Измерение магнитных свойств горных пород под повышенным давлением сдвиговой деформации и температуры

Содержание

Введение

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

Глава II. Установки для измерения магнитных свойств горных пород при высоких давлениях и температурах.

.1 Установка для испытания горных пород и минералов при повышенных давлениях и деформациях сдвига.

.2 Автоматические вакуумные магнитные микровесы.

Глава III. Результаты экспериментальных данных и их обсуждение.

.1 Температурная зависимость намагниченности насыщения гематита.

Литература:

Введение

Формирование большинства горных пород земной коры происходит в условиях действия на породу тангенциального напряжения геодинамического характера в присутствии литостатического напряжения, обусловленного весом пород выше лежащих слоев. Действительно, измерения реальных напряжений показывают резкую неоднородность поля горного давления. Исследования в основных рудных районах Урала показали, что в массивах величины горизонтальных сжимающих напряжений часто превосходят измеренную вертикальную составляющую и теоретическую величину составляющей, вычисленную без учета влияния тектонических сил. Не только горизонтальные, но и вертикальные давления здесь и в ряде других месторождений отличается от расчетных. В некоторых участках вертикальная составляющая давления оказалась соответствующей не сжатию, а растяжению. Все эти данные свидетельствуют, что горные породы различных горизонтов земной коры находятся в сложном поле механических напряжений и деформаций.

Изучению влияния давления на магнитные свойства горных пород и минералов посвящено большое количество работ. Изучалось, в основном, влияние одноосных давлений на обратимые и необратимые магнитные свойства горных пород: на изменение восприимчивости, на образование и разрушение различных видов намагниченности.

Однако анализ литературных данных показывает, что публикации посвященные изучению магнитных свойств горных пород в условиях сдвигового воздействия под повышенным давлением при высоких температурах в настоящее время отсутствуют. Отсутствие этих работ обусловлено несколькими причинами: во-первых, трудностями изготовления и применения сложной испытательной и измерительной техники; во-вторых, для измерения магнитных свойств образцов горных пород из-за раздробления в процессе их обработки в условиях ВД+СД нужны высокочувствительные установки;

В настоящее время выпускаемые серийные установки позволяют измерить лишь величину, направление остаточной намагниченности и определять величину магнитной восприимчивости горных пород и минералов. В работе приводится описание автоматических вакуумных микровесов, которые предназначены для измерения температурной зависимости намагниченности насыщения и магнитной восприимчивости горных пород в интервале температур от 20 до 700°С в вакууме и на воздухе.

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 600°С, 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 æо 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 æо перпендикулярно к оси давления. Для наиболее мелких частиц (0,05 мкм) магнетита обратимые и необратимые изменения æо не зависят от исходного состояния. Интенсивность изменения æо(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 (r) в частицах магнетита гармоническим анализом дифракционной линии установлено, что изменения величины r после воздействия ВД определяются размером их частиц. Установлено, что зависимость r(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 r в крупном порошке (170 мкм) увеличивается в 17 раз. Следует отметить, что рост величины r начинается после приложения малых давлений. В порошках же с размерами частиц 63 мкм и 0,05 мкм величина r 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 r 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 æо 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 (ss(Т)) магнетита в исходном состоянии и после обработки в условиях ВД+СД (рис. 2). Обработка магнетита в условиях ВД+СД сопровождается уменьшением величины ss. Интенсивность уменьшения ss зависит от величины приложенного давления и угла поворота наковальни. Величина температуры Кюри, определенная по кривой нагревания 2, равна 580°С, в то же время ее значение, определенное по кривой 1, 3, составляет 570°С. Сдвиговое воздействие под давлением порошка магнетита, приводит также к изменению характера зависимости ss(Т). Установлены также увеличение величин srs, 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 (ss(Т)) железистых кварцитов в исходном состоянии и после сдвигового воздействия под давлением приведены на рис. 3, 4. По характеру кривых ss(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 ss 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 (ss, Нс и srs/ssо) 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 590°С, соответственно. На кривой ss(Т), соответствующей обр. I, в области температур от 150 до 310°С имеется «горб». На кривой ss(Т), соответствующей обр. II, этот «горб» практически не заметен. Наличие «горба» на кривой нагревания в области температур от 150 до 310°С 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, a= 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 600°С. Кривая ss(Т) гипербазита после воздействия ВД+СД достигает нуля в интервале температур 670-680°С. 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 670-680°С.

