ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2004, № 11, с. 70-74
УДК 550.382.3
ВЛИЯНИЕ ДАВЛЕНИЯ НА ТЕМПЕРАТУРНУЮ ПАМЯТЬ НАВЕДЕННОЙ МАГНИТНОЙ АНИЗОТРОПИИ ГОРНЫХ ПОРОД
© 2004 г. В. С. Вечфинский, Д. С. Великанов, С. В. Гагаркин
Рыбинская государственная авиационная технологическая академия Поступила в редакцию 21.04.2003 г.
В работе приводятся результаты исследований влияния давления на температурную память наведенной магнитной анизотропии (НМА) магнетитсодержащих пород. Показано, что давление, в присутствии которого в магнитных минералах создавалась НМА, затрудняет последующее определение температуры, до которой проходил нагрев породы.
Магнитная текстура ферримагнитных минералов, содержащихся в горных породах, чутко реагирует на воздействие на нее магнитного поля Земли, температуры и давления, которое испытывает порода в условиях глубинного залегания. Известно, что в содержащихся в породах ферримагнитных минералах при их нагреве и охлаждении в геомагнитном поле возможно возникновение наведенной магнитной анизотропии (НМА) [Шашканов, 1985; Большаков, 1986; Вечфинский, 1987; Вечфинский, 1992].
Одним из проявлений НМА является возникновение перетяжек на частных петлях гистерезиса намагниченности. Собственно, перетянутые петли гистерезиса впервые были получены на технических ферримагнетиках еще в 20-х годах прошлого века. Объяснение возникновению подобных перетяжек было дано давно в работах Ямомото, Танигучи и многих других [Крупичка, 1976]. Оно заключается в том, что в результате совместного воздействия на породу магнитного поля и высокой температуры в многодоменных ферримагнитных частицах происходит диффузионная стабилизация доменных границ. Естественно, что при этом температура нагрева ферримаг-нетика не должна превышать температуры Кюри (Тс). Если ферромагнетик нагревается выше Тс, то стабилизация доменных границ происходит при его охлаждении ниже Тс. В результате подобной стабилизации доменные границы попадают в потенциальные энергетические ямы или, иначе говоря, на их пути возникают "гигантские" потенциальные барьеры, которые и обусловливают возникновение перетяжки на петле гистерезиса.
Исследования показали, что в результате охлаждения образцов пород, содержащих многодоменные магнитные минералы (магнетит, титано-магнетиты, пирротин) в постоянном магнитном поле НТ = 0.5-50 Э от температур Тх < Тс в них может возникать особый вид наведенной магнитной анизотропии. Эта анизотропия проявляется, в ча-
стности, в возникновении на петлях гистерезиса намагниченности перетяжек при значениях намагничивающих полей, близких напряженности Нт . НМА сохраняет информацию о напряженности постоянного магнитного поля и температуре, при которой она была создана [Вечфинский, 1987].
Из экспериментов также следует, что если возникновение НМА происходило при воздействии на образец давления, то величина эффектов, связанных с НМА, существенно изменяется [Ершов, 1999]. Исследования показывают, что НМА несет информацию не только о магнитном поле и температуре, при которых была создана, но и о давлении, действовавшем на породу. Однако до сих пор во многом остается неясной связь температурной памяти НМА с величиной давления, действовавшего при ее создании.
Прежде чем перейти анализу результатов исследования влияния давления на температурную память НМА, требуется пояснить вкратце сам эффект температурной памяти.
Если нагреть образец породы, содержащий многодоменные частицы ферримагнитных минералов, до некоторой температуры Тх и охладить его в постоянном магнитном поле НТ, то, как уже сказано, на его частных петлях гистерезиса возможно возникновение перетяжки при напряжен-ностях намагничивающего поля, близких и равных напряженности НТ. При последующем нагреве перетяжка на петле гистерезиса сохраняется до температуры Тх (если Тх < Тс) и исчезает при более высоких температурах.
Схематически (реальная перетяжка в 50-100 раз меньше) подобная перетянутая петля гистерезиса показана на рис. 1а.
При исследовании НМА слабомагнитных горных пород измеряют так называемые скомпенсированные дифференциальные петли гистерезиса намагниченности (СДПГ), в которых практически отсутствует (скомпенсирована) первая гармо-
20 к
-200
Рис. 1. (а) - схематическое изображение частной петли гистерезиса, перетянутой в поле Ит, (б) - пример перетянутой СДПГ образца базальтовой лавы Камчатки. Образец был охлажден от температуры Тх = 250°С в поле Нт = 10 Э.
ника ЭДС. Принцип измерения СДПГ был изложен относительно давно [Вечфинский, 1984]. Пример перетянутой СДПГ образца базальтовой лавы Камчатки приведен на рис. 16. Образец ранее был охлажден от температуры Тх = 250°С в поле НТ = 10 Э.
В то же время определять величину Тх по исчезновению перетяжки на петле гистерезиса образца породы в процессе его нагрева довольно сложно. Точность подобного определения Тх также невелика. Для определения этой температуры используется метод высших гармоник (МВГ).
