Модель явления самообращения намагниченности горных пород Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УДК 550.382.3

МОДЕЛЬ ЯВЛЕНИЯ САМООБРАЩЕНИЯ НАМАГНИЧЕННОСТИ

ГОРНЫХ ПОРОД

Н. С. Безаева, Т. В. Матвеева, В. И. Трухин

(.кафедра физики Земли; кафедра компьютерных методов физики) E-mail: [email protected]

Рассмотрена фундаментальная геофизическая проблема самообращения намагниченности горных пород, т.е. явления намагничивания горных пород антипараллельно намагничивающему полю. Представлена разработанная авторами физическая модель самообращения намагниченности и компьютерная реализация этой модели. Результаты моделирования имеют хорошее качественное соответствие с экспериментальными данными.

Введение

Палеомагнитные исследования показали [1], что примерно половина всех горных пород имеет естественную остаточную намагниченность (МИМ), направленную антипараллельно направлению современного геомагнитного поля (ГМП). Согласно современным представлениям обратная КИМ пород свидетельствует о переполюсовках (инверсиях) ГМП в прошлые геологические эпохи. Однако самообращение намагниченности также может быть причиной образования в природе обратной КИМ. Поэтому изучение процесса и механизма самообращения является актуальной задачей современной геофизики.

Физические механизмы самообращения намагниченности горных пород впервые были теоретически рассмотрены Л. Неелем еще в 1951 г. [2]. Одним из предложенных им физических механизмов был механизм самообращения намагниченности, связанный со сменой знака спонтанной намагниченности вкрапленных в породу ферримагнитных минералов при их термонамагничивании в ГМП (механизм Ж-типа температурной зависимости спонтанной намагниченности).

Самообращение намагниченности горных пород экспериментально наблюдалось во многих лабораториях мира [3-4], в том числе самообращение было обнаружено одним из авторов статьи на кимберлитах и траппах Якутии [5-6] и на образцах подводных океанских базальтов [7]. Тем не менее на настоящий момент не существует единого мнения о механизме самообращения [3-7].

В настоящей статье приведены результаты исследований процессов и физического механизма самообращения намагниченности горных пород, представлена разработанная модель самообращения и ее компьютерная реализация. Проведено сопоставление результатов моделирования с экспериментальными данными [6].

Описание модели

Ферримагнитные минералы, входящие в состав горных пород, состоят из двух магнитных подре-

шеток, взаимодействие между которыми и внутри которых определяется константами молекулярного поля а, (3 [8]. Поэтому в качестве модели горной породы рассмотрен ансамбль однодоменных не взаимодействующих между собой ферримагнитных зерен с одной осью анизотропии и с одинаковыми и разными а, ¡3. Зерна взяты одноосными и однодоменными, так как горные породы с одноосными однодоменными ферримагнитными вкраплениями часто встречаются в природе и являются основными носителями палео-магнитной информации.

Каждое зерно ансамбля представляет собой фер-римагнетик типа N в классификации Л. Нееля, состоящий из двух неравноценных магнитных подре-шеток А и В. Температурная зависимость спонтанной намагниченности такого ферримагнетика (рис. 1) рассчитана согласно теории коллинеарного ферри-магнетизма Нееля [8]. В поле Н каждое зерно намагничивается за счет вращения вектора спонтанной намагниченности 15 (теория Нееля определяет как величину, так и знак 15) от направления вдоль оси легкого намагничивания к направлению Н (рис. 2). Угол 0 соответствует минимуму полной энергии зерна Е{0), представляющей собой сумму энергии одноосной анизотропии Еа и энергии зерна в магнитном поле Ее [7].

Намагниченность зерна определим как проекцию вектора 15 на направление внешнего магнитного по-

----—

\

V-

_______ ------

Рис. 1. Температурная зависимость спонтанных намагни-ченностей Isa, Isb подрешеток А, В соответственно и суммарной спонтанной намагниченности Is ферримагнетика типа N

Нн|

Рис. 2. Одноосное однодоменное ферримагнитное зерно во внешнем магнитном поле Н

ля Н, а намагниченность ансамбля зерен, как сумму соответствующих проекций 15 отдельных зерен.

Построенная при этих условиях модель хорошо описывает температурный диапазон от Т > 0 К до Т <Тс, где Тс — точка Кюри.

