Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Моделирование процессов самообращения намагниченности горных пород

ВАК РФ 25.00.10, Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Моделирование процессов самообращения намагниченности горных пород"

МОСКОВСКИМ ГОСУДАСТВЕННЫИ УНИВЕРСИТЕI ИМ. М.В. ЛОМОНОСОВА 2 7

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи УДК 550.382.3;

Безаева Наталья Сергеевна

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ САМООБРАЩЕНИЯ НАМАГНИЧЕННОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД

Специальность 25.00.10 - геофизика, геофизические методы поиска полезных ископаемых

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Москва - 2006

003067078

Работа выполнена на кафедре физики Земли физического факультета Московского Государственного Университета им. М.В. Ломоносова.

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук профессор В.И. Трухин

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук профессор А.В. Ведяев

доктор геолого-минералогических наук профессор А А. Шрейдер

Ведущая организация:

Геологический Факультет Московского Государственного Университета им. М.В. Ломоносова

Защита состоится « 22 » февраля 2007 г. в 15.00 на заседании Диссертационного Совета Д.501.001.63 при Московском Государственном Университете им. М.В. Ломоносова по адресу: 119992, Москва, ГСП-2, Ленинские горы, МГУ им. М.В. Ломоносова, Физический факультет, ауд. СФ/[.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова. Ваш отзыв на автореферат в одном экземпляре, заверенный печатью организации, просим направлять по указанному адресу.

Автореферат разослан « » декабря Учёный секретарь

Диссертационного Совета Д.501.001.63 кандидат физико-математических наук

2006 г.

В.Б. Смирнов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Работа посвящена исследованию явления самообращения намагниченности горных пород1 методом численного моделирования. Самообращением намагниченности называется намагничивание ферримагнитных минералов, входящих в состав горных пород и в основном определяющих магнетизм горных пород, антипараллельно намагничивающему полю.

Актуальность диссертационной темы.

Вокруг Земного шара существует магнитное поле, напряжённостью Н » 0.5 Э. Геомагнитное поле (ГМП) воздействует на живую и неживую природу, намагничивает все минералы и горные породы. Прямые измерения элементов геомагнитного поля проводятся только на протяжении последних 400 лет. Вся история древнего ГМП восстановлена при использовании палеомагнитного метода, то есть метода исследования древнего ГМП по естественной остаточной намагниченности NRM (от англ. "Natural Remanent Magnetization") горных пород разных геологических эпох.

NRM изверженных горных пород образуется в результате процесса природного термонамагничивания, то есть при охлаждении в ГМП кристаллизовавшихся из магмы минералов горных пород до температуры Земной поверхности. Процесс термонамагничивания легко моделируется в лаборатории при охлаждении образцов горных пород в магнитном поле от температуры Т>ТС, где 7с- точка Кюри, до комнатной температуры Го, в результате чего образуется термонамагниченность ТМ (от англ. "Thermo Magnetization"), а после отключения поля остаётся термоостаточная намагниченность TRM (от англ. "Thermo Remanent Magnetization).

Во время палеомагнитных исследований было обнаружено, что примерно половина всех горных пород намагничена антипараллельно направлению напряжённости современного ГМП. Существование в природе обратной намагниченности позволило предположить, что в прошлые геологические эпохи

1 Здесь и везде далее речь идёт только об изверженных горных породах.

происходили инверсии (переполюсовки) ГМП, которых за последние 600 млн. лет насчитывается более 1000. Таким образом, обнаруженная в природе обратная намагниченность горных пород трактуется, как образовавшаяся в древнем ГМП с полярностью, противоположной современной. Однако, существует альтернативный инверсиям ГМП механизм образования обратной намагниченности горных пород - самообращение намагниченности. Явление самообращения намагниченности никак не учитывается при палеомагнитных исследованиях, что может привести к существенной погрешности при интерпретации палеомагнитных данных и включению «ложных» инверсий в мировую магнитохронологическую шкалу инверсий.

Инверсии ГМП имеют огромное экологическое значение, так как во время инверсии напряжённость ГМП близка к нулю и быстрые частицы высоких энергий солнечного и космического излучений могут достигнуть поверхности Земли и оказать существенное влияние на её биосферу.

Изучать инверсии ГМП напрямую мы никогда не сможем, так как средняя продолжительность инверсии составляет 5000 лет. В связи с этим большую роль приобретают исследования явления самообращения намагниченности горных пород и исследования физического механизма самообращения намагниченности.

Самообращение NRM, ТМ, TRM многократно наблюдалось во многих лабораториях мира, в том числе самообращение ТМ и TRM наблюдалось в лаборатории Геомагнетизма кафедры физики Земли физического факультета МГУ на кимберлитах и траппах Якутии, на синтезированных гемоильменитах и на подводных базальтах Атлантического Океана, содержащих титаномагнетиты. Единого мнения о механизме самообращения намагниченности горных пород на сегодняшний день не существует.

В 1951 году, одновременно с открытием в лаборатории явления самообращения намагниченности японским учёным Т. Нагатой [1], французский физик-теоретик, впоследствии Нобелевский лауреат JI. Неель предложил четыре физических механизма самообращения намагниченности [2]. Первые два механизма являются однофазными и связаны со сменой знака спонтанной намагниченности Is ферримагнетика при изменении температуры Т (кривые Д(7)

типа N по Неелю). Смена знака на кривой Д(7) обусловлена либо выбором констант молекулярного поля а, ¡5 из диапазона N типа [3], либо диффузией магнитных ионов между ферримагнитными подрешётками. Однофазный механизм самообращения намагниченности, связанный с зависимостями /5(7) типа N будет далее именоваться механизмом N типа Нееля. Последние два физических механизма самообращения намагниченности горных пород являются двухфазными и связаны с магнитостатическим или обменным взаимодействием фаз.

В лаборатории Геомагнетизма физического факультета МГУ были проведены детальные экспериментальные исследования процессов самообращения намагниченности горных пород на образцах кимберлитов Якутии, содержащих пикроильмениты, которые с магнито-минералогической точки зрения являются природными аналогами гемоильменитов [4]. Эти исследования позволили выдвинуть предположение о том, что наиболее вероятный физический механизм, ответственный за наблюдаемое самообращение намагниченности - это механизм N типа Нееля. Для проверки выдвинутой гипотезы были специально синтезированы строго однофазные гемоильмениты аналогичного состава и снова получено самообращение намагниченности [5], что подтверждает выдвинутую гипотезу.

Следующим шагом на пути к пониманию физики явления самообращения намагниченности горных пород является создание компьтеризированной модели явления самообращения намагниченности, основанной на ясно понимаемом физическом механизме самообращения, и исследование процессов самообращения намагниченности методом математического моделирования.

Цель работы.

На основании теоретических работ Нееля [2-3] и экспериментальных исследований процессов самообращения [4-6] построить модель явления самообращения намагниченности горных пород по механизму N типа Нееля, выполнить её компьютерную реализацию и, с помощью построенной модели, детально исследовать процессы самообращение намагниченности и физический механизм самообращения N типа в широком диапазоне магнитных параметров.

Провести сопоставление результатов численного моделирования с данными физического эксперимента.

Метод исследования: численное моделирование.

Научная новизна работы.

Впервые построена модель явления самообращения намагниченности по механизму N типа Нееля, в рамках построенной модели проведено детальное исследование процессов самообращения намагниченности горных пород и физического механизма самообращения N типа в широком диапазоне внутренних магнитных параметров (таких как константы молекулярного поля а, Р и др.), характеризующих ансамбль ферримагнитных зёрен, который выступает в качестве модельного образца горной породы, и внешних параметров (таких как величины напряжённостей постоянных магнитных полей, температура), действующих на модельный образец. Проведено сопоставление результатов численного моделирования с экспериментальными данными и интерпретация ряда экспериментальных данных в рамках построенной модели.

Научная и практическая ценность работы.

Представленная в диссертации модель явления самообращения намагниченности горных пород расширяет возможности физического эксперимента и позволяет детально исследовать самообращение намагниченности N типа и однофазный физический механизм N типа во всём диапазоне магнитных параметров (а, Д Н), где а, р - константы молекулярного поля, а Я - напряжённость намагничивающего поля, без необходимости синтезировать или искать в природе соответствующие образцы горных пород. Построенная модель также позволяет проводить анализ любых уже полученных экспериментальных зависимостей температурной зависимости термонамагниченности /т(7) и термоостаточной намагниченности /гТ(Т) с самообращением с точки зрения физического механизма, ответственного за наблюдаемое явление. Если в рамках модели интерпретация полученных в физическом эксперименте кривых /т(7) возможна, то можно обоснованно утверждать (если не доказано обратное), что наблюдаемое самообращение обусловлено действием физического механизма N типа. Построенная модель

может быть использована при дальнейших теоретических и экспериментальных исследованиях процессов самообращения намагниченности горных пород.

