Вопросы теории магнетизма горных пород и тектономагнетизма Каримов, Фаршед Хилолович

Данная диссертационная работа должна поступить в библиотеки в ближайшее время
Уведомить о поступлении

Диссертация, - 480 руб., доставка 1-3 часа, с 10-19 (Московское время), кроме воскресенья

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Каримов, Фаршед Хилолович. Вопросы теории магнетизма горных пород и тектономагнетизма : автореферат дис. ... доктора физико-математических наук : 04.00.22.- Москва, 1993.- 28 с.: ил.

Введение к работе

Магнетизм горных пород и тектономагнетиэм к настоящему времени сортировались как крупные разделы геофизики, развитие которых позволило решить многие фундаментальные и прикладные проблемы, имеющие важное научное и народнохозяйственное значение. Магнетизм горных пород интенсивно развивается на протяжении нашего отолетия, многие результаты, полученные в этой области, отали классическими. В круг задач магнетизма горных пород входит изучение магнитного строения и магнитных овойств горных пород, идентификация видов и природы их намаг-ниченностей, интерпретация геомагнитных аномалий. Тектономаг-нетизм - относительно новое научное направление, основные результаты в котором были получены в шестидесятых годах и позже вместе с развитием геомеханики, геодинамики и о применением протонных магнитометров. Основная задача тектоиомагне-тизма - изучение тех аномалий в структуре локального геомагнитного поля, которые вызваны протеканием тектоническиг процессов.

Из-за огромного разнообразия видов намагниченностей горных пород, многообразия характера проявления аномалий локального магнитного поля Зе?,іли эмпирические и статистические методы исследований в этих областях геомагнитологии были и остаются на сегодня основными. Однако, к последнему времени накопилось много таких фактов, которые не могут найти объяснения в рамках существующих эмпирических и статистических методов. Например, образцы горных пород одного и того ке геологического вида (названия), собранные в различных местах, могут тлеть совершенно разные пьезомагнитныа или магнитные температурные свойства. Кроме того, магнитные свойства этих пород могут и различным образом меняться во времени. Неоднозначны и оценки намагниченностей пород посредством фактора Кеииго-бергера. Очевидно, наряду со отатистическим подходом к исследованию здесь необходим детальный анализ состава, структуры, свойств носителей магнетизма горных пород -, прежде всего, частиц акцессорных минералов магнетита и титаномагнетита. Анализ же современного состояния исследований этих частиц показывает, что существует весьма широкий спектр представлений о

видах магнитных структур, об интервалах характерных размеров частиц с магнитными структурами того или иного вида, о роли поверхностной анизотропии, макроскопических дефектов, температурного фактора, давлений в формировании магнитных структур. Наконец, детальное знание магнитных структур чаотиц -носителей магнетизма горных пород-крайне необходимо для моделирования источников тектономагнитных эффектов и магнито-актнвного слоя Земли вообще. Кроме того, глубинные слои земных недр пока недоступны для непосредственного изучения, поэтому значение моделирования и теоретических расчётов для локально!! намагниченности пород еще' более возрастает.

Такое же положение сложилось и в тектономагнетизме. Ьдесь нет единых представлений о том, каким образом тектонические процессы влияют на намагниченность, магнитную индукцию горных пород и возникают аномалии в вариациях локального геомагнитного поля - тектономагнитные эффекты. Неоднозначны представления об амплитудных и проотранственно-временных закономерностях проявления тектономагнитных эффектов.

Таким образом, назрела необходимость качественного совершенствования тех исходных положений, принципов, которые лежат в основе 'Іизики магнетизма горных пород и тектономагнетизма. Именно в этом заключается актуальность темы диссертационной работы.

Цель работы - иоследование ряда проблем, объединённых под общим названием "Вопросы теории магнетизма горных пород ж тектономагнетизма":

Построение строгой теории магнитной структуры идеальных частиц носителей магнетизма горных пород - магнетита и титаномагнетите, основанной на представлениях о непрерывном распределении электронной спиновой плотности и вариационных принципах. Исследование устойчивости магнитных структур частиц в рамках моделей "закручивание" намагниченности 1-го, 2-го типа и винтовой (по классификации Е.И.Кондорокого).
Исследование роли поверхностной анизотропии и макроскопических дефектов в (формировании магнитных структур чаотиц магнетита и титаномагнетита.
Исследование устойчивости винтовой магнитной структури сіерпчпскпх частиц в поле тепловых ірлуктуациЯ.

Рассмотрение ряда вопросов влияния температуры и давлений на состояния магнитных структур частиц магнетита я ти-таномагнетита.
Интерпретация тектономагнитных эффектов и построение их моделей.
Исследование природы тектономагнитных эффектов.

13 работе применялись известные и апробированные в магнетизме горных пород и тектономагнетизме методики исследования (определение стационарных точек полного термодинамического потенциала с помочью вариационных методов Эйлера и Ритца, применение сведений из теории поля и специальных функций матема-тической физики, исследование аномалий в вариациях локального геомагнитного поля сравнением синхронных данных).

