Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Процессы термонамагничивания в горных породах и влияние на них высоких давлений

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Текст научной работыДиссертация по геологии, кандидата физико-математических наук, Хасанов, Нияз Аязович, Уфа

башкирским государственный университет

На правах рукописи УДК 550.382.3

Хасанов Нияз Аязович ПРОЦЕССЫ ТЕРМОНАМАГНИЧИВАНИЯ В ГОРНЫХ ПОРОДАХ

и влияние на них высоких давлений

(04.00.22 - Физика твердой Земли)

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научные руководители: доктор физико-математических наук, профессор К.А.Валеев, доктор физико-математических наук, профессор В.И.Максимочкин

УФА, 1998 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ.....................................................................................................4

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА О ПРОЦЕССАХ ТЕРМОНАМАГНИЧИВАНИЯ В ГОРНЫХ ПОРОДАХ И О ВЛИЯНИИ НА НИХ ВЫСОКИХ ДАВЛЕНИЙ...............................................................................9

1.1. Магнитные минералы.............................................................................9

1.2. Доменные структуры зерен в горных породах....................................17

1.3. Баркгаузеновская дискретность и потенциальные барьеры...............22

1.4. Термоостаточная намагниченность горных пород..............................25

1.5. Влияние высоких давлений на процессы намагничивания

в горных породах.........................................................................................30

1.6. Выводы по главе 1.................................................................................34

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ

ВЫСОКИХ ДАВЛЕНИЙ НА ПРОЦЕССЫ ТЕРМОНАМАГНИЧИВАНИЯ В ГОРНЫХ ПОРОДАХ.............................................................................................36

2.1. Модель термонамагничивания малодоменных зерен, пригодная

для учета влияния давлений.........................................................................36

2.2. Расчет термоостаточной намагниченности..........................................41

2.3. Расчет влияния давлений на образование ТЕМ...................................49

2.4. Выводы по главе 2.................................................................................55

ГЛАВА 3. МЕТОД РАСЧЕТА СПЕКТРОВ БЛОКИРУЮЩИХ

ТЕМПЕРАТУР...................................................................................................56

3.1. Постановка задачи..................................................................................56

3.2. Обоснование и описание метода...........................................................58

3.3. Применение метода................................................................................70

3.4. Выводы по главе 3..................................................................................74

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ

МОДЕЛИ................................................................................................................76

4.1. Аппаратура, применявшаяся в экспериментах.....................................76

4.1.1. Феррозондовая установка для измерения остаточной намагниченности при воздействии высоких давлений

и температур.......................................................................................76

4.1.2. Вибрационный магнитометр.....................................................83

4.1.3. Рок-генератор.............................................................................85

4.2. Образцы и методика экспериментов.....................................................86

4.3. Результаты экспериментов....................................................................89

4.4. Выводы по главе 4..................................................................................95

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.............................................................................................96

Литература.....................................................................................................97

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Установление физического механизма намагничивания пород земной коры является актуальным при решении многих геофизических задач. Например, изучение закономерностей термонамагничивания важно для решения палеомагнитных задач. Известно, что термоостаточная намагниченность (ТКМС) изверженных пород, приобретаемая в земном магнитном поле во время их образования, может быть чрезвычайно стабильна и сохранять информацию о магнитном прошлом Земли.

Для изучения строения и эволюции земной коры методами геомагнетизма также имеет большое значение установление физического механизма намагничивания горных пород земной коры в условиях повышенных давлений и температур.

Знание закономерностей влияния давления на намагниченность пород может быть использовано через аномальное геомагнитное поле, создаваемое намагниченными породами, для обнаружения тектоноактивных зон и оценки накапливаемых в земной коре напряжений.

Изучать влияние давления и температуры на магнитные свойства и формирование намагниченности в естественных условиях технически невозможно. Вследствие этого теоретическое и экспериментальное лабораторное моделирование могут дать ценную информацию о формировании естественной намагниченности глубинных пород земной коры.

