Естественная остаточная намагниченность горных пород очень сложна по своему характеру, так как горные породы, которые входят в состав земной коры, имеют как прямую, так и обратную намагниченность. Изучение механизма образования обратной намагниченности горных пород является одной из основных задач магнетизма.
При помощи обратной намагниченности горных пород можно объяснить инверсию главного геомагнитного поля. А также эффект самообращения вектора естественной остаточной намагниченности за счет физико-химических процессов, протекающих в горных породах.
При помощи магнитной памяти зерен горных пород можно охарактеризовать величину и направление геомагнитного поля земли в геологическом прошлом. Также можно изучить внутреннее строение Земли, процессов, происходящих в ядре и мантии Земли.
Поэтому представляет интерес исследовать механизм образования обратной намагниченности в горных породах габбро-базальт и базальт Карачаево-Черкесии (Северный Кавказ).
Целью данной работы является комплексное изучение механизма образования обратной намагниченности в горных породах габбро-базальт и базальт в широком интервале температур при небольших магнитных полях.
Данная работа является продолжением ранее нами опубликованной работы [1].
Материал и методы исследования
Для достижения поставленной цели измеряли намагниченность баллистическим методом и проводили спектральный анализ в горных породах габбро-базальт и базальт в широком интервале температур при небольших магнитных полях [2].
При измерении намагниченности чувствительным элементом служила аксиальная двухслойная катушка с дифференциальной намоткой секции, а образец продергивался через катушку, что позволяло избегать погрешности, связанной с первоначальным его положением. Запись сигнала с катушек осуществлялась автоматически при помощи ЭВМ. Стабилизация тока через образец осуществлялась с помощью схемы стабилизации тока на базе промышленного стабилизатора напряжения У-1199.
Падение напряжения на магазине сопротивлений R сравнивалось с ЭДС нормального элемента, и разность отрабатывалась стабилизатором. Изменение тока производилось путем изменения сопротивлений. Сползание тока через образец не превышало 10-5 А/час. Погрешность измерений не превышала 0,5% [1; 2].
Для проведения спектрального анализа использовали ДФ – 24. Образцы горных пород очищали от внешних загрязнений и просушивали. Затем брали небольшое количество горных пород, так чтобы проба отражала средний состав анализируемого образца (10-15 г). Пробу предварительно дробили сначала на стальной плите, а затем в агатовой ступке. После того как образцы размельчены, отбирали 3-5 г квантованием и окончательно доводили до порошка с размером частиц 0,01 мм, из которых брали пробу на анализ.
Рядом с исследуемой пробой фотографировали несколько эталонов, концентрации в которых изменялись в 3-5 раз. Спектры эталонов и исследуемых проб фотографировали при одинаковых условиях: силе тока, дуговом промежутке, освещении щели спектрографа (СТЭ-1), величине навески и т.д. Полученную спектрограмму рассматривали с помощью спектропроектора ПС-18, подбирали соответствующие линии элемента в исследуемой пробе и эталонах и сравнивали почернения.
Равенство почернений линий элемента в исследуемой пробе с почернением этой же линии в одном из эталонов позволяет судить о концентрации. Зная содержание элемента в эталоне, мы, таким образом, устанавливали содержание его и в анализируемой пробе. Полученные результаты приведены на рисунке 1 [1; 2].
Рис. 1. Содержание химических элементов в образцах: 1 – габбро-базальт, 2 – базальт
Характеристика образцов горных пород габбро-базальт и базальт
|
№ п/п |
Название породы |
Название местности |
Номер буровой скважины |
Возраст |
|
1 |
Габбро-базальт |
КЧР, Зеленчукский район, правобережье р. Маруха |
7/1051 |
vPR – PZ1 |
|
2 |
Базальт |
КЧР, Зеленчукский район, левобережье р. Маруха |
17/1042 |
PZ1 – KR |
Образцы горных пород габбро-базальт и базальт были взяты совместно с геологами Карачаево-Черкесской Республики (Северный Кавказ) с известным соответственно номером буровой скважины и возрастом (таблица).
Результаты исследования и их обсуждение
Учитывая, что намагниченность J горных пород складывается из естественной остаточной – Jn и индуцированной Jj намагниченностей, определяли индуцированную намагниченность Jj как:
Jj= ӕT, (1)
где ӕ – коэффициент пропорциональности; T – температура.
Исследования показали, что коэффициент пропорциональности ӕ имеет тензорный характер при наличии в горных породах сильных магнитных минералов.
Из экспериментальных исследований следует, что механизм процессов самообращения остаточной намагниченности в горных породах габбро-базальт и базальт по характеру взаимодействия между подрешетками – магнитостатический [2-4].
В горных породах габбро-базальт и базальт наблюдается механизм самообращения при намагничивании первой фазы в размагничивающем поле второй фазы. При этом расстояние между вкрапленными магнитными зернами не велико и соответствует размерам однодоменной частицы [5].
