Моделирование процессов самообращения намагниченности горных пород

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТИМ. М.В. ЛОМОНОСОВАФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТНа правах рукописиУДК 550.382.3Безаева Наталья СергеевнаМОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ САМООБРАЩЕНИЯНАМАГНИЧЕННОСТИ ГОРНЫХ ПОРОДСпециальность 25.00.10 – геофизика, геофизические методыпоиска полезных ископаемыхАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание учёной степеникандидата физико-математических наукМосква – 20062Работа выполнена на кафедре физики Земли физического факультета МосковскогоГосударственного Университета им. М.В. Ломоносова.Научный руководитель:доктор физико-математических наукпрофессор В.И.

ТрухинОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наукпрофессор А.В. Ведяевдоктор геолого-минералогических наукпрофессор А.А. ШрейдерВедущая организация:Геологический ФакультетМосковского ГосударственногоУниверситета им. М.В. ЛомоносоваЗащита состоится « 22 » февраля 2007 г. в 15.00 на заседании ДиссертационногоСовета Д.501.001.63 при Московском Государственном Университете им. М.В.Ломоносова по адресу: 119992, Москва, ГСП-2, Ленинские горы, МГУ им. М.В.Ломоносова, Физический факультет, ауд. СФА.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Физического факультетаМГУ им. М.В.

Ломоносова. Ваш отзыв на автореферат в одном экземпляре, заверенныйпечатью организации, просим направлять по указанному адресу.Автореферат разослан « 27 » декабря 2006 г.Учёный секретарьДиссертационного Совета Д.501.001.63кандидат физико-математических наукВ.Б. Смирнов3ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫРаботапосвященанамагниченностигорныхСамообращениемисследованиюпород 1методомнамагниченностиявлениясамообращениячисленногомоделирования.называетсянамагничиваниеферримагнитных минералов, входящих в состав горных пород и в основномопределяющих магнетизм горных пород, антипараллельно намагничивающемуполю.Актуальность диссертационной темы.Вокруг Земного шара существует магнитное поле, напряжённостьюН ≈ 0.5 Э. Геомагнитное поле (ГМП) воздействует на живую и неживуюприроду, намагничивает все минералы и горные породы.

Прямые измеренияэлементов геомагнитного поля проводятся только на протяжении последних 400лет.ВсяисториядревнегоГМПвосстановленаприиспользованиипалеомагнитного метода, то есть метода исследования древнего ГМП поестественной остаточной намагниченности NRM (от англ. “Natural RemanentMagnetization”) горных пород разных геологических эпох.NRM изверженных горных пород образуется в результате процессаприродноготермонамагничивания,тоестьприохлаждениивГМПкристаллизовавшихся из магмы минералов горных пород до температурыЗемной поверхности. Процесс термонамагничивания легко моделируется влаборатории при охлаждении образцов горных пород в магнитном поле оттемпературы Т≥ТС, где ТС- точка Кюри, до комнатной температуры Т0, врезультате чего образуется термонамагниченность TM (от англ. “ThermoMagnetization”),апослеотключенияполяостаётсятермоостаточнаянамагниченность TRM (от англ.

“Thermo Remanent Magnetization).Во время палеомагнитных исследований было обнаружено, что примернополовина всех горных пород намагничена антипараллельно направлениюнапряжённости современного ГМП. Существование в природе обратнойнамагниченности позволило предположить, что в прошлые геологические эпохи1Здесь и везде далее речь идёт только об изверженных горных породах.4происходили инверсии (переполюсовки) ГМП, которых за последние 600 млн.лет насчитывается более 1000. Таким образом, обнаруженная в природеобратная намагниченность горных пород трактуется, как образовавшаяся вдревнем ГМП с полярностью, противоположной современной. Однако,существует альтернативный инверсиям ГМП механизм образования обратнойнамагниченности горных пород – самообращение намагниченности. Явлениесамообращения намагниченности никак не учитывается при палеомагнитныхисследованиях, что может привести к существенной погрешности приинтерпретации палеомагнитных данных и включению «ложных» инверсий вмировую магнитохронологическую шкалу инверсий.Инверсии ГМП имеют огромное экологическое значение, так как во времяинверсии напряжённость ГМП близка к нулю и быстрые частицы высокихэнергий солнечного и космического излучений могут достигнуть поверхностиЗемли и оказать существенное влияние на её биосферу.Изучать инверсии ГМП напрямую мы никогда не сможем, так как средняяпродолжительность инверсии составляет 5000 лет.

