Древние компасы. О магнитных свойствах горных пород и шкале геомагнитной полярности

С 50-х годов нынешнего столетия для определения возраста земных слоев стали использовать еще одну группу методов, которая к настоящему времени развилась в новую отрасль геологических знаний - палеомагнитологию.

Известно, что многие минералы и горные породы, содержащие железо и железо-титановые соединения, обладают свойством, известным под названием ферромагнетизм. При устранении намагничивающего поля эти вещества сохраняют некоторую остаточную намагниченность. Процесс намагничивания идет тем легче, чем выше температура, и даже в слабом магнитном поле возникает большая намагниченность, которая закрепляется - "замораживается" - при охлаждении вещества. Такая намагниченность называется термоостаточной. Измеряя при помощи точной аппаратуры магнитные характеристики пород, включающих ферромагнитные частицы, можно установить напряженность магнитного поля Земли, магнитные наклонение и склонение, которые были свойственны исследуемому пункту в то или иное время.

Например, по термоостаточной намагниченности пород, изверженных вулканами, можно судить о напряженности и направлении магнитного поля в период извержения. Сходное явление наблюдается при образовании осадочных пород. Геомагнитное поле воздействует на оседающие на дно водоема частицы горных пород и ориентирует их в соответствии с направлением на магнитные полюсы. При уплотнении осадка ориентировка частиц закрепляется и может служить своеобразным компасом, указывающим положение полюсов Земли в то время, когда происходило отложение осадочной породы.

По-видимому, можно утверждать, что любые горные породы при своем образовании запечатлевают в себе характеристики геомагнитного поля, существовавшего в момент их рождения. Приобретенная породой первичная намагниченность обычно сохраняется на протяжении всей последующей геологической истории и, как правило, может быть обнаружена с помощью комплекса методов исследования палеомагнетизма. При этом принимается, что палеомагнитное поле в каждый период своего существования было подобным полю диполя, помещенного в центр Земли и ориентированного по оси ее вращения.

Палеомагнитные исследования ведутся сейчас во многих странах и охватили территории всех континентов и акватории океанов. Сведения о положении полюсов Земли получены для огромного интервала геологического времени - от протерозоя до современной эпохи. Выполненные работы позволили установить, что на протяжении эволюционного развития планеты геомагнитное поле непрестанно изменяло свою напряженность и направление.

Выяснилось, что кажущиеся миграции полюсов Земли связаны с перемещением в пространстве крупных блоков земной коры - литосферных плит. Для каждого такого блока можно построить свою траекторию кажущегося движения полюса. Истинное же положение полюсов Земли помогают установить математические модели, описывающие картину дрейфа континентов и расширения океанических впадин на протяжении геологической истории. Кроме этих перемещений, связанных с передислокацией масс суши и океанов, фиксируются движения магнитных полюсов, обусловленные довольно быстрыми вариациями самого магнитного поля Земли. Оба типа движения полюсов, налагаясь друг на друга, создают достаточно сложную картину. Однако обычно исследуют среднее геомагнитное поле, в котором вариации нивелируются во времени.

В силу своих свойств ферромагнетики будут одинаково реагировать на воздействие высокой температуры вне зависимости от ее происхождения. Значит, тот же эффект будет получен, если минеральное образование нагрето не естественным природным теплом, а искусственно, например в гончарной печи. Этим фактом заинтересовались археологи. Глина, из которой изготовляют керамические изделия, почти всегда содержит ферромагнитные частицы. Были изучены тысячи образцов гончарной продукции различных времен и народов; на магнитность проверялись черепки горшков и кувшинов, кирпичи и черепица старинных строений. Исследования подтвердили, что на протяжении исторического времени магнитное поле Земли закономерно изменяло свои параметры. И теперь, зная палеомагнитные характеристики археологического объекта, иногда удается судить о его возрасте в пределах десятка последних тысячелетий.

