Моделирование процессов самообращения намагниченности горных пород (1103921), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Если в рамках модели интерпретация полученных вфизическом эксперименте кривых IT(T) возможна, то можно обоснованноутверждать (если не доказано обратное), что наблюдаемое самообращениеобусловлено действием физического механизма N типа. Построенная модель7может быть использована при дальнейших теоретических и экспериментальныхисследованиях процессов самообращения намагниченности горных пород.Апробация работы.Материалыдиссертациидокладывалисьнанаучнойконференции«Ломоносовские чтения. Секция физика» (апрель 2005) и на международнойнаучной конференции по магнетизму Moscow International Symposium onMagnetism (июнь 2005).Публикации.Основные результаты диссертации изложены в 6 опубликованныхработах, список которых приводится в конце настоящего автореферата.Структура и объём диссертации.Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и спискацитируемой литературы, включающего 76 наименований.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ:Во введении рассмотрено явление самообращения намагниченностигорных пород и связь этого явления с глобальными геофизическими иэкологическими проблемами.
Приведена историческая справка по проблемесамообращения намагниченности. Показана актуальность диссертационнойтемы и введены все основные определения, широко используемые в геофизике ив настоящей диссертационной работе.В первой главе представлен обзор научной литературы по проблемесамообращения намагниченности горных пород и физических механизмовсамообращения. В §1.1. изложены основы магнитной минералогии горныхпород. В §1.2.
представлен обзор работ о самообращении намагниченностиприродных ферримагнетиков горных пород и его особенностях. Показано, чтоклассминералов,намагниченности,гемоильмениты. Внакоторыхоченьузок:наблюдаетсяэтовявлениеосновномсамообращениятитаномагнетитыи§1.3. рассмотрены возможные физические механизмыэкспериментально установленных случаев самообращения ферримагнетиков8горных пород и синтезированных ферримагнетиков.В§1.4. подробнорассмотрен однофазный физический механизм самообращения намагниченностигорных пород N типа Нееля. Представлены детальные экспериментальныеисследованияпроцессовсамообращениянамагниченностинаобразцахкимберлитов Якутии и на образцах синтезированных гемоильменитов иэкспериментальные исследования физического механизма самообращениянамагниченности N типа, проведённые в лаборатории Геомагнетизма кафедрыфизики Земли физического факультета МГУ под руководством профессора В.И.Трухина [4-6].
Рассмотрена также предложенная в работе [6] физика явлениясамообращения намагниченности горных пород по механизму N типа Нееля. В§1.5. приведены краткие итоги первой главы.Вовторойглавепредставленанамагниченности горных пород. Вмодельявлениясамообращения§2.1. изложены основные принципымоделирования. Горная порода представляет собой конгломерат неоднородныхпо составу диа- и парамагнитных минералов, образующих матрицу, сферримагнитными вкраплениями в виде мелких (микроны) вытянутых зёрен,занимающих проценты или даже доли процентов от общего объёма горнойпороды. Именно ферримагнитные зёрна являются основными носителямимагнетизма горных пород.
Поэтому в качестве модели горной породырассмотренансамбльферримагнитныхзёренодинаковыхсоднодоменныходнооснойневзаимодействующиханизотропиейитемпературнойзависимостью спонтанной намагниченности N типа Нееля (см. (2)-(3) и рис.1).В §2.2-2.4. представлены основные уравнения, использованные примоделировании процессов самообращения намагниченности горных пород.
В§2.2 кратко рассмотрена модель двухподрешёточного ферримагнетика и теорияколлинеарного ферримагнетизма Нееля. Следует отметить, что именнодвухподрешёточные ферримагнетики встречаются в реальных горных породах.В§2.3 рассмотрены процессы намагничивания одноосного однодоменногоферримагнитного зерна в постоянном магнитном поле, а в §2.4 рассмотреныпроцессынамагничиванияансамблятакихзёрен.Зёрнаположены9невзаимодействующими ввиду их низкой объёмной концентрации в горныхпородах.~ ~ ~I SA , I SB , I S~ISA~IST/TC~I SBРис.1.