В частности, для изучения формирования естественной намагниченности интрузивных пород и пород океанской коры очень актуально исследование процесса термонамагничивания и влияния на него давления.

Анализ состояния проблемы показывает, что к настоящему времени разработано много теоретических моделей формирования ТКМ как в ансамбле однодоменных, так и в ансамбле много доменных магнитных зерен. Ни одна из этих теорий полностью не объясняет всего разнообразия экспериментальных

фактов. В частности, нет теории, объясняющей влияние давления на величину формируемой термонамагниченности.

В то же время экспериментально было установлено, что воздействие квазивсестороннего сжатия приводит к уменьшению интенсивности термонамагничивания горных пород, содержащих магнетитовые и титаномаг-нетитовые зерна. Эффект влияния давления зависит от содержания титана в титаномагнетите и коэрцитивности зерен. Из-за сложности проведения подобного рода экспериментов эти данные немногочисленны, а должного теоретического объяснения полученным результатам дано не было.

Целью диссертационной работы является установление закономерностей влияния давления и температуры на процессы термонамагничивания в горных породах.

Для достижения поставленной цели в настоящей работе решались следующие задачи:

1. Разработка теоретической модели формирования ТЫМ в ансамбле двухдоменных зерен, пригодной для учета влияния давления.

2. Теоретическая оценка влияния давления на формирование термоостаточной намагниченности в рамках разработанной модели.

3. Разработка метода измерения спектра блокирующих температур. Установление критериев применимости теоретической модели к конкретным горным породам.

4. Создание установки, позволяющей исследовать формирование ТЕМ при высоких давлениях.

5. Проведение экспериментов по формирования ТИМ в условиях сжатия на образцах с положительной и отрицательной магнитострикцией.

6. Сравнение теории с экспериментом.

Основные положения, выносимые на защиту, и научная новизна работы состоят в следующем:

Впервые теоретически разработана модель термонамагничивания ансамбля двухдоменных зерен магнитных минералов в горных породах, позволяющая учесть влияние механических напряжений.

С помощью этой модели исследовано влияние внешнего давления на процесс образования термоостаточной намагниченности. В рамках данной модели показано, что термоостаточная намагниченность, созданная и измеренная под давлением, должна быть меньше (когда 0>0) и больше (когда (КО), чем термоостаточная намагниченность, образованная при нормальных

условиях, где ()= для трехосных кубических кристаллов (^¡>0), и

2К]

Зо(2А,пп +А.1..) ,т-. _ч

<2 = ~--—в случае четырехосных кристаллов (^1<0). (Здесь К\ -

константа магнитокристаллической анизотропии, А,юо, ?чп - константы магнитострикции, а - упругое осевое напряжение.) Термоостаточная намагниченность, измеренная после снятия давления, должна иметь промежуточное значение.

Показано, что зависимость термоостаточной намагниченности от давле-

ния в области малых давлений (когда

сХш

К:

«1

аХ100

«1) носит линейный

характер.

Разработан метод, позволяющий определять спектры блокирующих температур ферримагнитных зерен в горных породах. Показано, что в отличие от известного метода дифференциального термомагнитного анализа, предложенный метод не вносит в результаты искажений, вызванных зависимостью спонтанной намагниченности от температуры.

Научная и практическая ценность работы состоит в следующем: Теоретически обосновано влияние одноосного давления на процесс термонамагничивания малодоменных зерен, которые могут входить в состав горных пород. Это дает дополнительную возможность для изучения формирования естественной

намагниченности пород земной коры на больших глубинах и в тектоноактивных районах методом теоретического моделирования. Разработанный метод изучения спектра блокирующих температур, кроме установления критериев применимости теоретической модели термонамагничивания к конкретным горным породам, может быть использован также при палеомагнитных исследованиях, например, для установления условий термочистки. По спектру блокирующих температур можно также судить о распределении ферримагнит-ных зерен по размерам, о количестве зерен, находящихся в суперпарамагнитном состоянии.