Научная новизна работы состоит в разработке системы классификации магнитных структур частиц магнетита и титаномагае-тита, которая поднимает на качественно новый уровень методы интерпретации магнитных свойств горных пород и моделирования тектономагнитных эффектов. Впервые систематизированы данные о тектономагнитных эффектах подготовки землетрясений Таджикистана за период с 1978 по 1990 годы о магнитудой выше 5. На ооновании данных высокоточной магнитометрии внесены дополнения в известные модельные представления о процессах подготовки тектонических землетрясений и выдвинута гипотеза о диффузии ионов подземных флюидов как основной причине возникновения тектономагнитных эффектов в районе исследований.

Научная и практическая значимости выполненных исследований заключаются в достигнутом качественном развитии физиче-оких основ интерпретации магнитных свойств горных пород и тектономагнитных эффектов, что позволяет значительно расширить возможности решения весьма важных проблем магнетизма горных пород и тектономагнетизма, а также проблемы смежных разделов геомагнитологии: палеомагнетизма, магнитной минералогии, высокоточной магниторазведки. Развитые модельные представления о тектономагнитных эффектах представляют собой оонову для постановки новых лабораторных \\ натурных экспериментов. Некоторые результаты диссертационной работы используются в учебном процессе в курсах физики магнитных явлений и геофизики в Таджикском, Екатеринбургском и Московском университетах.

Основные результаты диссертационной работы обоуждались в докладах автора на П, I/ Всесоюзных докладах по геомагнетизму (Тбилиси, 1901 г.; Владимир - Суздаль, 1991 г.), Всесоюзных семинарах "Геоэкологические аспекты народнохозяйственного освоения территорий со сложными природными условиями" (Душанбе, I9SO и 1991 гг.), совещаниях рабочей группы по тектоношгнетизцу и тектоноэлектричеству МСССС Президиума АН СССР (Андижан, І98І г.; Ашхабад, 1982 г.; Фрунзе, 1984 г.; Ташкент, 1985 г.; Львов, 1987 г.; Махачкала, 1990 г.), Всесоюзной школе-семинаре по магнетизму горних пород (Еорок, Ярославская обл., 1990 г.), научных семинарах каг{«др магнетиа-ма и физики Земля физического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова, Ф'ГИ им.С.У.Умарова и Института сейсмостойкого строительства и сейсмологии АН Республики Таджикистан, Ленинград-' ского отделения ИЗ.ИРАН, Института геологии и геофизики Сибирского отделения АН СССР, Общемосковском семинаре по магнетизму горных пород.

По материалам диссертации опубликовано 20 статей и 6 те-эиоов докладов.

В объёме диссертации 206 страниц машинописного текста о 23-мя рисунками и 11-ю таблицами. Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения, списка использованных источников информации из 179 наименований.

Личный вклад автора. Основная часть результатов диссертации (см.работы 1,2,4-6,8-10,16-20,22,23) получена автором лично. В работах, выполненных в соавторстве (см.работы 3,7, 11-15,17,21 ), автору принадлежат теоретические части и интерпретация магнитометрических данных.

Материалы диссертации обсуждались о профессором Е.И.Кон-дорсклм, доктором физ.-мат.наук Ю.П.Сковородкшшм. Автор диссертации испытывает к пим чувство глубокой благодарности, за внимание и поддержку. Автор благодарен также всем магнитологам, геомагнитологам, геофизикам, сейсмологам, с которыми обоуждались отдельные вопросы диссертации: профессорам А.В.Ве-дяеву, В.И.Трухину,, доктору физ.-мат.наук К.Н.Абдуллабекову, кандидату физ.-мат,наук Л.С.Безуглой и другим.

Во введении представлен обзор современных представлений магнетизма горных пород и тектономагнетизма, которье раскрывают сущность основных задач диссертации. Описаны методы исследований и результаты, полученные в этих областях. На основе критического анализа современного состояния исследований сформулированы цель и задачи диссертации. Дано представление об её структуре и содержании.

Первая глава посвящена разработке теории магнитных структур частиц магнетита и титаномагнетите. Сначала систематизированы общие полояения теории, приведены общие сведения о физическом строении и свойствах магнетита и титаномаг-нетита. Данные о постоянных обменного взаимодействия,намагниченности насыщения, константах магнитокрнсталлогра$иче-ской анизотропии.постоянных мапштострикции, а также о температурных зависимостях этих параметров от 0С до точек Кюри представлены в виде таблиц. Дано аналитическое и графическое описание зависимости полояения магнитного момента в отдельной элементарной ячейке кубической симметрии. Шчислены критические значения для однородных внешних магнитных полей и давлений, действующих вдоль лёгких осей [ill] - диагоналей ячейки. При критическом значении перемагничиваыцего внешнего магнитного поля, равном для магнетита 4І5 Э, должно происходить скачкообразное перемагничивание ячейки, отмечается, что в рассматриваемых минералах могут существовать 71-градусные, 109-градускые и 180-градусные доменные границы.

