Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Вопросы теории магнетизма горных пород и тектономагнетизма

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Вопросы теории магнетизма горных пород и тектономагнетизма"

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ нмеии М.ВЛомоносова

Физический факультет

РГб од

На праках рукописи

- 5 ДПР 1993

УДК 550.380+550.382.3 Каримов Фаршед Хнлолович

Вопросы теории магнетизма горных пород и тектономагнетизма

04.00.22 - геофизика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москва -1993'

Работа выполнена в Государственном голопиом территориальном института инксисрно-техиичеокюс изисканиК Госст]юя Гсспублики Таджикистан.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук В. П. Го ловкое доктор физико-математических наук Ю.А.Копытенко доктор физико-математических наук В.Г.Шавров.

Ведущая организация:

Геофизачеокая обсерватория Борок Института "физики Земли им.О,Ю.Шмидта РАН.

Защита состоится аиих^ЛлХ^ 1993 г.

в /Г час мин. в аудитории г С-/Л на заседании Специализированного совета по геофизике (Д.053.05.81) в МГУ

Адрес: Москва, 119899, МГУ, физичеокий факультет.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ.

Автореферат разослан _1993 г>

Учёный секретарь Специализированного совета

кандидат физико-математических наук

В.В.Вэзанов

ОЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТУ

Магнетизм горных пород и тектономагнетиэм к настоящему времени (¡(формировались как крупные разделы геофизики, развитие которых позволило решить многие {ундаменталыше и прикладные проблемы, имеющие важное научное и народнохозяйственное значение. Магнетизм горных пород интенсивно развивается на протяжении нашего отолетия, многие результаты, полученные в этой области, отали классическими. В круг задач магнетизш горных пород входит изучение мапштного строения и магнитнцх овойств горных пород, идентификация видов и природы их намагничен« остей, интерпретация геомагнитных аномалий. Тектономаг-нетизм - относительно новое научное направление, основные результаты в котором были получены в шестидесятых годах и позже вместе с развитием геомеханики, геодинамики и о применением протонных магнитометров. Основная задача тектоиомагне-тизма - изучение тех аномалий в структуре локального геомагнитного поля, которые вызваны протеканием тектоническиг процессов.

Из-за огромного разнообразия видов намагниченностей горных пород, многообразия характера проявления аномалий локального магнитного поля Земли эмпирические и статистические методы исследований в этих областях геомагнитологии были и остаются на сегодня основными. Однако, к последнему времени накопилось много таких фактов, которые не могут найти объяснения в рамках существующих эмпирических и статистических методов. 11апри?,гор, образцы горных пород одного и того ке геологического вида (названия), собранные в различных местах, могут тлеть совершенно разные пьезомагнитные или магнитные температурные свойства. Кроме того, магнитные свойства этих пород могут и различным образом меняться во времени. Неоднозначны и оценки намагниченностей пород посредством фактора Кенигсберге ра. Очевидно, наряду со статистическим подходом к исследованию здесь необходим детальный анализ состава, структуры, свойств носителей магнетизма горных пород -, прежде всего, частиц акцессорных минералов магнетита и титаномагнетита. Анализ же современного состояния исследований этих частиц показывает, что существует весьма широкий спектр представлений о

г

видах магнитных структур, об интервалах характерных размеров частиц с магнитными структурами того или иного вида, о роли поверхностной анизотропии, макроскопических дефектов, температурного Фактора, давлений в формировании магнитных структур. Наконец, детальное знание магнитных структур чаотиц -носителей магнетизма горных пород-крайне необходимо для моделирования источников тектономагнитных эффектов и магнито-актнвного слоя Земли вообще. Кроме того, глубинные слои земных недр пока недоступны для непосредственного изучения, поэтому значение моделирования и теоретических расчётов для локально!! намагниченности пород ещё более возрастает.

Такое же положение сложилось и в тектономагнетизме. ¡здесь нет единых представлений о том, каким образом тектонические процессы влияют на намагниченность, магнитную индукцию горных пород и возникают аномалии в вариациях локального геомагнитного поля - тектономапштные эффекты. Неоднозначны представления об амплитудных и проотранственно-временных закономерностях проявления тектономагнитных эффектов.

Таким образом, назрела необходимость качественного совершенствования тех исходных положений, принципов, которые лежат в основе 'Тизики магнетизма горных пород и тектономагнетизма. Именно в этом заключается актуальность темы диссертационной работы.

Цель работы - иоследование ряда проблем, объединённых под общим названием "Вопросы теории магнетизма горных пород ж тектономагнетизма":

1. Построение отрогой теории магнитной структуры идеальных частиц носителей магнетизма горных пород - магнетита и титаномагнетита, основанной на представлениях о непрерывном распределении электронной сппновой плотности и вариационных принципах. Исследование устойчивости магнитных структур частиц в рамках моделей "закручивание" намагниченности 1-го, 2-го типа и винтовой (по классификации Е.И.Кондорокого).

2. Исследование роли поверхностной анизотропии и макроскопических дефектов в (формировании магнитных структур чаотиц магнетита и титаномагнетита.

3. Исследование устойчивости винтовой магнитной структуры ссТерпчпскпх частиц в поле тепловых флуктуация.

4. Рассмотрение ряда вопросов влияния температуры и давлений на состояния магнитных структур частиц магнетита я ти-таномагнетита.

5. Интерпретация тектономагнитних эффектов и построение их моделей.

6. Исследование природы тектономагнитних аспектов.

