Естественная остаточная намагниченность горных пород

Ранее было показано, что при намагничивании породы во время ее остывания в слабом магнитном поле возникает высокая и устойчивая остаточная намагниченность. Этим и объясняется естественная остаточная намагниченность Jn горных пород, что хорошо подтверждается, в частности, намагниченностью вулканических лав нашего времени: остывшие лавы действующих вулканов обладают остаточной намагниченностью в десятки и даже сотню раз больше индуцированной современным полем.
Для обозначения естественной остаточной намагниченности введено специальное обозначение Jn в отличие от Jr ввиду того, что остаточная намагниченность горных пород далеко не во всех случаях сохраняется полностью на протяжении геологических времен, хотя она и обладает высокой стабильностью. Работами различных исследователей, и особенно работами И.Г. Кенигсбергера, на основании экспериментального определения Jn изверженных пород различного возраста установлено, что отношение Q=Jn:Ji уменьшается с увеличением возраста пород. Есть положительные опыты использования отношения Q для возрастной корреляции пород в предположении устойчивости его для различных геологических отрезков времени.
Как уже отмечалось выше, изучение направления Jn используется для определения положения геомагнитного полюса в то геологическое время, к которому относится образование пород. В этом случае предъявляются определенные требования к методике отбора образцов и к предварительным исследованиям по выяснению стабильности Jn.
Ho не все опытные данные согласуются с обоснованным предположением о совпадении направления Jn с направлением вектора геомагнитного поля в эпоху образования пород. Имеются в виду, конечно, не случаи изменения положения намагниченных пород в пространстве вследствие тектонических подвижек, а условия спокойного залегания. В 30-х годах на территории бывш. Советского Союза были обнаружены магнитные аномалии над магнетитовыми телами Ангаро-Илимского месторождения с направлением Za, противоположным случаям нормального намагничивания. Аномалия над одним из таких тел и направление векторов Jn, измеренных по образцам, показаны на рис. 20. Аэромагнитной съемкой на территории Восточно-Сибирской платформы в области развития трапповых излияний обнару;ено огромное количество аномалий такого же типа, чередующихся с обычными; много аномалий с преобладающими отрицательными значениями Za и разнообразным направлением Jn установлено на площади развития эффузивных пород в Армении и в других районах.

Различное направление Jn обнаружено в отдельных горизонтах осадочных толщ с систематическим чередованием параллельного и антипараллельного земному полю, на основании чего возникла гипотеза о периодической инверсии земного магнитного поля. Эта гипотеза в некоторых случаях используется и при объяснении случаев обратной намагниченности изверженных пород. Однако следует считать доказанным, что она неприменима к Ангаро-Илимским месторождениям и во многих других случаях. Названное месторождение представлено многими одновозрастными телами, между тем там наблюдаются как обычные «положительные», так и «отрицательные» аномалии (определения даны в кавычках ввиду того, что каждая аномалия состоит из совокупности положительных и отрицательных значений Za; в данном случае определения даны по знаку высоких значений Za). Кроме того, направления Jn, как в данном случае, так и во многих других не дают оснований для утверждения о намагниченности пород по направлению или противоположно направлению земного поля; статистическая закономерность проявляется лишь в том, что в одном случае векторы Jn беспорядочно распределены в верхнем, а в другом — в нижнем полупространстве.
Первая попытка объяснить обратную полярность руд Ангаро-Илимского месторождения принадлежит Л.Д. Берсудскому. Опираясь на установленные геологические факты об отложении магнетитовых руд после образования вмещающих магнитных пород по каналам и трещинам внутри последних, Л.Д. Берсудский обоснованно считал, что магнетитовые руды в процессе своего образования находились в суммарном поле Земли и вмещающих пород. Размагничивающее поле вмещающих пород в трещинах противоположно земному, и если оно было больше последнего, то руды намагничивались в слабом магнитном поле, противоположном земному.
М.А. Грабовский экспериментально подтвердил возможность обратного намагничивания одной из фаз двухфазной системы. Он использовал модель из двух плоских пластин магнетита (х = 1,1 СГС, т. Кюри = 560° С) и заключенной между ними пластинки пирротина (х = 0,1 СГС, т. Кюри = 320° С). Эта система нагревалась выше точки Кюри магнетита, а затем при остывании намагничивалась в земном поле. После остывания магнитное поле над моделью характеризовалось кривой с двумя максимумами над пластинками магнетита и минимумом над пластинкой пирротина с положительным Zа (рис. 21, а). Магнитное поле Zа над пирротиновой пластинкой после удаления магнетитовых тел оказалось отрицательным, т. е. пирротин намагнитился противоположно направлению земного поля (рис. 21, б). При изменении некоторых условий опыта, а именно при включении пирротиновой пластинки в нагретом состоянии в термонамагниченную охлажденную систему из двух магнетитовых пластин, удалось получить (после остывания) ясно выраженный минимум над пирротином с отрицательным значением Zа (рис. 21, в).
Однако этот опыт не объясняет полностью обратной намагниченности рудных тел Ангаро-Илимского района прежде всего потому, что там не все руды имеют жильный характер и не все жильные образования намагничены противоположно земному полю.