Приводятся оценки для толщин свободной доменной границы в соответствии с известными форлулами. В частности, для магнетита толцина 180-градусной,границы должна быть равной 0,39 мил (3900 А). Показано, что из-за несимметрии энергетических барьеров для полояе!шй магнитных моментов в элементарных ячейках, обусловленной магнитокристаллографической анизотропией, несимметричиг и 180-градусные границы.

Дано описание методов теоретических исследований магнитных структур частиц. Отмечпетсп, что магнетит и титаномагне-

тит относятся к классу ферримагниткых веществ, однако, при ряссматриваемых в диссертации физических условиях они вполне могут быть описаны в рамках представления о непрерывном распределении электронной спиновой плотности, широко применяемого для исследования магнитных структур ферромагнитных веществ. Основные исходные уравнения для этого представления имеют общий вид (см.например, монографшо С.В.Вонсовского "Магнетизм", 1971):

Ф = \Л/ +W + W +W + W+W-HM + w„.

Л К m A Ad S «

W₄* А і [fa,)⁸+ №/.)' +(4J,)'ldV. W„-f Sd.v.Js *Hf.ir_tJlV.

W_A = f a J [ A_/M (4 V 4^a jf_a³ + 4V) +

їда ф - полный термодинамический потенциал,

W - свободные энергии:

W_A —неоднородного обменного взаимодействия,

Wk — магнитокристаллограі|ической анизотропии,

W_M —собственных магнитостатических взаимодействий,

Wh —магнитостатическая во внешнем поле И,

Wna — магнитоупругая,

W» — магнитострикции,

W₅ —поверхностной анизотропии;

А - постоянная обменная взаимодействия,

л,Д,- 1-я и 2-я константы магнитокристаллогра^ической анизотропии, Tf,VJ,1 - магнитоотатические потенциалы поверхностных д>_т и

объёмных V_m "зарядов", CCQ*" упругие подули, А₎₍₍,А,_0О ~ постоянные магнитострикции,

JL_S - константа поверхностной анизотропии, _i,J,,,J._l- направляющие косинусы локальной намагниченности^, задающие её положение относительно осей правой прямоугольной декартовой системы координат X , U , Н , соответственно.

При решении конкретних задач в выражении полного термодинамического потенциала Ф учитываются вклади тех или иных свободных энергий.

Определения віща магнитной структуры производится путём нахождения минимума термодинамического потенциала в зависимости от направляющих косинусов локальной намагниченности.

Исследование вида и состояний магнитных структур частиц производится для моделей типа "закручивание" намагниченности и винтовой, существование которых обосновано в работах Е.И.Кон-дорского (1948, 1950, 1952, 1977, 1978), У.З.Брауна (1957, 1958) и др.(см.рис.1,2). Согласно теории Е.И.Кондорского распределение локальной намагниченности в'моделях "закручивание" для ква-зиоднодоменных частиц сферической аормы описывается с помощью направляющих косинусов вада

о4 = SinE-Sitiip, J.^sin'Cos

_z = cos.

где с - угол между локальной намагниченностью и У.О.

Рисі. Распределение локальной намагниченности в частицах сферической <;орш с магнитной структурой "закручивание" Легкая ось параллельна с осью 01 .
Рис.2. Распределение локальной намагниченности в слоях x_R ринтолой / ж;ерной / магнитной структуры в плоскостях ХОУ к X0Z . Легкая ось параллельна оси 07. В представлении непрерывного распределения электронной СПИНОЗОЙ плотности слои . бесконечно тонкие*

