диссертация (1097652), страница 12
Текст из файла (страница 12)
Материковые породы и брекчии, как правило,более магнитные по отношению к морским базальтам. 52 ГЛАВА 2: МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА МЕТЕОРИТОВ И АНАЛОГОВПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ СТАТИЧЕСКИХ ДАВЛЕНИЙКраткое содержание главы 2: В настоящей главе представлен обзор литературы по проблемам влияния гидростатических давлений на остаточную намагниченность горных пород и минералов, описано новое физическое оборудование, разработанное для реализации экспериментов настящей главы, -‐ три компактные немагнитные композитные камеры высокого гидростатичекого давления, которые позволяют проводить измерения остаточной намагниченности образцов на криогенном (сквид) магнитометре производства 2G Enterprises как при непосредственном воздействии гидростатических давлений, так и после декомпрессии, и результаты экспериментов по воздействию гидростатических давлений в расширенном диапазоне: P ∈ [1.2; 2] ГПа на остаточную намагниченность большой выборки метеоритов и аналогов с типичными для внеземного вещества магнитными минералами, а также отдельно марсианских метеоритов и обыкновенных хондритов.
§ 2.1. Введение и обзор литературыВысокоскоростные коллизии между твердыми телами солнечной системы, то есть,импакты со сверхзвуковыми скоростями являются одним из главных механизмовэволюции твердого вещества солнечной системы. Ударные волны, сгенерированные вовремя импактных событий могут поменять внутренние магнитные cвойства [Gattacceca etal., 2007a; Louzada et al., 2007; Nishioka et al., 2007; Gilder and Le Goff, 2008] и остаточнуюнамагниченность горных пород [Pohl et al., 1975; Kletetschka et al., 2004; Gattacceca et al.,2006, 2008; Louzada et al., 2007]. Поэтому магнитные записи твердых тел солнечнойсистемы, в разной степени подвергавшихся ударным воздействиям, могли быть стертыили переписаны в результате импактных событий.
Понимание процессов и физическихмеханизмов импактного размагничивания и перемагничивания внеземного веществаявляется ключевым для интерпретации наблюдаемых коровых магнитных аномалийМарса [Hood et al., 2003, 2010], Луны [Cisowski et al., 1976; Halekas et al., 2002], меньшихтвердых тел солнечной системы, таких как астероиды [Chen et al., 1995], а такжепалеомагнитных записей метеоритов и внеземного вещества, доставленного на землю врезультате роботических и пилотируемых космических экспедиций. Что касается Земли,ударно-индуцированныеизменениявпетромагнитныхсвойствахиостаточнойнамагниченности следует принимать во внимание при изучении магнетизма земных 53 ударно-взрывных кратеров [Halls, 1979; Pesonen et al., 1992; Pilkington and Grieve, 1992;Louzada et al., 2008].В литературе приводятся результаты экспериментальных работ по исследованиюударно-индуцированногоразмагничивания(перемагничивания)горныхпородиминералов в диапазоне пиковых давлений ударной волны от 1 до 30 ГПа.
Длялабораторной генерации ударных волн использовались разные техники: пневманическиеили газовые пушки, метающие алюминиевые или медные снаряды [Hornemann et al., 1975;Pohl et al., 1975; Martelli and Newton, 1977; Cisowski and Fuller, 1978; Srnka et al., 1979;Dickinson and Wasilewski, 2000; Louzada et al., 2007]; взрывчатое вещество и ядерныезаряды [Hargraves and Perkins, 1969; Pesonen et al., 1997; Gattacceca et al., 2007a]; свободнопадающая масса [Kletetschka et al., 2004] и импульсный лазер [Gattacceca et al., 2006,2008]. Основные сложности при проведении ударных экспериментов: калибровкадинамическихдавленийударнойволны,возможноемеханическоеповреждениеисследуемых образцов и расшифровка эффектов девиаторных напряжений по отношениюк гидростатическим. В самом деле, известно, что остаточная намагниченность образцовболее восприимчива к воздействию негидростатических (девиаторных) напряжений, чем квоздействию всестороннего сжатия [Nagata, 1966; Martin and Noel, 1988].
