Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2022, T. 505, № 1, стр. 62-68

Вулканические пеплы как литологические единицы имеют важное значение для стратиграфии. Выпадение пепла после извержения происходит практически мгновенно, покрывая обширные площади. При исследовании озерных осадков, датирование которых является проблемой из-за недостатка органического материала, пепловые прослои служат надежными хроностратиграфическими уровнями. Извержение, образовавшее кальдеру Курильского озера (КО), является крупнейшим голоценовым извержением на Камчатке. Его пепел выпал на обширных площадях Магаданской области и восточной Якутии. Усредненный возраст извержения, определенный радиоуглеродным методом, составляет 7600 лет [12]. В озерных осадках в зависимости от площади водоема, проточности, удаленности от центра извержения мощность тефры составляет от нескольких сантиметров до изолированных скоплений в несколько миллиметров. Предполагается, что извержение произошло в летнее время [4]. Разорванные и невыдержанные по мощности прослои тефры обусловлены биотурбациями, происходящими на дне озер. Тефра кальдеры Курильского озера имеет важное стратиграфическое значение, так как ее возраст приблизительно совпадает с возрастом границы раннего и среднего голоцена [13].

Пеплы более молодого позднеголоценового возраста установлены в осадках озер Лесное (59°35′ с.ш., 151°52′ в.д.) и Подкова (59°57′ с.ш., 152°06′ в.д.) Приохотья [1, 3, 6, 9]. Данные по характеристике этих пеплов малочисленные. В колонках озер Лесное и Подкова отмечен только один прослой пепла, а сходство его по геохимическому составу с пеплом КО допускает переотложение [3]. Наличие разновозрастных пеплов обусловливает поиск критериев для их идентификации. В охотоморском регионе пеплы белого или серо-белого цвета, они визуально трудноотличимые друг от друга.

Главной целью исследований являлось получение петромагнитной, геохимической, магнито-минералогической характеристик двух генераций тефры, сравнение данных и выяснение их информативности для распознавания и применения для целей корреляции. Объектами исследований явились пеплы из осадков оз. Чистое и двух небольших озер (ЛБ-1 и ЛБ-2), расположенных севернее озера, а также пеплы из береговых обнажений озер (рис. 1).

Рис. 1.

Местоположение объектов исследования на геологической схеме: 1 – нижнемеловые туфы и лавы базальтов и андезитов пьягинской свиты; 2 – верхнемеловые субвулканические интрузии риолитов; 3 – верхнемеловые эффузивы риолитов и дацитов; 4 – неогеновые осадочные породы с прослоями лигнитов и бурых углей; 5 – голоценовые делювиальные отложения; 6 – голоценовые торфяники; 7 – местоположение скважин и обнажений. КО кальдера Курильского озера.

Озеро Чистое (59.543850° с.ш., 151.800185° в.д.) – одно из крупнейших на Северо-Востоке. Длина его составляет 8.8 км, ширина – 6.5 км, максимальная глубина – 6.6. м. Озера ЛБ-1 и ЛБ-2 отделены от оз. Чистое узким (несколько метров) песчано-галечным баром. Длина этих озер составляет несколько сот метров, глубина до 4 м. Озера находятся в Ланковской кайнозойской впадине Северного Приохотья, на левобережье р. Ланковая (приток р. Ола), с которой оно соединяется протокой Олачан (Белая), протяженностью 15 км. Около 30 ручьев различной длины впадают в озеро. Ланковскую впадину выполняют кайнозойские толщи. На южном и северном берегах распространены мощные голоценовые торфяники, содержащие прослои тефры. Окружающие озеро сопки сложены нижнемеловой пьягинской свитой, представленной главным образом базальтами, андезитами и их туфами, реже туфами кислого состава, нерасчлененными верхнемеловыми породами, представленными дацитами, андезито-дацитами, риодацитами и их туфами [2]. Продукты выветривания этих пород являются основным детритовым материалом, поступающим в озеро.