Апробация работы.

Материалы диссертации докладывались на научной конференции «Ломоносовские чтения. Секция физика» (апрель 2005) и на международной научной конференции по магнетизму Moscow International Symposium on Magnetism (июнь 2005).

Публикации.

Основные результаты диссертации изложены в 6 опубликованных работах, список которых приводится в конце настоящего автореферата.

Структура и объём диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка цитируемой литературы, включающего 76 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ:

Во введении рассмотрено явление самообращения намагниченности горных пород и связь этого явления с глобальными геофизическими и экологическими проблемами. Приведена историческая справка по проблеме самообращения намагниченности. Показана актуальность диссертационной темы и введены все основные определения, широко используемые в геофизике и в настоящей диссертационной работе.

В первой главе представлен обзор научной литературы по проблеме самообращения намагниченности горных пород и физических механизмов самообращения. В §1.1. изложены основы магнитной минералогии горных пород. В §1.2. представлен обзор работ о самообращении намагниченности природных ферримагнетиков горных пород и его особенностях. Показано, что класс минералов, на которых наблюдается явление самообращения намагниченности, очень узок: это в основном титаномагнетиты и гемоильмениты. В §1.3. рассмотрены возможные физические механизмы экспериментально установленных случаев самообращения ферримагнетиков

горных пород и синтезированных ферримагнетиков. В §1.4. подробно рассмотрен однофазный физический механизм самообращения намагниченности горных пород N типа Нееля. Представлены детальные экспериментальные исследования процессов самообращения намагниченности на образцах кимберлитов Якутии и на образцах синтезированных гемоильменитов и экспериментальные исследования физического механизма самообращения намагниченности N типа, проведённые в лаборатории Геомагнетизма кафедры физики Земли физического факультета МГУ под руководством профессора В.И. Трухина [4-6]. Рассмотрена также предложенная в работе [6] физика явления самообращения намагниченности горных пород по механизму N типа Нееля. В §1.5. приведены краткие итоги первой главы.

Во второй главе представлена модель явления самообращения намагниченности горных пород. В §2.1. изложены основные принципы моделирования. Горная порода представляет собой конгломерат неоднородных по составу диа- и парамагнитных минералов, образующих матрицу, с ферримагнитными вкраплениями в виде мелких (микроны) вытянутых зёрен, занимающих проценты или даже доли процентов от общего объёма горной породы. Именно ферримашитные зёрна являются основными носителями магнетизма горных пород. Поэтому в качестве модели горной породы рассмотрен ансамбль одинаковых однодоменных невзаимодействующих ферримагнитных зёрен с одноосной анизотропией и температурной зависимостью спонтанной намагниченности N типа Нееля (см. (2)-(3) и рис.1).

В §2.2-2.4. представлены основные уравнения, использованные при моделировании процессов самообращения намагниченности горных пород. В §2.2 кратко рассмотрена модель двухподрешёточного ферримагнетика и теория коллинеарного ферримагнетизма Нееля. Следует отметить, что именно двухподрешёточные ферримагнетики встречаются в реальных горных породах. В §2.3 рассмотрены процессы намагничивания одноосного однодоменного ферримагнитного зерна в постоянном магнитном поле, а в §2.4 рассмотрены процессы намагничивания ансамбля таких зёрен. Зёрна положены

невзаимодействующими ввиду их низкой объёмной концентрации в горных породах.

Рнс.|. Температурные зависимости спонтанных намагниченностей ферримагнитных подрешёток А и В и суммарной спонтанной намагниченности ферримагнетика Л'типа в

классификации Нееля

Термонамагниченность ансамбля одинаковых одноосных однодоменных невзаимодействующих между собой ферримагнитных зёрен в температурной точке Т (где Т е[0,1] - приведённая температура, Т=Т/ТС, Тс - точка Кюри) определяется как векторная сумма соответствующих намагниченностей отдельных зёрен означает нормировку на п1$а, где п - число зёрен ансамбля, /50- спонтанная намагниченность ферримагнетика при температуре абсолютного нуля):

Тт(Г) = ^-= -, (1)

где 7s(f) - спонтанная намагниченность ферримагнетика в температурной точке

Г, которая определяется согласно следующим уравнениям, выражающим теорию коллинеарного ферримагнетизма Нееля (уравнения в безразмерном виде):

Isa (T) = BS

Isb(T) = Bs

T S ôn

(2)

15(Г) = Я15А(Г) + А15В(Г),

(3)

i + 1

где Ija =-> Isb = "T—, S =-; /SA, /sb - спонтанные намагниченности

Aao ^SBO 3S

ферримагнитных подрешёток A и В соответственно, /SA0 = A/so ; 7SB0 = -

спонтанные намагниченности ферримагнитных подрешёток А и В при

температуре абсолютного нуля; Я, /л - доли магнитных ионов в ферримагнитных

подрешётках А и В соответственно; cl, Р - константы молекулярного поля, s-

спин; ВДх) = ^+-■ cth(^ + ——cth(—) - функция Бриллюэна для случая 2J 2У 2J 2ъ/

спин-спинового взаимодействия, когда орбитальное квантовое число L=0 .

В (1) угол в,{Т ) - это угол между вектором спонтанной намагниченности ïs и вектором напряжённости намагничивающего поля H (см. рис.2), который определяется при совместном решении следующих уравнений: к-L,

E(f) = - ^ ■ (ls (f)f ■ cas2 (<р - в(Г)) -

H,

I K„

•^so ' H о

'Йа(Г)У| + |(/SB(nÎ|) • cos\<p - в(Т)) - )| • |h| ■ cos(6(f))

,(4)

ÔE(T) дв д1Ё(Т) дв2

-0,

>0,

где Е = —, £0=^оЯ0, Я„=1Э, Н

'О

Н

—, Н - напряжённость намагничивающего

•"о

поля, первый член уравнения (4) - плотность энергии анизотропии формы, второй член (4) - плотность магнитной кристаллографической анизотропии, третий член (4) - плотность энергии магнитного момента в магнитном поле напряжённостью Н\ К\о- первая константа кристаллографической анизотропии при температуре абсолютного нуля, <р - угол между осью лёгкого намагничивания одноосного ферримагнитного зерна и вектором Н.

Рнс.2. Одноосное однодоменное ферримагнитное зерно в магнитном поле напряжённостью Н.

ОЛН - ось лёгкого намагничивания, в- угол, соответствующий минимуму полной энергии

системы (см. (4)-(5))

В §2.5. представлены принципы расчёта в рамках построенной модели температурно-полевых зависимостей намагниченности. В §2.6. приведены краткие итоги второй главы.

В третьей главе представлены результаты численного моделирования, полученные в рамках построенной модели явления самообращения намагниченности горных пород. В §3.1. приведены расчетные температурные зависимости термонамагниченности /Т(Г) при разных значениях

напряжённости постоянного магнитного поля Н. Рассмотрены случаи ансамблей одинаковых ферримагнитных зёрен и ансамблей ферримагнитных

ОЛН

Н

/

зёрен с разными значениями констант молекулярного поля а, Д При классификации расчётных кривых /т(Т) в зависимости от значений Н выделено три типа. Первый тип кривых 1т(Т) получен для "слабых" магнитных полей, величина напряжённости которых меньше коэрцитивной силы ансамбля ферримагнитных зёрен Нс во всем рассматриваемом температурном диапазоне, он характеризуется единственной точкой (температурой) компенсации Тк и наличием эффекта самообращения намагниченности (см. рис.3, кривая 1).

Второй тип кривых /Т(Г) получен в «сильных» магнитных полях, величина напряжённости которых больше Не также для всех значений температур, для него характерно подавление эффекта самообращения и, в случае ансамбля одинаковых зёрен, наличие единственной Тк (рис.3, кривая 2), а в случае ансамбля зёрен разного химического состава (с разными (а, Д)) -

РисКривые температурной зависимости термонамагниченности ансамбля одинаковых невзаимодействующих ферримагнитных зерен в "слабом" Ну/ (кривая 1) и "сильном" Я5Т (кривая 2) магнитных полях.

Третий промежуточный тип кривых /т (Т) получен в "средних"

магнитных полях при значениях Я, сравнимых с Не, его отличительными особенностями является эффект самообращения и, в случае ансамбля одинаковых зёрен, наличие двух Тк (см. рис.4-5), а в случае ансамбля разных зёрен - наличие одной или двух Тк. Конкретный вид кривой 1т(Т) в "средних" магнитных полях (как на рис. 4 или как на рис.5) зависит от соотношения в (4) между плотностью энергии анизотропии формы £ф и плотностью энергии магнитной кристаллографической анизотропии Ек.

