Новости Библиотека Учёные Ссылки Карта сайта О проекте


Пользовательский поиск





предыдущая главасодержаниеследующая глава

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.
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. 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. 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).
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.
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 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. Лепишон (см. их статью в сборнике [35]) построили палеомагнитную шкалу времени на 80 млн лет в прошлое (см. левую колонку на рис. 49). 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. 49). 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 поля, период же 111-85 млн. лет среднего и верхнего мела отличался неизменной нормальной полярностью (это 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. Шолпо [53] предложили первую ориентировочную палеомагнитную шкалу времени для всего фанерозоя, которая воспроизводится на рис. 50. Согласно этой шкале, почти во всем мезозое и в период O2-S1 преобладало магнитное поле современной полярности с редкими вспышками обратной. В периоды Cm1, О1, D21, С22 и в палеоцене преобладала обратная полярность. Наконец, в периоды Сm2- Сm3, S2-D1, C12 и Р2-T1, а также в течение большей части кайнозоя происходили частые, каждые 0.5-5 млн лет, обращения полярности геомагнитного поля.

Рис. 49. Ламонтская палеомагнитная шкала времени. Черное - нормальная полярность.
Рис. 49. Ламонтская палеомагнитная шкала времени. Черное - нормальная полярность.

Рисунки 42, 49 и 50 показывают, что геомагнитному полю действительно свойственны обращения полярности, так что теории, претендующие на объяснение происхождения геомагнитного поля, должны объяснять и эту способность.

Рис. 50. Фанерозойская палеомагнитная шкала времени А. Н. Храмова и Л. Е. Шолпо. Черное - нормальная полярность.
Рис. 50. Фанерозойская палеомагнитная шкала времени А. Н. Храмова и Л. Е. Шолпо. Черное - нормальная полярность.

Указания на изменения геомагнитного поля со временем, 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 2, 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 (причем коэффициент пропорциональности в обоих этих соотношениях равен величине магнитного момента диполя, деленной на куб радиуса Земли). Точнее, современное геомагнитное поле - сумма дипольной части и вдесятеро менее интенсивной недипольной части. Измерения последних 150 лет показывают, что дипольная часть (магнитный момент диполя) убывает со скоростью около 5% за столетие, и если этот процесс будет продолжаться с такой же скоростью и в дальнейшем, то через 2000 лет произойдет обращение полярности геомагнитного поля. 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 2 современной гипотезы о динамо-механизме генерации геомагнитного поля (течениями электропроводящей жидкости во внешнем жидком слое земного ядра) западный дрейф недипольной компоненты объясяется, возможно, переносом неоднородностей поля течениями в ядре со скоростями порядка 20 км/год % 0.7 мм/сек. 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 (см., например, работу автора [11]): сумма их моментов количества движения должна быть постоянной во времени. Поэтому обнаруженную Э. Вестином (1953 г.) тесную связь между неравномерностями западного Ярейфа 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 по временам порядка десятков тысячелетий (большим по сравнению с типичными периодами его вековых вариаций, но малым по сравнению со временами 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 поле, 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 поле 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 Э. Булларда (1955 г.) 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. 51), и расчет показывает, что здесь уже появляется способность к обращениям полярности (см. главу 10 книги [9]). На первый взгляд кажется, что механизм магнитогидродинамических движений в жидком слое земного ядра не имеет с дисковыми динамо ничего общего. Однако на самом деле описывающие этот механизм уравнения магнитной гидродинамики во многом аналогичны уравнениям для цепочек взаимодействующих дисковых динамо. С этой точки зрения способность геомагнитного поля к обращениям полярности перестает быть загадочной.

Рис. 51. Двухдисковое динамо.
Рис. 51. Двухдисковое динамо.