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 ss 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 ® a-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.

Глава II. Установки для измерения магнитных свойств горных пород при высоких давлениях и температурах

В этой главе описаны высокочувствительные магнитометрические установки для измерения намагниченности насыщения, остаточной намагниченности насыщения, коэрцитивной силы и разрушающего поля, а также снятия их температурной зависимости.

При изучении влияния ВД+СД на магнитные свойства горных пород и минералов особое значение приобретает исключение или уменьшение влияния различного рода других факторов, которые в некоторых случаях могут закрыть или даже превосходить эффект вызываемым действием или ВД+СД. Поэтому для записи температурной зависимости намагниченности насыщения sS(T) горных пород и минералов после воздействия ВД+СД использованы автоматические вакуумные микровесы, позволяющие проводить исследования как в вакууме (для уменьшения окисления мелких ферримагнитных частиц), так и на воздухе.

2.1 Установка для испытания горных пород и минералов при повышенных давлениях и деформациях сдвига

В настоящее время повышенные статические давления в веществе достигаются, в частности, расположением ее между рабочими поверхностями двух наковален, которые затем прижимаются друг к другу достаточно большим усилием. Для обработки вещества в условиях сдвиговой деформации под давлением одну из наковален поворачивают относительно другой (поворотные наковальни). Впервые установку с поворотными наковальнями применил П.В. Бриджмен. Другой вариант установки предложил Л.Ф. Верещагин, который изучил пластическую деформацию твердых тел под давлением. В последние годы широкую известность приобрели исследования на подобной установке академика Н.С. Ениколопяна с сотрудниками.

М.А. Ярославский изготовил установку для исследования горных пород в условиях сдвиговой деформации под давлением. Эта установка отличается от предшествующих целым рядом преимуществ: неограниченным углом поворота, самоцентрирующимися наковальнями и возможностью регулирования скорости поворота наковален.

На рис. 2.1 приведена блок-схема изготовленной нами установки типа Бриджмена для обработки горных пород и минералов в условиях сдвиговой деформации под давлением (ВД+СД).

Рис. 2.1. Схема установки типа Бриджмена.

1 – образец, 2 – верхняя наковальня, 3 – нижняя наковальня, 4 – поворотная станина, 5 – опорные подшипники, 6 – нижняя станина, 7 – рычаг, 8 – верхний пуансон.

Эта установка состоит из неподвижной и поворотной наковален, между которыми помещается испытуемый образец. Поворотная наковальня снабжена устройством для приложения осевой силы и поворота. Таким образом высокие реологические поля в образце создавались в зоне соприкосновения двух наковален, одна из которых крепится к верхнему пуансону, а вторая жестко связана с поворотной станиной. Верхняя наковальня является неподвижной, а нижняя поворачивается вместе со станиной. Между поворотной и неподвижной станиной находится опорный подшипник, который выдерживает большие вертикальные нагрузки и позволяет при этом осуществить вращение поворотной станины.

,

где N - количество оборотов, B - толщина образца.

Другой вариант установки также предназначена для испытания горных пород в условиях ВД+СД. Установка смонтирована на гидравлическом прессе ПСУ-50. Осевое усилие составляет Р=1,5 105 Н и момент силы, приложенной к наковальне М=1×103 Н×м. Для этой установки созданы различные модификации камер высокого давления для сдвига, с использованием наковален из твердого сплава (WC – Co), на которых проведены испытания различных горных пород и минералов. Для увеличения количества испытуемого вещества камера в пресс-форме сконструирована по типу поршень–цилиндр.

