Физика Земли, 2022, № 2, стр. 73-87

ВВЕДЕНИЕ

В намагниченности термоостаточной природы (TRM) океанических базальтов записана в геологическом масштабе времени непрерывная информация об эволюции магнитного поля Земли. Получение этой информации сталкивается с определенными трудностями, связанными, прежде всего, с изменениями первичной TRM с течением времени за счет химических процессов в магнитных минералах – носителях естественной остаточной намагниченности (NRM).

Типичными магнитными минералами, ответственными за NRM базальтов, являются феррошпинели. Широко распространенным представителем этой группы минералов является титаномагнетит (ТМ) – твердый раствор магнетита (Fe₃O₄) и ульвошпинели (Fe₂TiO₄), образующийся в условиях равновесия тройной системы FeO–TiO₂–Fe₂O₃. Доля титаномагнетита в базальтах обычно невелика и составляет в среднем порядка 2–3% вес.

Согласно [O’Reilly, 1967], окисление ТМ при T < 200°C, приводит к образованию катион-дефицитного ТМ (титаномаггемит) с сохранением шпинельной структуры. Реакция однофазного окисления может быть описана уравнением вида:

Сохранность палеомагнитной информации NRM при таком окислении может падать как за счет разрушения (уменьшения) первичной термоостаточной намагниченности [Bleil, Petersen, 1983], так и за счет образования вторичной намагниченности химической природы (CRM) [Draeger и др., 2006]. Проблема сохранности и интерпретации палеомагнитной информации титаномагнетита, испытавшего химические изменения, является актуальной проблемой палеомагнетизма.

Имеются публикации [Özdemir, 1987], где показано, что формирование CRM происходит по направлению термоостаточной намагниченности исходного титаномагнетита (ТМ). В других источниках [Johnson, Merrill, 1973; Nishitani, Kono, 1989] отмечается, что направление химической намагниченности определяется внешним магнитным полем, которое в общем случае может и не совпадать с направлением магнитного поля времени образования первичной TRM. Авторы работы [Marshall, Cox, 1971] предположили, что формирование вторичной CRM напрямую зависит от температуры реакции (Т_an): в случае “низкотемпературного” однофазного окисления, когда температура реакции меньше температуры Кюри (Т_an < Т_c), направление CRM должно совпадать с направлением первичной TRM. В случае же “высокотемпературного” окисления, когда Т_an > Т_c исходного титаномагнетита, образуется CRM по направлению магнитного поля, действовавшего при этом на породу.

NRM изверженных горных пород несет информацию не только о направлении, но и о величине магнитного поля Земли в геологическом прошлом. В 1959 г. Телье [Thellier, Thellier, 1959], обобщив результаты, накопленные к тому времени, описал методику последовательных двойных нагревов для определения палеонапряженности по остаточной намагниченности изверженных пород, которая в модификации Коэ [Coe, 1967; Coe et al., 1978] широко используется и в настоящее время. Этот метод дает положительный результат, если компонента NRM имеет термоостаточную природу. Однако процесс определения палеонапряженности по NRM осложняется тем, что вторичная CRM и первичная TRM зачастую имеют подобные спектры блокирующих температур [Dunlop, Özdemir, 1997; Draeger et al., 2006], поэтому могут быть неразличимы при проведении экспериментов Телье–Кое. Более того, имеются публикации, свидетельствующие о заниженной оценке методом Телье расчетного значения магнитного поля по образцам, содержащим однофазно-окисленный ТМ [Coe et al., 1978; Carvallo et al., 2004] и о завышении этого значения для ТМ, испытавшего высокотемпературное гетерофазное окисление, по сравнению с гомогенными дублями [Yamamoto et al., 2003]. Таким образом, существует вероятность получения ошибочных результатов определения величины древнего магнитного поля по горным породам, за остаточную намагниченность которых отвечает титаномаггемит.

