Dating of lava flows of the Avacha volcano, Kamchatka, from paleomagnetic data

Full Text

Введение

Авачинский – действующий вулкан типа Сомма-Везувий, расположенный в южной части Восточного вулканического пояса Камчатки, в 25–30 км к северу от Петропавловска-Камчатского. Он входит в Авачинскую группу вулканов и состоит из соммы позднеплейстоценового возраста, образованной около 30 тыс. лет назад (л.н.) [Мелекесцев и др., 1991], и активного Молодого конуса (рис. 1), начавшего формироваться ∼3800 л.н. [Базанова и др., 2003]. Породы вулкана представлены базальтами, андезибазальтами, андезитами и дацитами.

Для эруптивной деятельности Молодого конуса характерны эксплозивные и эксплозивно-эффузивные извержения. Основной тип эксплозивных извержений – вулканский. Достоверно известно, что излияния лавы происходили в 1827, 1894–1895, 1926 и 1991 гг., ее объем, как правило, не превышал 15 × 10⁶ м³ [Мелекесцев и др., 1993; 1994; Заварицкий, 1935].

 

Рис. 1. Исследованные лавовые потоки вулкана Авачинский: (а) – действующий Молодой конус и лавовые потоки Л1, Л2 у его подножья. Вид с юго–юго-запада; (б) – останец лавового потока Л3 на северо-западном гребне соммы. Стрелкой показан участок палеомагнитного опробования. На дальнем плане – вулкан Корякский. Номера образцов и координаты места их отбора (см. табл. 1).

 

Лавовые потоки на склонах вулкана датировать довольно сложно. Разрешение изотопных методов недостаточно при расчленении относительно молодых немых эффузивных толщ [Сергеев и др., 2015]. Определение возраста по соотношению с маркирующими горизонтами тефры в подстилающих и перекрывающих почвенно-пирокластических чехлах по методике [Брайцева и др., 1978] также исключено ввиду плохой сохранности здесь пепловых горизонтов. В этом случае вполне допустима оценка возраста лавовых потоков вулкана путем сопоставления результатов палеомагнитного анализа лав с характеристиками палеовековых вариаций магнитного поля в регионе и Земли в целом, известными из литературных источников. Однако следует отметить, что информация о палеовековых вариациях геомагнитного поля на Камчатке из-за отсутствия палеомагнитных данных по четвертичным вулканическим породам полуострова и всей северо-западной Пацифики достаточно скудна. В последних математических моделях вариаций геомагнитного поля [Korte et al., 2011; Nilsson et al., 2014; Panovska et al., 2018] данные по Камчатке полностью отсутствуют. Большая часть имеющихся материалов об особенностях палеомагнетизма в голоцене и позднем плейстоцене Камчатки [Алыпова, 1967; Аверьянов, Штейнберг, 1979; Добрецова и др., 1982; Кочегура и др., 1986], несмотря на безусловный интерес и методическую ценность, не отвечает современным мировым аппаратурно-методическим стандартам качества палеомагнитных исследований. Наиболее надежные сведения о вековых вариациях геомагнитного поля Камчатки в голоцене получены по лавовым потокам вулканов Ключевской и Толбачик [Латышев и др., 2017] и их, несомненно, можно использовать.

Целью работы является пополнение базы данных магнитохронологической шкалы Камчатки для позднего плейстоцена–голоцена и уточнение возраста лавовых потоков вулкана Авачинский с использованием результатов их палеомагнитного изучения, что, в свою очередь, расширит существующие представления о характере деятельности вулкана, включая и эффузивную составляющую.

Объект исследований и методика экспериментов

Нами были исследованы 7 ориентированных образцов андезибазальтов-базальтов, отобранных из 3 лавовых потоков вулкана Авачинский, обозначенных здесь и далее как Л1–Л3. Лавовые потоки Молодого конуса Л1, Л2 опробованы в верховьях Пади Лавовой, левого истока р. Сухая Халактырская (рис. 1а). Их возраст менее 3800 лет [Мелекесцев и др., 1993; Базанова и др., 2003]. Л1 бронирует южный склон Молодого конуса, с постепенным наращиванием своих масштабов к подножью. На высоте ∼1050 м этот лавовый поток со слабо наклонной поверхностью заканчивается крутым фронтальным уступом, достигая мощности ∼15 м. Ближе к вершине он перекрыт лавами более поздних излияний. В том же южном секторе конуса прослеживается и лавовый поток Л2 с отчетливыми очертаниями и видимой мощностью до 10–15 м в прифронтальной части. На контакте с обрывистыми стенками старого позднеплейстоценового кратера, он залегает почти субгоризонтально, заполняя пологое ложе атрио и формируя лавовую ступень, а выше по склону перекрывается лавовым потоком Л1 (рис. 1а). Поток Л3 принадлежит сохранившейся части более древней постройки Авачинского вулкана, возраст которой оценивается в 30–50 тыc. лет [Мелекесцев и др., 1991; Брайцева и др., 1994]. Он находится на северо-западном гребне соммы в виде отпрепарированного скального останца высотой не менее 20 м, отвесная сторона которого, обращенная к центру вулкана, отвечает, по сути, его поперечному сечению (рис. 1б). Отбор образцов осуществлялся вручную с ориентировкой маркируемых плоскостей при помощи геологического компаса. Величина местного магнитного склонения D = –6.53° раcсчитана по модели IGRF-12 [Thébault et al., 2015]. Координаты точек отбора приведены в табл. 1.