Более того,ударные воздействия могут необратимо изменить внутренние магнитные свойствавещества (например, коэрцитивную силу [Gattacceca et al., 2007a], таким образомусложняя интерпретацию.В случае метеоритов, учитывая относительную редкость и уникальность внеземноговещества, для большинства из них проведение ударных экспериментов исключено, так какэксперименты могут быть деструктивными и потребовать достаточно большой объемобразцов. При проведении ударных механических экспериментов следует учитыватьбольшое количество параметров: пиковые давления ударной волны и длительностьимпульса нагрузки, внешнее магнитное поле, присутствующее при ударном событии,доминирующиемагнитныеминералыобразцов,пре-шоковаяостаточнаянамагниченность, температура.
Такое большое количество параметров, некоторые изкоторых сложно контролировать, усложняет понимание влияния ударных воздействий наостаточную намагниченность.Эксперименты по воздействию статических давлений хорошо подходят для решенияэтих проблем. В случае статических давлений на примере гидростатики такиеэксперименты позволяют точно откалибровать давления и являются неразрушающимидля образцов. Однако, в случае измерений остаточной намагниченности под давлением,такие эксперименты до недавнего времени ограничивались достаточно низким 54 диапазоном давлений (<0.1 ГПа, например, [Pozzi, 1973]). Были проведены эксперименты,в которых на образцах создавалось давление до 2 ГПа, а остаточная намагниченностьизмерялась уже после декомпрессии [Pearce and Karson, 1981].
Позднее в работе [Rochetteet al., 2003] образец пирротина сжимался до 3 ГПа в прессе типа поршень-цилиндр, аизотермическая остаточная намагниченность измерялась после декомпрессии. Былообнаружено, что пирротин испытывает индуцированный давлением магнитный фазовыйпереход при давлении порядка 2.8 ГПа, при котором остаточная намагниченностьполностью обнуляется. Использованная экспериментальная схема имеет ряд недостатков:требуется новый образец и несколько дней экспериментов на каждый шаг по давлению.Более того, ввиду использования в таких экспериментах твердую среду, передающуюдавление, на образец действуют некоторые девиаторные напряжения.В работе [Gilder et al., 2006] проведены измерения изотермической остаточнойнамагниченности (IRM) чистого однодоменного (SD) и многодоменного (MD) магнетитапри квазигидростатическом сжатии до 4.2 ГПа при использовании камеры давления типаалмазная наковальня с лункой в магнитном поле Земли.
При этом наблюдался эффектразмагничивания давлением. В работе [Gilder and Le Goff, 2008] проведены экспериментыпо воздействию квазигидростатических давлений до 6 ГПа при использованиикарборундовой камеры давления типа наковальня с лункой на природный исинтезированный MD титаномагнетиты с разным содержанием титана, но фокусом этойработы стало влияние давления на образование IRM. Все вышеперечисленныеэксперименты могут проводиться только при использовании чистых сильно магнитныхферримагнитных минералов ввиду очень малого размера образца (например, 400 мкмдиаметром и 100 мкм высотой), и не могут быть проведены на образцах горных пород безсоответствующей сепарации ферримагнитной фракции.Эксперименты по размагничиванию статическим давлением имеют важныеприложения в физике твердого тела и геофизике, в частности, во внеземномпалеомагнетизме и при интерпретации наблюдаемые коровых магнитных аномалийтвердых тел солнечной системы.
Помимо прочего, глубинные коровые породыиспытывают влияние литостатических давлений и/или, в случае океанических пород,толщи воды (например, ∼0.06 ГПа на 5 км воды и 350 км осадков), ввиду чеголабораторные исследования влияния давлений на остаточную намагниченность горныхпород может быть полезным для понимания и интерпретации глубоко залегающих горныхпород и коровых магнитных аномалий. Однако, одновременно с давлениями, коровыхпороды также испытывают воздействие высоких температур, что усложняет общуюкартину.
