CC BY
36
Магнитооптическая визуализация магнитных полей рассеяния образцов горных пород с помощью магнитоодноосных пленок ферритов-гранатов
В. В. Рандошкин1,0, Н. В. Васильева2, Ю. А. Дурасова3, H.H. Сысоев1,2, П. Н. Сысоев4,
В. М. Ладыгин5
Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова.
Россия, 119991, Москва, Ленинские горы, д. 1.
Физический факультет, 1 Центр гидрофизических исследований;
2 кафедра молекулярной физики; 3 кафедра общей физики; 4 кафедра физики Земли.
5 Геологический факультет, кафедра инженерной и экологической геологии.
E-mail: а [email protected]
Статья поступила 09.06.2009, подписана в печать 08.07.2009
С помощью эпитаксиальиых пленок (ЕН,Ьи)з(Fe,Ga)sOi2 с одноосной магнитной анизотропией наблюдаются магнитные поля рассеяния образцов горных пород с включениями магнитных зерен и кристаллов магнетиков. Исследуются базальтовые породы с включениями титаномагнетита и самородного железа, а также кристаллы титаномагнетита, магнетита и пирротина. Магнитные поля рассеяния визуализируются с помощью эффекта Фарадея.
Ключевые слова: палеомагнетизм, магнитооптический эффект Фарадея, доменные стенки, кристаллы.
УДК: 550.384; 537.632.4. PACS: 91.60.Pn.
Введение
Ферро- и ферримагнитные минералы, входящие в состав оболочки Земли, являются, с одной стороны, одним из источников геомагнитного поля и, с другой стороны, носителями информации о «магнитной истории» Земли.
Согласно современным представлениям, основной вклад (~99%) в геомагнитное поле дают процессы, протекающие в жидком ядре Земли. Заметное влияние на геомагнитное поле оказывают локальные магнитные аномалии, например Курская и Магнитогорская, что указывает на наличие вклада магнитных полей рассеяния горных пород в геомагнитное поле. Основное поле вблизи поверхности Земли по форме близко к полю гигантского магнитного диполя. Напряженность геомагнитного поля убывает от магнитных полюсов к магнитному экватору и не превышает 0.7 Э. По земным меркам такое поле считается малым.
Магнитное поле Земли непосредственно изучается с XVI в., так что кроме его современной пространственной конфигурации известны также и его вековые изменения. Об изменениях геомагнитного поля на протяжении прошедших 109 лет мы знаем по данным палеомагнитных исследований [1, 2]. В прошедшие геологические эпохи геомагнитное поле через каждые 105 —107 лет претерпевало «внезапную» в геологическом масштабе времени переполюсовку (инверсию) — изменение ориентации магнитного диполя на противоположную (инверсия поля происходит в течение примерно 1000 лет).
Большинство горных пород содержит, хотя и в малом количестве (от 0.1 до 10%), минералы, являющиеся оксидами и сульфидами железа и обладающие фер-римагнитными свойствами. Эти минералы встречаются в виде мелких зерен, рассеянных в немагнитной (точнее, парамагнитной или диамагнитной) основной массе, обычно представленной силикатами. Магнитные зерна
находятся на относительно больших расстояниях друг от друга, так что их магнитные поля рассеяния не оказывают взаимного влияния, а горные породы в целом обладают слабой намагниченностью. Тем не менее сами зерна представляют собой достаточно сильные магнетики, характеризуемые остаточной намагниченностью, магнитострикцией и достаточно высокой коэрцитивной силой.
Магнитные минералы входят в состав горных пород в виде множества фаз и твердых растворов оксидов железа (в первую очередь с диоксидом титана). Выделяют сильномагнитные кубические кристаллы: магнетит (Ре304), маггемит (7-Ре203) и титаномагне-тит — твердый раствор магнетита с ульвешпинелью (РегТЮ^, а также менее магнитные ромбоэдрические минералы: пирротин Ре^Б, гематит (РегОз) и его твердые растворы с ильменитом (РеТЮз).
