Физика Земли, 2020, № 5, стр. 94-102

ВВЕДЕНИЕ

Силл – пластообразное тело интрузивных горных пород, залегающее согласно с напластованием вмещающих осадочных. Силлы выполнены долеритами и габро-долеритами. Долериты состоят примерно на 50% из плагиоклаза, на 35–40% из клинопироксена и имеют переменное количество оливина, максимально достигающее 12% [Кутолин, 1972].

Плагиоклазы – твердые растворы, конечными членами ряда которых являются альбит и анортит. Оливины – твердые растворы, конечные члены ряда – форстерит и фаялит. Моноклинные пироксены (клинопироксены) чаще представлены рядами диопсид–геденбергит и авгит–эгирин.

В строении долеритовых силлов отчетливо выделяются верхняя и нижняя приконтактовые зоны (ВПЗ и НПЗ), сложенные обычно микро- и мелкозернистыми долеритами, и расслоенная серия (PC), заполняющая основной объем интрузивов. По данным [Феоктистов и др., 1975] в верхней и нижней приконтактовой зонах интрузий отмечается повышенное содержание плагиоклазов, в центральной части интрузии преобладают оливины и пироксены.

Закономерности пространственного строения интрузивов определяются динамикой процесса дифференциации и непосредственно отражают законы перераспределения в пространстве магматической камеры компонентов затвердевающего и эволюционирующего по составу расплава [Френкель и др., 1988; Арискин, Бармина, 2000]. Следовательно, основным фактором, определяющим пространственное строение силлов, является распределение температур в интрузии. А это, в первую очередь, будет определяться мощностью интрузии. Т.е. строение маломощных интрузий будет различаться от строения мощных не только соотношением ВПЗ и НПЗ к РС, но и строением, и минеральным составом расслоенной серии. Важнейшей закономерностью строения РС является наблюдаемое изменение их состава от высокотемпературных в нижних частях разрезов к низкотемпературным в верхних. В нижних частях РС будут преобладать оливин-пироксеновые долериты с подчиненным содержанием плагиоклаза, а в верхних частях характерно преобладание плагиоклаза над оливином и пироксеном [Френкель и др., 1988; Арискин, Бармина, 2000]. Динамика процесса остывания интрузии определяет также и некоторые магнитные свойства долеритов [Метелкин и др., 2019].

Распределение силлообразных интрузий в траппах запада Якутии следующее: силлы мощностью менее 50 метров составляют около 68%, мощностью от 50 до 150 м – 21%, от 150 до 300 м – 11% [Шарапов, 2001].

Были проведены экспериментальные исследования стабильности магнетита и титаномагнетита в силикатных системах. В работе [Snyder et al., 1993] отмечено, что температура кристаллизации титаномагнетита не превышает 1130°С и сильно зависит от окислительно-восстановительных условий. Выделение магнетита из расплавов приводит к резкому обеднению расплава железом и обогащению SiО₂. В работе [Thy, Lofgren, 1994] сделан вывод о том, что независимо от состава силикатов начальные температуры появления магнетита в кристаллизационной последовательности составляют 1105°С. В работе [Toplis, Carrol, 1995] показано, что высоким температурам кристаллизации магнетита отвечает повышенная окисленность железа в расплавах.

ПАРАМАГНЕТИЗМ ПОРОДООБРАЗУЮЩИХ МИНЕРАЛОВ

Безжелезистые породообразующие минералы (плагиоклазы, эпидот, хлорит и т.д.) диамагнитны или слабо парамагнитны. Парамагнитная восприимчивость железосодержащих силикатов связана, главным образом, с двух- и трехвалентным железом [Физические..., 1984]. Двух- и трехвалентное железо, входя в состав оливинов и пироксенов, создает повышенную парамагнитную восприимчивость.

