -,спонтанная намагниченность, Rt - константа анизотропии) при Малых размерах зерна ширина доменных границ (ДГ) сравнима или даже может превышать размер доменов (например, у магнетита). В этом случае возникает необходимость учета энергия магнитостатики ДГ.

В качестве первого шага сделано обобщение модели Киттеля с учетом конечной толп^шы ДГ: рассмотрена плоскопараллельная ДС кубического зерна, для которой выполняется условие а-Ь«!., где Ъ -размер ДГ (разворот вектора 1д в 180-градусной ДГ происходит по лишайному закону). Поэтому, с достаточной точностью для расчета мапвгтостатической энергии Б мокно воспользоваться методом Фурь (Киттель • 1949). Величину Е можно представить как интеграл 2тв=(>/2)Хс;фа5 по заряженной поверхности, где ф - потенциал поля, удовлетвбряющий уравнению Лапласа: дф=0. '

Кроме'энергии глагнитостаипси необходимо таюкэ учесть энергии

ДГ - £ =ЕШ , -где И" -- энергия обменного взаимодействш

w еа а À \ ■ ^ ох г

(Киттель 1949), È" - энергия магнитной анизотропии v (Стэси, Ба-

нердаи 1975), - магнитоупругоя знергая (Лилли 1950).

Параметры ДО (размер доменов а и ширина ДГ Ь) определялись путем минимизации общей энергии зерна E=Emg+Ew. Анализ влияния ДС на размагничивающий фактор зерна N показал хорошее совпадете зависимости (nd) исследуемой модели с ранее полученными результатами на основе модели Амара (Данлоп 1983; Key, Мэррил 1987).

Как было отмечено вше, наряду с простой О ДО, часто экспериментально наблюдаются ДС, содержащие замыкающие домены (ЗД). Поэтому целесообразно, кроме ОДС, рассмотреть ЗДС. Наличие ЗД, ка;с известно, приводит к уменьшению Б за счет малых углов выхода вектора I к поверхности зерна, а также наличия ц*-эффекта его

JL

поверхности (Шокли 1937). Поправку в величину Е^ за счет ц -эффекта можно представить в виде г/(»+гта*), гдэ ге* - эфективная магнитная восприимчивость (для титаномагнетита - ш*=-э1гдсоэ2р/4^, где р«19°). Для полноты анализа, кроме ДС зерен в форме куба, был рассмотрен неизометрический случай ДС зерна с сечением ромба.

Результаты расчетов параметров ОДС ферримагнетиков титано-магнетитовой серии .Те3_1Т120д показывают, что с ростом х происходит увеличение размера доменов. Однако, для любого члена ряда, размер доменов в ОДС'существенно меньше, чем в ЗДС. Так, для магнетита cl„ /а„ «10, а для титаномагнетита (х=0.55) а, /а «4.

ЗДС? оде зде ОДС

Как показывают расчеты, наилучшее совпадение с экспериментальной зависимостью n&(L) для титаномагнетита (х=0.55) (Соффвль 1971) дает приближение ЗДС зерна с сечением ромба.

Моделирование температурного поведения ДС титаномагнатитов показало, что в случае ОДС с ростом температуры происходит уменьшение о и рост Ь, и при некотором Тог домены исчезают, a b=conat. Данное поведение ДС объясняется тем, что с ростом Г энергия анизотропии ДГ убывает как Ja (гдэ J =1 (T)/Z (Г ), / =0 соответст-

в 3 в в О в

вует точке Кюри То), в то время, как Е^ убывает медленнее (как

J*), поэтому домены становятся не выгодными'. Максимальная величи-в

на Ъ при 2>Гсг определяется балансом обменной и магнитостатичес-кой энергий ДГ.

Однако, как следует из экспериментов (Соффель 1977, Хайдер 1988), подобное поведение ОДС не соответствует реальности. Данное противоречие отсутствует в температурном поведении ЗДС, - в этом случае с ростом температуры увеличивается а и пздает nd. Дело в том, что ц*-эффект с ростом Т увеличивается как ft, а энергия ДГ

убывает медленнее, что приводит к возростанию размера доменов.

