Глава 8. Палеомагнетизм

Намагниченность горных пород. Обращения геомагнитного поля и палеомагнитная геохронология. Полосчатые магнитные аномалии и возрасты океанского дна. Гипотеза геомагнитного динамо. Палеомагнитные широты и полюсы. Движение континентов по палеомагнитным данным. Движение полюсов

В 50-х годах текущего столетия ученые-магнитологи установили, что многие горные породы во время их образования приобретали намагниченность по направлению имевшегося тогда геомагнитного ноля, и эта намагниченность во многих случаях сохранилась без существенных изменений до сих пор. Поэтому, определяя направления намагниченности пород различного возраста в конкретном районе земной коры, можно узнать, как менялось в этом районе направление геомагнитного ноля в течение того или иного периода времени. Проделав же это во многих районах земного шара, можно восстановить историю геомагнитного поля в целом.

Способностью намагничиваться обладают породы, содержащие зерна ферромагнитных веществ ферритов, и прежде всего таких минералов, как гематит Fe₂O₃, магнетит Fe₃O₄, ильменит FeTiO₃, пирротин FeS_x и некоторые гидроокислы железа. Ферромагнитные вещества могут обладать намагниченностью лишь ниже некоторой критической температуры, называемой точкой Кюри и разной для разных ферромагнетиков. Ниже точки Кюри ферромагнетик распадается на области с различными направлениями намагниченности - домены размерами от единиц до сотен микронов. При изменениях внешнего магнитного поля домены перестраиваются неполностью, так что средняя намагниченность тела оказывается зависящей не только от внешнего магнитного ноля в данный момент времени, но и от его эволюции в прошлом (эту зависимость от предыстории называют гистерезисом). В частности, при снятии внешнего магнитного поля в ферромагнетике сохраняется некоторая остаточная намагниченность.

Наиболее велика и стабильна термоостаточная намагниченность, которую приобретает горячий, но остывающий ферромагнетик в момент перехода его температуры через точку Кюри. Такую намагниченность приобретают ферритты в остывающих лавах, так что изверженные породы оказываются хранителями отпечатков геомагнитного поля, существовавшего во время их остывания. Совершенно иную природу имеет ориентационная намагниченность осадочных пород: осаждающиеся в воде частицы, как крошечные стрелки компасов, в какой-то мере ориентируются по направлению геомагнитного поля или, по крайней мере, его горизонтальной компоненты.

При восстановлении истории геомагнитного поля по современной намагниченности пород различных возрастов встречается ряд трудностей. Некоторые ферриты намагничиваются не по направлению внешнего магнитного поля, а по противоположному направлению или же способны менять при некоторых температурах направление своей намагниченности на обратное (самообращение). Направление намагниченности может отличаться от направления внешнего магнитного поля вследствие ориентированности кристаллитов в поликристалле и сплюснутых или вытянутых ферритовых зерен в породе, а также из-за того, что к внешнему полю прибавляется магнитное поле самого тела. Первичная намагниченность со временем медленно ослабевает, и на нее налагается дополнительная вязкая намагниченность, ориентированная по современному геомагнитному полю. Дополнительная намагниченность может возникать также при вторичном нагреве пород (например, при их контактном метаморфизме) и некоторых их физико-химических изменениях, при появлении в них механических напряжений, а также вследствие кратковременных сильных магнитных полей при грозовых разрядах. Наконец, направление намагниченности пород может поворачиваться в пространстве при движениях слоев земной коры. Из-за всех этих осложнений первые попытки восстановления геомагнитных полей прошлого, предпринимавшиеся в 50-х годах текущего столетия, приводили к столь большому разбросу результатов, что казались совершенно бесполезными.