Рис.4. Кривые температурной зависимости термонамагниченности ансамбля одинаковых невзаимодействующих ферримагнитных зёрен, полученные при разных значениях напряжённости намагничивающего поля (Я\<Н2< Я3< Явт. где Я« и Я5Т-напряжённости "слабого" и "сильного" магнитных полей соответственно) Случай ЕФ»ЕК (см уравнение (4)).

В § 3.2. приведены зависимости термонамагниченности от постоянных магнитных полей. Показано, что самообращение намагниченности - это эффект слабых магнитных полей. В "сильных" магнитных полях самообращение подавляется.

i—'

Рис.5. Кривая температурной зависимости термонамагниченности ансамбля одинаковых одноосных, однодоменных, ферримагнитных зерен в намагничивающем поле Нч/<Н<Н$т, где Н ч/ и Н зт - напряжённости "слабого" и "сильного" магнитных полей соответственно.

Случай Еф «Ек (см уравнение (4)).

В четвёртой главе представлено сопоставление результатов численного моделирования с экспериментальными данными по самообращению намагниченности природных пикроильменитов, синтезированных гемоильменитов, базальтов Атлантического Океана и др. Проведена интерпретация ряда экспериментальных данных по самообращению намагниченности горных пород в рамках представленной однофазной модели явления самообращения намагниченности N типа Нееля. На примере одной серии экспериментальных данных по самообращению намагниченности природных титаномагнетитов поставлена и решена обратная задача. По экспериментальной кривой температурной зависимости термонамагниченности

/т(Г) образца горной породы, содержащего природные титаномагнетиты, полученной при охлаждении изучаемого образца во внешнем магнитном поле, определены константы молекулярного поля а, Д, характеризующие ферримагнитные вкрапления этой горной породы. Найдено такое множество приведённых констант молекулярного поля (а,р), каждая точка из которого соответствует теоретической зависимости 1г(а, Д 7), полностью лежащей внутри экспериментального диапазона /т(Г)±А/т(Г), где /т(Г)±А1т{Т) экспериментальная кривая 1т(Т) с соответствующим коридором ошибок, полученная при охлаждении образца горной породы во внешнем магнитном поле.

В заключении рассмотрены перспективы дальнейшего теоретического и экспериментального изучения процессов самообращения намагниченности горных пород и представлены выводы диссертации.

Приведённый после заключения список использованной литературы содержит 76 ссылок.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ДИССЕРТАЦИИ

На защиту выносятся следующие положения:

1. На основании теории коллинеарного ферримагнетизма Нееля и уравнения баланса энергий построена полуфеноменологическая модель явления самообращения намагниченности горных пород, базовым физическим механизмом которой является однофазный механизм самообращения намагниченности N типа Нееля. В качестве модели горной породы рассмотрен ансамбль одноосных однодоменных невзаимодействующих ферримагнитных зёрен.

2. В рамках построенной модели рассчитаны теоретические зависимости термонамагниченности 1у(Т) ансамбля ферримагнитных зёрен в широком диапазоне магнитных параметров а, Д Н, /5о, Кщ, где а, Д - константы

молекулярного поля, Н- напряжённость внешнего магнитного поля, /$о, Км - спонтанная намагниченность ферримагнетика и первая константа кристаллографической анизотропии при температуре абсолютного нуля. При классификации расчетных кривых /т(7) в зависимости от значения Н выделено три типа зависимостей /т(7), два из которых характеризуют разный ход процессов самообращения намагниченности.

3. Проведенное сопоставление расчетных кривых температурной зависимости термонамагниченности /т(Г) с кривыми /т(7), полученными в экспериментах по самообращению намагниченности на образцах природных пикроильменитов, синтезированных гемоильменитов и природных титаномагнетитов демонстрирует качественное соответствие результатов моделирования экспериментальным данным.

4. В рамках построенной модели явления самообращения намагниченности N типа смоделировано и изучено самообращение намагниченности горных пород, связанное как с выбором констант молекулярного поля а, Д из диапазона N типа, так и с диффузией магнитных ионов между ферримагнитными подрешётками.

5. Построенная модель явления самообращения намагниченности горных пород существенно расширяет возможности физического эксперимента и позволяет детально исследовать процессы самообращения намагниченности по механизму N типа во всём диапазоне магнитных параметров, таких как константы молекулярного поля а, Д напряжённость намагничивающего поля Н и др., без необходимости проведения соответствующих лабораторных экспериментов.

СПИСОК РАБОТ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

Основное содержание диссертации и результаты выполненных исследований

опубликованы в следующих работах:

1. В.И. Трухин, Н.С. Безаева. Самообращение намагниченности природных и синтезированных ферримагнетиков // Успехи Физических Наук. - 2006. -Том 176. - №5. - С. 507-535.

2. В.И. Трухин, Н.С. Безаева, Т.В. Матвеева, П. Рошетт. Физическая и компьютерная модели явления самообращения намагниченности горных пород// Физика Земли. - 2006. - №2. - С. 50-63.

3. Н.С. Безаева, Т.В. Матвеева, В.И. Трухин. Модель явления самообращения намагниченности горных пород // Вестник Московского Университета. Серия 3. Физика. Астрономия. - 2005. - № 2. - С. 59-61.

4. В.И. Трухин, Т.В. Матвеева, Н.С. Безаева. Моделирование самообращения намагниченности горных пород// Сборник тезисов докладов научной конференции Ломоносовские чтения. Секция физики. - Апрель 2005. - С. 140-142.

5. V.I. Trukhin, N. Bezaeva, Е. Kurochkina. The paleomagnetic field and possible mechanisms for the formation of reverse rock magnetization// International Conference "Moscow International Symposium on Magnetism", Russia, Moscow, June 25-30, 2005, Books of abstracts of MISM - P. 698.

6. В.И. Трухин, Н.С. Безаева. Геомагнитное поле и эволюция Земли // Экология и жизнь. - 2007. - №1. - С. 38-43.

ЛИТЕРАТУРА

[1] Nagata T., Uyeda S., Akimoto S., Self-reversal of thermoremanent magnetization of igneous rocks, J. Geomag. Geoelect., vol.4, p.22-38, 1951.

[2] Néel, L., L'inversion de l'aimantation permanente des roches, Annales de Géophysique, vol. 7, №2, p.90-I02, 1951.

[3] Néel L., Propriétés magnétiques des ferrites• ferrimagnétisme et antiferromagnétisme, Annales de Physique (Paris), vol.3, p.137-198, 1948 (Имеется перевод: сборник «Антиферромагнетизм», Москва: ИЛ, 1956).

[4] Трухин В.И., Караевский С.Х., Самообращение намагниченности природных пикроильменитов, Москва: МГУ, 1996.

[5] Трухин В.И., Жиляева В.А., Томилин Е.Ф., Конилов А.Н., Особенности и возможный механизм самообращения TRM синтезированных гемоильменитов, Физика Земли, №2, стр. 52-59, 1997.

[6] Трухин В. И., Жиляева В. А., Курочкина Е. С., Самообращение намагниченности природных титаномагнетитов, Физика Земли, том 40, №6, стр. 42-53,2004.

Подписано к печати 27.12.2006 Тираж 100 экз. Заказ № 19Ъ

Отпечатано в отделе оперативной печати Физического факультета МГУ

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Безаева, Наталья Сергеевна

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1: ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ПО ПРОБЛЕМЕ САМООБРАЩЕНИЯ НАМАГНИЧЕННОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД И ФИЗИЧЕСКИХ МЕХАНИЗМОВ САМООБРАЩЕНИЯ НАМАГНИЧЕННОСТИ

§ 1 1 основы мaiнитной минералогии iорных пород

§ 1 2 Самообращение намагниченности природных ферримагнетиков горных пород и fto ocobfhhocth

§ 1 3 Возможные физические механизмы эксиьримрнтально установленных случаев самообращения намагниченности ферримагнетиков горных пород и синтезированных ферримагнетиков

131 Физические механизмы самообращения намагниченности гемошьменитов

132 Физические механизмы самообращения намагниченности титаномагнетитов

§ 14 Физическим механизм самообращения намагниченности горных пород N типа Нееля и его экспериментальное исследование

141 Физика явления самообращения намагниченности горных пород по механизму N типа

142 Экспериментальное исследование механизма самообращения намагниченности N типа

§ 1 5 Краткие итоги главы

ГЛАВА 2: МОДЕЛЬ ЯВЛЕНИЯ САМООБРАЩЕНИЯ НАМАГНИЧЕННОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД N ТИПА НЕЕЛЯ.