13 работе применялись известные и апробированные в магнетизме горных пород и тектономагнетизме ?летодпки исследования (определение стационарных точек полного термодинамического потенциала с помощью вариационных методов Склера и Ритца, применение сведений из теории поля и специальных функции математической физики, исследование аномалий в вариациях локального геомагнитного поля сравнением синхронных данных).

Научная новизна работы состоит в разработке системы классификации магнитных структур частиц магнетита и титаномагае-тита, которая поднимает на качественно новый уровень методы интерпретации магнитных свойств горных пород и моделирования тектономагнитннх эффектов. Впервые систематизированы данные о тектономагнитних эффектах подготовки землетрясений Таджикистана за период с 1978 по 1990 годы о маши ту до й выше 5. На ооновании данных высокоточной магнитометрии внесены дополнения в известные модельные представления о процессах подготовки тектонических землетрясений и выдвинута гипотеза о диффузия ионов подземных флюидов как основной причине возникновения тектономагнитных эффектов в районе исследований.

Научная и практическая значимости выполненных исследований заключаются в достигнутом качественном развитии физических основ интерпретация магнитных свойств горных пород и тектономагнитных эффектов, что позволяет значительно расширить возможности решения весьма важных проблем магнетизма горных пород и тектонотагнетизма, а также проблемы смежных разделов геомагнитологии: палеомагнетизма, магнитной минералогии, высокоточной магниторазведки. Развитые модельные представления о тектономагнитних эффектах представляют собой оонову для постановки новкх лабораторных -л натурных экспериментов. Некоторые результаты диссертационной работы используются в учебном процессе в курсах физики магнитных явлений и геофизики в Таджикском, Екатеринбургском и Московском университетах.

Основные результаты диссертационной работы обоуящались в докладах автора на П, I/ Всесоюзных докладах по геомагнетизму (Тбилиси, 1981 г.; Владимир - Суздаль, 1991 г.), Всесоюзных семинарах "Геоэкологические аспекты народнохозяйственного освоения территории со сложными природными условиями" (Душанбе, 1990 и 1991 гг.), совещаниях рабочей группы по тектономагнетизцу и тектоноэлектричеству МСССС Президиума All СССР (Авдияан, i98I г.; Ашхабад, 1982 г.; Фрунзе, 1984 г.; Ташкент, 1985 г.; Львов, 1987 г.; Махачкала, 1990 г.), Всесоюзной школе-семинаре по магнетизму горних пород (Борок, Ярославская обл., 1990 г.), научных семинарах кафедр магнетизма и физики Земля физического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова, Ф'ГИ им.С.У.Умарова и Института сейсмостойкого строительства и сейсмологии /Л Республики Таджикистан, Ленинград-' ского отделения ИЗ.МРАН, Института геологии и геофизики Сибирского отделения АН СССР, Общемосковском семинаре по магнетизм горных пород.

По материалам диссертации опубликовано 20 статей и 6 те-эиоов докладов.

В объёме диссертации 206 страниц машинописного текста о 23-мя рисунками и 11-ю таблицами. Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения, списка использованных источников информации из 179 наименований.

Личный вклад автора. Основная часть результатов диссертации (см.работы 1,2,4-6,8-10,16-20,22,23) получена автором лично. В работах, выполненных в соавторстве (см.работы 3,7, 11-15,17,21 ), автору принадлежат теоретические части и интерпретация магнитометрических данных.

Материалы диссертации обсуждались о профессором Е.И.Кон-дорсклм, доктором физ.-мат.наук П.П.Сковородкиным. Автор диссертации испытывает к ним чувство глубокой благодарности, за внимание и поддержку. Автор благодарен также всем магнитологам, геомагнитологам, геофизикам, сейсмологам, с которыми об-оуждалиоь отдельные вопросы диссертации: профессорам А.В.Ве-дяеву, В.И. Тру хину,, доктору физ.-дат.наук К.Н.Абдуллабекову, кандидату физ.-мат.наук Л.С.Безуглой и другим.

КРАТКОЕ СОДЕЙШШЕ ДИХЕРПЩИИ

Во введении представлен обзор современных представлений магнетизма горных пород и тектономагнетизма, которьа раскрывают сущность основных задач диссертации. Описаны методы исследований и результаты, полученные в этих областях. На основе критического анализа современного состояния исследований сформулированы цель и задачи диссертации. Дано представление об её структуре и содеркании.

Первая глава посвящена разработке теории магнитных структур частиц магнетита и титаномагнетита. Сначала систематизированы общие полояешя теории, приведены общие сведения о физическом строении и свойствах магнетита и титаномагнетита. Данные о постоянных обменного взаимодействия,намагниченности насыщения, константах магнитокристпллогра^иче-ской анизотропии .постоянных магнитострикции, а также о температурных зависимостях этих параметров от сРс до точек Кюри представлены в виде таблиц. Дано аналитическое и графическое описание завис т.! ости полояешя магнитного момента в отдельной элементарной ячейке кубической симметрии. Отчислены критические значения для однородных внешних магнитных полей и давлений, действугащх вдоль лёгких осей [III] - диагоналей ячейки. При критическом значении перемагничивавдего внешнего магнитного поля, равном для магнетита 415 Э, должно происходить скачкообразное перемагничивание ячейки. Отмечается, что в рассматриваемых минералах могут существовать 71-градусные, 109-градусные и 180-градусные доменные границы.