2.2 Автоматические вакуумные магнитные микровесы

В настоящее время все общепринятые методики и установки проведения термомагнитного анализа ферримагнитных фаз рассчитаны на испытании горных пород объемом образцов более 1 см3. В то же время образцы горных пород испытанных в этих условиях ВД+СД обычно имеют малый объем и вес. Поэтому для измерения их магнитных параметров требуется высокочувствительные измерительные установки, позволяющие изучать образцов малых объемов и весов. Также высокотемпературные исследования магнитных свойств этих образцов необходимо проводить в вакууме, поскольку при нагревах в воздухе происходит интенсивное окисление ферримагнитных зерен горных пород и минералов, подвергнутых к воздействию повышенных давлений и деформаций сдвига.

Метод автоматических весов широко применяется при магнитных исследованиях. При этом к весам предъявляются следующие требования: высокая чувствительность при довольно больших нагрузках, в широком интервале температур и давлений, вплоть до вакуума. Весы должны сохранять работоспособность и при вибрациях, вызванных работой насосов, непосредственно сочлененных с весами. При кинетических исследованиях вес взвешиваемого образца непрерывно и быстро изменяется, поэтому время одиночного взвешивания должно быть сведено к минимуму и составляет доли секунды. Известны различные конструкции автоматических фотокомпенсационных микровесов. Они представляют собой разновидность весов с нуль - системой, где изменение веса образца компенсируется внешним электромагнитным воздействием. Для успешного выполнения поставленных задач при непосредственном участии автора изготовлены вакуумные автоматические компенсационные магнитные микровесы. Установка предназначена для измерения температурной зависимости намагниченности насыщения и магнитной восприимчивости ферримагнитных минералов и горных пород в интервале температур от 200С до 7000С в вакууме 1,5 10-3 Па и на воздухе. Погрешность измерения намагниченности насыщения составляет не более 1%.

Принципиальная схема установки приведена на рис. 2.2. Микровесы состоят из двух раздельных частей. Первая часть помещается внутри вакуумной камеры и представляет собой весы с датчиками смещения. Вторая часть располагается вне вакуумной камеры и состоит из дифференциального усилителя, стабилизированного двуполярного блока питания, графопостроителя. Она служит для управления величиной компенсирующей силы. Образец 1 находится в неоднородном магнитном поле, созданном электромагнитом специальной конструкции 2. Нижний полюс электромагнита имеет заостренную форму для концентрации магнитного поля. Верхний полюс имеет цилиндрический канал, через который пропускается кварцевая трубка диаметром 12 мм с запаянным нижним концом. Открытый верхний конец трубки подсоединен к вакуумной камере. Таким образом внутри трубки создается вакуум. Изменение температуры образца производится печкой 3, одетой на запаянный конец кварцевой трубки, внутри которой находится образец. Питание печки осуществляется от регулируемого источника тока (РИП), позволяющего как изменять температуру образца с необходимой скоростью, так и поддерживать ее постоянной при фиксированном значении. Для охлаждения электромагнита печка окружена водяной рубашкой 4, через которую протекает водопроводная вода.

Образец опускается в магнитное поле электромагнита в специальной кварцевой ампуле 5, подвешенной к концу коромысла 6 при помощи тонкой вольфрамовой нити (диаметр 10 мкм). Ось коромысла является торсионной и изготовлена из тонкой ленты бериллиевой бронзы. На другое плечо коромысла прикреплен небольшой постоянный магнит 7, наполовину погруженный в отверстие катушки 8, состоящей из 300 витков. К концу этого плеча коромысла прикреплен легкий флажок из медной фольги. Флажок наполовину закрывает окна двух фотодиодов 9, присоединенных к входу дифференциального усилителя (ДУ).

Рис. 2.2. Блок-схема автоматических вакуумных магнитных микровесов.

