ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2015, № 5, с. 80-99
УДК 550.832.54
РАЗДЕЛЕНИЕ ФЕРРОМАГНИТНЫХ КОМПОНЕНТ НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА ПЕТЕЛЬ ГИСТЕРЕЗИСА ОСТАТОЧНОЙ НАМАГНИЧЕННОСТИ
© 2015 г. Л. Р. Косарева1, Э. В. Утемов1, Д. К. Нургалиев1, В. П. Щербаков1, 2,
В. Е. Косарев1, П. Г. Ясонов1
1Казанский (Приволжский) федеральный университет, г. Казань 2Геофизическая обсерватория "Борок"ИФЗ им. О.Ю. Шмидта РАН, п. Борок E-mail: Lina.kosareva@mail.ru Поступила в редакцию 10.03.2015 г.
Предложен новый метод разделения ферромагнитных компонент в осадочных породах путем анализа коэрцитивных спектров образцов методом непрерывного вейвлет-преобразования вейвлетом, построенным на основе гауссиана (MHAT). Исследовано 1056 образцов донных отложений озера Хубсугул (Монголия), по анализу кривых намагничивания и перемагничивания выделено не менее 4 групп магнитных компонент. Практически во всех образцах обнаружено две компоненты бактериального происхождения, представленные ансамблями однодоменных взаимодействующих зерен, но отличающиеся составом зерен (магнетит и грейгит). Показана возможность использования магнитных данных для диагностики в осадках остатков магнитотактических бактерий, а также палеоэкологических и палеоклиматических реконструкций.
Ключевые слова: остаточная намагниченность, коэрцитивный спектр, компонентный анализ, биогенные магнитные минералы, магнетит, грейгит, донные отложения, озеро Хубсугул.
DOI: 10.7868/S0002333715050075
ВВЕДЕНИЕ
Геологические объекты, как правило, содержат сложную смесь магнитных минералов различного происхождения. В настоящее время сформировалась самостоятельная область исследований — магнетизм горных пород, в рамках которой разработано множество методов изучения состава, природы, характера вторичных изменений горных пород [Шолпо, 1977; Pechersky et al., 2006; Буров и др., 1986; Day et al., 1977; Dunlop, Özdemir, 1997; Evans, Heller, 2003].
Очень интересным и важным объектом для таких исследований являются донные отложения современных озер — источники палеоклиматической [Magny et al., 1993; Thouveny et al., 1994; Peck et al., 1994; Yancheva et al., 2007] и палеомагнитной [Turner et al., 1981; Creer et al., 1983; Thouveny et al., 1990; Ali et al., 1999; Gogorza et al., 2000; и др.] информации. Каждое озеро возникает и развивается в определенной обстановке, которая определяет его развитие [Wetzel, 2001; Tundisi, Matsumura-Tundisi, 2011]. В озере происходят физические, химические и биологические процессы, совокупное действие которых определяет его режим. Результаты взаимодействия этих процессов находят отражение в осадках озера. Тщательное изучение свойств донных отложений позволяет получить ценную информацию об изменениях окружающей среды и со-
бытиях, происходивших на данной территории в прошлом. Одним из важных источников информации об изменениях окружающей среды являются данные о магнитных свойствах осадков, содержащих различные магнитные компоненты (парамагнитная компонента, представленная зернами глинистых минералов, аллотигенные и аутигенные, в том числе — биогенные зерна фер-римагнитных минералов и др.). Важной задачей является раздельный анализ изменения свойств и концентрации магнитных фракций различного происхождения в колонках осадков, что позволяет анализировать эволюцию различных процессов окружающей среды. Такую возможность предоставляет анализ петель гистерезиса остаточной намагниченности. Впервые на важность информации, заключенной в коэрцитивных спектрах нормального остаточного намагничивания (IRM), указал В.В. Кочегура [Кочегура, 1965]. Позже эта тематика была развита в работах [Бело-конь, 1973; Шолпо, 1977; Thompson, 1986], в которых рассмотрена зависимость коэрцитивных спектров от размера зерна и состава ферромагнетика. Существенный шаг вперед для количественного описания свойств различных фаз, содержащихся в образце, был сделан в работах [Robertson, France, 1994], показавших, что в большинстве случаев кривая IRM образца, содержащего только одну магнитную фракцию, хорошо аппрок-
симируется кумулятивным лог-нормальным распределением (CLG Cumulative Log-Gaussian).
Основываясь на этой работе, в статьях [Kruiver et al., 2001; Robertson and France, 1994] была предложена методика статистического анализа коэрцитивных спектров (КС) IRM, используя предположение о логарифмически нормальном виде спектра каждой из компонент и их линейном сложении в образцах содержащих несколько таких компонент с различными параметрами. Тогда каждая компонента характеризуется всего тремя параметрами — положением максимума спектра Bmd, шириной спектра Bw, намагниченностью компоненты Mc. Однако, как позже было показано в работах [Egli, 2003; Egli, 2004a; Heslop et al., 2006], это предположение не выполняется в случае наличия магнитостатического взаимодействия между зернами, что приводит к асимметричному виду коэрцитивных спектров. В результате при разложении на основе логнормальной формы спектров могут появляться дополнительные пики, смещаться максимумы и обнаруживаться другие искажения от этой модели.