Приводятся оценки для толщин свободной доменной границы в соответствии с известными формулами. В частности, для магнетита толцина 180-градусной,границы должна быть равной 0,39 мкм (3900 А). Показано, что из-за несимметрии энергетических барьеров для положений магнитных моментов в элементарных ячейках, обусловленной магнитокристаллографической анизотропией, несимметричнг и 180-градусные границн.

Дано описание методов теоретических исследований магнитных структур частиц. Отмечается, что магнетит и титаномагне-

тит относятся к классу ферримагнитных веществ, однако, при рассматриваемых в диссертации физических условиях они вполне могут быть описаны в рамках представления о непрерывном распределении электронной спиновой плотности, широко применяемого для исследования магнитных структур ферромагнитных веществ. Основные исходные уравнения для этого представления имеют общий вид (см.например, монографию С.В.Вонсовского "Магнетизм", 1971):

Ф = \Л/ + \Л/ + \л/ + ш + м + м-нм + \л/„.

А К т А Ав 5 " •

с/Б

% 5= !5 П хт ил+ ±\ ь+ ). +

+ гХт им 11«41Ь £ у,)] ¿V, /Л-ЩЛУ. ■

тае Ф - полный термодинамический потенциал, УУ - свободные энергии:

WA —неоднородного обменного взаимодействия, \Л/к —магнитокристаллографической анизотропии, Шщ —собственных магнитостатических взаимодействий, Wн —магнитостатическая во внешнем поле И,

—магнитоупругая, V/» — магнитострикции, W» —поверхностной анизотропии; А - постоянная обменная взаимодействия,

1-я и 2-я константы магнитокристаллогра^ической анизотропии,

V, Д,1Г5 - магнитоотатические потенциалы поверхностных <5т и объёмных " зарядов", упругие модули, Д)()1А,00 ~ постоянные магнитострикции,

%s - константа поверхностной анизотропии, \1\<£,,<1,Л% - направляющие косинусы локальной намагниченности^, задающие её положение относительно осей правой прямоугольной декартовой системы координат X , ^ , Н , соответственно.

При решении конкретных задач в выражении полного термодинамического потенциала Ф учитываются вклады тех или иных свободных энергий.

Определения вида магнитной структуры производится путём нахождения минимума термодинамического потенциала в зависимости от направляющих косинусов локальной намагниченности.

Исследование вида и состояний магнитных структур частиц производится для моделей типа "закручивание" намагниченности и винтовой, существование которых обосновано в работах Е.И.Кон-дорского (1948, 1950, 1952, 197?, 1978), У.5.Брауна (1957, 1950) и др.(см.рисЛ,2). Согласно теории Е.П.Кондорского распределение локальной намагниченности в'моделях "закручивание" для ква-зиоднодоменных частиц сферической аормы описывается с помощью направляющих косинусов ввда

1Х = 51 п£-51шр, 1^51пЕ-со5(р , Хг - совЕ,

где £ - угол между локальной намагниченностью и ТО.

Рис Л.

Распределение локальной намагниченности в частицах сферической ¡¡орт с магнитной структурой "закручивание? Легкая ось параллельна с осью

о г.

Рис.2.

Распределение локальной намагниченности в слоях хк винтовой / в<;ерной / магнитной структуры в плоскостях ХОУ к У.0% . Легкая ось параллельна оси 07. В представлении непрерывного распределения электронной спиновой плотности СЛОИ'', бесконечно тонкие»

В сферической системе координат р , Q , (р (см.например. Справочник по математике Т.Корн, Г.Корн, 1978) для модели "закручивание" 1-го типа и при отсутствия поверхностной анизотропии £ = £ ( :

где с0| - малый параметр варьирования.

В случае модели "закоучивание" 2-го типа -<£"=£' :

где £0, - малый параметр варьирования.

Для винтовой модели (см.рис.2) распределение локальной намагшгченности описывается с помощью налравляпцих косинусов вида

1-0 х

оZv = SLnV. <4 = cos Y.

Ursine,

40 = consi,

где^(^б)- угол менду локальной намагниченностью и ЛО.

В теоретических расчётах диссертации положения общей теории, развитей для одно- и трёхосноанизотрошшх-частиц, скор-реетированы к случаи четырёхосноанизотропных типа магнетита и титаноыагнетита. Кроме того, в диссертации учтена вторая константа магнитокристаллографической анизотропии, которая для магнетита и титаномагнетита (по крайней мере с содержанием ульЕошинели менее 0,5) всего в 3-5 раз меньше первой . константы. Поэтому за исключением выражения для свободной энергии магнитркристаллограйяческой анизотропии, выражения для свободных энергий неоднородного обменного взаимодействия, собственной магнитостатической и во внешнем магнитном поле, учтённые в расчётах модели "закручивание" 1-го типа,

были такими же, как в теории Е.И.Ковдорского (1977, 1978). Расчёты для вкладов свободных энергий в рамках моделей ква-зиоднодоменных структур "закручивание" 2-го типа и винтовой проведены в диссертации в йодном объёме. Определены критические радиусы для областей существования однодоменных состояний в частицах магнетита и титаномагнетита (X < 0,5) - верхние значения радиуса абсолютной однодоменности и радиуса простой однодоменности Я * :

К. = а, у/

10 А

ЛУ

Ь'Чтз?

Ю А

2Х0~Н) ,

где м-^ЗС - размагничивающий фактор;

Х0 - эффективная константа анизотропии, равная

+

- постоянные коэффициенты, равные 0,93 для модели " закручивание" 1-го типа, 0,94 для модели "закручЕЕание" 2-го типа, • 1,55 для винтовой.

