ГЛАВА I. Магнитные свойства горных пород в условиях сдвигового воздействия под повышенным квазивсесторонним давлением

В главе приведен анализ работ посвященных исследованию влияния сдвиговых воздействий под повышенным давлением на магнитные свойства ферримагнитных минералов и содержащих их горных пород как континентального, так и океанского происхождения.

Намагниченность глубинных горных пород, находящихся в условиях одновременного действия литостатического давления и напряжения геодинамического характера, несет очень ценную геофизическую информацию о свойствах недоступного для непосредственного изучения в веществах земной коры и является источником аномального магнитного поля (АГП). Источниками АГП могут быть только горные породы, ограниченные снизу изоповерхностью Кюри магнитных минералов, образующие магнитоактивный слой земной коры (МАС). Предложенные в настоящее время модели МАС основаны на интерпретации АГП и имеют неопределенности, так как решение этой обратной задачи требует знания магнитного состояния горных пород in situ. Результаты глубокого бурения и сейсмопрофилирования, а также измерения реальных напряжений показывают, что горные породы земной коры находятся в сложном поле механических напряжений в присутствии горизонтальных составляющих, которые приводят к появлению касательных напряжений, вызывающих сдвиговые деформации пород. Поэтому для получения информации о состоянии намагниченности глубинных пород земной коры, находящихся в сложно напряженном состоянии, актуальна разработка методов физического моделирования. Вследствие этого, для решения проблем, связанных с формированием МАС земной коры, имеет большое значение экспериментальное изучение влияния сдвиговых воздействий под повышенным квазивсесторонним давлением (ВД+СД) на магнитные свойства горных пород.

В настоящее время подробно изучены влияния одноосных, всесторонних и квазивсесторонних давлений на магнитные свойства горных пород. В основном изучалось влияние термодинамических параметров, характерных для верхней части коры, на обратимые и необратимые изменения магнитные свойства горных пород: начальной магнитной восприимчивости; различных видов остаточной намагниченности с целью оценки сейсмомагнитного эффекта. Влияние давлений, характерных средним и нижним горизонтам земной коры, изучено только на необратимые изменения магнитных характеритик. В лабораторных экспериментах намагниченность (в большинстве случаев только остаточная) измерялась после воздействия давления и температуры. Теоретически смоделированы изменения магнитных параметров горных пород при высоких давлениях и температур, которые представляют наряду с лабораторными экспериментами, интерес при изучении глубинного строения земной коры. В последние годы установлены особенности намагничивания с глубиной пород континентальной и океанской коры, обусловленные влиянием давления и температуры на их магнитоминералогические свойства. Однако следует отметить, что в настоящее время разработанные на основе этих данных модели МАС учитывают только действие литостатического давления, определяемого весом вышележащих толщ.

В работах Трухина В.И., Максимочкина В.И., Валеева К.А, установлены закономерности поведения намагниченности в слабом магнитном поле в условиях повышенных давлений до 400 МПа и температур до 600С, характерных средним и нижним горизонтам континентальной коры. Получены экспериментальные данные по влиянию температуры и ВД характерных для глубин в континентальной коре до 16 км и в океанской коре до 8 км, на процессы формирования основных видов намагниченности горных пород. Эти данные позволили оценить изменения с глубиной магнитоминералогических свойств и намагниченности пород, обусловленные ростом давления и температуры.

Изучением пьезомагнитных параметров горных породах в зависимости от размерного фактора занимались Максимочкин В.И., Абсалямов С.С.

Изучены закономерности разрушения остаточной намагниченности насыщения (Irs), термоостаточной (Irt), идеальной остаточной намагниченности (Iri) и образования пьезоостаточной намагниченности (Irp) порошка магнетита при повышенных давлениях (в дальнейшем ВД) в зависимости от размеров частиц, от длительности отжига на воздухе, в вакууме. Проведено сравнительное изучение Irt и Iri порошка магнетита многодоменных и однодоменных частиц при повышенных давлениях.