 

Таблица 1. Координаты точек отбора образцов

№ образца	Широта, град	Долгота, град	Высота, м	Лавовый поток/ориентировочный возраст
К17-6	53.2161	158.8140	1065	Л1/Извержение 1827 г. [Заварицкий, 1935]
К17-3	53.2148	158.8080	1050	Л2/Менее 3800 лет [Мелекесцев и др., 1993]
К17-7	53.2149	158.8127	1007
К17-8	53.2663	158.8180	2134	Л3/Более 29–30 тыс. лет [Мелекесцев и др., 1991]
К17-9	53.2663	158.8178	2134
К19-11	53.2663	158.8183	2134
К19-12	53.2663	158.8181	2134

 

В качестве реперного также изучен образец базальта К17-14, излившегося в ходе Толбачинского Трещинного извержения 2012 г. (ТТИ-50), любезно предоставленный нам сотрудником Института вулканологии и сейсмологии ДВО РАН С.С. Сыроветниковым. Полученные данные использовались для проверки работоспособности методики определения палеонапряженности по остаточной намагниченности лав.

Палеомагнитные реконструкции проводились с учетом результатов комплексных лабораторных исследований, включающих все современные физические и магнитоминералогические методы, применяемые в области магнетизма горных пород. Из каждого штуфа породы вырезалось по 10–12 дублей кубической формы объемом 8 и 1 см³. Естественная остаточная намагниченность (NRM) образцов была подвергнута ступенчатой температурной чистке и чистке переменным магнитным полем. Ступенчатая чистка переменным магнитным полем осуществлялась до 100 мТл с помощью прибора LDA-3A (AGICO, Чехия). Остаточная намагниченность образцов измерялась ротационным магнитометром JR-6 (AGICO, Чехия). Обработка измерений остаточной намагниченности выполнена при помощи пакета программ Remasoft [Chadima, Hrouda, 2006]. Магнитная восприимчивость образцов при комнатной температуре определена с помощью каппаметра ИМВО-М (г. Санкт-Петербург).

Измерение точек Кюри (Т_с) образцов производилось двумя способами: по зависимости от температуры намагниченности в поле 0.24 Тл – I(T) и по зависимости магнитной восприимчивости от температуры k(T) в поле Н = 200 А/м, измеренной прибором MFK-1/CS3 (AGICO, Чехия). Точка Кюри в первом способе определялась путем аппроксимации данных I²= f(T) линейной функцией [Moskowitz, 1981], во втором способе – по минимуму первой производной магнитной восприимчивости по температуре.

Для оценки термостабильности магнитных свойств образцов снималось изменение намагниченности I(T) в поле 0.24 Тл при циклических нагревах в воздухе до температур T = {400, 450, 500, 550}°C на вибрационном магнитометре ВМ-2. Намагниченность насыщения ферримагнетика (I_s) рассчитана по зависимости намагниченности от поля, при этом учитывался вклад парамагнитной матрицы. Максимальное значение поля равно 1.6 Тл.

Палеонапряженность геомагнитного поля по остаточной намагниченности пород определена методом Телье–Кое [Coe, 1967] с использованием диаграмм Араи–Нагаты [Нагата, 1965].

Палеонапряженность геомагнитного поля рассчитана по формуле

Н_др = b*Н_лаб,

где b – коэффициент линейной аппроксимации данных на диаграмме Араи–Нагаты, Н_лаб = 50 мкТл – величина лабораторного поля в циклах Телье.

Для контроля минералогических изменений ферримагнетика в циклах Телье выполнялась процедура check-points pTRM [Prevot et al., 1985]. Также сравнивалась интенсивность терморазмагничивания NRM в циклах Телье и при термочистке. Надежность определений палеонапряженности оценивалась по параметру качества q [Coe et al., 1978], а также параметру DRAT [Selkin, Tauxe, 2000].

Направление древнего геомагнитного поля определено по наиболее стабильной компоненте NRM по результатам магнитной чистки в переменном поле. При этом использован пакет программ Remasoft [Chadima, Hrouda, 2006].

Информация о минеральном составе, структуре и размерах ферримагнитных зерен – носителей остаточной намагниченности – получена путем проведения электронно-зондовых исследований аншлифов на сканирующем микроскопе Tescan Vega II XMU (s.r.o. Tescan, г. Брно, Чехия) сотрудником Института экспериментальной минералогии РАН А.Н. Некрасовым. Магнитная доменная структура изучена с помощью магнитосилового микроскопа NFM Solver-Pro (NT MDT Зеленоград).

