Properties of Orthogonal Diagrams and Arai-Nagata Diagrams on Titanium-Magnetite-Containing Basalts with Laboratory-Induced Mutually Perpendicular Thermoremanent and Chemical Remanent Magnetizations

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The role of secondary magnetization for determining the characteristic component and paleointensity in basaltic rocks in which the carrier of remanent magnetization is titanomagnetite of varying oxidation states is assessed. For this purpose, laboratory experiments were performed on basalt from the Reykjanes underwater ridge (North Atlantic) to create the “primary” total thermoremanent magnetization TRM (formed after holding the samples at 600°Cfor some time with subsequent cooling in a magnetic field of 50 μT) and the «secondary» chemical remanent magnetization CRM perpendicular to it (imposed during subsequent 200-hour exposure at 350°Cin the field of the same size). The time monitoring of changes in the TRM and CRM components was carried out directly at the temperature of 350°C. Thellier experiments were performed on samples with laboratorygenerated total remanent magnetizations, and the results were used to construct Arai–Nagata and Zijderveld diagrams. It was shown that CRM is formed on new ferrimagnetic phases resulting from the oxidation of the unstable titanomagnetite fraction, and its intensity critically depends on the oxidation state of the original material. In all the obtained diagrams, differently inclined linear segments are distinguished in the following intervals: low-temperature (LT) from 20–350°Cto 450°C, medium-temperature (MT) from 450–475°Cto 500–530°C, and high-temperature (HT) from 500–530°Cto 560–600°C. It is shown that the presence of a secondary component leads to errors in determining both paleodirection and paleointensity based on the primary component, and these errors are the greater, the larger the secondary CRM is in relation to the primary TRM. A new criterion for the reliability of paleomagnetic data is proposed, which applies to both paleointensity and paleodirections: the secondary component should be several times smaller in magnitude than the primary one.

About the authors

S. K. Gribov

Borok Geophysical Observatory, Schmidt Institute of Physics of the Earth, Russian Academy of Sciences

Email: gribov@borok.yar.ru
Borok, Yaroslavl Region

V. P. Shcherbakov

Borok Geophysical Observatory, Schmidt Institute of Physics of the Earth, Russian Academy of Sciences

Email: shcherbakovv@list.ru
Borok, Yaroslavl Region

V. A. Tselmovich

Borok Geophysical Observatory, Schmidt Institute of Physics of the Earth, Russian Academy of Sciences

Email: tselm@mail.ru
Borok, Yaroslavl Region

N. A. Aphinogenova

Borok Geophysical Observatory, Schmidt Institute of Physics of the Earth, Russian Academy of Sciences

