Про можливість використання термомагнітного параметрів для ідентифікації вулканічного попелу

Зубов А.Г., Кирьянов В.Ю.

Вулканічний попіл - зручний інструмент вивчення історії вулканічних вивержень, оскільки може бути виявлений на великій відстані від джерела, що зберігається в захороненням стані тривалий час, має генетично обумовлений мінералогічний склад. Істотним недоліком переважної більшості відомих методик досліджень порід є їх структурна чутливість. А це перешкоджає ідентифікації відкладень попелом єдиного джерела походження, але з різною структурою. Чутливістю до магніто-мінеральному складом і відсутністю структурної чутливості має такі термомагнітного параметри як температура Кюрі (TC), намагніченість насичення і поле насичення. Найбільш чутливим для знаходження TC є аналіз температурної залежності магнітної сприйнятливості або індуктивного намагніченості. Наявність піків поблизу TC для мономінеральних фракцій (ефект Гопкінсона) дозволяє при роботі з сумішами магнітних мінералів більш впевнено визначати на кривій індивідуальні для мінералів TC.

Вступ

В процесі досліджень геологічних об'єктів постійно розширюється набір застосовуваних методів. До простих, поверхневим, легкодоступним, в першу чергу візуальним методами з використанням кольору, текстури, структури, стратифікації додають поширені інструментальні методи, такі як гранулометрія, оптична мінералогія, вивчення морфології Попільні часток, хімічний, мікрозондовий, нейтронно-активаційний аналізи, різні способи визначення віку. Нерідко їх все ж таки виявляється недостатньо для вирішення поставлених завдань, і нові труднощі змушують продовжувати шукати інші методики. Методи магнітомінералогіі володіють своїми достоїнствами, що дозволяють додати нові можливості в дослідженнях гірських порід. Магнітні мінерали є практично неодмінним атрибутом гірських порід, у тому числі і вулканічних попелом, і володіють безліччю апаратурно вимірюваних характеристик, які можна залучити для аналізу досліджуваних порід.

Вулканічний попіл - зручний інструмент вивчення вивержень, оскільки може бути виявлений на великій відстані від джерела, зберігається в похованні стані тривалий час, має генетично обумовлений склад і структуру, що використовуються при геологічної кореляції. У роботі [4] для ідентифікації вулканічного попелу використовувалися їх магніто-гістерезисна властивості. Однак, цей метод, як і багато інших, має істотний для геологічних кореляцій недоліком. Головна трудність полягає в залежності цих властивостей від розмірів та форми, що вивчаються мінералів. Іншими словами, магніто-гістерезисна параметри є структурно-чутливими. Проблема в те, що в процесі повітряної транспортування тефра піддається гравітаційної і еолової диференціації, в результаті якої крупність і процентний співвідношення мінералів, що випали на земну поверхню, змінюються в міру віддалення від центру виверження. Тобто структурна чутливість методів перешкоджає правильної ідентифікації об'єкта при наявності диференціації.

До структурно-нечутливим параметрами, тобто незалежним ні від розмірів, ні від форми, ні від розподілу мінералів в породі, в магнетизм гірських порід [2] відносять поле насичення, намагніченість насичення і точку Кюрі (TC) магнітного мінералу. Відомо, що основним носієм магнітних властивостей вивержених порід є титаномагнетиту. Оскільки TC для природних титаномагнетиту варіює в діапазоні 100-578oC, в залежно від складу титану, це приводить до ідеї про можливість застосування цього параметра для ідентифікації тефри. Можна навести приклад вдалого використання TC для вирішення такого завдання [3]. Авторами по пемзи і шлакам виділений цілий спектр TC (240,400,425,460,555 oC), зустрічаються в різних комбінаціях у різних шарах відкладень. Для визначення TC тут використовувався класичний підхід - аналіз кривої температурної залежності намагніченості насичення.

Більше чутливим для знаходження TC є аналіз температурної залежності магнітної сприйнятливості (T). Наявність піків поблизу TC для мономінеральних фракцій (ефект Гопкінсона) дозволяє при роботі з сумішами магнітних мінералів більш упевнено визначати на кривій індивідуальні TC. Спроба застосування такого методу аналізу була здійснена також у вже згаданій роботі [4] з попелу вулкана Фуего (Гватемала). Криві вихідного зразка, а так само його легкої і важкої фракцій виявилися ідентичними не тільки за точками Кюрі TC = 300oC, але і взагалі за формою. Це хороший приклад структурної нечутливості по відношенню до розмірів часток попелу.