Неопределенность литературных данных побудило новую волну исследований свойств окисленного ТМ. В работах, посвященных лабораторному моделированию окисления ТМ и сравнению свойств CRM и TRM [Draeger et al., 2006; Грибов и др., 2017; Максимочкин и др., 2015; Щербаков и др., 2017; Максимочкин, Грачев, 2019], несмотря на различия в количественных оценках, авторы сходятся в следующем. Во-первых, на диаграммах Араи–Нагаты CRM и TRM окисленных ТМ практически не различимы; во-вторых, направление СRM совпадает с направлением намагничивающего поля; в-третьих, величина палеонапряженности, определенная по CRM, оказывается занижена в 1.5–5 раз. В публикациях [Draeger et al., 2006; Грибов и др., 2017; Щербаков и др., 2017] заниженные определения поля создания CRM обусловлены высоокисленными титаномаггемитами и продуктами их распада, в остальных [Максимочкин, Целебровский, 2015; Максимочкин, Грачев, 2019] – объектом лабораторных исследований был титаномаггемит на различных стадиях однофазного окисления. Для случая начальных стадий окисления ТМ имеются и диаметрально противоположные экспериментальные данные, указывающие на возможное завышение величины палеонапряженности, определенной методом Телье [Грибов, 2016; Shcherbakov et al., 2019].

Несмотря на наличие новых публикаций по данный тематике, следует обратить внимание, что во всех работах, отмеченных выше, не была изучена возможность определения палеонапряженности по намагниченности однофазноокисленного ТМ, когда температура реакции ниже температуры Кюри исходной фазы. Для такого случая изучалась только кинетика однофазного окисления [Ryall, Hall, 1979; Gapeev, Gribov, 1990; Nishitani, Kono, 1983].

Настоящая работа направлена на устранение этого пробела и посвящена исследованию возможности определения величины и направления древнего магнитного поля по природному титаномагнетиту базальта, испытавшему низкотемпературное однофазное окисление в лабораторных условиях.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТОВ

Для проведения экспериментов по моделированию низкотемпературного однофазного окисления ТМ из куска базальта П72/4 из рифтовой зоны Красного моря были выпилены образцы в форме кубика с гранью 1 см. Значительная часть образцов была отбракована и сформирована коллекция с низким разбросом естественных магнитных характеристик. При формировании коллекции мы руководствовались следующими критериями:

1. Образцы должны быть частью одного фрагмента (куска) базальта.

2. Температура Кюри разных частей фрагмента одинакова в пределах погрешности измерений.

3. Приведенные к единице массы естественные магнитные характеристики (NRM, k_o, Q) отличаются от среднего значения не более чем на 3–5% (табл. 1).

Затем отобранные образцы отжигались в магнитном поле с индукцией B_an = 50 мкТл при постоянной температуре. Температура отжига была подобрана по результатам предварительных экспериментов. Тестовые отжиги на воздухе при различных температурах от 200 до 300°С позволили определить оптимальную температуру реакции T_an = 260°С. При нагреве до этой температуры сохраняется приблизительно 55–60% исходной NRM, а скорость окислительных процессов позволяет получить степень окисления 0.4–0.5 за время порядка ~500 ч. Значение намагничивающего поля B_an было выбрано равным 50 мкТл, что близко к среднему значению магнитного поля Земли на ее поверхности. Направление B_an выбрано вдоль оси оХ (рис. 1) и оказалось под углом ~110° к вектору NRM.

Рис. 1.

Направление намагничивающего поля B_an во время отжига (зеленая стрелка) относительно направления NRM (красная стрелка) в системе координат образца. Угол между векторами B_an и NRM ~110°.

Эксперимент по моделированию низкотемпературного окисления образцов, несущих NRM, состоял из следующих этапов:

1. Первичный нагрев всех образцов в среде аргона до температуры реакции T_an = 260°С и охлаждение в отсутствие магнитного поля (B = 0) до комнатной температуры для получения остаточной намагниченности с блокирующими температурами T_b > 260°С.

2. Повторный нагрев до T_an и отжиг в течение 4-х времен экспозиции: t_i = 12.5, 100, 400 и 1300 ч в магнитном поле B_an = 50 мкТл. После каждого отжига магнитное поле отключалось при Т = T_an, и дальнейшее охлаждение производилось в отсутствие поля.

3. Получившиеся магнитные состояния (NRM*) для каждого времени t_i исследовались c применением классических методик: размагничивание переменным полем, ступенчатое размагничивание температурой (термочистка) и определение палеонапряженности магнитного поля методом Телье–Коэ [Coe, 1967].

При такой схеме подготовки исходного состояния информация о величине и направлении древнего магнитного поля содержалась в части остаточной намагниченности с блокирующими температурами T_b > 260°С.

Отжиг образцов производился в немагнитной печи MMTD24 (Magnetic Measurements), в специальном алюминиевом держателе, для точного позиционирования образца относительно оси печи и, соответственно, направления магнитного поля B_an, действовавшего в процессе отжига. Погрешность поддержания температуры T_an составляла ±1°С, магнитного поля B_an – ±2 мкТл. Условие B = 0 соответствовало реальному значению магнитной индукции менее 10 нТл.