Вели Я к > й >: II в , то при критическом значении внешнего магнитного поля Н „ происходит нарушение однодомен-ного состояния: 3

Бели радиусы частиц меньше Я а , то при любом внешнем магнитном поле частица останется однодоменной - такие частицы абсолютно однодоменкые.

Наименьшее по модулю значение критического поля Ни в рассматриваемых условиях соответствует переходу к структуре "закручивание" 1-го типа и поэтому эта структура энергетически наиболее выгодна. Для этой структуры произведены расчёты устойчивости по отношению к леремагничиванив вращением полного магнитного момента во внешнем магнитном пояе. Впервые обнаружена граница критических переходов при значении копти-

•ческого радиуса К. к а • Если а > , то при критическом внешнем поле Н „ происходит переход в квазиоднодоменное состояние и затем полное перемагничивание путём вращения всей магнитной структуры. Если Я Л > Я > К ка • то при Н = Н „ происходит переход структуры в состояние о сильной степенью неоднородности (£о~0 - псарк (согласно терминологии Д.Данлопа) без полного перемагничивания частицы.

В диссертационной работе исследована устойчивость магнитных структур "закручивание" 1-го, 2-го типа и винтовой квази-однодоменных частиц в зависимости от их радиусов и внешнего магнитного поля. Исследование проведено на основании анализа выражений для полных термодинамических потенциалов как полиномов по степеням £1 , £ * , £' . Возможные типы завиоимос-

^ о * о * ^ О

тей т(£0) показаны на рис.3. Очевидно, зависимости I, 2 соответствуют устойчивому однодоменноцу состоянию, 3 - устойчивому однодоменноиу, т.е. устойчивому неоднородному. Различным параметрам веществ,радиусам и внешним полям соответствуют и различные зависимости 1-4. Например, переход от зависимости I к 3 будет соответствовать плавному нарушению однодоменности, а от 2 к 4 - резкому нарушению однодоменности и переходу к сильно неоднородным структурам.

I/ а> О в > О

3/

2/ а > 0 а < С / в < О п>0

а< 0. в с О

Рис.3.Виды зависимостей полного термодинамического потенциала от параметра неопнородности: •5 = Ф0 + а£* + в£д.

Возможным степеням устойчивости структур можно поставить в соответствии три степени анизотропнооти частиц: слабо-, средне-, выоокоанизотропную. В слабоанизотропных возможен плавный переход от однодоменности к неоднородной структуре при R > R „ , Для среднеанизотрошшх такой плавный переход возможен лишь при значениях радиусов в некотором определённом интервале R > R > R 0 .В высокоанизотропных при критическом значении поля Н п ■ происходит лишь резкий переход от однодоменности к неоднородным структурам при R = RK.

Применение этих критериев к частицам магнетита и титано-магнетита показало, что они относятся к вксокоанизотропным. Таким образом, квазиоднох.лченнке магнитные структуры "закручивание" и винтовая неустойчивы.

В диссертационной работе построена также общая теория магнитной структуры частиц плоской форлы-дисков. Результаты её применены к анализу частиц магнетита и татаноыагнетита. Показано, что возможно существование квазиоднодоменных неоднородных структур типа "рябь" намагниченности, а также винтовой. Однако, они не могут быть устойчивы. Радиус абсолютной однодоменности плоских частиц наименьший при переходе к первой из этих моделей и равен

R - AL.

. Л«с/ ~ зс'КГ .

где h - толщина частиц.

Модели "закручивание" и винтовая рассмотрены также при больших степенях неоднородности, но в линейном приближении по £ с для первого случая и в рамах представления плотности энергии блоховокок доменной границы A.topa (1957) - для вто- -poro случая. Показано, что при R>RK веерная структура сильно неоднородна и угол разворота между крайним! намагниченнос-тями равен 175°, т.е. представляет собой почти 180-градусную блоховскую границу. Полный разворот до 180-градусной границы для частиц магнетитй происходит при-радиусах R.S3 , равных 0,049 мкм (490 X). Резкий характер нарушения однодоменности согласуется о выводами теоретических расчётов Д.Данлопа, К.Ард-жиля (1987), З.П.Щербакова (ISÜ9) для "истиц магнетита кубической (Термы в рамках винтовой модели распределэим локальной намагниченности.

Сравнение полных термодинамических потенциалов сильно .неоднородных структур "закручивание" и винтовой показало, что последняя энергетически выгоднее для частиц в интервале радиусов' своего существования Я > Я к . Эксперименты М.Фуллера и С.Халгедаль (1980, 1983) по исследованию процессов зароды-шеобразоваиия в относительно крупных изометрических частиц магнетита с помощью биттеровских фиур показали, во-первых, что при критическом поле происходит внезапное появление доменной границы и, во-вторых, границы близки по <£орме к плоским 180-градусным, т.е. экспериментальные результаты подтверждают выводы диссертации о том, что нарушение однодомен-ности при критическом поле в рассматриваемом интервале радиусов происходит резко и доменные границы плоские, 180-градусные.

На оснбвании особенностей положения интервала о сильнонеоднородными структурами, заполняющими весь объём частиц, предлагается выделить такие частицы в класс псарков в отличие от псевдооднодоменных частиц, одно-, двух- и т.д. доменных.

Магнитные структуры "закручивание" и винтовая в квази-однодоменных частицах рассмотрены и для случая влияния энергии поверхностной анизотропии простого вида: = \C0S\jS, где в 5 - угол между локальной намагниченностью и нормалью к поверхности частицы. Получено точное значение радиуса абсолютной однодоменности в модели "закручивание".

