8.8. Магнитостратиграфия (палеомагнитный метод)

8.8.1. Магнитные свойства Земли

Земля представляет собой гигантский магнит. Магнитно© поле Земли по своей величине очень мало, но оно имеет громадное значение. Магнитное поле на поверхности Земли делят на постоянное и переменное. Главная часть постоянного магнитного поля обязана происхождением процессам, протекающим в ядре, на границе ядра и мантии, в мантии, где движение флюидов, вызываемое конвекцией, сравнимо с работой динамо-машины. На него накладывается магнитное поле, созданное породами земной коры. Переменное магнитное поле связано с процессами, происходящими на Солнце.

Земля имеет Северный и Южный магнитные полюса, которые не совпадают с географическими полюсами. Геомагнитное поле более или менее симметрично относительно оси вращения Земли. По причинам, которые пока не совсем ясны, потоки, циркулирующие в коре, через неправильные промежутки времени меняют свое направление движения на обратное, вызывая инверсии^5 магнитного поля.

Палеомагнитология изучает явление палеомагнетизма, т.е. магнитное поле Земли геологического прошлого, закрепленное в своеобразных отпечатках этого поля — векторах естественной остаточной намагниченности (NRM)134 J_n горных пород, которые фиксируют магнитное поле времени и места образования горных пород. Для этого используется тот факт, что в истории Земли многократно происходили инверсии магнитного поля, когда векторы первичной намагниченности (J_n) менялись на 180, т.е. северный магнитный полюс становился южным и наоборот. Это обстоятельство позволяет расчленять разрезы на ряд горизонтов прямой и обратной намагниченности. Инверсии магнитного поля происходили неравномерно во времени: длительные интервалы времени характеризуются постоянством направления вектора первичной намагниченности {J°n), эти интервалы чередуются с периодами многократных инверсий. Такое неоднородное строение позволяет выделять характерные реперы и существенно повышает точность корреляции. Если учесть, что каждая инверсия магнитного поля Земли — событие глобального масштаба и происходила одновременно, то границы скоррелированных палеомагнитных горизонтов являются строго изохронными, а сам палеомагнитный метод наряду с палеонтологическим методом (имеется в виду использование ортофаун) и определениями абсолютного возраста принадлежит к числу методов непосредственной корреляции.

134 Свойство веществ, горных пород, минералов, определяемое магнитным моментом единицы объема и в общем случае характеризующее их способность к созданию магнитных полей. Различается индуцированная Ц) и естественная остаточная намагниченность (Jn). Индуцированная намагниченность возникает под действием земного магнитного поля и исчезает с прекращением его действия. Естественная остаточная намагниченность сохраняется в горных породах, минералах после прекращения действия намагничивающего поля. Направление естественной намагниченности совпадает с направлением магнитного поля прошлых эпох в случае отсутствия перемагничивания.

Исследуются распределение в пространстве и изменение во времени геомагнитного поля в геологическом прошлом, закономерности закрепления этого поля в горных породах и последующая история его отпечатков. Все эти явления находят приложение в изучении строения Земли, ее эволюции, а также в решении вопросов геологической практики. Подобно тому, как окаменелости и отпечатки организмов, живших в геологическом прошлом, позволяют изучать историю развития органического мира, синхронизировать содержащие их пласты и определять возраст этих пластов, «окаменелый геомагнетизм» — намагниченность Jn горных пород — позволяет изучать историю магнитного поля Земли, синхронизировать содержащие отпечатки этого поля породы и определять их возраст. И подобно тому, как окаменелость или отпечаток организма не есть сам организм, направление вектора в общем случае еще не есть направление вектора геомагнитного поля в эпоху и в месте образования породы, а модули этих векторов связаны соотношениями, зависящими от многих факторов.