Достоверность положений и выводов данной работы основана на соответствии исходных положений с законами физики магнитных явлений, а также подтверждается сравнением полученных теоретических результатов с экспериментами, проведенными на материалах как с положительной, так и с отрицательной магнитострикциями.

Личное участие автора в получении результатов, изложенных в диссертации: В большей части статей, написанных с соавторами, диссертант равноправно участвовал в решении поставленных задач. Он лично проделал теоретическую часть работы и численную реализацию. Кроме того, диссертант изготовил феррозондовый магнитометр и участвовал в создании установки для исследования влияния давления на процессы термонамагничивания. Большая часть экспериментальных результатов получена им лично.

Апробация работы: Основные результаты работы докладывались на семинарах кафедры общей физики физического факультета БашГУ (1994-1996 гг.), на Международной геофизической конференции "Анизотропия. Фракталы. Проблемы практического применения" (г. Киев, 1994), на 1-ой научной конференции молодых ученых-физиков республики Башкортостан (21-23 ноября 1994 г., г.Уфа), на юбилейной конференции ученых-физиков (май 1996г., г.Уфа), на Всероссийском научном семинаре "Палеомагнетизм и

магнетизм горных пород" в пос. Борок Ярославской обл. (Объединенный институт физики Земли РАН, 3-9 июня 1996 г.), на Всероссийской научной конференции "Физика конденсированного состояния" (г. Стерлитамак, 22-25 сентября 1997).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ.

Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях:

[Хасанов, 1995, 1997; Валеев, Максимочкин, Хасанов, 1994, 1996а, 1996Ь, 1996с, 1997; Уа1ееу, МахипосШп, КЬаБапоу, 1996; Максимочкин, Хасанов, 1997].

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка использованной литературы из 184 наименований. Содержит 113 е., 20 илл. и 3 таблицы.

Во Введении обосновываются актуальность, цель и задачи работы.

В 1 главе дается обзор литературы по данной проблеме.

Во 2 главе описывается модель термонамагничивания малодоменных зерен, пригодная для учета влияния давлений, и дается расчет термоостаточной намагниченности, образованной под давлением.

В 3 главе дается метод получения спектра блокирующих температур.

В 4 главе приводятся описание оборудования, методика эксперимента и результаты экспериментальной проверки предложенной теоретической модели.

В Заключении даются основные физические выводы.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА О ПРОЦЕССАХ ТЕРМОНАМАГНИЧИВАНИЯ В ГОРНЫХ ПОРОДАХ И О ВЛИЯНИИ НА НИХ ВЫСОКИХ ДАВЛЕНИЙ

1.1. Магнитные минералы

Одним из источников информации о процессах, происходящих в глубинных слоях земной коры и верхней мантии, является аномальное геомагнитное поле, создаваемое горными породами земной коры. Для того чтобы извлекать эту информацию и правильно ее интерпретировать, нужно знать закономерности влияния высоких давлений и температур на магнитные свойства горных пород. Изучать влияние давления и температуры на магнитные свойства, особенно на формирование намагниченности, в естественных условиях очень сложно. Вследствие этого метод теоретического и экспериментального лабораторного моделирования может дать ценную информацию о естественной намагниченности глубинных пород земной коры.

Теория магнетизма пород первоначально развилась из изучения гипотезы о том, что многие породы сохраняют память о направлении поля, в котором они были охлаждены или осаждены. Эта гипотеза в целом подтвердилась, но для получения достоверной информации о величине и направления палеомагнитно-го поля требуется более полное понимание намагничивания пород. Есть заметный прогресс в этом понимании. Появились другие применения магнетизма горных пород: выяснение состава и структуры породы исходя из магнитных свойств, а также пьезомагнитный эффект землетрясений. Имеются достаточно полные монографии, посвященные этому вопросу [Нагата, 1965; Трухин, 1973].

На теоретическую работу по магнетизму пород сильно повлиял классический обзор Нееля [№е1, 1955]. Неель рассмотрел четыре основных аспекта проблемы:

1) Ферромагнетизм минералов. Главное применение этой проблемы -самообращение намагниченности.