х-х

Х-Хі.
9 В сферической системе координат р , Q , Ц> (см.например. Справочник по математике Т.Корн, Г.Корн, 1978) для модели "закручивание" 1-го типа и при отсутствии поверхностной анизотропии = :
где „, - малый параметр варьирования.
В случае модели "закоучивание" 2-го типа - <" = :
где ₀₃ - малый параметр варьирования.
Для винтовой модели (см.рис.2) распределение локальной намагниченности описьгаается с помощью каправляпцих косинусов вида
J =0 «4 = COS Y,
^{^e)-%{{-}^{ц:) sine,}
где t(j>0)~ угол менду локальной намагниченностью и ЛО.
В теоретических расчётах диссертации положения общей теории, развитей для одно- и трёхосноанизотрошшх-частиц, скор-реіггированн к случаи четырёхосноанизотропных типа магнетита и титаноыагнетита. Кроме того, в диссертации учтена вторая константа магнитокристаллографической анизотропии, которая для магнетита и титаномагнетите (по крайней мере с содержанием ульЕошинели менее 0,5) всего в 3-5 раз меньше первой . константы. Поэтому за исключением выражения для свободной энергии магнитокрисгаллограйяческой анизотропии, выражения для свободных энергий неоднородного обменного взаимодействия, собственной магнитостатической и во внешней магнитном поле, учтённые в расчётах модели "закручивание" 1-го типа,
были такими хе, как в теории Е.И.Кондорского (1977, 1978). расчёты для вкладов свободных энергий в рамках моделей ква-зиоднодомешшх структур "закручивание" 2-го типа и винтовой проведены в диссертации в полном объёме. Определены критические радиусы для областей существования однодомешшх состояний в частицах магнетита и титаномагнетита (X < 0,5) - верхние значения радиуса абсолютной однодоменности R_a и радиуса простой однодоменности R к :
^-^а^!\1-
- п 4 У-
где Д/=д5С - размагшчивапций фактор;
Х„ - эффективная константа аіюзотролии, равная
Л₀ = si, + 9"Л₂, aj - постоянные коэффициенты, равные
0,93 для модели " закручивание" 1-го типа, 0,94 для модели "закручЕЕШше" 2-го типа, 1,55 для винтовой-Вели R _к > R > R _в ,то при критическом значении внешнего магнитного поля Н„ происходит нарушение однодомен-
ного состояния:
где р = ІЗ'-(2ЩГ ^l ^Х ^KU-
Бели радиусы частиц меньше R _а , то при любом внешнем магнитном поле частица останется однодоменной - такие частицы абсолютно однодоменкые.
Наименьшее по модулю значение критического поля Н_и в рассматриваемых условиях соответствует переходу к структуре "закручивание" 1-го типа и поэтому эта структура энергетически наиболее выгодна. Дня этой структуры произведены расчёты устойчивости по отношению к перемагничігоашш вращением полного магнитного момента во внешнем магнитном поле. Впервые обнаружена граница критических переходов при значении крити-
_{ческого} _{радиуса} _К. _ка _. _Если _R_„> _{Л >} _К
, то при критическом внешнем поле Н „ происходит переход в квазиоднодоменное состояние и затем полное перемагничивание путём вращения всей магнитной структуры. Если R _Л > R > R _м , то при Н - Н „ происходит переход структуры в состояние о сильной степенью неоднородности (_о~0 - псарк (согласно терминологии Д.Данлопа) без полного переїлапшчиваяия частицы.