Однако с течением времени магнитологам удалось значительно усовершенствовать методику восстановления геомагнитных полей прошлых эпох. Детальный анализ пород (петрографический, химический, рентгеноструктурный, исследование фазовых переходов, намагничивание с последующим глубоким охлаждением и т. п.) теперь позволяет выяснять природу ферритов в породе и оценивать их первичность. Удается различать виды намагниченности (пользуясь, в частности, тем, что они по-разному ослабевают при магнитной чистке, т. е. при размагничивании образцов породы растущим переменным магнитным полем, нагревом или просто временем при изоляции от современного магнитного поля), оценивать палеомагнитную стабильность пород и отличать первичную намагниченность (оставшуюся от начальной) от вторичной. Так, если имеется только один вид намагниченности, то при постепенном размагничивании общее направление намагниченности образца не изменяется, в противном же случае оно сменяется на направление намагниченности наиболее стабильного вида. Размагничивание временем в течение двух - трех недель, иногда в сочетании с нагревом, уничтожает вязкую намагниченность. Последовательные нагревы и охлаждения позволяют опознать термоостаточную намагниченность, опыты по переосаждению осадков - ориентационную. Имеются способы выяснения ориентированности микрокристаллов или зерен в породе, а также оценки собственного магнитного поля тела в целом. Таким образом, удается выяснять природу первичной намагниченности и определять ее направление и величину.

Применение всех этих методов позволило значительно снизить разбросы при реконструкциях палеомагнитных полей прошлого и получить ряд убедительных и важных результатов. Остановимся на двух группах результатов палсомагнитных определений.

Первая из них заключается в построении палеомагнитной шкалы геологического времени, основанной на чередовании эпох нормальной и обратной полярности геомагнитного ноля. Вторая состоит в определении палеоширот стабильных континентальных блоков земной коры и их ориентаций относительно географических полюсов в различные периоды времени, а тем самым и в реконструкции относительных движений континентов и полюсов.

Первое из упомянутых достижений выросло из открытия Б. Брюном еще в 1906 г. намагниченности некоторых лав во Франции, противоположной по направлению современному геомагнитному полю. Такая обратная намагниченность некоторых лав затем была обнаружена во многих районах мира. В послевоенные годы специальное подробное обследование третичных и четвертичных лавовых потоков Исландии, Англии, Франции и Японии показало, что только половина из них намагничена нормально - по современному геомагнитному полю, другая же половина имеет обратную намагниченность. При этом в большинстве случаев обратная намагниченность лав была создана, по-видимому, не какими-либо аномальными свойствами ферритов или самообращениями их намагниченности, упоминавшимися выше, а обратной полярностью геомагнитного ноля во время остывания этих лав. Так, например, японские магнитологи нашли случаи, в которых в нормально намагниченном осадочном слое имелись обратно намагниченные интрузии, обожженная которыми осадочная окрестность также имела обратную намагниченность. В лавах были найдены тонкие переходные слои, в которых направление намагниченности плавно поворачивалось от нормального к обратному (а интенсивность намагниченности в этих переходных слоях была ослабленной).

Это поразительное открытие обращений полярности геомагнитного поля было окончательно подтверждено в серии работ 1963 - 1968 гг. А. Кокса, Р. Доэлла и Р. Далримпла, сопоставивших знаки намагниченности 240 образцов нормально и обратно намагниченных верхнеплиоценовых и четвертичных лав из различных районов мира с абсолютными возрастами этих лав, определенными по калий-аргоновому методу. Сопоставление показало, что ориентация намагниченности четко зависит от возраста лав, т. е. что в прошлом происходило чередование эпох нормальной и обратной полярности геомагнитного поля.

Результаты такого сопоставления для последних 4,3 млн. лет приведены на рис. 35. Они показывают, что за это время сменились четыре эпохи нормальной (н) и обратной (о) полярности геомагнитного ноля. Эта эпохи названы но именам выдающихся ученых-магнитологов (от настоящего в прошлое): Брюнес (н), Матуяма (о), Гаусс (н) и Гплберт (о). Возраст границ между ними следующий: Брюнес - Матуяма - 0,69 млн. лет, Матуяма - Гаусс - 2,43 млн. лег, Гаусс - Гилберт - 3,32 млн. лет. Внутри эпох полярности открыты на порядок более короткие всплески противоположной полярности геомагнитного поля - события, названные по местностям, где они обнаружены: в эпохе Брюнес - событие Лаптами (о), в эпохе Матуяма - события Ярамилло (и), Гилса (и) и двойное событие Олдувей (и), в эпохе Гаусс - события Каепа (о) и Маммот (о), в эпохе Гилберт - события Кочити (н) и Пунивак (н).