Как отмэчается в ряде экспериментальных работ (Меткалф, Фульлвр 1987, ХаЯдер' 1Г988), цри нагреве и охлавдэнии зерен ферри-магнетиков наблюдается температурный гистерезис (ТГ) ДС. Для анализа этого явления была рассмотрена модель ОДС в приближении реального ферримагнетика - предполагалось наличие в частице потенциальных барьеров, при этом энергия ДГ задавалась в виде случайной функции. Анализ данного приближения показал, что наличие■внутренних неоднородаостей в зерне приводит к Епзсникновению 'ГГ доменной структуры, при этом, для' исходной ДС характерно большее nd, 'чем для ДС после охлаждения. Последнее состояние является мета>' стабильным — возможен как обратный переход в более стабильное исходное состояние, так и в еще более метастобильноо состояние после ,дальнейших "нагревов".

Вывода: I) Сформулированы и проанализированы модели ДС о открытой и закрытой системой шюскопараллельных доменов с конечной толщиной ДГ. 2) Анализ показал, что a(L) для ОДС дает значительно заниженные значения размера домена по сравнению с экспериментальными данными. Температурное поведение ОДС дает картину, об; ратную наблюдаемой в эксперименте - происходит уменьшение а с ростом Т. 3) Анализ модели ЗДС показал, что за счет образования замыкающих доменов размер доменов существенно увеличивается. Наилучшее совпадение теоретической и экспериментальной зависимости nd(I) дает приближение ЗДС в зерне с сечением ромба. Зависимость а(Т) в модели ЗДС ведет себя в соответствии с экспериментом. Последнее объясняется вкладом ц*-эффекта, существенно понижающего энергию магнитостатики доменов с увеличением температуры. 4) Сопоставление ' результатов теоретических расчетов ДС с экспериментом • позволяет сделать однозначный вывод в пользу замкнутой ДС.

• ГЛАВА II. Поведение доменной структуры зерен титаномагнетитов под действием внешних напряжений и температуры.

Наряду.; с ; температурой существенное влияние на магнитные свойства ' зерей ' ферримагнетиков оказывают внешние напряжения. В многодоменных зернах ферримагнэтиков это влияние проявится, в первую очередь," в поведении ДС под действием напряжений (а).. Действительно, как в частицах магнетита, так и титаномагнетита проис-

ходят оложныв перестройки ДС. На основе имеющихся экспериментальных работ (Богданов, Власов 1966; Соффель 1966, Аллель, Соффель 1984, 1985) можно выделить ряд особенностей поведения ДС при действии о: I) с ростом напряжений происходит разворот ДС, при этом часто он сопровождается образованием вторичной ДС (клиновидные домены, 71- и 109-градусные ДГ и т.п.); 2) в большинстве случаев после переориентации (при о больше некоторого аог) ДС принимает простую плоскопараллельную конфигурацию с малым па; 3) переориентация ДС в. целом имеет обратимый характер при наложении и снятии о, однако в некоторых случаях отмечается наличие гистерезиса ДС (Богданов, Власов 1956).

Столь сложные процессы поведения ДС невозможно объяснить только на основе экспериментальных данных. Однако, до последнего времени кроме некоторых приближенных оценок (Карлмитчел 1968, Ствси 1963, Соффель 1987) рассмотрение данной проблем с теоретической точки зрения отсутствует. Поэтому необходимость дать не-которув стройную теоретическую модель процессов перестроек ДО под действием внешних напряжений очевидна.

В связи с этим нами была сформулирована модель ДС ферршаг-нитного зерна, учитывающая влияние внешних напряжений. В качества первого швга, на основе результатов изложенных в главе I, был рассмотрен случай простой плоскопараллальной ОДС. Для выяснения особенностей поведения ДС под действием а были учтены два существенных обстоятельства.

1. Возможность произвольного.разворота элементов ДС относительно граней зерна, для чего, кроме системы' координат, связанной о гранями зерна, введена в рассмотрение дополнительная система координат, связанная о изменяющими своп ориентацию элементами ДС - вектором 1д в доменах и ДГ. Связь между этими' системами координат описывается углами Эйлера ср,9 и ф.