Магнитное зерно является монодоменным, если оно имеет достаточно малые размеры. При увеличении размеров зерна его магнитная структура под действием магнитостатических сил изменяется: однодоменное состояние разваливается на два или более магнитных домена, каждый из которых намагничен до насыщения. В соседних доменах направления векторов намагниченности не совпадают, так что суммарная намагниченность зерна и магнитные поля рассеяния в окружающем пространстве уменьшаются. Во внешнем магнитном поле доменная структура может изменяться путем поворота векторов намагниченности в однодомен-ных или смещения доменных стенок в многодоменных зернах. Этим изменениям препятствуют потенциальные барьеры, которые могут быть преодолены только при воздействии магнитных полей, превышающих коэрцитивную силу, которая составляет 20-100 Э и более для магнетита и порядка нескольких сот эрстед для мелкозернистого гематита.
Направление остаточной намагниченности образцов
горных пород зависит не только от направления локального геомагнитного поля при остывании породы, но и от магнитокристаллической анизотропии магнитного зерна, анизотропии его формы, а также от деформации образца.
Для визуализации магнитных полей рассеяния различных объектов с помощью магнитооптического эффекта Фарадея используют Bi-содержащие монокристаллические пленки ферритов-гранатов (Вс-МПФГ) с одноосной магнитной анизотропией, обладающие гигантским фарадеевским вращением [3]. Целью настоящей работы являлось исследование магнитооптической визуализации магнитных полей рассеяния различных образцов горных пород и магнитных минералов с помощью магнитоодноосных Вс-МПФГ.
1. Методика эксперимента
Для исследований были выбраны образцы базальтов, содержащие зерна титаномагнетита и самородного железа, и кристаллы титаномагнетита, магнетита и пирротина. Для визуализации магнитных полей рассеяния образцов использовали эпитаксиальные Вс-МПФГ состава (Bi,Lu)3(Fe,Ga)sOi2 с одноосной магнитной анизотропией, выращенные на одной поверхности подложки Gd3Ga5012 с ориентацией (111) методом жид-кофазной эпитаксии [3, 4]. На другую поверхность подложки наносили зеркальное покрытие и защитный слой, что позволяло повысить контраст изображения доменной структуры при ее наблюдении в отраженном свете за счет двойного эффекта Фарадея. В экспериментах визуализирующая Вс-МПФГ зеркальной стороной лежала на образце горной породы.
В отсутствие внешнего магнитного поля в магнитоодноосных Вс-МПФГ чаще всего реализуется лабиринтная структура противоположно намагниченных («светлых» и «темных») полосовых доменов одинаковой ширины w = Р0/2, где Р0 — равновесный период полосовой доменной структуры. Специальными способами в этих пленках могут быть созданы и другие конфигурации доменной структуры, в частности решетка прямолинейных полосовых доменов. В настоящей работе никаких мер для упорядочения доменной структуры в Вс-МПФГ не принималось.
Исследования проводились с помощью оптического микроскопа серии DM R фирмы Leica. В зависимости от увеличения объектива разрешающую способность микроскопа можно варьировать в диапазоне от 0.37 до 1.83 мкм. Фотографирование поверхности образцов горных пород проводили в белом отраженном неполя-ризованном свете, а доменную структуру в Вс-МПФГ наблюдали в белом отраженном поляризованном свете. Благодаря дисперсии магнитооптического эффекта Фарадея изображение доменной структуры в Вс-МПФГ имеет цветовой контраст [3].
2. Результаты и их обсуждение
Магнитооптические изображения, приведенные в работе, получены с помощью Вс-МПФГ с периодом полосовой доменной структуры Ро = 22.5 мкм. Приложение постоянного магнитного поля Нь вдоль оси легкого намагничивания (по нормали к пленке)
приводит к увеличению ширины т\ «выгодно» намагниченных доменов за счет ширины «невыгодно» намагниченных доменов, при этом период Р = т\ + шг полосовой доменной структуры также возрастает (Р>Ро). При достаточно большом Нь магнитоод-ноосная Вс-МПФГ намагничивается до насыщения в направлении поля Нь.
Приложение постоянного магнитного поля Н-т в плоскости пленки приводит к уменьшению периода полосовой доменной структуры (Р<Р0), причем ширина противоположно намагниченных доменов остается одинаковой. При достаточно большом Н-т магнито-одноосная Вс-МПФГ намагничивается до насыщения в направлении поля Н-т.
