На сегодняшний день по разным причинам в Карачаево-Черкессии (Северный Кавказ) мало изучены горные породы. Поэтому научный и практический интерес представляют следующие вопросы:
1) проблема геомагнетизма как обратная магнитная полярность;
2) физическая природа стабильно прямо и обратно намагниченных горных пород.
В недрах Земли ферромагнитная гипотеза геомагнитного поля есть вероятная, так как значительное количество ферромагнитных веществ находится в оболочке или мантии Земли. Сферический слой из ферромагнитных веществ мощностью в несколько десятков километров способен создать магнитное поле Земли. Если намагниченное тело имеет произвольную форму, его потенциал равен:
U = ∫S (JdS)r – ∫T (div(J/r))dr, (1)
где U – потенциал намагниченного тела;
J – интенсивность намагниченности;
r – радиус-вектор поверхности из точки измерения до элемента поверхности;
S – площадь поверхности рассматриваемого тела.
А для тела, имеющего объемную магнитную массу, потенциал равен:
U = ∫T ρ(dr/r) = ∫r (dm/r), (2)
где ρ – плотность тела;
dm – магнитная масса в элементе объема.
Для ферромагнитной гипотезы необходимым условием является существование первоначального магнитного поля, где возникают намагниченность оболочки вещества, стабильно прямо и обратно намагниченности.
Целью данной работы является экспериментально исследовать геологические объекты стабильно прямо и обратно намагниченных горных пород габбро-базальт, базальт Карачаево-Черкессии (Северный Кавказ).
Материал и методы исследования
Для комплексного изучения стабильно прямо и обратно намагниченных горных пород были отобраны пробы горных пород геологами Карачаево-Черкесской Республики (Северный Кавказ) с известным номером буровой скважины и возрастом (таблица).
Экспериментальные исследования геологических объектов (габбро-базальта и базальта) были выполнены в лаборатории магнетизма на кафедре физики Карачаево-Черкесского государственного университета в течение 2022–2023 гг. в несколько этапов:
1) определяли химический состав горных пород при помощи спектрального анализа на основе спектрометра Д – 24;
2) образцы горных пород вырезали и придавали форму параллелепипеда размером 40х10х10 мм3;
3) был собран блок измерения намагниченности и автоматической записи на ЭВМ от температуры и магнитного поля. Измеряли Jn баллистическим методом при магнитных полях, которое создавали сверхпроводящим соленоидом с постоянной 1,91 кЭ и критическим током 25 А [1]. Чувствительным элементом служила двухслойная аксиальная катушка с дифференциальной намоткой секции. Стабилизация тока через образец осуществлялась с помощью схемы стабилизации тока на базе стабилизатора напряжения У – 1199. Ток через образец не превышал 10-5 А/час.
Средняя квадратичная ошибка в измерении величины – (Jn) составляет ~1,5%, угол магнитного наклонения – (I0) и магнитного склонения – (D) ~ 0,60.
Результаты исследования и их обсуждение
Авторами статьи впервые на территории Карачаево-Черкессии (Северный Кавказ) проведены экспериментальные исследования геологических объектов стабильно прямо и обратно намагниченных горных пород: габбро-базальта и базальта.
В таблице приведены результаты экспериментальных исследований магнитных свойств стабильно прямо и обратно намагниченных горных пород (Jn – намагниченность, I0 – угол магнитного наклонения, T0 – температура Кюри).
Исследования показали, что намагниченность прямо намагниченных горных пород не меняется до 873 К в малых внешних магнитных полях и совпадает с направлением внешнего магнитного поля при температуре 873 К. Температура Кюри прямо намагниченных горных пород находится в области 850оК. Это говорит о том, что эти горные породы содержат, по-видимому, мельчайшие вкрапления – магнетиты, которые можно считать однодоменными [2], они составляют 10% от общей массы горных пород.
На рисунках 1 и 2 приведены полученные экспериментальные результаты размагничивания переменным магнитным полем прямо намагниченных образцов горных пород: 1) габбро-базальт и 2) базальт.
Угол магнитного наклонения находится в пределах от 400 до 600. Температура Кюри равна 900оК [2].
Термомагнитные измерения показали, что намагниченность насыщения Jr S (T) является однофазной. На рисунках 3 и 4 приведены экспериментальные результаты зависимости остаточной намагниченности насыщения от температуры – JrS(T) горных пород: 1) габбро-базальт и 2) базальт.
