5281-1 (О возможности использования термомагнитных параметров для идентификации вулканических пеплов)

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).