Результат воздействия постоянного неоднородного магнитного поля Н0 на магнитоодноосную Вс-МПФГ зависит от его напряженности и градиента /3. Если /3 превышает некоторое критическое значение /Зс, то в Вс-МПФГ формируется уединенная доменная стенка, проходящая через точки, в которых внешнее магнитное поле равно нулю. Если ¡3 < ¡Зс, то в Вс-МПФГ формируется область с «гребенкой» полосовых доменов, причем огибающие, проходящие через кончики полосовых доменов, визуализируют линии с напряженностями Я = —Нц и Я = +Нц, где Нц — поле насыщения Вс-МПФГ вдоль оси легкого намагничивания.
На рис. 1 приведены полученные при одинаковом увеличении микрофотография поверхности полированного андезибазальта с включениями зерен титаномагнетита и его магнитооптические изображения. На микрофотографии видно, что исследуемый участок горной породы содержит около 10 магнитных зерен с размерами от до ~400 мкм (рис. 1 ,а). Зерна идентифицировались как области с повышенным отражением («белые» области). Приведенное на рис. 1,6 магнитооптическое изображение содержит особенности доменной структуры, пространственно совпадающие с «белыми» областями. Некоторые мелкие «белые» области (№ 2, 6 и 8) на магнитооптическом изображении являются монодоменными, в то время как крупным «белым» областям (№ 7 и 10) соответствуют конфигурации полосовых доменов, ширина которых изменяется по площади области. Такие конфигурации являются следствием неоднородности магнитных полей рассеяния зерен титаномагнетита, причиной чего могут быть распад титаномагнетита на ульвешпинель и магнетит или самообращение намагниченности [5]. Особенно выделяется мелкое зерно № 2, которому на магнитооптическом изображении соответствует монодоменная конфигурация достаточно большого размера. По-видимому, оно не претерпело распада на фазы и самообращения частей зерна.
В дальнейшем на образец воздействовали сильным постоянным магнитом в виде цилиндра диаметром 10 мм, длиной 80 мм, намагничивающим зерна титаномагнетита сначала в одну, а затем в другую сторону. Полученные два магнитооптических изображения приведены на рис. 1,в,г. Видно, что каждому крупному магнитному зерну титаномагнетита (№ 7 и 10) соответствуют две монодоменные области противоположной полярности, которые разделены областью, занятой полосовыми доменами. Это свидетельствует о замыкании магнитного потока внутри зерна. Мелкому
ШШФШМ
1«гв
ШШШШ
ШШШт.
Рис. 1. Изображение полированной поверхности анде-зибазальта с включениями зерен титаномагнетита (а) и магнитооптические изображения образца до (б) и после воздействия противоположно направленным сильным магнитным полем (в, г)
зерну (№ 2) на магнитооптическом изображении соответствует монодоменная конфигурация. При изменении направления намагничивания постоянным магнитом на противоположное полярность монодоменной области на магнитооптическом изображении также изменяется на противоположную.
При перемещении визуализирующей Вс-МПФГ относительно образца горной породы в областях пленки, расположенных над зернами титаномагнетита, происходила перестройка доменной структуры, в то время как в остальных областях пленки лабиринтная доменная структура оставалась неизменной.
На рис. 2 приведены микрофотография поверхности полированного габбро, содержащего включения самородного железа, и его магнитооптическое изображение. Включениям самородного железа на микрофотографии поверхности соответствуют области с повышенным отражением («белые» области) (рис. 2, а). Магнитооптическое изображение позволяет визуализировать лишь «контур» самородка как локальное увеличение ширины полосовых доменов той или иной полярности, а сам он практически не просматривается (рис. 2, б). Однако при перемещении визуализирующей Вс-МПФГ относительно образца горной породы в областях пленки, расположенных над зернами железа, происходила перестройка доменной структуры.
Рис. 2. Изображение полированной поверхности зерен габбро с включениями зерен самородного железа (а) и его магнитооптическое изображение (б)
Рис. 3. Изображение полированной поверхности кристалла титаномагнетита (а) и его магнитооптическое изображение (б)
На рис. 3 показано изображение поверхности полированного кристалла титаномагнетита и соответствующее магнитооптическое изображение. На изображении поверхности кристалла проявляются, хотя и слабо, трещины (рис. 3, а). Однако именно вблизи этих трещин, как видно из магнитооптического изображения, локализованы магнитные поля рассеяния, причем их неоднородность достаточно велика, поскольку монодоменные области, расположенные вдоль трещин, разделены узкой полоской, занятой доменами (рис. 3,6). Полученное магнитооптическое изображение близко к тому, что визуализируется в безопасном лезвии бритвы, разломанном в одном месте. В магнитомягком лезвии без дефектов магнитные поля рассеяния отсутствуют, поскольку магнитный поток замыкается внутри лезвия. При наличии разлома магнитные поля рассеяния локализованы вблизи него и формируют в визуализирующей Вс-МПФГ изолированную доменную стенку, расположенную по центру разлома.