2) Свойства о дно доменных (ОД) зерен. Хотя неелевский анализ дал качественное соответствие с реальными свойствами пород, Неель заметил, что он неприменим к сильномагнитным (типа магнетита) минералам, но годится для очень слабомагнитных сильно коэрцитивных минералов (типа гематита).

3) Многодоменные зерна. Их рассмотрел Неель, исходя из альтернативных моделей, придуманных, чтобы объяснить разные свойства.

4) Магнитная вязкость. Она также обсуждалась несколько ориентировочно из-за неуверенности Нееля: то ли тепловое возбуждение влияло на высоты потенциальных барьеров, мешающих движению доменных стенок, то ли флуктуирующее (тепловое) поле помогало стенкам преодолевать барьеры. Это -строго эквивалентные альтернативы, но так как флуктуации должны обсуждаться, исходя из свободной тепловой энергии, более фундаментальный и застрахованный от ошибок подход - обратиться непосредственно к флуктуаци-ям энергии.

Сейчас в магнетизме пород интенсивно изучаются такие не затронутые Иеелем свойства, как эффекты, связанные с воздействием переменного магнитного поля, анизотропия и пьезомагнетизм.

В большинстве пород магнитные минералы встречаются в виде рассеянных зерен, так что взаимодействия зерен слабы, и в большинстве случаев их можно считать независимыми. Обычно каждое зерно - монокристалл, и так как доменная структура и магнитные свойства зависят от размеров кристаллов, они должны быть связаны с наблюдаемым размером зерен. Зерна, содержащие вышедшие из раствора минеральные фазы, - исключение из этого правила, т.к. их доменные конфигурации связаны со структурами выхода из раствора. Однако даже при простой минералогии, форма зерен - неправильная, что делает точный анализ невозможным. Свойства описываются для идеализированных

зерен простой формы: сфер, кубов или (для обсуждения анизотропии) эллипсоидов. Влияние неправильностей зерен особенно сказывается при размагничивании пород переменным полем.

Прямое лабораторное моделирование процессов, происходящих в течение геологического времени, невозможно. Поэтому задачи, в которых важно время, требуют экстраполяции лабораторных наблюдений на натуральные условия с помощью теории. Основными химическими единицами ферримагнитных оксидных минералов являются Рез04 (магнетит), Ре203 (ромбоэдрическая модификация - гематит, кубическая модификация - маггемит), Ре2ТЮ4 (ульвошпинель) и БеТЮз (ильменит). Их минералогия рассмотрена Никольсом [МсЬюПб, 1955]. Они чаще встречаются как твердые растворы друг в друге или выделившиеся из раствора смеси, чем как чистые минералы. Их химический состав нередко осложнен другими элементами, особенно магнием, алюминием и элементами первой переходной серии. Однако магнитные свойства пород неплохо объясняются, исходя из ряда твердых растворов между вышеуказанными "первичными" минералами, а физическая теория для удобства обсуждается на примере двух важнейших типов минералов - магнетита и гематита. Ферримагнитные сульфиды железа тоже хорошо известны, но они, по-видимому, встречаются только в метаморфических породах и метеоритах.

Оксиды и сульфиды железа являются обычно либо ферримагнетиками, либо антиферромагнетиками [Ыее1, 1955]. В ферромагнетиках, типа железа, обменные взаимодействия приводят к параллельному выстраиванию всех атомных магнитных моментов (если не считать разнобоя из-за теплового движения), тогда как ферри- и антиферромагнетики обычно состоят из двух подрешеток А и В, взаимодействующих отрицательно. Моменты атомов в позициях А параллельны друг другу и антипараллельны В-атомам. В антиферромагнетике магнитные моменты подрешеток А и В равны. Поэтому

антиферромагнетик не имеет результирующего момента и ведет себя при намагничивании как парамагнетик.

В ферримагнетике намагниченности А и В не равны, и свойства подобны свойствам ферромагнетика. Магнетит и его твердые раство