В диссертационной работе исследована устойчивость магнитных структур "закручивание" 1-го, 2-го типа и винтовой квази-однодоменных частиц в зависимости от их радиусов и внешнего магнитного поля. Исследование проведено на основании анализа выражений для поліпи термодинамических потенциалов как полиномов по степеням * , * » ' . Возможные типы зависимостей Ф(₀) показаны на рис.3. Очевидно, зависимости I, 2 соответствуют устойчивому однодомзнному состоянию, 3 - устойчивому однодоменному, т.е. устойчивому неоднородному. Различным параметрам веществ,радиусам и внешним полям соответствуют и различные зависимости 1-4. Например, переход от зависимости I к 3 будет соответствовать плавному нарушению одкодоменности, а от 2 к 4 - резкому нарушению однодоменности и переходу к сильно не-однородныт.1 структурам.
\
Рис.3.Виды зависимостей полного термодинамического
потенциала от параметра неоднородности:
5 = Ф₀ + а₀^а+ в*.
Возможным стєпєішм устойчивости структур можно поставить в соответствии три степени анизотропнооти частиц: слабо-, средне-, выоокоанизотропную» В слабоанизотропных возможен плавный переход от однодоменнооти к неоднородной структуре при R > R „ . Для среднеанизотрошшх такой плавный переход возможен лишь при значениях радиусов в некотором определённом интервале R > R > R о «В высокоанизотропных при критическом значении поля Н _п происходит лишь резкий переход от однодоменнооти к неоднородным структурам при R = R_K.
Применение этих критериев к частицам магнетита и титане— магнетита показало, что они относятся к вксокоанизотропным. Таким образом, квазиодно,г..>менные магнитные структуры "закручивание" и винтовая неустойчивы.
В диссертационной работе построена такяе общая теория магнитной структуры частиц плоской форлы-дисков. Результаты её применены к анализу частиц магнетита и татаномагнетита. Показано, что возможно существование і:вазиоднодоменньк неоднородных структур типа "рябь" намагниченности, а также винтовой. Однако, они не могут быть устойчивы. Радиус абсолютной однодоменнооти плоских частиц наименьший при переходе к первой из этих моделей и равен
R - -ІА-
. "W - зґКҐ .
где h - толщина частиц.
Модели "закручивание" и винтовая рассмотрены такке при больших степенях неоднородности, но в линейном приближении по ₀ для первого случая и в рамах представления плотности энергии блоховокок доменной границы А.Амара (1957) - для вто- -рого случая. Показано, что при R>R_K веерная структура сильно неоднородна и угол разворота между крайними намагниченнос-тями равен 175, т.е. представляет собой почти 180-градусную блоховскую границу. Полный разворот до 180-градусной границы для частиц магнетита происходит при-радиусах R._S3 , равных 0,049 мкм (490 л). Резкий характер нарушения однодоменнооти согласуется о выводами теоретических расчётов Д.Данлопа, К.Лрд-жидя (1987), З.П.Цербакова (1909) для "истиц магнетита кубической гїормк в рамках винтовой модели распределошія локальной намагниченноетй.
Сравнение полных термодинамических потенциалов сильно
.неоднородных структур "закручивание" и винтовой показало, что
последняя энергетически выгоднее для частиц в интервале ра
диусов' своего существования R > R _к . Эксперименты М.Фуллера
и С.Халгедаль (1980, 1983) по исследованию процессов зароды-
шеобразоваиия в относительно крупных изометрических час-
тиц магнетита с помощью биттеровских фігур показали, во-первых, что при критическом поле происходит внезапное появление доменной границы и, во-вторых, границы близки по <$орме к плоским 180-градусным, т.е. экспериментальные результаты подтверждают выводы диссертации о том, что нарушение однодомен-ности при критическом поле в рассматриваемом интервале радиусов происходит резко и доменные границы плоские, 180-градусные.
На основании особенностей положения интервала о сильно-неоднородными структурами, заполняющими весь объём частиц, предлагается выделить такие частицы в класс псарков в отличие от псевдооднодоменных частиц, одно-, двух- и т.д. доменных.
Магнитные структуры "закручивание" и винтовая в квази-однодоменных частицах рассмотрены и для случая влияния энергии поверхностной анизотропии простого Bajs,a:W_i^s%_t\C0SB_tJS, где Q_s - угол между локальной намагниченностью и нормалью к поверхности частицы. Получено точное значение радиуса абсолютной однодоменности в модели "закручивание".
3 рамках модели "закручивание" в линейном приближении зависимости угда от j> получено выражение для критического поля нарушения однодоменности:
При характерных значениях % _s ,,равных 0,1*1,0 эрг/см
критические значения радиусов однодоменности могут почти на
порядок отличаться от R._a и ft _к