Изучены обратимые и необратимые изменения жо при повышенных давлениях порошка магнетита в зависимости от размеров частиц, от исходного магнитного состояния и от дефектной структуры частиц. При измерении обратной зависимости установлено, что жо перпендикулярно к оси давления. Для наиболее мелких частиц (0,05 мкм) магнетита обратимые и необратимые изменения жо не зависят от исходного состояния. Интенсивность изменения жо(Р) частиц магнетита с менее дефектной структурой больше, чем для частиц с более дефектной структурой, полученных измельчением в шаровой мельнице.

В работе Абсалямова С.С. приводятся результаты изучения: закономерностей разрушения и образования при повышенных давлениях остаточной намагниченности порошка магнетита, полученного раздроблением в условиях ВД+СД; влияния обработки в условиях ВД+СД на коэрцитивную силу магнетита в зависимости от размеров частиц.

Также в работе впервые установлено, что разрушение Irs и Irt , а также образование Irp частиц магнетита различных размеров при обработке в условиях ВД+СД происходит значительно интенсивнее по сравнению с действием одного лишь ВД. При этом наиболее интенсивное разрушение Irs происходит при малых углах поворота наковален. Стабильность Irs, Irt магнетита по отношению к воздействию давления и переменного магнитного поля, предварительно обработанных в условиях ВД+СД, выше, чем после обработки их в условиях только ВД.

Известно, что разрушение Irs частиц магнетита с многодоменной структурой под воздействием повышенных давлений обусловлено смещением доменных границ и ростом зародышей перемагничивания. Затруднение смещения доменных границ и роста зародышей обратной намагниченности с уменьшением размеров магнетитовых частиц приводит к увеличению стабильности Irs по отношению к воздействию давления. В мелких ферримагнитных частицах разрушение Irs при наложении ВД осуществляется преимущественно за счет вращения векторов намагниченности доменов. Это обуславливает высокую стабильность Irs мелких частиц магнетита по отношению к воздействию давления. Задержка смещения доменных границ высокими барьерами внутренних напряжений в частицах с сильно дефектной структурой также приводит к увеличению стабильности Irs.

В работах Абсалямова С.С. также исследованы поведения плотности дислокаций, коэрцитивной силы и разрушающего поля горных пород и минералов с различными размерами частиц при раздельном и совместном действии на них ВД и ВД+СД. Сдвиговое воздействие под давлением порошка магнетита с крупными частицами приводит к интенсивному росту Нс и Нсr по сравнению с мелкими (рис. 1). Наибольший рост величины Нс происходит при малых углах поворота наковален. Величина Нс мелких (0,05 мкм) частиц магнетита не зависит от условий обработки при ВД+СД.

Определением плотности дислокаций () в частицах магнетита гармоническим анализом дифракционной линии установлено, что изменения величины после воздействия ВД определяются размером их частиц. Установлено, что зависимость (Р) нелинейна. При этом наиболее интенсивный рост ее

Рис. 1. Зависимость коэрцитивной силы порошка магнетита от угла поворота наковален. 1, 2 средний размер частиц 63; 0,05 мкм.

величины наблюдается в крупных частицах магнетита со средним размером 170 мкм. После воздействия ВД 1,2 ГПа в крупном порошке (170 мкм) увеличивается в 17 раз. Следует отметить, что рост величины начинается после приложения малых давлений. В порошках же с размерами частиц 63 мкм и 0,05 мкм величина до давления 600 МПа остается практически неизменной и начинает увеличиваться в интервале давлений от 600 МПа до 1,2 ГПа. В порошке магнетита со средним размером частиц 0,05 мкм увеличивается только в 2 раза.