Опис методики        

            

рис.   1     

З технічних причин замість магнітної сприйнятливості досліджувалася індуктивна намагніченість (Ii). У малих полях між ними існує проста зв'язок: Ii = H , де H - встановлюється в експерименті або природне постійне магнітне поле, що діє на вимірюваний зразок. У такому випадку, криві (T) і Ii (T) за формою абсолютно ідентичні. Регулювання поля H дозволяють підбирати придатну для вимірювань величину вихідного сигналу. Для вимірювань магнетиту достатнім виявилося поле H = 5 Е. Але для вимірювань зразків поле довелося піднімати до 30 - 40 Е. При цьому довелося змиритися з тим, що в міру збільшення H ефект Гопкінсона слабшає. Вимірювання Ii (T) вироблялися на індукційне магнітометри з графічною записом у процесі повільного нагрівання.

В результаті проведення експериментів ми очікували отримати відповіді на наступні питання:

Наскільки дотримується структурна нечутливість методу, тобто, яка стабільність результату при різному через диференціації гранулометричним складі одного і того ж попелу? Інакше, наскільки однакові результати для попелу, відібраного на різній відстані від джерела?

Є Чи існують відмінності в магнітних властивостях попелом різних вулканів?

Розрізняються Чи магнітні властивості попелом різних вивержень вулкана одного?        

            

Рис. 2     

Випробування методу і калібрування були проведені на монокристали магнетиту. У результаті вийшла класична крива Ii (T) з поступовим зростанням, яскравим ефектом Гопкінсона і різким спадом в точці Кюрі (рис.1, крива "магнетит"). Зразками для наших досліджень послужили невеликі навішування (~ 0,3 г) окремих фракцій попелом різновікових вивержень п'яти вулканів Камчатки: Безіменний, Ксудач, Опала, Хангар і Шивелуч (рис.2). Для кожного зразка були отримані криві основного і повторного нагрівів для виявлення стійкості присутнього магнітного матеріалу до нагрівання.

Вулканічні попелу зазвичай дають криві Ii (T) з досить широкими максимумами. Це пояснюється природним розкидом характеристик присутніх магнітних мінералів і зменшенням ефекту Гопкінсона при підвищенні поля H, потрібної для отримання прийнятного вихідного сигналу апаратури. Але широкі максимум не дозволяють однозначно виявляти TC. Тому нами були використані інші температурні параметри T1, T2, T3 і т.д., названі тут "характеристичним температурами" і розкривають пов'язані з TC особливості кривих. На кривий Ii (T) неважко побачити ряд майже лінійних ділянок, через які неважко провести апроксимуючих прямі (див. рис.3). Точка перетину прямої лінії, апроксимуючої ділянку крутого високотемпературного спаду, з віссю температур використовувалася нами як перша характеристична точка - T1. Друга характеристична точка, T2, виходить як абсциса точки перетину тієї ж прямої з лінійної апроксимацією найближчого плавного ділянки нашої кривої. T2 близька до TC, але набагато більш визначена. T1 в сукупності з T2 характеризує таку властивість кривий як крутизна спаду на ділянці переходу мінералів з феррімагнітной фази в парамагнітних. Вузький діапазон зміни фаз T2-T1 властивий для мономінеральних магнітних складових як на малюнку 1 крива "магнетит".

Наявність на кривій інших піків характерного Гопкінсонского типу говорить про присутність в зразку декількох титаномагнетитових фаз, або інших магнітних мінералів. При аналізі вони відзначаються парами характеристичних температур T3-T4, T5-T6 і т.д. (рис.3). Повторення піків при вторинному нагріванні підтверджує їх достовірність.

Результати досліджень.        

            

Рис.   3     

Форми кривих для досліджених зразків тефри можна розбити на 3 категорії (рис.1):

З постійним плавним підйомом і різким спадом після піку. Класична форма кривий для мінералів титано-магнетитового ряду.

З постійним плавним спадом або з чергуванням плавних спадів і підйомів.

З помітно вираженими додатковими піками на плавної частини.

