WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. М.В. ЛОМОНОСОВА ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи

УДК 550.382.3 Безаева Наталья Сергеевна МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ САМООБРАЩЕНИЯ НАМАГНИЧЕННОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД Специальность 25.00.10 – геофизика, геофизические методы поиска полезных ископаемых

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Москва – 2006 2

Работа выполнена на кафедре физики Земли физического факультета Московского Государственного Университета им. М.В. Ломоносова.

Научный консультант: доктор физико-математических наук профессор В.И. Трухин

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук профессор А.В. Ведяев доктор геолого-минералогических наук профессор А.А. Шрейдер

Ведущая организация: Геологический Факультет Московского Государственного Университета им. М.В. Ломоносова

Защита состоится « 22 » февраля 2007 г. в 15.00 на заседании Диссертационного Совета Д.501.001.63 при Московском Государственном Университете им. М.В.

Ломоносова по адресу: 119992, Москва, ГСП-2, Ленинские горы, МГУ им. М.В.

Ломоносова, Физический факультет, ауд. СФА.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова. Ваш отзыв на автореферат в одном экземпляре, заверенный печатью организации, просим направлять по указанному адресу.

Автореферат разослан « 27 » декабря 2006 г.

Учёный секретарь Диссертационного Совета Д.501.001.63 кандидат физико-математических наук В.Б. Смирнов 3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Работа посвящена исследованию явления самообращения намагниченности горных пород1 методом численного моделирования.

Самообращением намагниченности называется намагничивание ферримагнитных минералов, входящих в состав горных пород и в основном определяющих магнетизм горных пород, антипараллельно намагничивающему полю.

Актуальность диссертационной темы.

Вокруг Земного шара существует магнитное поле, напряжённостью Н 0.5 Э. Геомагнитное поле (ГМП) воздействует на живую и неживую природу, намагничивает все минералы и горные породы. Прямые измерения элементов геомагнитного поля проводятся только на протяжении последних лет. Вся история древнего ГМП восстановлена при использовании палеомагнитного метода, то есть метода исследования древнего ГМП по естественной остаточной намагниченности NRM (от англ. “Natural Remanent Magnetization”) горных пород разных геологических эпох.

NRM изверженных горных пород образуется в результате процесса природного термонамагничивания, то есть при охлаждении в ГМП кристаллизовавшихся из магмы минералов горных пород до температуры Земной поверхности. Процесс термонамагничивания легко моделируется в лаборатории при охлаждении образцов горных пород в магнитном поле от температуры ТТС, где ТС- точка Кюри, до комнатной температуры Т0, в результате чего образуется термонамагниченность TM (от англ. “Thermo Magnetization”), а после отключения поля остаётся термоостаточная намагниченность TRM (от англ. “Thermo Remanent Magnetization).

Во время палеомагнитных исследований было обнаружено, что примерно половина всех горных пород намагничена антипараллельно направлению напряжённости современного ГМП. Существование в природе обратной намагниченности позволило предположить, что в прошлые геологические эпохи Здесь и везде далее речь идёт только об изверженных горных породах.

происходили инверсии (переполюсовки) ГМП, которых за последние 600 млн.

лет насчитывается более 1000. Таким образом, обнаруженная в природе обратная намагниченность горных пород трактуется, как образовавшаяся в древнем ГМП с полярностью, противоположной современной. Однако, существует альтернативный инверсиям ГМП механизм образования обратной намагниченности горных пород – самообращение намагниченности. Явление самообращения намагниченности никак не учитывается при палеомагнитных исследованиях, что может привести к существенной погрешности при интерпретации палеомагнитных данных и включению «ложных» инверсий в мировую магнитохронологическую шкалу инверсий.

Инверсии ГМП имеют огромное экологическое значение, так как во время инверсии напряжённость ГМП близка к нулю и быстрые частицы высоких энергий солнечного и космического излучений могут достигнуть поверхности Земли и оказать существенное влияние на её биосферу.

Изучать инверсии ГМП напрямую мы никогда не сможем, так как средняя продолжительность инверсии составляет 5000 лет. В связи с этим большую роль приобретают исследования явления самообращения намагниченности горных пород и исследования физического механизма самообращения намагниченности.