Переменный минеральный состав долеритов (плагиоклазы, клинопироксены и оливины), близкие значения удельной парамагнитной восприимчивости оливинов и клинопироксенов делают невозможным использование удельной парамагнитной восприимчивости для идентификации долеритов. Но тем не менее, увеличенное содержание плагиоклазов в долеритах будет надежно регистрироваться. Таким образом, анализ удельной парамагнитной восприимчивости долеритов позволит надежно разделять внутрипластовые интрузии на приконтактовые зоны (ВПЗ и НПЗ) и на расслоенную серию.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

Термомагнитные кривые по индуктивной намагниченности M_i(T) были получены на установке дифференциального термомагнитного анализа (ДТМА) [Буров, Ясонов, 1981]. Объем пробы в держателе составлял примерно 8–10 мм³, магнитное поле при измерениях 0.4 Тл, скорость нагрева пробы 100 град/мин, диапазон температур от 20 до 800°С.

Зависимости значений индуктивной намагниченности M_i(В) от приложенного магнитного поля измерялись на коэрцитивном спектрометре (КС) [Yasonov et al., 1998]. Гистерезисные параметры были получены в магнитном поле до 500 мТл.

Магнитная восприимчивость (æ) обусловлена содержанием в породе ферромагнитных минералов. Ферромагнитные минералы (магнетит, титаномагнетиты) обладают повышенной магнитной восприимчивости, на четыре–пять порядков превышающую значения для парамагнитных породообразующих минералов. Выделить вклад парамагнитных породообразующих минералов в измеряемый магнитный момент пробы можно двумя способами.

I. На кривой ТМА первого нагрева при температуре, большей, чем максимальная температура Кюри ферромагнетика, измеряемый магнитный момент пробы M_i(T) обусловлен парамагнетизмом породообразующих минералов:

где: æ – магнитная восприимчивость образца; Н – напряженность магнитного поля в установке ТМА; V – объем пробы.

Произведение æH есть индуктивная намагниченность пробы J_i, а произведение J_iV – магнитный момент пробы M_i. В установке ТМА измеряется магнитный момент пробы, нормированный на ее вес – M_i/P. Чтобы получить значение M_i, необходимо измеренный параметр M_i/P умножить на вес пробы. Тогда æ = M_iP/(HV). Чтобы получить значения удельной парамагнитной восприимчивости χ, которая имеет размерность м³/кг, надо безразмерное æ умножить на V/P. Следовательно,

Значение M_i в данном случае – это измеряемое на установке ТМА значение магнитного момента пробы (нормированного на вес пробы).

Чтобы сравнивать значение удельной парамагнитной восприимчивости χ с табличными значениями χ минералов, необходимо знать значение χ при комнатной температуре. Для этого в диапазоне температур выше Т_с ферромагнетиков определяют постоянную С парамагнетика, исходя из закона Кюри для парамагнетиков:

Для реальных парамагнетиков используют закон Кюри–Вейса: где W – постоянная Вейса. В температурном диапазоне, где определяется постоянная С, выполняется условие T $ \gg $ W, поэтому постоянную С определяют по закону Кюри. Значение, полученное при комнатной температуре по кривой, построенной с заданным коэффициентом С и будет искомым χ.

II. Определение парамагнитной составляющей по кривой M_i(B). В больших полях ферромагнетики достигают насыщения, и дальнейший линейный рост намагниченности обусловлен ростом значений для парамагнитной составляющей. На рис. 2 показано разложение кривой M_i(B) того же образца долерита 10–186 на ферромагнитную и парамагнитную составляющие.

Методика разложения кривой M_i(B) на составляющие довольно проста: в интервале от 400 до 500 мТ участок кривой M_i(B) аппроксимируется прямой линией с достоверностью аппроксимации не меньше 0.98. Если достоверность аппроксимации ниже этой величины, то ферромагнитная составляющая не достигла насыщения, поэтому необходимо увеличить максимальное поле до 1000 или 1500 мТ.

При аппроксимации получают уравнение прямой M = kB + M₀, где угловой коэффициент отвечает за парамагнитную составляющую, а M₀ – значение M_i насыщения ферромагнитной составляющей. Строится график M_p = kB – парамагнитная составляющая, и график M_f(B) = M_i(B) – M_p(B) – ферромагнитная составляющая (рис. 2). Чтобы сопоставить значение M_p, полученные по кривой ТМА, со значением M_p по кривой M_i(B) необходимо по кривой M_i(B) вычислить значение ш в поле 400 мТ (поле установки ТМА). Для контроля вычисляются также значение M_i при 400 мТл, которое сопоставляется со значением M_i при начальной температуре нагрева в установке ТМА. Значение χ по кривой M_i(B) вычисляется так же, как и в случае термомагнитных кривых, потому что измеряемый магнитный момент пробы также нормируется на вес образца.