Плавні спади і підйоми частково обумовлені мінералогічним змінами в процесі нагрівання в повітряному середовищі за рахунок окислення або розпаду твердих розчинів титаномагнетиту, а також інших можливо присутніх магнітних мінералів. Це підтверджується на кривих вторинних нагрівів. Початкова амплітуда сигналу вторинного нагріву буває менше або більше первісної залежно від співвідношення магнітних властивостей що зруйнувалися і знову утворилися магнітних мінералів. Чим більше різниця амплітуд, тим більше криві первинного і вторинного нагрівів відрізняються і за формою. Зазвичай за записами третій нагрів демонструє схожість з другим, що говорить про наступаючу стабілізації мінералогічного складу по відношенню до температурних впливів.

Зведена діаграма характеристичних температур всіх досліджених зразків представлена на малюнку 4. Видно, що попелу різних вулканів мають різну стабільність магніто-мінеральної складової до нагріву. Найбільш стабільні попелу вулкан Шивелуч. Найбільш нестійкі попелу вулкану Ксудач. Досить близькі результати вийшли з різних фракцій одного і того ж попелу вулкана Шивелуч. У той же час попіл вулкана Хангар, зібраний на різних віддалення від джерела, демонструє помітні відмінності в результатах аналізу. Дуже привабливо для цілей ідентифікації наявність додаткових характеристичних температур у попелом вулканів Безіменний, Ксудач і Хангар.

Тефра вулкана Шивелуч.        

            

Рис.   4     

Для вивчення були взяті попелу відомого маркувальне горизонту Ш3 (рис.2, точки 345 і 80009) до календарного віком 650 років н. е.. [1] і Попільні складова одного із сучасних пірокластичні потоків 1964 року (т. 8110). Горизонт Ш3 на невеликій відстані від вулкана (т. 345) текстуровані і розбивається на 2 подгорізонта (шару). Верхній шар представлений тонким попелом, а нижній - грубим. Криві Ii (T) мають класичну для титаномагнетиту форму (рис.1, тип 1), досить стійкі до нагрівання. Різні фракції нижнього шару і дрібна фракція суміші верхнього та нижнього шару дали однаковий результат. Такий же результат вийшов з попелу горизонту Ш3, відібраного з віддаленого на 160 км від вулкана точки 80009. На такій відстані цей обрій втратив свою текстурування і виглядає як однорідний шар. У той же час дрібна фракція з верхнього шару дала підвищені характеристичні температури T1 при повторних нагріву (запис першого нагріву вийшла бракованої).

Попіл пірокластичні потоку при першому нагріванні видав понад високотемпературний, ніж в інших вивчених зразків попелу Шивелуч, діапазон T1-T2. При повторних нагріву діапазон T1-T2 розширився і змістився вниз, тим самим він став схожий на результат повторних нагрівів верхнього шару Ш3. Відмінності з попелом Ш3 можуть бути обумовлені не тільки приналежністю до різних вивержень, а й іншими умовами походження.

попелом вулкана Безіменний.

Вивчалися попелу сучасних вивержень, взяті недалеко від джерела (рис.2, точки 69, 10185, 7486, 7586, 7686). Для аналізу використовувалася досить дрібна фракція 56-71 мкм для всіх зразків, крім зразка, відібраного в точці 69. В останнього аналізувалася фракція 71-125 мкм. Діапазон T1-T2 у всіх зразків попелу цього вулкана набагато ширше, ніж у попелом вулкана Шивелуч. Вирізняється особливою термомагнітного властивостей попелом Безіменного виверження 1986 року (точки 7486, 7586, 7686) є наявність другу піків Гопкінсона (рис.1, тип 3) і відповідних характеристичних температур T3-T4 в діапазоні 350-400oC (рис.3 і 4). На записах зразків попередніх вивержень 1969 (т.69) і 1985 рр.. (т.10185) років ця особливість не виявляється.

Попіл вулкану Хангар.

Всі 3 зразка попелу цього вулкана від виверження, що має календарний вік 5800 років до н. е.. [1], представлені однією фракцією 63-125 мкм. Вони відібрані на різному видаленні від джерела (рис.2, точки 85220, 625, 345). Записи демонструють криві 2-го і 3-го типів. Найбільш цікавий результат по зразком, відібраного в найбільш далекої від вулкана точці 345 (м. Ключі). На кривий першого нагріву виявляються 3 пари характеристичних температур: T1-T2, T3-T4, T5-T6. Причому T1-T2 відповідає характеристичним температур магнетиту. На кривої другого нагрівання цей діапазон вже не виділяється, але інші пари T3-T4 і T5-T6 підтверджуються.