3 рамках модели "закручивание" в линейном приближении зависимости угда в от у получено выражение для критического поля нарушения однодоменности:

н^-у-'П -рО-Й + зЫ.

При характерных значениях % $ ,,равных 0,1+1,0 эрг/см критические значения радиусов однодоменности могут почти на порядок отличаться от Яа и Я к . •

В зависимости от значения X 4 критическое поле Пм для перехода в структуру о "закручиванием" намагниченности может превзойти по модулю критическое значение поля для перехода в винтовую структуру и, следовательно, в отличие от случая отсутствия поверхностной анизотропии, должна будет появ-

ляться не первая, а вторая. Таким образом, поверхностная анизотропия может существенно влиять на формирование типа магнитных структур, на степень однородности и на критические условия их существования.

Далее проведено исследование явления возникновения суперпарамагнетизма в относительно крупных сферических частицах магнетита и титаломагнетита в рамках винтовой модели, рассмотрены устойчивости "жёсткой" и приближённой "мягкой" моделей по отношению к вращению структур относительно кристаллографических осей. При вращении "жёсткой" структуры расположения локальных магнитных моментов друг относительно друга не изменяются. Оказалось, что в за мсимости от степени разворота крайних локальных магнитных моментов изменяются энергетические барьеры маиштокристаллографической анизотропии, определяющие равновесные положения полного магнитного момента частицы. Вели степень разворота равна нулю, т.е. частица одно-доменная, то барьера наибольшие. Вели несколько увеличить степень неоднородности, то барьеры уменьшатся. Для 180-градусного разворота барьеры исчезают. При понижении барьеров до уровня 1СГ" эрг и более толлоше флуктуации приводят к суперпарамагнитному. состоянию.

В рамках "мягкой" модели поворот полного магнитного момента частицы сопровождается уменьшением степени неоднородности магнитной структуры и, следовательно, некоторым восстановлением первоначального энергетического барьера. Тем не менее, оценки показали, что понижение энергетического барьера за счёт увеличения степени разворота локальных магнитных моментов составляет почти два порядка величины к в некотором интерзале радиусов, где существует псарк, существование суперпарамагнетизма' возможно.

•В отличие от классического суперпарамагнетизма Л.Нееля суперперамагнетиам в рассмотренных относительно крупных частицах назван в диссертации эакритическим. Таким образом, полученные результаты дают возможность представить систему классификации магнитных структур.

Например, сферические частицы магнетита и титанодагнети-тз при радиусах менее Я п = 10 8 парамагниты. Ферромагнитное упорядочение возникает при больших радиусах. При радиусах менее , Иа1 , И,,! частицы абсолютно однодоменны в рамках структуры "закручивание" 1-го типа, 2-го типа и винтовой, соответственно. Я ко - критический радиус перехода от полного пере-магничивания путём вращения полного магнитного момента чаотицы к частичному перемагничиванию с возникновением псарка о "закручиванием" локальной намагниченности. , , - верхние критические радиусы однодоменного состояния в рамках перехода к структурам "закручивание" 1-го, 2-го типа и винтовой, соответственно. В промежутке от ЯК1Д0 1?2 происходит разворот винтовой структуры до 180° и начала двухдоменного соотояния. Я2 совпадает с известными оценками Д.Данлопа и В.П.Щербакова. 11а представленную картину накладываются тепловые аффекты и суперпарамагнетизм: до И5 - классический, неелевский, в интервале

- Я2 - закритический. Значения критических радиусов для магнетита в ангстремах представлены в следующей таблице:

И„ Нкя Нм И,,, Кц,

10 224 228 246 259 265 300 358 415 490

Примечание: Як( , Як, приведены при отсутствии внешего магнитного поля.

Из-за неустойчивости.квазиоднодоменных состояний соответствующие интервалы в таблице не указаны. Таблица показывает, что вплоть до субмикронных диаметров магнитные моменты чао-тиц магнетита должен быть неустойчивы. В частности, в поле тепловых флуктуаций должно отсутствовал стабильное однодомен-кое состояние.

В главе I рассмотрены также некоторые вопросы учёта собственных магнитостдтических взаимодействий ансамблей- частиц магне-

гита и титаномагнетита и в частицах с макроскопическими дефектами. получены точные решения ряда магиитостатических задач. В частности, показано, что учёт концевых эффектов в,классической модели "цепочки сфер" приводит к дополнительному снижению коэрцитивной силы в зависимости от роста количества частиц в цепочке. При числе частиц, равном четырём, это снижение составляет 2,125?, пяти - 3,33£, десяти - 2($. В частицах с макроскопическими дефектами в виде немагнитных прослоек в частицах сферической или плоской форм в зависимости от геометрии и размеров могут возникать магнитные структуры различного типа, характеризующиеся различными критическими параметрами. Например, в сферических частицах с дефектом цилиндрической формы, ось которого совпадает с осью частицы и ЛО, возможно появление не только моды намагниченности, описываемой с помощью функции Босселя, но и новой моды - с функцией Неймана.

Рассмотрен ряд аспектов в проблеме влияния температур и давлений на магнитные структуры и состояния частиц магнетита и титаномагнетита. Отмечено, что верхний радиус однодомен-ности зависит от температур и давлений. Зависимость от температур! можно описать с помощью выражения

в котором параметры зависят от температуры Т.

В геофизических приложениях температурные зависимости иногда представляют в виде

А(Т)=А„/:

•Jt.m-i.-r"

ГДО ¿(ТН(Т)Д(0>-

относительная намагниченность, равная отношению намагниченностей насыщения при температуре Т и максимальной.