Естественная остаточная намагниченность горной породы в общем случае включает ряд составляющих, возникших в разные моменты геологического бытия породы и в разной степени разрушенных к настоящему моменту. Намагниченность горной породы, как и любого ферромагнетика, зависит не только от ее свойств и значения приложенного магнитного поля, но также и от целого ряда факторов, таких, как время, температура, механические напряжения, химические изменения. Эти факторы сами по себе способны лишь разрушать имеющуюся намагниченность, однако в присутствии магнитного поля любой из них способствует образованию намагниченности. В зависимости от того, какой из перечисленных факторов оказывает влияние, возникает намагниченность особого вида.

Среди перечисленных факторов общим для всех горных пород является время. Поэтому всеобщее распространение имеет процесс намагничивания, обусловленный магнитной вязкостью. Остаточная намагниченность, возникающая после длительной выдержки пород в магнитном поле, называется вязкой остаточной намагниченностью (VRM) J_v.

Все ферромагнетики, будучи нагретыми выше температуры Кюри135, теряют свои ферромагнитные136 свойства. Если затем охладить такое вещество до комнатной температуры, то оно приобретет остаточную намагниченность, направление которой совпадает с направлением внешнего магнитного поля. Эта намагниченность называется термоостаточной (TRM) J_rt, ее приобретают все магматические породы в процессе остывания. Высокие синхронность в породе и стабильность к внешним воздействиям делают величину Jn важным носителем палеомагнитной информации.

135 точка (температура) Кюри — температура, выше которой ферромагнитные вещества превращаются в парамагнитные.

136 Ферромагнетизм —свойство материала намагничиваться в магнитном поле и частично сохранять намагниченность при исчезновении намагничивающего поля. Связан с наличием в материале областей спонтанной намагниченности. Сопровождается другими аномалиями физических свойств (магнитной восприимчивостью, теплоемкостью). Парамагнетизм — свойство веществ (парамагнетиков) слабо намагничиваться в направлении намагничивающего поля. Обусловлен частичной ориентацией магнитных моментов атомов в магнитном поле.

Опыты показывают, что термоостаточная намагниченность возникает при охлаждении образца не только от температуры Кюри Т_с до комнатной, но и в любом другом температурном интервале ниже Тс. Такая намагниченность называется парциальной137 термоостаточной и обозначается J_rpt.

Как во время формирования, так и в дальнейшем в горной породе образуются и преобразуются ферромагнитные минералы. Если это происходит при температуре ниже точки Кюри возникающего минерала, то в процессе роста его зерен появляется химическая (или кристаллизационная) остаточная намагниченность (CRM) J_rc. Как химическая, так и парциальная термоостаточная намагниченность — характерные виды намагниченности метаморфических пород.

При образовании осадочных пород на магнитные частицы в процессе осаждения оказывает ориентирующее действие геомагнитное поле; частицы стремятся расположиться таким образом, чтобы их векторы намагниченности оказались направленными по полю. При обезвоживании осадка полученная ориентация частиц закрепляется, осадок приобретает ориентационную (седиментационную) остаточную намагниченность (DRM) J_ro, Другие виды намагниченности, хотя и могут присутствовать в горных породах, играют меньшую роль в палеомагнетизме.

Существует еще также и пъезоостаточная^38 намагниченность (PRM), которая является дополнительной остаточной намагниченностью, приобретаемой при наложении или снятии механических напряжений во внешнем магнитном поле при постоянной температуре.

Надежную информацию о древнем геомагнитном поле несет только та компонента Jn (естественной остаточной намагниченности), возраст которой совпадает с возрастом породы (первичная намагниченность J°n). По происхождению она может быть термоостаточной, химической и ориентационной. Поэтому главная задача любого палеомагнитного исследования— выделить первичную намагниченность (определить направление и модуль вектора J°n). Решение этой задачи (выделить первичную намагниченность, определить направление и модуль J°n) ведется геометрическими, статистическими и магнитными способами, среди которых наиболее распространен способ «магнитной чистки».

