Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2020, T. 495, № 2, стр. 56-60

Палеомагнитные данные позволяют получить обоснованные оценки о развитии основных этапов эволюции Земли как планеты. Однако, поскольку задачи палеомагнетизма решаются путем расшифровки информации о характеристиках геомагнитного поля, записанных в древних горных породах, то степень сохранности и стабильность естественной остаточной намагниченности (NRM) образцов исследуемых горных пород имеют решающее значение при оценке надежности полученных результатов. В вулканических породах первичность и сохранность NRM обеспечиваются в тех случаях, когда NRM представлена термоостаточной намагниченностью (TRM), и вопрос ее идентификации является необходимым условием достоверности получаемых результатов. Наибольшую опасность в этом отношении представляет нередко возникающая ситуация, когда NRM на самом деле представлена химической остаточной намагниченностью, возникающей вследствие магнитоминералогических изменений при охлаждении породы во время ее образования. Возможны два физических механизма ее возникновения: 1) в результате роста размера ферримагнитных суперпарамагнитных зерен, когда в присутствии внешнего поля В их объем ${v}$ вырастает до блокирующего объема ${{{v}}_{{\text{b}}}}$ [1], назовем ее CRM; 2) в результате роста температуры Кюри T_c вследствие окисления титаномагнетитовых (ТМ) зерен [2]. Намагниченность, приобретенная вторым способом, называется термохимической (TCRM). Лабораторные эксперименты и компьютерное моделирование показали, что “палеонапряженность” B_anc, определенная методом Телье на образцах, несущих CRM, оказывается в 2–3 раза заниженной по сравнению с истинным полем ее создания B_lab [3]. Полученный вывод дал возможное объяснение существованию в мировой базе данных по палеонапряженности аномально большого числа слабых B_anc в эпохе Брюнеса (последние 780 тыс. лет) [4].

Однако на практике намного бóльшую опасность представляет TCRM. Действительно, при достаточно медленном остывании пород от высоких температур в окислительных условиях зерна титаномагнетита (ТМ) всегда испытывают распад на гексагональную и шпинельную фазы. Если распад происходит при Т > T_с, то возникает обычная TRM с хорошей перспективой получения на ней надежных палеомагнитных данных. Но если же распад происходит при T < Т_с, то он сопровождается ростом Т_с ТМ-ячеек за счет взаимной диффузии ионов железа и титана при образовании магнетит-ильменитовой решетки, что и приводит к образованию TCRM. В литературе всегда высказывались опасения, что результаты, полученные на таких образцах, будут приводить к ложным определениям [5]. Однако лабораторный эксперимент по созданию и исследованию свойств TCRM привел к довольно неожиданному результату: оказалось, что применение методики Телье к образцам, несущим TCRM, дает очень близкую к истинной величину вычисленного поля B_anc относительно интенсивности реально действовавшего при образовании TCRM внешнего магнитного поля B_lab [6].

В данном сообщении мы представляем теоретическое обоснование этого результата путем компьютерного моделирования образования TCRM в системе однодоменных (ОД) взаимодействующих частиц методом Монте-Карло с последующим численным расчетом экспериментов по определению палеонапряженности. Методика моделирования процессов образования TRM, CRM и TCRM, как и непосредственно методики Телье в ансамбле N_p взаимодействующих ОД-зерен этим методом описана в работе [3].

Рассчитывались 2 варианта: 1) при постоянной температуре кристаллизации T_TCRM (рис. 1); 2) при непрерывно охлаждающемся образце (рис. 2). При этом предполагался линейный со временем t рост Т до T_c магнетита (585°С) и линейный же спад Т(t) от T_TCRM до комнатной температуры. Поскольку при расчетах по методу Монте-Карло требуется выполнение большого числа статистических проб, понижающих среднеквадратическое отклонение в получаемом результате, было проведено усреднение по числу экспериментов Монте-Карло от 50 до 100, число частиц в ансамбле N_p = 50 000 для невзаимодействующих частиц (условно при относительной объемной концентрации ферримагнитных частиц c = 0%), N_p = 5000 ‒ при учете взаимодействия, т.е. при с ≠ 0.

