Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1: Магнитные свойства внеземного вещества на примере метеоритов и лунного грунта 17
1.1. Введение 17
1.2. Внеземное вещество 19
1.2.1. Типы внеземного вещества, доступные для прямого изучения в лаборатории 19
1.2.2. Современная классификация метеоритов 21
1.3. Магнитные минералы горных пород и внеземного вещества 28
1.4. Магнетизм фрагментов Челябинского метеоритного дождя из коллекции внеземного вещества ГЕОХИ РАН 29
1.4.1 Введение 29
1.4.2. Материалы и методы исследования 31
1.4.2.1. Описание образцов 31
1.4.2.2. Описание оборудования и методов исследования 35
1.4.3. Результаты и их обсуждение 36
1.4.3.1. Магнитная восприимчивость коллекции фрагментов Челябинска 36
1.4.3.2. Термомагнитный анализ и оценка доли металла в веществе по Ms 39
1.4.3.3. Магнитный гистерезис и остаточная намагниченность 44
1.5. Магнетизм образцов Лунного грунта 47
1.6. Выводы главы 1 51
ГЛАВА 2: Магнитные свойства метеоритов и аналогов при воздействии статических давлений 53
2.1. Введение и обзор литературы 53
2.2. Компактные немагнитные камеры высокого гидростатического давления 56
2.2.1. Камера давления 1 57
2.2.2. Камеры давления №2 и №3 62
2.3. Остаточная намагниченность марсианских метеоритов при воздействии гидростатических давлений 63
2.3.1 Введение 63
2.3.2 Экспериментальная методология и образцы
2.3.2.1. Экспериментальная методология 64
2.3.2.2. Описание образцов
2.3.3. Результаты экспериментов 67
2.3.4. Приложение результатов 69
2.4. Остаточная намагниченности метеоритов и аналогов при воздействии гидростатических давлений 73
2.4.1. Введение 73
2.4.2. Экспериментальная методология и образцы
2.4.2.1. Описание экспериментов 73
2.4.2.2. Описание образцов 74
2.4.3. Результаты экспериментов 77
2.4.3.1. Основные характеристики экспериментов по размагничиванию давлением 77
2.4.3.2. Эффект размагничивания давлением и его механизм 83
2.4.4. Приложение результатов 85
2.5. Остаточная намагниченность обыкновенных хондритов при воздействии гидростатических давлений 91
2.6. Магнитные свойства модельного образца синтезированного пирротина Fe7Ss93
2.7. Выводы главы 2 96
ГЛАВА 3: Магнитные свойства метеоритов и аналогов при ударных механических воздействиях 99
3.1. Введение 99
3.2. Ударно-индуцированное намагничивание лунного грунта Аполлон 100
3.2.1. Введение 100
3.2.2. Ударно-индуцированное намагничивание лунного материала: современное понимание проблемы 103
3.2.3. Экспериментальная методология и описание образцов 105
3.2.4. Магнитная характеристика лунных образцов до приложения давлений
3.2.4.1. Петромагнитные свойства образцов 107
3.2.4.2. Естественная остаточная намагниченность образцов
3.2.5. Результаты ударных экспериментов 113
3.2.6. Результаты гидростатических экспериментов и их сравнение с механическими ударными экспериментами 117
3.2.7. Эффективность образования шоковой остаточной намагниченности лунных пород и приложение результатов к лунному палеомагнетизму 121
3.3. Магнитные свойства агглютинат-подобных частиц, полученных в 125
плоско-волновых экспериментах на базальтах 125
3.3.1. Введение 125
3.3.2. Экспериментальная методология и образцы
3.3.2.1. Описание нешокированных базальтовых мишеней 126
3.3.2.2. Описание ударных экспериментов и оценки пиковых давлений ударной волны 129
3.3.3. Результаты ударных экспериментов 130
3.3.3.1 Текстура агглютинат-подобных частиц 130
3.3.3.2. Результаты термомагнитных анализов 131
3.3.3.3. Магнитый гистерезис и магнитная восприимчивость образцов 135
3.3.3.4. Низкотемпературные магнитные свойства 138
3.3.4. Приложение результатов 140
3.3.4.1. Образование агглютинат-подобных частиц 140
3.3.4.2. Сравнение с лунными агглютинатами 141
3.3.4.3. Магнетизм агглютинат-подобных частиц в контексте Земли и солнечной системы 141
3.4. Магнитные свойства метеоритов и аналогов, претерпевших сферически- 143
симметричное ударно-взрывное нагружение 143
3.4.1. Магнитные свойства базальта и диабаза до и после низкоинтенсивного и
высокоинтенсивного сферического ударного нагружения 143
3.4.1.1. Введение 143
3.4.1.2. Экспериментальная методология и образцы 144
3.4.1.3. Результаты: образование концентрических зон ударного метаморфизма 152
3.4.1.4. Результаты: ударно-индуцированные изменения в магнетизме вещества 154
3.4.1.5. Приложение результатов 159
3.5. Выводы главы 3 164
ГЛАВА 4: Магнитные свойства метеоритов и аналогов при облучениях 168
4.1. Введение 168
4.2. Современное состояние проблемы и глобальный контекст 169
4.3. Материалы и методы 172
4.3.1. Описание образцов 172
4.3.2. Методика радиационных экспериментов 175
4.3.3. Методика магнитных измерений 178
4.3.4. Базовые принципы взаимодействия ионизирующего излучения с веществом .179
4.4. Результаты и обсуждение 181
4.4.1. Облучение протонами 181
4.4.1.1. Тепловые эффекты 181
4.4.1.2. Радиационно-индуцированные изменения в магнитных свойствах образцов 184
4.4.1.3. Радиационно-индуцированное намагничивание и размагничивание образцов 188
4.4.2. Облучение ионами свинца 192
4.4.2.1. Радиационно-индуцированные изменения в магнитных свойствах образцов 193
4.4.2.2. Радиационно-индуцированное намагничивание и размагничивание образцов 194
4.4.3. Облучение ионами аргона 194
4.5. Выводы главы 4 196
ГЛАВА 5: Моделирование процессов самообращения намагниченности горных пород 198
5.1. Введение 198
5.2. Основные свойства геомагнитного поля и другие геофизические явления 200
5.2.1. Современная модель и структура ГМП 200
5.2.2. Происхождение геомагнитного поля 201
5.2.3. Палеомагнитная модель ГМП 202
5.2.4. Основы концепции неомобилизма 207
5.3. Самообращение намагниченности ферримагнетиков 209
5.3.1. Физика процессов самообращения 210
5.3.2. Ферримагнитная минералогия 217
5.3.2.1. Феррошпинели и титаномагнетиты 217
5.3.3. Самообращение намагниченности гемоильменитов 220
5.3.4. Самообращение намагниченности титаномагнетитов 223
5.3.5. Самообращение намагниченности других минералов 224
5.3.6. Особенности эффектов самообращения 225
5.4. Возможные физические механизмы экспериментально установленных случаев самообращения и модель явления 228
5.4.1. Механизмы самообращения намагниченности природных и синтезированных ферримагнетиков 229
5.4.2. Механизм самообращения N-типаНееля 241
5.4.3. Компьютерная модель явления самообращения намагниченности, основанная на физическом механизме N-типаНееля
2 5.4.3.1. Результаты компьютерного моделирования 249
5.4.3.2. Сопоставление результатов моделирования с экспериментальными данными 252
5.5. Самообращение намагниченности и инверсии ГМП. Экологические проблемы
инверсий ГМП 255
5.6. Выводы главы 5
Заключение 261
Выводы диссертации: 261
Список работ, опубликованных автором по теме диссертации 267
Список использованной литературы 276
- Магнетизм фрагментов Челябинского метеоритного дождя из коллекции внеземного вещества ГЕОХИ РАН
- Остаточная намагниченности метеоритов и аналогов при воздействии гидростатических давлений
- Эффективность образования шоковой остаточной намагниченности лунных пород и приложение результатов к лунному палеомагнетизму
- Радиационно-индуцированное намагничивание и размагничивание образцов
Введение к работе
Актуальность диссертационной темы
Вокруг з емного шара существует магнитное поле напряженностью ~ 0.5 Э. Геомагнитное поле (ГМП) воздействует на живую и неживую природу, намагничивает все минералы и горные породы. Многочисленные космические миссии, первые из которых – советские и американские – датируются 60-ыми годами прошлого столетия, выявили присутствие магнитных полей вокруг Луны и планет С олнечной системы [Beatty et al., 1999; Stevenson, 2003]. По современным представлениям, магнитные поля Земли, Юпитера, Сатурна, Нептуна, Урана и, возможно, Меркурия генерируются согласно физическому механизму гидромагнитного динамо [Stevenson, 2003]. Магнитные аномалии Марса [Acua et al., 1999, 2001; Stevenson, 2003] связывают с остаточной намагниченностью горных пород , слагающих его базальтовую кору, которая была намагничена в древнем магнитном поле Марса до остановки планетарного динамо 4 млрд лет назад [Schubert et al., 2000]. Носители магнитных аномалий Луны также расположены в л унной коре . Возможность существования в прошлом лунного динамо до сих пор обсуждается [Lawrence et al., 2008; Weiss and Tikoo, 2014].
