О возможности использования термомагнитных параметров для идентификации вулканических пеплов

Зубов А.Г., Кирьянов В.Ю.

Вулканический пепел - удобный инструмент изучения истории вулканических извержений, поскольку может быть обнаружен на большом расстоянии от источника, сохраняется в захороненном состоянии длительное время, имеет генетически обусловленный минералогический состав. Существенным недостатком подавляющего большинства известных методик исследований пород является их структурная чувствительность. А это препятствует идентификации отложений пеплов единого источника происхождения, но с разной структурой. Чувствительностью к магнито-минеральному составу и отсутствием структурной чувствительности обладает такие термомагнитные параметры как температура Кюри (T_C), намагниченность насыщения и поле насыщения. Наиболее чувствительным для нахождения T_C является анализ температурной зависимости магнитной восприимчивости или индуктивной намагниченности. Наличие пиков вблизи T_C для мономинеральных фракций (эффект Гопкинсона) позволяет при работе со смесями магнитных минералов более уверенно определять на кривой индивидуальные для минералов T_C.

Введение

В процессе исследований геологических объектов постоянно расширяется набор применяемых методов. К простым, поверхностным, легкодоступным, в первую очередь визуальным методикам с использованием цвета, текстуры, структуры, стратификации добавляют распространенные инструментальные методы, такие как гранулометрия, оптическая минералогия, изучение морфологии пепловых частиц, химический, микрозондовый, нейтронно-активационный анализы, различные способы определения возраста. Нередко их все же оказывается недостаточно для решения поставленных задач, и новые трудности заставляют продолжать искать другие методики. Методы магнитоминералогии обладают своими достоинствами, позволяющими добавить новые возможности в исследованиях горных пород. Магнитные минералы являются практически непременным атрибутом горных пород, в том числе и вулканических пеплов, и обладают множеством аппаратурно измеряемых характеристик, которые можно привлечь для анализа изучаемых пород.

Вулканический пепел - удобный инструмент изучения извержений, поскольку может быть обнаружен на большом расстоянии от источника, сохраняется в захороненном состоянии длительное время, имеет генетически обусловленный состав и структуру, используемые при геологических корреляциях. В работе [4] для идентификации вулканических пеплов использовались их магнито-гистерезисные свойства. Однако, этот метод, как и многие другие, обладает существенным для геологических корреляций недостатком. Главная трудность заключается в зависимости этих свойств от размеров и формы изучаемых минералов. Иными словами, магнито-гистерезисные параметры являются структурно-чувствительными. Проблема в том, что в процессе воздушной транспортировки тефра подвергается гравитационной и эоловой дифференциации, в результате которой крупность и процентное соотношение минералов, выпавших на земную поверхность, изменяются по мере удаления от центра извержения. То есть структурная чувствительность методов препятствует правильной идентификации объекта при наличии дифференциации.

К структурно-нечувствительным параметрам, то есть независимым ни от размеров, ни от формы, ни от распределения минералов в породе, в магнетизме горных пород [2] относят поле насыщения, намагниченность насыщения и точку Кюри (T_C) магнитного минерала. Известно, что основным носителем магнитных свойств изверженных пород являются титаномагнетиты. Поскольку T_C для природных титаномагнетитов варьирует в диапазоне 100-578^oC, в зависимости от состава титана, это приводит к идее о возможности применения этого параметра для идентификации тефры. Можно привести пример удачного использования T_C для решения такой задачи [3]. Авторами по пемзе и шлакам выделен целый спектр T_C (240,400,425,460,555^oC), встречающихся в различных комбинациях в разных слоях отложений. Для определения T_C здесь использовался классический подход - анализ кривой температурной зависимости намагниченности насыщения.

Более чувствительным для нахождения T_C является анализ температурной зависимости магнитной восприимчивости (T). Наличие пиков вблизи T_C для мономинеральных фракций (эффект Гопкинсона) позволяет при работе со смесями магнитных минералов более уверенно определять на кривой индивидуальные T_C. Попытка применения такого метода анализа была осуществлена также в уже упомянутой работе [4] по пеплу вулкана Фуэго (Гватемала). Кривые исходного образца, а так же его легкой и тяжелой фракций оказались идентичными не только по точкам Кюри T_C = 300^oC, но и вообще по форме. Это хороший пример структурной нечувствительности по отношению к размерам частиц пепла.