Мы имеем в природе еще один великолепный пример обращений магнитного поля (более быстрых и гораздо более регулярных, чем в случае геомагнитного поля) - это знаменитый цикл солнечных пятен, имеющий в среднем продолжительность 11.5 лет. Известно, что в солнечных пятнах имеются сильные магнитные поля (с напряженностью до 4000 Гс). Пягна, кар правило, развиваются группами, причем в течение одного и того же цикла солнечных пятен полярности магнитных полей передних пятен во всех группах одного полушария Солнца (передним называют пятно, движущееся при вращении Солнца впереди остальных пятен группы) одинаковы и противоположны полярностям магнитных полей всех задних пятен; кроме того, полярности передних пятен разных полушарий противоположны. Слабыми (порядка!-2 Гс) магнитными полями (такой полярности, как передние пятна данного полушария) обладают околополярные области Солнца. При переходе от одного цикла солнечных пятен к другому у всех упомянутых здесь магнитных полей полярности заменяются на обратные. Таким образом, циклы солнечных пятен являются также циклами обращений полярности гелиомагнитного поля, которые, как и в случае геомагнитного поля, целесообразно пытаться объяснять с помощью гипотезы динамо.

Перейдем теперь ко второй группе результатов палеомагнитных исследований - определениям палеомагнитных полюсов. Пусть в выбранном пункте земной коры (с географической широтой φk) и долготой λk) определено среднее направление намагниченности породы геологического возраста t, т. е. измерено склонение Dk (t) этого направления (угол между его горизонтальной составляющей и современным направлением на север) и его наклонение Ik(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 полю, осредненному за большой промежуток времени и поэтому (согласно сформулированному выше следствию из гипотезы динамо) симметричному относительно оси вращения Земли того времени. Иначе говоря, можно считать, что среднее направление намагниченности породы, определяемое углами DK(t) и Ik(t), указывает на географический полюс возраста t.

Если допустить, что осредненное палеомагнитное поле не только осесимметрично, но еще и дипольно, то тангенс палеонаклонения Ik(t) будет равен удвоенному тангенсу палеошироты ~φА(t), так что последняя будет просто определяться по Ik(t) (допущение дипольности облегчает расчеты, но оно не обязательно: имея в разных пунктах серию определений направления намагниченности пород возраста t, указывающих на один и тот же палеополюс, мы тем самым получаем зависимость палеоширот от палео-наклонений). Зная же географические координаты точки измерения φk и λk), палеосклонении палеошироту Dk(t), по простым формулам сферической тригонометрии нетрудно рассчитать географические координаты палеополюса φ(t) и λ(t) (см., например, главу 9 в работе [9]). Определенный таким образом палеополюс называют виртуальным полюсом.

Рассмотрим некоторый блок земной коры, стабильный в том смысле, что во все геологические времена с возрастами от t до современного он полностью сохранял свою форму, так что все расстояния между любыми его точками оставались неизменными. Тогда ясно, что все виртуальные полюсы возраста t, определенные по пунктам в пределах этого блока, должны совпадать; их хорошая кучность будет свидетельствовать о малости ошибок, вкравшихся в измерениями расчеты, и внушать уверенность в надежности определения палеополюса как среднего из этих виртуальных полюсов. Такой результат получается, в частности, по породам позднего плейстоцена и голоцена со всех континентов: их виртуальные полюсы группируются у современного географического, а не геомагнитного полюса и оказываются более кучными, чем виртуальные полюсы современного геомагнитного поля (не осредненного по времени, так что его недипольная часть не исключена). Аналогично, лишь с чуть большим разбросом, выглядят виртуальные полюсы всех континентов с возрастами до олигоцена или даже до эоцена, свидетельствуя тем самым, что за последние 40-50 млн. лет ни распределение континентов по широтам, ни положение географического полюса не претерпевали существенных изменений. Что касается более ранних времен, то палеомагнитные данные свидетельствуют уже о заметных относительных движениях континентов и полюсов.