В зависимости от значения X _s критическое поле г1_м для перехода в структуру о "закручиванием" намагниченности может превзойти по модулю критическое значение поля для перехода в винтовую структуру и, следовательноі в отличие от случая отсутствия поверхностной анизотропии, должна будет появ-
14 ляться не первая, а вторая. Такій образом, поверхностная анизотропия может существенно влиять на формирование типа магнитных структур, на степень однородности и на критические условия их сущеетвования.
Далее проведено исследование явления возникновения суперпарамагнетизма в относительно крупных сферических частицах магнетита и титаномагнетита в рамках винтовой модели. Рассмотрены устойчивости "жёсткой" и приближённой "мягкой" моделей по отношении к вращению структур относительно кристаллографических осей. При вращении "жёсткой" структуры расположения локальных магнитных моментов друг относительно друга не изменяются. Оказалось, что в зі іисимости от степени разворота крайних локальных магнитных моментов изменяются энергетические барьеры маиштокристаллографической анизотропии, определяющие равновесные положения полного магнитного момента частицы, цели степень разворота равна нулю, т.е. частица одно-доменная, то барьеры наибольшие. Вели несколько увеличить степень неоднородности, то барьеры уменьшатся. Для 130-градусного разворота барьеры исчезают. При понижен барьеров до уровня 10"" эрг и более тепловые флуктуации приводят к суперпарамагнитному, состоянию.
В рамках "мягкой" модели поворот полного магнитного момента частицы сопровождается уменьшением степени неоднородности магнитной структуры и, следовательно, некоторым восстановлением первоначального энергетического барьера. Тем не менее, оценки показали, что понижение энергетического барьера за счёт увеличения степени разворота локальных магнитных моментов составляет почти два порядка величины к в некотором интерзале радиусов, где существует псарк, существование супер-парамагнетизма' возможно.
В отличие от классического суперпарамагнетизма Л.Нееля суперпераыагнетиам в рассмотренных относительно крупных частицах назван в диссертации эакритяческим. Таким образом, полученные результаты дают возможность представить систему классификации магнитных структур.
Например, сферические частицы магнетита и титаномагнетите при радиусах ?ленее R _п = 10 л парамагнитк. Ферромагнитное упорядочение возникает при больших радиусах. При радиусах менее Я_а, , Я_а1 , (Li частицы абсолютно однодоменны в рамках структуры "закручивание" 1-го типа, 2-го типа и винтовой, соответственно. Я_ка - критический радиус перехода от полного пере-магничивания путём вращения полного мапіитного момента чаотицы к частичному перемагничиванию с возникновением псарка о "закручиванием" локальной намагниченности. R_K4,R_KX, Я*» - верхние критические радиусы однодоменного состояния в рамках перехода к структурам "закручивание" 1-го, 2-го типа и винтовой, соответственно. В промежутке от Я_КЇД0 R₂ происходит разворот винтовой структуры до 160 и начала двухдоменного соотояния. R_a совпадает с известными оценками Д.Данлопа и В.П.Щербакова. 11а представленную картину накладываются тепловые эффекты и супер-парамагнетизм: до H_s - классический, неелевский, в интервале
ft« - ft г - закритический. Значения критических радиусов для магнетита в ангстремах представлены в следующей таблице:
Rfi ^Д( ^кя %аг К_К) R_M R_s И,,, Кц, R_a 10 224 228 246 259 265 300 358 415 490
Примечание: ft_K( , кі., ft_KJ приведены при отсутствии внешнего магнитного поля.
Из-за неустойчивости, квазиоднодоменных оостояний соответствующие интервалы в таблице не указаны. Таблица показывает, что вплоть до субмикронных диаметров магнитные моменты чао-тиц магнетита должен быть неуотойчивы. В чаотноотя, в поле тепловых Флуктуации должно отсутствовать стабильное однодомен-кое состояние.
3 главе і рассмотрены также некоторые вопросы учёта собственных магнитостатических взаимодействий ансамблей- частиц магне-
тита и титаномагнетита и в частицах с макроскопическими дефектами, получены точные решения ряда магнитостатических задач. В частности, показано, что учёт концевых эффектов в,классической модели "цепочки сфер" приводит к дополнительному снижению коэрцитивной силы в зависимости от роста количества частиц в цепочке. При числе частиц, равном четырём, это снижение составляет 2,125?, пяти - 3,33^, десяти - 2($. В частицах с макроскопическими дефектами в виде немагнитных прослоек в частицах сферической или плоской форм в зависимости от геометрии и размеров могут возникать магнитные структуры различного типа, характеризующиеся различными критическими параметрами. Например, в сферических частицах с дефектом цилиндрической формы, ось которого совпадает с осью частицы и ЛО, возможно появление не только моды намагниченности, описываемой с помощью функцш Бссселя, но и новой моды - с функцией Неймана.
