Салтыковский А.Я. О петромагнитных свойствах горных пород, испытавших структурно-деформационные изменения (на основе эксперимента)

Научная статья

Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ 432аа испытавших структурно-деформационные

изменения(на основе эксперимента)

Салтыковский А.Я. (saltyk(g)ifz.ru)

Институт физики Земли им. О.Ю.Шмидта, Российская Академия наук,

Москва

Одной из важнейших задач современной геофизики является проблема формирования магнитных свойств горных пород в тектонически-активных структурах земной коры (области складчатости, окраины континентов, активные вулканические зоны и пр.). Она крайне актуальна при интерпретации региональных магнитных аномалий и при проведении палеомагнитных исследований. Известно, что магнитная характеристика горной породы определяется составом ферримагнитных минералов - титаномагнетитов и гемоиль-менитов, входящих в состав многих магматических горных пород; эти фазы являются индикатором окислительного режима и Р-Т параметров при формировании магматических расплавов различного состава в разных геодинамических условиях, а также процессов дифференциации глубинных магм. Основу этих минеральных разновидностей составляют твердые растворы ульвошпинель-магнетит и ильменит-гематит. Естественно, что основное внимание исследователей уделялось условиям кристаллизации именно этой серии твердых растворов. Начиная с работы Т.Нагата (Магнетизм горных пород, 1956 г.), во многих зарубежных и отечественных публикациях обсуждается связь различных магнитных характеристик горных пород с особенностями состава и структуры (фазовой однородности) ферримагнетиков - отмеченных выше твердых растворов; упоминается только наличие примесей катионов без обсуждения их природы. ( 1,2 )

До последнего времени мало внимания уделялось изучению магнитных свойств в ходе деформационных процессов при нахождении горных пород в стрессовых полях напряжений, что очень важно в условиях активной тектоники.

Особенности магнитных свойств горных пород, в частности, их магнитная анизотропия могут служить четким индикатором палеотектонических движений и геологической истории, как отдельных региональных структур, так и крупных блоков земной коры.

В задачу настоящего исследования входило изучение деформационных свойств базальтов с использованием сверхмощного пресса INOVA, причем магнитные характеристики испытываемых пород снимались до и после испытания образцов на их механическую прочность с тем, чтобы можно было бы сравнить изменение магнитных характеристик в зависимости от прилагаемых к образцам усилий на прессе.

Исследования магнитных характеристик выполнялись на астатических и термомагнитометрах для измерения индуктивной и остаточной намагниченности

Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ 433аа Объектом экспериментов являлись четвертичные недислоцированные базальты и андезитобазальты, отобранные со Срединного хребта Камчатки, один образец представлял собой неизмененный палеогеновый базальт с вулканического плато Армении. Ниже приведены номера образцов и их местонахождение: 890904\9-базальт, неизмененный; Срединный хребет, Камчатка; 820904U9 -платобазальт, В ост. Камчатка, Озерковское месторождение золота; 1004.11-андезито-базальт, Вост. Камчатка, мыс Гавен; 703-36 - то же, там же. 19-35 -андезито-базальт, Армянское вулканическое плато, р.Апаран. Весь материал тщательно отбирался на предмет отсутствия заметных трещин и явных дислокаций. Затем, из центральной части (чтобы избежать любых вторичных изменений образца) выпиливались кубики с размерами граней 10 мм.

Проведение механической прочности базальтов проводилось на управляемом прессе INOVA, изготовленном в 1984 году в Чехии по заказу Института физики Земли РАН. Пресс представляет собой программную управляемую гидравлическую систему с максимально развиваемым усилием до 100 тонн. С помощью программы управления выбираются и задаются необходимые режимы испытаний материалов. Нужная деформация задавалась ступенчато, причем величина одной ступеньки составляла 0.25 мкм. Точность определения нагрузки была + / - 2.5 кг. Поток событий акустической эмиссии регистрировался пьезоэлектрическим датчиком; один раз в секунду проводился подсчет числа событий, превысивших заданный порог и их суммарная энергия.