В связи с этим большую рольприобретают исследования явления самообращения намагниченности горныхпород и исследования физического механизма самообращения намагниченности.Самообращение NRM, TM, TRM многократно наблюдалось во многихлабораториях мира, в том числе самообращение TM и TRM наблюдалось влаборатории Геомагнетизма кафедры физики Земли физического факультетаМГУ на кимберлитах и траппах Якутии, на синтезированных гемоильменитах ина подводных базальтах Атлантического Океана, содержащих титаномагнетиты.Единого мнения о механизме самообращения намагниченности горных пород насегодняшний день не существует.В 1951 году, одновременно с открытием в лаборатории явлениясамообращения намагниченности японским учёным Т.

Нагатой [1], французскийфизик-теоретик, впоследствии Нобелевский лауреат Л. Неель предложил четырефизических механизма самообращения намагниченности [2]. Первые двамеханизма являются однофазными и связаны со сменой знака спонтаннойнамагниченности IS ферримагнетика при изменении температуры T (кривые IS(T)5типа N по Неелю). Смена знака IS на кривой IS(T) обусловлена либо выборомконстант молекулярного поля α, β из диапазона N типа [3], либо диффузиеймагнитных ионов между ферримагнитными подрешётками. Однофазныймеханизм самообращения намагниченности, связанный с зависимостями IS(T)типа N будет далее именоваться механизмом N типа Нееля.

Последние двафизическихмеханизмасамообращениянамагниченностигорныхпородявляются двухфазными и связаны с магнитостатическим или обменнымвзаимодействием фаз.В лаборатории Геомагнетизма физического факультета МГУ былипроведеныдетальныеэкспериментальныеисследованияпроцессовсамообращения намагниченности горных пород на образцах кимберлитовЯкутии, содержащих пикроильмениты, которые с магнито-минералогическойточки зрения являются природными аналогами гемоильменитов [4]. Этиисследования позволили выдвинуть предположение о том, что наиболеевероятныйфизическиймеханизм,ответственныйзанаблюдаемоесамообращение намагниченности – это механизм N типа Нееля. Для проверкивыдвинутой гипотезы были специально синтезированы строго однофазныегемоильмениты аналогичного состава и снова получено самообращениенамагниченности [5], что подтверждает выдвинутую гипотезу.Следующим шагом на пути к пониманию физики явления самообращениянамагниченности горных пород является создание компьтеризированной моделиявления самообращения намагниченности, основанной на ясно понимаемомфизическоммеханизмесамообращения,иисследованиепроцессовсамообращения намагниченности методом математического моделирования.Цель работы.На основании теоретических работ Нееля [2-3] и экспериментальныхисследований процессов самообращения [4-6] построить модель явлениясамообращения намагниченности горных пород по механизму N типа Нееля,выполнить её компьютерную реализацию и, с помощью построенной модели,детально исследовать процессы самообращение намагниченности и физическиймеханизм самообращения N типа в широком диапазоне магнитных параметров.6Провести сопоставление результатов численного моделирования с даннымифизического эксперимента.Метод исследования: численное моделирование.Научная новизна работы.Впервые построена модель явления самообращения намагниченности помеханизму N типа Нееля, в рамках построенной модели проведено детальноеисследование процессов самообращения намагниченности горных пород ифизического механизма самообращения N типа в широком диапазоневнутренних магнитных параметров (таких как константы молекулярного поля α,β и др.), характеризующих ансамбль ферримагнитных зёрен, который выступаетв качестве модельного образца горной породы, и внешних параметров (таких каквеличинынапряжённостейпостоянныхмагнитныхполей,температура),действующих на модельный образец.

Проведено сопоставление результатовчисленного моделирования с экспериментальными данными и интерпретацияряда экспериментальных данных в рамках построенной модели.Научная и практическая ценность работы.Представленнаянамагниченностиэкспериментавдиссертациигорныхипородпозволяетмодельрасширяетдетальноявлениясамообращениявозможностиисследоватьфизическогосамообращениенамагниченности N типа и однофазный физический механизм N типа во всёмдиапазоне магнитных параметров (α, β, Н), где α, β - константы молекулярногополя, а Н – напряжённость намагничивающего поля, без необходимостисинтезировать или искать в природе соответствующие образцы горных пород.Построенная модель также позволяет проводить анализ любых уже полученныхэкспериментальныхзависимостейтемпературнойзависимоститермонамагниченности IT(T) и термоостаточной намагниченности IrT(T) ссамообращением с точки зрения физического механизма, ответственного занаблюдаемое явление.