Кроме того, потребовалось бы допустить размагничивание вмещающих пород после образования магнетитовых руд либо вследствие малой коэрцитивной силы, либо вследствие изменения их состава. В экспериментах М.А. Грабовского первое предположение имеет некоторое основания: в указанных условиях термонамагничивания пирротиновый образец обладал коэрцитивной силой 35—40 э, а магнетитовые — только 1—1,3 э.
А.А. Смелов тщательно изучил магнитные поля, характер намагниченности, минералогический состав руд, условия залегания и современные представления о генезисе Ангаро-Илимских месторождений. Он пришел к заключению, что обратная полярность возникла у магнетита, выпадавшего из твердого раствора m(Fe,Mg)О*Fe2O3*nFe3O4*qyFe2O3.
Предполагается, что твердый раствор вблизи точки Кюри при остывании был намагничен по направлению земного поля. При дальнейшем охлаждении выделяющийся из него магнетит намагничивался во внутреннем поле твердого раствора, имевшем направление, обратное земному, и по величине превосходившем земное.
Для объяснения обратной намагниченности пород представляют большой интерес экспериментальные данные Т. Нагата, подтверждающие теорию Нееля об одной из возможных причин самообращения намагниченности. Из породы, обладающей обратной намагниченностью, с помощью магнитной сепарации были отобраны ферромагнитные минералы. Отобранные зерна по термонамагниченности Ja (рис. 22) разделились на три группы: группа А имеет точку Кюри 540° С, группа В — 220° С, третья группа оказалась двухфазной. По точкам Кюри двухфазной системы видно, что зерна третьей группы AB состоят из фазы А и фазы В, это подтверждено рентгеновским анализом. Возникновение обратной термоостаточной намагниченности породы Т. Нагата объясняет следующим образом. Фаза А в ферромагнитном зерне типа AB при остывании намагничивается раньше фазы В, поскольку первая имеет более высокую точку Кюри. Фаза В намагничивается в размагничивающем поле фазы А, и зерно в целом приобретает обратную намагниченность. Порода в целом будет намагничена так же при условии преобладания обратной намагниченности фазы AB сравнительно с нормальной намагниченностью А и В.

Б.В. Гусев экспериментально определял остаточную намагниченность образцов интрузивных пород одного из районов Восточной Сибири, в том числе образцов из массивов ультраосновных пород (оливинит, перидотит), отмеченных на карте магнитного поля отрицательными магпитными аномалиями, достигающими при наземной съемке 1 э. Естественная остаточная намагниченность образцов пород, создающих отрицательные аномалии, оказалась по направлению противоположной современному магнитному полю Земли. При нагревании образцов до 600° С и последующем охлаждении до комнатной температуры они приобретали термоостаточную намагниченность по направлению намагничивающего земного поля; после длительной выдержки (до 1,5 лет) направление остаточной намагниченности не изменилось.
Кривые размагничивания при повышении температуры указывают на наличие двух фаз — низкотемпературной (точка Кюри 300—400° С) и высокотемпературной (точка Кюри около 600° С); при остывании намагничивание происходит по кривой, свойственной однофазной системе.
При нагревании образцов до 800° С нормальная термоостаточная намагниченность (т. е. совпадающая по направлению с намагничивающим земным полем) сохранялась ограниченное время; после 10—30 дней выдержки образца в условиях лабораторной температуры положительное направление остаточной намагниченности изменялось на противоположное, т. е. восстанавливалось направление естественной остаточной намагниченности образца (рис. 23).

Подвергавшиеся исследованию образцы рудного оливинита и перидотита содержали свыше 30% магнетита, богаты окислами FeO (30-35%), MgO (6% и более), TiO2 (15-20%).
Наблюденному явлению дается следующее объяснение. При температуре в интервале от 600 до 800° С восстанавливается твердый раствор титапомагнетита. При остывании он намагничивается по направлению намагничивающего поля. В дальнейшем происходит распад твердого вещества, выделяющийся при этом магнетит намагничивается во внутреннем поле твердого раствора, имеющем направление, противоположное внешнему намагничивающему полю.
В зависимости от степени распада образовавшийся магнетит может приобрести столь высокую намагниченность, что суммарная намагниченность сохранившегося титаномагнетита и выделившегося магнетита будет иметь направление, противоположное намагничивающему полю.