2. При развороте вектор 1д в доменах образует произвольный угол с гранями зерна. Поэтому, для учета влияния ц*-эффекта на Епя нами было получено общее выражение ж* для произвольной ориентации вектора 1д и граней зерна в приближении малых углов отклонения вектора 1д от оси легкого намагничения (ОЛН).

Определение параметров ДС при заданном о производилось в два этапа: I) минимизируя выражение Е=Еа+Ес (Ел - энергия анизотропии и?. - энергия магнитострикции), находились углы ср и 9, определяю-

щио направление ОЛН (направление 1д в доменах); 2) с учетом из-вэсткых <р и 6 на основе минимизации выражения общей анергии зерна определялись а, Ъ и ф:

За исходную Оралась ДС с ориентацией I доменов по оси <т> и ДГ в плоскости (1То). На основе численного моделирования проанализировано поведение ДС для следующих случаев ориентации о: I) о|<111>, а\1в и {ДГ>; 2) 0!<1Ю>,011е и {ДГ>; 3) о|<пг>, 011д и о1{ДГ). Так, анализ поведения ДС в случае о!<т> показал, что о ростом напряжения как у магнетита, так и у титаномагнетита (#=0.55) происходит уменьшение размера доменов, и, при некотором аог, а обращается в нуль (для магнетита о^МЭ.18 кбар, титаномагнетита (х= =0.55) оор«0.12 кбар). ДС переходит в винтовую структуру. Данное состояние является метастабилышм, так как, хотя оно и характеризуется локальным минимумом энергии, исчезновение доменов свидетельствует об исчезновении ОЛН в данном направлении. Поэтому, в силу действия случайных факторов, ДС должна переориентироваться по новой ОЛН с наименьшим значение энергии. Подобная переориентация является необратимой. При новой ориентации ДС размер доменов становится больше, чем в исходном состоянии, что объясняется влиянием ц*-эф$екта на магнитостатическую энергию зерна. С дальнейшим ростом о у магнетита наблюдается увеличение, а у титаномагнетита (2=0.55) - уменьшение а (такое поведение определяется знаком и величиной констант мчгдатострикции Л100 и

При действии о по оси ок» как в зернах магнетита, так и титаномагнетита разворота ДГ не происходит. Возможен лишь разворот вектора I доменов в плоскости {1Т0) по оси <и7> (у магнетита) или <ТТ!> (у титаномагнетита). Направление разворота у магнетита и титаномагнетита определяется знаком и величиной констант магыитострикции \оо и Переориентация вектора 1д в данном

случаэ может бить обратимой и в реальном ферримагнетике будет определяться уровнем термофлуктуационных процессов.

Действие напряжения по оси <112>.но вызывает существенного изменения ДС зерен магнетита. В случае титаномагнетита (1=0.55) происходит сложная перестройка ДС: о ростом о сначала происходит разворот ДГ из плоскости С»То) в плоскость {пг> (о~0.2 кбар) и далее (при о<«0.4 кбар) наблюдается переориентация вектора 1д в доменах по механизму, описанному выше. Данное поведение является необратимым.'

Наш! Сила проведена оценка критического напряжения оог для различных механизмов переориентации ДС. Так, наибольшим значением одг характеризуется переориентация вектора I однодокеиного зорпа (для магнетита а «0.7 кбар, для титгшомагнетита (г=0.Б5) о "

СР от*

MD.35 кбар). Наименьшим оог характеризуется механизм переориентации ДС с исчезновением доменов и последующим переходом ДС по новой ОЛН (у магнетита оог«0.1В кбар, титансмагнетита осг«0.12 кбар).

Данные оценки можно принять как верхнюю и нижнюю грашщы оор. Конкретное значение будет во многом определяться распределением неоднородаостей и внутренних напряжений в кристалле ферримагяети-ка. Можно предположить, что с ростом Ыд будет увеличиваться и оог.

Повышеше температуры существенно снижает значение оог - в первом приближении оно убывает как J*, что приводит к очень нестабильному поведению ДС при повышенных о и Г. Так, даже присутствие незначительного давления (для магнетита oMD.QI кбар) с ростом температуры приводит к переориентации ДС.