Одно из первых таких свидетельств было получено в 1954 г. английскими магнитологами Дж. Клеггом, М. Олмондом и П. Стаббсом в результате измерений намагниченности красных песчаников триаса Англии, показавших, что за послетриасовое время расстояние по широте между Англией и северным полюсом уменьшилось градусов на 30° и Англия повернулась относительно соединяющей ее и полюс дуги большого круга на 34° по часовой стрелке. В 1956-1958 гг. сенсационные результаты принесли измерения намагниченности базальтовых излияний - траппов Декана в Индии, возраст которых варьирует от юрского до третичного; по этим данным, палеоширота Бомбея в юре равнялась 40° ю. ш., сейчас же он находится на 19° с. ш., так что расстояние между ним и северным полюсом за последние 135 млн. лет уменьшилось на 7000 км (скорость сближения составляет около 5 см/год). В 1958 г. Э. Ирвинги Р. Грин измерили намагниченность ряда образцов различного возраста из юго-восточной Австралии и установили, что палеоширота этого блока коры в венде была близка к 70-80° ю. ш., за кембрий изменилась до 0° и в ордовике даже до 30° с. ш., после чего плавно менялась опять до 80° ю. щ. в карбоне и перми, а затем вновь стала уменьшаться до ее современного значения; эти данные позволяют толковать упоминавшееся в главе 7 пермокарбоновое оледенение Гондваны как материковое, естественное для околополярного района.

Допуская возможность движений континентов друг относительно друга, К. Крир, Э. Ирвинг и С. Ранкорн предложили строить траектории движения полюса φ(t) и λ(t) относительно каждого континентапо-отдельности (по измерениям намагниченности пород только в пределах данного континента). Оказалось, что траектории движения полюса относительно разных континентов отнюдь не совпадают друг с другом, как это было бы при неизменном расположении континентов друг относительно друга. Следовательно, взаимное расположение континентов действительно изменялось со временем. Тогда возникает задача - восстановить взаимное расположение всех континентов (точнее, всех стабильных блоков континентальной коры) в различные периоды прошлого времени так, чтобы соответствующие всем им палеополюсы одинаковых возрастов всегда совпадали. В качестве примера на рис. 52 приводятся траектории движения южного полюса относительно Африки и Южной Америки для периода времени от 400 до 200 млн. лет тому назад (от начала девона до середины триаса). Они отнюдь не совпадают - африканская траектория лежит заметно восточнее южноамериканской. Но их можно привести к совпадению (приблизительно с той же точностью, с какой восстанавливают обе эти траектории), если принять, что Африка и Южная Америка в течение всего верхнего палеозоя были совмещены так, что линии их материковых склонов совпадали.

Рис. 52. Траектории движения южного полюса относительно Африки и Южной Америки в верхнем палеозое при современном размещении указанных континентов (а) и при их совмещении по линиям материковых склонов (б).
Рис. 52. Траектории движения южного полюса относительно Африки и Южной Америки в верхнем палеозое при современном размещении указанных континентов (а) и при их совмещении по линиям материковых склонов (б).

Аналогичным примером могут служить траектории движения северного полюса относительно Европы и Северной Америки за последние 400 млн. лет, показанные на рис. 53. При современном расположении этих континентов девоно-триасовый отрезок европейской траектории лежит восточнее североамериканской траектории приблизительно на 45° - как раз на ширину Северной Атлантики, но обе траектории совпадут, если допустить, что с девона до юры Европа и Северная Америка были совмещены по линиям их материковых склонов, а с юры по палеоген раздвигались, образуя Северную Атлантику.

Рис. 53. Траектории движения северного полюса относительно Европы и Северной Америки за последние 400 млн. лет.
Рис. 53. Траектории движения северного полюса относительно Европы и Северной Америки за последние 400 млн. лет.

В качестве третьего примера приведем результаты А. Н. Храмова и Л. Е. Шолпо [53], построивших виртуальные полюсы различных возрастов, во-первых, по породам Европейской части СССР и Средней Азии (они оказались неплохо согласующимися с траекторией европейского полюса, рис. 53), и, во-вторых, по породам Сибири и Дальнего Востока - в мезокайнозое они не имели каких-либо систематических отклонений от европейских полюсов, а в палеозое оказались заметно южнее и западнее европейских (например, по Сибири полюсы верхнего кембрия и ордовика попали в районы нынешней Австралии, по Восточной Европе - в северную половину Тихого океана). Эти результаты можно считать указанием на существование в палеозое сибирского материка Ангариды, отделенного значительным промежутком от Русской платформы.