Несмотря на интенсивное развитие космических исследований, внеземное вещество – метеориты и лунный грунт, доставленный на землю советскими автоматическими станциями “Луна-16”, “Луна-20” и “Луна-24” и американскими пилотируемыми экспедициями Аполлон – было и остается единственным источником информации о (палео)магнитных полях на разных
этапах протопланет ной и ранней планетной истории С олнечной систе мы, благодаря входящим в его состав ферримагнитным зернам, обладающим свойством магнитной памяти, то есть, способностью “запоминать” направление и величину намагничивающего поля в момент образования породы, либо в момент ее перемагничивания в результате ря да физических процессов, рассмотренных ниже. Следует отметить, что невозможность восстановления изначальной ориентации образцов внеземного вещества приводит к потере информации о направлении палеомагнитного поля родительских тел метеоритов и лунных образцов.
Как известно, внеземное вещество в космическом пространстве подвергается воздействию двух физических процессов: ударов и облучений . Ударные (шоковые) воздействия в виде метеоритной бомбардировки поверхности твердых тел Солнечной системы видны на сильно кратеризованых поверхностях Луны, планет земной группы и астероидов. Существует три основных тип а облучений в С олнечной системе: большие потоки низкоэнергетичных частиц солнечного ветра (далее SW), меньшие потоки высокоэнергетичных галактических космических лучей (далее GCR) и периодические интенсивные потоки частиц солнечных вспышек (далее SEP) с типичными энергиями порядка 1 кэВ , 1 ГэВ и 1 МэВ, соответственно. Влиянием SW можно пренебречь ввиду небольшой проникающей способности в вещество (~нм). Космические лучи состоят в основном из протонов (p) и ядер гелия (He) с типичными отношениями He/p ~ 0.1 и ~ 0.02 для GCR и SEP, соответственно, и характеризуются более глубокой проникающей способностью: от ~мкм до ~мм для SEP и от ~см до ~м для GCR.
Понимание воздействия вышеперечисленных физических процессов , имеющих место в С олнечной системе, на магнитные свойства внеземного вещества является ключевым для правильной интерпретации палеомагнитного сигнала и других магнитных свойств метеоритов и лунного грунта, а также понимания и корректной интерпретации природы наблюдаемых магнитных аномалий твердых тел Солнечной системы.
Как упоминалось выше, метеоритная бомбардировка является неотъемлемой частью процессов формирования и изменения поверхности твердых тел С олнечной системы. Механические у дарные воздействия порождают дополнительно и ударно-индуцированное тепловое воздействие, и, помимо прочего, могут изменять агрегатное состояние вещества в процессе частичного или полного плавления и последующей рекристаллизации, а также приводить к химическим реакциям и фазовым превращениям в веществе. Несмотря на бесспорную актуальность заявленной проблемы и значительное
количество работ , посвященных влиянию лабораторно-индуцированных ударных воздействий на магнетизм горных пород , в ходе которых были зарегистрированы такие эффекты как намагничивание и размагничивание [Pohl et al., 1975; Cisowski and Fuller, 1983; Gattacceca et al., 2008; и др. ], а также изменение магнитной жесткости ударно-метаморфизированного вещества [Cisowski and Fuller, 1983; Louzada et al., 2010; Mang et al., 2013; и др.], остаются без ответа вопросы о магнитном поведении непосредственно лунных и марсианских коровых образцов при прохождении ударной волны , а также некоторые детали формирования лунных агглютинатов, составляющих до 16% мелкодисперсной фракции лунного грунта [Korotev et al., 2010]. Помимо прочего, широко используемые плоско-волновые эксперименты [Cisowski and Fuller, 1983; Louzada et al., 2010; Mang et al., 2013; и др.] дают лишь дискретный набор пиковых давлений (P) и ударно-индуцированных температур (T), причем только на подобных образцах, и не позволяют изучать ударно-индуцированные эффекты во всем континууме P-T и при этом во всем спектре ударно-индуцированных превращений в веществе вплоть до его полного плавления.
В отличие от вопросов ударного метаморфизма, и н есмотря на
фундаментальную значимость изменения магнитных свойств твердого тела под
воздействием облучений в целом и космической радиации в частности, эта
проблема до сих пор оставал ась малоизученной. Было рассмотрено
радиационное воздействие на магнетизм при -облучении [Бродская, 1968] и
нейтронной бомбардировке [Butler & Cox 1971, 1974; Nel et al., 1964]. Однако,
известно, что -облучение не является характерным для космической радиации
(SEP и GCR), а вторичные нейтроны мало влияют на метеориты ввиду малого
эффективного поперечного сечения ядерной реакции – источника вторичных
нейтронов [Eugster et al., 2006]. Лишь в работе [Rowe, 1978], составляющей
всего две страницы, использовалась п ротонная бомбардировка с целью
экспериментальной проверки гипотезы об образовании радиационно -
индуцированной остаточной намагниченности (RIRM) при облучении; гипотеза не подтвердилась. Таким образом, до сих пор не были проведены эксперименты по моделированию SEP и GCR в лабораторных условиях с целью последующей оценки воздействия SEP и GCR на магнитные свойства внеземного вещества.