В большинстве рассмотренных наш случаев при действии напряжения ДС переориентируется необратимо. Однако, как правило, экспериментально наблюдается в целом обратимые переходы ДС при наложении и снятии нагрузки. Последнее говорит о том, что в горных породах присутствуют значительные внутренние напряжения (о>2оег), контролирующие состояние ДС МД-зерен ферримагнетиков.

Глава III. Равновесная и тэрмоостаточная намагниченность в представлении модифицированной модели Нееля.

Понятие равновесной намагниченности была введена Стэси (1963) при рассмотрении процесса образования вязкой намагниченности на основе простой двухдоменной модели ВД-зерна Нееля. Суть в следующем. Максимально возможное значение вязкой намагниченности ферри-магнетика во внешнем поле В определяется условием равенства нулю эффективного поля Ht-H-NI=0. Отсюда, значение равновесной намагниченности I -H/N. р

Завойский (1969), а позднее Завойский и Марковский (1983), на основе анализа направлений вектора Гп широкого круга интрузивных пород Украинского щита с МД ферримагнетиками, пришли к выводу об их существенном вязком перемагничивании (вектор 1п направлен по или близко к современному полю) и, следуя Стэси, сделали выеод.

что большинство пород находятся в равновесном состоянии. Имц также высказано предположение, что основной вклад в суммарную равновесную намагниченность (1=Г{+1и) в поле Н вносит "остаточная намагниченность ферримагнетика 1^" и предложена формула для фактора 0 пород в равновесном состоянии <3=г/№е(, где - магнитная восприимчивость ферримагнетика.

Однако, в свое время, был отмечен ряд противоречий в объяснении равновесного состояния на основе модели Нееля,; основным из которых является не до конца ясная роль индуктивной намагниченности в процессе формирования и в самом равновесном состоянии.

Учитывая значительный практический интерес данной проблемы, возникла необходимость более сгпогого рассмотрения механизма образования равновесной намагниченности. Эта задача была решена на основе развитой Щербаковым и Марковым (1982) модели неоднородного по магнитной жесткости (двухфазная модель) ЫД-зерна. В рассматриваемой нами задаче одна из фаз ("жесткая") учитывает .гистерезис-* ше процессы в зерне и определяет Но, а другая ("мягкая") учитывав обратимые смещения ДГ и характеризуется некоторой ж4. Энергия магнитостатики Такой системы будет Етд<4Цх1+хг)г^А(х1-хг)л, где N размагничивающий фактор, А - коэффициент антисимметричного взаимодействия фаз, а х1 И1 - смещения ДГ "жесткой" и "мягкой" фаз, соответственно. Следуя Неелю, при рассмотрении перехода верна в равновесное состояние, было введено поле флуктуации . Дан-

ный процесс можна также рассматривать как идеальное намагничивание .

На основе двухфазной модели ферримагнитного зерна с учетом индуктивной составляющей получено теоретически обоснованное и наглядное представление о роли обратимых и необратимых смещений доменных границ в процессе перехода зерна в равновесное состояние [Б]. Условием стабилизации доменных границ (равновесие) заключае-ся в том, что поле, действующее на "жесткую" стенку, равно нулю.

В общем случае индуктивная намагниченность "мягкой" фазы в равновесном состоянии не равна нулю, как это предполагалось ранее. Величина индуктивной составляющей во внешнем доле Н контролируется полем взаимодействия доменов и магнитной восприимчивостью верна и может достигать половины равновесной намагниченности ](в случав Лх^I). Для магнетита горных юрод Г| может составлять до 10* равновесной намагниченноти.

Для оценки равновесной намагниченности горных пород в первом приближении можно использовать соотношение I=Hv/U, где v -концентрация ферримагнетика в горной породе.

На основе двухфазной модели получено выраз:ение, описывающее величину I t для случая, когда в зерне имеются взаимодействующие "костная" и индуктивная фазы. Показано, что в пределе бесконечной магнитной восприимчивости наши результаты сводятся к обобщенной неелевской теории ТШ многодоменных1 зерен (Щербаков, Марков 1932). Показана роль индуктивной составляющей в формировании термонамаг-шгчетгасти. Рост магнитной восприимчивости приводит к увеличению блокирующей темпоратуры. Показано, что модель Нэеля отвечает приближению Ав{«1.