Приближенно £ (Т) иногда представляют в виде

где Тк - температуры Кюри.

Обращается внимание на неопределённости в степенях приведённых температурных зависимостей. В случае линейной зависимости А ( ^ ) критический радиус будет возрастать с ростом температури, т.е. о глубиной залегания в магнитоактивном слое тектоносферы. В случае кубической зависимости А С ^ ) критический радиус будет, наоборот, убывать.

При этом псевдооднодоменные и многодоменные при нормальных физических условиях частицы будут становиться однодомен-ными, магнитные моменты которых выше на порядки величин. Поэтому эффект возрастания магнитных моментов будет существенным, если достаточно возрастает концентрация таких частиц с глубиной залегания пород.

Расчёты показали, что индуктивная часть намагниченности частиц во внешнем магнитном поле также может возрастать с глубиной залегания пород. Действительно, для однодомешшх частиц без анизотропии фор.ш (сферических, кубических) свободная магнитостатическая энергия во внешнем поле Нд оудет выше свободной энергии магнитокристаллографической анизотропии при условии го' I *

т.е. при ^ (Т) < 0,4 для магнетита полонение магнитного момента контролируется не магнитокристаллографической анизотропией, а локальным магнитным полем Земли. Следовательно, па глубинах более некоторого среднего уровня в магнитоактивном слое магнитные моменты изомерных частиц магнетита должны быть направлены по локальному геомагнитному полю.

Давления, в частности, в направлении вдоль Л0 и полного магнитного момента частицы также могут влиять на тип и состояние её магнитной структуры. Показано, что однородные давления уменьшают значение критического радиуса однодоменнооти и переводят частицы в квазиоднодоменное состояние, если их радиус не ниже некоторого значения Яаз= Ид, При радиусах ниже

Яаз частицы остаются однодоменными при любых давлениях, т.е. являются абсолютно однодоменными не только по отношению к магнитному полю, но и по отношению к однородным давлениям.

В заключительной части главы I кратко обсуждаются вопро-

сы приложения способов разложения магнитоотатичеоких полей по мультиполям для дипольного, квадрупольпого и октупольного представления источников тектономагнитных эффектов. Выдвигается предположение о возникновении магнито-обменных колебаний в частицах, как возможной причине электромагнитных излучений при протекании тектонических процессов.

В главе П сконцентрированы все сведения, необходимые для дальнейшей интерпретации аномалий в вариациях локального геомагнитного поля и идентификации тектономагнитных эффектов в районе наблюдений: о мировом опыте тектономагнитных исследований, представления о тектонических процесса и природе возникновения тектономагнитных эффектов, о геолого-геофизи-ческлх условиях района, о магнитометрической сети и методиках высокоточных геомагнитных наблюдений.

Отмечается, что наиболее представительны данные об обнаружении тектономагнитных эффектов в бывшем СССР, США, Японии и Китае. Обширная отатистика обнаружения тектономагнитных эффектов на некоторых геофизических полигонах, в частности, на гармском в Таджикистане, андижанском и ферганском в Узбекистане, ашхабадском в Туркменистане позволила определить амплитудные и пространственно-временные масштабы этих эффектов (Ю.П.Сковородкин, Л.С.Безуглая, В.П.Головков, К.Н.Абдул-лабеков, В.А.Шапиро и др.). В частности, в гармском районе наибольшие величины тектономагнитных эффектов не должны превышать 8-10 нТл, форма эффектов - бухтообразная, стадии возврата хода сейсмотектономагнитных эффектов к фоновому уровню приурочены моменты сильных местных землетрясений магнитуды М с эпицентрами в эмпирическом радиусе Ес [кц! (Ю.П.Сковород-кин, 1985): - •

^ = 0,35 М + 0,04,

а длительность эффекта от момента его возникновения до момента основного толчка Тс [сутки} описывается эмпирической зависимостью (Ю.П.Сковородкин,,1985).

*,Т0 = 0.73 М - 1,57.

Для обоснования характера проявления обнаруженных тектономагнитных эффектов приводятся сведения об известных ко-

Рис.4. Схема района геог.'агнитннх наблюдений, магнитометрической сэти к :и;:-.аентров землетрясений : 1-эпи::ентрн зе .шетг.ясенгЛ в масштабе энергетических классов К -- 12, 11?, 14, 1Г;; 2-мигн.по-мет1.ич-.-ские статны; ^-хрупкие раало'/и зе:.:ноИ кори.

делях сейсмотектонического процесса (пластического течения, лавинно-неустойчивого нарастания трещин, дилатантно-диф|у-зионной, консолидированного включения и др.), а также о природе возникновения тектономагнитных эффектов (пьезомагнит-ной, электрокинетической, электромагнитной индукционной и др.). Лано описание некоторых известных магнитных, электрических, механических свойств горных пород района геомагнитных наблюдений: естественной остаточной намагниченности (КГ* ед. СГС), магнитной восприимчивости (КГ* ед.СГС), электрической проводимости (1-10_т С1л/м), пьезомагнитной чувствительности (Ю- бар" ). Поскольку ¡идентификация тектономагнитных ^ектов производится на фоне различных составляющих геомагнитного поля, то приводятся сведения о главном магнитном поле, статических аномалиях, вековом ходе, солнечно-суточных вариациях, магнитных возмущениях. В частности, отмечается, что постоянная составляющая локального геомагнитного поля равна 51000 нТл, склонение - 4°, наклонение - 58°. Скорости векового хода за период с 1978 года проявляют тенденцию к увеличению в северо-западном направлении района наблюдений, составляя величины до единицы нТл в год. Форма спокойных солнечно-суточных вариаций характерна для средних широт: у — образная. В летние месяцы амплитуда наибольшая, 40-50 нТл, в зимние - наименьшая, 1С-20 нТл. Магнитные возмущения редко достигают 200 нТл и длятся в среднем не более 2-3 суток.

