/>
Зубов А.Г., Кирьянов В.Ю.
Вулканическийпепел — удобный инструмент изучения истории вулканических извержений, посколькуможет быть обнаружен на большом расстоянии от источника, сохраняется взахороненном состоянии длительное время, имеет генетически обусловленныйминералогический состав. Существенным недостатком подавляющего большинстваизвестных методик исследований пород является их структурная чувствительность.А это препятствует идентификации отложений пеплов единого источникапроисхождения, но с разной структурой. Чувствительностью к магнито-минеральномусоставу и отсутствием структурной чувствительности обладает такиетермомагнитные параметры как температура Кюри (TC), намагниченностьнасыщения и поле насыщения. Наиболее чувствительным для нахождения TCявляется анализ температурной зависимости магнитной восприимчивости илииндуктивной намагниченности. Наличие пиков вблизи TC длямономинеральных фракций (эффект Гопкинсона) позволяет при работе со смесямимагнитных минералов более уверенно определять на кривой индивидуальные дляминералов TC.
Введение
Впроцессе исследований геологических объектов постоянно расширяется наборприменяемых методов. К простым, поверхностным, легкодоступным, в первую очередьвизуальным методикам с использованием цвета, текстуры, структуры, стратификациидобавляют распространенные инструментальные методы, такие как гранулометрия,оптическая минералогия, изучение морфологии пепловых частиц, химический,микрозондовый, нейтронно-активационный анализы, различные способы определениявозраста. Нередко их все же оказывается недостаточно для решения поставленныхзадач, и новые трудности заставляют продолжать искать другие методики. Методымагнитоминералогии обладают своими достоинствами, позволяющими добавить новыевозможности в исследованиях горных пород. Магнитные минералы являютсяпрактически непременным атрибутом горных пород, в том числе и вулканическихпеплов, и обладают множеством аппаратурно измеряемых характеристик, которыеможно привлечь для анализа изучаемых пород.
Вулканическийпепел — удобный инструмент изучения извержений, поскольку может быть обнаруженна большом расстоянии от источника, сохраняется в захороненном состояниидлительное время, имеет генетически обусловленный состав и структуру,используемые при геологических корреляциях. В работе [4] для идентификациивулканических пеплов использовались их магнито-гистерезисные свойства. Однако,этот метод, как и многие другие, обладает существенным для геологическихкорреляций недостатком. Главная трудность заключается в зависимости этихсвойств от размеров и формы изучаемых минералов. Иными словами,магнито-гистерезисные параметры являются структурно-чувствительными. Проблема втом, что в процессе воздушной транспортировки тефра подвергается гравитационнойи эоловой дифференциации, в результате которой крупность и процентноесоотношение минералов, выпавших на земную поверхность, изменяются по мереудаления от центра извержения. То есть структурная чувствительность методовпрепятствует правильной идентификации объекта при наличии дифференциации.
Кструктурно-нечувствительным параметрам, то есть независимым ни от размеров, ниот формы, ни от распределения минералов в породе, в магнетизме горных пород [2]относят поле насыщения, намагниченность насыщения и точку Кюри (TC)магнитного минерала. Известно, что основным носителем магнитных свойствизверженных пород являются титаномагнетиты. Поскольку TC дляприродных титаномагнетитов варьирует в диапазоне 100-578oC, взависимости от состава титана, это приводит к идее о возможности примененияэтого параметра для идентификации тефры. Можно привести пример удачногоиспользования TC для решения такой задачи [3]. Авторами по пемзе ишлакам выделен целый спектр TC (240,400,425,460,555oC),встречающихся в различных комбинациях в разных слоях отложений. Для определенияTC здесь использовался классический подход — анализ кривойтемпературной зависимости намагниченности насыщения.
Болеечувствительным для нахождения TC является анализ температурнойзависимости магнитной восприимчивости />(T).Наличие пиков вблизи TC для мономинеральных фракций (эффектГопкинсона) позволяет при работе со смесями магнитных минералов более уверенноопределять на кривой индивидуальные TC. Попытка применения такогометода анализа была осуществлена также в уже упомянутой работе [4] по пеплувулкана Фуэго (Гватемала). Кривые исходного образца, а так же его легкой итяжелой фракций оказались идентичными не только по точкам Кюри TC =300oC, но и вообще по форме. Это хороший пример структурнойнечувствительности по отношению к размерам частиц пепла.