Самообращение NRM, TM, TRM многократно наблюдалось во многих лабораториях мира, в том числе самообращение TM и TRM наблюдалось в лаборатории Геомагнетизма кафедры физики Земли физического факультета МГУ на кимберлитах и траппах Якутии, на синтезированных гемоильменитах и на подводных базальтах Атлантического Океана, содержащих титаномагнетиты.

Единого мнения о механизме самообращения намагниченности горных пород на сегодняшний день не существует.

В 1951 году, одновременно с открытием в лаборатории явления самообращения намагниченности японским учёным Т. Нагатой [1], французский физик-теоретик, впоследствии Нобелевский лауреат Л. Неель предложил четыре физических механизма самообращения намагниченности [2]. Первые два механизма являются однофазными и связаны со сменой знака спонтанной намагниченности IS ферримагнетика при изменении температуры T (кривые IS(T) типа N по Неелю). Смена знака IS на кривой IS(T) обусловлена либо выбором констант молекулярного поля, из диапазона N типа [3], либо диффузией магнитных ионов между ферримагнитными подрешётками. Однофазный механизм самообращения намагниченности, связанный с зависимостями IS(T) типа N будет далее именоваться механизмом N типа Нееля. Последние два физических механизма самообращения намагниченности горных пород являются двухфазными и связаны с магнитостатическим или обменным взаимодействием фаз.

В лаборатории Геомагнетизма физического факультета МГУ были проведены детальные экспериментальные исследования процессов самообращения намагниченности горных пород на образцах кимберлитов Якутии, содержащих пикроильмениты, которые с магнито-минералогической точки зрения являются природными аналогами гемоильменитов [4]. Эти исследования позволили выдвинуть предположение о том, что наиболее вероятный физический механизм, ответственный за наблюдаемое самообращение намагниченности – это механизм N типа Нееля. Для проверки выдвинутой гипотезы были специально синтезированы строго однофазные гемоильмениты аналогичного состава и снова получено самообращение намагниченности [5], что подтверждает выдвинутую гипотезу.

Следующим шагом на пути к пониманию физики явления самообращения намагниченности горных пород является создание компьтеризированной модели явления самообращения намагниченности, основанной на ясно понимаемом физическом механизме самообращения, и исследование процессов самообращения намагниченности методом математического моделирования.

Цель работы.

На основании теоретических работ Нееля [2-3] и экспериментальных исследований процессов самообращения [4-6] построить модель явления самообращения намагниченности горных пород по механизму N типа Нееля, выполнить её компьютерную реализацию и, с помощью построенной модели, детально исследовать процессы самообращение намагниченности и физический механизм самообращения N типа в широком диапазоне магнитных параметров.

Провести сопоставление результатов численного моделирования с данными физического эксперимента.

Метод исследования: численное моделирование.

Научная новизна работы.

Впервые построена модель явления самообращения намагниченности по механизму N типа Нееля, в рамках построенной модели проведено детальное исследование процессов самообращения намагниченности горных пород и физического механизма самообращения N типа в широком диапазоне внутренних магнитных параметров (таких как константы молекулярного поля, и др.), характеризующих ансамбль ферримагнитных зёрен, который выступает в качестве модельного образца горной породы, и внешних параметров (таких как величины напряжённостей постоянных магнитных полей, температура), действующих на модельный образец. Проведено сопоставление результатов численного моделирования с экспериментальными данными и интерпретация ряда экспериментальных данных в рамках построенной модели.

Научная и практическая ценность работы.

Представленная в диссертации модель явления самообращения намагниченности горных пород расширяет возможности физического эксперимента и позволяет детально исследовать самообращение намагниченности N типа и однофазный физический механизм N типа во всём диапазоне магнитных параметров (,, Н), где, - константы молекулярного поля, а Н – напряжённость намагничивающего поля, без необходимости синтезировать или искать в природе соответствующие образцы горных пород.

Построенная модель также позволяет проводить анализ любых уже полученных экспериментальных зависимостей температурной зависимости термонамагниченности IT(T) и термоостаточной намагниченности IrT(T) с самообращением с точки зрения физического механизма, ответственного за наблюдаемое явление. Если в рамках модели интерпретация полученных в физическом эксперименте кривых IT(T) возможна, то можно обоснованно утверждать (если не доказано обратное), что наблюдаемое самообращение обусловлено действием физического механизма N типа. Построенная модель может быть использована при дальнейших теоретических и экспериментальных исследованиях процессов самообращения намагниченности горных пород.