Бурение озер проводилось с использованием пробоотборника Ливингстона [14]. Пеплы исследовались оптическим, петромагнитным, минералогическим, геохимическим методами. Измерения магнитной восприимчивости (МВ) осадков и пеплов и исследование ее при высоких температурах выполнены на многофункциональном каппаметре MFK 1FA c термоприставкой CS3 (“AGICO” Ltd.). Гистерезисные параметры, включая остаточную намагниченность насыщения (Jrs), намагниченность насыщения (Js), индуктивную намагниченность (Ji), коэрцитивную силу (Bc), остаточную коэрцитивную силу (Bcr) измерены на автоматическом коэрцитиметре J-meter (КГУ). Исследования элементного состава стекол и магнитной фракции проводились на сканирующем электронном микроскопе EVO-50 с энерго-дисперсионными спектрометрами AXS XFlash фирмы “Bruker” и системой рентгеновского микроанализа Quantax Esprite 1.9. Анализ осуществлялся с использованием эталонных спектров методом Phi-Rho-Z. Предел обнаружения элементов составляет 0.3 мас. %. Радиоуглеродный анализ торфяников выполнен в СВКНИИ ДВО РАН на низкофоновом жидко-сцинтилляционном спектрометрическом радиометре 1220 “QUANTULUS”. Пробоподготовка и синтез счетной формы проведены на установке КЛП С14. Радиоуглеродное датирование органических микрочастиц из керна получено в лаборатории Ангстрема Уппсальского университета (Швеция).

Из центральной части оз. Чистое пробурено 6 скважин – скв. 1, 2 (59°32.259′ с.ш., 151°48.377′ в.д.), скв. 4, 4а, 4б, 4в (59°32.753′ с.ш., 151°47.257′ в.д.). В каждом разрезе установлено два прослоя тефры. Нижняя тефра (КО) установлена на глубинах 373–377 см (скв. 1), 360–364 см (скв. 2), 190–193 см (скв. 4), 185–189 см (скв. 4а), 184–188 см (скв. 4б), 182–186 см (скв. 4в). Верхняя тефра выявлена на глубинах 86–88 см (скв. 1), 77–80 см (скв. 2), 36–38.5 см (скв. 4), 35.5–37 см (скв. 4а), 31–34 см (скв. 4б), 36.5–37 см (скв. 4в). В озере ЛБ-2 верхняя и нижняя тефры установлены в осадках на глубинах 171.5–172.0 и 616–619 см соответственно В двух скважинах 1а и 1б озера ЛБ-1 выявлена только одна тефра в верхней части разрезов на уровне 108.5–109 и 109.5–110 см соответственно. Скважины пробурены до глубин 440 см (скв. Лб-1а) и 424 см (Лб-1б). В отличие от тефры оз. Чистое, прослои тефры в осадках озер ЛБ-1 и ЛБ-2 имеют четкие верхнюю и нижнюю границы (рис. 2а, г). Формы пепловых частиц стекол пластинчатые, часто с продольно-волокнистой структурой, остроугольные, рифленые (рис. 2б, д). В нижней тефре доминируют бесцветные прозрачные формы, в верхней много полупрозрачных зерен.

Рис. 2.

Фотографии керна (светлое – прослои пепла) (а, г), шлифов в проходящем свете (видны частицы вулканического стекла) (б, д) и термомагнитные кривые (в, е) верхней и нижней тефры.

Наличие одновозрастной тефры на разных уровнях осадочных разрезов указывает на разные скорости осадконакопления, однако они приблизительно постоянные в разных частях водных бассейнов.

По высоким значениям магнитной восприимчивости верхняя тефра заметно выделяется среди изученных объектов (рис. 3). МВ ее на порядок выше магнитной восприимчивости озерных осадков, нижней тефры (КО), песчано-гравийных отложений пляжей и мелководного шельфа, грубозернистого основания осадочного ложа, также отложений из береговых обнажений, представленных глинами, алевритами, песками, гравием, галечниками (рис. 3).