Попіл вулкану Опала.

Для експерименту взята фракція 63-125 мкм від виверження 600 років н. е.. [1]. Один зразок попелу відібраний недалеко від вулкана (рис.2, т.86008), два інших - в районі г.Петропавловск-Камчатський в 90-100 км від вулкана (точки 86254 та 86042). Криві Ii (T) мають форму 2 типу. Порівняно вузький діапазон T1-T2 вийшов у зразка, відібраного ближче до вулкану. У решти діапазон T1-T2 досить широкий.

Попіл вулкану Ксудач.

Вивчено один зразок фракції 63-125 мкм, відібраний (рис.2, т.345) на самому великому відстані (540 км) від вулкана-джерела з всіх нами вивчених. Календарний вік попелу 240 років н. е.. [1]. Запис кривої Ii (T) вийшла не дуже якісна через слабкий вихідного сигналу. Тим не менш, у середині кривої вдається виділити характерний стрибок фазового переходу магнетика (T3 = 400oC, T4 = 389oC). Подібний стрибок з'являється при повторному нагріванні, але він виявляється помітно зрушеним так, що діапазони T3-T4 первинного і повторного нагрівів не перекриваються. В цілому ці криві за особливостями схожі на криві попелом вулкана Безіменного виверження 1986 року. Відмінність в більш широких діапазонах T1-T2 і значно більш вузьких діапазонах T3-T4. Оскільки досліджено поки що тільки один зразок і отримана запис з високим рівнем шумів, тут потрібні додаткові випробування.

Висновки

Дослідження грубого попелу нижній частині горизонту Ш3 вулкана Шивелуч показали незалежність результатів від розмірів часток попелу. У той же час помічені деякі відмінності характеристичної температури T1 тонкого попелу з верхньої частини цього горизонту.

Пара характеристичних температур T1-T2 у всіх вивчених попелом має близькі величини, що поки не дозволяє використовувати їх як ідентифікує ознака. Однак ширина діапазону T1-T2 у попелом різних вулканів відрізняється в кілька разів, що в деяких випадках може допомогти розрізняти попелу різних вулканів.

Наявність додаткових пар характеристичних температур T3-T4, T5-T6 і т.д. є хорошим ідентифікую?? їм ознакою. Так, у всіх досліджених попелом вулкана Безіменний виверження 1986 проявилися характеристичні температури T3-T4 в діапазоні 350-400oC.

Можливо розрізнення попелом різних вивержень вулкана одного з термомагнітного параметрами. Приміром, попелу вивержень Безіменного 1969 і 1985 років не дають специфічних для попелом виверження 1986 характеристичних температур T3-T4. Слід звернути увагу і на значущу відмінність T1-T2 у сажі з сучасного пірокластичні потоку вулкана Шивелуч від T1-T2 попелу горизонту Ш3 історичного виверження цього вулкана.

Слід відзначити неоднозначність деяких результатів. Це відноситься до додаткових характеристичним температур у попелі вивчається виверження вулкану Хангар, які проявилися тільки на одному зразку з трьох, відібраному на найбільшому видаленні від джерела. Можливі причини - різний ступінь схоронності первинних магнітних мінералів, істотне підвищення внаслідок глибокої гравітаційно-еолової диференціації на великій дистанції переносу відносної концентрації дрібного магнітного мінералу. Цей мінерал на зниженому тлі інших магнітних мінералів міг проявити свої специфічні магнітні властивості, пригнічені на кривих записів зразків ближньої зони відбору.

Проведена робота є пошуковою і не претендує на остаточні висновки.

Автори висловлюють подяку О. А. Гирина за люб'язно надані зразки попелом вулкана Безіменний.

Список літерватури

Брайцева О.А., Сулержіцкій Л.Д., Пономарьова В.В., Мелекесцев І.В. Геохронологія найбільших експлозівних вивержень Камчатки в голоцені та їх відображення в Гренландському льодовиковому щиті// Докл. РАН. 1997. Т. 352. N4. С. 516-518.

Храмов А.Н., Гончаров Г.І., Комиссарова Р.А. та ін Палеомагнітологія/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.