Апробация работы.

Материалы диссертации докладывались на научной конференции «Ломоносовские чтения. Секция физика» (апрель 2005) и на международной научной конференции по магнетизму Moscow International Symposium on Magnetism (июнь 2005).

Публикации.

Основные результаты диссертации изложены в 6 опубликованных работах, список которых приводится в конце настоящего автореферата.

Структура и объём диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка цитируемой литературы, включающего 76 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

:

Во введении рассмотрено явление самообращения намагниченности горных пород и связь этого явления с глобальными геофизическими и экологическими проблемами. Приведена историческая справка по проблеме самообращения намагниченности. Показана актуальность диссертационной темы и введены все основные определения, широко используемые в геофизике и в настоящей диссертационной работе.

В первой главе представлен обзор научной литературы по проблеме самообращения намагниченности горных пород и физических механизмов самообращения. В §1.1. изложены основы магнитной минералогии горных пород. В §1.2. представлен обзор работ о самообращении намагниченности природных ферримагнетиков горных пород и его особенностях. Показано, что класс минералов, на которых наблюдается явление самообращения намагниченности, очень узок: это в основном титаномагнетиты и гемоильмениты. В §1.3. рассмотрены возможные физические механизмы экспериментально установленных случаев самообращения ферримагнетиков горных пород и синтезированных ферримагнетиков. В §1.4. подробно рассмотрен однофазный физический механизм самообращения намагниченности горных пород N типа Нееля. Представлены детальные экспериментальные исследования процессов самообращения намагниченности на образцах кимберлитов Якутии и на образцах синтезированных гемоильменитов и экспериментальные исследования физического механизма самообращения намагниченности N типа, проведённые в лаборатории Геомагнетизма кафедры физики Земли физического факультета МГУ под руководством профессора В.И.

Трухина [4-6]. Рассмотрена также предложенная в работе [6] физика явления самообращения намагниченности горных пород по механизму N типа Нееля. В §1.5. приведены краткие итоги первой главы.

Во второй главе представлена модель явления самообращения намагниченности горных пород. В §2.1. изложены основные принципы моделирования. Горная порода представляет собой конгломерат неоднородных по составу диа- и парамагнитных минералов, образующих матрицу, с ферримагнитными вкраплениями в виде мелких (микроны) вытянутых зёрен, занимающих проценты или даже доли процентов от общего объёма горной породы. Именно ферримагнитные зёрна являются основными носителями магнетизма горных пород. Поэтому в качестве модели горной породы рассмотрен ансамбль одинаковых однодоменных невзаимодействующих ферримагнитных зёрен с одноосной анизотропией и температурной зависимостью спонтанной намагниченности N типа Нееля (см. (2)-(3) и рис.1).

В §2.2-2.4. представлены основные уравнения, использованные при моделировании процессов самообращения намагниченности горных пород. В §2.2 кратко рассмотрена модель двухподрешёточного ферримагнетика и теория коллинеарного ферримагнетизма Нееля. Следует отметить, что именно двухподрешёточные ферримагнетики встречаются в реальных горных породах.

В §2.3 рассмотрены процессы намагничивания одноосного однодоменного ферримагнитного зерна в постоянном магнитном поле, а в §2.4 рассмотрены процессы намагничивания ансамбля таких зёрен. Зёрна положены невзаимодействующими ввиду их низкой объёмной концентрации в горных породах.

~ ~ ~ ISA, ISB, IS ~ ISA ~ IS T/TC ~ ISB Рис.1. Температурные зависимости спонтанных намагниченностей ферримагнитных подрешёток А и В и суммарной спонтанной намагниченности ферримагнетика N типа в классификации Нееля.

Термонамагниченность ансамбля одинаковых одноосных однодоменных невзаимодействующих между собой ферримагнитных зёрен в температурной ~ ~ ~ точке T (где T [0,1] - приведённая температура, T =Т/ТC, ТC – точка Кюри) определяется как векторная сумма соответствующих намагниченностей отдельных зёрен (“~” означает нормировку на nIS0, где n – число зёрен ансамбля, IS0 – спонтанная намагниченность ферримагнетика при температуре абсолютного нуля):

Pages:     || 2 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»