Описание методики

 По техническим причинам вместо магнитной восприимчивости исследовалась индуктивная намагниченность (I_i). В малых полях между ними существует простая связь: I_i = H, где H - устанавливаемое в эксперименте или естественное постоянное магнитное поле, действующее на измеряемый образец. В таком случае, кривые (T) и I_i(T) по форме совершенно идентичны. Регулировки поля H позволяют подбирать пригодную для измерений величину выходного сигнала. Для измерений магнетита достаточным оказалось поле H = 5 Э. Но для измерений образцов поле пришлось поднимать до 30 - 40 Э. При этом пришлось смириться с тем, что по мере увеличения H эффект Гопкинсона ослабевает. Измерения I_i(T) производились на индукционном магнитометре с графической записью в процессе медленного нагрева.

В результате проведения экспериментов мы ожидали получить ответы на следующие вопросы:

Насколько соблюдается структурная нечувствительность метода, то есть, какова стабильность результата при разном из-за дифференциации гранулометрическом составе одного и того же пепла? Иначе, насколько одинаковы результаты для пепла, отобранного на разном удалении от источника?

Есть ли отличия в магнитных свойствах пеплов разных вулканов?

Различаются ли магнитные свойства пеплов разных извержений одного вулкана?

Опробование метода и калибровка были проведены на монокристалле магнетита. В результате получилась классическая кривая I_i(T) с постепенным ростом, ярким эффектом Гопкинсона и резким спадом в точке Кюри (рис.1, кривая "магнетит"). Образцами для наших исследований послужили небольшие навески (~0,3 г) отдельных фракций пеплов разновозрастных извержений пяти вулканов Камчатки: Безымянный, Ксудач, Опала, Хангар и Шивелуч (рис.2). Для каждого образца были получены кривые основного и повторного нагревов для выявления устойчивости присутствующего магнитного материала к нагревам.

Вулканические пеплы обычно дают кривые I_i(T) с довольно широкими максимумами. Это объясняется естественным разбросом характеристик присутствующих магнитных минералов и уменьшением эффекта Гопкинсона при повышении поля H, требующегося для получения приемлемого выходного сигнала аппаратуры. Но широкие максимумы не позволяют однозначно выявлять T_C. Поэтому нами были использованы другие температурные параметры T1, T2, T3 и т.д., названные здесь "характеристическими температурами" и раскрывающие связанные с T_C особенности кривых. На кривой I_i(T) нетрудно увидеть ряд почти линейных участков, через которые нетрудно провести аппроксимирующие прямые (см. рис.3). Точка пересечения прямой линии, аппроксимирующей участок крутого высокотемпературного спада, с осью температур использовалась нами как первая характеристическая точка - T1. Вторая характеристическая точка, T2, получается как абсцисса точки пересечения той же прямой с линейной аппроксимацией ближайшего плавного участка нашей кривой. T2 близка к T_C, но гораздо более определенна. T1 в совокупности с T2 характеризует такое свойство кривой как крутизна спада на участке перехода минералов из ферримагнитной фазы в парамагнитную. Узкий диапазон смены фаз T2-T1 присущ для мономинеральных магнитных составляющих как на рисунке 1 кривая "магнетит".

Наличие на кривой других пиков характерного Гопкинсонского типа говорит о присутствии в образце нескольких титаномагнетитовых фаз, либо других магнитных минералов. При анализе они отмечаются парами характеристических температур T3-T4, T5-T6 и т.д. (рис.3). Повторение пиков при вторичном нагреве подтверждает их достоверность.

Результаты исследований.

 Формы кривых для исследованных образцов тефры можно разбить на 3 категории (рис.1):

С постоянным плавным подъемом и резким спадом после пика. Классическая форма кривой для минералов титано-магнетитового ряда.

С постоянным плавным спадом или с чередованием плавных спадов и подъемов.

С заметно выраженными дополнительными пиками на плавной части.