Результаты расчетов по образцу 10–186 приведены в табл. 2.

Для проверки предложенной методики использовалась коллекция интрузивных пород (долериты), отобраных из силлов. Если методика расчета удельной парамагнитной восприимчивости верна, то полученные значения χ по кривым M_i(T) и M_i(В) должны совпадать. Результаты расчетов χ показаны в табл. 3.

В табл. 3 в столбце “M_i_T/M_i_B” приведены значения отношений M_i по ТМА (M_i_T) и по кривой M_i(B) (M_i_B), полученных при Т = 20°С и В = 400 мТл. Это отношение, в основном, определяется ферромагнитными компонентами образцов и колеблется в пределах от 0.8 до 1.2, с отдельными значениями 1.8 и 0.78. Такое различие в отношении M_i_T/M_i_B можно объяснить малым объемом пробы в установке термомагнитного анализа – случайным образом в пробу может попасть на одно зерно ферромагнетика больше или меньше. Следует отметить, что не наблюдается какой-либо зависимости от содержания ферромагнетика и соотношения параметров M_p_T и M_p_B. Например, в образце 1 M_i_T/M_i_B = 1.8 и M_p_T > M_p_B, а в образце 2 M_i_T/M_i_B = 0.78 и M_p_T > M_p_B. В большинстве случаев M_p_T < M_p_B – это можно объяснить влиянием суперпарамагнитных частиц. В некоторых случаях M_p_T > M_p_B – наиболее вероятная причина: окисление двухвалентного железа до трехвалентного в результате нагрева пробы.

В целом, получено неплохое соответствие удельных парамагнитных восприимчивостей, рассчитанных по данным термомагнитного анализа и коэрцитивных спектров. По мнению авторов, результаты расчетов по термомагнитному анализу более достоверны, чем расчеты по кривым M_i(B), что связано с влиянием суперпарамагнитных зерен.

ПРИМЕНЕНИЕ МАГНИТНО-МИНЕРАЛОГИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ДЛЯ КОРРЕЛЯЦИИ ВНУТРИПЛАСТОВЫХ ИНТРУЗИЙ (СИЛЛ)

Из скважины, пробуренной по телу межпластовой интрузии, с разных глубин были отобраны образцы керна, по полевому описанию в интервале 1.2–56.2 м скважиной вскрыты долериты. Отбор проб на исследования проводился с глубин 6, 12, 23, 30, 40, 50 и 55 м, выбирались образцы без следов выветривания. По всем образцам был проведен термомагнитный анализ. Кривые ТМА образцов (первый нагрев) показаны на рис. 3. Каждая кривая ТМА нормирована на значение магнитного момента при 20°С (M_io). Следует отметить, что значения M_io термомагнитных кривых различаются незначительно. во всех образцах регистрируется две ферромагнитные компоненты, за исключением одного, отобранного с глубины 23 м. Первая компонента (С1), с температурой Кюри от 160 до 320°С, обусловлена титаномагнетитом. Вторая компонента (С2), с температурой Кюри от 550 до 580°С, обусловлена магнетитом. Для выделения компонент на термомагнитной кривой применена методика, описанная в работе [Ибрагимов и др., 1999]. В результате обработки кривой ТМА были получены количественные оценки компонент С1 и С2 – значения магнитного момента первой и второй компоненты при 20°С.

На рис. 4а показан результат расчета удельной парамагнитной восприимчивости по образцам из скважины. В начале и в конце интервала отмечаются пониженные значения удельной парамагнитной восприимчивости. Это соответствует верхней и нижней приконтактным зонам. По мнению авторов [Френкель, 1988; Арискин, Бармина, 2000], мощность нижней приконтактной зоны не превышает первых десятков сантиметров, так что можно считать удачей регистрацию НПЗ. Мощность верхней приконтактной зоны – первые метры, с большой долей вероятности, образец с глубины 6 м, отобран в зоне перехода от ВПЗ к РС. Расслоенная серия, вследствие повышенного содержания клинопироксенов и оливина, отмечается повышенным значениями удельной парамагнитной восприимчивости.