§21 Основные принципы моделирования

§22 Модель двухподрешёточного ферримагнетика Л Ньеля и теория молекулярного поля

§23 Намагничивание одноосного однодоменного ферримагнитного зерна N тина в постоянном внешнем магнитном поле

§ 2 4 Намагничивание ансамбля одноосных однодомрнных невзаимодействующих ферримагнитных 3ppfh //типа в постоянном магнитном поле

2 4 1 Ансамбль одинаковых ферримагнитных зерен

2 4 2 Ансамбль ферримагнитных зерен с разными значениями констант молекулярного поля ар

2 4 3 Математические аспекты изучаемой теории

§ 2 5 Принципы расчёта в рамках построенной модели температурно-полевых зависимости

1epmoh а м агниче] 1ности

2 51 Расчет температурной зависимости термонамагниченности IrfT, Н=const)

2 5 2 Расчет температурной зависимости термоостаточной намагниченности Irj(T)

2 5 3 Расчет полевой зависимости термонамагниченности 1]{Н, T=const)

§2 6 Краткие итоги главы

ГЛАВА 3: РЕЗУЛЬТАТЫ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ, ПОЛУЧЕННЫЕ В РАМКАХ ПОСТРОЕННОЙ МОДЕЛИ ЯВЛЕНИЯ САМООБРАЩЕНИЯ НАМАГНИЧЕННОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД А'ТИПА НЕЕЛЯ.

§ 3 1 Расчётные температурные зависимости термонамагничьнности в постоянном mai нитном поли

3 11 Ансамбль одинаковых ферримагнитных зерен 58 3 12 Ансамбль ферримагнитных зерен с разными значениями констант молекулярного поля a f)

§ 3 2 Кривые полевой зависимости намагниченности при постоянной температуре

3 21 Ансамбль одинаковых ферримагнитных зерен

§3 3 моделированиьпроцессов самообращения термонамагничьнности ансамбля ферримагнитных зёрен, протекающих coiласно диффузионному механизму iv типа нееля

§ 3 4 Краткие ито! и главы

ГЛАВА 4: ИНТЕРПРЕТАЦИЯ РЯДА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ ПО САМООБРАЩЕНИЮ НАМАГНИЧЕННОСТИ В РАМКАХ ПРЕДСТАВЛЕННОЙ МОДЕЛИ ЯВЛЕНИЯ САМООБРАЩЕНИЯ НАМАГНИЧЕННОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД N ТИПА НЕЕЛЯ.

§ 4 1 Самообращьнир намагниченности образцов кимберлитов Якутии, содержащих природные пикроильмениты и образцов синтезированных гемоильменитов

§ 4 2 Самообращение намагниченности природных totahomai нетитов

§43 Другие экспериментально установленные случаи самообращения намагниченности

§46 Краткие итоги главы

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Моделирование процессов самообращения намагниченности горных пород"

Как известно [1], вокруг Земного шара существует магнитное поле, напряженность которого на поверхности Земли изменяется от 0.3 Э на магнитном экваторе до 0.6 Э на магнитных полюсах, которые не совпадают с соответствующими географическими полюсами. Отклонение геомагнитных полюсов от географических достигает 2000-3000 км.

Геомагнитное поле (ГМП) имеет в своём составе три компоненты: (1) главное геомагнитное поле, (2) аномальное, создаваемое намагниченными горными породами, геомагнитное поле и (3) внешнее, связанное с солнечно-земными взаимодействиями, поле Вклад главного поля в ГМП составляет более 95%. В соответствии с общей теорией геомагнетизма Гаусса [2] главное геомагнитное поле состоит из дипольной части и небольшой недипольной добавки. Поэтому в первом приближении магнитное поле Земли рассматривается как поле диполя, наклоненного к оси вращения Земли на угол 10-12°. Аномальное поле составляет около 3% ГМП, а внешнее поле - много менее 1% от ГМП

Земля состоит из земной коры, мантии, внешнего жидкого электропроводящего металлического ядра и внутреннего твёрдого ядра. Согласно современным представлениям [3], источники главного ГМП находятся во внешнем жидком ядре Земли.

Геомагнитное поле образует магнитосферу Земли, которая отклоняет быстрые частицы высоких энергий солнечного и космического излучений, не позволяя им достигать земной поверхности. Магнитосфера является также природной магнитной ловушкой, захватывающей и удерживающей (неотклоненные) быстрые частицы высоких энергий солнечного и космического излучений за пределами атмосферы Земли. Магнитосфера простирается на расстояние порядка десяти земных радиусов1 в направлении Солнца и на расстояние более тысячи Земных радиусов в противоположном направлении, и является прямой защитой Земли от воздействия солнечного ветра, космических лучей и протуберанцев, которые регулярно отрываются от солнца и масса которых в несколько раз превышает массу Земли. Солнечный ветер представляет собой [4] постоянный поток плазмы, состоящей из высокоэнергетических протонов, электронов, и небольшого количества ядер гелия, ионов кислорода, кремния, серы, железа и др., которые ежеминутно с огромной скоростью приближаются к нашей планете. Удерживаемые магнитосферой частицы высоких энергий образуют на высотах от двух до шести земных

1 Средний радиус Земли составляет 6371 км радиусов радиационные пояса Земли. В отсутствие геомагнитного поля и магнитосферы часть этих опасных частиц высоких энергий смогла бы достигнуть поверхности Земли и нанести большой ущерб Земной биосфере или даже уничтожить все живое Поэтому геомагнитное поле имеет глобальное экологическое значение.

Прямые измерения элементов ГМП в геомагнитных обсерваториях проводятся только на протяжении последних 400 лет. Полученных данных явно недостаточно для изучения вековых вариаций ГМП с периодами 600, 900, 1800 и более лет, а тем более для познания эволюции геомагнитного поля, которое существует не менее четырех миллиардов лет. В связи с этим в середине 50-ых годов XX века был разработан так называемый паяеомагнитный (ПМ) метод исследования древнего ГМП, основанный на «магнитной памяти» древних горных пород, то есть способности «запоминать» величину и направление ГМП геологической эпохи образования горной породы

Как известно [5], геомагнитное поле намагничивает все минералы и горные породы2 особенно эффективно во время их образования, после извержения расплавленной магмы на поверхность Земли и её остывания в ГМП до температуры Земной поверхности. Основным источником ПМ информации о направлении и напряженности древнего ГМП является естественная остаточная намагниченность (NRM, от англ. "Natural Remanent Magnetization") горных пород, которая, в случае изверженных пород, образуется в результате процесса природного термонамагничивания, то есть при остывании в ГМП кристаллизовавшихся из магмы минералов горных пород до температуры поверхности Земли.

Следует отметить, что в основе ПМ метода лежат два очень существенных предположения. Во-первых, полагают, что горная порода намагничивается в направлении намагничивающего поля, что не всегда верно (см. ниже). Согласно второму предположению ПМ метода горная порода намагничивается в ГМП один раз во время своего образования, и эта намагниченность остается неизменной тысячи и миллионы лет, прежде чем образцы горных пород попадают в научные лаборатории и подвергаются магнитным анализам.

Итак, вся история древнего ГМП (начиная с Кембрия) восстановлена по ПМ данным, а носителями ПМ информации являются горные породы разных геологических эпох, возраст которых датируется радиоактивными методами. Поэтому важно обратить

2 Здесь речь идет об изверженных горных породах внимание на состав горных пород. Горная порода представляет собой конгломерат неоднородных по составу диа- и парамагнитных минералов, образующих матрицу, с ферримагнитными вкраплениями в виде мелких (микроны) вытянутых зерен, занимающих проценты или даже доли процентов от общего объема горной породы Именно ферримагнитные зерна являются основными носителями магнетизма горных пород.

Намагниченность / горных пород состоит из двух компонент [6]:

1=аг0 Нгм+1п, (1) где #гм - напряженность геомагнитного поля; азо - начальная магнитная восприимчивость ферримагнитной фракции горной породы; 1п (или NRM) - измеряемая при Ягм—О естественная остаточная намагниченность, Хо-Нгм - обратимая, индуцированная ГМП намагниченность, которая равна нулю при Ягм=0.

Процесс намагничивания ферримагнетика при его охлаждении в магнитном поле напряженностью Я от температуры 7>7с (Тс - точка Кюри) до комнатной температуры То называется термонамагничиванием, а намагниченность, полученная в результате этого процесса, называется термонамагпичепностью /у (или ТМ, от англ. "Thermo Magnetization"), при отключении магнитного поля (#=0) остаётся термоостаточная намагниченность /гт (или TRM, от англ. "Thermo Remanent Magnetization"). При термонамагничивании в поле Я возникает /т, величина которой на порядок и более превышает изотермическую остаточную намагниченность (IRM от англ. "Isothermal Remanent Magnetization"), которая образуется при намагничивании в магнитном поле Я при комнатной температуре

NRM может возникнуть и в результате химических превращений (это будет химическая остаточная намагниченность CRM, от англ. "Chemical Remanent Magnetization") и других процессов, однако наиболее распространённой NRM изверженных горных пород является TRM [6]. С течением времени изверженные горные породы разрушаются, измельчаются (вплоть до наночастиц). Эти частицы водными потоками могут быть перенесены к различным водоёмам (озёра, моря). Попадая в водоём, мелкие намагниченные ферримагнитные частицы при осаждении на дно ориентируются по направлению ГМП. Смешиваясь с частицами другого состава, они образуют осадки, а затем осадочные горные породы. Таким образом, возникает так называемая ориентационная намагниченность осадочных горных пород, которая также как и TRM изверженных горных пород содержит палеомагнитную информацию. Везде далее в настоящей работе речь пойдет только об изверженных горных породах.