Рис. 1.

Диаграммы Араи-Нагата для различных значений c для T_TCRM = 400°C. Образование TCRM по модели роста Т_с со скоростью 0.1°/с при постоянной T_TCRM. Спектр размеров частиц 44‒62 нм.

Рис. 2.

Диаграмма Араи-Нагата для невзаимодействующих ОД-частиц магнетита, рассчитанная при условии одновременного роста Т_с со скоростью 0.1°/с и охлаждения образца от 500°C со скоростью 0.5°/с (ромбы). Спектр размеров частиц 55‒71 нм. Для сравнения показана диаграмма Араи-Нагата, полученная в лабораторном эксперименте при моделировании TCRM (квадраты). Данные взяты из работы [6].

Диаграммы Араи-Нагата, полученные в численных и лабораторных экспериментах по методике Телье, приведены на рис. 1, 2 и 4. Согласно этой методике B_anc = kB_lab, где k ‒ коэффициент определения палеонапряженности, равный тангенсу угла наклона диаграммы. Интервал температур, по которому производилось определение B_anc, показан на рисунках. Как видно из рис. 1 и 2, для невзаимодействующих частиц k ≅ 1. Именно такая ситуация наблюдалась в наших экспериментах с TCRM [6], индуцированной в ТМ-зернах при медленном остывании образцов от T_c (рис. 2). Однако с ростом концентрации частиц c (т.е. с ростом величины магнитостатического взаимодействия) характер диаграмм меняется ‒ они приобретают излом при приближении к высоким температурам, при этом чем выше с, тем раньше начинается излом. Одновременно наблюдается рост отношения TCRM/TRM (рис. 3), что приводит к тому, что k > 1: по низкотемпературному участку k ≈ 1.6‒1.8, а по высокотемпературному k ≈ 2.3‒2.8. Так как в палеомагнетизме за первичную намагниченность обычно принимается именно высокотемпературная компонента, то полученное на коллекции “палеополе” может быть переоценено в 2 раза, если между зернами магнетита имеется существенное взаимодействие. Причиной роста отношения TCRM/TRM с ростом концентрации является то, что TCRM приобретается на стадии роста Т_с, при пониженной величине спонтанной намагниченности M_s, в то время как TRM приобретается уже на стабильных зернах, т.е. при повышенной M_s и, соответственно, повышенной интенсивности магнитостатического взаимодействия, что снижает эффективность приобретения TRM [7].

Рис. 3.

Отношение TCRM/TRM по результатам компьютерного моделирования образования TCRM для T_TCRM = 400°C (ромбы) и 500°C (квадраты).

Рис. 4.

Диаграмма Араи-Нагата, полученная для TRM, созданной на искусственно приготовленном образце, содержащем ОД-термостабилизированные зерна маггемита.

Обращает на себя внимание тот факт, что начальный участок диаграмм Араи-Нагата на рис. 1 и 2 даже при отсутствии взаимодействия имеет бóльший наклон, нежели его основная часть. Такое явление нередко наблюдается и при экспериментах на природных образцах или их искусственных аналогах, но до сих пор оно не нашло однозначного объяснения. Нами специально для данной работы был выполнен эксперимент Телье на искусственно приготовленном образце, несущем лабораторную TRM и содержащим ОД-термостабилизированные зерна маггемита для исключения влияния много- и псевдо-однодоменных частиц. Как оказалось (рис. 4), эффект завышения наклона в начале диаграммы четко наблюдается не только в теории, но и на эксперименте. По всей вероятности, он связан с тем фактом, что блокирующие температуры частиц не строго определены, а являются случайными величинами, изменяющимися в некотором диапазоне температур.

Полученные данные дают основания утверждать, что TCRM может быть источником надежной палеомагнитной информации при определении палеонапряженности, если TCRM образовалась при остывании породы в результате распада первичного титаномагнетита. При этом следует с осторожностью относиться к результатам, полученным на образцах, где объемная концентрация ферримагнетика превышает 0.3%, в этих случаях величина рассчитанного палеополя может быть завышена.