Как будет показано дальше в настоящей работе (см. ниже), о ба вышеописанных физических процесса могут потенциально приводить к самообращению намагниченности ферримагнетиков – магнитообразующей фракции всех горных пород и внеземного вещества. Самообращение намагниченности является альтернативным инверсиям ГМП механизмом
образования обратной намагниченности горных пород, но до сих п ор рассматривалось как довольно редкое явление . Однако, с овременные палеомагнитные исследования показали, что коллекции – например, коллекция долеритов долины р. Нижняя Тунгуска - могут содержать до 50% образцов со свойствами самообращения [Щербаков и др., 2015]1, что делает изучение процессов и физического механизма самообращения намагниченности горных пород крайне актуальным, ввиду того, что без учета процессов самообращения такая обратная намагниченность может ошибочно интерпретироваться как свидетельство инверсии ГМП и способствовать включению “ложных” инверсий ГМП в мировую магнитохронологическую шкалу инверсий. Несмотря на то, что самообращение намагниченности горных пород и физические механизмы самообращения широко обсуждаются в научной литературе, теоретической модели самообращения, основанной на ясно понимаемом физическом механизме самообращения, нет. Поэтому следующим шагом на пути к пониманию физики явления самообращения на магниченности является создание теоретической модели явления самообращения н амагниченности, основанной на ясном понимаемом физическом механизме самообращения, и исследование процессов самообращения наманиченности методом численного моделирования, а также выявление возможной связи явления самообращения намагниченности с ударными воздействиями и облучениями.
Цель работы. Настоящая работа имеет несколько целей: - выявить наличие, оценить и классифицировать закономерности изменений магнитных свойств внеземного вещества при ударных воздействиях и облучениях SEP и GCR в космическом пространстве через постановку ряда экспериментов в лабораторных условиях, а именно:
исследование поведения остаточной намагниченности широкого спектра образцов с наиболее распространенными во внеземном веществе и горных породах доминирующими магнитными минералами при воздействии точно калибруемых гидростатических давлений в расширенном диапазоне до 2 ГПа.
исследование зависимости магнитных свойств лунного и марсианского корового материала от ударных механических воздействий и воздействия статических давлений.
исследование всего спектра эффектов ударного метаморфизма - от чисто механических ударных воздействий: P10 ГПа, до сверхвысоких P-T: P100
1 В работе зарегистрировано частичное самообращение намагниченности: в образцах была обнаружена антиподальная компонента естественной остаточной намагниченности NRM, образовавшаяся в результате процессов частичного самообращения намагниченности и не отражающая направление ГМП в момент формирования горной породы.
ГПа, T1200С и последующего полного плавления вещества - на магнитные свойства метеоритов и аналогов, используя новую, с точки зрения изучения магнетизма, технику сферических взрывных экспериментов, позволяющую при проведении одного ударно-взрывного эксперимента на сфере получить подвыборку образцов вдоль радиуса сферы с разной степенью ударного метаморфизма.
- облучение метеоритов и аналогов протонами и тяжелыми ионами с
энергиями, приближающимися к энергиями SEP и GCR и исследование
изменений магнитных свойств образцов в связи с радиационными
повреждениями, в частности - исследование возможности образования
радиационно-индуцированной остаточной намагниченности RIRM.
- построить теоретическую модель явления самообращения намагниченности
горных пород и на ее основе детально исследовать процессы самообращения
намагниченности в широком диапазоне значений магнитных параметров и
исследовать возможность ударно-индуцированного и радиационно-
индуцированного самообращения намагниченности. Провести анализ результатов численного моделирования и данных физического эксперимента.
Объекты исследований: магнитные свойства внеземного вещества, процессы самообращения намагниченности ферримагнетиков горных пород, изменение магнитных свойств внеземного вещества и земных аналогов при воздействии корпускулярных облучений, температуры, ударных механических воздействий и статических давлений. Образцы внеземного вещества для исследований были получены из национальной коллекции лунного грунта и коллекции метеоритов РАН, хранящихся в ГЕОХИ РАН, а также французской национальной коллекции метеоритов Парижского Музея Естественной Истории (Museum National d’Histoire Naturelle) и NASA (США).
Методы исследований: физический эксперимент, построение теоретических моделей, численное моделирование. Эксперименты проводились в ряде крупных зарубежных и всероссийских научных центров, включая, лабораторию CEREGE/ Университет Экс-Марсель (г. Экс-ан-Прованс, Франция), Институт магнетизма горных пород Университета штата Миннесоты (Institute for Rock Magnetism, University of Minnesota, г. Миннеаполис, США), Университет Кочи (Center for Advanced Marine Core Research, Kochi University, г. Нанкоку, Япония), Университет Беркли (США), лаборатория горения и взрыва У ниверситета Пуатье (Laboratoire de Combustion et de Dtonique, ENSMA/ Universit de Poitiers, г. Пуатье, Франция), лаборатория облуче ния твердых тел Политехнической Школы (Laboratoire des Solides Irradis, Ecole Polytechnique/ CEA/CNRS, г. Палезо, Франция), Центр ядерной спектрометрии и
масс-спектрометрии (Centre de Spectromtrie Nuclaire et de Spectromtrie de Masse, г. Орсэ, Франция), Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского при использовании экспериментального оборудования лаборатории геомагнетизма кафедры физики Земли физического факультета МГУ, НИЛ палеомагнетизма и магнетизма горных пород Казанского Федерального Университета, Институт Механики МГУ, Институт Ядерных Исследований РАН (г. Москва, г. Троицк), Институт Физики Высоких Давлений РАН (г. Москва, г. Троицк).
Научная новизна работы заключается в следующем:
На обширном материале образцов метеоритов и аналогов и сследована
остаточная намагниченность при воздействии сверхвысоких гидростатических
давлений до 2 ГПа с использованием компактных немагнитных композитных
камер высокого гидростатического давления, позволяющих проводить
измерения крупных образцов под давлением, и исследована остаточная
намагниченность широкого ряда образцов при воздействии гидростатических
давлений до 2 ГПа. Исследовано поведение остаточной намагниченности
марсианского и лунного корового материала при воздействии гидростатических
давлений до 1.2 ГПа (марсианские метеориты) и 1.8 ГПа (лунный грунт, лунные
метеориты) и ударных воздействий (лунный грунт, лунные метеориты) и
количественно оценена потенциальная восприимчивость лунного грунта к
намагничиванию в результате ударов. Проведено изучение ударно-
индуцированных изменений магнитных свойств метеоритов и аналогов в серии сферических ударно-взрывных экспериментов. В условиях проведения механических ударных экспериментов при одновременном воздействии динамических давлений и ударно -индуцированных температур предложен и реализован метод разделения этих эффектов на магнитные свойства ударно -метаморфизированного вещества. Обнаружен и зарегистрирован новый вид остаточной намагниченности при облучении – радиационно-индуцированная остаточная намагниченность RIRM, а также исследовано влияние облучений протонами, ионами аргона и ионами свинца на другие магнитные свойства образцов. Построена теоретическая модель явления самообращения намагниченности для групп ансамблей ферримагнитных зёрен ; в рамках построенной модели методом численного моделирования проведено детальное исследование процессов самообращения намагниченности однофазных и многофазных ферримагнитных систем с учетом и без учета диффузии магнитных ионов между подрешетками двухподрешеточного ферримагнетика в широком диапазоне внутренних магнитных параметров - таких как константы молекулярного поля и др., характеризующих модельный образец горной породы
и внешних магнитных параметров - таких как величины напряжённостей
постоянных магнитных полей, действующих на модельный образец. Проведен
анализ соответствия результатов численного моделирования
экспериментальным данным. Обоснована возможность существования ударно-
индуцированного и радиационно-индуцированного самообращения
намагниченности ферри-магнетиков, которое определяется диффузией
магнитных ионов между подрешетками ферримагнетика; такой эффект может
иметь место во внеземном веществе в космическом пространстве и в метеоритах
и их аналогах - горных породах при проведении соответствующих ударных и
радиационных экспериментов в лаборатории.
