ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2015, № 6, с. 91-102
УДК 550.383.3:549.641.23
ТИТАНОМАГНЕТИТЫ СО СТРУКТУРАМИ РАСПАДА МАГНЕТИТ-УЛЬВОШПИНЕЛЬ, КОЭРЦИТИВНЫЕ СВОЙСТВА: МОДЕЛИРОВАНИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТ © 2015 г. Ш. З. Ибрагимов
Казанский (Приволжский) федеральный университет, Институт геологии, г. Казань, Россия
E-mail: Shamil.Ibragimov@kpfu.ru Поступила в редакцию 02.04.2014 г.
Исходя из экспериментальных данных предложены одно-, двух- и трехдоменные модели для структур распада магнетит—ульвошпинель. Модели представлены для нулевого состояния, состояния остаточной намагниченности насыщения. Особенностями предложенных моделей является расчет магнитостатического взаимодействия между ферромагнитными матрицами магнетита, разделенными парамагнитными ламелями ульвошпинели. Рассчитаны критические размеры перехода матриц из однодоменного состояния в двухдоменное. На основании расчетов сделан вывод о том, что матрицы могут иметь только одно- или двухдоменную структуру. Рассчитаны параметры Mrs/Ms для матриц различных размеров, рассчитаны зависимости роста индуктивного магнитного момента Mi в полях до 25 мТл. Для двух образцов проведены исследования на электронном микроскопе с целью определения размеров структур распада. Для этих двух образцов проведено сопоставление экспериментальных данных с расчетными параметрами на основании предложенных моделей. Получена хорошая сходимость расчетных и экспериментальных параметров.
Ключевые слова: распад титаномагнетита, магнетит, ульвошпинель, энергия взаимодействия, размер структур распада, моделирование магнитного состояния.
БО1: 10.7868/8000233371504002Х
ВВЕДЕНИЕ
Для траппов Якутской алмазоносной провинции типичны титаномагнетиты со структурами распада магнетит—ульвошпинель. Структуры распада в центральной части представляют собой титаномагнетиты, близкие по составу к магнетиту, окруженные ламелями, по составу близкими к уль-вошпинели.
По данным просвечивающей электронной микроскопии установлено, что матрицы магнетита представляют собой прямоугольные образования от кубической формы до параллелепипедов. Размеры матриц и ламелей колеблются в довольно широких пределах: для матриц от первых десятков нанометров до первых сотен нанометров, для ламелей от 10 до 50 нм, матрицы по размерам подчиняются гаус-совому распределению [Feinberg, 2006]. По мнению авторов [Evans, 2006] основным фактором, определяющим магнитные свойства титаномагнетитов со структурами распада магнетит—ульвошпинель, является магнитостатическое взаимодействие ферромагнитных матриц.
В данной работе предложена модель магнитного состояния титаномагнетитов со структурами распада магнетит—ульвошпинель с учетом магни-тостатического взаимодействия и сопоставлены
результаты моделирования с экспериментальными данными.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ
Коллекция образцов представлена долеритами Далдын—Алакитского междуречья Западной Якутии. Магнитно-минералогические измерения проводились на оборудовании палеомагнитной лаборатории Казанского федерального университета: измерения естественной остаточной намагниченности осуществлялись рок-генератором /К-4; начальной магнитной восприимчивости образцов — каппаметром КЬУ-1; термомагнитный анализ (ТМА) проводился на установке дифференциального термомагнитного анализа (ДТМА) [Буров, 1981]; зависимости индуктивной намагниченности от внешнего магнитного поля М(В) и зависимости остаточной намагниченности от внешнего магнитного поля МГ(В) измерялись на установке коэрцитивного спектрометра (КС) [Уазопоу, 1998].
Из обширной коллекции образцов траппов (всего 285 образцов долеритов), по термомагнитному критерию [Артемова, 1988] (первый нагрев — одна магнитная фаза с Тс около 560°С, на повторном нагреве — продукты частичной гомоге-
низации структур распада магнетит—ульвошпи-нель), были отобраны 24 образца для дальнейших исследований. По этой коллекции образцов были измерены: естественная остаточная намагниченность (/и), начальная магнитная восприимчивость (ж) и рассчитаны факторы Кенисбергера (0; рассчитаны параметры анизотропии (Ка) по трем измерениям во взаимно перпендикулярных направлениях значений ж и нормальной остаточной намагниченности (/г), наведенной в поле 50 мТл.
Параметры анизотропии образцов изменяется в узких пределах — от 1.00 до 1.04 (среднее значение 1.02), т.е. анизотропия начальной магнитной восприимчивости и остаточной намагниченности практически отсутствует. Фактор 0 образцов изменяется в пределах от 1.91 до 35.3 при среднем значении 7.40. Изменения значений ж (минимум 379 х 10-5 ед. СИ, максимум 1102 х 10-5 ед. СИ, среднее 682 х 10-5 ед. СИ) происходит в узких пределах, все различие в факторе 0 обусловлено значительными вариациями значений естественной остаточной намагниченности. Необходимо отметить, что для образцов траппов, у которых на термомагнитных кривых первого и повторного нагревов регистрируются только магнетит (вероятно магнетит или титаномагнетиты со структурами распада магнетит—ильменит), значения ж в несколько раз выше. Объяснить такое различие в значениях ж разной концентрацией зерен ферромагнетиков в долеритах сложно, потому что образцы траппов с различными термомагнитными кривыми отобраны с одних обнажений.