Изотермические магнитные характеристики (I_r, k_o), измерялись соответственно на ротационном магнитометре JR-6A фирмы AGICO и приборе ИМВО-М.

В исходном состоянии и после различных времен отжига на образцах-дублях были измерены параметры петли магнитного гистерезиса: M_s, M_rs, B_c и B_cr, проведен термомагнитный анализ. T_c определялась по максимуму производной зависимости магнитной восприимчивости от температуры – k(T) при нагревах на воздухе и в аргоне на установке MFK1-A фирмы AGICO.

Намагниченность насыщения ферримагнитных зерен (M_s) определялась по кривой намагничивания с максимальным значением магнитного поля В = 1.4 Тл. При этом учитывался вклад в намагниченность парамагнитной матрицы базальта, который определялся по линейной части зависимости намагниченности от поля в интервале 0.8–1.4 Тл. Измерение остаточной намагниченности насыщения (M_rs), коэрцитивной силы (B_c) и остаточной коэрцитивной силы (B_cr) проводились на вибрационном магнитометре ВМА-1 [Максимочкин, 2003].

Размагничивание переменным полем проводилась в установке LDA-3A фирмы AGICO, позволяющей осуществлять ступенчатое размагничивание переменным магнитным полем с частотой 50 Гц при максимальном значении амплитуды поля h = 100 мТл.

Ступенчатое размагничивание температурой проводилось в двухкамерной немагнитной печи авторской конструкции [Максимочкин, Грачев, 2020]. На этой же установке проведены эксперименты по определению палеонапряженности методом Телье–Коэ [Coe, 1967]. Методика проведения экспериментов Телье включала в себя парные нагревы в аргоне до последовательно возрастающих температур: первый шаг (нагрев–охлаждение) – в нулевом поле, второй – нагрев в нулевом поле и последующее охлаждение в лабораторном поле B_lab = 50 мкТл. Для контроля минералогических изменений ТМ в экспериментах Телье выполнялись дополнительные возвратные нагревы до более низких температур для проверки величины парциальной термоостаточной намагниченности в предыдущих циклах Телье (процедуры check-points) [Coe et al., 1978].

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

Магнитоминералогические характеристики образца базальта П72/4 в исходном состоянии

Как было отмечено выше, эксперименты были проведены на обломке базальта П72/4, добытого в ходе 30-го рейса (1980 г.) НИС “Академик Курчатов” cо дна рифтовой зоны Красного моря, любезно предоставленного нам участником этой экспедиции, ведущим научным сотрудником ИО РАН А.А. Шрейдером. В рамках этой экспедиции впервые для геологических изысканий был применен глубоководный подводный аппарат “Пайсис-XI”, способный погружаться на глубину порядка 2 км. Отбор образцов производился непосредственно механическим манипулятором подводного аппарата [Шрейдер, 2001].

Образец базальта П72/4 хорошо нами изучен [Максимочкин, Грачев, 2020]. Основным магнитным минералом, ответственным за его NRM, является гомогенный титаномагнетит ТМ с содержанием ульвошпинели (Fe₂TiO₄) около 50%. Постоянная решетки ТМ a = 8.4545 Å. T_c, определенная по зависимости магнитной восприимчивости от температуры k(T), равна 260°С (табл. 2, рис. 5a). Стоит отметить, что температура Кюри, определяемая нами по k(T) фактически является медианной, так как ~50% зерен титаномагнетита имеют T_b ниже этого значения, а ~50% выше. Этот факт свидетельствует о том, что титаномагнетит базальта П72/4 характеризуется спектром температур Кюри, обусловленным как различным содержанием Ti, так и примесями Al, Mn [Richards et al., 1973].

Таблица 2.  

