Исследования импактных пород астроблемы Жаманшин
Результаты предыдущих исследований (Starunov et al, 2016) указывали на присутствие в импактных породах кратера суперпарамагнитных (СПМ) ча- стиц, и можно было ожидать, что влияние магнитной вязкости может быть выявлено по данным электромагнитных зондирований МПП. Как известно (Kozhevnikov, Antonov, 2008), процессы индукции и магнитной релаксации после выключения тока в петле развиваются в Земле независимо (в отличие, например, от процессов вызванной поляризации), и по-разному зависят от размеров установки. Для искаженных магнитной вязкостью процессов харак- терен спад по закону 1/t в поздней стадии, что намного медленнее спада чи- сто индуктивного отклика. Это приводит к тому, что значения кажущегося удельного электрического сопротивления уменьшаются до аномально низких величин, не характерных для реальных горных пород. Кривые кажущегося сопротивления для петель разного размера над горизонтально слоистой сре- дой в присутствии магнитной вязкости не стремятся к одной асимптоте на больших временах, а имеют не совпадающие монотонно спадающие ветви.
Измерения магнитной вязкости на образцах могут проводиться как в ча- стотной, так и во временной области. СПМ свойства проявляются в частот- ной зависимости магнитной восприимчивости и приводят к затянутому спаду импульсных переходных характеристик. Я.К.Камневым описана лаборатор- ная установка для измерения импульсного отклика магнитовязких образцов и приведены результаты лабораторных измерений (Kamnev et al., 2015). Опре- деление амплитуды и степенного коэффициента спада импульсного отклика позволяет оценить содержание суперпарамагнитных частиц в образце и рас- пределение их времен релаксации, связанное с распределением размеров.
Электромагнитные зондирования МПП
Для оценки геоэлектрического разреза в пределах кратера в точке 1 были выполнены зондирования совмещенной (однопетлевой) установкой с аппара- турой TEM-FAST с петлями разных размеров. Результаты зондирований по- казали, что базовый разрез может рассматриваться как горизонтально- слоистый, значения удельного электрического сопротивления в верхней ча- сти разреза, за исключением приповерхностного слоя четвертичных отложе- ний, составляет единицы Ом∙м. Низкоомная толща подстилается на глубине 110–115 м более высокоомными (около 250 Ом∙м) породами. Данные резуль- таты согласуются с результатами работ методом ВЭЗ, выполненными в кра- тере 70-е гг. XX в. (Флоренский, Дабижа, 1980). По геологическим данным низкоомная толща сложена палеогеновыми глинами, ниже лежат меловые породы. При таких низких значениях сопротивлений СПМ эффекты могут проявляться на кривых МПП только при зондированиях с петлями очень ма- лых размеров, наибольшего влияния СПМ можно ожидать при работах сов- мещенной установкой (Kozhevnikov, Antonov, 2012). В дальнейшем основной объем работ был выполнен с аппаратурой TEM-FAST с петлями 4×4, 6×6 и 12,5×12,5 м (петля 6×6 м – двухвитковая, петля 4×4 м – четырехвитковая).
В большинстве обследованных точек проявлений СПМ не было зафикси- ровано. Несомненно, это связано с низкими значениями удельного электри- ческого сопротивления в верхней части разреза, при которых интенсивность
индукционных переходных процессов в рабочем диапазоне времен (где по- лезный сигнал превышает уровень шумов), как правило, превышает интен- сивность сигнала, связанного с магнитной вязкостью пород. Тем не менее, заметные проявления магнитной вязкости были обнаружены в точке 2 на во- сточном борту кратера. Точка находится рядом с небольшой сопкой, на вер- шине которой шурфом вскрыта толща пористых, слабо консолидированных пород, которые могут быть отнесены к зювитам – тектокластическим импак- титам, состоящим из обломков различных размеров, сцементированных тон- кораздробленным материалом. Можно предположить, что в процессе вывет- ривания материал этой толщи сносился вниз и откладывался в поверхност- ном слое у подножия сопки. Магнитная съемка обнаружила в той же области магнитную аномалию. Кривые ЭДС становления, зарегистрированные здесь с петлями 4, 6 и 12,5 м, имеют разный наклон в поздней стадии (рис. 2, а; при- ведены сглаженные кривые). Скорость спада кривой для 6-метровой петли уменьшается до зависимости 1/t на временах, больших 400 мкс, для 4- метровой петли – на временах, больших 100 мкс, что является характерным признаком влияния магнитной вязкости пород приповерхностного слоя. Кри- вые эффективного сопротивления на поздних временах не стремятся к одной асимптоте, а расходятся (рис. 2, б). Форма кривых для 4 и 6-метровых петель соответствует наличию (фиктивного) слоя аномально низкого сопротивления в основании разреза. При зондировании с петлями малого размера на вер- шине сопки были получены аналогичные кривые, однако они не могут быть проинтерпретированы в рамках модели горизонтально-слоистой среды.
Подбор геоэлектрической модели с учетом влияния магнитной вязкости позволил оценить мощность содержащего СПМ частицы приповерхностного слоя (около 1 м) и величину статической магнитной восприимчивости пород в этом слое (κ = 2×10−4). Минерал, являющийся носителем магнитной вязко- сти, пока не определен, однако наиболее вероятным кандидатом на эту роль является магнетит. Если это так, то концентрация СПМ зерен в породе оце- нивается величиной порядка 10−6÷10−5.