Естественная остаточная намагниченность, направление которой приблизительно антипараллельно направлению современного ГМП (именуемая далее «обратная NRM»), была впервые обнаружена в изверженных горных породах в начале XX века [7]. Позже обратная NRM многократно наблюдалась на разных изверженных и осадочных горных породах, были также обнаружены отрицательные магнитные аномалии. Существование в природе обратной NRM позволило предположить, что в прошлые геологические эпохи ГМП многократно меняло полярность - происходили инверсии (переполюсовки) ГМП, которых за последние 600 миллионов лет геологической истории насчитывается более тысячи. Таким образом, обнаруженная обратная NRM трактуется как образовавшаяся в древнем ГМП с полярностью, противоположной современной.

При обобщении ПМ данных с разных континентов была построена мировая магнитохронологическая шкала смен знака намагниченности горных пород, которая интерпретируется, как шкала смен знака ГМП или мировая магнитохронологическая шкала инверсий ГМП. Согласно современным представлениям, эта шкала несет информацию о том, в какие геологические эпохи ГМП имело прямую (совпадающую с современной) полярность, а в какие - обратную полярность. На основании ПМ данных были также получены кривые миграции палеомагнитных полюсов Более того, многие важные геофизические концепции (например, концепция тектоники литосферных плит, инверсии ГМП) косвенно связаны или даже прямо основаны на ПМ исследованиях. Поэтому правильная интерпретация ПМ данных приобретает ключевое значение для всей современной геофизики.

Инверсии геомагнитного поля не являются единственным механизмом образования в природе обратной NRM. Обратная NRM может также образоваться в прямом намагничивающем поле в результате внутренних физико-химических процессов, происходящих в ферримагнитных минералах горной породы. Намагничивание ферримагнитных минералов горной породы антипараллельно намагничивающему полю называется самообращением намагниченности. Согласно результатам экспериментальных исследований [8-9], самообращение намагниченности может

3 Обратной называется NRM, вектор которой направлен вверх в Северном полушарии Земли и, соответственно, вниз - в Южном полушарии наблюдаться при термонамагничивании (или терморазмагничивании) горных пород только в относительно слабых магнитных полях. Как следует из названия диссертации, процессы самообращения намагниченности горных пород составляют предмет исследования настоящей диссертационной работы. А используемый метод исследования - это численное моделирование.

Следует обратить внимание на то, что за все время прямых измерений ГМП ни одной инверсии мы пока не наблюдали и никогда наблюдать не сможем, так как средняя продолжительность инверсии составляет 5000 лет. Поэтому особую роль приобретает изучение самообращения намагниченности горных пород, как единственного известного на сегодняшний день альтернативного инверсиям ГМП механизма образования в природе обратной намагниченности.

Разработка методов лабораторной диагностики определения природы обратной намагниченности (инверсии ГМП или самообращение намагниченности) в каждом конкретном случае обнаружения обратной намагниченности в природе поможет уточнить общепринятую мировую магнитохронологическую шкалу инверсий. Для этого следует уделить особое внимание механизмам самообращения намагниченности горных пород, ведь в случае полной ясности в этом вопросе, можно будет точно определять в каких случаях наблюдаемая обратная намагниченность горных пород стала следствием самообращения намагниченности и, методом исключения, можно будет точно определить в каких случаях обратная намагниченность образовалась в результате инверсии ГМП. Обратимся теперь к краткой исторической справке по проблеме самообращения намагниченности горных пород.

Историческая справка

В 1949 году, когда интерпретация обратной NRM горных пород как свидетельства инверсий древнего ГМП ещё не была общепринятой, Ж.В. Грэхэм [7, 10] впервые поставил вопрос о возможном существовании в природе альтернативных инверсиям ГМП физических или химических механизмов приобретения горными породами обратной NRM. Он изучил слой осадочных горных пород одного возраста и нашел в нём как участки с прямой NRM, так и участки с обратной NRM Одинаковый возраст всех изученных им осадков позволил выдвинуть предположение о том, что обратная NRM не могла образоваться в обратном ГМП, то есть, в результате инверсии ГМП Иначе, весь слой должен был быть намагничен антипараллельно направлению современного ГМП.

Ж В. Грэхэм обратился к известному физику-теоретику, впоследствии Нобелевскому лауреату, профессору J1 Неелю в Гренобль с вопросом о теоретической возможности существования процессов, приводящих к намагничиванию горной породы антипараллельно намагничивающему полю.

В 1951 году JI. Неель опубликовал свою знаменитую работу [11], в которой впервые предложил четыре физических механизма самообращения намагниченности горных пород Первые два механизма связаны с взаимодействием фаз двухфазной минералогической системы. Это взаимодействие может быть магнитостатическим или обменным. Третий и четвёртый физические механизмы самообращения намагниченности горных пород являются однофазными, и связаны с изменением знака спонтанной намагниченности Is ферримагнетика при изменении температуры Т (кривые 7s(7) типа N по Неелю [12]). Однофазный физический механизм самообращения намагниченности будет далее называться механизмом N типа Нееля В случае, когда смена знака Is на кривой4 h{T,a,P) обусловлена выбором констант молекулярного поля а, Д характеризующих обменные взаимодействия внутри и между ферримагнитными подрешетками, из диапазона N типа, соответствующий физический механизм самообращения намагниченности будет именоваться обменным механизмом N типа Нееля А в случае, когда смена знака Is на кривой 4(7) обусловлена диффузией магнитных ионов между ферримагнитными подрешетками, соответствующий механизм самообращения намагниченности будет называться диффузионным механизмом N типа Нееля

Позже работа была [11] была дополнена работой [12'].

В том же 1951 году, после выхода в свет работы JI. Нееля [11], японский ученый Т.Нагата [13-14] обнаружил в лаборатории самообращение термоостаточной намагниченности на изверженных горных породах (дацитах) горы Харуна, содержащих гемоильмениты. Традиционно полагают, что это было первое документальное свидетельство самообращения намагниченности. Более поздние авторы даже ввели специальный термин: самообращение намагниченности «Харуна-типа». Однако, ЕКнеллер своей книге "Ферромагнетизм" [15] сообщает, что самообращение остаточной 4

Под 1$(Т,а,Р) подразумевается температурная зависимость спонтанной намагниченности Константы молекулярного поля а, р выступают в качестве параметров (см ниже) намагниченности образца карбонильного железа наблюдалось уже в 1922 году. Как будет показано ниже, в последующие годы самообращение намагниченности образцов горы Харуна было многократно воспроизведено разными авторами [16-18].

Впоследствии самообращение наблюдалось во многих лабораториях мира, в том числе в лаборатории Геомагнетизма кафедры физики Земли физического факультета МГУ [8-9,19] Единого мнения о механизме самообращения намагниченности горных пород не существует.

В настоящей работе ставились следующие цели:

1. Создание и компьютерная реализация модели явления самообращения намагниченности горных пород, базовым физическим механизмом которой является механизм Л^типа Нееля.

2. Расчет в рамках построенной модели теоретических кривых температурной зависимости термонамагниченности /т(7) и термоостаточной намагниченности I,i{T) во всём диапазоне напряженностей намагничивающих полей Н и магнитных параметров, характеризующих магнитные свойства горных пород (таких как константы молекулярного поля а,/? и др.).

3. Исследование (в рамках построенной модели) процессов самообращения намагниченности горных пород по обменному и диффузионному механизмам N типа и исследование физического механизма iV типа в широком диапазоне магнитных параметров Я, а, р и др

Практическая значимость работы

Модель расширяет возможности физического эксперимента и позволяет детально исследовать самообращение намагниченности N типа и физический механизм N типа во всем диапазоне магнитных параметров (а, Д Н), где a, ft- константы молекулярного поля, а Н- напряженность намагничивающего поля, без необходимости синтезировать или искать в природе соответствующие образцы горных пород. Построенная модель также позволяет проводить анализ любых уже полученных экспериментальных температурных зависимостей термонамагниченности /т(7) с самообращением с точки зрения физического механизма, ответственного за наблюдаемое явление. Если в рамках модели интерпретация полученных в физическом эксперименте кривых /j(7) возможна, то можно обоснованно утверждать (если не доказано обратное), что наблюдаемое самообращение обусловлено физическим механизмом N типа Нееля.