Фазовые и структурные характеристики образца П72/4 после различных времен отжига t при T_an = 260°C в магнитном поле индукцией B_an = 50 мкTл

Время отжига t, ч	$NRM_{{{\text{уд}}}}^{*}$, мкА ⋅ м2/г	koуд × 10–2 ед. СИ/г	Bc, мТл	Bcr, мТл	Bcr/Bс	Mrs, A/м	Ms, A/м	Mrs/Ms	Tc1 (нагр.), °C	Tc2 (охл.), °C	Z
0	16.3	0.54	17.3	22.1	1.28	890	2400	0.37	260	265	~0
12.5	14.5	0.59	17.4	22.3	1.28	912	2520	0.36	301	260	0.15
100	13.8	0.65	16.4	21.2	1.29	941	2730	0.35	340	267	0.31
400	13.1	0.73	14.4	18.6	1.29	846	2820	0.30	350–415	269	0.35–0.6
1300	12.1	0.83	14.3	19.2	1.34	944	3030	0.31	370–435	285	0.42–0.69

Зерна ТМ базальта П72/4 имеют скелетную, неправильную (дендритную) форму (рис. 2), указывающую на высокую скорость охлаждения лавы, характерную для океанических базальтов. Максимальный размер дендритов не превышает 6–8 мкм. По гистерезисным характеристикам B_cr/B_c = 1.28, M_rs/M_s = 0.37 и критерию Дея [Day и др., 1977] магнитная структура ферримагнитных зерен образца П72/4 соответствует псевдооднодоменному (PSD) состоянию (табл. 2).

Рис. 2.

Микрофотография поверхности образца П72/4 в исходном состоянии в обратно рассеянных электронах.

Ступенчатое размагничивание переменным магнитным полем позволило рассчитать поле медианного (h_0.5) и 90%-го (h_0.9) размагничивания, которые оказались равны 15.5 и 31.9 мТл соответственно. Величина NRM после воздействия переменным полем с амплитудой 100 мТл меньше 4–5% от исходной, следовательно, содержание однодоменных зерен (SD) незначительно, и их вклад в NRM мал [Day, 1977] (рис. 4б). Термочистка показала, что при нагреве до Т = Т_с разрушается около 55–60% NRM (рис. 3б), а спектр температур деблокирования NRM тянется практически до 400°С c максимумом в диапазоне 250–260°С (рис. 3г). Диаграммы Зийдервельда по результатам ступенчатого размагничивания температурой и переменным магнитным полем (рис. 3a и 4а соответственно) показывают преобладание одной компоненты, очевидно, соответствующей первичной TRM. Нагрев образца в среде аргона до 600°С не изменяет температуру Кюри, что свидетельствует об отсутствии природного однофазного окисления титаномагнетита базальта П72/4 (рис. 5).

Рис. 3.

Термочистка NRM образца П72/4 в исходном состоянии: (a) – диаграмма Зийдервельда в системе координат образца; (б) – зависимость NRM от температуры; (в) – стереограмма; (г) – спектр деблокирующих температур. Измерения NRM производились при комнатной температуре.

Рис. 4.

Магнитная чистка NRM образца П72/4 в исходном состоянии: (a) – диаграмма Зийдервельда в системе координат образца; (б) – зависимость NRM от амплитуды магнитного поля h; (в) – стереограмма; (г) – спектр коэрцитивных сил.

Рис. 5.

Зависимость магнитной восприимчивости от температуры k(T) в среде аргона при нагреве и охлаждении образца базальта П72/4 в исходном состоянии (t = 0) и после отжига при Т_an = 260°С на воздухе в течение различного времени t: (а) – 12; (б) – 100; (в) – 400; (г) – 1300 ч.

Термочистка и чистка переменным магнитным полем измененной естественной остаточной намагниченности NRM*

Размагничивание переменным магнитным полем (AFD) NRM*, полученной в результате отжига при T_an = 260°C в течение 0, 100, 400 и 1300 ч, показано на рис. 6 и в табл. 3.

Рис. 6.

Размагничивание переменным магнитным полем NRM* обр. П72/4 после отжига при Т_an = 260°С в поле с индукцией B_an = 50 мкТл течение различного времени: (1) – 0; (2) – 100; (3) – 400; (4) – 1300 ч; (а) – диаграмма Зийдервельда в системе координат образца; (б) – зависимость NRM* от амплитуды переменного магнитного поля h; (в) – стереограмма (“звездочкой” показано направление намагниченности в исходном состоянии); (г) – зависимость компонент M_x, M_y, M_z от h. Магнитное поле B_an во время отжига было направлено вдоль оси oХ в системе координат образца.

Таблица 3.  