ГЛАВА IV. Экспериментальное исследование равновесного состояния ферримагнетиков.

Нещбходимость экспериментальное исследование равновесного состояния горных пород вызвано, правде всего тем, что на основе гипотезы равновесного состояния базируется один из подходов в решении проблемы намагниченности глубинных зон земной коры (Завойс-кий 1981; Завойский, Марковский 1983).

В своем большинстве прогнозы распределения намагниченности пород в разрезе земной корь* (Лебедев и др. 1977, 1986; Валеев 1984; Валеов, Максгмэчкин 1984; Познанская 84), выполненные на основе анализа пов:?д,экия остаточной и индуктивной намагниченностей под действием температуры и давления, не учитывают того обстоятельства, что формирование остаточной намагниченности пород в коренном залегании в магнитном поле происходит на протяжении значительного геологического времени, соворпенно не соизмеримого со временем лабораторных экспериментов, что приводит к возможности существенного вязкого перемапшчнвания горных пород, особенно в условиях высоких температур (Большаков IS79, Данлоп 1983, Смиз 1984) и давлений (Спорер 1984).

Гипотеза о равновесной природе намагниченности многодомэнных зерен»горных пород глубинных зон земной коры как раз и учитывает возможность вязкого перомагничивания. При этом, как следует из результатов главы III, предельным значением вязкой намагниченности в'геомагнитном поле является равновесная величина намагничен-

ности. Тем не менее проблема равновесной намагниченности остается открытой. Это связанно: а) с отсутствием оценок времени достижения горными породами равновесного состояния в геомагнитном поле; б) с отсутствием экспериментальных данных по изучению магнитных характеристик в процессе перехода мпогодомешшх зерен в равновесие, в том числе при различных температурах и давлениях. В связи с' этим был поставлен ряд экспериментов для ответа на поставленные вопросы.

В первую очередь было оценено время достижения породами равновесного магнитного состояния в температурном режиме земной коры. Для этого был исследован рост вязкой намагниченности пород в геомагнитном поле при высоких температурах. Исследования проведены на термомсгаитомэтре геофизической обсерватории "Борок" ИФЗ РАН. Степень достижения намагниченностью равновесного значения за счет вязких процессов можно определить путем ее сравнения с идеальной намагниченностью, созданной в том же поле. Опыты проводились на пироксен-плагиоклазовых кристаллических сланцах высокотемпературной гранулитовой фации метаморфизма с МД-зернами магнетита. В процессе измерения вязкой намагниченности проверялась возможность новообразований ферримагнитных минералов при нагревании образцов.

Рост вязкой намагниченности в геомагнитном поле наблюдался на размагниченных образцах, находящихся в абсолютнонулевом состоянии - наиболее близком магнитному состоянию пород в коренном залегании. При температуре Б00°С за 14 часов вязкая остаточная намагниченность I составила 27% равновесной величины остаточной намагниченности. Расчет по формуле 1=10+5а2^ (I-полная намагниченность за время Г0-по'лная намагниченность в момент времени показывает, что равновесная величина намагниченности при этой температуре будет достигнута за 10"с, т.е. 'примерно за 30 тыс. лет, тогда как при комнатной температуре для этого потребуется 300 млн. лет. Тем не менее, следует отметить, что за I млн. лет (время от последней инверсии геомагнитного поля) общая намагниченность образца с учетом роста I составит 975» равновесной величины намагниченности. Кроме того, такие явления, как динамические напряжения в результате землятрясений действуют в сторону увеличения интенсивности роста намагниченности пород в геомагнитном поле (Шапиро, Иванов 1967, 1969).

Полученные оценки времени достижения равновесной намагничен-

ности показывают, что большинство пород континентальной земной коры о многодоменными зернами могли достичь равновесного состояния в геомагнитном поле.