Научная и практическая ценность работы
Представленные в диссертации результаты могут быть использованы для
оценки совокуп ного влияния ударных воздействий разной интенсивности и
космической радиации на палеомагнитный сигнал и магнитные свойства
внеземного вещества, включающего в себя наиболее типичные магнитные
минералы. Результаты позволяют оценить максимально возможную шоковую
остаточную намагниченность SRM2 лунного грунта по значению
изотермической остаточной намагниченности насыщения SIRM3 при прохождении ударной волны с пиковыми давлениями <10 ГПа. Показано, что сферические ударные эксперименты являются новой эффективной технологией для изучения зависимости магнитных свойств от степени ударного метаморфизма образцов во всем непрерывном диапазоне пиковых давлений и температур включая сверхвысокий диапазон: P100 ГПа, T1200C. Разработанное для реализации настоящей работы новое физическое оборудование – компактные немагнитные композитные камеры высокого гидростатического да вления - могут далее эффективно использоваться для любых прикладных геофизических задач, в которых необходимо намагничивать или размагничивать образцы и проводить измерения in situ при непосредственном воздействии гидростатических давлений до 1.2 ГПа и 2 ГПа. Работа также з аложила основу для дальнейшего развития такого направления, как влияние радиационно-индуцированных повреждений на магнетизм внеземного вещества. Представленная в диссертации теоретическая модель явления самообращения намагниченности ферримагнетиков, представляющих собой основную магнитообразующую фракцию метеоритов и горных пород, расширяет возможности физического эксперимента и позволяет детально
SRM - от англ. “Shock Remanent Magnetization”.
SIRM - от англ. “Saturation Isothermal Remanent Magnetization”.
исследовать самообращение намагниченности однофазных и многофазных
ферримагнитных систем без учета взаимодействия фаз во всём диапазоне
констант молекулярного поля, значений напряжённости намагничивающего поля
и других магнитных параметров, без необходимости синтезировать или искать в
природе соответствующие образцы. Построенная модель является универсально
применимой для расчетов поведения намагниченности групп ансамблей
одинаковых или разных ферримагнитных зерен не только N-типа, но и P, Q и
других типов ферримагнитных зерен по Неелю в том числе без эффекта
самообращения намагниченности. Модель также позволяет проверять
возможность ударно-индуцированного и радиационно-индуцированного
самообращения намагниченности для разных законов радиационно-
индуцированной диффузии или рекомбинации магнитных ионов между подрешетками двухподрешеточного ферримагнетика.
Защищаемые положения
1. Обнаружено, что приложение гидростатических давлений до 1.2 ГПа при комнатной температуре в окружающем магнитном поле , близком к нулевому значению (напряженностью <5 мкТл), к материалу марсианской коры приводит к необратимому размагничиванию изотермической остаточной намагниченности насыщения SIRM образцов марсианских метеоритов на 623%. С большой вероятностью этот эффект является причиной перемагничивания марсианской поверхности, и , как следствие, марсианских метеоритов в результате метеоритной бомбардировки, и позволяет сделать вывод о незначительном размагничивании in situ глубоко залегающих пород в коре Марса, составляющем 515%.
2. Показано на обширной выборке метеоритов и аналогов, что приложение гидростатических давлений в расширенном диапазоне P [1.2; 2.0] ГПа при комнатной температуре в окружающем магнитном поле, близком к нулевому значению (напряженностью <5 мкТл), приводит к необратимому размагничиванию SIRM образцов до 84% в зависимости от ти па магнитного минерала (ММ) и магнитной жесткости образца. После декомпрессии в зависимости от ММ наблюдается три типа поведения остаточной намагниченности: отсутствие изменений, дальнейшее уменьшение на до 7% от SIRM или восстановление на до 19% от SIRM.
3. Установлено, что лунные морские базальты приобретают шоковую остаточную намагниченность SRM при прохождении низкоинтенсивной ударной волны с пиковыми давлениями P [0.1; 5] ГПа в магнитном поле напряженностью B [200; 400] мкТл. Интенсивность SRM прямо
пропорциональна B и P. Таким образом, наблюдаемые коровые магнитные аномалии Луны с большой вероятностью образовались в результате метеоритной бомбардировки лунной поверхности.
4. Предложен и реализован новый экспериментальный метод разделения влияния ударно-индуцированного нагрева и динамических давлений ударной волны на магнитные свойства метеоритов и аналогов при их одновременном воздействии, что является важным в процессах проведения механических ударных экспериментов на метеоритах и аналогах.
5. Обнаружен и экспериментально зарегистрирован новый тип остаточной
намагниченности – радиационно-индуцированная остаточная намагниченность
RIRM, образовавшаяся в результате протонной бомбардировки метеоритов и
аналогов в магнитном поле. Интенсивность RIRM составляет 312% от SIRM.
6. Построена теоретическая модель явления самообращения
намагниченности ферримагнетиков как магнитообразующей фракции
метеоритов и горных пород, позволяющая проводить расчеты для однофазных и
многофазных ферримагнитных систем как при отсутствии, так и с учетом
диффузии магнитных ионов между подрешетками двухподрешеточного
ферримагнетика. Обосновано, что термодиффузия магнитных ионов между
ферримагнитными подрешетками может стать причиной как ударно-
индуцированного, так и радиационно-индуцированного самообращения
намагниченности ферримагнетиков горных пород и внеземного вещества.
Апробация работы
Материалы диссертации докладывались на тридцати двух всероссийских и международных конференциях, среди которых Americal Geophysical Union Fall Meeting 2006, 2008, 2009, 2013, 2014, 2015 в Сан Франциско (США), European Geosciences Union General Assembly 2007, 2008, 2009 в Вене (Австрия), Annual Meeting of the Meteoritical Society 2008, 2009, 2013, 2014, 2015 в Матсуе (Япония), Нанси (Франция), Эдмонтоне (Канада), Касабланке (Морокко) и Беркли (США), соответственно, Lunar and Planetary Science Conference 2011 в Ньюстоне (США), American Geophysical Union Meeting of the Americas 2013 в Канкуне (Мексика), Ломоносовские Чтения-Секция Физики 2005, 2007, 2013, 2014, Международная и Всероссийская школа-семинары по проблемам палеомагнетизма и магнетизма горных пород 2013 в Казани и 2015 в Борке, соответственно.
Публикации
Основные результаты диссертации изложены в 59 опубликованных работах, список которых приводится в конце настоящего автореферата. Список включает 18 статей, 11 из которых опубликованы в журналах из списка Топ -
25% по импакт-фактору по версии Thomson Reuters, в том числе: Успехи Физических Наук, Geophysical Research Letters, Earth and Planetary Science Letters, Physics of the Earth and Planetary Interiors, Meteoritics & Planetary Science.