Результаты моделирования

На основании построенной модели явления самообращения были рассчитаны температурные зависимости намагниченности (ТЗН) горной породы при разных напряженностях магнитного поля Н. В зависимости от Н, а значит, в зависимости от разных соотношений между величинами Еа и Ее получены три типа ТЗН. В слабых магнитных полях {Еа Ее, Не > Н при всех рассматриваемых значениях температур, где Не - коэрцитивная сила) получается кривая ТЗН типа /, которая характеризуется единственной точкой компенсации (ТК) и наличием самообращения (рис. 3). В полях, больших коэрцитивной силы ансамбля ферримагнитных зерен во всем рассматриваемом температурном диапазоне, получается ТЗН типа 2 с единственной точкой компенсации и отсутствием эффекта самообращения (рис. 3). В этом случае при всех рассматриваемых значениях температур выполняются соотношения Еа < Ее, Не < Н (сильные поля). Помимо кривых ТЗН типа 1, 2 существует еще и переходная ТЗН типа 3, которая характеризуется двумя ТК и наличием эффекта самообращения (рис. 4).

Две ТК на кривой ТЗН типа 3 имеют принципиально разную природу: более высокотемпературная ТК связана с изменением знака 15 ферримагнетика типа N, а наличие второй ТК связано с процессами намагничивания ансамбля зерен.

С увеличением Н более низкотемпературная ТК кривой ТЗН типа 3 сдвигается влево по температурной оси (рис. 4) до тех пор, пока кривая ТЗН полностью не переходит в положительную полуплоскость и не превращается в ТЗН типа 2, что соответствует экспериментальным данным (рис. 5), где наблюдается соответствующая тенденция (рис. 6). Для ансамбля разных ферримагнитных зерен ТЗН типа 3 имеет единственную ТК, что связано с эффектом усреднения, а ТЗН типа 2 имеет вогнутый вид без ТК (рис. 7), несмотря на то что отдельные

Рис. 3. Температурные зависимости намагниченности ансамбля N = 50 одинаковых ферримагнитных зерен в слабом Ятеак и сильном Наи.0пв магнитных ПОЛЯХ

Т/Тг

/(Г)//80,Я=Я,. - Г(П%о,Н = Н,

-кт)/1ж,н=н3

.....1(Т),%0,Н=Н4

Я|<Я,<Я3<Я4

Рис. 4. Температурные зависимости намагниченности ансамбля N = 50 одинаковых ферримагнитных зерен в магнитных полях Н\ < Н-2 < -Нз < На

400

Рис. 5. Температурные зависимости намагниченности образцов горной породы, содержащей природные пикроильме-ниты, полученные при охлаждении в Н = 0, 2,..., 4 Э [6]

Рис. 7. Температурные зависимости намагниченности ансамбля N = 5 однодоменных ферримагнитных зерен с разными константами молекулярного поля а, /3 в сильном магнитном поле

зерна ансамбля принадлежат типу N. А это значит, что, получив экспериментально на образце горной породы ТЗН, как на рис. 7, имеет смысл искать

на нем эффект самообращения намагниченности, охлаждая его в слабом магнитном поле.

Выводы

1. В статье представлена построенная впервые модель самообращения намагниченности горных пород по механизму iV-типа температурной зависимости спонтанной намагниченности Нееля. Эта модель позволяет изучать закономерности самообращения в широком диапазоне магнитных параметров ферримагнитных минералов, отвечающих за магнитные свойства горных пород, без проведения соответствующих экспериментов.

2. В рамках вышеописанной модели получены температурные зависимости намагниченности горных пород, ферримагнитные зерна которых характеризуются как одинаковыми, так и разными константами молекулярного поля а, ß при разных величинах напряженности магнитного поля Н.

3. Все три типа температурных зависимостей намагниченности горных пород, полученные на основании построенной модели самообращения, наблюдаются в эксперименте на горных породах, т.е. имеет место качественное соответствие результатов моделирования результатам эксперимента.

Литература

1. Merrill R.T. The Magnetic Field of the Earth. 1998.

2. Neel L. 11 Ann. Geophys. 1951. 7. P. 90.

3. Hoffman K.A. 11 J. Geophys. Res. 1992. 97. P. 10883.

4. Тру хин В.И. и др. // Физика Земли. 1997. №2. С. 52.

5. Трухин В.И. и др. Магнетизм кимберлитов и траппов. М., 1989.

6. Трухин В.И., Караевский С.Х. Самообращение намагниченности природных пикроильменитов. М., 1996.

7. Трухин В.И. и др. // Физика Земли. 2004. № 6. С. 42.

8. Niel L. // Ann. Phys. 1948. 3. P. 137.

9. Кринчик Г.С. Физика магнитных явлений. М., 1985.

Поступила в редакцию 12.01.05