Sorry, this entry is only available in
Російська
На жаль, цей запис доступний тільки на
Російська.
К сожалению, эта запись доступна только на
Російська.

Главное геомагнитное поле и магнитные аномалии

Явление магнетизма было из­вестно человечеству еще в глу­бокой древности. Однако его си­стематическое опытное изучение началось с работы знаменитого английского ученого У. Гилберта «О магните, магнитных телах и великом магните Земли» (1600 г.). Гилберт первым среди естество­испытателей стал рассматривать Землю как гигантский магнит. Значительный вклад в изучение земного магнетизма был сделан крупнейшим немецким математи­ком К. Гауссом, опубликовавшим в 1838 г. свой фундаментальный труд «Общая теория земного маг­нетизма». В этой работе было до­казано, что большая часть магнит­ного поля Земли создается источниками, находящимися внутри нашей планеты. Это поле, имею­щее планетарную природу, впо­следствии было названо главным геомагнитным полем.

Систематическое изучение маг­нитного поля в обсерваториях, начатое в нашем столетии, в конце сороковых годов привело ученых-магнитологов к выводу о том, что поле внешних по отношению к Земле источников составляет менее 1 % от главного геомагнит­ного поля. Тем самым окончатель­но подтверждалось фундамен­тальное открытие Гаусса о внут­ренних источниках магнитного по­ля Земли.

В настоящее время принято считать, что главное геомагнитное поле состоит из поля магнитного диполя, или круглого стержня, помещенного в центр Земли, и вдесятеро меньшей по величине, переменной во времени и про­странстве недипольной части. Не­большое отклонение магнитной стрелки компаса от направления на географический полюс как раз и обусловлено влиянием неди­польной части, которая складыва­ется из кратковременных (суточ­ных или еще более быстрых) и долговременных (так называемых «вековых») колебаний. Кратко­временные изменения вызываются электрическими токами в ионо­сфере, на высоте более 100 км над земной поверхностью.

«Вековые» вариации геомаг­нитного поля выражаются в от­четливом западном дрейфе поля. Скорость этого дрейфа составляет около 0,18° долготы в год; это оз­начает, что «вековая» аномалия обращается вокруг Земли при­мерно за 2000 лет. Таким образом, за период времени в несколько десятков тысяч лет ее суммарный эффект сводится к нулю. Это фун­даментальное положение в уче­нии о земном магнетизме чрез­вычайно важно для геологии, по­скольку открывает широкие воз­можности для применения палеомагнитного метода. Оно означает, что в среднем за тысячелетия ось геомагнитного диполя и ось вра­щения Земли совпадают и что средние геомагнитные и геогра­фические полюса, таким образом, совпадают между собой.

Источником главного геомаг­нитного поля, вероятно, является земное ядро. Вращение внутрен­него ядра, а также движение жид­кости во внешнем ядре можно рассматривать как движение про­водников в магнитном поле, что приводит к возникновению элект­рических токов. Магнитное поле этих электрических токов слагает­ся с уже имеющимся геомагнит­ным полем и усиливает его. По со­временным представлениям, именно с этим явлением связано происхождение главного геомаг­нитного поля. Скорость вращения внутреннего ядра может несколько отличаться от скорости враще­ния коры и мантии Земли, что, видимо, отражается в дрейфе не-дипольной части геомагнитного поля.

Дисковое динамо Э. Булларда и двухдисковое динамо Т. Рикитаке; в последнем возможны обращения геомагнитного  поля

Дисковое динамо Э. Булларда и двухдисковое динамо Т. Рикитаке; в последнем возможны обращения геомагнитного поля

Для объяснения происхожде­ния главного геомагнитного поля известным английским геофизи­ком Э. Буллардом была предло­жена так называемая модель гео­магнитного динамо, которая за­ключается в следующем. Если вращающийся металлический диск поместить в магнитное поле, па­раллельное оси его вращения, то по закону электромагнитной ин­дукции в нем появится электриче­ский ток, направленный от оси к краю диска. Если этот ток пропус­тить по проводу, совершающему один или несколько витков вокруг оси вращения диска, то возникнет дополнительное магнитное поле, которое будет складываться с первоначальным полем и усиливать его. Такой динамо-механизм объясняет усиление начального геомагнитного поля, но не отра­жает одного из его важнейших свойств — обращений, т. е. смены знака поля на противоположный.

Японский магнитолог Т. Рикитаке предложил двухдисковую модель, в которой обращения магнитного поля реализуются. Однако, этим была показана толь­ко принципиальная возможность обращений, но не их действитель­ный механизм, поскольку ни час­тота обращений земного магнит­ного поля, ни длительность интер­валов прямой и обратной поляр­ности в модели Рикитаке не по­лучили объяснения. И до сих пор, несмотря на ряд попыток развить идею двухдискового динамо, она остается только физической ана­логией сложного процесса в зем­ных недрах, расшифровать кото­рый пока до конца не удается.

Главное геомагнитное поле осложнено аномалиями. Анома­лии могут иметь различную при­роду: часть из них вызвана геоло­гическими объектами, находящи­мися ниже уровня поверхности Земли; другие связаны с возму­щениями магнитосферы и имеют, таким образом, внешнюю по от­ношению к твердой Земле при­роду. На Земле имеется несколь­ко чрезвычайно крупных — миро­вых — аномалий магнитного поля, размеры которых составляют ты­сячи километров. Однако они мало занимают геологов, в пер­вую очередь их интересуют бо­лее локальные возмущения поля, имеющие внутренний источник и размеры от десятков метров до нескольких десятков, редко — сотен километров. Именно эти аномалии вызваны конкретными геологическими объектами и являются предметом изучения геоло­гов-поисковиков.