Структура и объём диссертации
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка цитируемой литературы, включающего 466 наименований . Общий о бъём работы составляет 322 страницы, включая 96 рисунков и 28 таблиц.
Благодарности
Хочу выразить свою искреннюю благодарность проф. В .И. Трухину, проф. P. Rochette (CEREGE, Франция), J. Gattacceca (CEREGE, Франция), проф. Ю.П. Пытьеву, проф. А.В. Ведяеву, доц. Т.В. Матвеевой, В.В. Шишакову, доц. Д.А. Чарееву (ИЭМ РАН), Д.Д. Бадюкову (ГЕОХИ РАН), Р.А. Садыкову (ИЯИ РАН), M. Kars (Kochi University, Япония), М.А. Назарову (ГЕОХИ РАН), А.Я. Скрипник (ГЕОХИ РАН), J.M. Feinberg (IRM, США), Е. Хахаловой (IRM, США), N.L. Swanson-Hysell (Беркли, США), S.M. Tikoo (Rutgers University, США), M. Boustie (LCD ENSMA, Франция), L. Berthe (PIMM ENSAM, Франция), J. Duprat (CSNSM, Orsay Campus, Франция), G. Rizza (LSI Ecole Polytechnique/ CEA/ CNRS, Франция), P. Vernazza (Астрофизическая лаборатория г . Марсель, Франция), S.K. Banerjee (IRM, США), M. Fuller (Гавайский Университет, США), M. Jackson (IRM, США), В.М. Сердюк, Т .А. Версан, проф. Г.И. Петрунину, Р.В. Веселовскому (геологический факультет
МГУ, ИФЗ РАН), а также кол лективам кафедры физики Земли и кафедры компьютерных методов физики физического факультета МГУ, коллективу научной группы по геофизике и планетологии лаборатории CEREGE, коллективу Института магнетизма горных пород (IRM, США).
Магнетизм фрагментов Челябинского метеоритного дождя из коллекции внеземного вещества ГЕОХИ РАН
Контекст настоящей работы представлен во Введении к диссертации. Спецкурс «Земля в Солнечной системе» для студентов кафедры физики Земли физического факультета МГУ представляет одну из попыток показать важность рассмотрения нашей планеты не отдельно, а именно в контексте солнечной системы. Одним из видов постоянного взаимодействия Земли с солнечной системой является поток внеземного вещества на Землю, который по разным оценкам составляет 20-40 тыс. тонн в год [Hughes, 1980, 1981; Halliday et al., 1989].
Несмотря на интенсивное развитие космических исследований, внеземное вещество было и остается единственным источником информации о магнетизме ранней солнечной системы благодаря входящим в его состав ферримагнитным зернам, которые обладают свойством магнитной памяти. Магнитная память горных пород и внеземного вещества - это способность «запоминать» направление и величину магнитного поля родительского тела в момент образования породы и/или, в случае внеземного вещества, величину магнитного поля при метеоритной бомбардировке родительского тела, в результате ударного воздействия которой вещество может перемагничиваться.
Магнитные свойства метеоритов изучаются с 1928 года. Именно тогда советский академик Ф.Ю. Левинсон-Лессинг опубликовал свою работу «О магнетизме некоторых каменных метеоритов» [Левинсон-Лессинг, 1928], которая по сути является первой в мире исторической работой по магнетизму внеземного вещества. Значительный вклад в данное направление исследований внес отечественный ученый-магнитолог Е.Г. Гуськова. Елена Григорьевна провела широкое экспериментальное исследование магнитных свойств метеоритов, опубликованное в ряде статей (например, [Гуськова, 1969, 1976-1977, 1980, 1984-1985, 1988-1988]), диссертации на соискание степени доктора физико-математических наук на тему “Магнетизм метеоритов и его связь с условиями формирования и развития метеорного вещества” [Гуськова, 1979] и монографии “Магнитные свойства метеоритов” [Гуськова, 1972].
Количество метеоритов каждый год растет. Например, с 1999 до 2015 г. о но увеличилось в три раза (подробнее см. раздел 1.1.3). Среди выпавших метеоритов есть новые и уникальные, в связи с чем изучение магнитных свойства метеоритов всегда остается актуальным и дает возможность пролить больше света на процессы, происходившие в ранней солнечной системе. С 2000г. снова проявился интерес мировой научной общественности к магнетизму метеоритов, и под руководством французского проф. P. Rochette (Университет Экс-Марсель, г. Экс-ан-Прованс, Франция) была предпринята попытка разработать единую стандартизованную международную базу данных по магнитным свойствам метеоритов. Магнитная восприимчивость 0, определяемая как отношение намагниченности к напряженности намагничивающего поля, была выбрана как наиболее универсальная базовая магнитная характеристика вещества из-за ряда причин. А именно: измерения 0 являются быстрыми (несколько секунд), неразрушающими и не требуют нагрева (проводятся при комнатной температуре). Приборы для измерения 0 – каппометры – распространены повсеместно, причем существуют и их портативные версии, позволяющие проводить измерения в полевых условиях. На сегодняшний день при к лассификации метеоритов и их последующей регистрации в междунарожной базе данных (см. ниже), наряду с другой информацией, приводят и значения 0 (как опция).
В настоящее время единая международная база данных п о магнитной восприимчивости внеземного вещества включается тысячи образцов из всех самых известных коллекций внеземного вещества в мире. Автор принимала участие в развитии базы данных посредством изучения коллекции Лунного грунта, метеоритов и тектитов ГЕОХИ РАН и коллекции метеоритов Горного Музея г. Санкт-Петербург. В 2015 году база данных была значительно расширена и включила тектиты и импактные стекла (см. ниже, систематическое изучение магнетизма тектитов и импактных стекол представлено в работе автора [Rochette et al., 2015]). Следует отметить, что, ввиду большого накопленного объема статистики, сама база данных теперь служит в качестве эффективного инструмента для выявления ошибок классификации метеоритов в международных метеоритных коллекциях мира (см. работу автора [Rochette et al., 2009]). Весь объем данных по магнитной восприимчивости метеоритов, Лунного грунта, тектитов и импактных стекол опубликован в работах [Rochette et al., 2003, 2008, 2009, 2010, 2015].
Изучению разных аспектов внеземного вещества посвящено много книг: от вводных пособий [Zanda and Rotaru, 2001; Smith et al., 2011 и др.] до подробных монографий [Додд, 1986; Kerridge and Mathews, 1988; Davis, 2005; Lauretta and McSween, 2006 и др.]. В 1.2 автор кратко приводит некоторые общеизвестные сведения по этому вопросу для общего представления контекста работы и облегчения понимания разных ее частей и специфической терминологии. Во избежание путаницы в терминологии, приведем несколько определений. В литературе иногда разделяют импактные или ударно-взрывные кратеры внеземного происхождения4 (астроблемы5) и метеоритные кратеры. Согласно [Масайтис и др., 1980] метеоритные кратеры (в узком смысле этого термина) всегда содержат фрагменты метеоритов. Однако, по статистике это – редкость и возможно только для очень небольших кратеров. На сегодняшний день Аризонский кратер (США) диаметром 1.2 км – это самый большой метеоритный кратер, в котором найдено вещество ударника. В случаях кратеров большего размера (что встречается гораздо чаще) импактор (ударник) полностью расплавился и испарился. В настоящей работе автор использует термин метеоритный кратер для обозначения импактных структур любого размера (вне зависимости от обнаружения в нем метеоритного вещества импактора или отсутствия такового).
