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

For the sake of viewer convenience, the content is shown below in the alternative language. You may click the link to switch the active language.

Инверсии магнитного поля

В 1906 г. французский геофи­зик Б. Брюн исследовал магнит­ные свойства образцов из лаво­вых потоков Южной Франции. В результате этой работы им впервые было обнаружено, что одни лавовые потоки обладают намагниченностью, совпадающей по направлению с современным магнитным полем, а другие намаг­ничены противоположно ему. Подробное изучение слоистых ла­вовых потоков в различных ре­гионах мира позволило ученым-магнитологам сделать заключение о том, что магнитное поле Земли обладает свойством периодиче­ского обращения, или инверсии (т. е. меняет знак на противопо­ложный). Смена знака поля про­исходит довольно быстро,— по-видимому, не дольше чем за несколько тысячелетий, а в про­межутках устанавливаются более или менее длительные эпохи прямой (или нормальной, т. е. совпадающей по знаку с совре­менным полем) или же обрат­ной полярности. На основании изучения многочисленных, хоро­шо датированных образцов плио­цен-четвертичных лав известный американский геофизик А. Кокс составил в 1963 г. шкалу палеомагнитной геохронологии (или ин­версионную магнитохронологи-ческую шкалу). На временном отрезке в 4,5 млн. лет он выделил две эпохи прямой и две эпохи обратной полярности длитель­ностью от 0,7 до 1,7 млн. лет. Эти эпохи названы именами выда­ющихся физиков-магнитологов: Брюна, Матуяма, Гаусса, Гилбер­та. Внутри каждой из эпох выде­ляются короткие события (или эпизоды) противоположной по­лярности длительностью до 2— 4 десятков тысяч лет.

Сопоставление наблюденных (а), зеркально-симметричных им (б) аномалий с теоретическим профилем (в), рассчитанным от инверсионной модели (г) (По У. Питману и Д. Хейрцлеру)

Сопоставление наблюденных (а), зеркально-симметричных им (б) аномалий с теоретическим профилем (в), рассчитанным от инверсионной модели (г) (По У. Питману и Д. Хейрцлеру)

Так были заложены основы науки магнитостратиграфии, т. е. способа определения возраста горных пород по инверсионной магнитохронологической шкале.

Почти одновременно с этим было установлено, что такая же смена полярности геомагнитного поля наблюдается и в осадках дна Мирового океана. Намагни­ченность осадочных пород созда­ется за счет присутствия мелких зерен магнитных минералов, кото­рые, постепенно оседая на дно из толщи воды, ориентируются по магнитному полю, подобно крошечным магнитным стрелкам. Это так называемая «детритовая» намагниченность. Другие ви­ды намагниченности играют сугу­бо подчиненную роль. Непрерыв­ная последовательность осадочных слоев дает такой же полезный ма­териал для составления инверси­онных шкал, как и последователь­ность лавовых потоков. Обыкно­венная грунтовая трубка, которой повсеместно пользуются морские геологи при исследовании осадков дна, может поднять колонку грун­та длиной в несколько метров, что будет соответствовать по возрасту, как правило, последне­му одному — трем миллионам лет. Сведения об обращении по­ля в более ранние геологические эпохи принесли работы бурового судна «Гломар Челленджер».

Модель Вайна — Метьюза строения магнитоактивного слоя океанической коры

Модель Вайна — Метьюза строения магнитоактивного слоя океанической коры

Геохронологическая и магнитохронологическая шкалы

События геологической жизни нашей планеты определяют по геохронологической шкале. Эта шкала была составлена на осно­вании изучения и сопоставления геологических разрезов во мно­гих, часто весьма удаленных, частях Земли. Установлено, что в истории нашей планеты сущест­вовали определенные рубежи, на которых более или менее синхронно в глобальном масшта­бе исчезали одни организмы и взамен них появлялись другие. Этим рубежам придан смысл геохрон, т. е. рубежей времени. Так была заложена палеонтологиче­ская основа для периодизации летописи Земли. Геохронологи­ческая шкала, основанная на па­леонтологических данных, дает возможность определить относи­тельный возраст горных пород. Ее привязка к реальному време­ни была осуществлена только с развитием методов абсолютной геохронологии, которые бази­руются на явлениях ядерного рас­пада некоторых элементов.