Заметим, впрочем, что относительные движения континентов, обеспечивающие совпадение соответствующих им палеополюсов одинаковых возрастов, по одним лишь палеомагнитным данным восстанавливаются неоднозначно, так как вследствие допущения осесимметричности осредненных палеомагнитных полей палеодолготы тех или иных блоков земной коры по палеомагнитным данным определены быть не могут. Для однозначного восстановления движения континентов необходимо привлекать дополнительные материалы. Таковыми могут быть, например, тектонические данные (а временно - хотя бы гипотезы) о расположении древних срединно-океанических хребтов и зон Заварицкого-Беньофа, направлениях и скоростях растяжения океанского дна; к этому вопросу мы еще вернемся в главе 11.

На рис. 54, а-з приведены глобальные палеомагнитные реконструкции фанерозойского движения континентов по А. Смиту, Дж. Брайдену и Г. Дрюри (1973 г.), упрощенные в том отношении, что при их создании использовались только палеомагнитные данные по континентам, не делалось попыток восстановления срединно-океанических хребтов, зон Заварицкого-Беньофа и форм древних континентов, а палеодолготы устанавливались лишь из качественных соображений. Все карты построены в стереографических проекциях, центрированных на северные и южные полюсы соответствующих возрастов. Эоценовые карты (рис. 54, а) отличаются от современных тем, что на них Австралия еще не отделилась от Антарктиды, Индия находилась на экваторе и еще не была соединена с Азией, Африка была заметно южнее ее современного положения, северная часть Красного моря еще не раскрылась, Берингов пролив был много шире современного, а Панамский перешеек был разорван. На меловой карте (рис. 54, б) и на всех более древних (рис. 54, в-з) - юрской, триасовой, пермской, нижнекарбоновой, нижнедевонской и кембрийско-нижнеордовикской - в южном полушарии имелась единая Гондвана, слабо смещавшаяся относительно южного полюса (лишь на самой древней из этих карт он находился в современной северо-западной Африке, Австралия была в северном полушарии, а позже он блуждал в районах Аргентины и Антарктиды).

Рис. 54, а. Глобальная палеомагнитная реконструкция фанерозойского движения континентов по А. Смиту, Дж. Брайдену и Г. Дрюри (1973 г.). Эоцен (50 ± 5 млн. лет).
Рис. 54, а. Глобальная палеомагнитная реконструкция фанерозойского движения континентов по А. Смиту, Дж. Брайдену и Г. Дрюри (1973 г.). Эоцен (50 ± 5 млн. лет).

Рис. 54, б. Глобальная палеомагнитная реконструкция фанерозойского движения континентов по А. Смиту, Дж. Брайдену и Г. Дрюри (1973 г.). Мел (100 ± 10 млн. лет).
Рис. 54, б. Глобальная палеомагнитная реконструкция фанерозойского движения континентов по А. Смиту, Дж. Брайдену и Г. Дрюри (1973 г.). Мел (100 ± 10 млн. лет).

В северном полушарии ситуация менялась гораздо резче. В мелу (рис. 54, б) уже существовало Саргассово море с широким проливом Тетис между Северной и Южной Америкой, северная же часть Северной Атлантики еще не раскрылась, Берингов пролив был очень широким, а северный полюс приходился на Аляску. В юре (рис. 54, в) мы видим самое начало распада Пангеи; наиболее плотно «упакованной» она была в триасе (северный полюс чуть к северу от Магадана) и в перми (северный полюс юго-восточнее Камчатки; рис. 54, г, д). В нижнем карбоне Пангеи еще не было (рис. 54, е); Северная Америка, объединенная с Европой (они частично находились в южном полушарии), была отделена Палео-Тетисом от Гондваны и широким океаном от Ангариды. В нижнем девоне (рис. 54, ж) в северном полушарии находились лишь Ангарида (северный полюс был восточнее Японии) и, у экватора, восток Европы (в то время еще соединенной с Северной Америкой), а в кембрии - нижнем ордовике (рис. 54, з) в северном полушарии размещались (в основном в его тропической зоне) лишь южная часть Ангариды, Австралия и восток Северной Америки (которая была отделена Палео-Атлантикой от Европы).

