Спектральный анализ включает в себя методы качественного и количественного определения состава объекта. Данные методы рассматривают спектры взаимодействия материи с электромагнитным излучением различных частот, а также изучают распределения элементарных частиц по массе и энергии [1].
Атомы любого химического элемента излучают или поглощают свет на определенных частотах. Это позволяет с помощью спектроскопа в определенных местах наблюдать спектральные линии (темные и светлые), характерные именно для каждого вещества. Зависимость количества вещества и его состояния определяется по интенсивности соответствующих спектральных линий.
Спектральный анализ по своей сущности является универсальным, так как обладает достаточной чувствительностью, позволяет одновременно определить несколько десятков элементов (до 40), используемая аппаратура достаточно проста по сравнению с другими инструментальными методами (например, рентгеноспектральным и масспектральным) и очень рентабельна [2, 3].
Естественная намагниченность горных пород (гранит-аплит, габбро, габбро-базальт, базальт) проявляется в результате следующего механизма: если намагниченность домена направлена по полю, идет разрушение границы под действием теплового движения, если же намагниченность направлена противоположно полю, то разрастание границы будет в сторону домена. Внутри доменов образуются устойчивые зародыши, направленные вдоль поля. Если имеются предпосылки для образования естественной намагниченности, но вследствие малой магнитостатической энергии он не может быть осуществлен, то в последующем данный процесс может быть завершен за счет энергии теплового движения. Этот процесс возможен в случае, когда имеет место более выгодное энергетическое состояние, и он осуществляется при тепловом движении в результате случайных флуктуаций доменов.
В большинстве горные породы имеют в своем составе определенное количество ферромагнитных зерен или ферримагнитных минералов, и поэтому они подобно ферромагнетикам обладают магнитным гистерезисом и имеют температуру Кюри. Но величина намагниченности горных пород обычно весьма незначительно превышает намагниченность парамагнетиков. Такие параметры, как напряженность магнитного поля, температура, давление, химические и механические изменения, влияют на величину намагниченности горных пород [4]. Время, в течение которого в горных породах образуется та или иная намагниченность, зависит как от скорости диагенеза и седиментации, так и от скорости остывания магм, из которых образуются горные породы. Данный промежуток времени лежит в пределах от нескольких часов до десятков тысяч лет [5].
В настоящее время на территории Карачаево-Черкесской Республики (КЧР) в должной мере не изучены магнитные свойства горных пород. Данный факт обусловлен рядом причин: удаленность объектов исследований от научных центров; сложность и экономическая дороговизна исследований, неоднородность состава горных пород. Поэтому представляло интерес изучить естественную остаточную намагниченность горных пород.
Целью работы является детальное изучение химического состава и естественной остаточной намагниченности горных пород КЧР (габбро, гранит-аплит, габбро-базальт, базальт) как для выявления магнитных пород и восстановления геомагнитного поля в геологическом прошлом, так и для объяснения механизма намагниченности горных пород.
Материалы и методы исследования
Образцы горных пород были взяты совместно с геологами КЧР с известными соответственно номером буровой скважины и возрастом (табл. 1).
Для проведения спектрального анализа использовали ДФС – 24. Образцы для проведения исследования высушивали и очищали от внешних загрязнений. Для анализа образец дробили на стальной плите, а затем в агатовой ступке и брали 10–15 г полученного порошка. Далее отбирали 5 г образца и доводили до порошка с размером частиц 0,01 мм который служил материалом для исследований.
Таблица 1
Образцы горных пород
|
№ п/п |
Название породы |
Название местности |
Номер буровой скважины |
Возраст |
|
1 |
Гранит-аплит |
КЧР, Зеленчукский район, правобережье р. Маруха |
1/1020 |
γπPZ3 |
|
2 |
Габбро |
КЧР, Зеленчукский район, левобережье р. Маруха |
7/1022 |
νPR – PZ1 |
|
3 |
Габбро-базальт |
КЧР, Зеленчукский район, водораздел р. Маруха |
7/1051 |
νPR – PZ1 |
|
4 |
Базальт |
КЧР, Зеленчукский район, водораздел р. Маруха |
17/1042 |
PZ1 – KR |
Фотографии спектров исследуемой пробы сравнивали с несколькими эталонами, концентрации в которых изменялись в 3–5 раз. Спектры изучаемых образцов и эталонов фотографировали при одинаковых условиях: силе тока, дуговом промежутке, освещении щели спектрографа (СТЭ-1), величине навески и т.д. Спектрограммы изучали на спектропроекторе ПС-18, методом подбора одинаковых почернений полученных линий элемента в исследуемой пробе и эталонах.