Рис. 3.

Магнитная восприимчивость тефры, озерных осадков и отложений источников сноса.

Более высокие значения магнитной восприимчивости имеют только грубые фракции (2500 мкм) некоторых образцов делювия, образованного по эффузивным породам основного и среднего состава пьягинской свиты. В то же время магнитная восприимчивость фракций делювия размером <40 мкм, которая доминирует в тефре и озерных осадках, ниже магнитной восприимчивости тефры и варьирует от 0.12 до 0.64 × 10^–6 м³/кг.

Верхняя тефра по сравнению с нижней характеризуется более высокими значениями Jrs, Js и пониженными величинами коэрцитивной силы и остаточной коэрцитивной силы, парамагнитной компоненты (Jp) (табл. 1).

Доменное состояние магнитных частиц оценено по отношениям Jrs/Js и Bcr/Bc [7]. Частицы относятся к псевдооднодоменным, содержание однодоменных частиц в верхней и нижней тефре разное и составляет около 30 и 5% соответственно.

Гранулометрический состав обоих прослоев тефры отличается, хотя в них доминирует фракция размером меньше 40 мкм. Содержание гранулометрических фракций верхней тефры распределяется следующим образом: >100 мкм (3%), 63–100 мкм (3%), 63–40 мкм (6%), <40 мкм (88%). Самый тонкий материал тефры отмечен в подошве слоя. В нижней тефре выявлено большее содержание фракций размером >100 мкм (15%), 63–100 мкм (9%) и 63–40 мкм (25%). Доля фракции размером <40 мкм составляет 51%.

По данным микрозондового анализа, состав частиц стекол нижней тефры относится к риолитам [8]. Средняя концентрация SiO₂ составляет 70.3 мас. %, сумма K₂O + Na₂O = 6.6 мас. %, Na₂O доминирует над K₂O. По данным рентгенофлуоресцентного анализа валового состава пепла содержание SiO₂ в нижней тефре (КО) из керна скв. 2 равно 68.06 мас. %, а сумма K₂O + Na₂O – 7.09 мас. %.

По петрохимическому составу исследованная тефра сопоставима с тефрой (КО) из осадков оз. Гранд (Магаданская область, 60°44′ с.ш., 51°53′ в.д.), расположенного севернее оз. Чистое. В тефре оз. Гранд содержание SiO₂ составляет 75.54 мас. %, Na₂O – 4.56 мас. %, K₂O – 2.12 мас. % [5], что близко к петрохимическому составу тефры кальдеры Курильского озера, определенного микроанализом стекол [12].

В верхней тефре оксида кремния меньше (64.65 мас. %), а сумма K₂O + Na₂O приблизительно та же (7.57 мас. %), указывая на дацитовый состав [8].

Две изученных тефры отличаются по составу титаномагнетитов. Магнитные минералы верхней тефры, по данным исследования 28 зерен, представлены малотитанистыми магнетитами с содержанием Ti 2.7 мас. %. Среди примесей в единичных зернах выявлены Cr (0.4 мас. %), V (0.29 мас. %), Mn   (1.11 мас. %), повсеместно отмечены Al (0.59 мас. %), Si (0.69 мас. %), Mg (0.59 мас. %). Кривые зависимости магнитной восприимчивости от температуры, полученные в аргоновой среде, указывают на наличие трех магнитных фаз с температурами Кюри (Тс) = 569°С, 435°С и 486°С. Последняя фаза нестабильная – на кривых остывания и кривых второго цикла она отсутствует, зато более отчетливо на них проявляется фаза с Тс = 435°С (рис. 2).