Плавные спады и частично подъемы обусловлены минералогическими изменениями в процессе нагрева в воздушной среде за счет окисления или распада твердых растворов титаномагнетитов, а также иных возможно присутствующих магнитных минералов. Это подтверждается на кривых вторичных нагревов. Начальная амплитуда сигнала вторичного нагрева бывает меньше или больше первоначальной в зависимости от соотношения магнитных свойств разрушившихся и вновь образовавшихся магнитных минералов. Чем больше разница амплитуд, тем больше кривые первичного и вторичного нагревов отличаются и по форме. Обычно по записям третий нагрев демонстрирует сходство со вторым, что говорит о наступающей стабилизации минералогического состава по отношению к температурным воздействиям.

Сводная диаграмма характеристических температур всех исследованных образцов представлена на рисунке 4. Видно, что пеплы разных вулканов имеют разную стабильность магнито-минеральной составляющей к нагревам. Наиболее стабильны пеплы вулкан Шивелуч. Наиболее неустойчивы пеплы вулкана Ксудач. Довольно близкие результаты получились по разным фракциям одного и того же пепла вулкана Шивелуч. В то же время пепел вулкана Хангар, собранный на разных удалениях от источника, демонстрирует заметные различия в результатах анализа. Очень привлекательно для целей идентификации наличие дополнительных характеристических температур у пеплов вулканов Безымянный, Ксудач и Хангар.

Тефра вулкана Шивелуч.

 Для изучения были взяты пеплы известного маркирующего горизонта Ш₃ (рис.2, точки 345 и 80009) с календарным возрастом 650 лет н. э. [1] и пепловая составляющая одного из современных пирокластических потоков 1964 года (т. 8110). Горизонт Ш₃ на небольшом расстоянии от вулкана (т. 345) текстурирован и разбивается на 2 подгоризонта (слоя). Верхний слой представлен тонким пеплом, а нижний - грубым. Кривые I_i(T) имеют классическую для титаномагнетитов форму (рис.1, тип 1), довольно устойчивы к нагревам. Разные фракции нижнего слоя и мелкая фракция смеси верхнего и нижнего слоя дали одинаковый результат. Такой же результат получился по пеплу горизонта Ш₃, отобранного с удаленной на 160 км от вулкана точки 80009. На таком удалении этот горизонт потерял свою текстурированность и выглядит как однородный слой. В то же время мелкая фракция из верхнего слоя дала повышенные характеристические температуры T1 при повторных нагревах (запись первого нагрева получилась бракованной).

Пепел пирокластического потока при первом нагреве выдал более высокотемпературный, чем у остальных изученных образцов пепла Шивелуча, диапазон T1-T2. При повторных нагревах диапазон T1-T2 расширился и сместился вниз, тем самым он стал похож на результат повторных нагревов верхнего слоя Ш₃. Различия с пеплом Ш₃ могут быть обусловлены не только принадлежностью к разным извержениям, но и иными условиями происхождения.

Пеплы вулкана Безымянный.

Изучались пеплы современных извержений, взятые недалеко от источника (рис.2, точки 69, 10185, 7486, 7586, 7686). Для анализа использовалась довольно мелкая фракция 56-71 мкм для всех образцов, кроме образца, отобранного в точке 69. У последнего анализировалась фракция 71-125 мкм. Диапазон T1-T2 у всех образцов пепла этого вулкана гораздо шире, чем у пеплов вулкана Шивелуч. Выделяющейся особенностью термомагнитных свойств пеплов Безымянного извержения 1986 года (точки 7486, 7586, 7686) является наличие вторых пиков Гопкинсона (рис.1, тип 3) и соответствующих характеристических температур T3-T4 в диапазоне 350-400^oC (рис.3 и 4). На записях образцов предшествующих извержений 1969 (т.69) и 1985 гг. (т.10185) годов эта особенность не обнаруживается.

Пепел вулкана Хангар.

Все 3 образца пепла этого вулкана от извержения, имеющего календарный возраст 5800 лет до н. э. [1], представлены одной фракцией 63-125 мкм. Они отобраны на разном удалении от источника (рис.2, точки 85220, 625, 345). Записи демонстрируют кривые 2-го и 3-го типов. Наиболее интересен результат по образцу, отобранному в наиболее дальней от вулкана точке 345 (г. Ключи). На кривой первого нагрева обнаруживаются 3 пары характеристических температур: T1-T2, T3-T4, T5-T6. Причем T1-T2 соответствует характеристическим температурам магнетита. На кривой второго нагрева этот диапазон уже не выделяется, но остальные пары T3-T4 и T5-T6 подтверждаются.