Величина и свойства измененной естественной остаточной намагниченности (NRM*) образца базальта Красного моря П72/4 после различных времен (t_i) отжига при T_an = 260 °C в магнитном поле B_an = 50 мкТл

Время отжига t, ч	${\text{NRM}}_{{{\text{уд}}}}^{*}$, мкА· м2/г				T0.5, °С	T0.9, °С	h0.5, мТл	h0.9, мТл	DTD, град.	ITD, град.	DAFD, град.	IAFD, град.
	Mx	My	Mz	${\text{NRM}}_{{{\text{уд}}}}^{*}$
0	–5.4	12.8	–8.5	16.3	266	347	15.5	31.9	117.1	–31.7	116.7	–26.4
12.5	–4.5	11.2	–8.2	14.5	299	384	15,9	30.7	–	–	–	–
100	–3.3	11.1	–7.5	13.8	326	422	15.2	28.7	114.4	–28.9	106.7	–32.0
400	–3.4	10.6	–6.8	13.1	338	434	14.5	27.4	108.5	–31.9	104.2	–32.3
1300	–1.5	10.2	–6.4	12.1	354	445	13.1	24.8	103.8	–29.7	103.0	–32.1

Примечания: Температура (T_0.5, T_0.9) и магнитное поле (h_0.5, h_0.9) 50 и 90% размагничивания NRM*, соответственно. D_TD, I_TD – склонение и наклонение наиболее стабильной части NRM* по результатам термочистки; D_AFD, I_AFD – склонение и наклонение по результатам магнитной чистки.

NRM*, полученная после однократного нагрева образца до 260°С, на диаграмме Зийдервельда характеризуется одним линейным участком (рис. 6.1a ), а стабильность M_x, M_y и M_z компонент намагниченности к воздействию переменного магнитного поля одинакова (рис. 6.1 г). Большая часть спектра коэрцитивных сил NRM* заключена в интервале от 10 до 40 мТл.

После отжига в течение 100 ч (рис. 6.2 ) диаграмма Зийдервельда также указывает на однокомпонентный состав намагниченности, однако направление NRM* не совпадает с направлением исходной NRM: вектор NRM* поворачивается в сторону оси oX по направлению намагничивающего поля B_an, действовавшего во время отжига (см. рис. 6.2 а). Зависимость M_x(h) несколько отличается от M_y(h) и M_z(h) (рис. 6.2 г).

После отжига в течение 400 и 1300 ч направление NRM* (рис. 6.3 и 6.4 соответственно) продолжает смещаться в направлении B_an, эффект усиливается с ростом времени отжига. Стереограмма и диаграмма Зийдервельда показывают наличие двух компонент, ни одна из которых не совпадает с направлением исходной NRM (направление исходной NRM на стереограммах рис. 6.3 в–6.4в показано звездочкой). На начальном участке зависимости NRM*(h) после отжига образцов в течение t = 100, 400 и 1300 ч наблюдается небольшой рост намагниченности при неизменном его направлении, что может свидетельствовать о межфазном взаимодействии окисленной оболочки и неокисленного ядра зерен титаномагнетита. Этот эффект усиливается с ростом времени отжига, а также растет отличие в характере размагничивания переменным полем компоненты M_x от M_y, M_z. Из табл. 3 видно, что поле половинного (h_0.5) и 90%-го (h_0.9) размагничивания NRM* для времени отжига t = 1300 ч уменьшились на 15 и 22% соответственно. По результатам магнитной чистки всех состояний можно заключить, что при отжиге формируется остаточная намагниченность с меньшей магнитной жесткостью.

По результатам термочистки NRM* аналогичных состояний выявляются две компоненты (рис. 7). Одна компонента размагничивается при нагреве до Т_an и может иметь вязкую или термовязкую природу. Ее наличие обусловлено условиями лабораторного эксперимента – длительной выдержкой при повышенной температуре T_an в магнитном поле B_an. Направление второй компоненты определяется по части NRM* c температурами деблокирования T > 260°C, причем это направление близко к направлению исходной NRM.

Рис. 7.

Размагничивание температурой NRM* обр. П72/4 после отжига при Т_an = 260°С в поле с индукцией B_an = 50 мкТл течение различного времени: (1) – 0; (2) – 100; (3) – 400; (4) – 1300 ч; (а) – диаграмма Зийдервельда в системе координат образца; (б) – зависимость NRM* от температуры; (в) – стереограмма (“звездочкой” показано направление намагниченности в исходном состоянии); (г) – зависимость компонент M_x, M_y, M_z от температуры. Магнитное поле B_an во время отжига было направлено вдоль оси oХ в системе координат образца.

