Статья: О возможности использования термомагнитных параметров для идентификации вулканических пеплов

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^o C, 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^o C), 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^o C, но и вообще по форме. Это хороший пример структурной нечувствительности по отношению к размерам частиц пепла.

Описание методики

рис. 1

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?

Рис. 2

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.

Рис. 3

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.

Рис. 4

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^o C (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^o C, T4=389^o C). 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^o C.

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.

--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--