Дано общее описание порядка организации и функционирования магнитометрической сети (рис.4), применяемых магнитометров типа МПП-1 (разработка ОКБ »>3 АН СССР), обработки данных и разностной методики наблюдений. Магнитометрическая сеть расположена в геоструктурах Южного Тянь-Шаня и Таджикской депрессии. Отмечается, что среднеквадратическая ошибка идентификации тектономагнитных эффектов в районе наблюдений составляет 0,3-0,5 нТл.

В главе Ш дана интерпретация обнаруженных тектономагнитных эффектов, связанных с некоторыми землетрясениями Таджикистана за период с 1978 по 1990 годы. Сделаны некоторые уточнения и дополнения к известным моделям представлениям

о сейсмотектонических процессах и проявлениях тектономагнит-ных эффектов, а такке выдвинуто предположение об нх возможной природе.

На основании сопоставления аномалий в вариациях локального геомагнитного поля с периодами подготовки местных землетрясений с магнитудой выше 5 (Душанбинского 16.12.80, Чимионского 6.05.82, Газорчашминского 23.02.83, Дкиргаталь-ского 26.10.84, КаЯраккумского 13.10.85, Каудальского 23.02,87, Иитионского 21.12.87, Гиссарского 22.01.89, а также землетрясений гиндукушской сейсмогенной зоны и Афганской депрессии) обнаружены следующие закономерности:

- величины тектономагнитнкх эффектов составляют первые нанотесла, редко достигая 10 нТл;

- формы эффектов - бухтообразные как положительного, так и отрицательного знаков;

- моменты землетрясений приурочены стадиям возврата временного хода сейсмотектонемагнитных эффектов к фоновому уровню;

- в так называемой ближней эпицентральной зоне подтверждаются эмпирические зависимости для её радиуса (М) и длительности Тс (М);

- в средней зоне длительности сейсмотектономапштных эффектов подготовки землетрясений с магнитудой М убывают с ростом эпицентрального расстояния магнитометрических пунктов;

- в дальней зоне (гиндукушские землетрясения и землетрясения Афганской депрессии) длительности сейсмотектономаг-нигкых эффектов не превышают одного-двух месяцев, отсутствуют принципиальные различия в эффектах глубокофокусных и неглубоких землетрясениях;

- в очаговой зоне радиусом, примерно равном среднему радиусу очага по Ю.В.Ризниченко, могут наблюдаться эффекты и большой и малой величины; ,

- проявляются анизотропность и мозаичность тектономаг-нитных эффектов;.

- проявляются тектономагнигные эффекты на постсейсмической стадии.

Наиболее представительные из полученных - дачные о среднесрочных сейсмотектономапштных эффектах, пространстпснно-

временные масштабы проявления Которых в ближней зоне логли-нейно зависят от магнитуды.

Еухтообрааность форш обнаруженных сейсмотектономагнит-ньпс эффектов соответствует представлениям геомеханшш об уп-руто-пластическом характере разрушения среды и модели консолидированного включения И.П.Добровольского. Обнаружение величин тектономагнитных эффектов 8-10 нТл даже для землетрясений с далёкими эпицентрами безотносительно глубин гипоцентров, исключает действие пьезомагнитного механизма как основного в условиях слабомагнитных свойств горных пород района исследований, приуроченность моментов основных толчков стадиям возврата хода сейсмотектономагнитных эффектов независимо от элицентральных расстояний свидетельствует о близкодействующем характере механизмов возникновения этих эффектов. Действие механизма фильтрации подземных флюидов и электрокинетических явлений в условиях градиентов тектонических напряжений в возникновении тектономагнитных эффектов возможно, однако предполагает существование фильтрации при небольших • градиентах давлений величиной доли МПа на километр (пример проявления тектономагнитных эффекте® гиндукушской зоны) и, кроме того, существование такого тонкого эффекта как образование двойного электрического слоя на границе флюидов с минеральными частицами вмещающей геосреды. В диссертации выдвигается предположение о возможна.! действии нового механизма возникновения тектономагнитных эффектов, в основе которых лежит известное в физяко-химии явление диффузии ионов какого-либо энака с повышенной подвижностью на границе соприкосновения двух электролитов. Подземные воды тектокосферы, как известно, представляют собой электролиты, часто с весила высокой концентрацией ионов. Изменения в физическом состоянии геосреды во время подготовки землетрясений приводит к нарушению баланса ионов её электролитов и, следовательно, к возникновению тока ионов. При этом должно происходить докальное разделение зарядов противоположного знака, изменения в электропроводности геосреды и возникновение соответствующих электрических потенциалов, аналогичных потенциалам течения.

Такие процессы подтверждаются измерениями деформаций земной коры, £^ (И.Л.Нерсессш и др., 1991), электротеллури-

ческого потенциала и (А.В.Пономарёв п др., 1991), текто-номагнитного эффекта 5 Т (Ф.Х.Каримов и др., 1989) в эпи-центральной области подготовки Дяиргатальского землетрясения

1Э80 81 82 03 84 85 голы Рис.5. Аномалии геофизических полей перед Джиргатальским землетрясением 2-",. 10.84 г.