В процессе сдвигового воздействия под давлением происходит не только создание новых вакансий и дислокаций, но и интенсивное уменьшение размеров частиц за счет их раздробления. Образование сильно дефектной структуры с высокой плотностью дислокаций и уменьшение размеров частиц за счет их дробления вызывают увеличение Нс, Нсr и уменьшение жо магнетита. Дислокации кристаллической решетки и их скопления, возникшие в большом количестве в объеме частиц, создают значительные барьеры на пути смещения границ магнитных доменов, продвигающихся под действием внешнего магнитного поля или давления. При описании результатов подчеркнуто, что после обработки в условиях ВД+СД наиболее интенсивный рост Нс и Нсr , образование Irp и разрушение Irs , Irt происходит при малых углах поворота наковален. Такое поведение магнитных параметров, по-видимому, объясняется тем, что в процессе обработки магнетита в условиях ВД+СД, во-первых, плотность дислокаций в объеме включений увеличивается до определенного значения и, во-вторых, уменьшение размеров частиц при дроблении также происходит до определенной величины. Независимость коэрцитивной силы мелких частиц магнетита от сдвигового воздействия под давлением, по-видимому, связано, во-первых, с тем, что в однодоменных частицах из энергетических соображений доменные границы не возникают, поэтому их перемагничивание осуществляется исключительно путем процесса вращения намагниченности насыщения доменов. Во-вторых, в удлиненных частицах в основном коэрцитивную силу определяет анизотропия формы. В-третьих, однодоменные частицы сами обладают наибольшей коэрцитивной силой среди частиц других размеров и поэтому дальнейшее уменьшение размеров частиц из-за дробления после ВД+СД не приводит к увеличению ее величины.

В работе изучена температурная зависимость намагниченности насыщения (s(Т)) магнетита в исходном состоянии и после обработки в условиях ВД+СД (рис. 2). Обработка магнетита в условиях ВД+СД сопровождается уменьшением величины s. Интенсивность уменьшения s зависит от величины приложенного давления и угла поворота наковальни. Величина температуры Кюри, определенная по кривой нагревания 2, равна 580С, в то же время ее значение, определенное по кривой 1, 3, составляет 570С. Сдвиговое воздействие под давлением порошка магнетита, приводит также к изменению характера зависимости s(Т). Установлены также увеличение величин rs, Hc и Hcr магнетита после обработки в условиях ВД+СД (табл. 1). Известно, что для ферримагнетиков характерно существование спонтанно намагниченных подрешеток и магнитный порядок в них обусловлен косвенным обменным взаимодействием, которое осуществляется через ионы кислорода. Результирующий магнитный момент ферримагнетика представляет собой разность магнитных моментов подрешеток и определяется энергией косвенного обменного взаимодействия (Акосв).

Рис. 2. Температурная зависимость намагниченности насыщения магнетита в исходном состоянии (1) и после сдвигового воздействия под давлением (2- нагрев, 3- охлаждение).

Сдвиговое воздействие под давлением приводит к созданию в частицах магнетита сильно деформированных областей с высокой плотностью дислокаций. В этих областях частиц с высокой плотностью дислокаций среднее расстояние между атомами из-за искажения кристаллической решетки увеличивается. Зависимость Акосв от расстояния между атомами приводит к уменьшению величины Акосв и, следовательно, к затруднению удержания ферримагнитного упорядочения в этих участках. Искажения строгой периодичности кристаллической решетки в местах накопления дислокаций, вызванных обработкой в условиях ВД+СД, приводят к уменьшению результирующего магнитного момента в ферримагнетиках.

В другой работе приводятся данные изучения влияние сдвигового воздействия под давлением на магнитные характеристики базальтовых порфиритов (Камчатские туфы), железистых кварцитов и магнетитовых руд Приимандровского железорудного района Кольского полуострова.

Температурная зависимость намагниченности насыщения (s(Т)) железистых кварцитов в исходном состоянии и после сдвигового воздействия под давлением приведены на рис. 3, 4. По характеру кривых s(Т) трудно установить о присутствии маггемита в этих железистых кварцитах. Хотя на это указывает лишь более пологий характер изменения кривой нагревания и охлаждения, а также повышенное значение температуры Кюри по сравнению Тс магнетита. После обработки в условиях ВД+СД уменьшение величины s и увеличение значений Нс, Нсr железистых кварцитов происходит интенсивнее по сравнению с воздействием одного лишь давления. Наличие ступеньки на кривой нагревания образцов на рис.6 указывает, что в процессе нагрева в железистых кварцитах в температурном интервале резкого спада намагниченности происходит окисление маггемита до гематита, который имеет маленькую величину намагниченности насыщения.