Процесс инверсии геомагнитного поля, «записанный» в колонке донных осадков (по Н. Опдайку). Черным цветом в инверсионной колонке обозначено прямое намагничивание. Точки на кривой — образцы осадков, в которых измерялось наклонение

Процесс инверсии геомагнитного поля, «записанный» в колонке донных осадков (по Н. Опдайку). Черным цветом в инверсионной колонке обозначено прямое намагничивание. Точки на кривой — образцы осадков, в которых измерялось наклонение

Палеомагнитная шкала Кокса, о которой мы говорили в преды­дущем разделе, основана на непрерывной последовательно­сти лавовых покровов. Однако нигде на Земном шаре нельзя найти такой лавовый разрез, ко­торый отражал бы всю историю Земли, а следовательно, и исто­рию обращений магнитного поля без перерывов. Лавы, как прави­ло, извергались в определенные тектоно-магматические эпохи в довольно узком интервале вре­мени. Другое дело — морские осадки, которые почти без пере­рывов накапливались на дне со­временных или древних морей. Советские палеомагнитологи во главе с А. Н. Храмовым изучали обращения магнитного поля в осадочных породах и базировались на палеонтологических привязках возраста образцов. Ими была со­ставлена первая инверсионная шкала для палеозоя.

Шкала Кокса была увязана с геохронологической шкалой в основном методами абсолютной геохронологии, что делает опре­деление возрастных интервалов магнитных инверсий весьма досто­верным. Этим и воспользовались Вайн и Метьюз при интерпрета­ции морских геомагнитных дан­ных.

Основная заслуга этих двух геофизиков состоит в том, что они сумели связать короткую шкалу геомагнитных инверсий Кокса с последовательностью всего лишь нескольких аномалий в осевой зоне срединно-океанического хребта. Таким образом, линейное магнитное поле океанов сразу же приобрело совершенно новый и чрезвычайно важный для геоло­гии геохронологический смысл. Эта гипотеза вместе с гипотезой Хесса и Дица о развитии дна океа­на путем его спрединга явилась началом подлинной революции в геологии: для многих геологов мобилизм стал основной теоре­тической концепцией.

Далее было сделано смелое предположение: а нельзя ли прод­лить магнитохронологическую шкалу Кокса в глубь геологическо­го времени, используя для этого магнитные аномалии океанов? Такая работа была выполнена в 1968 г. американским геофизи­ком Дж. Хейрцлером с группой соавторов. В результате была соз­дана прогнозная магнитохроноло-гическая шкала на весь кайнозой и поздний мел (до 80 млн. лет назад).

Шкала основывалась на спе­циально выбранном «эталонном» профиле геомагнитной съемки в Южной Атлантике, в пределах ко­торого аномалии не были ослож­нены смещениями по трансформ­ным разломам. Аномалии на этом профиле, по предложению авторов, отражали непрерывную последовательность обращений геомагнитного поля на длитель­ном интервале времени. Посколь­ку профиль пересекал Атланти­ческий океан, это время соизме­римо со временем, за которое образовалось дно Атлантического океана, что по предварительным геологическим оценкам соответ­ствовало последним 100—150 млн. лет. Однако возраст аномалий был известен только на том отрезке четырех инверсий, которые во­шли в шкалу Кокса. Определение возраста еще одной аномалии бы­ло сделано по сопоставлению с возрастом образца горной поро­ды, поднятой со дна Атлантиче­ского океана. Базируясь на этих весьма скудных сведениях, Хейрцлер с соавтором рассчитали ско­рость спрединга дна Атлантиче­ского океана на временном отрез­ке в 3,35 млн. лет, а затем экстра­полировали эту скорость на весь Атлантический океан. Оказалось, что при принятой скорости рас­ширения дна — 1,9 см/год — возраст последней аномалии на анализируемом профиле оказы­вается равным 80 млн. лет. На профиле оставался еще участок, где аномалий не было, поэтому возраст дна в окраинной части Атлантического океана не был определен. Последовательность положительных и отрицательных аномалий на эталонном профиле дала возможность составить прог­нозную инверсионную магнито­хронологическую шкалу. Полу­ченная модель сравнивалась с последовательностью аномалий в других частях Атлантического океана, а также с аномалиями в Тихом и Индийском океанах, и во многих случаях было найдено хо­рошее соответствие между мате­риалами из разных океанов. Прог­нозная магнитохронологическая шкала, таким образом, подтверж­далась полевыми наблюдениями. Этот анализ позволил выде­лить 86 интервалов нормальной полярности и 85 интервалов об­ратной полярности. Их длитель­ность различна. Самый короткий эпизод нормальной полярности приходится на границу миоцена и плиоцена и составляет 0,04 млн. лет. Однако имеются на шкале и длительные интервалы. Было вы­делено, например, несколько дли­тельных эпох прямой и еще более длительных эпох обратной поляр­ности в раннем олигоцене, раннем эоцене и позднем мелу, которые имеют протяженность во времени соответственно: 2,61; 3,13; 2,06 млн. лет. Как мы видим, «разре­шающая способность» этой шка­лы, т. е. точность и подробность, с которой можно определить воз­раст аномалий, не одинакова. В одних ее частях известен возраст очень дробных подразделений, другие — «немые» на длительных промежутках времени. Как пока­зали дальнейшие исследования, эти различия отражали и разную частоту инверсий геомагнитного поля и в ряде случаев свидетель­ствовали о неполноте знаний о них.