Рис. 35. Шкала обращений геомагнитного поля за последние 4,5 млн. лет. Черное - нормальная полярность

Обнаруженное по намагниченности лав чередование эпох нормальной и обратной полярности геомагнитного ноля и событий внутри этих эпох получило хорошее подтвержден; при определении направлений намагниченности последовательных слоев в колонках океанских осадков, о том числе в колонках глубоководного бурения океанского дна, проводимого начиная с 1968 г. специально оборудованным для этого судном "Гломар Челленджер" (за 1968 - 1977 гг. оно пробурило в разных районах Мирового океана 600 скважин с проникновением в толщу дна более чем на 1400 м, во многих случаях - до подстилающих осадочные породы базальтов, а в одном случае скважина прошла свыше 500 м через толщу базальтов до лежащих ниже гипербазитов). Выяснилось, что в колонках осадков чередуются слои с нормальной и обратной намагниченностью, причем в большинстве случаев толщины таких последовательных слоев оказываются пропорциональными длительностям соответствующих эпох полярности геомагнитного поля (как этого и следует ожидать при приблизительно постоянной скорости океанского осадкообразования, которая служит здесь коэффициентом пропорциональности).

Рис. 36. Аномалии величины напряженности магнитного поля в районе подводного хребта Рейкьянес (по Дж. Хейртцлеру, К. Лепишону и Дж. Барону (1966)). Зачернены полосы положительных аномалий; A - A - ось хребта

В отличие от лав запись изменений намагниченности во времени в колонках осадков непрерывна и потому позволяет изучать тонкую структуру таких изменений; свидетельства колонок осадков о палеомагнитных событиях (например, о раздвоении события Олдувей) имеют высокую значимость (правда, при перерывах в осадконакоплении какие-то из событий могут в некоторых колонках отсутствовать, по такие перерывы представляют большой интерес и сами по себе). По толщинам слоев в колонках осадков удалось установить, что обращения полярности происходят за несколько тысячелетий, причем за этот период дипольная часть геомагнитного поля (см. ниже) сначала убывает, а затем вновь вырастает, по с противоположным знаком.

Рис. 37. Иллюстрация симметрии магнитных аномалий относительно оси срединно-океанского хребта. Нижняя кривая - профиль магнитных аномалий на поперечном разрезе через Тихоокеанско-Антарктический хребет около 50° ю. ш. и 120° з. д.; верхняя кривая получена из нижней зеркальным отражением относительно оси хребта. Вверху - шкала расстояний, внизу - шкала длительности эпох полярности геомагнитного поля; их сопоставление дает для скорости раздвижения океанского дна в этом районе значение 4,5 см/год

В главе 5 излагалась гипотеза Г. Хесса и Р. Дитца об образовании океанской литосферы и коры в рифтовых зонах срединно-океанских хребтов и о раздвижении океанского дна в обе стороны от этих рифтовых зон конвекционными течениями в мантии Земли под астеносферой. Учтем, что базальты второго слоя океанской коры, выплавляемые из мантии в рифтовых зонах, должны при своем остывании в последовательные эпохи полярности геомагнитного поля приобретать соответственно нормальную или обратную намагниченность. Тогда следует ожидать, что при растяжении океанского дна на нем должны образовываться полосы положительных и отрицательных магнитных аномалий, параллельные осям срединно-океанских хребтов и симметричные относительно этих осей, причем ширины таких последовательных полос должны быть пропорциональными длительностям соответствующих эпох полярности геомагнитного ноля (конечно, пока скорость растяжения океанского дна, служащая здесь коэффициентом пропорциональности, хотя бы приблизительно постоянна во времени). Эту гипотезу выдвинули в 1963 г. Ф. Байн и Д. Мэтьюз; в 1964 г. аналогичную гипотезу независимо опубликовали Л. Морли и А. Лярошель. В последующие годы были собраны многочисленные данные, свидетельствующие в пользу этой гипотезы.