Рассмотрен ряд аспектов в проблеме влияния температур и давлений на магнитные структуры и состояния частиц магнетита и титаномагнетита. Отмечено, что верхний радиус однодомен-ности зависит от температур и давлений. Зависимость от температуры можно описать с помощью выражения
в котором параметры зависят от температуры Т.
В геофизических приложениях температурные зависимости иногда представляют в виде
A(T)-A.-j'"
_т-і.-г:
относительная намагниченность, равная отношению намагниченностей насыщения при температуре Т и максимальной.
Приближенно j (X) иногда представляют в виде
^ 0.4 io,s
_т/т.)'
_jm=0
где Т_к - температури Кюри.
Обращается внимание на неопределённости в степенях приведённых температурных зависимостей. В случае линейной зависимости A ( j ) критический радиус будет возрастать с ростом температуры, т.е. о глубиной залегания в магнитоактивном слое тектоносфера. В случае кубической зависимости А ( І ) критический радиус будет, наоборот, убывать.
При этом псевдооднодоменные и многодоменные при нормальных физических условиях частицы будут становиться однодомен-ными, магнитные моменты которых выше на порядки величин. Поэтому эффект возрастания магнитных моментов будет существенным, если достаточно возрастает концентрация таких частиц с глубиной залегания пород.
Расчёты показали, что индуктивная часть намагниченности
частиц во внешнем магнитном поле также гложет возрастать с
глубиной залегания пород. Действительно, для однодомешшх
частиц без анизотропии фор.ш (сферических, кубических) сво
бодная магнитостатическая энергия во внешнем поле Но оудет вы
ше свободной энергии магнитокристаллографической анизотропии
при условии to' t s
^H₃³_s^{(o)j(D>lj'(f)'.}
т.е. при і(J) < 0,4 для магнетита полонение магнитного момента контролируется не магнитокристаллографической анизотропией, а локальным магнитным полем Земли. Следовательно, па глубинах более некоторого среднего уровня в магнитоактивном слое магнитные моменты изомерных частиц магнетита должны быть направлены по локальному геомагнитному полю.
Давления, в частности, в направлении вдоль Л0 и полного магнитного момента частицы также могут влиять на тип и состояние её магнитной, структуры. Показано, что однородные давления уменьшают значение критического радиуса однодоменнооти и переводят частицы в квазиоднодоменное состояние, если их радиус не ниже некоторого значения R-₀₃=ft_a» При радиусах ниже
R_Q3 частицы остаются однодоменными при любых давлениях, т.е. являются абсолютно однодоменными не только по отношению к магнитному полю, но и по отношению к однородным давлениям.
В заключительной части главы I кратко обсуждаются вопро-
сы приложения способов разложения магнитоотатичеоких полей по мультиполям для дипольного, квадрупольцого и октупольного представления источников тектономагнитных эффектов. Выдвига-ется предположение о возникновении магнито-обменных колебаний в частицах, как возможной причине электромагнитных излучений при протекании тектонических процессов.
D главе П сконцентрированы все сведения, необходимые для дальнейшей интерпретации аномалий в вариациях локального геомагнитного поля и идентификации тектономагнитных эффектов в районе наблюдений: о мировом опыте тектономагнитных исследований, представления о тектонических процесса и природе возникновения тектономагнитных эффектов, о геолого-геофизи-ческпх условиях района, о магнитометрической сети и методиках высокоточных геомагнитных наблюдений.
Отмечается, что наиболее представительны данные об обна
ружении тектономагнитных эффектов в бывшем СССР, США, Японии
и Китае. Обширная отатистика обнаружения тектономагнятных
эффектов на некоторых геофизических полигонах, в частности,
на гармском в Таджикистане, андижанском и ферганском в Узбе
кистане, ашхабадском в Туркменистане позволила определить
амплитудные и пространственно-временные масштабы этих эффек
тов (Ю.П.Сковородкин, Л.С.Безуглая, В.П.Головков, К.Н.Абдул~
лабеков, В.А.Шапиро и др.). В частности, в гармском районе
наибольшие величины тектономагнитных эфректов не должны пре
вышать 8-Ю нТл, Форма эффектов - бухтообразная, стадии воз
врата хода сейсмотектономагнитных эффектов к фоновому уровню
приурочеш їломентн сильных местных землетрясений магнитуды М
с эпицентрами в эмпирическом радиусе Е [км] (Ю.П.Сковород-
кин, 1985): -
^ =0,35 М + 0,04,
а длительность эффекта от момента его возникновения до момента ооновного толчка Т_с [сутки} описывается эмпирической зависимостью (Ю.П.Сковородкин,,1985).
fjT_c =0,73 М - 1,57.
Для обоснования характера проявления обнаруженных тектономагнитных эффектов приводятся сведения об известных МО-