В нижней тефре, по данным исследования 29 зерен, отчетливо выделяются две группы титаномагнетитов. В группе высокотитанистых титаномагнетитов содержание Ti варьирует 24.26–28.01 мас. % (среднее 25.54 мас. %). Из примесей постоянно присутствуют Mn (1.21 мас. %), Mg (0.89 мас. %), в отдельных зернах отмечены Al (0.14 мас. %) и Si (0.35 мас. %). Во второй группе титаномагнетитов концентрации Ti составляют 0.35–16.87 мас. % (среднее 6.48 мас. %). Примеси представлены Mn (1.45 мас. %), Si (0.80 мас. %), Al (0.59 мас. %), Mg (0.53 мас. %), V (0.41 мас. %). Термомагнитные кривые, полученные для этой тефры, отличаются от кривых нижней тефры. Выделяются стабильная магнитная фаза с Тс = = 563°С и неустойчивая фаза с температурой перехода 438°С. Точка Кюри второй фазы на кривых остывания сдвигается к температуре 343°С. (рис. 2). Подобные кривые получены для KO тефры из осадков оз. Гранд [10]. Нестабильные магнитные фазы связываются с окисленными титаномагнетитами. При нагреве в бескислородных средах они восстанавливаются с образованием устойчивых фаз с более низкими точками Кюри. Нагрев нестабильных фаз в воздушной среде приводит к дальнейшему окислению, причем точки Кюри сдвигаются к более высоким температурам [11].

Нижняя тефра (KO) связывается с извержением вулкана Курильского озера на Камчатке, произошедшем, по данным радиоуглеродного анализа, 7600 лет назад [12]. Близкий возраст тефры из озерных осадков и обнажений получен по многочисленным объектам Магаданской области и Якутии [1, 3, 6, 9, 12]. Характерными чертами тефры кальдеры Курильского озера являются ее риолитовый состав, низкое или умеренное содержание Al₂O₃ и MgO, невысокие концентрации TiO₂, FeO, CaO и K₂O [12].

Тефра KO установлена в береговых обнажениях вблизи оз. Чистое. Из-за белого цвета она легко диагностируется в отложениях, особенно в торфяниках. Торфяник, мощностью около 150 см, включающий прослой тефры, опробован для радиоуглеродного датирования на северном и южном берегах озера. В северном обнажении из него получена серия последовательных датировок от 9725 до 3450 лет. Возраст торфа с включениями тефры составляет 8475 ± 157 лет. (табл. 2). Радиоуглеродная дата 6600 ± 67 лет получена из торфяника южного берега озера.

Верхняя тефра в обнажениях вблизи озера не обнаружена. В донных осадках озера Лесное (неформальное название), расположенного севернее оз. Чистое, маломощный прослой тефры подстилается и перекрывается осадками с возрастом 1060 ± 60 и 2900 ± 60 лет соответственно [1, 9]. Интерполированный возраст тефры составляет 2770 лет.

Близкая по возрасту тефра обнаружена в осадках оз. Подкова (59°57′ с.ш., 152°06′ в.д.). Датированные осадки озера, между которыми залегает прослой тефры, имеют радиоуглеродный возраст 3840 ± 60 и 2580 ± 90 лет [1, 6].

Основываясь на полученных радиоуглеродных датировках и допуская, что скорости осадконакопления приблизительно одинаковые в скважинах, интерполированный возраст верхней тефры составляет 1350–1590 лет. Осадки скважин Лб-1а, Лб-1б, Лб-2 включают многочисленные остатки водных растений и органический материал (ветки, иголки), принесенный с берега, датирование которых позволит уточнить возраст тефры и определить ее источник.

Таким образом, комплексные исследования тефры свидетельствуют о наличии двух разных по петрохимическому составу, магнитным и минералогическим характеристикам продуктов извержения вулканов, произошедших на границе раннего и позднего голоцена, и в позднем голоцене. Высокая магнитная восприимчивость позднеголоценовой тефры является одним из ее отличительных признаков. Простота измерений этого параметра позволяет использовать его для экспресс-диагностики тефры, особенно в озерных осадках, даже если она находится в мизерных количествах и визуально не видима.