ГЛАВА 9: 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 поля (вектором намагниченности в данной точке тела называется магнитный момент единицы объема), 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 поля 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, FeO · Fe2O3, ильменит, FeTiO3, пирротин, FеSx, и некоторые гидроокислы железа. Ферромагнитные вещества могут обладать намагниченностью лишь ниже некоторой критической температуры (называемой точкой Кюри и разной для разных ферромагнетиков), когда энергия тепловых колебаний атомов в кристаллической решетке становится меньше энергии специфического для ферромагнетиков обменного взаимодействия между соседними атомами, создающего одинаковую ориентацию их магнитных моментов (по тому или иному из термодинамически стабильных или метастабильных направлений, соответствующих минимумам термодинамического потенциала). Ниже точки Кюри ферромагнетик распадается на области с различными направлениями намагниченности - домены с размерами от единиц до сотен микронов. При изменениях внешнего магнитного поля вследствие наличия метастабильных направлений домены перестраиваются неполностью, так что средняя намагниченность тела оказывается зависящей не только от внешнего магнитного поля 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 ферриты 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 (детали см., например, в книге А. Н. Храмова и Л. Е. Шолпо [53], а также в главе 9 книги [9]).
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 палеомагнитных определений.
Первая из них заключается в построении палеомагнитной шкалы геологического времени, основанной на чередовании эпох нормальной и обратной полярности геомагнитного поля. Вторая состоит в определении палеоширот стабильных континентальных блоков земной коры и их ориентации 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 поля 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 (при этом ферриты в осадках были совсем другими, чем в интрузии). 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 Г. 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, по крайней мере в верхнем плиоцене и четвертичном периоде, происходило чередование эпох нормальной и обратной полярности геомагнитного поля.
Результаты такого сопоставления для последних 4.5 млн. лет приведены на рис. 42. Они показывают, что за это время сменились четыре эпохи нормальной (н) и обратной (о) полярности геомагнитного поля. Эти эпохи названы именами выдающихся ученых-магнитологов (от настоящего в прошлое): Брюн (н), Матуяма (о), Гаусс (н) и Гильберт (о). Возрасты границ между ними следующие: Брюн-Матуяма - 0.69 млн. лет, Матуяма-Гаусс - 2.43 млн. лет, Гаусс-Гильберт - 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 Брюн - событие Латами (о), в эпохе Матуяма - события Джарамйлло (н), Гилса (н) и двойное событие Олдувай (н), в эпохе Гаусс - события Казна (о) и Маммот (о), в эпохе Гильберт - события Кочити (н) и Нунивак (н).
Рис. 42. Шкала обращений геомагнитного поля за последние 4.5 млн. лет. Черное - нормальная полярность.
Обнаруженное по намагниченности лав чередование эпох нормальной и обратной полярности геомагнитного поля и событий внутри этих эпох получило хорошее подтверждение при определении направлений намагниченности последовательных слоев в колонках океанических осадков, в том числе в колонках глубоководного бурения океанского дна, проводимого, начиная с 1968 г., специально оборудованным для этого судном «Гломар Челленджер» (за семь лет, 1968-1975 гг., оно пробурило в разных районах Мирового океана около 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 гипербази-тов). 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 океанического осадкообразования, которая служит здесь коэффициентом пропорциональности).
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 Олдувай) имеют высокую значимость (правда, при перерывах в осадконакоплении какие-то из событий могут в некоторых колонках отсутствовать, но 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 настолько, что становится неотличимой от недипольной части, а затем вновь вырастает, но с противоположным знаком. Колонки бурения «Гломара Челленджера» в разных частях земного шара в принципе позволяют восстанавливать глобальную структуру геомагнитного поля в моменты обращений его полярности, что должно дать ценные данные для суждений о природе этого поля и его вариаций.