- образец, 2 - электромагнит, 3 - электрическая печь, 4 - водяная рубашка, 5 - кварцевая ампула, 6 - коромысло, 7 - постоянный магнит, 8 - катушка, 9 - фотодиоды, 10 - лампочка, 11 - демпфер. ДУ - дифференциальный усилитель, ИП-1, ИП-2 - источники питания, Н-307/1 - графопостроитель, РИП - регулируемый источник питания.

Рассмотрим принцип работы установки. Образец под действием силы со стороны неоднородного магнитного поля втягивается в область большей напряженности поля. Равновесие коромысла нарушается. При этом флажок, перемещаясь вверх, частично закрывает свет, падающий от лампочки 10 на верхний фотодиод. Одновременно усиливается поток света, падающий на нижний фотодиод. В результате на выходе дифференциального усилителя появляется ток разбаланса. Катушка 8 подключена к выходу ДУ так, что при протекании через нее тока разбаланса постоянный магнит 7 будет втягиваться в катушку, вызывая смещение флажка вниз. Образец, подвешенный на другом конце коромысла, поднимется несколько вверх. Подъем будет продолжаться до тех пор, пока не восстановится равновесие коромысла. Если же образец поднимется выше равновесного положения, то дифференциальная система фотодиодов и катушка обратной связи с магнитом тут же восстановят равновесие. Для того, чтобы система не входила в режим автоколебаний, предусмотрен демпфер 11. В демпфере применяется силиконовое масло с низкой упругостью паров. В качестве вакуумной установки используется ВУП-2К. Часть установки, окруженная на схеме жирной линией, находится внутри колпака вакуумной установки.

Как известно, ферромагнитный образец, находящийся в неоднородном магнитном поле, испытывает действие силы

,                              (2.1)

где М - магнитный момент образца, æ - магнитная восприимчивость, V - объем образца, H - напряженность магнитного поля, где находится образец, dH/dz - градиент магнитного поля.

Сила же втягивания постоянного магнита в катушку пропорциональна величине тока в катушке

.                                 (2.2)

Ток i, восстанавливающий равновесие коромысла, протекая через эталонное сопротивление RЭ, создает падение напряжения U. При равновесии силы F1 и F2 будут равны и тогда

                                        (2.3)

Откуда                                (2.4)

Когда система находится в равновесии, коэффициент k и градиент магнитного поля dH/dz будут постоянными и поэтому, обозначая выражение

,                         (2.5)

получим для магнитного момента образца:

М = с U                                    (2.6)

Напряжение U подается на вход «У» графопостроителя Н - 307/1, а на его «Х» вход подается термо - ЭДС от хромель-алюмелевой термопары, спай которой находится внутри кварцевой трубки в непосредственной близости от образца. При нагревании на графопостроителе записывается зависимость магнитного момента образца от температуры. Поскольку объем образца при нагревании можно принять за постоянную величину (масса также не изменяется), и напряженность магнитного поля Н в электромагните достаточна для намагничивания образца до насыщения, то форма кривой на графопостроителе совпадает с температурной зависимостью намагниченности.

Данная установка использовалась для изучения температурной зависимости намагниченности насыщения, а также для определения температуры Кюри ферримагнитных минералов и горных пород в вакууме и на воздухе после сдвиговой деформации под давлением.

Глава III. Результаты экспериментальных данных и их обсуждение

Интерес к изучению магнитных свойств горных пород в зависимости от размеров магнитных включений обусловлен с другой стороны тем, что горная порода содержит зацементированные в немагнитной матрице сравнительно мелкие зерна ферримагнитных минералов с различной доменной структурой. Размеры ферримагнитных включений в значительной степени определяют величину магнитных параметров пород и их устойчивость к различным внешним воздействиям (давление, температура, переменные поля, время и т.д.). Однако как отмечают многие исследователи получить однородные по составу мелкие ферримагнитные частицы чрезвычайно трудно. Поэтому естественные и синтезированные мелкие ферримагнитные минералы обычно имеют сложный фазовый состав. Причина их фазовой неустойчивости с изменением размеров подробно не рассматривалась, так как эти изменения в процентном отношении очень незначительные и зафиксировать их химическим анализом, методами рентгеновской дифрактометрии практически невозможно. Преимущество магнитного метода анализа обусловлено тем, что магнитоупорядоченные минералы в своем составе имеют железо. По этой причине температурная зависимость намагниченности насыщения в данном случае служит высокочувствительным индикатором изменения фазового состава образца.