Проверка методики определения палеонапряженности на образце базальта толбачинского трещинного извержения (тти-50)

Согласно результатам электронно-зондовой микроскопии магнитные зерна образца лавы ТТИ-50 представлены титаномагнетитом с содержанием магнетитовой компоненты 42 ± 3% (табл. 2), зерна однородны с размерами 5–10 мкм и менее, имеется также небольшое количество зерен размером около 100 мкм (рис. 2а). Гистерезисные характеристики I_rs/I_sf = 0.229 и H_cr/H_c = 3.04 (см. табл. 3) показывают по критерию Дея–Данлопа [Day et al., 1977; Dunlop, 2002] (см. рис. 3), магнитные свойства базальта К17-14 определяются смесью однодоменных и небольшого количества многодоменных зерен. Температура Кюри, определенная по намагниченности в поле 0.24 Тл, T_c^Is= 280 °C, по магнитной восприимчивости – T_c^k = 270 °C (табл. 3, рис. 4 и рис. 5а). Изменение намагниченности в поле 0.24 Тл от температуры при циклических нагревах (рис. 5а) показывает, что титаномагнетит стабилен к нагревам вплоть до 380 °C. Гистерезисные характеристики и результаты термомагнитных исследований свидетельствуют о высокой палеоинформативности естественной остаточной намагниченности лав ТТИ-50.

 

Рис. 2. Изображения ферримагнитных зерен образцов К17-14 (а), К17-3 (б), К17-9 (в) в обратно рассеянных электронах и образца К17-9 (г) в магнитосиловом микроскопе SolverPRO фирмы NT MDT.

 

Рис. 3. Диаграмма Дея для образцов из лавовых потоков вулкана Авачинский: Л1 (обр. K17-6), Л2 (обр. К17-3 и К17-7), Л3 (обр. К17-8, К17-9, К19-11, К19-12), и ТТИ-50 (Толбачинское Трещинное извержение) (обр. К17-14).

 

Рис. 4. Зависимости производной магнитной восприимчивости от температуры образцов лав ТТИ-50 (обр. К17/14) и вулкана Авачинский (обр. К17/6 – поток Л1; обр. К17/3 и К17/7 – поток Л2, обр. К17/8 – поток Л3). Положение минимумов на кривых показывает температуру Кюри.

 

Рис. 5. Зависимость намагниченности в поле 0.24 Тл от температуры при циклических нагревах образцов лав ТТИ-50 (а) и вулкана Авачинский (б)–(г): (б) – поток Л1; (в) – поток Л2, (г) – поток Л3.

 

Таблица 2. Результаты микрозондового (расчет на миналы) и термомагнитного анализов (температура Кюри) магнитных зерен в лавах ТТИ-50 и вулкана Авачинский

№ образца	Fe3O4	Fe2TiO4	MgAl2O4	MgFe2O4	Tc, °C по Is(T)	Tc, °C по k(T)
Толбачинское Трещинное извержение (ТТИ-50)
К17-14	0.42 ± 0.03	0.34 ± 0.03	0.10 ± 0.02	0.08 ± 0.04	280	270
Вулкан Авачинский
К17-3	0.60 ± 0.06	0.28 ± 0.06	0.07 ± 0.03	0.02 ± 0.02	500	520
К17-9	0.76 ± 0.15	0.14 ± 0.15	0.04 ± 0.03	0.05 ± 0.04	550	560

 

Таблица 3. Магнитные характеристики образцов лав ТТИ-50 и вулкана Авачинский

№ образца	Поток	NRM, A/м	k, 10–3 ед. Си	Qn	Irs/Is	Hcr/Hc	Tc, °C по Is(T)	Tc, °C по k(T)
Толбачинское Трещинное извержение (ТТИ-50)
К17-14	ТТИ 50	21.9–26.7	24–27	19–24	0.229	3.04	280	270
Вулкан Авачинский
К17-6	Л1	3.2–5.3	23–36	2.5–4.3	0.086	3.29	500	490
К17-3	Л2	3.0–4.5	23–32	2.8–3.4	0.111	2.49	500	520
К17-7		2.7–3.8	23–31	2.7–3.8	0.105	2.50	540	520
К17-8	Л3	10.6–16.0	6.0–11.9	28–50	0.262	1.98	560	560
К17-9		3.5–8.8	7.5–10.6	9.5–22.2	0.115	3.01	550	560
К19-11		2.5–3.5	4.5–6.5	12–15	0.115	3.26	–	–
К19-12		2.9–4.3	16–21	4.2–5.0	0.112	2.71	–	–

Примечания: NRM – естественная остаточная намагниченность; k – магнитная восприимчивость; Q_n = NRM/(k*40) – параметр Кенигсбергера; I_rs – остаточная намагниченность насыщения; I_s – намагниченность насыщения; H_c – коэрцитивная сила; H_cr – остаточная коэрцитивная сила; T_c – температура Кюри.