При давлениях 1.5÷2 ГПа, соответствующих толщине коры 50-70 км, 55 титаномагнетиты больше не кристаллизуются [Валеев, 1984]: это верхний пределрелевантных давлений.Несмотря на предыдущие работы, влияние гидростатических давление наостаточную намагниченность до сих пор оставалось малоизученным для природныхобъектов (не подвергнутых магнитной сепарации) – горных пород и внеземного вещества– в диапазоне давлений порядка 1 ГПа и выше. В настоящей работе проведеновсестороннее исследование влияния гидростатических давлений до 1.2 ГПа и 2 ГПа наостаточную намагниченность при использовании нового физического оборудования –компактных немагнитных композитных камер высокого гидростатического давления,специально разработанных для проведения исследований настоящей работы и подробноописанных в § 2.2, на обширного материале метеоритов и аналогов (более 60 образцов) снаиболее типичными ферримагнитными минералами.После описания камер давления в § 2.2, в § 2.3 приводятся результаты поисследованию остаточной намагниченности марсианских метеоритов при воздействиигидростатических давлений до 1.2 ГПа.
В § 2.4 и § 2.5 приводятся результатыисследований остаточной намагниченности широкой подвыборки метеоритов и аналоговдо 1.2 ГПа и специально отобранных обыкновенных хондритов с широким спектромзначений магнитной жесткости до 1.8 ГПа. В § 2.6 рассмотрены магнитные свойствамодельногообразцасинтезированногопирротинаиприведенырезультатыразмагничивания давлением до 2 ГПа, а в § 2.7 рассмотрено воздействие гидростатических давлений на точку Морина гематита. В § 2.8 приведены выводы главы 2.§ 2.2. Компактные немагнитные камеры высокого гидростатического давленияДля реализации экспериментов, представленных в настоящей главе, совместно с Р.А.Садыковым (ИЯИ РАН, ИФВД РАН) было разработано новое физичекое оборудование:три компактные немагнитные композитные камеры высокого гидростатического давлениятипа поршень-цилиндр, которые позволили последовательно расширить диапазонгидростатических давлений до 1.2 ГПа, 1.8 ГПа и 2 ГПа, соответственно, и провестипрямые измерения остаточной намагниченности макромагнитных образцов горных породи метеоритов (без необходимости магнитной сепарации) при комнатной температуре принепосредственном воздействии гидростатических давлений на 2G Enterprises криогенном(сквид) магнитометре с чувствительностью по магнитному моменту 2.0×10-11 Ам2.
56 Для изготовления нового физического инструментария потребовало решения рядаинженерно-технических задач. Ниже подробно описывается камера с максимальнодостижимым гидростатическим давлением 1.2 ГПа (камера №1).2.2.1. Камера давления №1Для изготовления немагнитных камер высокого давления широко используетсясплав бериллиевой бронзы БрБ2, позволяющий получать предельные давления до 12-15кбар [Kamarád et al., 2004]. Также в последнее время стал использоваться немагнитныйникель-хром-алюминиевый сплав (40 ХНЮ), который позволил, в случае поддержки изБрБ2, увеличить давление до 30-40 кбар [Uwatoko et al., 2002; Kernavanois et al., 2004].Однако оба этих сплава, несмотря на малые значения удельной магнитнойвосприимчивости каждого, из-за большой массы камеры давления дадут значительныйостаточный магнитный момент, соизмеримый с малыми величинами остаточныхмагнитных моментов исследуемых образцов горных пород и метеоритов (порядка 10-5÷106Ам2).С целью уменьшения суммарного магнитного момента камеры давления былипроведены дополнительные магнитные измерения как ранее используемых, так и новыхвозможных сплавов: БрБ2, 40ХНЮ (Ni57Cr40Al3) или «русского сплава», титановогосплава и молибденового сплава Mo90(TiC)10.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
