ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2004, № 4, с. 37-43
УДК 550.382.3
МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ДАВЛЕНИЯ И ТЕМПЕРАТУРЫ НА НАВЕДЕННУЮ МАГНИТНУЮ АНИЗОТРОПИЮ МАГНЕТИТСОДЕРЖАЩИХ ПОРОД
© 2004 г. В. С. Вечфинский, Д. А. Ларионов, С. В. Гагаркин, Д. С. Великанов
Рыбинская государственная авиационная технологическая академия Поступила в редакцию 26.11.2002 г.
Изложена физико-математическая модель влияния давления и температуры на эффекты памяти наведенной магнитной анизотропии изверженных горных пород, содержащих многодоменные частицы магнетита и титаномагнетита с различным содержанием титана. По этой модели рассчитаны зависимости параметров перетяжек частных петель гистерезиса намагниченности от давления и температуры.
МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ДАВЛЕНИЯ НА ЭФФЕКТЫ НМА
Известно, что в результате охлаждения пород в некотором постоянном магнитном поле НТ от температур Тх < Тс (Тс - температура Кюри) в содержащихся в них магнитных минералах возможно возникновение так называемой наведенной магнитной анизотропии (НМА)), НМА проявляется в виде перетяжек, возникающих на частных петлях гистерезиса намагниченности при напряженности намагничивающего поля близком или равном НТ [Вечфинский, 1984]. При последующем нагреве перетяжка исчезает при температуре Тх (при условии, что Тх < Тс) [Вечфинский, 1987]. Таким образом, породы способны фиксировать и хранить информацию о напряженности геомагнитного поля и температурах своего прогрева. На основе этих свойств НМА были разработаны методы определения палеонапряженнос-ти [Шашканов, 1985] и палеотемпературы [Вечфинский, 1994].
Следует сразу оговорить терминологию. В физике ферримагнетиков, изначально при объяснении перетянутых петель гистерезиса был введен термин НМА [Крупичка, 1976]. В работе [Шашканов, 1985] эффекты памяти, обусловленные возникновением в магнетике горной породы определенной текстуры, названы магнитотекстур-ной памятью. Надо подчеркнуть, что понятие магнитной текстуры и магнитотекстурной памяти шире понятия НМА (по крайней мере по отношению к изверженным и осадочным породам). Здесь же мы рассматриваем только перетянутые петли гистерезиса и, хотя рассматриваемые перетяжки кардинально отличаются от перетяжек, открытых в конце 20-х годов прошлого века [Крупичка, 1976], для объяснения причин, их вызывающих, сохранен термин НМА как более узкий, отвечающий конкретному явлению.
Исследования показывают, что эффекты НМА изверженных пород, наблюдаемые на образцах, НМА которых создана при участии давления, сильно зависят от величины этого давления (Рх) [Ершов, 1999].
Здесь мы рассмотрим физико-математическую модель, описывающую влияние давления и температуры на параметры, характеризующие перетяжку на частных петля гистерезиса. Эта модель основана на теории зависимости магнитной восприимчивости от постоянного поля для пород, обладающих НМА, предложенной в работе [Вечфинский, 1999]. Поскольку исследования эффектов НМА проводились в основном на изверженных породах, содержащих многодоменные зерна магнетита и титаномагнетитов, то данная модель относится именно к таким ферримагнетикам. Однако, мы считаем, что предлагаемая теория с равным успехом может быть отнесена и к иным фер-римагнитным минералам.
Предлагаемая модель отнюдь не претендует на теорию магнито-диффузионных процессов и теорию создания в породе, содержащей многодоменные минералы, наведенной магнитной анизотропии. Эти теории разрабатывались задолго до проведения данной работы. Даже простое перечисление большинства работ, посвященных диффузионным процессам в магнитных материалах и горных породах, не представляется возможным в этой небольшой статье. Можно только отметить часть из них: [№е1, 1955; Вонсовский, 1971; Журавлев, 1975; Крупичка, 1976; Лесник, 1976; Рате-нау, 1961; Тропин, 1975а; Тропин, 19756; Трухин, 1966; Трухин, 1972; Трухин, 1973; Трухин, 1974].
Данная модель позволяет лишь описывать влияние давления и температуры на параметры перетяжек, возникающих на частных петлях гистерезиса магнетитсодержащих пород, при возникновении в них НМА. В дальнейшем (возможно) предлагаемая модель позволит по экспериментальным данным
оценивать отдельные параметры, характеризующие НМА в конкретных образцах изверженных пород. Это потребует разработки специальной компьютеризованной установки для исследования магнитных свойств подобных образцов.
Кроме того, есть все основания полагать, что НМА пород способна фиксировать информацию о давлении Рх, действовавшем на породу в момент наведения в ней анизотропии в геомагнитном поле. По крайне мере эффекты НМА, отражающиеся в изменении формы частных петель гистерезиса намагниченности, зависят от этого давления. То есть, компьютерное моделирование зависимости параметров перетяжек на частных петлях гистерезиса от давления может помочь в решении конкретной задачи - построении метода определения палеодавлений.