Рис. 38. Изменения полярности магнитного поля и ширина полос магнитных аномалий в семи районах Мирового океана. Черное - полярность. аналогичная современной, белое - обратная; 1 - Восточно-Тихоокеанское поднятие (скорость раздвижения u=10-12 см/год); 2 - Тихоокеанско-Антарктическое поднятие (u=8 см/год); 3 - южная часть Индийского океана и северная часть Тихого океана (u=6 см/год); 4 -Южная Атлантика (u=3 см/год); 5 - северная часть Индийского океана (u=2,5 см/год); в Северная Атлантика (u=2 см/год)

Полосчатая конфигурация магнитных аномалии в океане впервые была обнаружена Р. Мейсоном и А. Раффом еще в 1958 и 1961 гг. в северо-восточной части Тихого океана, где были зафиксированы узкие, шириной по 30 - 40 км, параллельные друг другу (в этом районе меридиональные) полосы чередующихся положительных и отрицательных магнитных аномалий интенсивностью порядка 500 гамм, приблизительно постоянной вдоль каждой полосы. Диалогичные результаты были получены в 1962 г. в районе подводного хребта Карлсберг в северо-западной части Индийского океана, а затем и во многих других районах мирового океана, включая Арктику и Красное море. На рис. 36 приведен ставший классическим пример карты магнитных аномалий в районе подводного хребта Рейкьянес - участка Срединно-Атлантического хребта к югу от Исландии (полосы аномалий являются, конечно, скорее цепочками пятен, так как, согласно современным данным, излияние базальтов в рифтовой зоне происходит не непрерывно и не равномерно вдоль нее, а из отдельных вулканов, возникающих в ней то тут, то там). На рис. 37 демонстрируется пример симметрии магнитных аномалий относительно оси срединно-океанского хребта - почти полное совпадение профиля магнитных аномалий на поперечном разрезе через Тихоокеанско-Антарктический хребет (около 50° ю. ш. и 120° з. д.) с кривой, полученной из этого профиля зеркальным отражением относительно оси хребта. Пропорциональность ширины полос магнитных аномалий длительностям эпох полярности геомагнитного поля демонстрируется на примере семи районов Мирового океана на сводном графике рис. 38; из графика видно, что скорости растяжения океанского дна варьируют от максимальных 10 - 12 см/год (Восточно-Тихоокеанское поднятие) до минимальных 2 - 2,5 см/год (Северная Атлантика и северная часть Индийского океана).

Рис. 39. Карта значений возраста океанской коры, определенных по данным глубоководного бурения и полосам магнитных аномалий Двойные линии - рифтовые зоны срединно-океанских хребтов; штриховые - изохроны; цифры - возрасты океанской коры в десятках миллионов лет; жирная линия - граница мезозойской океанской коры; заштрихована область океанской коры кайнозойского возраста; кружки - скважины глубоководного бурения: черные - до базальтов, светлые - не достигшие базальтов

Таким образом, границы полос магнитных аномалий (а также линии, им параллельные) можно рассматривать как изохроны, т. е. линии одинакового возраста океанской коры. Карта таких изохрон для всего Мирового океана приведена на рис. 39 (области океанской коры кайнозойского возраста, которые на этой карте заштрихованы, занимают около половины всего океанского дна); на рис. 40 дана более детальная карта изохрон для Северной Атлантики. Прямую проверку этих предсказаний возраста различных участков океанской коры удалось осуществить по данным глубоководного бурения дна океана. В тех скважинах, которые полностью проникли сквозь осадки и достигли лежащего под ними базальта, микропалеонтологическим методом определялся возраст самого нижнего слоя осадков, непосредственно прилегающего к базальту. Оказалось, что полученные данные вполне удовлетворительно согласуются с возрастом палеомагнитных изохрон (рис. 41). Это свидетельство в пользу гипотезы растяжения океанского дна явилось одним из важнейших результатов глубоководного бурения "Гломара Челленджера".