Из-за конечных размеров трещин в кристалле титаномагнетита неоднородность магнитных полей рассеяния в нем ниже, чем в магнитомягком лезвии, поэтому монодоменные области на магнитооптическом изображении разделены узкой полоской, содержащей домены. Вдали от трещин и других дефектов полосовые домены в Вс-МПФГ имеют одинаковую ширину, что свидетельствует об отсутствии магнитных полей рассеяния
Рис. 4. Изображение полированной поверхности кри сталла пирротина (а) и магнитооптические изображе ния образца до (б) и после воздействия противополож но направленным сильным магнитным полем (в, г)
(остаточная намагниченность направлена параллельно поверхности кристалла).
На рис. 4 приведены изображение поверхности полированного кристалла пирротина и его магнитооптические изображения. Изображение поверхности кристалла свидетельствует о наличии по меньшей мере трех фаз, отличающихся коэффициентом отражения (рис. 4, а). На рис. 4,6 показано магнитооптическое изображение, полученное для кристалла пирротина, который не подвергался воздействиям, связанным, в частности, с превышением коэрцитивной силы и температуры Кюри. Это магнитооптическое изображение ярко свидетельствует о наличии в пирротине магнитной фазы, которой на изображении поверхности кристалла соответствует темно-серый цвет. Остальные две фазы не создают магнитных полей рассеяния.
При перемещении визуализирующей Вс-МПФГ относительно образца в областях пленки, расположенных над магнитной фазой, происходила перестройка доменной структуры, в то время как в остальных областях пленки лабиринтная доменная структура оставалась неизменной.
В дальнейшем на образец воздействовали сильным постоянным магнитом, намагничивающим пирротин сначала в одну, а затем в противоположную сторону. Полученные два магнитооптических изображения приведены на рис. 4, в, г. Видно, что такое воздействие на кристалл пирротина приводит к кардинальному изменению магнитооптического изображения, причины которого в настоящее время не вполне понятны.
На рис. 5 показано изображение поверхности полированного кристалла магнетита, соответствующее магнитооптическое изображение и изображение доменной структуры визуализирующей Вс-МПФГ. Видно, что в центре изображения поверхности кристалла магнетита расположено зерно с повышенным отражением («белая» область) (рис. 5, а). На микрофотографии магнитооптического изображения кристалла магнетита доменная структура в области этого зерна не изменилась, что свидетельствует о его немагнитности, а в остальной части образца происходят изменения конфигурации доменной структуры, что свидетельствует о наличии магнитных полей рассеяния (рис. 5,6). Для сравнения приведена доменная структура визуализирующей Вс-МПФГ без образца горной породы (рис. 5, в). При относительном перемещении визуализирующей Вс-МПФГ по кристаллу магнетита происходит перестройка доменной структуры по всей поверхности образца, кроме немагнитного зерна, в котором лабиринтная доменная структура оставалась неизменной.
Высоким пространственным разрешением и чувствительностью при визуализации магнитных полей рассеяния обладают Вс-МПФГ с магнитной анизотропией типа «легкая плоскость» [6-8]. Более того, они позволяют определить ориентацию остаточной намагниченности. Возможность использования таких Вс-МПФГ для визуализации магнитных полей рассеяния образцов горных пород находится в стадии изучения.
Магнитоодноосные Вс-МПФГ, в принципе, позволяют определить ориентацию остаточной намагниченности в магнитных зернах, однако это представляет собой трудоемкую задачу. Для этого необходимо, в частности,
Рис. 5. Изображение полированной поверхности кристалла магнетита (а), его магнитооптическое изображение (б) и изображение доменной структуры визуализирующей Вс-МПФГ (в)
предварительно создать в Вс-МПФГ решетку прямолинейных полосовых доменов и ориентировать ее параллельно плоскостной составляющей вектора остаточной намагниченности в образце, а также принять меры для упорядочения доменной структуры в визуализирующей Вс-МПФГ. Кроме того, необходима компьютерная обработка магнитооптических изображений.
