Введение к работе
Актуальность темы. Установление связей минералогического состава природных образцов, магнетизма и особенностей структуры минералов в зоне гипергенеза с условиями их образования является актуальной задачей, как геофизики, так и почвоведения. Благодаря существованию зависимости магнитных свойств горных пород, почв, минералов и веществ от условий их образования магнитные параметры содержат богатую генетическую информацию.
Анализ научных публикаций показал, что в большинстве проведенных исследований недостаточно уделено внимания таким глобальным явлениям, протекающим в зоне гипергенеза, как магнитное обогащение вторичных алюмосиликатов и органического вещества ионами железа. Мало изучен и другой гипергенный процесс - магнитное разбавление оксидов и гидроксидов железа диамагнитными ионами, например, ионами алюминия. Изоморфные замещения в гипергенных минералах тесно связаны с условиями образования и могут служить инструментом для их изучения. Недостаточно изучено влияние живого вещества на магнитоминералогию соединений железа в зоне гипергенеза.
Изучение магнетизма гипергенных минералов необходимо в связи с совершенствованием методов разведки полезных ископаемых. Особенно это касается разведки месторождений слабомагнитных железистых руд осадочных месторождений, а также слабомагнитных веществ и глин, где геофизические методы мало эффективны. При разведке сильномагнитных руд на стадии магнитного опробования также необходима информация о фазовом составе и минералогических особенностях породы.
Одной из актуальных задач геофизики до настоящего времени остается определение положения магнетита в различных изоморфных рядах, что необходимо при изучении горных пород в палеомагнитных исследованиях. Сведения об особенностях минералогии и магнитных свойств гипергенных оксидов и гидроксидов железа необходимы для пространственного расчленения горных пород при проведении стратиграфических исследований.
Решение таких генетических проблем почвоведения, как изучение связи магнетизма гипергенных минералов и веществ с почвенными процессами также определяется возможностями магнитных методов. Актуальность темы данной работы обусловлена также тесной связью свойств железистых конкреций (морфология, дисперсность, минеральный состав и магнитные свойства) с процессами трансформации минералов в зоне гипергенеза. Несмотря на многочисленные работы, посвященные этим новообразованиям, остались нераскрытыми вопросы связи дисперсности и особенностей магнитной минералогии соединений железа в них с генетическими особенностями почв.
4 Значительная часть всех трудностей, возникающих при решении перечисленных задач, связана с ограниченными возможностями отдельных методов при изучении таких дисперсных и сложных систем, как природные образцы. Для преодоления этих трудностей необходимо расширить возможности магнитных измерений (МИ) повышением их чувствительности и усовершенствовать методики совместного применения комплекса геофизических методов.
Цель и задачи исследования. Главная цель данной работы - изучить влияние изоморфных замещений в структуре минералов на их магнитные свойства, связать особенности структуры и магнитного состояния с их генезисом. При выполнении работы необходимо было решить следующие частные задачи:
-
Автоматизировать процесс измерения зависимости удельной магнитной восприимчивости и намагниченности образца от величины внешнего магнитного поля и температуры. Усовершенствовать методики температурных магнитных измерений, обработки и интерпретации полученных результатов.
-
Усовершенствовать способы совместного применения совокупности геофизических методов при исследовании многокомпонентных полидисперсных природных образцов и расширить возможности магнитной минералогии в решении некоторых задач геофизики и почвоведения.
-
С помощью мессбауэровской спектроскопии (МС), магнитных измерений (МИ) и других геофизических методов изучить магнитные свойства и минералогию железосодержащих глинистых минералов разного генезиса и на основе существующих теоретических представлений по магнетизму вещества описать их магнитоминералогические особенности.
-
На основе данных МИ и электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) изучить магнитные свойства гуминовых и фульвокислот, а также их комплексов с ионами металлов для оценки вклада в магнетизм почв и осадочных пород.
-
С помощью МИ и МС изучить синтетические образцы гетита и провести теоретическое обоснование применимости некоторых моделей для объяснения особенностей магнитоминералогии почвенных оксидов и гидроксидов железа (высокая дисперсность и магнитное разбавление).
-
Изучить магнитные свойства и минералогию природных магнетитов из некоторых отложений для обнаружения связи с генезисом этих минералов.
-
Исследовать магнитные свойства некоторых почвенных микроорганизмов и растений и установить формы соединений железа в них. Выявить особенности магнитоминералогии биогенного магнетита по сравнению с его формами в горных породах.
-
С помощью геофизических методов изучить новообразования железа из некоторых почв. Определить дисперсность и особенности магнитоминералогии оксидов и гидроксидов железа в почвах и новообразованиях и установить их связь с почвенными процессами.
5 Научная новизна работы. Данная работа является новым направлением в магнитоминералогии горных пород и почв, так как посвящена влиянию изоморфных замещений и живого вещества на магнитные параметры гипергенных минералов. Впервые с помощью магнитных измерений, мессбауэровской спектроскопии и других геофизических методов изучаются такие глобальные явления, протекающие в зоне гипергенеза, как магнитное обогащение структуры алюмосиликатов и органического вещества ионами железа, а также магнитное разбавление кристаллической решетки оксидов и гидроксидов железа ионами алюминия.