Спектр температур разблокирования намагниченности NRM* с увеличением времени отжига смещается в сторону больших температур. Это смещение обусловлено ростом температуры Кюри зерен при однофазном окислении титаномагнетита. Если исходная NRM разрушается после нагрева до 400°С (рис. 3), то после отжига при Т = = 260°С в течение 1300 ч в магнитном поле, при аналогичном нагреве до Т = 400°С остается еще 20–25% NRM* (рис. 7.4 б). Температура (T_0.5), при которой размагничивается половина исходной NRM, увеличивается с 266 до 354°С, а 90%-го размагничивания (T_0.9) – с 347 до 445°С (табл. 3).

Из стереограмм видно, что при увеличении температуры в процессе термочистки, для всех времен отжига t направление NRM* смещается в сторону, противоположную направлению магнитного поля, действовавшего при отжиге. Однако только для t = 100 ч величина склонения (DECL_TD) и наклонения (INCL_TD), определенная по высокотемпературной части NRM*, совпала с таковыми для исходного (t = 0 ч) состояния. При больших временах выдержки (t = 400 и 1300 ч) и, соответственно, степени окисления ни один из способов магнитных чисток не позволяет восстановить направление исходной NRM.

Определение величины магнитного поля по измененной в лаборатории естественной остаточной намагниченности NRM* методом Телье

По измененной однофазным окислением остаточной намагниченности NRM* проведено определение палеонапряженности геомагнитного поля методом Телье–Кое. Из схемы термического воздействия на образцы, описанной выше, следует, что информация о древнем магнитном поле может быть получена только по части NRM c блокирующими температурами Т_b > Т_an = 260°С, так как охлаждение от Т_an до комнатной температуры происходило в отсутствие магнитного поля.

Из результатов, представленных на рис. 8, видно, что данные на диаграмме Араи–Нагаты для NRM* всех времен отжига, в том числе и для исходного состояния, т.е. для t = 0, можно аппроксимировать двумя линейными отрезками. Расчетное значение поля B_calc = |b|B_lab (где B_lab – лабораторное магнитное поле, действовавшее при проведении процедуры Телье–Кое, b – тангенс угла наклона прямой на диаграмме Араи–Нагаты), для первого температурного интервала ΔT ~ (270–360)°C и времен отжига t = 0, 12.5, 400, 1300 ч оказалось равно 59.8, 51, 49.5, 48 мкТл соответственно (рис. 8, табл. 4). Видно, что B_calc для t = 12.5–1300 ч, примерно на 20% меньше, чем B_calc исходного состояния (t = 0 ч). С другой стороны, примечательно, что расчетные значения поля по NRM* для t = 12.5–1300 ч оказались близки к значению магнитного поля, действовавшего в процессе отжига (B_an = 50 мкТл). Такое совпадение, конечно, если оно не случайно, кажется интересным и неожиданным. Вероятно, NRM* однофазно-окисленного титаномагнетита в большей степени определяется величиной намагничивающего поля B_an, действовавшего в процессе однофазного окисления, а не полем формирования первичной термоостаточной намагниченности. B_calc для всех времен отжига удовлетворяет современным критериям качества (q > 5).

Рис. 8.

Результаты Телье экспериментов обр. П72/4 после отжига при Т_an = 260°С в магнитном поле с индукцией B_an = 50 мкТл в течение: (a) – t = 0; (б) – t = 12.5 ч; (в) – t = 400 ч; (г) – t = 1300 ч. Слева – диаграммы Араи–Нагаты и Зийдервельда (слева внизу). Справа – зависимости образования pTRM(T) и разрушения NRM(T) в циклах Телье.

Таблица 4.  

Результаты определения палеонапряженности по NRM* базальта П72/4, полученной в результате лабораторных отжигов при T_an = 260 °С в течение времени t = (0–1300) ч в магнитном поле В_an = 50 мкТл

t, ч	ΔT, °С	N	q	g	f	|b|	σb	DRAT, %		Bcalc, мкТл
								mean	max
0	270–360	7	16.8	0.81	0.63	1.20	0.036	3.3	4.8	59.8
	360–480	5	3.2	0.53	0.18	0.48	0.014	–	24.9	24.1
12.5	280–360	6	16.0	0.74	0.54	0.99	0.036	7	11.4	49.5
	360–480	5	3.5	0.69	0.19	0.45	0.017	–	20.5	22.6
400	270–360	7	18.6	0.75	0.65	1.00	0.026	5.3	6.9	50.1
	360–480	5	3.7	0.69	0.31	0.49	0.028	–	22.3	24.7
1300	290–360	5	9.5	0.65	0.55	0.95	0.036	9.7	11.6	47.5
	360–480	5	4.9	0.70	0.43	0.58	0.036	–	17.6	28.8