Магнитное поле Земли — единственное геологическое по­ле, история которого буквально «записана» в геологических раз­резах. Прежде всего это относит­ся к инверсиям поля, которые од­новременно по всей Земле запе­чатлеваются в осадочных или вул­каногенных напластованиях и, та­ким образом, являются всемир­ными реперами времени. Зафик­сированная в каменной летописи Земли история ее магнитного поля позволяет изучать не только соб­ственную историю последнего, но и эволюцию различных частей планеты: ядра, где это поле гене­рируется, и земной коры, где это поле «записано».

Исследование магнитного поля акваторий

Изучают распределение маг­нитного поля с помощью магни­тометров. Геомагнитная съемка поверхности Земли проводится уже более столетия, а вот съемка океанов началась сравнительно недавно. В предвоенные годы большой объем работ был выпол­нен с борта немагнитного судна США «Карнеги». Эти работы бы­ли направлены в основном на картирование поля для геомагнит­ной навигации. После второй ми­ровой войны эстафету подхвати­ла советская немагнитная шхуна «Заря», которая и до сих пор проводит исследования распределе­ния элементов земного магнитно­го поля на акватории океанов. Обширные работы по геомагнит­ной съемке акваторий (в основ­ном, в областях, близких к побе­режьям) проводятся с самолетов. Первая аэромагнитная съемка в океане была выполнена в 1957 г. в Тихом океане в районе Куриль­ской островной гряды советским геофизиком О. Н. Соловьевым. Крупные исследования, охватив­шие обширные пространства океанов, выполнены американ­скими магнитологами по проекту «Магнит». Советские исследовате­ли провели детальную аэромаг­нитную съемку Северного Ледо­витого океана, в результате чего был открыт подводный хребет Гаккеля — одно из звеньев сре­динно-океанических хребтов.

Новые возможности в изучении магнитного поля океанов откры­лись с использованием для реги­страции поля магнитомеров, бук­сируемых за движущимся судном на длинном кабель-тросе. Начал­ся этап массового сбора геомаг­нитной информации на аквато­риях.

Наиболее простым, точным и надежным в эксплуатации прибо­ром является протонный магнитомер, который регистрирует мо­дуль полного вектора геомагнит­ного поля. Помимо протонного, в практике геомагнитных исследо­ваний используются феррозондовые и квантовые приборы; однако их показания в большей или мень­шей степени нуждаются в коррек­тировке по показаниям протонно­го магнитометра. Очень важно так­же изучать распределение верти­кальной и горизонтальной соста­вляющих поля, а также его скло­нение и наклонение. Для этого используются специальные бук­сируемые компонентные магнито­метры или же регистрация этих величин ведется с немагнитных судов.

Исследование магнитного поля океанов показало, что для огром­ных участков акваторий характер­но специфическое линейное (или полосчатое) магнитное поле. Да­же на удаленных друг от друга профилях магнитной съемки вид­но, что как рисунок аномалий, так и многие другие характерные особенности, дающие возмож­ность распознать ту или иную ано­малию, повторяются практически без изменений. Это позволяет трассировать аномалии на боль­шие расстояния. Иногда они сдви­гаются в стороны по разломам, но чередование положительных и отрицательных аномалий не нарушается. Помимо полосча­тости, замечательным свойством магнитного поля океанов является зеркальная симметрия аномалий относительно оси срединно-океанического хребта. В северо-запад­ной и центральной частях Индий­ского океана, между Австралией и Антарктидой, в южной и восточ­ной частях Тихого океана, в Атлан­тике и в Северном Ледовитом океане развиты осесимметричные линейные магнитные аномалии. Однако не на всем огромном про­странстве Мирового океана сим­метрия выдерживается. В северо-западной части Тихого океана, во­сточной части Индийского океана, у берегов Флориды в Атлантике хотя и развиты полосовые анома­лии, но оси симметрии они не имеют. Между двумя система­ми — осесимметричных и не имеющих оси симметрии анома­лиями — располагается обшир­ная зона спокойного магнитного поля, где линейные аномалии практически отсутствуют.

Линейные магнитные аномалии Мирового океана (По У. Питману с соавторами и др.). Номера аномалий — в соответствии с магнитохронологической шкалой

Линейные магнитные аномалии Мирового океана (По У. Питману с соавторами и др.). Номера аномалий — в соответствии с магнитохронологической шкалой

Осесимметричные аномалии везде пространственно совпада­ют со срединно-океаническими хребтами. Именно этот факт поз­волил английским геофизикам Ф. Вайну и Д. Метьюзу в 1963 г. связать представление Хесса и Дица о развитии океанского дна в результате его раздвижения (спрединга) в области срединно-океанических хребтов, с наблю­даемой полосчатостью магнитного поля, закономерной сменой в пространстве полос положитель­ных и отрицательных аномалий. Для объяснения этого эффекта они предложили простую блоко­вую модель строения океаниче­ской коры. По этой модели поло­жительные аномалии создаются положительно намагниченными блоками коры, а отрицательные аномалии — отрицательно намаг­ниченными блоками. В такой мо­дели срединно-океанический хре­бет можно уподобить бегущим в разные стороны от его оси лен­там конвейера, на которых в осе­вой зоне последовательно поя­вляются блоки положительно и отрицательно намагниченных по­род. В процессе спрединга дна эти блоки постепенно «отъезжают» от оси хребта, унося с собой запечатленную в них картину меняю­щегося во времени магнитного поля.