Апробация работы:

Материалы диссертационных исследований докладывались автором на научной конференции "Ломоносовские чтения (Секция физика)" (апрель 2005) и на международной научной конференции по магнетизму "Moscow International Symposium on Magnetism" (июнь 2005) Основные результаты работы опубликованы в сборниках тезисов докладов соотвествующих конференций и в следующих научных журналах: "Успехи Физических Наук", "Физика Земли", "Вестник Московского Университета. Серия 3 Физика Астрономия" (см. список публикаций автора в конце диссертации). По результатам настоящей диссертационной работы подготовлена задача компьютерного спецпрактикума «Самообращение намагниченности горных пород» для студентов кафедры физики Земли физического факультета МГУ им. М В. Ломоносова.

Содержание работы

Во введении представлена чисто физическая проблема самообращения намагниченности горных пород, рассмотрены смежные геофизические и экологические вопросы. Показано, что самообращение намагниченности горных пород является единственным известным сегодня альтернативным инверсиям геомагнитного поля механизмом образования в природе обратной намагниченности. Также приведена краткая историческая справка и цель настоящей работы, введены основные понятия и определения. Представлены цели диссертации и практическая значимость работы.

В первой главе изложены основы магнитной минералогии горных пород и представлен обзор основной научной литературы по вопросам самообращения намагниченности горных пород с точки зрения физических механизмов самообращения. Показано, что все предложенные на сегодняшний день модели явления самообращения намагниченности горных пород являются чисто эмпирическими и сводятся к одному из четырех физических механизмов самообращения, предложенных Л. Неелем еще в 1951 году. Представлено выполненное ранее сотрудниками лаборатории Геомагнетизма физического факультета МГУ под руководством проф. В.И. Трухина экспериментальное исследование процессов самообращения намагниченности и физического механизма самообращения N типа Нееля [8-9,19] и показано, что наиболее обоснованным является механизм самообращения намагниченности N типа. После обзора литературы представлена постановка задачи настоящей диссертационной работы. Приведены краткие итоги первой главы.

Во второй главе представлена построенная на основании теоретических работ Нееля [11-12] и экспериментальных исследований [8-9,19] модель явления самообращения намагниченности горных пород по механизму N типа (как диффузионному, так и обменному). Подробно рассмотрены процессы намагничивания ансамбля невзаимодействующих одноосных однодоменных ферримагнитных зёрен N типа Нееля в постоянном внешнем магнитном поле. Как известно, ферримагнитные зерна являются носителями основных магнитных свойств горной породы, поэтому горная порода заменена вышеописанным ансамблем ферримагнитных зерен. Приведены принципы расчета в рамках построенной модели температурно-полевых зависимостей намагниченности и краткие итоги второй главы.

В третьей главе представлены графические результаты моделирования самообращения намагниченности (ансамбля ферримагнитных зерен), обусловленого действием обменного механизма N типа Нееля. Приведены расчётные кривые температурной зависимости термонамагниченности /т(7) для разных значений напряженностей намагничивающего поля. Отдельно проведены расчеты для случая ансамбля ферримагнитных зерен разного химического состава (с разными значениями констант молекулярного поля а, Р). Представлены также кривые зависимости (термо)намагниченности от напряжённости намагничивающего поля для разных значений температур Также представлены результаты моделирования самообращения намагниченности (кривые IT(T, Н)), протекающего согласно диффузионному механизму N типа Нееля. Приведены краткие итоги третьей главы.

В четвёртой главе представлено сопоставление результатов численного моделирования (расчетные кривые h{T)) с экспериментальными данными (экспериментальные кривые /т(7)) по самообращению намагниченности природных пикроильменитов, синтезированных гемоильменитов, базальтов Атлантического Океана, содержащих титаномагнетиты и др, которое выявило качественное соответствие результатов моделирования данным экспериментов, указывающее на адекватность предложенной модели явления самообращения намагниченности. Проведена интерпретация ряда экспериментальных данных по самообращению намагниченности в рамках построенной модели явления самообращения намагниченности N типа Нееля. На примере одной серии экспериментальных данных по самообращению намагниченности природных титаномагнетитов (экспериментальная кривая /т(7)) поставлена и решена обратная задача. По экспериментальной кривой температурной зависимости термонамагниченности /т(7) образца горной породы, содержащего природные титаномагнетиты, определены константы молекулярного поля а, Д характеризующие ферримагнитные вкрапления этой горной породы.

В заключении приведены перспективы экспериментального и теоретического изучения явления самообращения намагниченности горных пород и выводы диссертации.

В конце приводятся благодарности автора, также представлен список публикаций автора и список использованной литературы.

Заключение Диссертация по теме "Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых", Безаева, Наталья Сергеевна

ВЫВОДЫ ДИССЕРТАЦИИ

Вывод №1: На основании теории коллинеарного ферримагнетизма Нееля и уравнения баланса энергий построена полуфеноменологическая модель явления самообращения намагниченности горных пород, базовым физическим механизмом которой является механизм самообращения намагниченности N типа Нееля, связанный со сменой знака спонтанной намагниченности 1$ при изменении температуры В качестве модели горной породы рассмотрен ансамбль одноосных однодоменных невзаимодействующих ферримагнитных зерен А^типа

Вывод № 2: В рамках построенной модели рассчитаны температурные зависимости термонамагниченности /т(7) ансамбля ферримагнитных зерен в широком диапазоне магнитных параметров а, /?, Я и др, где а, Д - константы молекулярного поля, Я - напряженность намагничивающего поля При классификации расчетных кривых /т(7) в зависимости от значений Я выделено три типа, два из которых характеризуют разный ход процессов самообращения намагниченности

Вывод № 3: Проведенное сопоставление расчетных кривых температурной зависимости термонамагниченности /т(7) с кривыми /т(7), полученными в экспериментах по самообращению намагниченности образцов природных пикроильменитов, синтезированных гемоильменитов и природных титаномагнетитов и др, демонстрирует качественное соответствие результатов моделирования экспериментальным данным, что указывает на адекватность и универсальность предложенной модели.

Вывод № 4: В рамках построенной модели явления самообращения намагниченности N типа смоделировано и изучено самообращение намагниченности, протекающее по обменному механизму N типа, связанному с выбором констант молекулярного поля a, ft из диапазона N типа, и самообращение намагниченности, протекающее согласно диффузионному механизму N типа, связанному с диффузией магнитных ионов между ферримагнитными подрешетками, которая происходит при изменении температуры

Вывод № 5: Построенная модель явления самообращения намагниченности горных пород существенно расширяет возможности физического эксперимента и позволяет детально исследовать процессы самообращения намагниченности по механизму N типа во всем диапазоне магнитных параметров, таких как напряженность намагничивающего поля Я и константы молекулярного поля а,р без необходимости проведения соответствующих лабораторных экспериментов

БЛАГОДАРНОСТИ

В заключение хочу поблагодарить моего научного руководителя, профессора Владимира Ильича Трухина, за постановку интересной задачи, за научное руководство в течение моего обучения в аспирантуре (и до этого), за плодотворные научные дискуссии и благожелательное ко мне отношение.

Большое спасибо коллективу лаборатории Геомагнетизма кафедры физики Земли физического факультета МГУ, на которой была выполнена настоящая работа, в частности, зав лабораторией профессору Валерию Ивановичу Максимочкину, старшему научному сотруднику лаборатории Валерии Александровне Жиляевой и аспирантке лаборатории Евгении Сергеевне Курочкиной. Спасибо за поддержку Сердюк Валентине Михайловне, Петрунину Геннадию Ивановичу, Ворониной Елене Викторовне, Люсиной Анне Владимировне, Версан Татьяне Александровне и всем сотрудникам кафедры физики Земли

Также хочу поблагодарить доцента кафедры Компьютерных Методов Физики физического факультета МГУ и соавтора по публикациям Татьяну Викторовну Матвееву, выражаю мою благодарность зав. кафедрой КМФ профессору Юрию Петровичу Пытьеву, младшему научному сотруднику кафедры КМФ Виталию Владимировичу Шишакову, а также всему коллективу кафедры КМФ, в сотрудничестве с которой и начиналась настоящая работа

Большое спасибо за постоянную поддержку Горбуновой Виолетте Дмитриевне и Казаковой Надежде Николаевне, а также всем сотрудникам физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, которые помогали мне советами и рекомендациями.

Хочу выразить особую благодарность моим оппонентам - профессору Ведяеву Анатолию Владимировичу и профессору Шрейдеру Анатолию Александровичу, а также оппонирующей организации - геологическому факультету МГУ им. М.В. Ломоносова.

Большое спасибо за понимание и поддержку моим родителям и друзьям.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ АВТОРА

1] В И. Трухин, Н.С. Безаева, Самообращение намагниченности природных и синтезированных ферримагнетиков, Успехи Физических Наук, Т. 176, №5, стр 507-535, 2006.