Температурные зависимости спонтанных намагниченностей ферримагнитныхподрешёток А и В и суммарной спонтанной намагниченности ферримагнетика N типа вклассификации Нееля.Термонамагниченность ансамбля одинаковых одноосных однодоменныхневзаимодействующих между собой ферримагнитных зёрен в температурной~~~точке T (где T ∈[0,1] - приведённая температура, T =Т/ТC, ТC – точка Кюри)определяетсякаквекторнаясуммасоответствующихнамагниченностейотдельных зёрен (“~” означает нормировку на nIS0, где n – число зёрен ансамбля,IS0 – спонтанная намагниченность ферримагнетика при температуре абсолютногонуля):n~ ~IT (T ) =~ ~~∑ IS (T ) ⋅ cos(θi (T ))i =1nn~ ~= IS (T )~∑ cos(θ (T ))ii =1n,(1)10~ ~где I S (T ) - спонтанная намагниченность ферримагнетика в температурной точке~T , которая определяется согласно следующим уравнениям, выражающимтеорию коллинеарного ферримагнетизма Нееля (уравнения в безразмерномвиде):⎛ 1 αλ ~ ~ 1 ~ ~ ⎞~ ~ISA (T ) = BS ⎜⎜ ~ ( ISA (T ) − ISB (T )) ⎟⎟ ,δ⎝ T δμ⎠⎛1 β~ ~λ ~ ~ ⎞~ ~ISB (T ) = BS ⎜⎜ ~ ( ISB (T ) − ISA (T )) ⎟⎟ ,δμ⎝T δ⎠~ ~~ ~~ ~IS (T ) = λ ISA (T ) + μ ISB (T ) ,(2)(3)II~~s +1где ISA = SA , ISB = SB , δ =; ISA, ISB – спонтанные намагниченностиI SA 0I SB03sферримагнитных подрешёток А и В соответственно, I SA0 = λI S0 ; I SB0 = μI S0 спонтанные намагниченности ферримагнитных подрешёток А и В притемпературе абсолютного нуля; λ, μ - доли магнитных ионов в ферримагнитныхподрешётках А и В соответственно; α, β - константы молекулярного поля, sспин; BS ( x) =2 s + 1 ⎛ (2 s + 1) x ⎞ 1⎛ x ⎞cth ⎜⎟ − cth⎜ ⎟ - функция Бриллюэна для случая2s⎝ 2s ⎠ 2s ⎝ 2s ⎠спин-спинового взаимодействия, когда орбитальное квантовое число L=0 .~В (1) угол θi( T ) - это угол между вектором спонтанной намагниченности~~IS и вектором напряжённости намагничивающего поля H (см.
рис.2), которыйопределяется при совместном решении следующих уравнений:()π ⋅ I S0 ~ ~ 2~ ~~E (T ) = −⋅ I S (T ) ⋅ cos 2 (ϕ − θ (T )) −H0| K10 | ⎛ ~ ~ 3~ ~ 3⎞~~ ~ ~~ ,(4)2−⋅ ⎜ I SA (T ) + I SB (T ) ⎟ ⋅ cos (ϕ − θ (T )) − IS (T ) ⋅ H ⋅ cos (θ (T ))⎠I S0 ⋅ H 0 ⎝(~ ~⎧ ∂ E (T )= 0,⎪⎪∂θ⎨ 2~ ~⎪ ∂ E (T ) > 0,⎪⎩ ∂θ 2) ()(5)11~где E =E~ H, Е0=IS0H0, H0=1Э, H =, Н – напряжённость намагничивающегоE0H0поля, первый член уравнения (4) – плотность энергии анизотропии формы,второй член (4) – плотность магнитной кристаллографической анизотропии,третий член (4) – плотность энергии магнитного момента в магнитном поленапряжённостью Н; K10- первая константа кристаллографической анизотропиипритемпературеабсолютногонуля,φ–уголмеждуосьюлёгкого~намагничивания одноосного ферримагнитного зерна и вектором H .∼∼~Рис.2. Одноосное однодоменное ферримагнитное зерно в магнитном поле напряжённостью H .ОЛН – ось лёгкого намагничивания, θ - угол, соответствующий минимуму полной энергиисистемы (см.
(4)-(5)).В §2.5. представлены принципы расчёта в рамках построенной моделитемпературно-полевых зависимостей намагниченности. В §2.6. приведеныкраткие итоги второй главы.В третьей главе представлены результаты численного моделирования,полученныеврамкахпостроенноймоделиявлениясамообращениянамагниченности горных пород. В §3.1. приведены расчетные температурные~ ~I T (T )приразныхзначенияхзависимоститермонамагниченностинапряжённостипостоянного магнитного поля~H .
Рассмотрены случаиансамблей одинаковых ферримагнитных зёрен и ансамблей ферримагнитных12зёрен с разными значениями констант молекулярного поля α, β. При~~ ~классификации расчётных кривых I T (T ) в зависимости от значений H~ ~выделено три типа. Первый тип кривых I T (T ) получен для “слабых” магнитныхполей, величина напряжённости которых меньше коэрцитивной силы ансамбляферримагнитных зёрен HC во всем рассматриваемом температурном диапазоне,~он характеризуется единственной точкой (температурой) компенсации TK иналичием эффекта самообращения намагниченности (см. рис.3, кривая 1).~ ~Второй тип кривых I T (T ) получен в «сильных» магнитных полях,величина напряжённости которых больше HC также для всех значенийтемператур, для него характерно подавление эффекта самообращения и, в случае~ансамбля одинаковых зёрен, наличие единственной TK (рис.3, кривая 2), а вслучае ансамбля зёрен разного химического состава (с разными (α, β)) ~отсутствие TK .~ΙT~HT/TCРис.3.
Кривые температурной зависимости термонамагниченности ансамбля одинаковых~~невзаимодействующих ферримагнитных зёрен в “слабом” H W (кривая 1) и “сильном” H ST(кривая 2) магнитных полях.13~ ~Третий промежуточный тип кривых I T (T )полученв “средних”~магнитных полях при значениях H , сравнимых с HC, его отличительнымиособенностями является эффект самообращения и, в случае ансамбля одинаковых~зёрен, наличие двух TK (см.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