Email: aphina312@mail.ru
Borok, Yaroslavl Region

References

  1. Белоконь В.И., Кучма Ф.С., Соппа И.В. Некоторые закономерности образования остаточной намагниченности в процессе химических превращений, сопровождающихся изменением точки Кюри продуктов реакции // Физика Земли. 1995. № 11. С. 84–91.
  2. Белоконь В.И., Соппа И.В., Семкин С.В. Образование химической остаточной намагниченности в процессе роста спонтанной намагниченности продуктов реакции. Химическая намагниченность: теория и эксперимент. Владивосток: изд-во ДВГУ. 1991. С. 3–13.
  3. Гапеев А.К., Грибов С.К. Оценка скоростей однофазного окисления зерен магнетита в условиях земной поверхности // Физика Земли. 1997. № 8. С. 70–75.
  4. Грибов С.К. Оценка влияния процессов однофазного окисления и последующего распада природных титаномагнетитов на результаты определения палеонапряженности методом Телье (по данным лабораторного моделирования). "Палеомагнетизм и магнетизм горных пород: теория, практика, эксперимент". Материалы Международной школы-семинара по проблемам палеомагнетизма и магнетизма горных пород. Санкт-Петербург, Петергоф 3–7 октября 2016. Ярославль: Филигрань. 2016. С. 40–47. ISBN 978-5-906682-69-7
  5. Грибов С.К. Экспериментальное исследование влияния химического намагничивания титаномагнетитсодержащих базальтов на результаты определения палеонапряженности методом Телье // Геофизические исследования. 2017. Т. 18. № 1. С. 37–48. https://doi.org/10.21455/gr2017.1–3
  6. Грибов С.К., Долотов А.В., Щербаков В.П. Экспериментальное моделирование химической остаточной намагниченности и методики Телье на титаномагнетитсодержащих базальтах // Физика Земли. 2017. № 2. С. 109–128. doi: 10.7868/S0002333717010069
  7. Грибов С.К., Щербаков В.П., Афиногенова Н.А. Лабораторное моделирование метода определения палеонапряженности по процедуре Телье–Коэ на породах, несущих TCRM. Проблемы геокосмоса. Материалы 12-й международной школы-конференции. Санкт-Петербург, Петергоф. 8-12 октября 2018 г. СПб.: изд-во ВВМ. 2018. С. 64–70.
  8. Грибов С.К., Щербаков В.П., Цельмович В.А., Афиногенова Н.А. Свойства термохимической остаточной намагниченности, образованной при медленном лабораторном охлаждении титаномагнетитсодержащих базальтовых образцов от различных температур, и результаты применения к ней методики Телье // Физика Земли. 2021. № 6. С. 107–121. https://doi.org/10.31857/S0002333721060016
  9. Грибов С.К., Щербаков В.П., Цельмович В.А., Афиногенова Н.А. Свойства термохимической остаточной намагниченности, полученной на базальтовых образцах, содержащих примесные титаномагнетиты с повышенной термостабильностью // Физика Земли. 2022. № 6. С. 72–89. https://doi.org/10.31857/S0002333722060035
  10. Максимочкин В.И., Грачев Р.А., Целебровский А.Н. Определение поля формирования искусственной CRM и pTRM методом Телье на различных стадиях окисления природного титаномагнетита // Физика Земли. 2020. № 3. С. 134–146. https://doi.org/10.31857/S0002333720030047
  11. Максимочкин В.И., Грачев Р.А., Целебровский А.Н. Влияние однофазного окисления титаномагнетита в базальтах на определение величины и направления древнего магнитного поля // Физика Земли. 2022. № 2. С. 73–87. https://doi.org/10.31857/S0002333722020077
  12. Палеомагнитология / Храмов А.Н. (ред.). Ленинград: Недра. 1982. 312 с.
  13. Хайг Г. Возникновение остаточной намагниченности при химических изменениях. Палеомагнетизм / Петрова Г.Н. (ред.) М.: ИЛ. 1962. С. 67–86.
  14. Шрейдер А.А., Беляев И.И., Попов Э.А., Пальшин Н.А., Трухин В.И., Кашинская И.В. Геомагнитные исследования в рифтовой зоне хребта Рейкьянес. Рифтовая зона хребта Рейкьянес / А.П. Лисицин, Л.П. Зоненшайн (ред.). М.: Наука. 1990. С. 62–78.