В ходе опытов регистрируются следующие физические параметры - осевая нагрузка, осевое перемещение, поток событий акустической эмиссии Исследуемые образцы представляли собой кубики с размером грани 10 мм. Режим нагружения с постоянной скоростью деформации составлял 4*10 . Главное требование при эксперименте - не допустить полного разрушения образца. Для выполнения этого производился непрерывный визуальный контроль потока событий акустической эмиссии. По достижении этим потоком некоторого критического значения, определенного из предварительных испытаний, осевая деформация образца останавливалась. Эта пауза выдерживалась в течение, около 30-50 сек, в зависимости от материала образца. Критерий выдержки паузы - существенное уменьшение потока событий акустической эмиссии. Во время паузы происходили процессы релаксации породы, приводящие к уменьшению осевой нагрузки и уменьшению потока событий. Затем включался реверсионный режим и производилась разгрузка образца с той же скоростью деформации.

По результатам опытов были построены графики изменения осевой нагрузки и деформации, а также изменения числа событий акустической эмиссии во времени, (рис. 1.) Максимальные параметры осевой деформации и осевого давления рассчитывались исходя из геометрических размеров образца. На графике ось X - ось времени в сек. Ось Y - для нагрузки в кг, для числа событий акустическойаа эмиссииаа ваа шт./сек.,аа дляаа задаваемойаа деформацииаа ваа единицах

Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ 434аа

Результаты измерений магнитных характеристик испытываемых образцов приведены в таблицах, по которым построены для каждого образца петли гистерезиса. При внимательном рассмотрении диаграмм большая часть образцов не меняет своей коэрцитивной силы, но увеличивает остаточную намагниченность насыщения. Возникает очень жесткая компонента, не насыщающаяся даже в максимальных полях до 0.8 тесла. В результате заметна значительная разница в форме кривых нормального намагничивания (колонки I - М в таблице данных), полученных до и после сжатия (рис.2).

Иными словами, коэрцитивный спектр после сжатия резко ужесточается, что, скорее всего, обусловлено большим количеством дефектов решетки, в частности, скоплениями дислокаций, возникающих в ходе приложения давлений.

В таблице 1 - первая колонка А - магнитное поле в эрстедах. 1 Тесла = 10 000 эрстед. Колонки В - G дают величину намагниченности, измеренной непосредственно в приложенном поле. Колонки I - М дают величину намагниченности, измеренной после снятия поля. В таблице приведены результаты одного из измерений намагниченности образцов.

Табл.1. Магнитные характеристики образцов до и после нагружения.

А	В	С	D	Е	F	G	I	J	Н	К	L	М
рб	рО	р2	р4	р8	р9	рЮ	рО	р2	р4	р8	р9	рЮ
pole	etalon	"890904/91	'"820904/19"	"1004/11"	"703-36"	"19-35"	etalon	"890904/9""820904/19" "1004/11"			"703-36"	"19-35"
-6770	-1,17	-2,76	-2,78	-0,172	-1,93	-0,172	-0,124	-0,109	-0,247	-0,000454	-0,0578	-0,000959
-4340	-1,05	-2,57	-2,66	-0,127	-1,93	-0,125	-0,124	-0,109	-0,249	-0,000473	-0,0587	-0,000952
-2970	-0,944	-2,39	-2,47	-0,0873	-1,89	-0,0873	-0,125	-0,111	-0,252	-0,000479	-0,0588	-0,000954
-2240	-0,855	-2,22	-2,32	-0,0662	-1,77	-0,0669	-0,125	-0,112	-0,254	-0,000481	-0,0588	-0,000954
-1750	-0,78	-2,06	-2,19	-0,052	-1,65	-0,0537	-0,125	-0,114	-0,254	-0,00049	-0,0608	-0,000956
-1240	-0,674	-1,78	-1,99	-0,0377	-1,45	-0,0398	-0,126	-0,114	-0,257	-0,000501	-0,0608	-0,000963
-911	-0,574	-1,49	-1,76	-0,0281	-1,22	-0,0303	-0,127	-0,116	-0,259	-0,000512	-0,0628	-0,000966
-733	-0,509	-1,28	-1,59	-0,0228	-1,06	-0,025	-0,127	-0,116	-0,26	-0,000525	-0,0628	-0,000964
-556	-0,432	-1,04	-1,37	-0,0175	-0,86	-0,0193	-0,127	-0,116	-0,262	-0,000542	-0,0628	-0,000955
-377	-0,355	-0,801	-1,14	-0,0127	-0,661	-0,0142	-0,126	-0,115	-0,262	-0,000545	-0,0628	-0,000942
-305	-0,307	-0,649	-0,985	-0,0101	-0,533	-0,0112	-0,126	-0,114	-0,262	-0,000553	-0,0626	-0,000933
-230	-0,262	-0,509	-0,828	-0,00782	-0,413	-0,00854	-0,125	-0,114	-0,262	-0,000555	-0,0609	-0,000923
-176	-0,229	-0,411	-0,709	-0,00604	-0,331	-0,00674	-0,125	-0,114	-0,262	-0,000557	-0,0608	-0,000915
-130	-0,202	-0,325	-0,598	-0,00465	-0,255	-0,00529	-0,125	-0,114	-0,262	-0,00056	-0,0608	-0,000908
-97,6	-0,183	-0,271	-0,52	-0,00368	-0,207	-0,00403	-0,125	-0,113	-0,262	-0,000561	-0,0608	-0,000909
-74,8	-0,168	-0,233	-0,465	-0,003	-0,173	-0,00327	-0,125	-0,113	-0,262	-0,000557	-0,0608	-0,000905

