ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2008, № 3, с. 92-96
УДК 550.382.3
ГИГАНТСКИЕ СКАЧКИ БАРКГАУЗЕНА В БАЗАЛЬТОВЫХ ЛАВАХ КАМЧАТКИ
© 2008 г. В. С. Вечфинский, С. С. Соловьева, О. В. Гусев
Академия государственной службы при Президенте Российской Федерации,
филиал в г. Рыбинске
Рыбинская государственная авиационная технологическая академия им. П.А. Соловьева, г. Рыбинск
Поступила в редакцию 17.04.2006 г.
Показано, что изверженные породы могут обладать такой магнитной текстурой, в которой возможно возникновение гигантских скачков Баркгаузена. Также показано, что магнитные минералы горных пород способны хранить информацию о нескольких магнитных полях (даже различных по характеру) и о нескольких полях термонамагничивания.
РЛС8: 91.25.F-
Исследования, проведенные в последние тридцать лет, показали, что магнитная текстура фер-римагнитных минералов, содержащихся в горных породах, в результате их термонамагничивания в постоянном поле НТ способна хранить информацию об условиях, в которых происходило это термонамагничивание. В первую очередь это относится к "запоминанию" породой напряженности НТ [Шашканов, 1982; Вечфинский, 1989; Вечфинский, 1992]. При термонамагничивании горной породы, содержащей многодоменные частицы магнетика, возникает наведенная магнитная анизотропия (НМА) диффузионной природы. Одним из следствий НМА является появление на частных петлях гистерезиса намагниченности подобных пород перетяжек, которые наблюдаются при значениях намагничивающего поля, близких напряженности НТ. Эти перетяжки вызваны появлением на пути движения доменных границ больших потенциальных энергетических барьеров, которые обусловливают большие скачки Баркгаузена (СБ) [Вечфинский, 1999]. Эти большие потенциальные барьеры возникают вследствие перераспределения дефектов кристаллической решетки ферримагнетика, содержащегося в породе (примесей, вакансий, микротрещин и т.п.). Вопросы диффузионной магнитной анизотропии, магнитного последействия в применении к магнетизму горных пород рассматривались многими авторами. В том числе эти вопросы рассмотрены в работах [Белоконь, 1979; Трухин, 1966; Трухин, 1973; Тропин, 1975; Шолпо, 1989]. Термин НМА взят из физики ферритов и родственных им магнитных окислов [Крупичка, 1976]. В применении к магнетизму горных пород часто рассматривается понятие "магнитной текстуры" [Шашканов, 1982]. На наш взгляд это по-
нятие значительно шире, чем термин НМА. В то же время наведенная магнитная анизотропия, рассматриваемая в физике, значительно отличается от той, которая анализируется в наших работах. "Обычная" НМА связывается с понижением (дезаккомодацией) начальной магнитной восприимчивости и возникновением на частных петлях намагниченности перетяжки в районе нулевого магнитного поля. Это так называемый пермин-вар-эффект. Но, во-первых, данная перетяжка не несет явно информации об условиях, в которых она создавалась. В то же время, перетяжки, рассматриваемые в наших работах, несут информацию о напряженности и направлении поля термонамагничивания, температуре, от которой охлаждалась порода, и о давлении, которое действовало на образец породы при термонамагничивании [Ершов, 1999]. Во-вторых, перетяжки, вызванные "обычной" НМА, как правило, чем на два порядка больше рассматриваемых нами. В-третьих, перетяжка, возникающая в нулевом поле, наблюдается при измерении петли гистерезиса в любом направлении относительно оси образца. Максимальная величина перетяжек, рассматриваемых нами, наблюдается при измерении частной петли гистерезиса вдоль направления магнитного поля (НТ), в котором происходило термонамагничивание, и совершенно не видна при измерении петли перпендикулярно НТ. Последнее отличие нам кажется особенно важным. Таким образом, в нашем случае возникает слабая одноосная анизотропия. Причем не просто одноосная, а однонаправленная (но не обменного типа) [Вечфинский, 1986]. Поэтому назовем НМА, обусловливающую информационные перетяжки, рассматриваемые в наших работах, од-
ненаправленной наведенной магнитной анизотропией ОНМА.
Как уже говорилось выше, данные перетяжки вызваны большими скачками Баркгаузена в многодоменных зернах ферримагнитных минералов, содержащихся в породе.
Однако действительно гигантские СБ могут наблюдаться в некоторых породах, независимо от напряженности поля термонамагничивания и вообще от того - намагничивались эти породы или нет.
Большие перетяжки наблюдались на образцах камчатской лавы четвертичного периода (вулкан Мутновский), содержащих многодоменные зерна титаномагнетита с низким содержанием титана (температура Кюри (ТС) равнялась 520-570°С).
Частные петли гистерезиса измерялись на образцах с природной остаточной намагниченностью. Затем те же образцы термонамагничива-лись при охлаждении от ТС до комнатной температуры в постоянных магнитных полях НТ = 1-2 Э. Далее образцы нагревались до ТС и охлаждались в немагнитном пространстве. То есть в ферримане-тиках, содержащихся в них, создавалось абсолютное нулевое состояние (АНС). Образцы также размагничивались переменным магнитным полем промышленной частоты и амплитудой 500 Э. Размагничивание производилось по трем осям образца кубической формы с длиной ребра 1 см. Таким образом, образец приводился если не в нулевое состояние (НС), то, по крайней мере, в парциальное нулевое состояние.