 

Определение палеонапряженности по NRM образца лав ТТИ-50 проведено на 4 дублях (рис. 6а, табл. 4). Высокие значения параметра качества q = 13.8–40.7 и малые отклонения pTRM чек-точек от pTRM при проведении процедур Телье и, как следствие, низкие значения параметра DRAT_max ≤ 2.8% (табл. 4) показывают, что результаты определения палеонапряженности, полученные на дублях образца лавы ТТИ-50, удовлетворяют всем принятым в настоящее время критериям надежности. Среднее значение Н_др = 54.8 ± 1.2 мкТл оказалось завышено всего на 3% по сравнению с величиной главного магнитного поля B_IGRF12 = 53.13 мкТл, рассчитанной по модели IGRF-12 для эпохи 2015 г. в районе вулкана Толбачик, и очень близко к величине палеонапряженности, полученной в работе [Жидков и др., 2017] на аналогичном образце лавы ТТИ 2013 г. (H_др = 54.6 мкТл). Некоторое завышение Н_др по сравнению с моделью IGRF-12, возможно, обусловлено тем, что магнитное поле в районе вулкана Толбачик больше B_IGRF12 из-за намагниченности лав. Таким образом, надежность методики определения палеонапряженности геомагнитного поля не вызывает сомнения.

 

Рис. 6. Результаты термочистки, размагничивания NRM и образования pTRM в циклах Телье (слева) и диаграммы Араи–Нагата и Зийдервельда (справа) для образцов лав ТТИ-50 (а) и вулкана Авачинский (б)–(е)): (б) – поток Л1; (в) – поток Л2; (г), (д), (е) – поток Л3.

 

Таблица 4. Результаты определения палеонапряженности методом Телье–Кое по образцам лав ТТИ-50 и вулкана Авачинский (Камчатка)

№ обр	Т1–Т2, °C	N	q	g	f	b	DRATmax, %	Hлаб, мкТл	Hдр, мкТл
Толбачинское Трещинное извержение (ТТИ-50)
K17-14/1	209–345	6	13.75	0.760	0.790	1.14 ± 0.04	2.77	50	56.8 ± 2.2
К17-14/2	150–378	10	39.34	0.871	0.915	1.00 ± 0.02	1.7	53	53.1 ± 1.1
К17-14/3	150–378	9	40.70	0.870	0.877	1.03 ± 0.02	1.8	53	55.1 ± 1.0
К17-14/5	150–378	10	40.56	0.869	0.925	1.02 ± 0.02	2.36	53	54.1 ± 1.0
Вулкан Авачинский Лавовый поток Л1
К17-6/5	193–487	9	57.2	0.914	0.693	1.08 ± 0.01	5.7	50	54.0 ± 0.6
К17-6/7	195–515	10	14.52	0.928	0.632	1.02 ± 0.04	8.2	50	50.7 ± 2.1
К17-6/8	195–515	10	30.4	0.920	0.727	1.03 ± 0.02	7.4	50	51.6 ± 1.1
Лавовый поток Л2
К17-3/5	375–536	6	4.87	0.785	0.612	1.06 ± 0.18	7.6	50	53.0 ± 8.5
К17-3/6	390–511	6	3.89	0.777	0.494	1.09 ± 0.13	12.9	50	54.5 ± 6.4
К17-7/5	441–544	7	9.24	0.916	0.391	1.07 ± 0.04	2.5	50	53.6 ± 2.1
К17-7/6	409–544	8	5.01	0.836	0.511	1.14 ± 0.10	4.4	50	57.1 ± 4.9
Лавовый поток Л3
К17-8/4	298–557	9	16.7	0.890	0.832	1.08 ± 0.05	1.0	50	54.1 ± 2.0
К17-8/6	208–580	13	62.6	0.858	0.887	1.01 ± 0.01	2.3	50	50.3 ± 0.6
К17-9/7	108–576	11	26.3	0.900	0.826	1.14 ± 0.03	1.2	50	56.7 ± 1.6
К17-9/8	208–580	13	68.1	0.930	0.727	0.99 ± 0.01	2.5	50	49.7 ± 0.5
K19-11/3	356–550	7	4.65	0.809	0.341	0.99 ± 0.06	6.1	50	49.5 ± 3.0

Примечания: T₁–T₂ – интервал температур, по которому определялась палеонапряженность; N – количество точек, используемых для линейной аппроксимации на диаграмме Араи–Нагата; q – коэффициент качества [Coe et al., 1978]; g – равномерность точек на диаграмме; f – часть естественной намагниченности, по которой определялась палеонапряженность; b – коэффициент линейной аппроксимации; DRAT – параметр, характеризующий минералогические изменения при проведении процедур Телье [Selkin, Tauxe, 2000]; Н_лаб – величина магнитного поля в экспериментах Телье; Н_др – расчетное значение палеонапряженности.