8.8.2. Предпосылки использования палеомагнитного метода в стратиграфии

При интерпретации полученных палеомагнитных данных, которые представляют собой совокупность векторов Jn, «очищенных» от нестабильных компонент, в качестве исходной принимают модель, базирующуюся на фундаментальных положениях, которые называют основными гипотезами палеомагнетизма:

• Горные породы при своем образовании намагничиваются по направлению геомагнитного поля времени и места их образования (гипотеза фиксации).

• Приобретенная первичная намагниченность сохраняется (хотя бы частично) в породе в геологическом масштабе времени и может быть выделена (гипотеза сохранения).

• Геомагнитное поле, осредненное за любые промежутки времени порядка 1 млн. лет (кроме эпох его резких перестроек), — палеомагнитноеполе — является полем диполя139, помещенного в центр Земли и ориентированного по ее оси вращения (гипотеза центрального осевого поля).

Установлено, что направления палеомагнитного поля (палеомагнитные направления) являются функцией географического положения и возраста исследованных горных пород. Распределение палеомагнитных направлений для одновозрастных пород в пределах тектонически стабильных блоков литосферы соответствует полю центрального диполя с определенными для данного возраста координатами палеомагнитных полюсов (табл. 8) и определенной прямой (совпадающей с современной) или обратной полярностью геомагнитного поля.

Полюс, рассчитанный по среднему палеомагнитному направлению, осредненному по периодам -10⁴—10⁶ лет, достаточно долгим, чтобы неосевые компоненты поля Земли осреднялись, называется палеомагнитным полюсом (рис. 16). Поэтому палеомагнитный полюс приблизительно соответствует древнему географическому полюсу. От него нужно отличать виртуальный полюс, т. е. полюс, рассчитанный по ограниченной группе данных о направлении поля. В геологическом смысле виртуальный геомагнитный полюс соответствует какому-то моменту времени. Например, современные геомагнитные полюса являются по существу мгновенными полюсами.

139 Диполь (два полюса) — совокупность двух равных по величине фиктивных магнитных зарядов противоположного знака, находящихся на некотором расстоянии друг от друга.

Изменение координат полюсов является отражением движения литосферных плит относительно оси вращения Земли. При этом для каждой плиты могут быть построены свои траектории кажущегося движения полюса, которые могут быть совмещены на основе принципов тектоники литосферных плит.

Многократные инверсии геомагнитного поля привели к тому, что разрезы осадочных и вулканогенных толщ оказались расчлененными на чередующиеся зоны прямой (N-зоны) и обратной (R-зоны) намагниченности.

Глобальность обоих явлений — дрейфа континентов и геомагнитных инверсий — служит предпосылкой применения палеомагнитного метода в стратиграфии. Основой этих исследований служат палеомаг-нитные шкалы или шкалы геомагнитных инверсий, привязанные к общей стратиграфической шкале или изотопным датировкам (рис. 17,18).

Рис. 18. Карты палеоконтинентов: а—г — по Морелу и Ирвингу, д—е по Ирвингу.

(а) Массив Пангея в конце докембрийского времени: SB — Сибирский щит, SN — Китайский щит. (б) Раскрытие Атлантики III и последующее значительное раздвигание континентов ВА — Балтика, G — Британия, LA — Лаврентия, (в) Закрытие Атлантики III и формирование каледонского складчатого суперпояса и новой Пангеи. (г) Раскрытие Атлантики II и рифтообразование с отделением Лавразии и Гондваны. (д) Закрытие Атлантики II в среднеквменноугольное время (герцинская орогения) и возникновение еще одной Пангеи. (в) Раскол Пангеи в юрское время ведет к формированию современных Атлантического, Индийского и Северного Ледовитого океанов; их ширина в меловой период была относительно небольшой

Время, в течение которого происходит инверсия, как это установлено детальными палеомагнитными исследованиями переходных зон, составляет около 5000 лет. По этой причине слои внутри переходных зон не могут быть скоррелированы в глобальном масштабе, и соответственно, разрешающая способность магнитостратиграфии примерно равна продолжительности перехода.