Фазовая нестабильность в сложных соединениях наблюдалась и в других работах. Например, в работах показано превращение оксидов высшей валентности в оксиды низкой валентности, а также восстановление оксидов до чистого металла в процессе отжига в вакууме микрокристаллических порошков. При исследовании магнитных свойств субмикрокристаллических сплавов Fe-Nd-B, полученных кристаллизацией быстро закаленных аморфных лент, было обнаружено выделение чистого железа в процессе отжига образца. В другой работе обнаружено, что при нагреве в вакууме микрокристаллического порошка с размером кристаллов ~ 1 мкм при 230°С начинается его распад на чистое железо, оксиды и нитриды входящих в состав соединения редкоземельных элементов. Показано также, что температурная устойчивость соединения Eu0,45Ho0,55Fe2 зависит от размера кристаллита.

С целью получения дополнительных сведений о фазовой стабильности в сложных соединениях проведены исследования температурной зависимости намагниченности и фазового состава гематита в крупнокристаллическом (~3-4 мм) и микрокристаллическом (~0,5 мкм) состояниях. Выбор объекта исследования обусловлен тем, что обычно трудно получить порошок естественного и синтезированного гематита, содержащий однородные мелкие частицы. При этом непонятно, почему мелкие частицы гематита обладают сложным фазовым составом, обнаруживая при этом фазовую нестабильность, хотя известно, что гематит является крайним членом окислов железа и в крупнокристаллическом состоянии стабилен к температурным воздействиям.

В данной главе приведены результаты следующих исследований:

·   температурной зависимости намагниченности насыщения гематита в исходном состоянии и после сдвигового воздействия под повышенным квазивсесторонним давлением;

·   изучение изменения характера кривой температурной зависимости намагниченности насыщения гематита после сдвигового воздействия под повышенным квазивсесторонним давление в зависимости от длительности выдержки на воздухе.

3.1 Температурная зависимость намагниченности насыщения гематита

Гематит является весьма распространенным минералом и встречается в горных породах и рудах различного генезиса: в кислых и средних изверженных породах обычно в качестве акцессорного минерала; в метаморфических и осадочных горных породах как породообразующий и акцессорный минерал. В некоторых железорудных месторождениях гематит является основным компонентом руд. Встречается также в пегматитах, гидротермальных месторождениях и в зоне окисления. Описаны многочисленные находки этого минерала в продуктах фумарольной деятельности при вулканическом процессе.

Известно, гематит (a-Fe2O3) обладает кристаллической структурой типа корунда и является антиферромагнетиком, образованным небольшой неколлинеарностью магнитных моментов подрешеток.

Мелкие частицы гематита были получены обработкой в условиях ВД+СД на наковальнях Бриджмена путем их поворота наковален на различные углы. В качестве исходного материала был использован естественный монокристалл гематита из месторождения Шабры. В процессе сдвигового воздействия при повышенном давлении получается порошок, состоящий из кристаллитов гематита различных размеров. Разделение частиц по размерам затем производилось просеиванием через сито с ячейкой 45 мкм, а более мелкие (менее 45 мкм) - седиментационным методом в дистиллированной воде. Наблюдения под микроскопом показывают, что кристаллиты имеют неправильную, но близкую сферическую форму. Для исследований была выбрана самая мелкая фракция гематита с размером частиц меньше 1 мкм.

