ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2008, № 10, с. 56-68
УДК 550.382.3
О ФЛОККУЛЯЦИОННОМ МЕХАНИЗМЕ ОБРАЗОВАНИЯ ОСТАТОЧНОЙ НАМАГНИЧЕННОСТИ ОСАДОЧНЫХ ПОРОД
© 2008 г. В. П. Щербаков, Н. К. Сычева
Геофизическая обсерватория "Борок", ИФЗ им. О.Ю. Шмидта РАН, пос. Борок (Ярославская обл.)
Поступила в редакцию 01.12.2007 г.
Выполнено численное моделирование процесса коагуляции частиц в агрегаты с учетом броуновского движения, сил Ван-дер-Ваальса, гравитации, стоксовского трения и магнитостатического взаимодействия при их осаждении на дно водоема и оценена роль этого процесса в образовании седимен-тационной намагниченности (DRM). Полученные кластеры (в результате случайной агрегации кластеров меньшего размера) имеют рыхлую и ветвистую структуру, среднее значение величины фрактальной размерности кластеров d = 1.83 ± 0.23. Магнитные частицы в процессе коагуляции не образуют цепочек или кластеров, как это предполагалось в ряде предыдущих работ, а относительно равномерно распределяются среди немагнитных частиц, что дает дополнительный аргумент в пользу того, что цепочки частиц магнетита, обнаруживаемые в морских осадках, имеют биогенное происхождение, а не являются результатом притяжения магнитных частиц друг к другу за счет магнитостатического взаимодействия. Показано, что процесс осаждения подчиняется своего рода принципу масштабной инвариантности: количество кластеров и среднее число частиц в них не изменяются при одновременном изменении глубины бассейна H и концентрации исходного материала на поверхности с0 (при постоянстве температуры и исходного размера частиц r) таким образом, что произведение Hc0 = const. Коагуляция является важнейшим фактором, формирующим структуру придонного слоя и намагниченность суспензии при относительно высокой концентрации c0, типичной для условий переосаждения, озер и прибрежных морей. Для океанических осадков в силу малости c0 коагуляция практически не играет роли.
PACS: 91.25.F-
ВВЕДЕНИЕ
Палеомагнитные исследования на осадочных породах поставляют важную информацию об истории геомагнитного поля, палеоклимате, состоянии окружающей среды, лежат в основе построения магнитостратиграфической шкалы и т.д. Вместе с тем, наше понимание физики образования остаточной намагниченности осадочных пород (1Г0) остается далеко неудовлетворительным, что ведет к целому ряду затруднений при интерпретации данных, полученных по той или иной осадочной толще. Процесс образования 1Г0 очевидным образом связан с процессом формирования осадочных пород, который можно разбить на два этапа: собственно осаждение частиц в водной среде с поверхности водоема на дно и последующее уплотнение и консолидация осадка при его погружении в более глубокие слои. Длительная дискуссия по вопросу о физике образования 1Г0 привела исследователей к выводу о том, что этим двум этапам следует сопоставить два типа остаточной намагниченности - седиментационную (БИМ) и постседиментационную (рБЯМ) [Храмов, 1982]. По определению, БЙМ возникает непосредственно в процессе осаждения путем частичной ориентации магнитных моментов т магнитных частиц
по направлению геомагнитного поля ВЕ, а рБЯМ образуется за счет постепенного разворота т к направлению ВЕ в полужидком осадке уже после осаждения. Последний процесс продолжается до тех пор, пока возможность изменения ориентации частиц в осадке не заблокируется полностью. Если по вопросу о разделении 1Г0 на БИМ и рБЯМ среди палеомагнитологов имеется полное согласие, то по вопросу о том, какой из этих видов является доминирующим, мнения разделились на противоположные. В пользу доминирования БИМ говорят результаты прямых измерений на сверхпроводящем магнитометре намагниченности частиц магнетита и маггемита размера от 0.5 до 15 мкм непосредственно во время их оседания в жидкости [БЫуе, 1985]. Согласно этим экспериментам, магнитная суспензия, действительно, приобретает намагниченность будучи помещенной во внешнее магнитное поле В. Мало того, механизм приобретения намагниченности оказался настолько эффективен, что уже в полях В, меньших 100 мкТ, величина 1Г0 близка к намагниченности насыщения осадка 4а1. Сходный результат, но при измерении намагниченности уже осажденного материала получен в работе [Таихе е! а1., 2006]. С другой стороны, в подавляющем большинстве экспериментов по пе-
реосаждению наблюдалось соотношение Iro < Isat, а в работе [Carter-Stiglitz et el., 2006] было показано, что величина pDRM, полученной при переосаждении в полях =BE, сравнима с естественной остаточной намагниченностью NRM этих осадков. Для того чтобы разобраться в сложившейся ситуации, необходим последовательный анализ процессов, происходящих как непосредственно во время осаждения, так и при консолидации осадка. Поскольку решающую роль в образовании DRM играет коагуляция частиц и размер образующихся при этом флоккул [Shcherbakov and Shcherbako-va, 1983; Tauxe et al., 2006], то прежде всего необходимо исследовать процесс слипания частиц в агрегаты при их осаждении на дно водоема и роль образующихся флоккул в образовании DRM, что и является целью настоящей работы.
ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ
Первой теоретической моделью образования DRM была модель индивидуальной частицы [На-гата, 1965], в которой рассматривалось оседание сферической частицы радиуса r в условиях, когда единственным фактором, мешающим ориентировке ее магнитного момента m по направлению B, является вязкость воды n ~ 10-3 Pa s. В этом случае характерное время поворота m по направлению B есть тг = 8щг3/тБ. Используя соотношение m = Iv, где v = (4n/3)r3 - объем, I0 - намагниченность частицы, получим
Tr ~ 6n/I0B.
(1)
Как следует из (1), даже при B ~ 50 цТ и I0 > 100 А/м (столь малую намагниченность могут нести зерна гематита или магнитомягкого многодоменного магнетита) сила вязкого трения преодолевается за доли секунды, т.е. частицы даже с очень слабой намагниченностью практически мгновенно успевают полностью сориентироваться по полю при условии r < 100 мкм. Иными словами, при любом мыслимом размере частиц в осадке и глубине бассейна H величина Iro должна быть близка к Isat. Этот вывод противоречит как палеомагнитным данным, так и большинству результатов, полученных методом переосаждения, поскольку намагниченность как искусственных, так и естественных (керны морских и озерных отложений) осадков даже в самых верхних слоях, с влагосо-держанием в 90% и выше, далека от насыщения [Barton, 1980; Katari and Bloxham, 2001].
Стало быть, если продолжать придерживаться концепции индивидуальной частицы, то нужно допустить, что в процессе осаждения на нее должны действовать мощные дезориентирующие факторы, которыми могут служить, в первую очередь, термические возбуждения [Collinson, 1965; Храмов, 1968], благодаря которым магнитный момент каждой частицы находится в состоянии локального термоди-
намического равновесия. Это означает, что его средняя по времени величина определяется функцией Ланжевена m = mL(mB/kBT), где kB - постоянная Больцмана, T - температура, которую в дальнейшем будем принимать равной 300 K. Отсюда видно, что термофлуктуации эффективны лишь при условии mB < kBT, т.е. они хаотизируют лишь мелкую одно-доменную (ОД) фракцию магнетитовых зерен размером до 60 нм.
В качестве дезориентирующего фактора могут рассматриваться и гидродинамические силы, приводящие к вращению зерна при осаждении за счет асимметрии (пропеллерности) его формы. Как показано в работе [Черноус, Щербаков, 1980], эти силы могут привести к лишь определенной дезориентации m оседающей частицы, выражающейся, главным образом, лишь в некотором завышении наклонения. Из всего сказанного следует, что модель изолированно оседающей частицы следует признать несостоятельной. Этот вывод можно подкрепить и известными эмпирическими фактами, заключающимися в том, что результат переосаждения одного и того же осадочного материала значительно зависит как от применяемого метода (разовый или порционный), так и от солености воды, чего никак не могло бы быть в случае справедливости модели изолированно оседающей частицы.
В качестве альтернативы в работе [Shcherbakov and Shcherbakova, 1983] предложена флоккуля-ционная модель (развитая позже в работах [Katari and Tauxe, 2000; Katari et al., 2000; Katari and Bloxham, 2001; Tauxe et al., 2006]), в основе которой лежит тот факт, что частицы, осаждающиеся в водоеме, сталкиваются друг с другом и образуют конгломераты. Поскольку кластеры содержат, в основном, немагнитные частицы, то их эффективная намагниченность I резко падает, что приводит к увеличению времени ориентации магнитного момента кластера md по направлению внешнего магнитного поля B. Далее, конгломерат падает на дно намного быстрее отдельной частицы, следовательно, оба эти фактора могут привести к тому, что за время осаждения суммарный момент кластера не успеет сориентироваться и Iro окажется <IS.
Слипание частиц в результате столкновений обеспечивается силами Ван-дер-Ваальса, магнитные же частицы могут связываться и магнитными силами. Следует различать тепловую и кинематическую коагуляции [Фукс, 1955]. В первом случае столкновения частиц проистекают из их броуновского движения, во втором - из направленного движения частиц относительно других. Одним из вариантов кинематической коагуляции является гравитационная, когда крупные частицы при своем оседании подбирают более медленно оседающие мелкие зерна.
Согласно [Фукс, 1955; Смирнов, 1991], скорость ассоциации двух частиц радиусов г и Я при тепловой коагуляции есть
Y br
2 kBT( r + R) 2 3 n rR
(2)
Для монодисперсного материала г = Я характерное время образования пары частиц тЬг = 1/(у6гп) =
_ 3п
8 kBTn
, где np - концентрация частиц в суспен-
зии. (Вообще говоря, величина уЬг требует введения поправки на коэффициент прилипания а [Фукс, 1955], но к этому вопросу мы вернемся ниже.)
При гравитационной коагуляции частица радиуса Я оседает со стоксовской скоростью и(Я) = = Арg/6■кцЯ через слой более мелких частиц радиуса г < Я и плотности пр, движущихся со скоростью и(г). Здесь Ар = р. - рк ~ 2 г/см3, р. - плотность частиц, - плотность воды, g - ускорение свободного падения. Как
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.