Неодновременность намагничивания разных фаз в механизме самообращения остаточной намагниченности, по-видимому, связана с усреднением значений в объеме горных пород габбро-базальт и базальт, поэтому магнитное поле каждой частицы равно нулю. А это значит, что при изотропном распределении зерен обеих фаз магнитостатическое поле взаимодействия не может обеспечить самообращение намагниченности [6].
При комнатной температуре (20 °C) величина и направление естественной остаточной намагниченности оказались одинаковыми как в случае прямо намагниченных, так и обратно намагниченных горных пород. Это говорит о том, что горные породы имеют однородную намагниченность. Так как горная порода содержит мельчайшую вкрапленность магнетита (составляет ~7%) размером от 0,4 до 10 мкн. Из экспериментальных данных следует, что направление вектора естественной остаточной намагниченности прямо намагниченных образцов не меняется до 700 °С, а в полях до 800 °С совпадает с направлением внешнего поля. Далее при термообработке горных пород габбро-базальт и базальт соответственно при 760 °К и 680 °К наблюдается самообращение намагниченности, где наблюдается слабое взаимодействие между фазами.
Так как первоначальная намагниченность горных пород габбро-базальт и базальт может измениться под воздействием многих факторов, то для получения достоверной информации механизма обратной намагниченности горных пород габбро-базальт и базальт необходимыми и достаточными условиями являются: 1) первичность магнитных горных пород; 2) степень сохранности; 3) наличие структур распада и окисления; 4) наличие и время образования вторичных магнитных минералов.
Следует отметить, что в горных породах габбро-базальт и базальт содержатся вкрапленные минералы, обладающие различными магнитными свойствами, которые ответственны за образование обратной намагниченности.
На рисунках 2 и 3 приведены экспериментальные кривые образования обратной термоостаточной намагниченности при охлаждении горных пород габбро-базальт и базальт от 800 °К в различных магнитных полях: 1. Н=1,5 Э; 2. Н=10,5 Э; 3. Н=300 Э; 4. Н=400 Э.
Из рисунков 2 и 3 следует, что интенсивность обратной намагниченности габбро-базальта и базальта и их стабильность зависят от процентного соотношения магнитных и немагнитных зерен.
Рис. 2. Образование обратной намагниченности горной породы габбро-базальт при охлаждении от 800 °К в магнитных полях: 1. Н=1.5 Э; 2. Н=10.5 Э; 3. Н=300 Э; 4. Н=400 Э
Рис. 3. Образование обратной термоостаточной намагниченности горной породы базальт при охлаждении от 800 °К в различных магнитных полях: 1. Н-1,5 Э; 2. Н=10,5 Э; 3. Н=300 Э; 4. Н=600 Э
Механизм обратной намагниченности горных пород габбро-базальт и базальт зависит от структуры и состава, которые определяются природными условиями или условиями лабораторной термообработки .
Существование обратной намагниченности в горных породах габбро-базальт и базальт, по-видимому, можно объяснить тем, что они содержат минералы, обладающие различными магнитными свойствами [7].
Таким образом, обратная намагниченность горных пород габбро-базальт и базальт зависит от температуры, механического напряжения, химических превращений, переменного магнитного поля и от времени.
При помощи обратной намагниченности горных пород можно объяснить инверсию главного геомагнитного поля. А также эффект самообращения вектора естественной остаточной намагниченности за счет физико-химических процессов, протекающих в горных породах габбро-базальт и базальт.
Выводы
1. Определены индуцированная намагниченность – Jj и коэффициент пропорциональности – ӕ.
2. Механизм процессов самообращения остаточной намагниченности в горных породах габбро-базальт и базальт соответствует по характеру взаимодействия между подрешетками магнитостатическому.
3. Обратная намагниченность в горных породах габбро-базальт и базальт возникает за счет минералов, обладающих различными магнитными свойствами, и зависит от температуры, механического напряжения, химических превращений, переменного магнитного поля и времени.
4. В горных породах габбро-базальт и базальт механизм самообращения происходит при намагничивании первой фазы в размагничивающем поле второй фазы. При этом расстояние между вкрапленными магнитными зернами не велико и соответствует размерам однодоменной частицы, которое возникает при усреднении значений в объеме горных пород габбро-базальт, базальт в магнитном поле.
5. Получено, что при термообработке горных пород габбро-базальт и базальт (соответственно 760 °К и 680 °К) происходит самообращение намагниченности, и при этом наблюдается слабое взаимодействие между фазами.
6. Необходимыми и достаточными условиями существования механизма обратной намагниченности в горных породах габбро-базальт и базальт являются: а) первичность магнитных горных пород; б) степень сохранности; в) наличие структур распада и окисления; г) наличие и время образования вторичных магнитных минералов.
7. При помощи обратной намагниченности горных пород габбро-базальт и базальт можно объяснить эффект самообращения вектора естественной остаточной намагниченности за счет физико-химических процессов, протекающих в горных породах габбро-базальт и базальт Карачаево-Черкесии (Северный Кавказ).