В данном случае общий принцип методов высших гармоник заключается в разложении ЭДС, образующей СДПГ, на составляющие гармоники и анализе зависимостей амплитуд этих гармоник или их соотношений от различных факторов.
В работе [Вечфинский, 1994] на основе способности НМА хранить информацию о температуре, при которой она была создана, предложен магнитный геотермометр для определения температур вторичных нагревов пород.
Температура, при которой была создана НМА, определяется по локальным максимумам или минимумам на зависимостях амплитуд высших гармоник от температуры. То есть Тх определяется по экстремумам на графиках Ап = ДТ). Ап -амплитуда третьей или пятой (может быть и более высокой) гармоники ЭДС, образующей СДПГ. Т - текущая температура нагрева образца породы, в котором ранее была создана НМА при температуре Тх.
Для исследований мы использовали образцы лав Камчатки, Курильских островов и Дальнего Востока разного возраста и генезиса, взятых из различных геологических коллекций. Согласно термомагнитным анализам и анализам, проведенным на микроанализаторе "СатеЬах" старшим научным сотрудником обсерватории "Борок" ОИФЗ РАН В.А. Цельмовичем, образцы содержали
многодоменные зерна магнетита и титаномагне-титов с температурами Кюри 200-570°С. Возраст пород колебался от десятков лет (лавы извержения вулкана Толбачик в 1970-х годах прошлого века) до десятков миллионов лет (миоцен).
При наведении в породе НМА под давлением и при различных температурах образцы пород помещали в кварцевую трубку с нагревательной обмоткой и подвергали одноосному статическому сжатию с помощью двух цилиндрических пуансонов диаметром 1 см, изготовленных из немагнитного материала. Образцы пород имели кубическую форму с ребром в 1 см. Давление на пуансоны регулировалось в пределах от атмосферного до 75 МПа. Постоянное магнитное поле (НТ = 030 Э) создавалось по оси сжатия образца с помощью соленоида, охватывающего кварцевую трубку. Для измерения СДПГ образцов применялось синусоидальное переменное магнитное поле к частотой 1 кГц.
Для создания НМА в образце при охлаждении от некоторой температуры Тх (Тх < Тс) под действием статического давления образец нагревали от комнатной температуры Тк до Тх в присутствии поля НТ и давления Рх, определенное время выдерживали при данной температуре в магнитном поле под давлением, а затем охлаждали до Тк при одновременном действии НТ и Рх.
Далее, при снятом давлении измеряли скомпенсированные дифференциальные петли гистерезиса. СДПГ измеряли в переменном магнитном поле амплитудой к = 2НТ. Перетяжки наиболее четко видны именно при таких амплитудах.
ЭДС, образующую СДПГ, разлагали с помощью фильтров на гармоники, и измеряли амплитуды третьей и пятой гармоник (А3 и А5). Исследования показали, что наибольшую информацию о НМА в подобных экспериментах содержат именно эти гармоники. Далее образец нагревали и регистрировали изменение амплитуд гармоник в
Т, °с
Рис. 2. Примеры графиков А3/А5 = /(Т) образца, НМА которого ранее была создана при охлаждении от температуры 230°С в поле Нт = 10 Э при разных давлениях Рх.
зависимости от температуры образца, т.е. определялись зависимости Ап = /(Т) (п - номер выбранной гармоники). Определялись также зависимости отношения амплитуд выбранных гармоник от температуры, т.е. графики А3/А5 = /(Т).
После охлаждения образец размагничивался переменным магнитным полем с амплитудой 500 Э промышленной частоты для разрушения возможных следов перетяжки на петле гистерезиса, и в нем снова создавалась НМА при нагреве-охлаждении от той же температуры Тх в поле НТ, но уже при более высоком давлении.
При создании НМА время выдержки образца в магнитном поле под давлением при температуре Тх составляло 20-25 минут. Этого времени достаточно, чтобы перетяжка на СДПГ достигла максимальной величины.
Исследования показали, что температуру предыдущего нагрева образца (температуру Тх) можно определять не только по экстремумам на гра-
фиках Ап = /(Т), но и по локальным максимумам на графиках и А3/А5 = /(Т). Использование для определения Тх отношения гармоник во многих случаях предпочтительнее, чем определение температуры создания НМА по зависимостям Ап = /(Т). Часто амплитуды третьей и пятой гармоник в данных экспериментах меняются в противофазе. Поэтому их отношение более чутко реагирует на изменение перетяжки. В то же время при нагреве образца может меняться форма его петли гистерезиса. Причем часть этого изменения не связана с НМА. В результате меняется и отношение А3/А5. Но как правило эти изменения более плавные, захватывают большую область температур и резко отличаются от экстремумов на зависимостях А3/А5 = /(Т), обусловленных НМА.
Эксперименты показали, что давление влияет на температурную магнитную память. При создании НМА в отсутствие давления на графике А3/А5 = /(Т) имеется ярко выраженный локальный максимум при температуре Тх (рис. 2а). Если же НМА была создана при охлаждении образца под давлением, то этот максимум начинает "плавать", становится более размытым. Его положение на зависимостях А3/А5 = /(Т) смещается. Причем часто это смещение происходит в сторону более низких температур. Но иногда этот максимум смещае
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.