Табл.1. Магнитные характеристики образцов до и после нагружения.

А	В	С	D	Е	F	G	I	J	Н	К	L	М
рб	рО	р2	р4	р8	р9	рЮ	рО	р2	р4	р8	р9	рЮ
pole	etalon	"890904/91	'"820904/19"	"1004/11"	"703-36"	"19-35"	etalon	"890904/9""820904/19" "1004/11"			"703-36"	"19-35"
-6770	-1,17	-2,76	-2,78	-0,172	-1,93	-0,172	-0,124	-0,109	-0,247	-0,000454	-0,0578	-0,000959
-4340	-1,05	-2,57	-2,66	-0,127	-1,93	-0,125	-0,124	-0,109	-0,249	-0,000473	-0,0587	-0,000952
-2970	-0,944	-2,39	-2,47	-0,0873	-1,89	-0,0873	-0,125	-0,111	-0,252	-0,000479	-0,0588	-0,000954
-2240	-0,855	-2,22	-2,32	-0,0662	-1,77	-0,0669	-0,125	-0,112	-0,254	-0,000481	-0,0588	-0,000954
-1750	-0,78	-2,06	-2,19	-0,052	-1,65	-0,0537	-0,125	-0,114	-0,254	-0,00049	-0,0608	-0,000956
-1240	-0,674	-1,78	-1,99	-0,0377	-1,45	-0,0398	-0,126	-0,114	-0,257	-0,000501	-0,0608	-0,000963
-911	-0,574	-1,49	-1,76	-0,0281	-1,22	-0,0303	-0,127	-0,116	-0,259	-0,000512	-0,0628	-0,000966
-733	-0,509	-1,28	-1,59	-0,0228	-1,06	-0,025	-0,127	-0,116	-0,26	-0,000525	-0,0628	-0,000964
-556	-0,432	-1,04	-1,37	-0,0175	-0,86	-0,0193	-0,127	-0,116	-0,262	-0,000542	-0,0628	-0,000955
-377	-0,355	-0,801	-1,14	-0,0127	-0,661	-0,0142	-0,126	-0,115	-0,262	-0,000545	-0,0628	-0,000942
-305	-0,307	-0,649	-0,985	-0,0101	-0,533	-0,0112	-0,126	-0,114	-0,262	-0,000553	-0,0626	-0,000933
-230	-0,262	-0,509	-0,828	-0,00782	-0,413	-0,00854	-0,125	-0,114	-0,262	-0,000555	-0,0609	-0,000923
-176	-0,229	-0,411	-0,709	-0,00604	-0,331	-0,00674	-0,125	-0,114	-0,262	-0,000557	-0,0608	-0,000915
-130	-0,202	-0,325	-0,598	-0,00465	-0,255	-0,00529	-0,125	-0,114	-0,262	-0,00056	-0,0608	-0,000908
-97,6	-0,183	-0,271	-0,52	-0,00368	-0,207	-0,00403	-0,125	-0,113	-0,262	-0,000561	-0,0608	-0,000909
-74,8	-0,168	-0,233	-0,465	-0,003	-0,173	-0,00327	-0,125	-0,113	-0,262	-0,000557	-0,0608	-0,000905
-55,9	-0,156	-0,2	-0,42	-0,00237	-0,143	-0,00268	-0,125	-0,112	-0,262	-0,000554	-0,0608	-0,000898
-41	-0,148	-0,179	-0,384	-0,00191	-0,124	-0,00207	-0,125	-0,112	-0,262	-0,00056	-0,0608	-0,000895
-30,7	-0,142	-0,159	-0,357	-0,00163	-0,109	-0,00169	-0,125	-0,112	-0,262	-0,000559	-0,0608	-0,000895
-23,4	-0,137	-0,152	-0,341	-0,00134	-0,0977	-0,00156	-0,125	-0,112	-0,262	-0,000559	-0,0608	-0,000894