Полученные экспериментальные результаты показывают, что намагниченность прямо намагниченных горных пород нестабильна.
Результаты экспериментальных исследований магнитных свойств стабильно прямо и обратно намагниченных горных пород (Jn – намагниченность, I0 – угол магнитного наклонения, T0 – температура Кюри)
|
№ |
Название породы |
Название местности |
Номер буровой скважины |
Возраст |
Jn10-6 естественная намагниченность |
I0 угол магнитного наклонения |
Do Угол магнитного склонения |
ToK Температура Кюри |
Стабильность Jn по H0 |
|
1 |
Габбро-баззальт |
КЧР Зеленчукский р-н, р.Маруха |
7/1051 |
n |
2030 |
60 |
47 |
850 |
Стабилен |
|
2 |
Базальт |
КЧР Зеленчукский р-н, р. Маруха |
17/1942 |
PZ1-KR |
1950 |
42 |
30 |
720 |
Стабилен |
Рис. 1. Экспериментальные результаты размагничивания переменным магнитным полем прямо намагниченного образца горной породы габбро-базальт
Рис. 2. Экспериментальные результаты размагничивания переменным магнитным полем прямо намагниченного образца горной породы базальт
Рис. 3. Экспериментальные результаты зависимости остаточной намагниченности насыщения от температуры JrS(T) горной породы габбро-базальт
Рис. 4. Экспериментальные результаты зависимости остаточной намагниченности насыщения от температуры JrS(T) горной породы базальт
Поэтому эти результаты можно использовать для восстановления геомагнитного поля того периода, когда формировалась горная порода [3]. Обратная намагниченность этих горных пород магнитно стабильна [4].
На рисунках 5 и 6 приведены экспериментальные результаты размагничивания переменным магнитным полем обратно намагниченных образцов: 1) габбро-базальт и 2) базальт.
Эксперименты показали, что температура Кюри составляет около 800оК для габбро-базальта и соответственно 720оК для базальта.
При малых магнитных полях направление вектора обратной остаточной намагниченности горных пород не меняется.
По-видимому, обратная намагниченность связана с обменным взаимодействием двух магнитных фаз: ферримагнитной и промежуточной области между ферромагнитным и антиферомагнитным состояниями [5].
Таким образом, из экспериментальных исследований следует, что породы, содержащие вторичный магнетит, характеризуются стабильной обратной намагниченностью, что является необходимым условием появления первичной термоостаточной намагниченности. Несмотря на высокую стабильность Jn горных пород, намагниченность рассматриваемых образцов магнитно стабильна по отношению переменному магнитному полю [6, с. 293].
Рис. 5. Экспериментальные результаты размагничивания переменным магнитным полем обратно намагниченных образцов габбро-базальта
Рис. 6. Экспериментальные результаты размагничивания переменным магнитным полем обратно намагниченных образцов базальта
Естественная остаточная намагниченность не изменяет своего направления при помещении одновременно в малые магнитные поля и температуры [7].
Температура Кюри около 800оК, угол магнитного наклонения – 60о, а для образца базальт соответственно 720оК и 45о.
Выводы
1. Показано, что наличие прямой намагниченности связано с физико-химическими процессами, обусловленными намагничиванием горной породы по направлению геомагнитного поля, а обратная намагниченность – против геомагнитного поля.
2. Прямая намагниченность горных пород дает возможность восстановления геомагнитного поля Земли и объясняет механизм намагниченности горных пород.
3. Обратная намагниченность горных пород имеет внутримолекулярный характер и связана с обменным взаимодействием двух магнитных фаз: ферримагнитной и промежуточной области между ферромагнитным и антиферромагнитным состояниями.
4. Впервые на территории Карачаево-Черкессии комплексно изучены магнитные породы габбро-базальт, базальт.
5. Установлено, что прямая намагниченность исследуемых образцов обусловлена первичным происхождением, а обратная намагниченность – вторичным намагничиванием магнитных минералов и многокомпонентной магнитной системой.
6. Установлена зависимость полярности намагниченности горных пород от состава, структуры и генезиса магнитных минералов.
7. Обратную намагниченность горных пород абсолютно невозможно использовать для восстановления направления геомагнитного поля, так как намагниченность обусловлена вторичными магнитными минералами.