Возникновение аномалий электропроводности в областях подготовки местных землетрясений в радиусе Е^ (Ы) также обнаружено по вариациям амплитуд солнечно-суточных геомагнитных вариаций в районе исследований (Ю.П.Сковородкин и др., 1986). В рамках выдвигаемой гипотезы возникновения тектономагнитных эффектов их знаки зависят от знаков ионов с наибольшей подвижностью, а анизотропность и мозаичнооть эффектов - от направлений токов этих ионов относительно направления вектора лояльного геомагнитного поля и относительно друг друга, соответственно.

В заключении сформулированы основные результаты диссертации, которые выносятся на защиту.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ

1. В рамках представлений о непрерывном распределении электронной спиновой плотности, на основе применения вариационных принципов к исследованию полного термодинамического потенциала построена строгая теория магнитной структуры идеальных частиц магнетита и титаномагнетита. Получены аналитические выражения и точные верхние значения для критических радиусов однодоменности и абсолютной однодоменности в моделях "закручивание" 1-го, 2-го типа и винтовой.

2. Выполнено исследование устойчивости квазиоднодомен-ных магнитных структур в зависимости от геометрических размеров частиц магнетита и титаномагнетита на основе анализа экстремумов функций полного термодинамического потенциала от параметров неоднородности структур. Получены критерии для оценок степени магнитной "жёсткости" частиц. Показано, что частицы магнетита и титаномагнетита относятся к мапштояёст-ким, с неустойчивыми квазиоднодоменными структурами.

3. Па основании сравнения полных термодинамических потенциалов частиц с магнитными структурами "закручивание" и винтовой с большой степенью неоднородности в линейном приближении показано, что вторая энергетически выгоднее.

4. lia основании представлений теории Л.Нееля показано, что поверхностная анизотропия должна оказывать существенное влияние на формирование типа и степень однородности магнит- ■

них структур частиц. Установлено, например, что учёт поверхностной анизотропии может привести к изменению на порядок оценок для радиуса однодоменности и, следовательно, как эффект объёмный, - к переоцвнкам на три порядка магнитных моментов частиц.

5. Исследовано явление суперпарамагнетизга в относительно крупных частицах в рамках "жёсткой" и "мягкой" винтовых моделей. Показано, что рост степени неоднородности магнитных структур приводит к уменьшению их устойчивости и возможно возникновение суперпарамагнитного состояния, названного в диссертации закритическим.

6. Рассмотрен ряд аспектов влияния температур и давлений на верхнее значение критического радиуса однодоменности. Показано, что существующие неопределённости прежде всего в зависимости.параметра обменного взаимодействия от температуры, приводят к неоднозначности оценок для изменений намагни-ченностей горных пород с глубиной залегания в магнитоактив-ном слое. Показано, что однородные давления могу? уменьшать критический радиуо однодоменного состояния до некоторого значения, тлеющего емкол критического для наступления абсолютно однодоменного состояния. Впервые введено новое понятие - об абсолютной однодоменности частиц по отношению к действию давлений.

7. Получены точные решения магкитостатических задач для •ряда моделей ансамблей магнитных частиц и частиц с макроскопическими дефекта?,га: типа "цепочки сфер", сфер, дисков, плёнок с'немагнитными включениями. Показано, что геометрия ансамблей и макроскопических дефектов могут оказывать существенное влияние на формирование типов магнитных структур и критические параметры их состояний.

8. Идентифицированы тектоношгнитные эффекта, наиболее представительны!,я из которых оказались среднесрочные (по классификации Т.Рикитаке (1978)) для подготовки землетрясений Таджикистана с мапштудой выше 5. Обнаружены особенности проявления тектономагнитных эффектов в различных пространственных зонах: очаговой, ближней, средней, дальней. Показано, что процессы возникновения этих эффектов носят близкодействующий характер.

9. На основании комплексного анализа амплитудных, про-отранотвенннх и временных закономерностей проявления деформаций локальных аномалии земной коры, олектротеллурического потенциала, геомагнитного поля выдвинута гипотеза о процессах диффузии ионов подзешых флюидов как возможном механизме возникновения тектономагнитных эффектов.

• Таким образом, решение задач диссертации привело к созданию системы классификации магнитных структур частиц основных носителей магнетизма горных пород - магнетита и титаномаг-нетита (глава I). Это даёт возможность более полно интерпретировать известные экспериментальные данные по изменению магнитных свойств горных пород, а такхе значительно расширить круг задач, представляющих большое значение не только для магнетизма горных пород и тектономагнетизма, но и для смежных областей геомагнитологии (палеомагнетизма, магнитной минералогии , магниторазведки). Полученные результаты - это основа для создания модели магнитоактивного слоя тектоносферы, а также для проведения теоретических расчётов магнитных свойств глубинных горных пород, недоступных для непосредственного изучения, в частности, представляющих собой источники тектономагнитных эффектов.

Идентификация тектономагнитных эффектов позволило существенно расширить статистику обнаружения таких эффектов в районе исследований, выявить новые амплитудные и пространственные закономерности их проявления (главы II, Ш). Выдвинутые на основании данных магнитометрии предложения о характере протекания сейсмотектонических процессов и о диффузии ионов подземных флюидов как о возможном механизме возникновения тектономагнитных эффектов в районе исследований стимулируют проведение новых лабораторных, натурных экспериментов и полевых наблюдений.