Остаточная намагниченности метеоритов и аналогов при воздействии гидростатических давлений
Высокоскоростные коллизии между твердыми телами солнечной системы, то есть, импакты со сверхзвуковыми скоростями являются одним из главных механизмов эволюции твердого вещества солнечной системы. Ударные волны, сгенерированные во время импактных событий могут поменять внутренние магнитные cвойства [Gattacceca et al., 2007a; Louzada et al., 2007; Nishioka et al., 2007; Gilder and Le Goff, 2008] и остаточную намагниченность горных пород [Pohl et al., 1975; Kletetschka et al., 2004; Gattacceca et al., 2006, 2008; Louzada et al., 2007]. Поэтому магнитные записи твердых тел солнечной системы, в разной степени подвергавшихся ударным воздействиям, могли быть стерты или переписаны в результате импактных событий. Понимание процессов и физических механизмов импактного размагничивания и перемагничивания внеземного вещества является ключевым для интерпретации наблюдаемых коровых магнитных аномалий Марса [Hood et al., 2003, 2010], Луны [Cisowski et al., 1976; Halekas et al., 2002], меньших твердых тел солнечной системы, таких как астероиды [Chen et al., 1995], а также палеомагнитных записей метеоритов и внеземного вещества, доставленного на землю в результате роботических и пилотируемых космических экспедиций. Что касается Земли, ударно-индуцированные изменения в петромагнитных свойствах и остаточной намагниченности следует принимать во внимание при изучении магнетизма земных ударно-взрывных кратеров [Halls, 1979; Pesonen et al., 1992; Pilkington and Grieve, 1992; Louzada et al., 2008].
В литературе приводятся результаты экспериментальных работ по исследованию ударно-индуцированного размагничивания (перемагничивания) горных пород и минералов в диапазоне пиковых давлений ударной волны о 1 до 30 ГПа. Для лабораторной генерации ударных волн использовались разные техники: пневманические или газовые пушки, метающие алюминиевые или медные снаряды [Hornemann et al., 1975; Pohl et al., 1975; Martelli and Newton, 1977; Cisowski and Fuller, 1978; Srnka et al., 1979; Dickinson and Wasilewski, 2000; Louzada et al., 2007]; взрывчатое вещество и ядерные заряды [Hargraves and Perkins, 1969; Pesonen et al., 1997; Gattacceca et al., 2007a]; свободно падающая масса [Kletetschka et al., 2004] и импульсный лазер [Gattacceca et al., 2006, 2008]. Основные сложности при проведении дарных экспериментов: калибровка динамических давлений ударной волны, возможное механическое повреждение исследуемых образцов и расшифровка эффектов девиаторных напряжений по отношению к гидростатическим. В самом деле, известно, что остаточная намагниченность образцов более восприимчива к воздействию негидростатических (девиаторных) напряжений, чем к воздействию всестороннего сжатия [Nagata, 1966; Martin and Noel, 1988]. Более того, ударные воздействия могут необратимо изменить внутренние магнитные свойства вещества (например, коэрцитивную силу [Gattacceca et al., 2007a], таким образом усложняя интерпретацию.
В случае метеоритов, учитывая относительную редкость и уникальность внеземного вещества, для большинства из них проведение ударных экспериментов исключено, так как эксперименты могут быть деструктивными и потребовать достаточно большой объем образцов. При проведении ударных механических экспериментов следует учитывать большое количество параметров: пиковые давления ударной волны и длительность импульса нагрузки, внешнее магнитное поле, присутствующее при ударном событии, доминирующие магнитные минералы образцов, пре-шоковая остаточная намагниченность, температура. Такое большое количество параметров, некоторые из которых сложно контролировать, усложняет понимание влияния ударных воздействий на остаточную намагниченность.
Эксперименты по воздействию статических давлений хорошо подходят для решения этих проблем. В случае статических давлений на примере гидростатики такие эксперименты позволяют точно откалибровать давления и являются неразрушающими для образцов. Однако, в случае измерений остаточной намагниченности под давлением, такие эксперименты до недавнего времени ограничивались достаточно низким диапазоном давлений ( 0.1 ГПа, например, [Pozzi, 1973]). Были проведены эксперименты, в которых на образцах создавалось давление до 2 ГПа, а остаточная намагниченность измерялась уже после декомпрессии [Pearce and Karson, 1981]. Позднее в работе [Rochette et al., 2003] образец пирротина сжимался до 3 ГПа в прессе типа поршень-цилиндр, а изотермическая остаточная намагниченность измерялась после декомпрессии. Было обнаружено, что пирротин испытывает индуцированный давлением магнитный фазовый переход при давлении порядка 2.8 ГПа, при котором остаточная намагниченность полностью обнуляется. Использованная экспериментальная схема имеет ряд недостатков: требуется новый образец и несколько дней экспериментов на каждый шаг по давлению. Более того, ввиду использования в таких экспериментах твердую среду, передающую давление, на образец действуют некоторые девиаторные напряжения.
В работе [Gilder et al., 2006] проведены измерения изотермической остаточной намагниченности (IRM) чистого однодоменного (SD) и многодоменного (MD) магнетита при квазигидростатическом сжатии до 4.2 ГПа при использовании камеры давления типа алмазная наковальня с лункой в магнитном поле Земли. При этом наблюдался эффект размагничивания давлением. В работе [Gilder and Le Goff, 2008] проведены эксперименты по воздействию квазигидростатических давлений до 6 ГПа при использовании карборундовой камеры давления типа наковальня с лункой на природный и синтезированный MD титаномагнетиты с разным содержанием титана, но фокусом этой работы стало влияние давления на образование IRM. Все вышеперечисленные эксперименты могут проводиться только при использовании чистых сильно магнитных ферримагнитных минералов ввиду очень малого размера образца (например, 400 мкм диаметром и 100 мкм высотой), и не могут быть проведены на образцах горных пород без соответствующей сепарации ферримагнитной фракции.
Эксперименты по размагничиванию статическим давлением имеют важные приложения в физике твердого тела и геофизике, в частности, во внеземном палеомагнетизме и при интерпретации наблюдаемые коровых магнитных аномалий твердых тел солнечной системы. Помимо прочего, глубинные коровые породы испытывают влияние литостатических давлений и/или, в случае океанических пород, толщи воды (например, -0.06 ГПа на 5 км воды и 350 км осадков), ввиду чего лабораторные исследования влияния давлений на остаточную намагниченность горных пород может быть полезным для понимания и интерпретации глубоко залегающих горных пород и коровых магнитных аномалий. Однако, одновременно с давлениями, коровых породы также испытывают воздействие высоких температур, что усложняет общую картину. При давлениях 1.52 ГПа, соответствующих толщине коры 50-70 км, титаномагнетиты больше не кристаллизуются [Валеев, 1984]: это верхний предел релевантных давлений.