Перемещение континентальных блоков. Реконструкция расположения материков в карбоне (300 млн. лет назад) и в палеогене (30 млн. лет назад)

Для изучения магнитных полей более далекого прошлого потребовались другие методы. Палеомагнитологи установили, что на протяжении развития Земли ее магнитное поле многократно меняло свое направление. В геологических разрезах наблюдается обилие обращений геомагнитной полярности - инверсий. Полярность, совпадающая с современной, называется прямой, а противоположного знака - обратной. Каждый тип полярности обычно сохраняет свой знак на протяжении некоторого, иногда довольно продолжительного, времени. Интервалы разреза, характеризующиеся определенным знаком полярности, называются магнитозонами. Различают зоны прямой намагниченности (их называют N- или n-зонами), обратной намагниченности {R- или r-зоны) и зоны частой смены полярностей {NR- или nr-зоны).

Геомагнитные инверсии, по-видимому, должны были проявляться одновременно на всей территории земного шара. Они без особых сложностей могут быть обнаружены в исследуемых геологических разрезах и прослежены в одновозрастных отложениях различных регионов. Стало быть, если составить палеомагнитную шкалу для какого-либо хорошо изученного района и надежно датировать положения границ, где происходит смена знаков намагниченности, с помощью палеонтологических и физических методов, мы получим своеобразный эталон, с которым можно будет сопоставлять результаты палеомагнитного изучения других территорий. При этом, сравнивая "спектры" смены полярностей, вероятно, удастся соотнести их с определенным участком эталонного разреза и тем самым судить о возрасте сопоставляемых с ним толщ. Такая эталонная шкала получила название палеомагнитной (магнитохронологической, магнитостратиграфической).

Принцип построения и использования магнитохронологических шкал достаточно ясен. При его применении необходимо соблюсти единственное условие: продолжительность отрезков времени, в течение которых сохраняется данный тип геомагнитной полярности, должна быть больше погрешности метода датировки. Казалось бы, новый метод должен был сразу найти широкое применение в стратиграфии. Однако потребовалось более полутора десятилетий, прежде чем удалось получить надежные результаты изотопной возрастной датировки и палеомагнитные шкалы смогли превратиться в действенное оружие геохронологии.

Для воссоздания истории геомагнитных инверсий приходится изучать разнообразные геологические объекты.

С развитием калий-аргонового метода стало возможным получать очень точные определения возраста вулканогенных пород позднего кайнозоя, в первую очередь - основных лав, для которых существуют надежные палеомагнитные данные. Шкала возраста и геомагнитной полярности этих пород, взятых в различных районах земного шара, распространяется сейчас на 7 млн. лет, охватывая четвертичные и верхненеогеновые отложения.

Изучение разрезов донных осадков по материалам опробования, проведенного в глубоководных областях океанов, позволило уточнить палеомагнитную шкалу для позднего кайнозоя и продолжить ее в глубь времен до начала неогена (табл. 6). В дальнейшем, по мере развития подводного бурения, по-видимому, удастся создать такую шкалу для всего кайнозоя и верхней части мезозоя.

Дополнительные сведения о характере проявления магнитных инверсий дает изучение линейных геомагнитных аномалий, наблюдаемых в породах, слагающих дно океана. Известно, что поверхность океанического дна постепенно обновляется в результате поступления свежих масс вещества из недр Земли. Разрастание поверхности дна океана совершается импульсивно, поэтому дно оказывается сложенным чередованием продольно вытянутых геологических тел. Каждое из тел фиксирует свойства магнитного поля, существовавшего в момент образования этого тела, и имеет соответственно прямую или обратную намагниченность. Зная скорость расширения морского дна и имея определения возраста для горных пород, слагающих зоны магнитных аномалий, можно создать так называемую аномалийную шкалу геомагнитной полярности. Эта шкала позволяет проконтролировать данные, полученные по результатам бурения, и проследить историю геомагнитных инверсий по крайней мере до юрского периода.

Поскольку возраст океанического дна сравнительно молодой, для более древних геологических отложений проводится палеомагнитное изучение наиболее полных разрезов осадочных и вулканогенных толщ, развитых на континентах. Полученные в различных областях последовательности зон прямой и обратной намагниченности надстраивают друг друга. Таким путем создаются сводные магнитостратиграфические шкалы для отдельных регионов, сопоставление которых между собой дает возможность построить общую шкалу геомагнитной полярности для всего земного шара. Преимущество таких шкал заключается в том, что они разрешают восстановить историю геомагнитного поля от нынешнего времени до древнейших этапов развития планеты и позволяют привязать ее к периодам, эпохам и векам общей геохронологической шкалы.