Рис. 54, в. Глобальная палеомагнитная реконструкция фанерозойского движения континентов по А. Смиту, Дж. Брайдену и Г. Дрюри (1973 г.). Юра (170 ± 15 млн. лет).
Рис. 54, в. Глобальная палеомагнитная реконструкция фанерозойского движения континентов по А. Смиту, Дж. Брайдену и Г. Дрюри (1973 г.). Юра (170 ± 15 млн. лет).

Рис. 54, г. Глобальная палеомагнитная реконструкция фанерозойского движения континентов по А. Смиту, Дж. Брайдену и Г. Дрюри (1973 г.). Триас (220 ± 20 млн. лет).
Рис. 54, г. Глобальная палеомагнитная реконструкция фанерозойского движения континентов по А. Смиту, Дж. Брайдену и Г. Дрюри (1973 г.). Триас (220 ± 20 млн. лет).

Рис. 54, д. Глобальная палеомагнитная реконструкция фанерозойского движения континентов по А. Смиту, Дж. Брайдену и Г. Дрюри (1973 г.).  Пермь (250 ± 25 млн. лет).
Рис. 54, д. Глобальная палеомагнитная реконструкция фанерозойского движения континентов по А. Смиту, Дж. Брайдену и Г. Дрюри (1973 г.). Пермь (250 ± 25 млн. лет).

Таким образом, определение траекторий палеомагнитных полюсов относительно различных континентов и совмещение этих траекторий приводят к весьма радикальным результатам, являющимся новыми и независимыми от предыдущих количественными свидетельствами об образовании и распаде фанерозойских суперконтинентов Гондваны, Лавразии и Пангеи, упоминавшихся в главах 3 и 7 (предположения о существовании которых высказывались ранее рядом геологов на основании сходства соответствующих участков береговых линий и пересекаемых ими геологических структур современных осколков этих суперконтинентов, а также на основании разнообразных палеонтологических, палеоботанических и палеоклиматических данных). Эти результаты палеомагнитных определений в дальнейшем, по-видимому, будут уточняться и детализироваться, но основные черты показанных на рис. 54 глобальных движений континентов и полюсов вряд ли изменятся.

Рис. 54, е. Глобальная палеомагнитная реконструкция фанерозойского движения континентов по А. Смиту, Дж. Брайдену и Г. Дрюри (1973 г.).  Нижний карбон (340 ± 30 млн. лет).
Рис. 54, е. Глобальная палеомагнитная реконструкция фанерозойского движения континентов по А. Смиту, Дж. Брайдену и Г. Дрюри (1973 г.). Нижний карбон (340 ± 30 млн. лет).

Рис. 54, ж. Глобальная палеомагнитная реконструкция фанерозойского движения континентов по А. Смиту, Дж. Брайдену и Г. Дрюри (1973 г.).  Нижний девон (380 ± 35 млн. лет).
Рис. 54, ж. Глобальная палеомагнитная реконструкция фанерозойского движения континентов по А. Смиту, Дж. Брайдену и Г. Дрюри (1973 г.). Нижний девон (380 ± 35 млн. лет).

Рис. 54, з. Глобальная палеомагнитная реконструкция фанерозойского движения континентов по А. Смиту, Дж. Брайдену и Г. Дрюри (1973 г.).  Кембрий-нижний ордовик (510 ± 40 млн. лет).
Рис. 54, з. Глобальная палеомагнитная реконструкция фанерозойского движения континентов по А. Смиту, Дж. Брайдену и Г. Дрюри (1973 г.). Кембрий-нижний ордовик (510 ± 40 млн. лет).