На рис. 3.1 представлена кривая температурной зависимости намагниченности насыщения ss(Т) крупнокристаллического (КК) гематита. Эта кривая записана в процессе нагревания и охлаждения образца после 15 минутной выдержки при 700°С. Кривые нагрева и охлаждения образца совпадают. Температура Кюри, определенная экстраполяцией наиболее крутого участка кривой ss(Т), составляет 675°С, что соответствует значению точки Кюри стехиометрического гематита.

На рис. 3.2 приведены кривые ss(Т) микрокристаллических частиц (0,5 мкм) гематита, полученных обработкой в условиях ВД+СД (в дальнейшем порошок гематита). Эти кривые сняты в вакууме при нагревании (кривая 1) и остывании (кривая 2) образца. Сравнение кривых ss(Т) представленных на рис. 3.2 показывает, что они разные. В первую очередь следует отметить, что величина ss порошка гематита при комнатной температуре меньше ее величины в крупнокристаллическом состоянии. Например, после обработки в условиях Р=100 МПа, a=360° , Р=200 МПа, a=720° и Р=1000 МПа, a=720°

Рис. 3.1. Температурная зависимость насыщения гематита (месторождение Шабры) в исходном состоянии. 1 - нагрев, 2 - охлаждение.

уменьшение величины намагниченности насыщения составляет 17, 30 и 42%, соответственно. Как видно, увеличение величины повышенного давления и угла поворота наковален вызывает более интенсивное уменьшение величины ss. Во-вторых, характеры кривых ss(Т) мелкого порошка гематита, снятых в процессе нагревания и остывания не только отличаются друг от друга, но и не совпадают с подобной кривой для крупнокристаллического образца. При нагревании образца величина ss до температуры 350°С (рис. 3.2) остается постоянной. Далее она начинает резко возрастать и проходит через максимум 1,13 Ам2/кг при 480°С. Дальнейшее увеличение температуры приводит к уменьшению величины намагниченности с появлением ступеньки при 675°С. Значение намагниченности достигает нуля только при 760°С. Следует отметить, что кривые ss(Т) порошка гематита, записанные при остывании до 490°С, совпадают с кривой нагревания. Ниже 490°С кривая 2 идет выше кривой нагревания. При дальнейшем понижении температуры величина намагниченности продолжает увеличиваться и при комнатной температуре она становится в 5,7 раз больше величины намагниченности крупнокристаллического гематита.

На рис. 3.3 приведены кривые температурной зависимости намагниченности (ss(Т)/sо) порошка гематита в относительных единицах, снятые в воздухе при нагреве (кривая 1) и остывания (кривая 2) образца. Эти кривые были получены для порошка гематита, полученного обработкой в условиях ВД+СД (Р=200 МПа, a= 720°) и последующей выдержки на воздухе в течение 6 месяцев. Порошок гематита после длительной выдержки на воздухе был предварительно отожжен в вакууме 1,5∙10-3 Па при температуре 800°С в течение 15 минут. Как видно и в этом случае кривые 1 и 2 не совпадают. Кривая охлаждения 2 лежит ниже кривой нагревания 1. Величина ss при нагревании на воздухе с увеличением температуры уменьшается почти линейно. В области температур 550-600°С имеется ступенька. Далее значение ss медленно уменьшается и достигает нуля при температурах 760-780°С. При остывании образца величина ss практически не увеличивается до температуры 670°С. После 670°С величина намагниченности насыщения несколько увеличивается до температур 570°С. С уменьшением температуры после 570°С величина ss увеличивается линейно. На рис. 3.4 представлены кривые s(Т) порошка гематита, снятые на воздухе при нагреве (кривая 1) и остывании (кривая 2) образца. Порошок гематита после обработки в условиях ВД+СД был предварительно отожжен в вакууме 1,5 10-3 Па при температуре 800°С и в течение 15 минут. Как видно и в этом случае кривые 1 и 2 не совпадают. Кривая охлаждения 2 лежит ниже кривой нагрева 1. Уменьшение величины намагниченности после охлаждения составляет 93%. На кривой нагрева в интервале температур 350-430°С появляется ступенька. Температура Кюри, определенная экстраполяцией этого участка кривой нагрева s(Т) на ось температур, составляет 450°С. Намагниченность обращается в нуль при температуре 675°С.