2] В.И Трухин, Н С. Безаева, Т.В. Матвеева, П. Рошетт, Физическая и компьютерная модели явления самообращения намагниченности горных пород, Физика Земли, №2, стр.50-63,2006.

3] Н.С. Безаева, Т.В. Матвеева, В.И. Трухин, Модель явления самообращения намагниченности горных пород, Вестник Московского Университета. Серия 3. Физика. Астрономия, № 2, стр 59-61,2005.

4] В И. Трухин, Т.В. Матвеева, Н С. Безаева, Моделирование самообращения намагниченности горных пород, Сборник тезисов докладов научной конференции Ломоносовские чтения (Секция физики), стр. 140-142, Апрель 2005.

5] V.I. Trukhin, N. Bezaeva, Е. Kurochkma, The paleomagnetic field and possible mechanisms for the formation of reverse rock magnetization, International Conference "Moscow International Symposium on Magnetism", Russia, Moscow, Books of abstracts of MISM - p.698, June 2005.

6] В.И. Трухин, Н.С. Безаева, Геомагнитное поле и эвочюция Земли, Экология и жизнь, №1, стр 40-45,2007.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проблема самообращения намагниченности горных пород имеет ключевое значение, так как самообращение намагниченности является единственным известным на сегодняшний день алтернативным инверсиям геомагнитного поля механизмом образования в природе обратной намагниченности. Поэтому следует обратить особое внимание на перспективы изучения явления самообращения и его физического механизма.

Несмотря на то, что настоящая диссертационная работа посвящена теоретическому изучению эффекта самообращения намагниченности горных пород, для целостности охвата проблемы рассмотрим перспективы экспериментального и теоретического изучения процессов самообращения намагниченности.

Перспективы дальнейшего экспериментального изучения процессов самообращения намагниченности горных пород

Очень мало работ (например, [22]) посвящено влиянию химических превращений на эффект самообращения. Эти исследования важны, так как самообращение намагниченности горной породы может произойти на каком-то этапе многомиллионной эволюции ферримагнитных минералов горной породы. В результате дальнейших химических превращений свойство самообращения может быть утрачено и, изучая через миллионы лет в лаборатории горные породы с такими минералами, мы можем не выявить эффекта самообращения. Из всех химических превращений, которые могут оказывать влияние на эффект самообращения, наиболее подробно изучено окисление.

Большой научный интерес представляет самообращение намагниченности внеземных горных пород, в частности, метеоритов, которое до сих пор ни разу не было обнаружено при лабораторных термомагнитных исследованиях.

Абсолютно неизученными остаются влияния статических и импульсных давлений на свойство самообращения намагниченности горных пород Это прямо относится к глубинным породам суши и океаническим породам, которые в течение миллионов лет находятся под воздействием статического давления, величина котогоро гораздо больше величины атмосферного давления. Определённое значение давления может быть обязательным элементом для выявления свойств самообращения глубинных горных пород

Интересны также работы по влиянию облучений на эффект самообращения. К сожалению, таких работ на сегодняшний день крайне мало. В работе [76'] рассмотрено фотоиндуцированное самообращение намагниченности модифицированной берлинской лазури (Nio22Mno6oFeoi8)i5[Cr(CN)6]x7.6H20, обладающей ферримагнитной структурой. Самообращение было получено после облучения образца видимым светом и эффект самообращения пропадал вновь при облучении инфракрасным светом. В работе предполагается, что под действием света происходит изменение параметров обменного взаимодействия (в частности, констант молекулярного поля а, /3).

Влияние других видов облучений (облучения протонами, нейтронами и т.п.) на эффект самообращения намагниченности пока не изучено. Совершенно ясно, что и другие виды облучений могут изменить микромагнитную структуру горных пород.

Перспективы дальнейшего теоретического изучения процессов самообращения намагниченности горных пород

Конечно, явление самообращения намагниченности горных пород требует дальнейшего теоретического изучения. Построение модели явления самообращения, базовым механизмом которой будет положен один из двух двухфазных физических механизмов Нееля, позволит сравнить результаты моделирования с результатами моделирования в рамках однофазной модели явления самообращения, представленной в настоящей диссертации Возможно, что кривые температурной зависимости термонамагниченности /т(7), рассчитанные на основании двух моделей будет иметь различную форму А это позволит точно определять физический механизм самообращения в каждом конкретном случае обнаружения этого эффекта в лаборатории просто по форме кривых /г(7).

Существенным дополнением может также служить усложнение однофазной модели явления самообращения намагниченности введением ансамблей псевдо-однодоменных и многодоменных ферримагнитных зерен и неких смешанных ансамблей. В этом случае следует переписать уравнение баланса энергий и в процессе намагничивания ферримагнитного зерна рассмотреть не только разворот вектора намагниченности от оси легкого намагничивания в направлении намагничивающего поля, но и движение доменных стенок при намагничивании

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата физико-математических наук, Безаева, Наталья Сергеевна, Москва

1. Merill R., McElhinny M.W., McFadden P.L., The Magnetic Field of the Earth Paleomagnetism, the Core, and the Deep Mantle, Academic Press, San Diego, 1998

2. Гаусс К.Ф., Избранные труды no земному магнетизму, Ленинград. Акад. Наук, 1952.

3. Джекобе Дж., Земное ядро, Москва, Мир, 1979 (перевод книги Jacobs J.A., The Earth's Core, London, New York, San Francisco, Academic Press, 1975).

4. Физический энциклопедический словарь под редакцией Прохорова А.М, Москва, научное издательство «Большая Российская Энциклопедия», 1995.

5. Трухин В.И., Введение в магнетизм горных пород, Москва. МГУ, 1973.

6. Dunlop D.J., Ozdemir О., Rock magnetism ■ fundamentals and frontiers, Cambridge: Cambridge University Press, 1997.

7. Jacobs J.A., Reversals of the Earth's Magnetic field, Cambridge: Cambridge University Press, 1994 (второе издание, первое издание: Adam Hilder Ltd, 1984)

8. Трухин В.И, Жиляева В.А., Томилин Е.Ф., Конилов А.Н., Особенности и возможный механизм самообращения TRM синтезированных гемоильменитов, Физика Земли, №2, стр. 52-59,1997.

9. Трухин В. И, Жиляева В. А., Курочкина Е. С., Самообращение намагниченности природных титаномагпетитов, Физика Земли, том 40, №6, стр. 42-53,2004.

10. Graham J.W, The stability and significance of magnetism in sedimentary rocks, Journal of Geophysical Research, vol. 54, №2, p. 131-167,1949.

11. Neel, L., L'inversion de I'aimantation permanente des roches, Annales de Geophysique, vol. 7, №2, p 90-102,1951.

12. Nagata Т., Akimoto S, Uyeda S., Reverse thermoremanent magnetism, Proc. Jpn. Acad., vol.27, p 643-645,1951.

13. Nagata Т., Uyeda S., Akimoto S., Self-reversal of thermoremanent magnetization of igneous rocks, J. Geomag Geoelect., vol 4, p 22-38,1951.

14. Kneller E., Ferromagnetismus, Berlin: Spnnger-Verlag, 1962.

15. Yu Y., Rock magnetic and paleomagnetic experiments on some Self-reversing Pumices from Japan, Conference on rock magnetism, The IRM Quarterly, vol. 10, № 2, p.6,2000.

16. Ozima M. and Funaki M., Magnetic properties of hemoilmenite single crystals in Haruna dacite pumice revealed by the Bitter technique, with special reference to self-reversal of thermoremanent magnetization, Earth Planets Space, vol 53, p.l 11-119,2001.

17. Ozima M., Oshima О and Funaki M., Magnetic properties of pyroclastic rocks from the later stage of the eruptive activity of Haruna Volcano in relation to the self-reversal of thermoremanent magnetization, Earth Planets Space, vol.55, p.l83-188, 2003.

18. Трухин В.И., Караевский С.Х., Самообращение намагниченности природных пикроильменитов, Москва МГУ, 1996.

19. Нагата Т, Магнетизм горных пород, Москва: Мир, 1965.

20. Zapletal К, Self-reversal of isothermal remanent magnetisation in a pyrrhotite (FejSs) crystal, Physics of the Earth and Planetary Interiors, vol 70, p 302-311, 1992.

21. McClelland E. and Goss C., Self-reversal of chemical remanent magnetization on the transformation of maghemite to haematite, Geophys. J. Int., vol.112, p. 517-532,1993.

22. Stacey F.D., Banerjee S K., The physical principles of Rock Magnetism, Amsterdam* Elsevier, 1974.

23. Петрова Г.Н., Минибаев P.А., Колесников JI.В Самообращение TRM в гемоильмените с Камчатского полуострова, Известия АН СССР, серия Геофизика, № 4, стр. 85-90, 1965.