Несмотря на предыдущие работы, влияние гидростатических давление на остаточную намагниченность до сих пор оставалось малоизученным для природных объектов (не подвергнутых магнитной сепарации) – горных пород и внеземного вещества – в д иапазоне давлений порядка 1 ГПа и выше. В настоящей работе проведено всестороннее исследование влияния гидростатических давлений до 1.2 ГПа и 2 ГПа на остаточную намагниченность при использовании нового физического оборудования – компактных немагнитных композитных камер высокого гидростатического давления, специально разработанных для проведения исследований настоящей работы и подробно описанных в 2.2, на обширного материале метеоритов и аналогов (более 60 образцов) с наиболее типичными ферримагнитными минералами.
После описания камер давления в 2.2, в 2.3 приводятся результаты по исследованию остаточной намагниченности марсианских метеоритов при воздействии гидростатических давлений до 1.2 ГПа. В 2.4 и 2.5 приводятся результаты исследований остаточной намагниченности широкой подвыборки метеоритов и аналогов до 1.2 ГПа и специально отобранных обыкновенных хондритов с широким спектром значений магнитной жесткости до 1.8 ГПа. В 2.6 рассмотрены магнитные свойства модельного образца синтезированного пирротина и приведены результаты размагничивания давлением до 2 ГПа, а в 2.7 рассмотрено воздействие гидростатических давлений на точку Морина гематита
Эффективность образования шоковой остаточной намагниченности лунных пород и приложение результатов к лунному палеомагнетизму
Несмотря на сходные магнитные минералы лунных образцов (за исключением образца 14053), образцы характеризуются коэрцитивными спектрами медианного поля разрушения MDF [4; 55] мТл (рис. 3.3а). Первоначательные магнитные свойства этих пород могли был изменены в результате сильных ударных воздействий ( 5 ГПа) на лунной поверхности [Gattacceca et al., 2007; Gilder and Le Goff, 2008; Louzada et al., 2010]. Однако, поскольку шоковая остаточная намагниченность образуется после сбрасывания давлений, значимыми магнитными свойствами являются пост-шоковые свойства (те, которые измеряются сегодня), а не первоначальные магнитные свойства. Магнитные минералы образца 14053 были детально изучены ранее [Nagata et al., 1972; Collinson et al., 1972]. Термомагнитные анализы, проведенные на этом образце демонстрируют доминирующее металлическое железо с температурой Кюри 765С [Nagata et al., 1972; Collinson et al., 1972]. Однако, температуры деблокирования NRM образца 14053 лежат в основном в диапазоне ниже 300С [Dunn and Fuller, 1972; Collinson et al., 1972], что нельзя отнести к механизму образования парциальной TRM, который выявляется значительной разницей между ходом терморазмагничивания NRM и TRM [Collinson et al., 1972]. Это заставило авторов работы [Rochette et al., 2010] предположить, что образец содержит когенит [(Fe,Ni)3C] или шрейберзит [(Fe, Ni)3P]. В настоящей работе было проведено терморазмагничивание намагниченности насыщения SIRM образца 14053 (Рис. 3.1в). Спектр температур деброкирования лежит в диапазоне 215-230С, с только 20% от первоначальной SIRM при 280С. Это указывает на то, что остаточная намагниченность в самом деле может доминироваться чисто стехиометрическим когенитом с температурой Кюри 215С. В работе [Collinson et al., 1972] не наблюдается сигнала от когенита на температурной зависимости намагниченности насыщения Ms. Принимая во внимание относительные значения M s для камасита (220 Ам /кг) и когенита (140 Ам /кг), такое отсутствие означает максильманое отношение когенит : камасит около 3%. А принимая во внимание очень низкое значение отношения Mrs/Ms для камасита в лунных морских базальтах (обычно 0.005, см. [Rochette et al., 2010]), 3% более магнито жесткого когенита cо значением Mrs/Ms в несколько 0.1 было бы достаточно для объяснения тренда при терморазмагничивании остаточной намагниченности.
До проведения ударных экспериментов, идеальная намагниченность ARM, образованная при одновременном приложении переменного магнитного поля 170 мТл и постоянного магнитного поля 300 мкТл, была размагничена переменным магнитным поле как лабораторный аналог TRM (рис. 3.3б). ARM также создавалась и размагничивалась переменным магнитным полем после проведения ударных экспериментов: пред- и постударные измерения неотличимы между собой, что указывает на отсутствие изменений в коэрцитивном спектре образцов после использовании в настоящей работе давлений 2 ГПа, что и ожидается для пиковых давлений ниже 3-5 ГПа [Gattacceca et al., 2007; Louzada et al., 2010].
Данные по размагничиванию NRM переменным магнитным полем и средние направления, полученные при использовании метода анализа [Kirschvink, 1980] представлены на рис. 3.3а-г. Данные были получены на тех же лунных образцах, которые были использованы в ударных и статических экспериментах. О бразец 14053 имеет практически однонаправленную намагниченность, приходяющую в начало координат, и очень стабильное направление (максимальное угловое отклонение MAD составляет 3.9), которое можно выделить между 5 и 25 мТл. образцов; (б) нормированной ARM всех изученных образцов. (в) Терморазмагничивание образца 14053: SIRM (настоящая работа), PRM (при 0.9 и 1.8 ГПа) (настоящая работа), IRM, образованная в слабых полях [Collinson et al., 1972], NRM [Dunn et Fuller, 1972]. В образце 70215 выявлено две компоненты намагниченности, изолированные между 2 и 7 МТл (MAD=4.5) и между 7 и 25 мТл (MAD=12), соответственно. Образец морского базальта 15555 характеризуется слабой магнитомягкой остаточной намагниченностью, из которой невозможно выделить какую-либо стабильную компоненту. Образец 15556 характеризуется низкокоэрцитивной компонентой ниже 5 мТл и слабо выделяемой компонентой намагниченности (MAD=18.3) между 5 и 20 мТл. Для этих трех образцов, высококоэрцитивная компонента отклоняется от начала координат менее, чем само отклонение этих компонент, численно выраженное MAD, что хорошо совместимо с обращением этих компонент в сторону начала координат. Данные по размагничиванию переменным полем NRM двух лунных метеоритов здесь не обсуждаются из-за возможных эффектов земного выветривания и вероятного перемагничивания этих метеоритов при использовании сильных магнитов, которые «охотники за метеоритами» типично используют для выявления метеоритов при поисках и сборе вещества. NRM образцов 14053 и 70215, также кривые термо размагничивания и размагничивания остаточной намагниченности переменным магнитным полем были получены и изучены ранее [Dunn and Fuller, 1972; Collinson et al., 1972; Hargraves and Dorety, 1975; Stephenson et al., 1974]. Эти результаты подробно обсуждаются в работе [Fuller and Cisowski, 1987]. Для образца 14053, предыдущие результаты также выявили стабильную компоненту NRM, выделенную выше 6 мТл или 100С [Collinson et al., 1972]. Коэрцитивный спектр этой NRM отличается от коэрцитивных спектров TRM, pTRM и SIRM [Dunn and Fuller, 1972].
Диаграммы Зийдервельда – ортогональные проекции пошагового размагничивания NRM переменным магнитным полем. Пустые и полные круги обозначают вертикальную и горизонтальную проекции, соответственно. (а-d) NRM четырех лунных морских базальтов. (e-f) SRM для лунных морских базальтов 70215 (мощность лазерного излучения 3.92 ГВт/см2 в м агнитном поле 400 мкТл) и 14053 (мощность лазерного излучения 2.87 ГВт/см2 в магнитном поле 300 мкТл). Напряженность намагничивающего поле во время ударных экспериментов было направлена вертикально вниз. (g-h) PRM образцов 15556 (образованная при приложении гидростатическиого давления 1.8 ГПа в магнитном поле 1762 мкТл) и NWA 5406 (образованная при при приложении гидростатического давления 1.8 ГПа в магнитном поле 881 мкТл).