Для преодоления этих трудностей [Egli, 2003; Egli, 2004a; Egli, 2004b] предложил использовать иные модельные коэрцитивные распределения, учитывающие наличие магнитостатических взаимодействий. Как следствие, предложенные им модельные функции в виде обобщенных логнормаль-ных распределений описываются большим количеством введенных параметров, что привело к заметному осложнению задачи разложения спектров на компоненты. В результате интерпретация только одного спектра может занять достаточно много времени.
Ввиду того, что выбор модельных компонент (будь то гауссовы, или обобщенные гауссовы распределения) всегда вызывает дискуссию о правомочности такого выбора, в работе [Heslop and Dillon, 2007] был предложен альтернативный подход анализа коэрцитивных спектров без априорного выделения отдельных ферримагнитных компонент. В этом методе задается лишь число предполагаемых компонент, а форма каждой компоненты находится непосредственно из анализа коэрцитивных спектров большой коллекции однотипных образцов в предположении, что эта форма не меняется от образца к образцу, а изменчивости подвержена лишь доля каждой компоненты.
В 2012 году новую технику разложения петли гистерезиса на небольшое число конечных членов на основе линейной теории смешивания было предложено в работе [Heslop and Roberts, 2012]. В этом случае конечные члены не зависят от типа кривых, а, напротив, выводятся непосредственно из данных по измеренным петлям гистерезиса. Особое внимание уделено виду конечных членов,
обеспечивающих соответствие форме ожидаемой петли гистерезиса магнитных минералов.
Для полноты освещения проблемы отметим, что вопросу о разделении ферромагнитных компонент на основе петли гистерезиса было уделено большое внимание также и в работах [Stockhausen, 1998; Kruiver et al., 2001; Kruiver, Passier, 2001; Heslop et al., 2002; van Oorschot et al., 2002; Grygar et al., 2003; Spassov et al., 2003; Spassov et al., 2004; Egli, 2004b; Garming et al., 2005]. Тем не менее, как видно из вышеизложенного, эта проблема по-прежнему вызывает оживленную дискуссию как в отношении методов, применяемых для анализа, так и в отношении интерпретации результатов. Интерес к проблеме выделения ферромагнитных компонент связан и с необходимостью идентификации вклада биогенных магнетиков в остаточную намагниченность осадков, что обусловлено уникальными свойствами магнитных зерен, имеющих биогенное происхожденние (однодомен-ность, стехиометрия зерен, совершенная форма кристаллов) [Mann et al., 1984; Blakemore, Frankel, 1989; Bazylinski et al., 1994; Heywood еt al., 1990].
В данной работе мы предлагаем новый подход к компонентному анализу кривых NRM по намагничиванию и перемагничиванию на примере исследования осадков озера Хубсугул, основанный на применении непрерывного вейвлет-пре-образования с вейвлетом, построенным на основе гауссиана (MHAT).
ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЙ
Хубсугул — одно из древнейших озер планеты, его возраст превышает 5 млн лет. Бассейн озера расположен на севере Монголии (рис. 1). Впадина озера относится к западному флангу Байкальской Рифтовой Зоны. Хубсугул — второе по величине озеро Монголии, его площадь равна 5300 км2, при наибольшей длине 136 км и ширине 36 км. Озеро считается самым глубоким водоемом Центральной Азии, его глубина достигает 262 м. Зеркало воды расположено в 1624 м над уровнем моря.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ
В рамках совместного Российско-Монгольского проекта при помощи бурового комплекса ПБУ "Иркутскгеология" была отобрана керновая колонка донных отложений длинной 53 м. К сожалению, в колонке имеются перерывы, вызванные потерей керна по различным причинам. Лабораторные исследования керна по 1056 образцам, отобранным с средним шагом около 4 см, проводились в палеомагнитной лаборатории Казанского университета. Для получения спектров нормального намагничивания до полей 0.5 Т использовался коэрцитивный спектрометр "J_meter" [Yäsonov et al., 1998; Нургалиев, Ясонов, 2009], поз-
—/'^/Минку-Сардык к;
О Хевсгел Нуур БЦГ
1 % $ §
у
у?;,'/" ^
% г . ' / N1 - Ж
Хатгал
ти И 20 км |
Рис. 1. Космоснимок оз. Хубсугул.
воляющии раздельно регистрировать остаточную и индуктивную намагниченности образцов при комнатной температуре. Намагничивание образцов проводилось из естественного состояния. На рис. 2 показан пример кривой намагничивания, полученной с помощью коэрцитивного спектрометра.
МОДЕЛИРОВАНИЕ КОЭРЦИТИВНЫХ СПЕКТРОВ
Как было показано во Введении, скрупулезный подход к проблеме описания и идентификации КС требует достаточно трудоемких вычислений с подгонкой целого ряда параметров; при
/, А/т2 § 120
100
80
60
40
20
0
-20
-40
-60
-80
-100
-120
(а)
-500 -300 -100 -400 -200 0
(<11/йВ) В 250
200
100 300 500 200 400
В, мТл
(б)
150
100
50
1
10
100 В, мТл
Рис. 2. (а) - кривая остаточного намагничивания; (б) -ее коэрцитивный спектр (черным - по намагничиванию, серым - по перемагничиванию). Образец с16-166.
этом физическая сторона проблемы затеняется, и решение задачи превращается в выполнение достаточно
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.