24. Orlicky О., Field-reversal versus self-reversal hypothesis* Paleomagnetic properties and magnetic mineralogy of selected Neogene hornblende pyroxene andesites of central Slovakia (Part 2), Contribution to Geophysics and Geodesy, vol. 32/1,2002.

25. Hoffman K.A, Partial self-reversal in basalts containing mildly low temperature oxidized titanomagnetite, Physics of the Earth and Planetary Interiors, vol.30, p.357, 1982

26. Грабовский M.A., Пушков A.H, К вопросу о возникновении остаточной намагниченности обратной полярности в горных породах, Известия АН СССР, серия Геофизика, №4, стр 320,1954.

27. Nagata Т, Uyeda S., Exchange interaction as a cause of reverse thermoremanent magnetism, Nature, vol.184, p 890-XX, 1959.

28. Uyeda S., Thermo-remanent magnetism and coercive force of the ilmenite-hematite series, J. Geomag. Geoelect., vol.9, p 61-78,1957.

29. Uyeda S., Thermoremanent magnetism as a medium of palaeomagnetism, with special reference to reverse thermoremament magnetism, Japan J. Geophys, vol 2, p 1,1958.

30. Haag M., Heller F., Carracedo J C. and Soler V., Remanent magnetization of andesitic and dacitic pumice from the 1985 eruption of Nevado del Ruiz (Columbia) reversed due to self-reversal, J. Volcanology and Geothermal Res, vol 41, p 369-377, 1990.

31. Haag M., Heller F., Lutz M. and Reusser E., Domain observations of the magnetic phases in volcanics with self-reversed magnetization, Geophys. Res Lett, vol.20, p.675, 1993.

32. Haag M., Heller F., Allenspach R. and Roche K., Self-reversal of natural remanent magnetization in andesitic pumice, Physics of the Earth and Planetary Interiors, vol. 65, p. 104, 1990.

33. Ishikawa Y, J. Phys. Soc. Japan, vol.17, p. 1835,1962.

34. Ishikawa Y., Syono Y , Reverse thermo-remanent magnetism in the FeTi0}-Fe20j system, J. Phys. Soc Japan, vol.17 (B-l), p. 714-718,1962.

35. Ishikawa Y., Syono Y., Order-disorder transformation and reverse thermo-remanent magnetism in the FeTiOi-FeiOi system, J. Phys. Chem. Solids, vol.24, p 517,1963.

36. Fujiwara Y., Gautam P, Yoshida M. and Katsui Y, On the nature of remanence in the 1985 andesitic pumice with self-reversed magnetization from the Nevado del Ruiz, Colombia, Jour. Fac. Sci. Hokkaido Umv, ser. 4, vol. 23, №2, p. 167-174,1992

37. Hoffman K.A., Cation diffusion processes and self-reversal of thermoremanent magnetisation in the Ilmenite-Haematite solid solution series, Geophysical Journal of Royal Astronomical Society, vol.41, p 65,1975.

38. Hoffman К A., Self-reversal of thermoremanent magnetisation in the Ilmenite-Hematite system• order-disorder, symmetry, and spin alignment, J. Geophys. Res., vol.97, №10, p. 883, 1992

39. Nord G L, Lawson С A., Order-disorder transition-induced twin domains and magnetic properties in ilmemte-hematite, Amencan Mineralogist, vol.74, p 160-176, 1989.

40. Kennedy, LP., Osborne, M.D., Composite titanomagnetite-ferrian ilmenite grains and correlative magnetic components in a dacite with self-reversed TRM, Earth and Planetary Science Letters, vol.84, p.479-486,1987.

41. Hoffmann V, Fehr K.Th., Micromagnetic, rockmagnetic and mineralogical studies on dacite pumice from the Pinatubo eruption (1991, Phillipines) showing self-reversed TRM, Geophys. Res. Lett., vol.23, №20, p 2835-2838, 1996

42. Ozima M., Funaki M., Hemoilmenite as a carrier of SRTRM in dacitic pumice from Akagi, Ontake and Sambre Volcanoes, Japan, Earth and Planetary Science Letters, vol.213, p 311-320, 2003.

43. Ozima M., Funaki M., Hamada N., Aramaki S and Fujii Т., Self-reversal of thermoremanent magnetization in pyroclastics from the 1991 eruption of Mt Pinatubo, Philippines, J. Geomag. Geoelect., vol 44, p.979, 1992.

44. Havard A.D. and Lewis M., Reversed partial thermo-magnetic remanence in natural and synthetic titano-magnetites, Geophys. J., vol.10, p.59-68,1965.

45. Ryall PJ.C. and Ade-Hall J.M, Laboratory induced self-reversal of thermoremanent magnetisation in pillow basalts, Nature, vol 257, p.l 17, 1975.

46. Heller F., Markert H. and Schmidbauer E., Partial self-reversal of natural remanent magnetisation of an historical lava flow ofMt Etna (Sicily), J. Geophys, vol 45, p.235, 1979.

47. Ryall P J.C. and Hall J M., Laboratory alteration of titanomagnetites in submarine pillow lavas, Can J. Earth Sci., vol 16, p 496-504,1979.

48. Tucker P. and O'Reilly W. Reversed thermoremanent magnetisation in synthetic titanomagnetites as a consequence of high temperature oxidation // J. Geomag. Geoelect, vol.32, p 341, 1980.

49. Heller F. and Petersen N., Self-reversal explanation for the Laschamp-Olby geomagnetic field excursion, Physics of the Earth and Planetary Interiors, vol.30, p.358, 1982.

50. O'Reilly W. and Baneijee S К, Oxidation of titanomagnetites and self-reversal, Nature, vol 21 l,p 26-28,1966.

51. Ozima M. and Larson E.E., Study of Self-reversal of TRM in some Submarine Basalts, Journal of Geomagnetism and Geoelectricity, vol 20, № 4, p 337, 1968.

52. Krasa D., Self reversal of Remanent Magnetization of Basalts Origin, Mechanisms and Consequences, PhD thesis (кандидатская диссертация), 15 September 2003

53. Krasa D., Partial self-reversal of NRM in basalts■ Identifying the responsible mineral phase,IISymposium on Fundamental Rock Magnetism and Environmental Applications, Italy, The IRM Quarterly, vol. 12, №2, Summer 2002

54. Schult A., Self-reversal of magnetisation and chemical composition of titanomagnetities in basalts, Earth and Planetary, Science Letters, vol.4, p.57,1968.

55. Schult A., Self-reversal above room temperature due to N-type magnetisation in basalt, J. Geophys, vol 42, p 81,1976

56. Doubrovine P.V., Tarduno J.A., Self-reversed magnetization carried by titanomaghemite in oceanic basalts, Earth and Planetary Science Letters, vol 222, p 959-969,2004

57. Verhoogen J., Ionic ordering and self-reversal of magnetization in impure magnetites, J Geophys Res , vol.61, p 201,1956.

58. Verhoogen J., Oxidation in iron titanium oxides in igneous rocks, J. Geol., vol.70, p. 168, 1962.

59. Stephenson A., The temperature Dependent Cation Distribution in Titanomagnetites, Geophys J R. Soc., vol 18, p.199-210,1969.

60. Stephenson A., Spontaneous Magnetization Curves and Curie Points of Cation Deficient Titanomagnetites, Geophys J. R. Soc., vol.29, p.91-107,1972.

61. Stephenson A, Self-reversal of thermoremanent magnetization in basalts and global lunar magnetism, Nature, vol 259, № 5539, p 101-102,1976.

62. Stephenson A., The observed moment of magnetized inclusion of high Curie point within a titanomagnetite particle of lower Curie point, Geophys. J. Roy. Astr. Soc., vol.40, p 29-36,1975.

63. Nishida J., Sasajima S., On the self-reversal of TRM in a highly oxidized submarine basalts, Rock Magn Palaeogeophys., vol.2, p.5,1974.

64. Nishida J, Sasajima S, On the possibility of self-reversal caused by redistribution of cations between two sublattices, Rock Magn. Palaeogeophys.

65. Лауреаты Нобелевской Премии (Энциклопедия), Москва1 Прогресс, 1992, Т 2.

66. Weiss P., L 'hypothese du champ moleculaire et la propriete ferromagnetique, J. Physique, vol 6, p 661-690,1907.

67. Смарт Д., Эффективное поле в теории магнетизма, М: Мир, 1968.

68. Крупичка С., Физика ферритов и родственных им магнитных окислов, Москва: Мир, 1976, Т.1.

69. Кринчик Г.С., Физика магнитных явлений, Москва: МГУ, 1985.

70. Тикадзуми С, Физика ферромагнетизма магнитные свойства вещества (том 1), Физика ферромагнетизма• магнитные характеристики и практические применения (том 2), Москва- Мир, 1983, 1987.

71. Вонсовский С.В., Магнетизм, Москва. Наука, 1971.