Рис.3.2. Температурная зависимость намагниченности насыщения гематита (м-е Шабры) после ВД+СД (Р=200 МПа, a= 720°). 1 - нагрев, 2 - охлаждение.

Рис. 3.3. Температурная зависимость намагниченности насыщения гематита (м-е Шабры) после ВД+СД (Р=200 МПа, a= 720°) и последующей выдержки на воздухе в течение 6 месяцев. 1 - нагрев, 2 - охлаждение.

Рис. 3.4. Температурная зависимость намагниченности порошка гематита после предварительного отжига в вакууме при температуре 800°С в течение 15 минут. 1 - кривая нагревания, 2 - кривая охлаждения. Нагрев на воздухе.

Литература

1. Абсалямов С.С., Гареева М.Я. Магнетизм горных пород при высоких термодинамических параметрах // Изд-во Башкирск. ун-та. Уфа. 1997. С. 172.

2. Валеев К.А., Абсалямов С.С. Магнитные свойства ансамбля мелких частиц магнетита в условиях высоких давлений и температур // Изв. АН СССР. Физика Земли. 1983. № 3. C. 103-107.

3. Абсалямов С.С. Коэрцетивная сила магнетита при воздействии высокого давления и сдвиговых деформаций // Сб. науч. трудов Всероссийской конференции "Физика конденсированного состояния". Стерлитамак. 1997. ч.II. С. 33-34.

4. Абсалямов С.С. Магнитные свойства гематита после воздействия высоких давлений и деформации сдвига. Материалы региональной конференции "Резонансные и нелинейные явления в конденсированных средах". Уфа. 1999. С. 118-120.

5. Валеев К.А., Абсалямов С.С. Остаточная намагниченность магнетита при воздействии высоких давлений и сдвиговых деформаций // Физика Земли. 2000. № 3. C. 59-64.

6. Абсалямов С.С. Магнитные свойства гипербазитов гор Крака после совместного воздействия высоких давлений и деформаций сдвига // Геология. Известия Отделения наук о Земле и экологии АН РБ. 2000. № 6. С. 34-42.

7. Мулюков Х.Я. Шарипов И.З. Абсалямов С.С. Автоматические вакуумные магнитные микровесы // Приборы и техника эксперимента. 1998. № 3. C. 149-150.

8. Максимочкин В.И. Термонамагничивание горных пород в условиях высоких давлений // Изв. АН. СССР. Физика Земли. 1995. № 9. С. 49-56.

9. Валеев К.А., Максимочкин В.И. Термоостаточная намагниченность и индуктивная намагниченность магнетита и горных пород при квазивсесторонних давлениях до 400 МПа // Изв. АН СССР. Физика Земли. 1988. № 2. С. 106–112.

10.Абсалямов С.С. Диссертация на соискание ученой степени доктора физико - математических наук. Уфа. Баш.Г.У. 2001г.

11.Абсалямов С.С., Каримов А.И. Температурная зависимость намагниченности насыщения магнетита после совместного воздействия высоких давлений и деформаций сдвига // Вестник Башкирского университета. 1999. № 3 (1). С. 31-33.

12.Абсалямов С.С., Мулюков Х.Я. Устойчивость гематита в частицах малых размеров // Докл. РАН. 2000. Т. 375. № 4. С. 469- 471.

13.Абсалямов С.С. Гареева М.Я. Магнетизм гипербазитов гор Крака (Южный Урал) после сдвигового воздействия под давлением // Физика Земли. 2003. № 7. C. 76-80.

14.Кудрявцев Г.П., Гаранин В.К., Жиляева В.А., Трухин В.И. Магнетизм и минералогия природных ферримагнетиков // М.: Изд. Московск. Ун-та, 1982. 294 с.