Наиболее легко идентифици­руемые аномалии получили на шкале собственные номера от 1 до 32, начиная от рифтовой аномалии. За 32-й аномалией в этой шкале следует очень дли­тельная эпоха нормальной поляр­ности (около 26 млн. лет); в океа­не ей отвечает зона спокойного магнитного поля, где аномалий почти нет.

Инверсионная магнитохронологическая шкала мезозоя и кайнозоя, составленная по линейным магнитным аномалиям океанов

Инверсионная магнитохронологическая шкала мезозоя и кайнозоя, составленная по линейным магнитным аномалиям океанов

В соответствии со шкалой Хейрцлера были идентифициро­ваны и датированы линейные маг­нитные аномалии океанов. Таким способом был дан прогноз воз­раста дна океанов, прогноз, который можно было проверить только непосредственным опре­делением возраста магнитовозмущающих объектов. В океаниче­ских условиях методом проверки стало уже упоминавшееся выше бурение дна. Многочисленные скважины, пробуренные буровым судном «Гломар Челленджер» на ложе океана, показали высокую сходимость возраста дна, пред­сказанного по линейным анома­лиям, и возраста базальтового фун­дамента.

Данные бурения блестяще под­твердили прогноз Хейрцлера, но только дальнейшие исследования позволили уточнить шкалу инвер­сий.

Сопоставление магнитных аномалий и модели в северо-западной части Тихого океана (а). 307-скважина «Гломар Челленджера», по которой был определен возраст аномалии М-21 (по Р. Ларсону и У. Хилду). На рис. (б) дано положение площади съемки со скважиной 307 в системе мезозойских аномалий

Сопоставление магнитных аномалий и модели в северо-западной части Тихого океана (а). 307-скважина «Гломар Челленджера», по которой был определен возраст аномалии М-21 (по Р. Ларсону и У. Хилду). На рис. (б) дано положение площади съемки со скважиной 307 в системе мезозойских аномалий

Бурением в северо-западной части Тихого океана были обна­ружены области, где базальто­вый фундамент оказался более древним, чем дно Атлантическо­го океана, да и магнитные анома­лии совершенно не похожи на кайнозойские. Аналогичные ано­малии были описаны в краевой части Атлантического океана у бе­регов Флориды и на востоке Ин­дийского океана… Это позволи­ло американскому геофизику Р. Ларсону с соавторами, «привя­завшись» к возрасту дна по буро­вым скважинам, продлить шкалу инверсий геомагнитного поля дальше в глубь геологического времени, в мезозой — вплоть до юры. Новая шкала инверсий со­держит еще 82 интервала прямой и обратной полярности. Наиболее характерные аномалии, по кото­рым она была составлена, получи­ли номера от М-О до М-26 (индекс М — от слова «мезозой­ский»). Последняя из идентифици­рованных аномалий имеет возраст около 160 млн. лет. Вероятно, этот возраст является предельным возрастом дна океана, который можно определить с помощью магнитных аномалий, идентифицированных в соответствии со шка­лой инверсий геомагнитного поля.