Заключение
В настоящей работе впервые была проведена магнитооптическая визуализация магнитных полей рассеяния
образцов горных пород с помощью магнитоодноосных висмутсодержащих пленок ферритов-гранатов. Установлено, что:
1. При перемещении визуализирующей магнитоодно-осной Вс-МПФГ относительно образца горной породы имеет место перестройка доменной структуры в областях Вс-МПФГ, расположенных над включениями магнитных зерен.
2. Магнитооптические изображения включений зерен титаномагнетита в андезибазальте показывают, что некоторые мелкие области являются монодоменными, в то время как крупным областям соответствуют конфигурации полосовых доменов разной ширины.
3. В кристалле титаномагнетита магнитные поля рассеяния локализованы вблизи трещин.
4. Магнитооптическое изображение включений зерен самородного железа в габбро позволяет визуализировать контур магнитных зерен.
5. Магнитооптическое изображение кристалла пирротина и магнетита позволяет визуализировать магнитную фазу.
6. Магнитооптическое изображение образца горной
породы изменяется после окончания воздействия на
него достаточно сильным магнитным полем.
Работа проведена при финансовой поддержке РФФИ
(грант 08-05-00374а).
Список литературы
1. Яновский Б.М. Земной магнетизм I. Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1964.
2. Паркинсон У. Введение в геомагнетизм. М., 1986.
3. Рандошкин В.В., Червоненкис А.Я. Прикладная магнитооптика. М., 1990.
4. Рандошкин В.В., Васильева Н.В., Сысоев H.H. 11 Наукоемкие технологии. 2004. № 11. С. 44.
5. Тру хин В.И., Безаева Н.С. // УФН. 2006. 176. С. 507.
6. Рандошкин В.В., Гусев М.Ю., Козлов Ю.Ф., Неустро-ев Н.С. // Дефектоскопия. 2000. № 6. С. 46.
7. Рандошкин В.В., Гусев М.Ю., Козлов Ю.Ф., Неустро-ев Н.С. // ЖТФ. 2000. 70, № 8. С. 118.
8. Ильичева E.H., Дурасова Ю.А., Ильяшенко E.H. и др. // Вестн. Моск. ун-та. Физ. Астрон. 2006. № 4. С. 30.
Magnetooptical visualization of stray magnetic fields of samples rocks using magnetouniaxial garnet ferrite films
V.V. Randoshkin1 0, N.V. Vasil'eva2, Yu.A. Durasova3, N.N. Sysoev12, P.N. Sysoev4, V.M. Ladygin5
1 Center of Hydrophysical Research; 2 Department of Molecular Physics; 3 Department of General Physic; 4 Department of Physics of Earth, Faculty of Physics; 5 Department of Engineering and Ecological Geology, Faculty of Geology. M. V. Lomonosov Moscow State University, Moscow, 119991, Russia. E-mail: a [email protected]
Stray magnetic fields of the samples rocks with the inclusions of the magnetic grains and magnetic crystals were observed using epitaxial (Bi,Lu)3(Fe,Ga)50i2 films with uniaxial magnetic anisotropy. The basalt rocks with the inclusions of the titano-magnetit and native elsen but also the crystals of titano-magnetit, magnetit and pyrrhotin were investigated. Stray magnetic fields were visualized with the Faraday effect.
Keywords: paleomagnetism, magnetooptical Faraday Effect, domain walls, crystals. PACS: 91.60.Pn. Received 9 June 2009.
English version: Moscow University Physics Bulletin 6(2009).
Сведения об авторах
1. Рандошкин Владимир Васильевич — докт. физ.-мат. наук, ст. науч. сотр.; e-mail: [email protected].
2. Васильева Наталия Владимировна — канд. физ.-мат. наук, науч. сотр.; e-mail: [email protected].
3. Дурасова Юлия Александровна — канд. физ.-мат. наук, науч. сотр.; тел.: (495) 939-41-88, e-mail: [email protected].
4. Сысоев Павел Николаевич — студент.
5. Сысоев Николай Николаевич — докт. физ.-мат. наук, профессор, зав. кафедрой; тел.: (495) 939-10-97, e-mail: [email protected].
6. Ладыгин Владимир Михайлович — канд. геол.-минерал, наук, ст. науч. сотр.; ст. науч. сотр.; тел.: (495) 939-49-15, e-mail: [email protected].