Примечания: t – время отжига образца; ΔT – температурный интервал линейной аппроксимации на диаграмме Араи–Нагаты, по которому определялась B_calc; N – число репрезентативных точек в этом интервале; b – тангенс угла наклона линии аппроксимации на диаграмме Араи–Нагаты; g – параметр, характеризующий однородность распределения репрезентативных точек в выбранном температурном интервале; f – параметр, характеризующий долю исходной намагниченности, использованная для аппроксимации; σ_b – среднеквадратичная ошибка определения b; q = bfg/σ_b – интегральный показатель качества определения палеонапряженности B_calc = bB_lab (B_lab = 50 мкТл.); DRAT_meanи DRAT_max – величины среднего и максимального отклонения значений check-points pTRM от линии аппроксимации в выбранном температурном интервале (удовлетворительным, согласно [Coe, 1978], принято считать q ≥ 5, значение параметра DRAT_mean ≤ 3.5–5%, а параметра DRAT_max ≤ 10% [Selkin, 2000]).

Величина магнитного поля B_calc = (21.7–28.8) мкТл, определенная по второму интервалу (Т > 360°C) для разных времен отжига, ниже B_an примерно в два раза. Вклад этой части намагниченности с температурами деблокирования Т > 360°C растет с ростом времени отжига, достигая 40% от NRM* для t = 1300 ч (рис. 8г, табл. 4). Качество определения палеонапряженности по этому интервалу низкое (q < 5) практически для всех t из-за низкого значения параметра f < 0.43. Высокие значения параметра DRAT = 17.6–24.9, также свидетельствуют о низкой надежности результата, полученного по этому интервалу.

ОБСУЖДЕНИЕ

В настоящей работе получены новые данные о влиянии однофазного окисления титаномагнетита при T_an < T_c на определение величины и направления древнего магнитного поля по NRM подводных базальтов. Как было отмечено выше, величина магнитного поля B_calc = 47.5–49.5 мкТл, определенная по низкотемпературной части NRM* (t = 12.5–1300 ч), независимо от Z, получилась на 25% ниже, чем определенная по образцу, содержащему неокисленный титаномагнетит ($B_{{calc}}^{{{\text{t0}}}}$ = 59.8 мкТл) (табл. 4). При этом результат определения палеонапряженности оказался неожиданно близок к значению магнитного поля, действовавшего в процессе отжига – B_an = 50 мкТл. Если предположить, что это совпадение неслучайно, то можно сделать вывод, что в процессе низкотемпературного окисления в магнитном поле B_an было достигнуто новое равновесное распределение магнитных моментов атомов уже после 12.5-часовой выдержки при температуре T_an = = 260°С. Эта гипотеза требует дополнительной экспериментальной проверки.

Возможно и другое объяснение получения заниженного значения B_calc. В процессе отжига за счет релаксации разблокируется часть естественной остаточной намагниченности. Уменьшение естественной намагниченности частично компенсируется образованием CRM по направлению исходной NRM. Можно считать, что остаточная намагниченность после отжигов складывается из исходной NRM термоостаточной природы и приобретенной в результате однофазного окисления химической намагниченности, которая занижает палеонапряженность, определяемую методом Телье. Остается непонятным, почему величина B_calс практически не зависит (или слабо зависит) от степени окисления титаномагнетита.

Расчетное магнитное поле B_calc, определенное по второму линейному участку диаграммы Араи–Нагаты (T > 360°C), оказалось ниже в 2.1–2.7 раза по сравнению с палеонапряженностью, определенной по первому участку. Возможно, низкое значение B_calc связано с ошибкой ее определения, обусловленной минералогическими изменениями в процессе проведения процедуры Телье–Кое, о чем свидетельствует смещение вправо pTRM check-points при температурах выше 400°С (рис. 8). Завышение pTRM check-points по сравнению с pTRM в циклах Телье показывает, что в результате нагревов спектр температур блокирования смещается в сторону меньших значений. Это может быть обусловлено гомогенизацией однофазно окисленного титаномагнетита, так как нагревы в экспериментах Телье проводились в среде аргона. Такое объяснение нам кажется наиболее вероятным, так как при Т > 400°С возможно влияние процесса гомогенизации однофазноокисленного титаномагнетита на спектр температур Кюри и, следовательно, блокирующих температур [Максимочкин, Грачев, 2019].

