ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2010, № 7, с. 87-91
ДИСКУССИИ
УДК 537.611.2:550.383
КАКОВА ЖЕ ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ ДИФФУЗИОННОЙ МАГНИТНОЙ ВЯЗКОСТИ В ГОРНЫХ ПОРОДАХ С ОДНОДОМЕННЫМИ
НОСИТЕЛЯМИ НАМАГНИЧЕННОСТИ? © 2010 г. В. А. Большаков
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, географический ф-т
E-mail: vabolshakov@mail.ru Поступила в редакцию 09.04.2009 г.
В журнале Физика Земли, № 1 за 2009 г, опубликована статья Л.Л. Афремова, В.И. Белоконя и К.В. Нефедева "Магнитное последействие в системах однодоменных взаимодействующих частиц и магнитная вязкость горных пород". В аннотации к статье, в частности, сказано, что "... в приближении термически-активационного механизма намагничивания получены согласующиеся с экспериментом зависимости вязкой остаточной намагниченности от времени, температуры и магнитного поля. Проведена оценка зависимости времени образования вязкой намагниченности от температуры прогрева образца. Рассчитана вязкая намагниченность, обусловленная диффузией в магнитных частицах". Сразу замечу, что фраза о "зависимости времени образования вязкой намагниченности", очевидно, составлена неудачно, так как время образования вязкой намагниченности — это возраст породы, который, конечно, не связан с температурой прогрева образца. Возможно, авторы имели в виду широко известный факт зависимости от времени образования вязкой намагниченности температуры прогрева образца, необходимой для лабораторной магнитной чистки этой намагниченности?
Поскольку указанные в аннотации расчеты, оценки и зависимости различных параметров магнитной вязкости были предметом многочисленных экспериментальных и теоретических исследований, результаты которых отражены в множестве публикаций, логично было надеяться на какие-либо новые достижения авторов в данном направлении. Однако эти надежды, в основном, не оправдались. Осталась непонятной цель написания статьи. Если это обзор, то почему не упоминаются работы в этом направлении других авторов? Если это результаты новых расчетов авторов, основанных на новых моделях, то почему опять же они не сравниваются с результатами более ранних исследований и на этой основе не обсуждаются преимущества работы, проведенной авторами? Потому как если преимуществ нет, то надо указать, в чем смысл проведенной работы.
Вообще, корректные ссылки на опубликованные по обсуждаемой теме работы других исследователей необходимы, с одной стороны, из этических соображений, с другой стороны, из соображений практической полезности. Они указывают на осведомлен-
ность, компетентность авторов, а сопоставление различных точек зрения по обсуждаемой проблеме делает выводы более обоснованными — как известно, истина рождается в дискуссии. И именно такая уникальная возможность широкого обсуждения полученных различными исследователями материалов и выводов является одним из главных преимуществ, которые дает публикация в регулярно выходящем рецензируемом научном журнале. Помимо сказанного выше, в статье заметное количество неконкретных, неточных положений, заключений и формулировок (подобных уже приведенной), затрудняющих понимание ее содержания. Перейду к некоторым конкретным примерам.
Во введении авторы указывают на практическую подоплеку необходимости дальнейшего изучения вязкой остаточной намагниченности для повышения точности оценки величины (и направления) первичной намагниченности, что верно. Однако, их утверждение, что "... для определения древнего геомагнитного поля влияние I„ можно практически исключить температурной чисткой и усреднением по большому количеству образцов с различными магнитными свойствами" (курсив мой — В.Б.) в части "усреднения" представляется загадочным. Возможно, здесь имеется в виду работа Б.В. Гусева [1970], однако в ней не исключалась, а выделялась с другой целью — для определения возраста, при этом использовались образцы (гальки) не с различными, а с одинаковыми магнитными свойствами, но с хаотическими направлениями намагниченности.
Кроме этого, в публикации декларируется некий новый подход к рассмотрению проблем магнитной вязкости — на основе аналогий с так называемыми спиновыми стеклами (СС). Авторы так обосновывают свой новый подход: "Заметим, что большинство материалов с СС-упорядочением — твердые сплавы замещения, концентрация "ферромагнитных" атомов в которых ниже некоторой критической — в этом смысле они аналогичны многим ферромагнитным (ферримагнитным) материалам горных пород. Нельзя исключить, что механизм магнитного последействия в некоторых горных породах и спиновых стеклах имеет общую природу" (курсив мой — В.Б.).