Там, где рождается океаническая кора

Блоковая модель Вайна—Метьюза, положенная в основу магнитохронологической шкалы и описывающая строение океани­ческой коры, была первым тео­ретическим приближением к дей­ствительности. Поэтому не всег­да аномалии, рассчитанные от инверсионной шкалы, похожи на те аномалии, которые реально существуют в океане, что, есте­ственно, затрудняет их идентифи­кацию и делает ее не всегда оче­видной и достоверной. Это же составляет основу критики концеп­ции Вайна—Метьюза со стороны геологов. И действительно, гео­логи не могут себе представить, чтобы в реальной ситуации в зем­ной коре возникли правильные прямоугольные блоки, выдержан­ные к тому же в пространстве, чтобы затем блоки разрывались строго пополам (иначе не получит­ся симметричной картины магнит­ных аномалий), и чтобы, как по лентам конвейера, блоки разъез­жались в обе стороны от оси хреб­та. Это тем более кажется неверо­ятным, что детальные площадные (и особенно — глубоководные) исследования показывают измен­чивость, пестроту магнитного по­ля; линейность аномалий выдер­живается — но лишь в среднем. На дне океана, разумеется, воз­никает иная геологическая си­туация, расшифровать которую помогли детальные глубоковод­ные исследования.

Глубоководные исследования с подводных пилотируемых аппаратов, выполненные в ходе сов­местного двухлетнего франко-американского эксперимента FAMOUS (1973—1974 гг.) в рифтовой зоне Срединно-Атлантического хребта, а также работы аме­риканских исследователей в осе­вой зоне Восточно-Тихоокеан­ского поднятия у берегов Кали­форнии, и советская глубоковод­ная экспедиция в Красное море, показали, что геологическая об­становка на дне рифтовой долины далека от теоретических пред­ставлений о прямоугольных бло­ках коры. В действительности на­блюдатели видели из подводных аппаратов, что вдоль оси рифто­вой долины располагаются невы­сокие вулканические холмы. С ни­ми и связана центральная (рифтовая) аномалия. Холмы не выдер­жаны по простиранию, их ось как бы «скачет» по всей ширине долины, и именно этим объясняет­ся пестрый рисунок магнитного поля на поверхности океана.

Один из таких холмов, распо­ложенный в центре рифтовой до­лины Срединно-Атлантического хребта и потому названный Цент­ральной горой, был детально об­следован французскими геоло­гами при погружении батискафа «Архимед». Вот как они описы­вают его строение.

Резонно допустить, что Цент­ральная гора является самой мо­лодой зоной, где образуется океа­ническая земная кора в этой части внутреннего днища (рифтовой до­лины.— А. С). Сама же гора предстает в образе гигантского вилка цветной капусты. Разра­стаясь, она раскалывает поверх­ностный слой, в результате чего через образовавшиеся трещины просачивается лава. Просачивание раскаленной магмы создает, в свою очередь, почковидные натеки, которые тотчас же затвер­девают. Затем начинается все снова.

Застывая, лавы намагничива­ются в магнитном поле Земли, и над ними возникают магнитные аномалии.

Геологи экспедиции FAMOUS смогли убедиться, что на дне океана действительно, как и пред­сказывала теория тектоники плит, существует узкая активная зона шириной всего 1—2 км, разде­ляющая Американскую и Афри­канскую плиты. Помимо холмов, подобных Центральной горе, они видели на дне рифтовой долины «гребенку» высоких базальтовых даек — застывших, омертвелых подводящих каналов вулканиче­ского материала, и с риском быть зажатыми в этом частоколе, про­бирались сквозь них, производя замеры теплового потока. Были обнаружены и обследованы транс­формные разломы, а также от­крыты поля рудных отложений — ценные полезные ископаемые дна.

С удалением от центральных холмов вулканическая активность резко исчезает, но начинают дей­ствовать тектонические силы, воз­никающие при «растаскивании» океанической коры: она растрес­кивается, скучивается, порождая причудливые нагромождения ок­ружающих рифтовую долину гор.