Результаты исследования и их обсуждение
Концентрации различных элементов определяли сравнением почернений спектральных линий в исследуемой пробе с почернением этой же линии в одном из эталонов, для которого концентрация известна, полученные результаты приведены на рис. 1.
Горная порода, находящаяся в магнитном поле Земли в течение определенного времени, приобретает естественную намагниченность [6, 7].
Для выявления однокомпонентности магнитных пород на всех образцах провели исследования температурного размагничивания остаточной намагниченности насыщения. На рис. 2 приведены кривые изменения остаточной намагниченности насыщения Irs(Т), образец 1 и соответственно образцы 2–4.
Также нами впервые для всех образцов экспериментально определена температура Кюри, которая соответствует: 1) гранит-аплит – 773 К, 2) габбро – 783 К, 3) габбро-базальт – 793 К, 4) базальт – 798 К. Из результатов исследования спектрального и термомагнитного анализа следует, что вкрапленные кристаллики являются первичным магнетитом. Это говорит о том, что магнитные свойства этих горных пород обусловлены первичным магнетитом.
Следует отметить, что естественная остаточная намагниченность в переменном магнитном поле, имеет направление вектора In магнитосодержащих пород геомагнитного поля периода формирования горных пород (рис. 3), которое соответствует 0,5 млн лет назад, было примерно таким же, как и в историческом прошлом. А физическая природа естественной остаточной намагниченности горных пород КЧР в связи с составом и структурой магнитных минералов говорит о возможности процессов самообращения.
В табл. 2 приведены результаты экспериментальных измерений исследуемых образцов, где а) In – естественная остаточная намагниченность; б) I0 – угол магнитного отклонения; в) D0 – угол магнитного склонения; г) Тк – термодинамическая температура и характер стабильности In по Н~ .
Рис. 1. Содержание химических элементов в образцах: 1 – гранит-аплит, 2 – габбро, 3 – габбро-базальт, 4 – базальт
Рис. 2. Кривые изменения остаточной намагниченности насыщения от температуры Irs(Т) (1 – гранит-аплит, 2 – габбро, 3 – габбро-базальт, 4 – базальт)
Таблица 2
Результаты экспериментальных измерений исследуемых образцов
|
№ п/п образец |
Название породы |
In•106 |
I0 |
D0 |
Тк |
Стабильность In по Н~ |
|
1 |
Гранит-аплит |
1120 |
51 |
321 |
500 |
стабильно |
|
2 |
Габбро |
1004 |
48 |
316 |
520 |
стабильно |
|
3 |
Габбро-базальт |
1003 |
49 |
315 |
510 |
стабильно |
|
4 |
Базальт |
1002 |
50 |
310 |
505 |
стабильно |
Рис. 3. Размагничивание переменным магнитным полем (1 – гранит-аплит, 2 – габбро, 3 – габбро-базальт, 4 – базальт); 1 – 
; 2–4 – D – I
Для определения формы магнитных частиц использовали компьютерное моделирование и численные методы Монте-Карло. Далее, вычисляли алгоритм, который основан на теореме о среднем:
(1)
где V – объём области W, (W – k-мерный параллелепипед с объёмом V, содержащий область W). В параллелепипеде W произвольно выберем большое число N равномерно распределённых магнитных частиц. Вычислили значение функции f для M магнитных частиц находящихся в области W. Оценивали величину интеграла по формуле
(2)
Если в области W точки распределены с плотностью вероятности р(х), то, зная объём V, можно получить следующую оценку интеграла:
(3)
Алгоритм решения интегрального уравнения:
(4)
Решение искали в виде суммы:
(5)
где
и
(6)
Пусть функционал равен
(7)
Тогда переход от точки xm-1 к точке хт определяется плотностью вероятности K(хт-1, xm)dxm, где математическое ожидание случайной величины равно
(8)
где Ф – искомый функционал.
Осуществляя переход, имеем xm-1-> хт . При этом случайную величину, с помощью которой оценивали функционал, вычисляли по формуле
(9)
Далее, адаптивным методом получили эллиптическую форму магнитных частиц.
Полученные результаты
1. Горные породы: гранит-аплит, габбро, габбро-базальт, базальт – содержат мелкозернистый первичный момент и характеризуются стабильной прямой намагниченностью и определяют направление геомагнитного поля периода формирования горной породы.
2. Получено, что направление геомагнитного поля около 0,5 млн лет назад было таким же, как и в историческом прошлом.
3. Естественная остаточная намагниченность горных пород: гранит-аплит, габбро, габбро-базальт, базальт – приобретается за счет процессов самообращения.
4. При помощи компьютерного моделирования и численного метода Монте-Карло, определили эллиптическую форму магнитных частиц.