На мой взгляд, однако, аналогию между наиболее распространенными в породах магнитными минералами: магнетитом, маггемитом, грейгитом, гематитом, титаномагнетитами — и сплавами замещения найти довольно трудно, что подтверждается и мнением специалистов по материаловедению (А.К. Гапеев, устное сообщение). Также эти минералы не соответствуют определению, данному в [Ко-ренблит, Шендер, 1984]: "... состояние спинового стекла... типично для неупорядоченных магнетиков, то есть таких магнетиков, в которых атомы, обладающие спином, не образуют правильную кристаллическую решетку, а расположены случайным образом". Более логичную, на мой взгляд, аналогию между описанием магнитных свойств горных пород и СС можно искать не в структуре магнитных материалов (магнитных минералов или бинарных сплавов), а в том, что в обоих случаях на магнитные носители (магнитные частицы или "ферромагнитные" атомы) действуют случайные поля взаимодействия (соответственно магнитостатической или обменной природы). На последнем, однако, настаивать не буду — я не теоретик и не специалист по спиновым стеклам. Тем не менее, очевидно, что правильное понимание аналогии между процессами магнитного последействия в спиновых стеклах и горных породах необходимо в рамках задачи, поставленной в статье [Афремов и др., 2009].
Исследование вязкой намагниченности термо-активационной природы в системе однодоменных взаимодействующих частиц в статье основано на использовании частной формы уравнения Аррениуса:
Т =^ {И }• (1)
которое обычно применяется при изучении темпе-ратурно-временных аспектов процессов магнитной релаксации и термоактивационной, и диффузионной природы. Здесь т — время релаксации частицы, m — "средний магнитный момент частицы", Hc — ее критическое поле, k — постоянная Больцмана, Т — абсолютная температура, У0 — так называемый частотный фактор, величина которого, как указывают авторы статьи — 1011—1012 с-1. Замечу, однако, что оценки, проведенные Л. Неелем [№е1, 1949, 1955], для магнетита дали величину ^ порядка 109—1010 с-1. При этом по данным разных авторов (ссылки см. в [Большаков, 1996]) величины^ заключены в основном в пределах 108—1013 с-1.
Из уравнения (1) для вязкой остаточной намагниченности получено уравнение: 1 = 2 к Т1Д 1п [ ?/?' ] ™ тВ Ис1 - Яс,0' где H — действующее внешнее магнитное поле, B — параметр, характеризующий взаимодействие, I — намагниченность насыщения, t — время намагничивания, f — время измерения намагниченности, Hc, 0, Нс, 1 — пределы изменения критических полей, внутри которых они распределены равномерно. Другое
(2)
ограничение, используемое авторами, определяется фразой: "В малом внешнем поле время релаксации определяется критическим полем". Таким образом, исключается наиболее широко рассматриваемое влияние на время релаксации объема частицы и, вообще говоря, внешнего поля. Даже если поле мало, оно определяет, как показал Neel [1949], разное время релаксации частиц с магнитными моментами, направленными "по" и "против" этого магнитного поля, что, по сути, и вызывает вязкое намагничивание. (Рецензент моей статьи предлагает здесь пользоваться статистическим объяснением процесса вязкого намагничивания: "Намагничивание вызывается различной вероятностью нахождения частиц в состояниях по и против поля, в соответствии с принципом Больцмана". Однако физика явления и в этом случае связана с тем, что флуктуирующие магнитные моменты частиц будут чаще перемагни-чиваться по полю, чем против него и, соответственно, будут больше времени находиться "по полю", чем "против поля").
На мой взгляд, при выведении формулы (2) авторам следовало бы подробнее обосновать введение множителя H/B. Анализируя полученную формулу, авторы пишут: "... вязкая намагниченность Irv ~ Sln t, причем S ~ T, так как Is и B одинаково зависят от температуры". Однако, коэффициент магнитной вязкости S существенно нелинейно зависит от температуры, поскольку в знаменателе формулы (2) есть еще Hc и Is (определяющая величину магнитного момента m), которые, как известно, зависят от температуры нелинейно. Не могу не отметить, что теоретические формулы, связывающие величину вязкой намагниченности с температурой, временем ее формирования, величиной магнитного поля, а также с распределением магнитных частиц по временам релаксации были получены ранее многими исследователями. На мой взгляд, было бы очень полезно сравнить выводы этих исследователей (хотя бы, например, [Walton, Dunlop, 1985], где также учитывалось взаимодействие между частицами, или [Щербаков и др., 2000], которые рассматривали процесс вязкого намагничивания в системе однодо-менных (ОД) взаимодействующих частиц, также проводя аналогии со спиновыми стеклами) с выводами обсуждаемой здесь работы. Отмечу здесь и то, что при анализе формулы (2) авторы даже не упоминают о том, что рядом исследователей, в том числе Л.Е. Шолпо, получены иные, нелинейные зависимости параметров магнитной вязкости от lnt и T.
Далее в статье [Афремов и др., 2009] получена формула, связывающая время t и температуру Т0 формирования вязкой намагниченности породы с температурой Т1 и временем t*, необходимыми для ее чистки:
lg ft * = m ( Ti )H.,t ( Тi) Ti ä/0 m( To)H. t(To) To
Из формулы (3) (в которой в сомножителе Т1/Т0 надо поменять местами Т1 и Т0) было получено, что для t ~ 1014 c (около 3.5 млн. лет), f0 ~ 1010 с-1, Т0 ~ ~ 300°K и Т1« 450°K, t* получается около 100 с. Заметим, однако, что такие расчеты, с использованием для этих целей уравнения Аррениуса, проводятся уже много лет. Е
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.