  15. Щербаков В.П., Сычева Н.К., Грибов С.К. Экспериментальное и численное моделирование процесса образования химической остаточной намагниченности и методики Телье // Физика Земли. 2017. № 5. С. 30–43. https://doi.org/10.7868/S0002333717040081
  16. Щербакова В.В., Жидков Г. В., Щербаков В.П., Голованова И.В., Данукалов К.Н., Сальманова Р.Ю. Ультранизкая напряженность геомагнитного поля в девоне по породам Южного Урала // Физика Земли. 2021. № 6. С. 93–106. https://doi.org/10.31857/s0002333721060077
  17. Biggin A.J., Paterson G.A. A new set of qualitative reliability criteria to aid inferences on palaeomagnetic dipole moment variations through geological time // Front. Earth Sci. 2014. V. 2. https://doi.org/10.3389/feart.2014.00024
  18. Coe R.S. The determination of paleointensities of the Earth's magnetic field with special emphasis on mechanisms which could cause nonideal behavior in Thellier method // J. Geomag. Geoelectr. 1967. V. 19. № 3. P. 157–179. https://doi.org/10.5636/jgg.19.157
  19. Coe R.S., Grommé C.S., Mankinen E.A. Geomagnetic paleointensities from radiocarbon-dated lava flows on Hawaii and the question of the Pacific nondipole low // J. Geophys. Res.: Solid Earth, 1978. V. 83. № B4. P. 1740–1756. https://doi.org/10.1029/JB083iB04p01740
  20. Draeger U., Prévot M., Poidras T., Riisager J. Single-domain chemical, thermochemical and thermal remanences in a basaltic rock // Geophys. J. Int. 2006. V. 166. № 1. P. 12–32. https://doi.org/10.1111/j.1365-246X.2006.02862.x
  21. Dunlop D., Özdemir Ö. Effect of grain size and domain state on thermal demagnetization tails // Geophys. Res. Lett. 2000. V. 27. № 9. P. 1311–1314. https://doi.org/10.1029/1999gl008461
  22. Dunlop D., Özdemir Ö. Rock Magnetism. Fundamentals and Frontiers. Cambridge Univ. Press. N.Y. 1997. 573 pp. https://doi.org/10.1017/CBO9780511612794
  23. Fabian K. A theoretical treatment of paleointensity determination experiments on rocks containing pseudo-single or multi domain magnetic particles // Earth planet. Sci. Lett. 2001. V. 188. № 1–2. P. 45–58. https://doi.org/10.1016/S0012-821X(01)00313-2
  24. Gapeev A.K., Gribov S.K. Kinetics of single-phase oxidation of titanomagnetite // Phys. Earth Planet. Inter. 1990. V. 63. № 1–2. P. 58–65. https://doi.org/10.1016/0031-9201(90)90059-7
  25. Gribov S.K., Shcherbakov V.P., Aphinogenova N.A. Magnetic properties of artificial CRM created on titanomagnetite-bearing oceanic basalts. Recent advances in rock magnetism, environmental magnetism and paleomagnetism / Nurgaliev D., Shcherbakov V., Kosterov A., Spassov S. (eds.). Cham: Springer. 2019. P. 173–194. https://doi.org/10.1007/978-3-319-90437-5_14
  26. Lhuillier F., Shcherbakov V.P., Sycheva N.K. Detecting dipolarity of the geomagnetic field in the paleomagnetic record // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2023. V. 120. № 25. e2220887120. https://doi.org/10.1073/pnas.2220887120
  27. Nagata T., Arai Y., Momose K. Secular variation of the geomagnetic total force during the last 5000 years // J. Geophys. Res. 1963. V. 68. № 18. P. 5277–5281. https://doi.org/10.1029/j.2156-2202.1963.tb00005.x
  28. Néel L. Some theoretical aspects of rock-magnetism // Advances in Physics. 1955. V. 4. № 14. P. 191–243. https://doi.org/10.1080/00018735500101204
  29. Nishitani T., Kono M. Curie temperature and lattice constant of oxidized titanomagnetite // Geophys. J. R. Astr. Soc. 1983. V. 74. № 2. P. 585–600. https://doi.org/10.1111/j.1365-246X.1983.tb01890.x
  30. Paterson G.A., Tauxe L., Biggin A.J., Shaar R., Jonestrask L.C. On improving the selection of Thellier-type paleointensity data // Geochem. Geophys. Geosyst. 2014. V. 15. № 4. P. 1180–1192. https://doi.org/10.1002/2013GC005135
  31. Prévot M., Mankinen E., Grommé S., Lecaille A. High paleointensities of the geomagnetic field from thermomagnetic studies on rift valley pillow basalts from the Mid-Atlantic Ridge // J. Geophys. Res. 1983. V. 88. № B3. P. 2316–2326. https://doi.org/10.1029/JB088iB03p02316