Таблица 1

Магнитные параметры магнетита Ковдорского месторождения в исходном состоянии и после обработки в условиях ВД и ВД+СД.

Рис. 3. Температурная зависимость намагниченности насыщения железистых кварцитов в исходном состоянии. Образец К-236/66. 1 - нагрев, 2 - охлаждение.

Рис. 4. Температурная зависимость намагниченности насыщения железистых кварцитов на воздухе после сдвигового воздействия под давлением. Образец К-236/66. 1 - нагрев, 2 - охлаждение.

Основным контролирующим фактором фазового перехода маггемита в гематит при нагреве в воздухе является размеры частиц. Уменьшение размеров частиц порошка способствует увеличению доступа кислорода из-за относительного увеличения доли поверхности и тем самым способствует более интенсивному фазовому переходу маггемита в гематит. Окисление маггемита до гематита в железистых кварцитах после обработки их в условиях ВД+СД происходит в узком интервале температур с большим спадом величины намагниченности насыщения.

Установлено, что температурные зависимости намагниченности образцов Камчатских туфов в исходном состоянии и после сдвигового воздействия под давлением различаются (рис. 5, 6). На кривой нагревания 1 образца, подвергнутого к воздействию ВД+СД, появляется «хвост» высота которого составляет 24% от величины намагниченности насыщения в исходном состоянии. Наличие хвоста связано с выделением ферримагнитной фазы с большим значением точки Кюри. Анализ хода кривой остывания образца указывает на то, что она состоит из магнетита, потому что температура исчезновения намагниченности образца совпадает с температурой Кюри магнетита. Обработка в условиях ВД+СД способствует более интенсивному окислению при нагреве титаномагнетита, содержащихся в Камчатских туфах, на магнетит и ильменит. Одной из причин такой активности является то, что из-за уменьшения размеров ферримагнитных включений в результате раздробления в условиях ВД+СД образец обладает развитой поверхностью, и контакт с кислородом приводит к интенсивному окислению. Увеличение интенсивности распада титаномагнетита образца, подвергнутого к воздействию ВД+СД, также вызвано особенностями самой структуры. Поскольку структура после ВД+СД характеризуется значительной объемной доли поверхности и высокой плотностью дефектов. По-видимому, именно это обстоятельство приводит к облегчению диффузии атомов кислорода в образцах, подвергнутых ВД+СД.

Рис. 5. Температурная зависимость намагниченности насыщения Камчатских туфов в исходном состоянии. 1 - кривая нагревания, 2 - кривая охлаждения.

Рис. 6. Температурная зависимость намагниченности насыщения Камчатских туфов после сдвиговой деформации под давлением. 1 - кривая нагревания, 2 - кривая охлаждения.

В работах изучены магнитные свойства гипербазитов гор Крака, слагающих крупный останец шарьяжа Зилаирского синклинория после ВД+СД. Основание и краевые части Кракинского шарьяжа получили более высокую степень тектонической переработки по сравнению его с центральной частью. Об исключительно мощных тектонических напряжениях, существовавших при катакластическом метаморфизме гор Крака, свидетельствуют интенсивное дробление и брекчирование, наблюдающихся в основании Кракинского шарьяжа.

При изучении магнетитов Кольской сверхглубокой скважины из зоны интенсивного дислокационного метаморфизма (Лучломпольский разлом) установлено влияние степени тектонических воздействий на особенности микроструктуры зерен магнетита, проявляющееся через его структурно-чувствительные магнитные параметры. Магнитные свойства гипербазитов зависят от места отбора образца из блока гипербазита. Величины магнитных параметров (s, Нс и rs/sо) образцов гипербазитов из краевой (в дальнейшем обр. I) и центральной (в дальнейшим обр. II) части блока гипербазита различаются. Значения магнитных параметров также зависят от напрвления измерения относительно ориентированной катакластической структуры. Величина намагниченности насыщения обр. I меньше значения намагниченности насыщения обр. II на 17% (табл. 2, рис. 7). Величина температуры Кюри, определенная по кривым нагревания 1, 2 составляют 600 и 590С, соответственно. На кривой s(Т), соответствующей обр. I, в области температур от 150 до 310С имеется «горб». На кривой s(Т), соответствующей обр. II, этот «горб» практически не заметен. Наличие «горба» на кривой нагревания в области температур от 150 до 310С обусловлено тем, что в этом интервале температур при нагреве на воздухе происходит превращение маггемита в магнетит, который обычно сопровождается ростом величины намагниченности насыщения.