Таблица 6. Палеомагнитная шкала верхнего кайнозоя

Геомагнитные инверсии распределяются по шкале времени неравномерно, образуя различные группировки, сгущения и разрежения зон той или иной полярности, и только на уровне очень больших отрезков геологической истории - эр и эонов - проявление инверсий, вероятно, подчинено сложной ритмической закономерности.

В зависимости от длительности своего существования магнитостратиграфические подразделения получают различные наименования. Отрезки шкалы геомагнитной полярности, интервалы распространения которых приблизительно соответствуют эратемам, называются мегазонами; единицы, отвечающие системам, - гиперзонами; отделам и нескольким ярусам - суперзонами; ярусам или зонам - ортозонами. Кроме того, нередко наблюдаются интервалы разрезов, соответствующие неустойчивому состоянию магнитного поля. Такие интервалы, характеризующиеся сильными отклонениями направлений поля, незавершенностью инверсий, называются аномальными; они часто хорошо фиксируются на больших территориях и могут служить дополнительными признаками, облегчающими сопоставление магнитостратиграфических шкал.

В представленной здесь табл. 7 показана палеомагнитная шкала палеозоя, мезозоя и палеогена территории СССР. Долгим и трудоемким процессом было составление этой шкалы. Нижнепалеозойская ее часть построена.по материалам, полученным при изучении разрезов Сибирской платформы. Характеристика среднего и верхнего палеозоя выявлена в отложениях Восточно-Европейской платформы, Алтае-Саянской области и Тунгусской синеклизы. Мезозойская часть шкалы построена по разрезам Восточной Европы, Кавказа, Средней Азии, Сибири и Северо-Востока СССР, а палеогеновая - по обнажениям, изученным в Нахичеванской АССР, Туркмении и Таджикистане.

Зоны прямой намагниченности показаны в таблице красным цветом, интервалы обратной (отрицательной) намагниченности - синим, зоны переменной полярности заштрихованы синим и красным, неизученные части оставлены незакрашенными.

В палеозое преобладает обратная полярность, на фоне которой фиксируется более 30 зон прямой намагниченности, продолжительность существования каждой из которых составляет от 0,5 до 20 млн. лет. По признакам намагниченности здесь выделено шесть гиперзон, в составе которых различается десять суперзон. В мезозойских и палеогеновых отложениях преобладающая полярность - прямая. В них устанавливается пять гиперзон продолжительностью от 20 до 65 млн. лет.

Таблица 7. Папеомагнитмая шкапа палеозоя, мезозоя и палеогена

Значительно более детальная магнитостратиграфическая характеристика, основанная на обширном материале по Украине, Азербайджану, Средней Азии, Западной Сибири и Дальнему Востоку, получена для неогеновых и четвертичных отложений (см. табл. 6). Устанавливаемые здесь магнитозоны хорошо согласуются со шкалами, принятыми для различных континентов, и многие из них прослеживаются в кайнозойских разрезах всего земного шара.

Аналогичные палеомагнитные шкалы составлены для фанерозойских отложений различных стран и материков. Их обобщение и создание общей глобальной магнитостратиграфической схемы - задача ближайшего будущего.

Наиболее благодатными для изучения палеомагнетизма являются красноцветные осадочные породы, некоторые сероцветные породы, бокситы и уже упоминавшиеся эффузивы основного состава. Усилиями палеомагнитологов круг объектов исследования расширяется.

Магнитостратиграфия успешно используется сейчас для расчленения толщ горных пород и сопоставления фанерозойских отложений. На очереди - создание надежных палеомагнитных схем для докембрийских образований.

Палеомагнитные данные помогают геологам контролировать бурение скважин, уточнять возраст рудных месторождений, реконструировать движения земной коры и составлять геологические карты. Палеомагнетизм открыл новые возможности для изучения географической обстановки минувших эпох, дал дополнительные сведения об условиях и продолжительности существования древних организмов и позволил внести ряд уточнений в шкалу геологического времени, построенную на биостратиграфической основе.