Рис. 40. Карта значений возраста дна Северной Атлантики (по У. Иитмену и М. Тольванн (1972))

Хорошее согласование таких независимых друг от друга данных, как продолжительность эпох нормальной и обратной намагниченности лав, толщина нормально и обратно намагниченных слоев в колонках океанских осадков, ширина полос положительных и отрицательных магнитных аномалий океанского дна и возраст базальтового фундамента океанской коры, делает весьма убедительными и представление об обращениях полярности геомагнитного поля, и гипотезу о растяжении океанского дна.

Рис. 41. Согласование значений возраста палеомагнитных изохрон и базальтового фундамента океанской коры по данным глубоководного бурения дна океана

Полосчатые магнитные аномалии океанского дна оказались наиболее удобной информацией для восстановления эпох полярности геомагнитного поля в далеком прошлом. Воспользовавшись хорошо согласующимися друг с другом последовательностями магнитных аномалий в северной и южной частях Тихого океана и в южных частях Атлантики и Индийского океана, Дж. Хейртцлер, Г. Диксон, Э. Херрон, У. Питмен и К. Лешгаюн построили палеомагнитную шкалу времени на 80 млн. лет в прошлое (см. левую колонку на рис. 42). С помощью корреляции между полосчатыми аномалиями западнее Гавайских островов (раннемеловая часть которых хорошо согласуется с аномалиями в районе Феникс у экватора в Тихом океане и в районе к востоку от Японии) и "аномалиями Китли" по западной периферии Саргассова моря в Северной Атлантике Р. Ларсон и У. Питмен продолжили эту шкалу до 162 млн. лет в прошлое (см. правую колонку на рис. 42). Согласно этой шкале в последние 85 млн. лет, а также в период 148 - 111 млн. лет верхней юры и нижнего мела происходили довольно частые обращения полярности геомагнитного ноли, период же 111 - 85 млн. лет среднего и верхнего мола отличался неизменной нормальной полярностью (ото же относится и к некоторому периоду времени ранее 148 млн. лет). Данные о направлениях намагниченности пород континентальной коры показывают, что обращения полярности геомагнитного поля происходили и в более древние времена. Обобщив такие данные по территории СССР, А. Н. Храмов и Л. Е. Шолно (1967) предложили первую ориентировочную палеомагнитную шкалу времени дли всего фанерозоя. Согласно этой шкале почти во всем мезозое и в период O₂-S₁ преобладало магнитное поле современной полярности с редкими вспышками обратной. В периоды ₁, O₁, D₂-C₁, C₂-P₂ и в палеоцене преобладала обратная полярность. Наконец, в периоды ₂ - ₃, S₂-D₁, C₁-C₂ и P₂-T₁ а также в течение большей части кайнозоя происходили частые, каждые 0,5 - 5 млн. лет, обращения полярности геомагнитного поля.

Рис. 42. Ламонтская палеомагнитная шкала времени. Черное - нормальная полярность

Рис. 35 и 42 показывают, что геомагнитному полю действительно свойственны обращения полярности, так что теории, претендующие на объяснение происхождения геомагнитного поля, должны объяснять и эту способность.

Указания на изменения геомагнитного поля со временном, могущие привести к обращению его полярности, дают измерения магнитологов, проведенные за последние 150 лет. Современное геомагнитное поле (краткие сведения о котором мы приводили в главе 1, см., в частности, рис. 2) можно приближенно описать как поле помещенного в центр Земли магнитного диполя (двухполюсника, подобного намагниченной железной палочке или стрелке компаса); горизонтальная составляющая такого поля на поверхности Земли пропорциональна косинусу географической широты, а вертикальная - удвоенному синусу широты. Точнее, современное геомагнитное поле - сумма дипольной части и вдесятеро менее интенсивной недипольной части. Измерения последних 150 лет показывают, что дипольная часть убывает со скоростью около 5% за 100-летие, и если этот процесс будет продолжаться с такой же скоростью и в дальнейшем, то через 2000 лет произойдет обращение полярности геомагнитного ноля. Таким образом, возможно, что мы живем как раз во время обращения полярности.