Описание методики
/> рис. 1
Потехническим причинам вместо магнитной восприимчивости исследовалась индуктивнаянамагниченность (Ii). В малых полях между ними существует простаясвязь: Ii = />H, где H — устанавливаемое в эксперименте или естественное постоянное магнитное поле,действующее на измеряемый образец. В таком случае, кривые />(T)и Ii(T) по форме совершенно идентичны. Регулировки поля H позволяютподбирать пригодную для измерений величину выходного сигнала. Для измерениймагнетита достаточным оказалось поле H = 5 Э. Но для измерений образцов полепришлось поднимать до 30 — 40 Э. При этом пришлось смириться с тем, что по мереувеличения H эффект Гопкинсона ослабевает. Измерения Ii(T)производились на индукционном магнитометре с графической записью в процессемедленного нагрева.
Врезультате проведения экспериментов мы ожидали получить ответы на следующиевопросы:
Насколькособлюдается структурная нечувствительность метода, то есть, какова стабильностьрезультата при разном из-за дифференциации гранулометрическом составе одного итого же пепла? Иначе, насколько одинаковы результаты для пепла, отобранного наразном удалении от источника?
Естьли отличия в магнитных свойствах пеплов разных вулканов?
Различаютсяли магнитные свойства пеплов разных извержений одного вулкана?
/> Рис. 2
Опробованиеметода и калибровка были проведены на монокристалле магнетита. В результатеполучилась классическая кривая Ii(T) с постепенным ростом, яркимэффектом Гопкинсона и резким спадом в точке Кюри (рис.1, кривая«магнетит»). Образцами для наших исследований послужили небольшиенавески (~0,3 г) отдельных фракций пеплов разновозрастных извержений пятивулканов Камчатки: Безымянный, Ксудач, Опала, Хангар и Шивелуч (рис.2). Длякаждого образца были получены кривые основного и повторного нагревов для выявленияустойчивости присутствующего магнитного материала к нагревам.
Вулканическиепеплы обычно дают кривые Ii(T) с довольно широкими максимумами. Этообъясняется естественным разбросом характеристик присутствующих магнитныхминералов и уменьшением эффекта Гопкинсона при повышении поля H, требующегосядля получения приемлемого выходного сигнала аппаратуры. Но широкие максимумы непозволяют однозначно выявлять TC. Поэтому нами были использованыдругие температурные параметры T1, T2, T3 и т.д., названные здесь«характеристическими температурами» и раскрывающие связанные с TCособенности кривых. На кривой Ii(T) нетрудно увидеть ряд почтилинейных участков, через которые нетрудно провести аппроксимирующие прямые (см.рис.3). Точка пересечения прямой линии, аппроксимирующей участок крутоговысокотемпературного спада, с осью температур использовалась нами как перваяхарактеристическая точка — T1. Вторая характеристическая точка, T2, получаетсякак абсцисса точки пересечения той же прямой с линейной аппроксимациейближайшего плавного участка нашей кривой. T2 близка к TC, но гораздоболее определенна. T1 в совокупности с T2 характеризует такое свойство кривойкак крутизна спада на участке перехода минералов из ферримагнитной фазы впарамагнитную. Узкий диапазон смены фаз T2-T1 присущ для мономинеральныхмагнитных составляющих как на рисунке 1 кривая «магнетит».
Наличиена кривой других пиков характерного Гопкинсонского типа говорит о присутствии вобразце нескольких титаномагнетитовых фаз, либо других магнитных минералов. Прианализе они отмечаются парами характеристических температур T3-T4, T5-T6 и т.д.(рис.3). Повторение пиков при вторичном нагреве подтверждает их достоверность.
Результаты исследований.
/> Рис. 3
Формыкривых для исследованных образцов тефры можно разбить на 3 категории (рис.1):
Спостоянным плавным подъемом и резким спадом после пика. Классическая формакривой для минералов титано-магнетитового ряда.
Спостоянным плавным спадом или с чередованием плавных спадов и подъемов.
Сзаметно выраженными дополнительными пиками на плавной части.
Плавныеспады и частично подъемы обусловлены минералогическими изменениями в процессенагрева в воздушной среде за счет окисления или распада твердых растворовтитаномагнетитов, а также иных возможно присутствующих магнитных минералов. Этоподтверждается на кривых вторичных нагревов. Начальная амплитуда сигналавторичного нагрева бывает меньше или больше первоначальной в зависимости отсоотношения магнитных свойств разрушившихся и вновь образовавшихся магнитныхминералов. Чем больше разница амплитуд, тем больше кривые первичного ивторичного нагревов отличаются и по форме. Обычно по записям третий нагревдемонстрирует сходство со вторым, что говорит о наступающей стабилизацииминералогического состава по отношению к температурным воздействиям.