-17,7	-0,135	-0,138	-0,325	-0,00133	-0,0901	-0,00134	-0,125	-0,112	-0,262	-0,000558	-0,0608	-0,000894
-13,2	-0,132	-0,13	-0,314	-0,00105	-0,0826	-0,00134	-0,125	-0,111	-0,261	-0,000563	-0,0608	-0,000892
-10,1	-0,13	-0,13	-0,308	-0,000993	-0,0789	-0,00127	-0,125	-0,111	-0,261	-0,000555	-0,0608	-0,000889
-7,59	-0,13	-0,124	-0,303	-0,0008	-0,0751	-0,00104	-0,125	-0,111	-0,26	-0,000556	-0,0608	-0,000888
-5,8	-0,127	-0,119	-0,298	-0,000679	-0,0751	-0,00101	-0,125	-0,111	-0,26	-0,000557	-0,0608	-0,000888
5,37	-0,122	-0,103	-0,271	-0,00034	-0,06	-0,000466	-0,124	-0,111	-0,259	-0,000535	-0,0591	-0,000863
7,02	-0,12	-0,0974	-0,265	-0,000332	-0,0563	-0,000369	-0,124	-0,109	-0,257	-0,000534	-0,0588	-0,000859
9,31	-0,118	-0,092	-0,26	-0,000336	-0,0526	-0,000336	-0,123	-0,109	-0,257	-0,000529	-0,0588	-0,000855
12,2	-0,116	-0,0867	-0,249	-0,000259	-0,0453	-0,000335	-0,123	-0,107	-0,254	-0,000523	-0,0586	-0,000845
16,3	-0,113	-0,0812	-0,238	6.37Е-08	-0,0412	-0,000075	-0,121	-0,106	-0,253	-0,000522	-0,0568	-0,000829
21,7	-0,108	-0,0703	-0,222	3.04Е-06	-0,03	1Е-08	-0,12	-0,105	-0,249	-0,000509	-0,0553	-0,000809
28	-0,103	-0,0541	-0,2	0,000315	-0,0187	0,000255	-0,119	-0,0996	-0,244	-0,000497	-0,0527	-0,00079