 

Палеоинформативность естественной намагниченности образцов лав вулкана авачинский

Магнитные характеристики изученных образцов вулкана Авачинский показаны в табл. 3. Естественные магнитные и гистерезисные характеристики образцов из потоков Л1–Л2 близки друг к другу. Фактор Кёнигсбергера Q_n = NRM/(k*H) изменяется в пределах 2.5–5.9. Значения гистерезисных параметров I_rs/I_s и H_cr/H_c показывают, что, согласно критерию Дея–Данлопа [Day et al., 1977; Dunlop, 2002], магнитные зерна находятся в псевдооднодоменном состоянии (рис. 3, табл. 3).

Разброс магнитных характеристик образцов из потока Л3 более существенный. Для них характерны высокие значения параметра Кенигсбергера (Q_n = 9.5–50) и отношения I_rs/I_s = 0.11–0.26. Они также попадают в псевдооднодоменную область по критерию Дея–Данлопа.

Размагничивание переменным магнитным полем и термочистка показали (рис. 7), что NRM большинства образцов однокомпонентна, в некоторых случаях небольшой вклад вносит низкокоэрцитивная компонента, вероятно, вязкой природы (например, рис. 7а).

 

Рис. 7. Примеры диаграмм Зийдервельда, иллюстрирующие результаты размагничивания образцов лав вулкана Авачинский переменным магнитным полем – NRM(h) и температурой (термочистка) – NRM(T): (а) – поток Л1, (б) – поток Л2, (в) – поток Л3.

 

Температура Кюри ферримагнитных зерен в образцах лав Авачинского вулкана варьирует в пределах Т_с = 490–560 °C (табл. 3). Так же, как и для базальта ТТИ-50, значения Т_с, определенные по зависимости намагниченности в поле 0.24 Тл от температуры I_s(T) и зависимости k(T), вполне сопоставимы.

Зависимости намагниченности в поле 0.24 Тл от температуры при циклических нагревах в воздухе с постепенным увеличением максимальной температуры нагрева (рис. 5) свидетельствуют, что минералогические изменения начинают происходить после нагрева образцов до 500–550 °С. Магнитные зерна в лаве Л2 гомогенны (рис. 2б). Выявлено, что магнитные минералы в лавах Л3 более стабильны к нагревам, чем из потоков Л1–Л2. Температура Кюри образцов из потока Л3 близка к Т_с магнетита (табл. 3).

Согласно результатам микрозондового анализа минералом, отвечающим за магнитные свойства изученных образцов, является титаномагнетит с небольшим количеством магния и алюминия (табл. 2). При этом содержание магнетитовой компоненты в титаномагнетитовых зернах образца К17-9 (поток Л3) выше, чем в образце К17-3, принадлежащего потоку Л2.

Хотя размеры зерен титаномагнетита обр. К17-9 достаточно большие (рис. 2в), по гистерезисным характеристикам, их магнитная жесткость довольно высокая (табл. 3), а по критерию Дея [Day et al., 1977] они находятся в псевдооднодоменном состоянии (рис. 3). Это объясняется наличием структур распада, которые видны на изображениях титаномагнетитовых зерен образца К17-9 (поток Л3) в обратно рассеянных электронах (рис. 2в) и в магнитосиловом микроскопе (рис. 2г). Наличие таких структур характерно для высокотемпературного окисления титаномагнетита. Этим также объясняется высокая температура Кюри, близкая к магнетиту при высоком содержании титана (табл. 2). В целом магнитные характеристики, особенно для лавового потока Л3, свидетельствуют о высокой степени палеоинформативности NRM.

Определение палеонапряженности геомагнитного поля по образцам лав вулкана авачинский

Результаты экспериментов Телье на лавах вулкана Авачинский, показаны на рис. 6б–6е и в табл. 4.

На образце К17-6 из лавового потока Л1 проведено три определения палеонапряженности (табл. 4). Пример диаграммы Араи–Нагата для одного из дублей показан на рис. 6б. Точки в температурном интервале 193–487(515) °С на диаграмме Араи–Нагата довольно хорошо аппроксимируются линейной функцией. Коэффициент качества определения H_др высокий q = 14.5–57.2. Разброс относительно среднего значения ⟨Н_др⟩ = 52.1 мкТл не превышает 3.6%. Результаты определения палеонапряженности удовлетворяют принятым в настоящее время критериям качества [Coe et al., 1978].