Измерения показывают, что недипольная часть современного геомагнитного поля смещается на запад со скоростью около 0,18° долготы в год (полный оборот вокруг Земли за 2000 лет). С позиций изложенной в конце главы 1 современной гипотезы о динамо-механизме генерации геомагнитного тюля (течениями электропроводящей жидкости во внешнем жидком слое земного ядра) западный дрейф не дипольной компоненты объясняется, возможно, переносом неоднородностей поля течениями в ядро со скоростями порядка 20 км/год≈0,7 мм/с. Такие течения могут быть проявлением небольшого отставания вращения внешнего слоя ядра вокруг земной оси от вращения мантии и коры. В то же время вращения ядра и мантии связаны друг с другом: сумма их моментов количества движения должна быть постоянной во времени. Поэтому обнаруженную Э. Вестином (1953) тесную связь между неравномерностями западного дрейфа недипольной части магнитного поля в 1905 - 1945 гг. и измеренными астрономами вариациями скорости вращения Земли (т. е. коры и мантии) в эти годы можно считать свидетельством в пользу гипотезы о динамо-механизме в жидком ядре.

Как следствие из этой гипотезы можно высказать следующее предположение (которое мы будем использовать ниже): поскольку на движения в жидком ядре должно влиять вращение Земли, можно ожидать, что геомагнитное поле, осредненное за периоды в десятки тысячелетий (большие по сравнению с типичными периодами его вековых вариаций, но меньшие по сравнению со временем тектонических процессов), будет симметричным относительно оси вращения Земли (мгновенные же, не осредненные поля такой симметрией не обладают).

Гипотеза динамо может дать основу и для объяснения обращений полярности геомагнитного поля. В самом деле, простейший динамо-механизм, генерирующий магнитное ноле, можно построить, взяв металлический диск, вращающийся на металлической же оси и помещенный в параллельное этой оси магнитное поле. По закону индукции вращение диска в магнитном ноле породит в нем электрический ток, направленный от оси к ободу диска. Будем снимать этот ток с обода щеткой и отправлять его на ось по проводу, совершающему около оси один или несколько витков. Витки с током будут создавать новое магнитное поле, параллельное оси, которое будет прибавляться к начальному. В результате и магнитное поле, и ток будут расти со временем. Это дисковое динамо способно генерировать магнитное поле, но расчет показывает, что способностью к обращениям полярности оно не обладает. Однако стоит только взять два взаимодействующих дисковых динамо, в которых ток одного подпитывает магнитное поле другого, и наоборот (рис. 43), и расчет показывает, что здесь уже появляется способность к обращениям полярности. На первый взгляд кажется, что механизм движений в жидком слое земного ядра не имеет с дисковыми динамо ничего общего. Однако на самом деле описывающие этот механизм уравнения во многом аналогичны уравнениям для цепочек взаимодействующих дисковых динамо. С этой точки зрения способность геомагнитного ноля к обращениям полярности перестает быть загадочной.

Рис. 43. Двухдисковое динамо

Перейдем теперь ко второй группе результатов палеомагнитных исследований - определениям палеомагнитных полюсов. Пусть в выбранном пункте земной коры (с географической шпротой φ_k и долготой Кλ_k) определено среднее направление намагниченности породы геологического возраста t, т. е. измерено склонение D_k(t) этого направления (угол между его горизонтальной составляющей и современным направлением на север) и его наклонение I_k(t) (угол между направлением намагниченности и горизонтальной плоскостью). Определив это среднее направление по многим образцам из различных слоев данной породы, можно считать, что оно соответствует палеомагнитному нолю, осредненном у за большой промежуток времени и поэтому (согласно сформулированному выше следствию из гипотезы динамо) симметричному относительно оси вращении Земли того времени. Иначе говоря, можно считать, что среднее направление намагниченности породы, определяемое углами D_k(t) и I_k(t), указывает на географический полюс возраста t.

Если допустить, что осредненное палеомагнитное поло не только осесимметрично, но еще и дипольно, то тангенс палеонаклонения I