-17,7	-0,135	-0,138	-0,325	-0,00133	-0,0901	-0,00134	-0,125	-0,112	-0,262	-0,000558	-0,0608	-0,000894
-13,2	-0,132	-0,13	-0,314	-0,00105	-0,0826	-0,00134	-0,125	-0,111	-0,261	-0,000563	-0,0608	-0,000892
-10,1	-0,13	-0,13	-0,308	-0,000993	-0,0789	-0,00127	-0,125	-0,111	-0,261	-0,000555	-0,0608	-0,000889
-7,59	-0,13	-0,124	-0,303	-0,0008	-0,0751	-0,00104	-0,125	-0,111	-0,26	-0,000556	-0,0608	-0,000888
-5,8	-0,127	-0,119	-0,298	-0,000679	-0,0751	-0,00101	-0,125	-0,111	-0,26	-0,000557	-0,0608	-0,000888
5,37	-0,122	-0,103	-0,271	-0,00034	-0,06	-0,000466	-0,124	-0,111	-0,259	-0,000535	-0,0591	-0,000863
7,02	-0,12	-0,0974	-0,265	-0,000332	-0,0563	-0,000369	-0,124	-0,109	-0,257	-0,000534	-0,0588	-0,000859
9,31	-0,118	-0,092	-0,26	-0,000336	-0,0526	-0,000336	-0,123	-0,109	-0,257	-0,000529	-0,0588	-0,000855
12,2	-0,116	-0,0867	-0,249	-0,000259	-0,0453	-0,000335	-0,123	-0,107	-0,254	-0,000523	-0,0586	-0,000845
16,3	-0,113	-0,0812	-0,238	6.37Е-08	-0,0412	-0,000075	-0,121	-0,106	-0,253	-0,000522	-0,0568	-0,000829
21,7	-0,108	-0,0703	-0,222	3.04Е-06	-0,03	1Е-08	-0,12	-0,105	-0,249	-0,000509	-0,0553	-0,000809
28	-0,103	-0,0541	-0,2	0,000315	-0,0187	0,000255	-0,119	-0,0996	-0,244	-0,000497	-0,0527	-0,00079
37,7	-0,0955	-0,0325	-0,168	0,000671	-0,00365	0,000671	-0,115	-0,0953	-0,236	-0,000479	-0,0488	-0,000745
50,8	-0,0817	-0,00541	-0,119	0,00102	0,0225	0,0011	-0,111	-0,0868	-0,225	-0,000458	-0,0446	-0,000684
68	-0,0649	0,0352	-0,0649	0,00163	0,0545	0,00171	-0,104	-0,075	-0,209	-0,000428	-0,0386	-0,000626
89,1	-0,0432	0,0849	0,0119	0,00235	0,0939	0,00264	-0,0957	-0,0609	-0,189	-0,000397	-0,0319	-0,000523
117	-0,0144	0,149	0,114	0,00334	0,146	0,00367	-0,0841	-0,0439	-0,159	-0,000356	-0,0215	-0,000419
159	0,0288	0,244	0,26	0,00465	0,225	0,00508	-0,066	-0,0187	-0,111	-0,000308	-0,00815	-0,000266
206	0,0769	0,346	0,417	0,00611	0,308	0,00672	-0,0465	0,0047	-0,0643	-0,000244	0,00403	-0,000118
272	0,139	0,487	0,611	0,0081	0,421	0,00912	-0,0221	0,032	-0,0132	-0,000157	0,0178	0,0000657
344	0,202	0,628	0,794	0,0104	0,541	0,0116	0,000259 0,0545		0,0265	-0,0000764	0,0304	0,000233
474	0,298	0,866	1,06	0,0144	0,736	0,016	0,0312	0,0808	0,0689	0,0000403	0,0446	0,000446
621	0,389	1,1	1,3	0,0189	0,931	0,0207	0,0544	0,0971	0,0957	0,000144	0,0542	0,000619
782	0,47	1,32	1,51	0,0236	1,11	0,0257	0,0702	0,105	0,117	0,000229	0,0588	0,000741

1050	0,574	1,62	1,77	0,031	1,34	0,033	0,0847	0,111	0,139	0,000305	0,0628	0,000844
1430	0,69	1,92	2,02	0,0421	1,56	0,0439	0,095	0,114	0,166	0,000351	0,0628	0,000918
1820	0,775	2,12	2,19	0,0535	1,71	0,0554	0,1	0,114	0,188	0,000374	0,0628	0,000944
2570	0,893	2,36	2,41	0,0749	1,89	0,0759	0,105	0,114	0,215	0,000398	0,0628	0,000974
3970	1,03	2,59	2,67	0,116	1,92	0,115	0,111	0,114	0,241	0,000442	0,0619	0,00101
6950	1,19	2,76	2,76	0,171	1,92	0,171	0,119	0,117	0,254	0,000457	0,0619	0,00102
3860	1,04	2,58	2,67	0,113	1,92	0,112	0,119	0,117	0,257	0,000453	0,0619	0,00101
2540	0,905	2,36	2,45	0,0739	1,88	0,075	0,12	0,118	0,26	0,000458	0,0628	0,000996
1870	0,806	2,15	2,29	0,0549	1,73	0,0566	0,121	0,119	0,262	0,000468	0,0628	0,001
1440	0,72	1,94	2,13	0,0423	1,57	0,0444	0,121	0,12	0,265	0,000473	0,0647	0,001