Для лавового потока Л2 проведено 4 определения палеонапряженности: 2 – по образцу К17-3 и 2 – по образцу К17-7. Для расчета Н_др использовались только высокотемпературные точки. Н_др = 53.6 мкТл, рассчитанное в температурном интервале 441–544 °С, оказалось близко к Н_др, рассчитанному по образцу К17-6 (табл. 4). Результат определения Н_др по образцу К17-3 имеет низкий коэффициент качества q = 3.9–4.9, близкий к предельному q = 5 [Coe et al., 1978], обусловленный в основном высокой среднеквадратичной погрешностью параметра b и низким значением параметра f. DRAT = 7.6–12.9%, характеризующий минералогические изменения, также получился достаточно большим. Качество определения Н_др по обр. К17-7 выше: q = (5-9.24), DRAT < 4.4. В целом, значения палеонапряженности, определенные по образцам из потока Л2, также близки друг к другу – Н_др = (53–57.1) мкТл, причем среднее значение ⟨Н_др⟩ = 54.6 ± 1.28 мкТл для Л2 оказалось несколько выше, чем для Л1 (⟨Н_др⟩ = 52.1 ± 1.27 мкТл, табл. 5).

 

Таблица 5. Результаты определения параметров древнего магнитного поля по изверженным породам вулкана Авачинский (Камчатка)

Номер образца (поток)	N	Jдр, град	Dдр, град	α95, град	K	Plat, град	Plong, град	dm, град	dp, град	⟨Ндр⟩, мкТл (n)	VADM, 1022А · м2	VDM, 1022А · м2
К17-6 (Л1)	5	55.6	24.4	0.7	12 774	65.9	284.1	1.0	0.7	52.1 ± 1.27 (3)	7.9 ± 0.2	9.5± 0.4
К17-3, К17-7 (Л2)	11	60.9	15.4	13.4	351	74.7	290.2	20.5	15.7	54.6 ± 1.28 (4)	8.29 ± 0.19	9.03±0.5
К17-9, К19-11, 12 (Л3)	29	68.7	342.5	5.8	456	79.3	69.3	9.8	8.3	52.1 ± 1.6 (5)	7.9 ± 0.4	7.9± 0.5
Прорыв Пийпа 1966 г.		67.3	3.9	Из работы [Латышев и др., 2017]
Среднее для группы “О + Псевдотуйла” < 310 л.н.		68.7	4.2
Вулкан Толбачик 1400–1186 г.г. н.э.		72.9	10.1

Примечания: N – количество определений палеонаправления геомагнитного поля; J_др и Dд_р – средние значения наклонения и склонения по потокам; α₉₅, K – параметры статистики Фишера [Fisher, 1953]; Plat, Plong – координаты палеополюсов; dm, dp – полуоси овала доверия для палеомагнитного полюса; ⟨H_др⟩ (n) – среднее значение палеонапряженности (количество определений палеонапряженности); VADM – аксиальный дипольный магнитный момент; VDM – дипольный магнитный момент.

 

Для лавового потока Л3 проведено 5 определений палеонапряженности на образцах К17-8, К17-9 и К19-11 (табл. 5). Четыре определения имеют высокий коэффициент качества q = 16.7–68.1, для образца К19-11 q = 4.65, т.е. несколько меньше предельного (q = 5). Однако результат определения Н_др = 49.5 мкТл по этому образцу также был включен в анализ, т.к. отличался от среднего по остальным 4 определениям менее, чем на 6%.

Определение положения древнего геомагнитного полюса

Размагничивание переменным магнитным полем и температурой показало (рис. 7), что NRM большинства образцов практически однокомпонентна. Вследствие этого, для определения склонения (D_др) и наклонения (J_др) древнего магнитного поля (Н_др) по намагниченности пород использовалось направление естественной остаточной намагниченности после чистки переменным магнитным полем с амплитудой 10 мТл. Вязкая и наведенная лабораторная компоненты намагниченности при этом размагничивались. Результаты показаны в табл. 5.

Склонение и наклонение, определенные по 5 дублям обр. К17-6 (поток Л1), равны D_др = 24.4° и J_др = 55.6°, для образцов К17-3 (2 дубля) и К17-7 (9 дублей) потока Л2 D_др = 15.1°, J_др = 62.8°. Значения направления магнитного поля во время образования потоков Л1 и Л2 оказались близки, склонение восточное.

Направление древнего магнитного поля, полученное по 3 образцам потока Л3 (29 определений), имеет западное склонение: ⟨D_др⟩ = 345.2° ± 9°, ⟨J_др⟩ = 69.2° ± 2° (см. рис. 8, табл. 5).

 

Рис. 8. Направления NRM образцов из трех лавовых потоков Л1, Л2 и Л3 вулкана Авачинский в географической системе координат (Л1 – К17-6; Л2 – К17-3, К17-7; Л3 – К17-9, К19-11, К19-12; черная звезда – направление главного геомагнитного поля по модели IGRF-12 в месте отбора образцов).

 

В табл. 5 приведены координаты виртуального геомагнитного полюса (Plat, Plong), рассчитанные по J_др и D_др для 3-х опробованных потоков, на рис. 9 – положения виртуального геомагнитного полюса (ВГП) в стереографической проекции. Видно, что во время формирования потоков Л1 и Л2 ВГП находился в 4-м квадранте, во время формирования потока Л3 – в 1-м квадранте.