Возможные причины движения континентов (вместе с содержащими их литосферными плитами) уже отмечались выше в главах 4 и 6; это конвективные течения в верхней мантии, вследствие трения через астеносферу увлекающие за собой литосферные плиты. Попытаемся теперь разъяснить также причины движений полюсов. При этом будем исходить из того, что направление оси вращения Земли в пространстве не изменяется, т. е. эта ось все время направлена в одну и ту же точку на звездном небе (так называемый полюс мира), а Земля в целом поворачивается относительно этого направления так, что полюсы вращения блуждают по ее поверхности (на самом деле направление оси вращения Земли или, точнее, вектор момента количества движения вращающейся Земли может меняться из-за наличия момента сил притяжения других небесных тел - Луны, Солнца и других планет; однако расчет показывает, что такие изменения складываются, во-первых, из сравнительно короткопериодных прецессионных и нутационных колебаний, исчезающих при упоминавшемся выше осреднении по времени, свойственном палеомагнитным определениям, и, во-вторых, из очень медленных эффектов приливного трения с типичными временами порядка миллиардов лет, которыми мы пока что пренебрежем, но будем специально их анализировать в главе 11).

Для осуществления значительных поворотов Земли относительно направления оси ее вращения нужны, во-первых, силы, момент которых заставил бы ее поворачиваться. Во-вторых, нужно, чтобы Земля была не слишком жесткой, так что в ней даже при небольших напряжениях могли бы развиваться значительные деформации (только тогда создаваемое ее вращением экваториальное вздутие, характеризуемое разностью экваториального и полярного радиусов, равной около 21.4 км, будет способно перемещаться по телу Земли при ее поворотах относительно оси вращения); это условие, по-видимому, выполняется; в главе 4 приводились данные о том, что при очень долго действующих нагрузках вещество Земли ведет себя как вязкая жидкость.

Согласно оценкам, изложенным в книгах [8] и [9], главные силы, ответственные за блуждание полюсов, связаны с неправильностями распределения масс в Земле относительно экваториального вздутия, создаваемыми различиями между континентами и океанами и прежде всего тем, что континенты выше. При этом на каждый континент действует полюсобежная сила Этвеша - направленная всегда к экватору векторная сумма силы тяжести, приложенной к центру тяжести всего континента, и архимедовой силы плавучести, приложенной к центру тяжести нижней, погруженной в литосферу части континента. Эти силы малы (недостаточны для того, чтобы сдвигать континенты), но их суммарный момент значителен (способен поворачивать Землю относительно оси ее вращения). Момент сил Этвеша стремится повернуть Землю в такое равновесное положение, при котором наибольшая доля континентальных масс находится в зоне экваториального вздутия.

Проведенные М. Миланковичем (1934 г.) и У. Манком (1958 г.) приближенные расчеты показали, что в настоящее время равновесное положение полюса может находиться либо около Гавайских островов, либо около Архангельска. Палеомагнитные реконструкции многих авторов, в том числе реконструкции рис. 54, показывают, что за последние 500 млн. лет полюс перемещался из центральных районов Тихого океана в Арктику. То, что он еще не дошел до Архангельска, можно пытаться объяснять большой эффективной вязкостью земного вещества, тормозящей повороты Земли относительно оси ее вращения. Но в это рассуждение нужно еще внести поправку на то, что одновременно с движением полюса к его равновесному положению происходит и движение континентов вместе с несущими их литосферными плитами, а потому и смещение равновесного положения полюса.

Таким образом, если бы континенты не двигались, то полюс должен был бы сместиться в равновесную точку и оставаться в ней, но при движении континентов эта точка все время смещается, и полюс «гонится» за ней с некоторым отставанием, создаваемым вязкостью земного вещества. Такова возможная интерпретация положений полюсов на рис. 54.

предыдущая главасодержаниеследующая глава




Rambler s Top100 Рейтинг@Mail.ru
© Злыгостев Алексей Сергеевич, 2001-2017
При копировании материалов активная ссылка обязательна:
http://nplit.ru 'NPLit.ru: Библиотека юного исследователя'