Рис. 2. а) кривые ЭДС становления, полученные в точке 2 однопетлевой установкой с петлями разного размера: 1 – 12,5×12,5 м, 2 – 6×6 м, 2 витка, 3 – 4×4 м, 4 витка; б) кривые эффективного удельного электрического сопротивления в той же точке.
Лабораторные измерения импульсных переходных характеристик Предположение, что СПМ эффект в точке 2 связан с зювитами, подтвер- дилось при лабораторных измерениях импульсных переходных характери- стик образцов пород из кратера Жаманшин. Лабораторная установка пред-
ставляет собой двухкатушечную соосную систему, изготовленную из обмо- точного провода ПЭЛШО-0.5. Генераторная катушка намотана снаружи (длина намотки 47 мм) и состоит из 70 витков, диаметр витков 60 мм. При- емная катушка находится внутри и состоит также из 70 витков, диаметр вит- ков 58 мм. Образцы помещаются внутрь приемной катушки, диаметр рабочей области – 55 мм. Регистрация импульсных переходных характеристик произ- водится при помощи той же аппаратуры TEM-FAST, которая использовалась при полевых измерениях. Генераторная катушка через ограничивающее со- противление подключена к выходу TEM-FAST в качестве нагрузки, приемная катушка – ко входу прибора. Управление работой прибора осуществляется с персонального компьютера через программу TEM-48-711. Рабочий диапазон времен, ограниченный на малых временах длительностью собственного пе- реходного процесса системы, а на больших временах – уровнем шумов аппа- ратуры (около 1 мкВ), для исследованных образцов составлял 30–3000 мкс.
Рис. 3. Импульсные переходные характеристики образцов импактных пород аст- роблемы Жаманшин: 1 – зювиты; 2 – жаманшиниты пористые; 3 – жаманшиниты по- лосчатые. Приведены степенные аппроксимации характеристик с оценками коэффи- циентов детерминации.
На рис. 3 представлены усредненные импульсные переходные характери- стики образцов некоторых импактных пород. Помимо зювитов, заметная магнитная вязкость была обнаружена в образцах пористых и полосчатых жа- маншинитов – разновидностях импактных стекол, широко распространенных в астроблеме Жаманшин. В интервале 30–1000 мкс все характеристики де-
монстрируют степенной закон спада E t( ) /I a tb, при этом коэффициент b значимо отличается от единицы, что свидетельствует об отличии распреде- лений логарифмов времен релаксации в образцах от равномерного (которому соответствует закон 1/t). Наибольшее отличие наблюдается для полосчатых жаманшинитов. Видно, что из всех исследованных образцов для зювитов характерна наибольшая величина измеренного сигнала (наибольшая величи- на коэффициента a).
Заключение
Таким образом, в ходе проведения работ методом переходных процессов в кратере Жаманшин и на образцах пород из кратера были получены следу- ющие основные результаты:
– Установлено, что низкое удельное электрическое сопротивление глини- стых отложений верхней части разреза препятствует проявлениям СПМ при электромагнитных зондированиях в кратере Жаманшин.
– Влияние магнитной вязкости пород верхней части разреза выявлено при зондированиях с петлями разного размера в области распространения зюви- тов на восточном борту кратера. Получена предварительная оценка статиче- ской магнитной восприимчивости пород в слое, содержащем СПМ частицы, (κ = 2×10−4), и концентрации СПМ зерен в породе (10−6÷10−5).
– Получены импульсные переходные характеристики образцов зювитов и жаманшинитов некоторых типов, демонстрирующие степенной закон спада, близкий к 1/t, что характерно для проявления магнитной вязкости. Отличие коэффициента степенной зависимости от единицы свидетельствует об отли- чии распределений логарифмов времен релаксации в образцах от равномер- ного.
Работы были поддержаны грантом РФФИ 18-05-00626. Аппаратура TEM- FAST для выполнения работ была предоставлена ресурсным центром «Гео- модель» Научного парка СПбГУ.
Литература
1. Starunov, V.A., Kosterov, A.A., Sergienko, E.S., Kharitonskii, P.V. (2016) Magnetic properties of impact melts from Zhamanshin astrobleme. Proceedings of the 11th Intl School and Conference «Problems of Geocosmos». Oct 03–07. 2016. St.Petersburg, Rus- sia.
2. Kozhevnikov, N. O., Antonov, E. Y. (2008). The magnetic relaxation effect on TEM re- sponses of a uniform earth. Russian Geology and Geophysics, 49(3), 197–205.
3. Kamnev, Y. K., Kozhevnikov, N. O., Kazansky, A. Y., Stefanenko, S. M. (2015). Im- pulse response of viscous remanent magnetization: laboratory measurements by a pulse induction system. Russian Geology and Geophysics, 56(11), 1642–1651.
4. Флоренский П.В., Дабижа А.И. (1980). Метеоритный кратер Жаманшин. М.: Наука, 128 с.
Kozhevnikov, N. O., Antonov, E. Y. (2012). The TEM method in studies of near-surface magnetically viscous rocks. In Near Surface Geoscience 2012–18th European Meeting of Environmental and Engineering Geophysics.