В главе 6 излагалась гипотеза Г. Хесса и Р. Дитца обобразовании океанической литосферы и коры в рифтовых зонах срединно-океанических 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 океанической 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 растяжений океанского дна на нем должны образовываться полосы положительных и отрицательных магнитных аномалий, параллельные осям срединно-океанических хребтов и симметричные относительно этих осей, причем ширины таких последовательных полос должны быть пропорциональными длительностям соответствующих эпох полярности геомагнитного поля (конечно, пока скорость растяжения океанского дна, служащая здесь коэффициентом пропорциональности, хотя бы приблизительно постоянна во времени). Эту гипотезу выдвинули в 1963 г. Ф. Вайн и Д. Мэтьюз (русский перевод их статьи см. в сборнике [35]); в 1964г. аналогичную гипотезу независимо опубликовали Л. Морли и А. Лярошель. В последующие годы были собраны многочисленные данные, свидетельствующие в пользу этой гипотезы.
Полосчатая конфигурация магнитных аномалий 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. Аналогичные результаты были получены в 1962 г. судном «Оуэн» 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. 43 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. 44 демонстрируется пример симметрии магнитных аномалий относительно оси срединно-океанического 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 ширин полос магнитных аномалий длительностям эпох полярности геомагнитного поля демонстрируется на примере семи районов Мирового океана на сводном графике (рис. 45); 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. 43. Аномалии величины напряженности магнитного поля в районе подводного хребта Рейкьянес по Дж. Хейртцлеру, К. Лепишону и Дж. Барону (1966 г.). Зачернены полосы положительных аномалий; А - А - ось хребта.
Рис. 44. Иллюстрация симметрии магнитных аномалий относительно оси срединно-океанического 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.
Рис. 45. 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 и=10-12 см/год); 2 - Тихоокеанско-Антарктическое поднятие (u=8 см/год); 3 -южная часть Индийского океана и северная часть Тихого океана (и=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).
Таким образом, границы полос магнитных аномалий (а также линии, им параллельные) можно рассматривать как изохроны, т. е. линии одинакового возраста океанической коры. Карта таких изохрон для всего Мирового океана приведена на рис. 46 (области океанической коры кайнозойского возраста, которые на этой карте заштрихованы, занимают около половины всего океанского дна); на рис. 47 дана более детальная карта изохрон для Северной Атлантики. Прямую проверку этих предсказаний возраста различных участков океанической 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 (можно определять также абсолютный возраст базальта, но таких определений сделано еще мало). Оказалось, что полученные данные вполне удовлетворительно согласуются с возрастами палеомагнитных изохрон (рис. 48). Это свидетельство в пользу гипотезы растяжения океанского дна явилось одним из важнейших результатов глубоководного бурения «Гломара Челленджера». Хорошее согласование таких независимых друг от друга данных различной природы, как продолжительности эпох нормальной и обратной намагниченности лав, толщины нормально и обратно намагниченных слоев в колонках океанских осадков, ширины полос положительных и отрицательных магнитных аномалий океанского дна и возрасты базальтового фундамента океанической коры, делает весьма убедительными и представление об обращениях полярности геомагнитного поля, и гипотезу о растяжении океанского дна (и ставит еще имеющихся противников этой гипотезы в исключительно трудное, если не безнадежное, положение).
Рис. 46. Карта возрастов океанической коры, определенных по даннам глубоководного бурения и полосам магнитных аномалий. Двойные линии - рифтовые зоны срединно-океанических хребтов; штриховые - изохронны; цифры на них - возрасты океанической коры в десятках миллионов лет; жирная линия - граница мезозойской океанической кры; заштрихованная область океанической коры кайнозойского возраста; кружки - скважины глубоководного бурения: черные - до базальтов, светлые - не достигшие базальтов.
Полосчатые магнитные аномалии океанского дна оказались наиболее удобной информацией для восстановления эпох полярности геомагнитного поля в далеком прошлом. Воспользовавшись хорошо согласующимися друг с другом последовате