1050	0,615	1,64	1,9	0,0315	1,35	0,0337	0,121	0,12	0,265	0,000494	0,0649	0,001
786	0,525	1,36	1,68	0,0241	1,13	0,0262	0,121	0,122	0,267	0,000503	0,0649	0,001
623	0,459	1,15	1,49	0,0195	0,958	0,0213	0,121	0,122	0,268	0,000519	0,0649	0,000996
470	0,389	0,925	1,28	0,0149	0,766	0,0166	0,121	0,121	0,269	0,000542	0,0649	0,001
345	0,322	0,714	1,06	0,0112	0,59	0,0125	0,121	0,12	0,27	0,000556	0,0649	0,000989
270	0,279	0,584	0,916	0,00898	0,477	0,00996	0,121	0,12	0,27	0,000572	0,0649	0,000987
201	0,238	0,46	0,771	0,00674	0,371	0,00767	0,121	0,119	0,27	0,000575	0,0649	0,000984
155	0,21	0,379	0,666	0,00537	0,297	0,00604	0,121	0,118	0,27	0,000572	0,0645	0,000976

Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ 436аа

' /

4\ ж

,/ ,ж

4UU

Х i

300 200 100'

,'ж/ж""

... ;й*

у/"..

Хжл

;;;[;; 1 ;;;zF;

[, з

! /

i'A

X X

life

L..LJ............. a

:аа : :

vf^

ж:ж%..,жж

........ liil

ж^

>-l

^М

жл

,'b'frfl

-v

-Uu^

l>iUi.J.4Yi.-'.:.W

-J

.%^,..j.>аа -...................... ж

. 1.

время --- >

Рис. 1. Графики изменения осевой нагрузки (2) - в кг, заданной скорости деформации (1), а также изменения числа событий акустической эмиссии во времени (3).

Работы на прессе INOVA выполнялись научным сотрудником ГО Борок ИФЗ РАН Патониным А.В.

Irs

-втЭ-

f***++ + ++ + +++ ^

-8^

-9г+-

-4

-3 -2а -1

(Iа 1

(а)

ж*+ж

-в*

**+++ + + * т+*ш/

-втЭ-

Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ 437аа -ен-

ж +

-ЪЭ-

JtH миаа * + ж ж++ ^

-вт*

-вгЬ

-6:5-

*++ + +4 ++*4Щ^.

-вт+

(б)

Рис.2. Зависимость остаточной намагниченности образца базальта (Срединный хребет, Камчатка) от приложенного поля (10" эрстед) до (а) и после нагружения (б).

Таким образом, используя управляемый пресс INOVA была определена механическая прочность камчатских базальтов при одновременном исследовании их магнитных характеристик. Исследования показали, что большая часть образцов не увеличивает свою остаточную намагниченность насыщения. В процессе деформации возникает очень жесткая компонента, не насыщающаяся даже в максимальных полях. В процессе механического воздействия на базальтовые породы возникает большое количество дефектов решетки, скопление дислокаций, возникающих в ходе приложения давлений.

Такие результаты могут служить основой для последующих исследований магнитных свойств магматических горных пород, которые подвергаются деформационным изменениям. Комплексный анализ ферримагнетиков с детальным изучением условий и характера наложенных процессов, приводящих к изменению их состава и петромагнитных свойств проведен, как нам известно, впервые.

Работа выполнена при поддержке Гранта РФФИ № 07-0500 335

итература

l.E.C.Ferre, B.Tikoff, М. Jackson The magnetic anisotropy of mantle peridotites:

Example Twin Sisters dunite, Washington. Tectonophysics.2005.N 398,p.l41- 165 2.V. Vacquier Geomagnetism in Marine geology, 1972 г. и др.

Все научные статьи

Blog

Салтыковский А.Я. О петромагнитных свойствах горных пород, испытавших структурно-деформационные изменения (на основе эксперимента)