Следующим шагом в исследовании равновесной нямагничешюсти была проверка предположения о ее неизменности при различных температурах и давлениях. Данное утверждение исходит из соотношешй для равновесной намагниченности порды в магнитном поле - 1р=Яи/ЛГ. Глуб1ша земной коры, до которой равновесная намагниченность предполагается неизменной, контролируется тэрмобаричоскими параметрами, при которых выполняется условие 1д(Т,Р)>-^~. Поведение равновесной намагниченности в температурном режиме земной коры было проведено па примере идеальной намагниченности 1р=Г/лл=Гс+1АШ, где 11 - индуктивная, а - идеальная остаточная намагничннос-ти.

Для проведения эксперимента по наблюдению равновесной намагниченности при высоких температурах и давлениях наш! был сконструирован универсальный вибромагнитометр, позволяющей проводить-' исследования различных еидов намагниченности в широких температурных пределах (от 20 до 700°С), переменных (до 200 мТл) и постоянных (до 10 мТл) магнитных полях. Для измерешш намагничешгос-ти при высоких давлениях применялась миниатюрная "бомба" высокого давления (изготовлена из титанового сплава ВТ-9). Камера высокого давления позволила исследовать магнитные параметры образцов при одновременном действии температуры до 500°С и давления до 700 МПа.

Эксперименты по изучению равновесной намагниченности при различных температурах проводились на образцах пород глубинных зон земной коры - пироксон-плагиоклазовых кристаллических сланцах высокотемпературной гранулитсЕОй фации метаморфизма. Распределение магнетита в основной массе породы равномерное, в виде отдельных зерен размером 10-300 мкм. После прогревов до 600°С новообразования рудных гяшералов под микроскопом не наблюдалось. Креме того, отсутствие магнитных новообразований фиксировалось по изменению магнитной восприимчивости ге.

Идеальная намагниченность 1Д]1 создавалась при фиксированной температуре в постоянном поле //=0.05 мТл п убывающем до нуля переменном поле насыщения, з котором достигалось максимальное значение 1ДК]1 при данной теглгаратуре.

Исследования пря действии, квазивсесторошюго давления прово-

дались как на отдельных зернах магнетита (диаметром -2 мм), которым придавалась сферическая форма, так и предварительно отожженном при температуре 600°С в вакууме порошке магнетита с размером зерен 0.0140.25 мм и концентрацией 10%. В качестве передающей среда использован пирофилит. Испытуемый образец помещался в камеру "бомбы", после чего в ней создавалось необходимое давление при помощи гидравлического пресса. Давление в камере "бомбы" фиксировалось при помощи гайки. "Бомба" с зафиксированным давлением устанавливалась в вибрационный магнитометр. Время проведения акс-спериментов не сказывалось на величине давления (при 500°С камера может удерживать давление 700 МПа на протяжении 20 часов). Изучалось как раздельное,(так и совместное влияние температуры и давления на величину идеальной намагниченности.

Моделирования идеальной намагниченности при различных температурах показало, что с ростом температуры индуктивная намагниченность увеличивается, а остаточная идеальная намагниченность уменьшается, в то время как полная идеальная намагниченность остается неизменной практически до температуры Кюри магнетита. Отметим, что увеличение температуры до То магнетита привело к росту se{ примерное 2.5 раза, при этом равновесная намагниченность -не изменилась.

В условиях квазивсестороннего давления до 800 МПа и комнатной температуре остаточная идеальная намагниченность зерна магнетита уменьшилась на 3%, индуктивная на 10%, суммарная 1^=1 j+I^^ на 9% хотя соотношение IAR!{ в 1р осталось такое же, как и в условиях изменения только температуры.

Подобный характер измонения равновесной намагниченности образца с ЮЖ содержанием магнетита наблюдается под действием квазивсестороннего давления (до 400 МПа) и при различных температурах (до 400°С). Индуктивная намагниченность увеличилась в исследуемом температурном интервале на 5%, что может быть связанно с компенсацией действия упругих напряжений температурным эффектом Гопкинсона. Остаточная идеальная намагниченность уменьшилась на 7%, а 1р практически не уменьшилась.