Впервые в практику магнитных измерений природных образцов внедрен анализ температурных зависимостей магнитной восприимчивости образца и расчет асимптотической температуры Кюри (0а), несущей информацию об интенсивности косвенного обменного взаимодействия ионов железа. Экспериментально установлена неизвестная ранее зависимость 0А от концентрации структурного железа в глинистых минералах, которая согласуется с выводами феноменологической теории магнетизма Кюри-Вейса.
С помощью МИ и МС проведено экспериментальное исследование влияния изоморфных замещений и дисперсности частиц гетита на магнитные и мессбауэровские параметры. На основе теории Нееля (приближение ближайших соседей) и статистического метода получены новые зависимости намагниченности насыщения подрешетки и температуры Кюри гетита от степени изоморфных замещений. Достигнуто хорошее согласие найденных в работе зависимостей с экспериментальными результатами.
Получены новые данные по возможности определения положения магнетита с помощью мессбауэровской спектроскопии в изоморфном ряду с маггемитом и в некоторых твердых растворах. Показано, что соотношение интенсивностей секстетов в МС спектрах почвенных магнетитов является чрезвычайно чувствительным параметром к изоморфным замещениям и вакансиям в структуре.
С помощью мессбауэровской спектроскопии и особенно магнитных измерений изучена минералогия соединений железа в микроорганизмах и растениях. Впервые обнаружено, что кроме парамагнитных форм соединений железа в изученных микроорганизмах и во многих образцах растений присутствуют микроколичества наночастиц сильномагнитных соединений типа магнетита.
Выявлены формы и зональные минералогические особенности соединений железа в различных новообразованиях. Обоснована возможность применения МС для определения дисперсности и степени АІ-замещений гипергенных гидроксидов и оксидов железа. Эти новые дополнительные магнитоминералогические параметры являются индикаторами таких почвенных процессов, как оглеение и оподзоливание.
Практическая значимость. Усовершенствована установка и методики измерения зависимости магнитной восприимчивости образца от магнитного поля и температуры, что позволило расширить возможности
магнитных измерений при исследовании природных объектов. На основе анализа температурных и полевых зависимостей магнитных параметров разработаны методы расчета намагниченности насыщения, постоянной Кюри и асимптотической температуры Кюри, которые тесно связаны с генезисом минералов и веществ и могут служить дополнительными характеристиками при их изучении.
Предложенные в работе методы определения степени ожелезненности глинистых минералов, способы изучения магнитоминералогических особенностей оксидов и гидроксидов железа в зоне предполагаемых месторождений могут быть использованы на разных стадиях при поисках полезных ископаемых и руд.
Разработанные методы определения среднего размера частиц и степени А1-замещений в оксидах и гвдроксидах железа на основе данных мессбауэровской спектроскопии используются при изучении процессов оподзоливания, оглеения и заболачивания почв. Эти минералогические параметры также несут информацию об условиях их образования и могут служить инструментом при решении таких важных задач геофизики, как идентификация минералов горных пород, изучение доменных состояний, магнитной вязкости и процессов намагничивания гипергенных оксидов и гидроксидов железа.
Мессбауэровские данные по исследованию природных магнетитов будут полезны при исследовании генезиса некоторых горных пород и руд. Степень окисления или изоморфных замещений в магнетите несет информацию об окислительно-восстановительной обстановке и условиях его образования. Данные параметры применяются при изучении магнетизма горных пород и почв для коррекции палеомагнитных данных, а также при установлении температурного режима образования нестехиометрического или изоморфного магнетита.
Апробация. Результаты работы неоднократно докладывались на научно-технических конференциях Ярославского государственного технического университета (1983-2003), на Всесоюзной научной конференции «Современные методы исследования почв» (Москва, 1986), на Международной конференции «Железо в почвах» (Ярославль, 1999), на ряде Международных конференций по применению эффекта Мессбауэра (1982-1998), а также на Международных конференциях по магнетизму и магнитным материалам (1986-1994). Содержание исследований обсуждалось на кафедре физики и мелиорации почв факультета Почвоведения МГУ, на кафедре физики Земли Физического факультета МГУ. Автор участвовал как руководитель проекта №95-04-13569, и как ответственный исполнитель в ряде конкурсных проектов (№97-04-13569, №99-04-13569, №01-04-13569, №03-04-13569) поддержанных Российским фондом фундаментальных исследований (РФФИ), тематика которых соответствует цели данной работы.
Публикации. Опубликовано 22 научные работы в реферируемых Российских изданиях из перечня ВАК и к ним приравненных. Всего по теме диссертации опубликованы 64 научные работы. Результаты исследований
представлены в материалах международных, российских и межвузовских
конференций. В соавторстве с Бабаниным В.Ф., Карпачевским Л.О.,
Ивановым А.В. и Трухиным В.И. написана и опубликована книга
«Магнетизм почв», которая является учебным пособием для студентов по
физическим свойствам почв.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения с выводами, приложения и списка использованной литературы. Содержит 325 страниц машинописного текста, 62 рисунка, 21 таблицу. Список литературы включает 408 работ, из них 224 на иностранном языке.