Своднаядиаграмма характеристических температур всех исследованных образцовпредставлена на рисунке 4. Видно, что пеплы разных вулканов имеют разнуюстабильность магнито-минеральной составляющей к нагревам. Наиболее стабильныпеплы вулкан Шивелуч. Наиболее неустойчивы пеплы вулкана Ксудач. Довольноблизкие результаты получились по разным фракциям одного и того же пепла вулканаШивелуч. В то же время пепел вулкана Хангар, собранный на разных удалениях отисточника, демонстрирует заметные различия в результатах анализа. Оченьпривлекательно для целей идентификации наличие дополнительныххарактеристических температур у пеплов вулканов Безымянный, Ксудач и Хангар.
Тефра вулкана Шивелуч.
/> Рис. 4
Дляизучения были взяты пеплы известного маркирующего горизонта Ш3(рис.2, точки 345 и 80009) с календарным возрастом />650 летн. э. [1] и пепловая составляющая одного из современных пирокластическихпотоков 1964 года (т. 8110). Горизонт Ш3 на небольшом расстоянии отвулкана (т. 345) текстурирован и разбивается на 2 подгоризонта (слоя). Верхнийслой представлен тонким пеплом, а нижний — грубым. Кривые Ii(T)имеют классическую для титаномагнетитов форму (рис.1, тип 1), довольноустойчивы к нагревам. Разные фракции нижнего слоя и мелкая фракция смесиверхнего и нижнего слоя дали одинаковый результат. Такой же результат получилсяпо пеплу горизонта Ш3, отобранного с удаленной на 160 км от вулканаточки 80009. На таком удалении этот горизонт потерял свою текстурированность ивыглядит как однородный слой. В то же время мелкая фракция из верхнего слоя далаповышенные характеристические температуры T1 при повторных нагревах (записьпервого нагрева получилась бракованной).
Пепелпирокластического потока при первом нагреве выдал более высокотемпературный,чем у остальных изученных образцов пепла Шивелуча, диапазон T1-T2. Приповторных нагревах диапазон T1-T2 расширился и сместился вниз, тем самым онстал похож на результат повторных нагревов верхнего слоя Ш3.Различия с пеплом Ш3 могут быть обусловлены не толькопринадлежностью к разным извержениям, но и иными условиями происхождения.
Пеплы вулкана Безымянный.
Изучалисьпеплы современных извержений, взятые недалеко от источника (рис.2, точки 69,10185, 7486, 7586, 7686). Для анализа использовалась довольно мелкая фракция56-71 мкм для всех образцов, кроме образца, отобранного в точке 69. Упоследнего анализировалась фракция 71-125 мкм. Диапазон T1-T2 у всех образцовпепла этого вулкана гораздо шире, чем у пеплов вулкана Шивелуч. Выделяющейсяособенностью термомагнитных свойств пеплов Безымянного извержения 1986 года(точки 7486, 7586, 7686) является наличие вторых пиков Гопкинсона (рис.1, тип3) и соответствующих характеристических температур T3-T4 в диапазоне 350-400oC(рис.3 и 4). На записях образцов предшествующих извержений 1969 (т.69) и 1985гг. (т.10185) годов эта особенность не обнаруживается.
Пепел вулкана Хангар.
Все3 образца пепла этого вулкана от извержения, имеющего календарный возраст />5800 лет до н. э. [1], представлены одной фракцией63-125 мкм. Они отобраны на разном удалении от источника (рис.2, точки 85220,625, 345). Записи демонстрируют кривые 2-го и 3-го типов. Наиболее интересенрезультат по образцу, отобранному в наиболее дальней от вулкана точке 345 (г.Ключи). На кривой первого нагрева обнаруживаются 3 пары характеристическихтемператур: T1-T2, T3-T4, T5-T6. Причем T1-T2 соответствует характеристическимтемпературам магнетита. На кривой второго нагрева этот диапазон уже невыделяется, но остальные пары T3-T4 и T5-T6 подтверждаются.
Пепел вулкана Опала.