Рис.4. Схема района геог.'агнитних наблюдений, магнитометрической сэти і: эпицентров землетрясения : 1-эпи::ентрн зе.ілетг.ясенкії в масштабе энергетических классов К -- 12, і:?, 14, If;; 2-r.:urn.no-мотрич.ские статны; ;''-крупшге раало'лі :іо:.:ноН корч.
делях сейсмотектонического процесса (пластического течения, лавинно-неустойчивого нарастания трещин, дилатантно-дисйу-зионной, консолидированного включения и др.), а также о природе возникновения тектономагнитннх эффектов (пьезомагнит-ноіі, электрокинетической, электромагнитной индукционной и др.). Лано описание некоторых известных магнитных, электрических, механических свойств горных пород района геомагнитных наблюдений: естественной остаточной намагниченности (КГ* ед. СГС), магнитной восприимчивости (Ю~* ед.СГС), электрической проводимости (1-Ю" См/м), пьезомагнитной чувствительности (КГ dap" ). Поскольку шденти^икация тектономагнитных эф-iteKTOB производится на $оне различных составляющих геомагнитного поля, то приводятся сведения о главном магнитном поле, статических аномалиях, вековом ходе, солнечно-суточных вариациях, магнитных возмущениях. В частности, отмечается, что постоянная составляющая локального геомагнитного поля равна 51000 нТл, склонение - 4, наклонение - 58. Скорости векового хода за период с 1978 года проявляют тенденцию к увеличению в северо-западном направлении района наблюдения, составляя величины до единицы нТл в год. Форма спокойных солнечно-суточных вариаций характерна для средних широт: у* — образная. 3 летние месяцы амплитуда наибольшая, 40-50 нТл, в зимние - наименьшая, IC-20 нТл. Магнитные возмущения редко достигают 200 нТл и длятся в среднем не более 2-3 суток.
Дано общее описание порядка организации и функционирования магнитометрической сети (рис.4), применяемых магнитометров типа ЫПП-I (разработка ОКБ й>3 АН СССР), обработки данных и разностной методики наблюдений. Магнитометрическая сеть расположена в геоструктурах Кйшого Тянь-Шаня и Таджикской депрессии. Отмечается, что среднеквадратическая ошибка идентификации тектономагнитных эффектов в районе наблюдений составляет 0,3-0,5 нТл.
В главе Ш дана интерпретация обнаруженных тектономагнитных эффектов, связанных с некоторыми землетрясениями Таджикистана за период с 1978 по 1990 годы. Сделаны некоторые уточнения и дополнения к известным моделям представлениям
о сейсмотектонических процессах и проявлениях тектоношгнит-нюс эффектов, а такеє выдвинуто предположение об их возможной природе.
На основании сопоставления аномалий в вариациях локального геомагнитного поля с периодами подготовки ?лестных землетрясений с магнитудой выше 5 (Душанбинского 16.12.80, Чимиокского 6.05.82, Газорчашинского 23.02.83, Дкиргаталь-ского 26.10.84, Кайраккумского 13.10.85, Каудальского 23.02,87, Иитионского 21.12.87, Гиссарского 22.01.89, а также землетрясений гиндукушской сейсмогекной зоны и Афганской депрессии) обнаружены следующие закономерности:
величины тектономагнигнкх эффектов составляют первые канотесла, редко достигая 10 нТл;
формы эффектов - бухтообразные как положительного, так и отрицательного знаков;
моменты землетрясений приурочены стадиям возврата временного хода с ейсмотекто немагнитных эффектов к фоновому уровню;
в так называемой ближней эпицентральной зоне подтверждаются эмпирические зависимости для её радиуса Rq (М) и длительности т_с (М);
в средней зоне длительности сейсмотектономаиштгалс эффектов подготовки землетрясений с магнитудой М убывают с ростом эпицентральдаго расстояния магнитометрических пунктов;
в дальней зоне (гиндукушские землетрясения и землетрясения Афганской депрессии) длительности сейсмотектономаг-нигкых эффектов не превышают одного-двух месяцев, отсутствуют принципиальные различия в эффектах глубокофокусных и неглубоких землетрясениях;
в очаговой зоне радиусом, примерно равном среднему радиусу очага по Ю.В.Ризниченко, могут наблюдаться эффекты и большой и малой величины; ,
проявляются анизотропность и мозаичность тектономаг-нитных эффектов;.
проявляются тектономагнигные эффекты на постсейсмиче-скои стадии.
Наиболее представительные из полученных - данные о среднесрочных сейсмотектономапштных эффектах, пространственно-
Бременвке масштабы проявления которых в ближней зоне логли-нейно зависят от магнвтуда.
Еухтообразность формы обнаруженных сейсмотектономагнит-ных эффектов соответствует представлениям геомеханнки об упруго-пластическом характере разрушения среды и модели консолидированного включения И.П.Добровольского, обнарухеїше величин тектономагнитных эффектов 8-Ю нТл даже для землетрясений с далёкими рпиценграми безотносительно глубин гипоцентров, исключает действие пьезомагнитного механизма как основного в условиях слабомагнитных свойств горных пород района исследований, приуроченность моментов основных толчков стадиям возврата хода сейсмотекгономагкитных эффектов независимо от эпицентральных расстояний свидетельствует о близкодействующем характере механизмов возникновения этих эффектов. Действие механизма фильтрации подземных флюидов и электрокинетических явлений в условиях градиентов тектонических напряжений в возникновении тектономагнитных эффектов возможно, однако предполагает существование фильтрации при небольших градиентах давлений величиной доли МПа на километр (пример проявления тектономагнитных эффектов гиндукушской зоны) и, кроме того, существование такого тонкого эффекта как образование двойного электрического слоя на границе флюидов с минеральными частицами вмещающей геосреды. В диссертации выдвигается предположение о возможном действии нового механизма возникновения тектономагнитных эффектов, в основе которых лежит известное в физико-химии явление диффузии ионов какого-либо энака с повышенной подвижностью на границе соприкосновения двух электролитов. Подземные воды тектоносфери, как известно, представляют собой электролиты, часто с весила высокой концентрацией ионов. Изменения в физическом состоянии геосреды во время подготовки землетрясений приводит к нарушению баланса ионов её влектролитов и, следовательно, к возникновению тока ионов. При этом должно происходить докальное разделение зарядов противоположного знака, изменения в электропроводности геосреды и возникновение соответствующих электрических потенциалов, аналогичных потенциалам течения.
Такие процессы подтверждаются измерениями деформаций земной коры, j (И.Л.Нерсесов и др., І99І), электротеллури-
?.з
ческого потенциала U (А.В.Пономарёв п др., 1991), текто-номагнитного эффекта S Т (Ф.Х.Каримов и др., 1989) в эпп-центральной области подготовки Дкиргатальского землетрясения 26.10.84. (рио.5).
-6 А
84г.
0,5-10
.вз
20 мВ

aU
Д^з-і
J2C5,
1,0 нТл
2(5,

ДТі-5
1Э80 81 82 03 84 85 голы
Рис.5. Аномалии геофизических полей перед Джиргатальским землетрясением 2-",. 10.84 г.
Возникновение аномалий электропроводности в областях подготовки местных зегллетрясений в радиусе R^ (Ы) также обнаружено по вариациям амплитуд солнечно-суточных геомагнитных вариаций в районе исследований (Ю.П.Сковородкин и др., 1986). В рамках выдвигаемой гипотезы возникновения тектономагнитных эффектов их знаки зависят от знаков ионов с наибольшей подвижностью, а анизотропность и мозаичнооть эсйектов - от направлений токов этих ионов относительно направления вектора лоїсального геомагнитного поля и относительно друг друга, соответственно.
В заключении сформулированы основные результаты диссертации, которые выносятся на защиту.