 

Рис. 9. ВГП по образцам из лавовых потоков Л1-Л3. Черные точки – положение палеополюса с 10 по 20 век н.э. по данным работы [Бурлацкая, 2007], цифрами около точек указаны годы.

 

Уточнение возраста лавовых потоков вулкана Авачинский

Зная величину виртуального дипольного магнитного момента Земли (VADM и VDM) и положение виртуального геомагнитного полюса (Plat и Plong) (табл. 5), попытаемся уточнить возраст лавовых потоков, используя имеющиеся на настоящее время опубликованные данные о вариациях геомагнитного поля [Nilsson et al., 2010; 2014; Бурлацкая, 2007; Knudsen et al., 2008; Латышев и др., 2017] и геологические материалы.

По результатам тефрохронологических исследований [Базанова и др., 2001; 2003] формирование Молодого конуса вулкана Авачинский началось 3800 л.н. На протяжении последних 3500 лет лавовые потоки при извержениях разной силы обычно не выходили за пределы подножия Молодого конуса. Лишь иногда, как во время извержений ∼700 и 1000 л.н., они спускались в истоки рек Сухая Халактырская и Желтуха. Их длина достигала 4–6 км. К таким потокам относятся опробованные нами Л1 и Л2 (рис. 1а). К сожалению, попытки их датирования тефрохронологическим методом не принесли результатов из-за отсутствия здесь почвенно-пирокластического чехла.

По имеющимся сведениям [Постельс, 1836; Заварицкий, 1935; и др.] лавовый поток Л1 сформировался в ходе исторического извержения вулкана 1827 г. Cомнения в достоверности таких представлений о характере этого извержения, высказанные в работе [Мелекесцев и др., 1993], в дальнейшем не подтвердились в ходе дополнительных геологических наблюдений. Данные о магнитном поле (табл. 5), полученные по образцу К17-6 (Л1), также свидетельствуют в пользу первого утверждения. Н_др = 52.1 ± 1.27, определенное по образцу К17-6 потока Л1, равно в пределах погрешности расчетному значению Н_IGRF = 52.11 для эпохи 1900 г [https://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/wdc/Sec2.html] в месте палеомагнитного опробования этого потока. VDM = (9.5 ± 0.4)*10²² А*м², рассчитанный по образцу К17-6 (поток Л1) в предположении дипольности магнитного поля Земли, оказался больше не только современного дипольного магнитного момента Земли, но и на 10% больше такового для 1835 г. (M = 8.56*10²² А*мм²) по данным [http://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/index.html].

Склонение магнитного поля, определенное по дублям образца К17-6 (Л1), равно 24.4°. К сожалению, данных о магнитном поле Камчатки для этой эпохи нет. Склонение магнитного поля, рассчитанное по модели IGRF [https://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/igrf/index.html] эпохи 1900 г. для района отбора образца из потока Л1 равно 27°, что довольно близко к определенному нами значению. Однако наклонение J_др = 55.6° оказалось несколько меньше J_IGRF(1900) = 63.2°. Возможно, такое отличие связано с вариациями геомагнитного поля за 80 лет, возможно – с большой погрешностью определения наклонения, из-за того, что оно было проведено всего по одному образцу из потока. Возможен также вклад недипольной составляющей геомагнитного поля.

По взаимоотношению в разрезе лавовый поток Л2 древнее потока Л1. Это подтверждается и магнитными данными. Наблюдения за последние 120 лет [http://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/index.html], а также палеомагнитные данные за последние 2000 лет [Nilsson et al., 2014] показывают, что величина дипольного магнитного момента Земли убывает. Н_др = 52.1 ± 1.27 мкТл, VADM = (7.92 ± 0.19)*10²² А*м²), определенный нами по Л1, оказался несколько меньше, чем определенный по Л2: Н_др = 54.6 ± 1.28 мкТл, VADM = (8.29 ± 0.19)*10²² А*м² (табл. 5). Согласно [Nilsson et al., 2014], Земля могла иметь такой дипольный магнитный момент, примерно в интервале 300–1500 л.н. (см. рис. 10). Склонение геомагнитного поля, определенное по образцам потока Л2, северо-восточное (⟨D_др⟩ = 15.1°), наклонение ⟨J_др⟩ = 62.8°. Согласно [Латышев и др., 2017], в период с 1400 г. и до настоящего времени геомагнитное поле Камчатки характеризовалось восточным склонением (3.9–10.1)°, наклонение изменялось в пределах (67.3–72.9)°. Виртуальный геомагнитный полюс (Plat = 76.6°, Plong = 285°), определенный нами по потоку Л2, находится в 4-м квадранте и довольно близок к положению ВГП в 1400–1700 г.г. н.э. по археомагнитным данным [Бурлацкая, 2007] (рис. 9), что согласуется с палеоданными [Nilsson et al., 2010] (рис. 10). Таким образом, можно сделать вывод, что лавовый поток Л2 сформировался ∼300–600 л.н. и связан с одним из сильных извержений этого времени, установленных в ходе детальной реконструкции голоценовой эруптивной активности Авачинского вулкана и датированных по возрастной модели как: Av138 – 338 ± 57 л.н., Av135 – 508 ± 33 л.н., Av134 – 533 ± 16 л.н., Av128 – 584 ± 19 л.н. [Krasheninnikov et al., 2020].