Холмы центральной части рифтовой долины — порции све­жего базальтового материала, который изливается на дне риф­та в условиях непрекращающе­гося растяжения коры. Поэтому, если заменить в модели Вайна— Метьюза прямоугольные блоки на как бы «скачущие» по всей ширине рифтовой долины (эшело­нированные) хребты, в разрезе — колоколообразной формы, то расчетное поле от такой новой модели уже значительно лучше будет совпадать с полем, наблю­даемым на поверхности океана. Такие расчеты были проведены советскими геофизиками М. Б. Лейбовым и Е. Г. Мирлиным, ко­торые построили динамическую модель развития во времени и пространстве магнитоактивного слоя океанической коры, учиты­вающую реальные геологические условия на дне океана. Проверка модели на магнитных полях, на­блюдаемых в океане, показала ее правомерность. Более того, эта модель помогла улучшить магнитохронологическую шкалу, по­высила ее точность и разрешаю­щую способность на некоторых, ранее «немых» интервалах. С по­мощью новой модели было пока­зано, что очень слабые анома­лии магнитного поля, тем не ме­нее имеющие всемирное распро­странение и относящиеся по воз­расту к олигоцену, можно объяс­нить короткими интервалами об­ращения магнитного поля. В ре­зультате этих исследований магнитохронологическая шкала обога­тилась девятнадцатью новыми эпизодами прямой и обратной полярности, длительность кото­рых составляет от 30 до 80 тыс. лет.

До тех пор пока буровое судно «Гломар Челленджер» произ­водило бурение только осадочно­го слоя и буровой инструмент останавливался, встретив твердые базальты, геологи критиковали модель Вайна — Метьюза только из-за ее схематичности. Поляр­ность образцов базальтов, под­нятых из забоя скважины, и поляр­ность магнитной аномалии, в зоне которой производилось бурение, как правило, совпадали. Но вот буровой инструмент вошел в верх­ний слой базальтов и оказалось, что под ними начинается чередование положительно и отрицательно на­магниченных пластов лав. Что же, стройную концепцию спрединга признать неверной и отказаться от геохронологической природы аномалий? Нет, модель Лейбова— Мирлина успешно объясняет этот феномен. Согласно этой модели, в разрезах коры обязательно должно происходить переслаи­вание вещества разной поляр­ности, поскольку излияния на поверхность рифтовой долины сопровождаются растеканием ба­зальтов на некоторое расстояние от оси извержения. В результате этого часть базальтов, образовав­шихся, например, в эпоху обрат­ной полярности магнитного поля, после обращения поля окажется перекрытой материалом новой — прямой полярности. Чем выше скорость спрединга дна, т. е. чем быстрее работает «конвейер», растягивающий океанское дно, тем больше материала только од­ной полярности «уйдет» из рифто­вой зоны, и на поверхности океа­на будут зарегистрированы от­четливые, изолированные анома­лии с четкими максимумами и ми­нимумами. Наоборот, если хребет раздвигается медленно, переслаи­вания разнонамагниченных пород будут многочисленными. Это при­ведет к образованию неотчетли­вых, как бы слившихся вместе аномалий. Именно поэтому, на­пример, магнитологам так трудно интерпретировать магнитные ано­малии Северного Ледовитого оке­ана, скорость спрединга в котором очень низка (порядка 2— 5 мм/год). Напротив, из-за высо­кой скорости расширения хребтов Тихого океана (до 10 см/год!)— Восточно-Тихоокеанского и отча­сти Южно-Тихоокеанского под­нятий — там так отчетливы все аномалии, а их зеркальная симмет­рия относительно оси расширяю­щегося хребта приводится в ка­честве классического примера в современных учебниках по мор­ской геологии.

Так в сочетании геологических данных и точных математических расчетов рождаются новые пред­ставления о процессе формиро­вания океанической коры в рифтовой зоне, и как отражение этих процессов — образование магнит­ного поля на акваториях.

Работы, подобные этим, очень важны для геологии. Метод маг­нитной геохронологии с высокой точностью и при небольших затра­тах позволяет датировать образцы горных пород (особенно морских осадочных отложений и стратифи­цированных лавовых покровов). Ему, несомненно, наряду с мето­дами абсолютной геохронологии, предстоит сыграть в будущем од­ну из ведущих ролей при страти­графических исследованиях. И чем подробнее и точнее будет инвер­сионная магнитохронологическая шкала, тем точнее и достовер­ней окажутся все построения гео­логов, базирующиеся на ней.