  32. Riisager P., Riisager J. Detecting multidomain magnetic grains in Thellier palaeointensity experiments // Phys. Earth Planet. Inter. 2001. V. 125. № 1-4. P. 111–117. https://doi.org/10.1016/S0031-9201(01)00236-9
  33. Selkin P.A., Tauxe L. Long-term variations in palaeointensity // Philos. Trans. R. Soc. London, ser. A. 2000. V. 358. № 1768. P. 1065–1088. https://doi.org/10.1098/rsta.2000.0574
  34. Shcherbakov V.P., Gribov S.K., Lhuillier F., Aphinogenova N.A., Tsel'movich V.A. On the reliability of absolute palaeointensity determinations on basaltic rocks bearing a thermochemical remanences // J. Geophys. Res. 2019. V. 124. № 8. P. 7616–7632. https://doi.org/10.1029/2019JB017873
  35. Shcherbakov V.P., Lhuiller F., Gribov S.K., Tselmovich V.A., Aphinogenova N.A. Potential bias in volcanic paleomagnetic records due to superimposed chemical remanent magnetization // Geophys. Res. Lett. 2024. V. 51. № 12. e2024GL109630. https://doi.org/10.1029/2024GL109630
  36. Shcherbakov V.P., Lhuillier F., Sycheva N.K. Exact analytical solution for kinetic equations describing thermochemical remanences acquisition for single-domain grains: implications for absolute paleointensity determinations // J. Geophys. Res. 2021. V. 126. e2020JB021536. https://doi.org/10.1029/2020JB021536
  37. Shcherbakov V. P., Shcherbakova V. V. On the suitability of the Thellier method of palaeointensity determinations on pseudo-single-domain and multidomain grains // Geophys. J. Int. 2001. V. 146. № 1. P. 20–30. https://doi.org/10.1046/j.0956-540x.2001.01421.x
  38. Shcherbakov V.P., Shcherbakova V.V., Vinogradov Y.K., Heider F. Thermal stability of pTRMs created from different magnetic states // Phys. Earth planet. Inter. 2001. V. 126. № 1–2. P. 59–73. https://doi.org/10.1016/S0031-9201(01)00244-8
  39. Shcherbakov V.P., Zhidkov G.V. Multivectorial paleointensity determination by the Thellier method // Journal of Geophysical Research: Solid Earth. 2006. V. 111. №. B12S32. https://doi.org/10.1029/2006JB004504
  40. Shcherbakova V.V., Shcherbakov V.P., Heider F. Properties of partial thermoremanent magnetization in PSD and MD magnetite grains // J. Geophys. Res. 2000. V. 105. № B1. P. 767–782. https://doi.org/10.1029/1999JB900235
  41. Shcherbakov V. P., Shcherbakova V. V. On the suitability of the Thellier method of palaeointensity determinations on pseudo-single-domain and multidomain grains // Geophys. J. Int. 2001. V. 146. № 1. P. 20–30. https://doi.org/10.1046/j.0956-540x.2001.01421.x
  42. Stacey F.D., Banerjee S.K. The Physical Principles of the Rock Magnetism, Amsterdam: Elsevier. 1974. 195 pp.
  43. Thellier E., Thellier O. Sur l'intensité du champ magnétique terrestre dans le passé historique et géologique // Ann. Geophys. 1959. V. 15. № 3. P. 285–376.
  44. Van der Voo R. The reliability of paleomagnetic data // Tectonophysics. 1990. V. 184. № 1. P. 1–9. https://doi.org/10.1016/0040-1951(90)90116-P
  45. Wang D., Van der Voo R. The hysteresis properties of multidomain magnetite and titanomagnetite/titanomaghemite in mid-ocean ridge basalts // Earth and Planet. Sci. Lett. 2004. V. 220. № 1–2. P. 175–184. https://doi.org/10.1016/S0012-821X(04)00052-4
  46. Yu Y., Dunlop D.J. Multivectorial paleointensity determination from the Cordova Gabbro, southern Ontario // Earth Planet. Sci. Lett. 2002. V. 203. № 3–4. P. 983–998. https://doi.org/10.1016/S0012-821X(02)00900-7
  47. Zijderveld J.D.A. AC Demagnetization of Rocks: Analysis of Results. Methods in Palaeomagnetism / D.V. Collins, K.M. Creer, S.K. Runcorn. (eds.). Amsterdam: Elsevier. 1967. P. 254–286

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).