Пепел вулкана Опала.

Для эксперимента взята фракция 63-125 мкм от извержения 600 лет н. э. [1]. Один образец пепла отобран недалеко от вулкана (рис.2, т.86008), два других - в районе г.Петропавловск-Камчатский в 90-100 км от вулкана (точки 86254 и 86042). Кривые I_i(T) имеют форму 2 типа. Сравнительно узкий диапазон T1-T2 получился у образца, отобранного ближе к вулкану. У остальных диапазон T1-T2 довольно широкий.

Пепел вулкана Ксудач.

Изучен один образец фракции 63-125 мкм, отобранный (рис.2, т.345) на самом большом удалении (540 км) от вулкана-источника из всех нами изученных. Календарный возраст пепла 240 лет н. э. [1]. Запись кривой I_i(T) получилась не очень качественная из-за слабого выходного сигнала. Тем не менее, в середине кривой удается выделить характерный скачок фазового перехода магнетика (T3=400^oC, T4=389^oC). Подобный скачок появляется при повторном нагреве, но он оказывается заметно сдвинутым так, что диапазоны T3-T4 первичного и повторного нагревов не перекрываются. В целом эти кривые по особенностям похожи на кривые пеплов вулкана Безымянного извержения 1986 года. Отличие в более широких диапазонах T1-T2 и значительно более узких диапазонах T3-T4. Поскольку исследован пока только один образец и получена запись с высоким уровнем шумов, здесь требуются дополнительные испытания.

Выводы

Исследования грубого пепла нижней части горизонта Ш₃ вулкана Шивелуч показали независимость результатов от размеров частиц пепла. В то же время замечены некоторые отличия характеристической температуры T1 тонкого пепла из верхней части этого горизонта.

Пара характеристических температур T1-T2 у всех изученных пеплов имеет близкие величины, что пока не позволяет использовать их как идентифицирующий признак. Однако ширина диапазона T1-T2 у пеплов разных вулканов отличается в несколько раз, что в некоторых случаях может помочь различать пеплы разных вулканов.

Наличие дополнительных пар характеристических температур T3-T4, T5-T6 и т.д. является хорошим идентифицирующим признаком. Так, во всех исследованных пеплах вулкана Безымянный извержения 1986 года проявились характеристические температуры T3-T4 в диапазоне 350-400^oC.

Возможно различение пеплов разных извержений одного вулкана по термомагнитным параметрам. К примеру, пеплы извержений Безымянного 1969 и 1985 годов не дают специфических для пеплов извержения 1986 года характеристических температур T3-T4. Следует обратить внимание и на значимое различие T1-T2 у пепла из современного пирокластического потока вулкана Шивелуч от T1-T2 пепла горизонта Ш₃ исторического извержения этого вулкана.

Следует отметить неоднозначность некоторых результатов. Это относится к дополнительным характеристическим температурам в пеплах изучаемого извержения вулкана Хангар, которые проявились только на одном образце из трех, отобранном на наибольшем удалении от источника. Возможные причины - разная степень сохранности первичных магнитных минералов, существенное повышение вследствие глубокой гравитационно-эоловой дифференциации на большой дистанции переноса относительной концентрации мелкого магнитного минерала. Этот минерал на пониженном фоне других магнитных минералов мог проявить свои специфические магнитные свойства, подавленные на кривых записей образцов ближней зоны отбора.  

Проведенная работа является поисковой и не претендует на окончательные выводы.

Авторы выражают благодарность О.А.Гириной за любезно предоставленные образцы пеплов вулкана Безымянный.

Список литерватуры

Брайцева О.А., Сулержицкий Л.Д., Пономарёва В.В., Мелекесцев И.В. Геохронология крупнейших эксплозивных извержений Камчатки в голоцене и их отражение в Гренландском ледниковом щите // Докл. РАН. 1997. Т. 352. N4. С. 516-518.

Храмов А.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. Identification of tephra by means of ferromagnetic minerals in pumice // Bulletin of the Earthquake Research Institute. 1968. V. 46. P. 1275-1292.

Pawse A., Beske-Diehl S., and Marshall S.A. Use of magnetic hysteresis properties and electron spin resonance spectroscopy for the identification of volcanic ash: a preliminary study // Geophys. J. Int. 1998. V. 132. P. 712-720.