Для сопоставления ферромагнитных минералов со строением интрузии были рассчитаны два параметра. Первый параметр x отражает состав титаномагнетитов. Титаномагнетиты являются твердым раствором, крайними членами ряда этого твердого раствора являются магнетит Fe₃O₄ и ульвошпинель Fe₂TiO₄. Состав титаномагнетита можно записать как Fe_{3 –x}Ti_xO₄, где 1 ≥ х ≥ 0. Температура Кюри титаномагнетита однозначно связано с его составом [Dunlop, Ozdemir, 1997]. Поэтому через температуру Кюри рассчитывается состав титаномагнетита (х). Второй параметр C1/(C1 + C2) отражает вклад титаномагнетита в измеряемый магнитный момент при 20°С. На рис. 4б показаны распределения этих двух параметров по скважине. До глубины 40 м основной вклад в намагниченность образцов вносят титаномагнетиты, где х варьирует от 0.35 до 0.56. В подошве интрузии вклад титаномагнетита почти равен вкладу магнетита, причем состав титаномагнетита х = 0.3.

Состав и количество титаномагнетита зависит от окислительно-восстановительных условий. Как было сказано выше, высоким температурам кристаллизации магнетита отвечает повышенная окисленность железа в расплавах и выделение магнетита из расплавов приводит к резкому обеднению расплава железом. Можно предположить, что вначале из расплава выделяется магнетит, у которого в составе есть трехвалентное железо. Затем образуется титаномагнетит, который в составе имеет двухвалентное железо и четырехвалентный титан. Чем меньше остается железа в расплаве после образования магнетита, тем больше параметр х титаномагнетита.

Для опробования методики корреляции интрузий траппов были проведены исследования образцов из кернов 8 скважин. Территория, где расположены скважины, относится к водораделу бассейнов р. Оленек и р. Лена (рис. 5). Всеми скважинами были вскрыты долериты межпластовых интрузий позднепермского – раннетриасового возраста. По всем образцам керна скважин был проведен термомагнитный анализ. Результаты обработки термомагнитных кривых образцов показаны на рис. 6.

На гипсометрическом уровне 360–295 м во всех скважинах отмечаются титаномагнетиты с составом 0.41< x < 0.52, удельная парамагнитная восприимчивость – в пределах (1.3–1.7) × 10^–7 м³/кг. Такая однородность магнитных параметров позволяет сделать предположение о едином геологическом теле (силле), который располагается в интервале 295–360 м.

В двух скважинах (IV и V) на гипсометрическом уровне 370–380 м вскрываются долериты с иными магнитным параметрами: состав титаномагнетитов 0.63 и 0.69; удельная парамагнитная восприимчивость (4.5 и 4.6) × 10^–7 м³/кг. Можно предположить, что долериты, вскрытые в скважинах IV и V на гипсометрическом уровне 370–380 м, принадлежат к другому силлу.

Скважиной V на уровне ниже 290 м вскрываются долериты третьего типа: у них χ = 4.0 × 10^–7 м³/кг, но состав титаномагнетита 0.53. Из-за единичности образца делать выводы о третьем силле преждевременно.

ВЫВОДЫ

Предложена и опробована методика выделения удельной парамагнитной восприимчивости долеритов на фоне содержания ферромагнитных минералов.

Показано, что удельная парамагнитная восприимчивость долеритов зависит от их состава. Состав породообразующих минералов долеритов внутрипластовых интрузий зависит как от состава исходного расплава, так и от динамики кристаллизации. Это является основанием для корреляции интрузивов.

Показано, что состав титаномагнетитов в силлах подчиняется определенной закономерности. В верхней части интрузии преобладают титаномагнетиты со значительным содержанием титана, в нижней части – титаномагнетиты, обедненные титаном, и значительная часть намагниченности обеспечивается магнетитом.