Радиационно-индуцированное намагничивание и размагничивание образцов
В отличие экспериментов по нагреву, протонная бомбардировка может вызывать потемнение эпоксидной смолы в результате действия другого механизма. Потемнение органических полимеров может происходить за счет химической реакции протонов со структурой полимера, что приводит к разрывам связей молекул полимера и освобождению различных элементов, таких как углерод, посредством разрыва межатомных связей [Koptelov et al., 2008]. Действительно, о радиационно-наведенных увеличении хрупкости и карбонизации эпоксидных смол сообщалось в работе [Kircher, Bowman, 1964]. Интересно отметить, что авторы работы [Коптелов и др., 2008] указывают, что изменения физических свойств полимеров появляются ниже определенного критического флюенса фсг (от англ. "сгШсаГ) как результат разрыва межатомных связей. Выше фсг можно ожидать видимую потерю диэлектрических свойств при облучении. Критический флюенс протонов для исследованного Коптеловым и др. [2008] полимера каптон (С 22 10 2 5) составляет 0cr=3.1lO рi см , что выше максимального флюенса протонов фз, использованного в настоящей работе. Таким образом, во всех описанных в настоящей работе экспериментах эпоксидная смола сохранила свои диэлектрические свойства при протонной бомбардировке. Благодаря своей низкой теплопроводности, эпоксидная смола, использованная в наших экспериментах в качестве немагнитной матрицы для всех синтетических образцов, могла защитить магнитные зерна от равномерного нагрева по всему объему (см. табл. 4.1).
Значит, в наших экспериментах радиационно-индуцированное потемнение образцов может быть обусловлено как карбонизацией эпоксидной смолы, так и одновременным нагревом до температур не выше Г/, 7г, Тз (см. выше). Возможный нагрев был, вероятно, локальным и затронул только самые верхние слои образцов. Нагрев образцов может привести к отжигу старых и вновь образованных дефектов кристаллической решетки, делая, таким образом, радиационно-индуцированные изменения в объемных магнитных свойствах образцов менее заметными. Поэтому, если не утверждается обратное, далее мы будем обсуждать зависимость объемных магнитных свойств от дозы облучения только для образцов первой и второй групп, считая, что образцы третьей группы подверглись заметному нагреву. Важно отметить, что единственные образцы с температурой Кюри ниже 200С - это образцы базальтов (ГС=150С); все остальные образцы имеют гораздо более высокие точки Кюри (295С для гексагонального
Относительные изменения (%) в объемных магнитных свойствах при облучении протонами представлены пирротина, 325С для моноклинного пирротина, и выше для остальных образцов), что исключает возможность образования значительной термоостаточной намагниченности при нагреве образцов в результате протонной бомбардировки и их последующем охлаждении в магнитном поле Земли.в табл. 4.2. Наблюдается существенное радиационно-индуцированное уменьшение Bcr для всех образцов железа и хондрита Bensour. Bcr уменьшается с увеличением (рис. 4.2). Уменьшение магнитной жесткости (magnetic softening) может быть результатом радиационно-индуцированной аморфизации или атомного разупорядочения железных фаз (см. выше), что согласуется с наблюдаемым уменьшение SIRM (7-34%). На в сех образцах железа (здесь и далее имеются ввиду образцы порошкового железа в эпоксидной смоле) после протонной бомбардировки также наблюдается уменьшение значений Bc (на 27-29%) и MDFi (медианное поле разрушения SIRM, от англ. “Median Destructive Field”) (на 17-24 %), и незначительные изменения в 0 (2%) и Ms ( 5%).
Относительные изменения значений остаточной коэрцитивной силы Bcr после протонной бомбардировки для образцов порошкового железа в эпоксидной смоле и метеорита Bensour. Отрицательные значения указывают на радиационно-индуцированное снижение магнитной жесткости (уменьшение Bcr).
В работе [Butler, Cox, 1974] ранее сообщалось об увеличении после нейтронной бомбардировки значений Bc многодоменного железа и камасита на 5-20% (причем Bc возвращалось к своему исходному предрадиационному значению после отжига при температуре 200-300C [Butler, Cox, 1974]). Эти результаты нельзя прямо сравнивать с экспериментами настоящей работы ввиду разной природы бомбардирующих частиц (нейтральные вместо заряженных). Кроме того, в работе [Butler, Cox, 1974] нет информации о значениях Всг до и после облучения для возможности сравнения; значения же Вс до облучния были дипазон [0.028; 0.08] мТл, что значительно ниже предоблученных значений Вс образцов, исследованных в настоящей работе (1-2 мТл, см. табл. 4.1).
Для подтверждения отсутствия связи между наблюдаемым уменьшением магнитной жесткости образцов железа с возможным радиационно-индуцированным нагревом, мы провели дополнительные эксперименты по нагреву дополнительного необлученного железного образца (образец 6-4). При этом наблюдалось небольшое уменьшение Всг (от 21 до 19 мТл) при поэтапном нагреве до 230С, что не может объяснить изменения, наблюдаемые в радиационных экспериментах (рис. 4.3). Нагрев дополнительного (необлученного) фрагмента тэнитсодержащего метеорита Bensour до 115C также привел к незначительному снижению Всг (от 33 до 32 мТл)
Температурная зависимость остаточной коэрцитивной силы Всг для необлученного образца 6-4 и облученного протонами образца 6-1. Отжиг образца 6-4 длительностью 1-2 ч. производился на каждом температурном шаге. Образец 6-1 отжигался на каждом температурном шаге в течении 5 мин. Всг1 и Всг2 -пред- и пострадиационные значения остаточной коэрцитивной силы, измеренные на образце 6-1 до и сразу после протонной бомбардировки.
Значительных радиационно-индуцированных изменений в Bcr, Вс, SIRM образцов моноклинного пирротина не наблюдалось, хотя значения Ms изменились на 22% (на разных образцах наблюдалось как увеличение, так и уменьшение этой величины, см. табл.
Образцы гексагонального пирротина характеризуются уменьшением Bcr (на 17%), но незначительными изменениями Ms ( 9%) и отсутствием ( 5%) изменений Bc. Мы изучили магнитные свойства двух дополнительных (необлученных) образцов гексагонального пирротина (образцы 3-4 и 3-5) при нагреве. В отличие от радиационных экспериментов, при нагреве обоих дополнительных образцов наблюдается значительное уменьшение значений Bcr и Bc (см. табл. 4.4 и рис. 4.4). В то же время наблюдается значительное увеличение Mrs и Ms после нагрева, что может быть связано с образованием метастабильных ферримагнитных зерен. Другие радиационно-индуцированные изменения приведены в табл. 4.4. Все пострадиационные значения Bc и Bcr выше соответствующих значений для дополнительных образцов до и после нагрева. Таким образом, как и в случае других образцов , радиационно -индуцированные изменения в гексагональном пирротине также не связаны с возможным радиационно-индуцированным нагревом.