Частные петли гистерезиса, полученные на образцах с природной и термоостаточной намаг-ниченностями, а также на образцах, находящимися в абсолютном нулевом состоянии или размагниченных переменным магнитным полем, были практически одинаковы. Наблюдаемые перетяжки соответствовали приблизительно одним и тем же значениям намагничивающего поля, независимо от предыстории образца (от 5 до 10 Э). На рис. 1а приведена частная петля гистерезиса одного из этих образцов.
По формулам, приведенным в работе [Веч-финский, 1999], мы рассчитали теоретические петли гистерезиса, в которых на пути движения доменных границ возникают гигантские потенциальные барьеры. График подобной петли приведен на рис. 16. Оказывается, что энергия этих гигантских барьеров должна не менее чем в 100 раз превышать энергию потенциальных барьеров магнитных минералов с обычными петлями гистерезиса и примерно в 10 превышать энергию барьеров, отвечающих за появление
перетяжек на петлях, несущих информацию о величине поля НТ.
Надо отметить следующее. В 1925-1933 годах ряд исследователей, экспериментировавших с образцами ферромагнитной проволоки, наблюдали на петлях гистерезиса участки скачкообразного изменения намагниченности. Причем величина этих скачков доходила до 1/10 индукции насыщения. Образцы представляли собой короткие отрезки проволоки из никелевых и пермалоевых сплавов. Образцы предварительно подвергались механическим напряжениям (растяжению и сжатию), а также термообработке. Причиной подобных резких изменений намагниченности являлись гигантские скачки Баркгаузена. С недавних пор материалы с петлями гистерезиса подобными петле, приведенной на рис. 1а, применяются в технике и технологии ферримагнитных материалов [Ахизина, 1995; 1997]. Причем эти ферриты сложны по составу и технологии изготовления. Перетяжки на петлях гистерезиса таких материалов также наблюдаются при одних и тех же значениях намагничивающего поля. Что характерно, петли гистерезиса, подобные приведенной на рис. 1а, наблюдаются на материалах, подвергнутых упругой деформации, то есть под воздействием внешнего давления. В природе горные породы также подвергаются воздействию давления со стороны окружающих толщ. Наши эксперименты показывают, что ферримагнетики, нужные в технике и получаемые по специальным и сложным, а значит и дорогостоящим, технологиям, существуют в природных условиях.
Здесь, как нам кажется, следует привести еще некоторые результаты, не публиковавшиеся ранее.
Как уже неоднократно говорилось, при диффузионной стабилизации на пути движения доменных границ возникают "гигантские" потенциальные энергетические барьеры. Слово "гигантские" здесь поставлено в кавычки, потому что согласно теоретической оценке они превышают средний уровень энергии ДГ примерно в 10-20 раз. И только в особых случаях они действительно становятся гигантскими. Поэтому при исследовании слабых эффектов магнитной памяти горных пород, связанных с НМА, измеряются так называемые скомпенсированные дифференциальные петли гистерезиса (СДПГ), в которых подавлена первая гармоника ЭДС [Вечфинский, 1989].
Эксперименты показали, что магнитная текстура породы способна фиксировать напряженность нескольких магнитных полей (даже различных по характеру), а также несколько температур термонамагничивания. Этот факт проиллюстрирован следующими опытами.
94
ВЕЧФИНСКИЙ и др.
(а) /, усл. ед.
(б)
-50 (в)
(г)
е, шУ
Примеры частных интегральных (а), (б) и скомпенсированных дифференциальных (в), (г) петель гистерезиса образцов базальтовых лав Камчатки (пояснения в тексте).
Образец охлаждался в поле НТ = 5 Э. На его СДПГ наблюдалась перетяжка в полях Н ~ 5 Э. Затем образец выдерживался несколько дней в немагнитном пространстве. На его СДПГ возникла перетяжка в нулевом поле вследствие дезакко-модации начальной проницаемости. Далее после выдержки в переменном магнитном поле с амплитудой 8 Э были созданы еще две перетяжки. Результирующая СДПГ представлена на рис. 1в. На нем ясно видно, что магнитная текстура породы зафиксировала и напряженность поля термонамагничивания, и амплитуду переменного магнитного поля.
То, что ОНМА горной породы может фиксировать несколько температур своего прогрева, показали опыты, подобные следующему. Образец нагревался до ТХ1 = 250°С и охлаждался в НТ1 = 30 Э.
Затем образец снова нагревался до ТХ2 = 150°С и охлаждался в НТ2 = 10 Э. В результате на образце наблюдались СДПГ с перетяжками в полях 10 и 30 Э. Скомпенсированная дифференциальная петля гистерезиса образца, подготовленного таким образом, приведена на рис. 1г (стрелки показывают положение перетяжек). При последующем нагреве при 150°С исчезала перетяжка в 10 Э, а при 250°С - в 30 Э.
Если температура второго нагрева превышала предыдущую (то есть ТХ2 > ТХ1), то на СДПГ появлялась перетяжка,
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.