Для регистрации изменений коэрцитивных свойств после частичной гомогенизации структур распада магнетит—ульвошпинель была проведена следующая серия экспериментов. По каждому из 24 образцов был подготовлен препарат, который мог поместиться в держатель установки ДТМА и в измерительную ячейку КС. Последовательность измерений: а) измерение на установке КС в поле до 500 мТл (до нагрева); б) первый нагрев на установке ДТМА в поле 100 мТл до 650°С; в) измерение на установке КС в поле до 500 мТл (после нагрева); г) повторный нагрев на установке ДТМА в поле 100 мТл до 650°С.
На рис. 1 показаны результаты всего цикла экспериментов образца 14_6. Как видно из рисунка, после прогрева образца, в результате частичной гомогенизации структур распада, значения поля, разрушающего остаточную намагниченность насыщения Всг и значения коэрцитивной силы Вс, уменьшаются примерно вдвое. Уменьшение этих параметров отмечается для всех образцов. На рис. 2 показаны диаграммы Дея—Данлопа образцов до и после нагрева. До нагрева образцы группируются в области одно- и псевдооднодоменных (ОД—ПОД) состояний (значения Шг/Ш\ в пределах от 0.1 до 0.23, значения Всг/Вс от 1.7 до 2.6). После нагрева об-
разцов, в результате частичной гомогенизации структур распада магнетит—ульвошпинель, происходит смещение в сторону многодоменного (МД) состояния (значения Mrs/Ms в пределах от 0.06 до 0.17, значения Bcr/Bc от 2.1 до 4.4). Изменение параметров Mrs/Ms и Bcr/Bc в результате нагрева будут зависеть от размеров структур распада и от режима нагревания.
Для двух образцов (14_6 и 10_18) были получены снимки структур распада (рис. 3). Снимки были получены на автоэмиссионном сканирующем электронном микроскопе Merlin компании Carl Zeiss в отраженных электронах, полированная поверхность аншлифа предварительно травилась соляной кислотой. По каждому образцу были посчитаны площади структур распада (ферромагнитных матриц) и относительное удлинение матриц (отношение сторон прямоугольников), результаты показаны на рис. 4.
Для определения состава титаномагнетитов со структурами распада магнетит—ульвошпинель, на 10 образцах был проведен микрозондовый анализ. В результате анализа были получены следующие значения (по содержанию ульвошпинелевого минала в первичном титаномагнетите): минимальное значение — 40.4% (Fe26li0.4O4), максимальное — 62.9% (Fe2.37TiQ.63O4), среднее - 49.6% (Fe2.5Ti0.5O4).
Выводы по экспериментам:
1. Отмечается отсутствие анизотропии начальной магнитной восприимчивости и остаточной намагниченности в образцах, содержащих тита-номагнетит со структурами распада магнетит-ульвошпинель.
2. Наблюдается заниженные значения начальной магнитной восприимчивости в образцах, по сравнению с образцами с титаномагнетитами без данных структур распада.
3. Регистрируется изменение доменной структуры образцов в результате нагрева — от однодо-менной (ОД) - псевдооднодоменной (ПОД) к многодоменной (МД). Это изменение обусловлено частичной гомогенизацией структур распада магнетит—ульвошпинель в результате нагрева. Можно использовать как дополнительный критерий определения структур распада магнетит—уль-вошпинель в горных породах.
ОПИСАНИЕ МОДЕЛИ
Для расчетов магнитостатической энергии каждой матрицы и энергии взаимодействия соседних магнетитовых матриц была выбрана модель расчетов поверхностных зарядов (домены однородно намагничены). Для расчета кубической матрицы каждая грань куба разбивалась на 30 х 30 элементарных ячеек, для которых рассчитывался заряд (рис. 5а). Для параллелепипеда количество ячеек по оси удлинения (в нашем случае
0 100 200 300 400 500 600
T, °C
(б)
(в)
Рис. 1. Экспериментальные данные образца 14_6: (а) — зависимости индуктивного магнитного момента М-1 от температуры, измеренного в поле В = 100 мТл, 1 — первый нагрев; 2 — повторный нагрев; (б) — зависимости М(В) и остаточного магнитного момента МГ(В) до нагрева образца; (в) — зависимости М(В) и МГ(В) после первого нагрева образца.
ось Y) увеличивалось пропорционально удлинению.
В выбранной системе координат структуры распада ориентированы по координатным осям, тогда как оси легкого намагничивания (ОЛН) магнетита будут ориентированы по пространственным диагоналям куба. Для структур распада магнетит—ульвошпинель, где ферромагнитные
матрицы составляют пространственную структуру со значительным числом матриц, это является значимым фактором. Для ОД матриц этот факт не является существенным, потому что магнитоста-тическая энергия (и можно предположить, что также и энергия взаимодействия матриц) значительно больше кристаллографической энергии. А вот в случае двух- и трехдоменной структур, когда объемы доменов будут значительными, эти энер-
М/М 0.3 -
0.2
0.1
• •
л
А А А
>▲ А
▲ ▲ ▲ ▲
2 3 4 5
• До нагрева АПосде нагрева Всг/Вс
Рис. 2. Диаграмма Дея—Данлопа коллекция образцов до и после нагрева до 650°С в установке ДТМА. Пояснения в тексте.
1
обр
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.