Моделирование равновесной намагниченности в условиях квазивсестороннего сжатия в широком диапазоне температур показало, что она остается неизменной в разрезе земной коры, нижняя граница которой определяется температурой, близкой к температуре Кюри маг-

г

нетита, и зависит только от концентрации форршагпотика, а но от РГ-уеловий. Равновесная намагниченность в геомагнитном поле в указанном интервале глубин может быть оценена по. данным измерения идеальной намагниченности этих пород в условиях дневной поверхности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате исследования магнитных свойств многодомэнных зерен титаномагнэтитоз различного состава при высоких термодинамических параметрах получены следукгцие основнне результаты:

1. Разработаны модели плоскопзраллелъной доменной структуры открытого и закрытого типа с конечной толщиной доменных границ. На основе численного моделирования температурного неведения ДС различного типа показано, что наиболее адекватно отвечает имеющимся экспериментальным данным плоскопараллельная доменная структура, содержащая замыкающие домены. Модель ЗДС дает наилучшее совпадение с экспериментом в зависимости размера доменов от размера зерен, а также температурного поведения размера доменов, а именно, с ростом температуры наблюдается постепенное увеличение ширины доменов.

2. Разработана модель и методика исследования поведения доменной структуры под действием внешних напряжений. Анализ модели показал, что под действием внешних напрякений происходят слояныо перестройки доменной структуры, характер которых существенно зависит от взаимной ориентации элементов ДС и действующего давления.

3. Предложен новый механизм переориентации ДС, заключающийся в постепенном уменьшении размера доменов с ростом напряжений и последующим перебросом О.ЛН пс новому направлению. Анализ различных моделей переориентации ДС показал, что наибольшее значение напряжения переориентации характерно для одаодоменного зерна и составляет для магнетита 0.8 кбар. Механизм переориентации с исчезновением доменов и переходом ДС по новой ОЛН характеризуется наименьшим значением напряжения переориентации (для магнетита о« <«0.18 кбар). Данные приближения можно рассматривать как верхнюю и нижнюю оценки критического напряжения переориентации ДС кногодо-менных зерен титаномагнэтитоз различного состава. Конкретное значение во многом будет определяться распределением неоднородностей

и №\рЯХ£Шй внутри верна. Повышение температуры приводит к сни-нию величины напряжения переориентации ДО.

4. На основе модели неоднородного по магнитной жесткости фер-римагнитного зерна развит общий подход к описанию термоостаточной намагниченности с учетом индуктивной составляющей. Дано четкое представление о влиянии "мягкой" фазы на процесс блокировки доменных границ при формировании термонамагниченности. Показано, . что модели TRM, предложенные Неелем и Стэси, Являются предельными случаями более общей двухфазной модели TRM.

Б. Дано теоретическое и экспериментальное обоснование воз-, можности существования равновесной намагниченности пород глубинных зон земной коры. На основе двухфазной модели получено наглядное представление о роли обратимых и необратимых процессов при переходе ферримагнитного зерна в равновесное состояние. Из результатов моделирования равновесной намагниченности при высоких термодинамических параметрах следует, что ее величина не зависит от. РУ-условий, а определяется концентрацией фэрримагнеткка в горной породе. Полученные - результаты позволяют дать конкретные оценки намагниченности пород глубинных зон земной коры.

ЛИТЕРАТУРА

1. Марковский B.C., Таращан С.А. Экспериментальные доказательства возможности равновесного состояния намагниченности пород в геомагнитном поле.- Геофиз. журнал 1986, т.8, НА, с. 64-68.

2. Марковский B.C., Таращан С.А. О намагниченности глубинных зон земной коры. - Геофиз. яурнал, 1987, т.9, йб, с. 65-70.

3. Марковский B.C., Таращан С.А. Равновесная намагниченность маг-нетит-содеркащих пород в температурном режиме земной коры.-Докл. АН УССР Сер.Б. Геол., хим. и Оиол. науки 1989, XII, с. 18-21.

4. Ламаш Б.Е., Щербаков В.П., Таращан С.А. Доменная структура псевдо- и многодомэнных.зерен магнетита и ее температурное поведение. В сб. Исследования в области палеомагнетизма и магнетизма горных пород. - М.:Наука 1989, с. 3-14.

5. Щербаков В.П., Марковский B.C., Гарацан С.А. Равновесная намагниченность в неоднородном по магнитной жесткости многодоменном зерне. - Геофизический яурнал 1989, т.II, Л2, с. 52-57.