После обработки обр. I и II в условиях ВД+СД (Р= 1000 МПа, = 720) величина намагниченности насыщения их уменьшается на 10% (рис. 8).

Рис 7. Температурная зависимость намагниченности насыщения образца гипербазита из краевой части (кривые 1,3) и центральной части (кривые 2,4) блока гипербазита в исходном состоянии. 1,2 - кривая нагревания, 3,4 - кривая охлаждения.

Рис 8. Температурная зависимость намагниченности насыщения образца гипербазита из краевой части (кривые 1,3) и центральной части (кривые 2,4) блока гипербазита, испытавшего после совместного воздействия ВД+СД. 1,2 - кривая нагревания, 3,4 - кривая охлаждения.

Величина Тс для обр. I и II, определенная по кривым нагревания и остывания,составляет 600С. Кривая s(Т) гипербазита после воздействия ВД+СД достигает нуля в интервале температур 670-680С. Обработка гипербазитов в условиях ВД+СД приводит не только к изменению их структурного состояния, но и вызывает изменение фазового состава ферримагнитных минералов. При последующих нагревах на воздухе наиболее мелкие включения вюстита разлагается на магнетит и железо, которые затем окисляются до гематита. Это подтверждается тем, что намагниченность насыщения образцов гипербазитов после воздействия ВД+СД достигает нуля только в интервале температур 670-680С.

Таблица 2

Магнитные параметры гипербазитов гор Крака.

Все современные модели магнитоактивного слоя земной коры (Шрейдера А.А., Гордина Д.М., Трухина В.И., Максимочкина В.И.) предсказывают о существование высокой намагниченности слоя четвёртой океанской коры на глубинах 7-8 км, сложенного серпентинизированными перидотитами (гипербазитами). Этот слой залегает на глубине, где температура приближается к температуре Кюри магнетита и поэтому намагниченность его должна быть достаточно мала. По гипотезе Максимочкина В.И. на магнетитовой фракции, подвергнутой сильной сдвиговой деформации под повышенным давлением (такие динамические условия характерны для формирования серпентинитов), возможно существование довольно высокой намагниченности термоостаточной природы. За счет образования магнетитовой фракции с сильно дефектной структурой спад величины термонамагниченности обусловленной ростом температуры и давления на глубине 7-8 км может смениться его ростом. Однако, как показывают результаты, полученные в данной работе, образование сильно дефектной структуры серпентинизированных перидотитов после обработки в условиях ВД+СД приводит к уменьшению s и увеличению коэрцитивной силы. Установлено, что обработка в условиях ВД+СД приводит к увеличению содержания вюстита (FeO) в гипербазите. В частицах малых размеров оксиды железа после обработки в условиях ВД+СД являются химически неустойчивыми. При высоких температурах в мелких ферримагнитных включениях Fe3O4 постепенно переходит в вюстит (2Fe3O4 6FeO+O2). При этом наиболее мелкие частицы FeO (1 мкм) восстанавливаются с образованием железа (2FeO -2Fe+O2). Установлено также, что обработка в условиях ВД+СД подводных базальтов Красного моря вызывает увеличение интенсивности окисление титаномагнетита с выделением ильменита, магнетита.

Образование в результате обработки в условиях ВД+СД сильно деформированных участков с высокой плотностью дислокаций в ферримагнитных включениях приводит к фазовой неустойчивости оксидов железа, которые частично восстанавливаются до железа. Термомагнитный анализ магнетитовых руд из тектонических нарушений Приимандровского месторождения, испытавших в естественных условиях интенсивные стрессовые напряжения при наличии повышенных давлений, подтверждают присутствие в них магнетита и железа. При этом содержание железа в магнетитовых рудах уменьшается с увеличением расстояния от тектонических нарушений.