 

Рис. 10. Сопоставление данных ВГП (голубые прямоугольники), полученных по образцам лав вулкана Авачинский (поток Л2), с вариациями координат геомагнитного поля за последние 3500 лет по работе [Nilsson et al., 2010] – (а), а также VDM (оранжевый прямоугольник) и VADM (голубой прямоугольник) – с дипольным моментом Земли по работе [Nilsson et al., 2014] – (б). Стрелкой показан наиболее вероятный возраст лавового потока Л2.

 

Возраст лавового потока Л3, опробованного на гребне соммы (рис. 1б, табл. 1), по геологическим данным [Мелекесцев и др., 1991] более 29–30 тыс. лет. По образцам потока Л3 (табл. 5) VADM = (7.9 ± 0.4)*10²² А*м² и VDM = (7.9 ± 0.5)*10²² А*м² очень близки современному дипольному магнитному моменту Земли М = 7.7*10²² А*м².

Согласно работе [Knudsen et al., 2008], магнитное поле Земли в интервале от 29 до 50 тыс. л.н. имело такую интенсивность только 29–32 тыс. л.н. (рис. 11). Учитывая возраст отложений обвальной лавины 29 900 ± 900 ¹⁴C л.н. [Мелекесцев и др., 1991], связанной с катастрофическим разрушением Авачинского вулкана, можно оценить возраст лавового потока Л3 в 30–32 тыс. лет.

 

Рис. 11. Сравнение дипольного магнитного момента, полученного по образцам К17-8, 9 и К19-11 вулкана Авачинский (лавовый поток Л3), с изменением аксиального дипольного момента Земли за последние 50000 лет по работе [Knudsen et al., 2008], штриховые прямые – полученное нами значение VADM и диапазон погрешности. Стрелочкой показан наиболее вероятный возраст лавового потока Л3.

 

Заключение

1. Исследования магнитных свойств и минералогии ферримагнитных зерен, а также свойств естественной остаточной намагниченности коллекции образцов из лавовых потоков вулкана Авачинский и Толбачинского Трещинного извержения 2012–2013 гг. (ТТИ-50) позволили получить достаточно надежные данные о величине и направлении геомагнитного поля времени образования лавовых потоков.

2. На примере современного лавового потока ТТИ-50 показана надежность методики определения палеонапряженности геомагнитного поля по остаточной намагниченности изверженных пород. Отличие расчетного значения Н_др величины магнитного поля от IGRF12 не превышает 3%.

3. Путем сравнения палеомагнитных данных, полученных по намагниченности пород трех лавовых потоков вулкана Авачинский, с литературными данными вариаций геомагнитного поля уточнен возраст этих потоков.

Поток Л1 (обр. К17-6) относится к извержению вулкана 1827 г. Характеристики геомагнитного поля Н_др = (52.1 ± 1.27) мкТл, VADM = (7.9 ± 0.2)*10²² А*м², VDM = (9.5 ± 0.4)*10²² А*м², Plat = 65.9°, Plong = 284.1° близки к магнитному моменту и положению магнитного полюса для 1835 г. по [Rikitake, 1966; http://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/index.html].

Поток Л2 (образцы К17-3 и К17-7) сформировался 300–600 л.н., когда геомагнитное поле имело следующие характеристики: Н_др = (54.6 ± 1.28) мкТл, VDM = (9.03 ± 0.5)*10²² А*м², VADM = (8.29 ± 0.19)*10²² А*м², Plat = 74.7°, Plong = 290.2°.

Поток Л3 (образцы К17-8, К17-9, К19-11 и К19-12) относится к извержению, которое произошло 30–32 тыс. лет назад. Величина магнитного момента Земли в то время была близка к современной.

Финансирование работы

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научных проектов № 16-05-00144 и № 20-05-00573.

About the authors

V.  I.  Maksimochkin

Moscow State University

Email: maxvi@physics.msu.ru

Faculty of Physic

Russian Federation, Moscow

L.  I.  Bazanova

Institute of Volcanology and Seismology, Far Eastern Branch, Russian Academy of Sciences

Email: bazanovali@mail.ru
Russian Federation, Petropavlovsk-Kamchatskii

Yu.  V. S leptsova

Ludwig Maximilians Universität

Author for correspondence.
Email: syv18@mail.ru

Department of Earth and environmental sciences

Germany, Munich

References

Supplementary files