Приведенные далее результаты компьютерного моделирования сравнивались с экспериментальными данными, полученными на породах, взятых из палеомагнитных коллекций Камчатки, Курильских островов и Дальнего Востока. В основном это были базальтовые лавы, содержащие согласно минералогическим исследованиям, многодоменные частицы магнетита и титаномагнети-тов. Температуры Кюри исследованных образцов лежали в пределах 300-575°С. Часть образцов была ранее проанализирована на электронно-зондовом микроанализаторе "СатеЬах" сотрудником геофизической обсерватории "Борок" ОИФЗ РАН В.А. Цельмовичем.
Рассмотрим некоторые известные положения диффузионной теории НМА, позволяющие оценить влияние внешних факторов на параметры перетяжек частных петель гистерезиса.
НМА, возникающая в породах при их охлаждении в магнитном поле, обусловлена диффузионной стабилизацией доменных границ (ДГ). В результате нагрева-охлаждения пород в постоянном магнитном поле в них происходит диффузионная перегруппировка различных дефектов (примесей, вакансий и т.п.). В результате этой перегруппировки в магнетике породы меняется внутренняя энергия, и доменные границы стабилизируются в соответствии с ее минимумом. Одновременно происходит и другой процесс - движение доменных границ под воздействием магнитного поля через пониженные в результате нагрева энергетические потенциальные барьеры (так называемый "термофлуктационный" процесс). Здесь уже дефекты увлекаются границами, которые опять стабилизируются в новых положениях в соответствии с новым минимумом энергии. В обоих случаях положение стабилизированных ДГ зависит от напряженности намагничивающего поля. Оба процесса идут одновременно. Преобладание какого-либо из них зависит от состава, структуры образцов пород, температуры нагрева, внутренних и внешних напряжений и т.п. При комнатной тем-
пературе, когда диффузионные процессы крайне замедленны, видимо, преобладают термофлукта-ционные процессы. При низких температурах также возможна "электронная диффузия", т.е. упорядочение валентности ионов путем перескока электронов. Например, в случае корреляции электронного обмена Бе2 ^ Ре3 в магнетите с миграцией вакансий возможно понижение энергетического барьера, которое ион преодолевает при перескоке в соседнюю позицию [Крупичка, 1976]. В то же время, при высоких температурах активизируются диффузионные процессы и их роль в создании НМА становится преобладающей. Следует отметить, что НМА, созданная при охлаждении образца породы от высокой температуры, обусловленная диффузионными процессами, много более стабильна как во времени, так и по отношению к размагничиванию переменным магнитным полем (к), чем НМА, созданная при комнатной температуре [Вечфинский, 1987].
Во всех этих случаях доменная граница при стабилизации (т.е. при создании НМА) попадает в энергетическую яму. Для того, чтобы выбраться из этой ямы граница должна преодолеть так называемый "гигантский" потенциальный барьер, положение которого в общей картине распределения энергии границы зависит от напряженности поля термонамагничивания Нт. Совокупность этих "гигантских" барьеров вызывает перетяжку на частных петлях гистерезиса намагниченности. Схемы распределений градиента энергии вдоль оси движения 180-градусной доменной границы магнетиков, обладающих НМА приведены в работах [Вечфинский, 1999; Уе1сЫ1шк1, 2000]. Как показано в этих работах, подобные перетяжки наблюдаются на петлях гистерезиса при их измерении в переменных магнитных полях, не выходящих за область Релея. Энергия и расположение "гигантских" барьеров на пути движения доменных границ характеризуются некоторой дисперсией (разбросом). Эта дисперсия носит случайный характер, так как набор дефектов, их расположение в каждом конкретном образце породы является случайным. На основе этих положений в работе [Вечфинский, 1999] предложена формула для магнитной восприимчивости образцов, обладающих НМА.
К = к Н + { Ь + К :ехр [-(Нт - Н )2/К 2 ]}* Н. (1)
Здесь кн - начальная магнитная восприимчивость, К1 = К */, К2 = 2а2, а - среднее квад-ратическое отклонение, Ь - постоянная Релея.
Формула (1) справедлива только при малых напряженностях магнитного поля, т.е. в области
Релея. Коэффициент К * приблизительно показывает во сколько раз энергия НМА больше средней энергии ДГ. К1 зависит как от энергии, так и от дисперсии в положении "гигантских" ба-
рьеров, т.е. от их разброса вокруг некоторого среднего положения, определяемого напряженностью HT. K2 характеризует разброс в положении "гигантских" барьеров. K * - безразмерная величина. K1 и K2 имеют размерности в гауссовой системе единиц Э-1 и Э2 соответственно.
Формула (1) хорошо описывает экспериментальные данные по зависимости магнитной восприимчивости магнетитсодержащих пород, в которых была создана НМА [Большаков, 1986].
При экспериментальных исследованиях слабых эффектов памяти НМА измеряются скомпенсированные дифференциальные петли гистерезиса намагниченности (СДПГ). СДПГ - это дифференциальная петля гистерезиса, в которой почти отсутствует (скомпенсирована) первая гармоника, определяемая в основном обратимой намагниченностью, несущей мало информации об НМА [Вечфинский, 1984]. Перетяжка, несущая информацию о поле HT, характеризуется глубиной (Ае), шири
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.