Результаты магнитных чисток указывают на различную стабильность компоненты намагниченности M_x, вдоль которой в процессе отжига было направлено магнитное поле B_an, к воздействию температуры T и переменного магнитного поля h соответственно. В случае чистки переменным полем с увеличением h вектор намагниченности поворачивается по направлению оси Ox, а при термочистке в точности наоборот (рис. 6а–рис. 7а), что особенно заметно для случаев максимального времени отжига t = 1300 ч. Можно дать следующее объяснение этому факту: в образце базальта присутствуют зерна ТМ различного размера, однако окисляются быстрее те, у которых отношение площади поверхности к объему больше, т.е. самые мелкие зерна. Такие зерна в среднем имеют бо́льшую коэрцитивную силу и в процессе магнитной чистки с увеличением амплитуды переменного магнитного поля их вклад в намагниченность возрастает. При низких значениях степени окисления направление высокотемпературной части NRM* обусловлено более крупными и, как следствие, менее окисленным зернами титаномагнетита, несущими исходный палеомагнитный сигнал, что подтверждается результатами наших экспериментов. Верно определить “палеонаправление” удалось только по результатам термочистки NRM*, полученной после отжига в течение t = 100 часов (степень окисления Z = 0.3) (табл. 3, рис. 7). Отсюда следует, что, если в качестве объекта палеомагнитных исследований выступает титаномагнетит в начальной стадии однофазного окисления, а результаты чистки температурой и переменным полем противоречат друг другу, предпочтение следует отдавать результатам, полученным при термочистке. При больших временах выдержки (t = 400 и 1300 ч) и соответственно степени окисления Z = 0.35–0.69 ни один из способов магнитных чисток не позволяет восстановить направление исходной NRM

Помимо получения данных о величине и направлении древнего магнитного поля по NRM титаномагнетита, испытавшего однофазное окисление, необходима методика, позволяющая диагностировать однофазно-окисленные зерна титаномагнетита, по возможности не привлекая трудоемкие микроскопические исследования. По нашим данным, которые подтверждаются результатами настоящей работы, присутствие однофазноокисленных зерен титаномагнетита в базальтах может быть диагностировано сравнением Т_с образца в исходном состоянии и после нагрева выше температуры смесимости в инертной среде. Такое сравнение позволяет по разнице Т_с исходного и гомогенизированного состояний оценить Z, используя зависимости Т_с от содержания титана в ТМ и степени его окисления [Nishitani, Kono, 1983]. Это было показано в нашей работе [Максимочкин, 2020], где рассматривалось окисление ТМ при температурах выше Т_с. Аналогичные результаты (рис. 5, табл. 2) получены в настоящей работе, где большая часть зерен имели Т_с ниже температуры реакции. Факт гомогенизации однофазно окисленного титаномагнетита известен давно, однако не использовался для оценки степени однофазного окисления титаномагнетита in situ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основе результатов экспериментального моделирования влияния однофазного окисления при температурах, меньших температуры Кюри, на изменения естественной остаточной намагниченности базальта П72/4 со дна рифтовой зоны Красного моря сделаны следующие выводы.

1. Индикатором наличия однофазно-окисленного титаномагнетита в океанических базальтах может быть уменьшение температуры Кюри при их нагреве выше температуры смесимости (600°С) в среде аргона. Сравнение температуры Кюри титаномагнетита базальта, определенной до и после такого воздействия, позволяет оценить степень окисления Z.

2. При низкой степени окисления (Z ~ 0.3) только по результатам термочистки удается восстановить направление исходной NRM. Если в качестве объекта палеомагнитных исследований выступает титаномагнетит в начальной стадии однофазного окисления, а результаты чисток температурой и переменным полем противоречат друг другу, то предпочтение следует отдавать направлениям древнего поля, полученным по размагничиванию температурой. При степени окисления Z = 0.35–0.69 ни один из способов магнитных чисток не позволяет восстановить направление исходной NRM.

3. Метод Телье определения палеонапряженности по NRM однофазноокисленного титаномагнетита дает заниженное на ~20% значение B_calc по сравнению с титаномагнетитом стехиометрического состава. Примечательно, что B_calc в пределах погрешности оказалось равно полю B_an = 50 мкТл, действовавшему в процессе однофазного окисления. При этом эффект не зависит от степени окисления в пределах Z = 0.15–0.69.