Дляэксперимента взята фракция 63-125 мкм от извержения />600 летн. э. [1]. Один образец пепла отобран недалеко от вулкана (рис.2, т.86008), двадругих — в районе г.Петропавловск-Камчатский в 90-100 км от вулкана (точки86254 и 86042). Кривые Ii(T) имеют форму 2 типа. Сравнительно узкийдиапазон T1-T2 получился у образца, отобранного ближе к вулкану. У остальныхдиапазон T1-T2 довольно широкий.
Пепел вулкана Ксудач.
Изученодин образец фракции 63-125 мкм, отобранный (рис.2, т.345) на самом большомудалении (540 км) от вулкана-источника из всех нами изученных. Календарныйвозраст пепла />240 лет н. э. [1]. Запись кривой Ii(T)получилась не очень качественная из-за слабого выходного сигнала. Тем не менее,в середине кривой удается выделить характерный скачок фазового переходамагнетика (T3=400oC, T4=389oC). Подобный скачокпоявляется при повторном нагреве, но он оказывается заметно сдвинутым так, чтодиапазоны T3-T4 первичного и повторного нагревов не перекрываются. В целом этикривые по особенностям похожи на кривые пеплов вулкана Безымянного извержения1986 года. Отличие в более широких диапазонах T1-T2 и значительно более узкихдиапазонах T3-T4. Поскольку исследован пока только один образец и полученазапись с высоким уровнем шумов, здесь требуются дополнительные испытания.
Выводы
Исследованиягрубого пепла нижней части горизонта Ш3 вулкана Шивелуч показалинезависимость результатов от размеров частиц пепла. В то же время замеченынекоторые отличия характеристической температуры T1 тонкого пепла из верхнейчасти этого горизонта.
Парахарактеристических температур T1-T2 у всех изученных пеплов имеет близкиевеличины, что пока не позволяет использовать их как идентифицирующий признак.Однако ширина диапазона T1-T2 у пеплов разных вулканов отличается в несколькораз, что в некоторых случаях может помочь различать пеплы разных вулканов.
Наличиедополнительных пар характеристических температур T3-T4, T5-T6 и т.д. являетсяхорошим идентифицирующим признаком. Так, во всех исследованных пеплах вулканаБезымянный извержения 1986 года проявились характеристические температуры T3-T4в диапазоне 350-400oC.
Возможноразличение пеплов разных извержений одного вулкана по термомагнитнымпараметрам. К примеру, пеплы извержений Безымянного 1969 и 1985 годов не даютспецифических для пеплов извержения 1986 года характеристических температурT3-T4. Следует обратить внимание и на значимое различие T1-T2 у пепла изсовременного пирокластического потока вулкана Шивелуч от T1-T2 пепла горизонтаШ3 исторического извержения этого вулкана.
Следуетотметить неоднозначность некоторых результатов. Это относится к дополнительнымхарактеристическим температурам в пеплах изучаемого извержения вулкана Хангар,которые проявились только на одном образце из трех, отобранном на наибольшемудалении от источника. Возможные причины — разная степень сохранности первичныхмагнитных минералов, существенное повышение вследствие глубокойгравитационно-эоловой дифференциации на большой дистанции переносаотносительной концентрации мелкого магнитного минерала. Этот минерал напониженном фоне других магнитных минералов мог проявить свои специфическиемагнитные свойства, подавленные на кривых записей образцов ближней зоны отбора.
Проведеннаяработа является поисковой и не претендует на окончательные выводы.
Авторывыражают благодарность О.А.Гириной за любезно предоставленные образцы пепловвулкана Безымянный.
Список литерватуры
БрайцеваО.А., Сулержицкий Л.Д., Пономарёва В.В., Мелекесцев И.В. Геохронологиякрупнейших эксплозивных извержений Камчатки в голоцене и их отражение вГренландском ледниковом щите // Докл. РАН. 1997. Т. 352. N4. С. 516-518.
ХрамовА.Н., Гончаров Г.И., Комиссарова Р.А. и др. Палеомагнитология / Под ред.А.Н.Храмова. Л.: Недра. 312 с.
Momose K., Kobayashi K., Minagawa K., and Machida M. Identificationof tephra by means of ferromagnetic minerals in pumice // Bulletin of theEarthquake Research Institute. 1968. V. 46. P. 1275-1292.
Pawse A., Beske-Diehl S., and Marshall S.A. Use of magnetichysteresis properties and electron spin resonance spectroscopy for theidentification of volcanic ash: a preliminary study // Geophys. J. Int.1998. V. 132. P. 712-720.