Статья: Хронология инверсий

В. В. Орлёнок, доктор геолого-минералогических наук

Важнейшим достижением палеомагнетизма явилось установление разнополярной намагниченности последовательности лав и осадочных пород. Совпадение знака полярности для одновозрастных пород в разрезах континентов и океанического дна исключает предположение о широком развитии процессов самообращения вектора намагниченности. Синхронность и глобальность обращений может быть объяснена тем, что земное магнитное поле на протяжении геологической истории неоднократно изменяло свою полярность. Возможный механизм этого процесса мы только что рассмотрели.

Сопоставление по различным разрезам Северной Америки последовательности прямо и обратно намагниченных толщ с их абсолютным возрастом позволило А. Коксу и другим установить время обращений геомагнитного поля и длительность различных эпох полярности. В результате была создана палеомагнитная геохронологическая шкала для последних 4,5 млн. лет (см. рис. 34, с. 144). Согласно этой шкале в течение указанного периода сменилось четыре эпохи. Первые две эпохи были названы именами крупных ученых-геофизиков Брюнеса и Матуяма, которые одними из первых определили важную роль обратного намагничивания пород, две другие эпохи – именами выдающихся физиков К. Гаусса (1777 – 1855) и Дж. Гильберта (1544 – 1603), впервые изучивших магнитное поле Земли.

Внутри этих эпох при более детальных исследованиях были обнаружены краткие обращения полярности. Так, внутри обращенной эпохи Матуяма отмечается небольшой интервал с нормальной полярностью длительностью около 105 лет, получивший название одного из ущелий в Танзании – Олдувей.

Внутри нормальной эпохи Гаусса также отмечено краткое обращение поля, получившее название Маммот (озеро в Калифорнии, где это обращение впервые было обнаружено).

В настоящее время имеются данные о наличии еще целого ряда обращений внутри каждой из эпох, однако достоверность некоторых из них пока нельзя считать достаточно обоснованной.

Описанная хронология обращений земного магнитного поля получила наилучшее подтверждение при сравнении последовательности прямо и обратно намагниченных слоев в колонках глубоководных осадков океана – пелагических красных глин, характеризующихся наиболее устойчивыми темпами седиментации. Оказалось, что время образования последовательности нормально и обратно намагниченных пачек слоев полностью совпадает с длительностями эпох полярности, определенными палеонтологическими и К – Аr методами по лавам островов и континентов, и коррелируется с данными измерений в аналогичных осадках различных районов Мирового океана.

Обращение земного магнитного поля было обнаружено и в более древних вулканических и осадочных породах Земли. Это позволило продлить палеомагнитную геохронологию на весь фанерозой. Применение палеомагнитной геохронологии для стратиграфии ограничивается необходимостью иметь непрерывный разрез лавовых или осадочных слоев начиная с современного возраста либо палеонтологическую или изотопную датировку. В противном случае вследствие выпадения или размыва отдельных слоев возможны крупные ошибки в корреляции. Вместе с тем использование палеомагнитных данных по обращениям геомагнитного поля совместно с палеонтологическими определениями позволяет в ряде случаев более точно устанавливать границы между разновозрастными породами, так как изменение или вымирание той или иной группы организмов происходит обычно в течение миллиона и более лет, а инверсии поля – в течение 10 – 15 тыс. лет.

В настоящее время построено несколько палеомагнитных хронологических шкал. Все они могут быть разделены на две группы. К первой группе относятся шкалы, построенные по данным непосредственных измерений на разрезах эффузивных или осадочных пород в сочетании с палеонтологическими и изотопными определениями возраста. Сюда же относятся и измерения по кернам скважин судна «Гломар Челленджер», ударных и вибропоршневых трубок. Именно таким путем выполнена палеомагнитная хронология в Азии, Северной Америке, Западной Европе, Японии и Мировом океане в период с 1958 по 1972 г.

Эти данные хорошо сопоставимы между собой и, следовательно, отражают реальный процесс инверсий полярности геомагнитного поля в соответствующие геологические периоды.

Другая группа шкал построена по рисунку магнитных аномалий срединно-океанических рифтовых хребтов, полученных на уровне моря. Их построение основано на гипотезе Вайна-Мэтьюза о разрастании (спрединге) океанического дна вследствие внедрения базальтовых масс в рифтовой зоне с последующим раздвижением «литосферных плит» в обе стороны от нее. Согласно этой, ныне широко распространенной концепции, намагниченность пород происходит в момент внедрения в рифтовую щель горячих базальтовых даек. Таким образом, океаническая кора по обе стороны от нее должна иметь вертикально слоистое строение. Полагая, что скорость «расширения» дна колеблется в пределах 1 – 10 см/год, авторы и сторонники концепции «рассчитали» интервалы и «нашли», что последние сходны со шкалой А. Кокса, построенной совершенно иным методом (Ле Пишон, Франшто, Бонин, 1977).

Однако сравнение поверхностных аномалий, отражающих сглаженный интегральный эффект удаленных от уровня наблюдения совокупности рассредоточенных по площади и по разрезу источников, с приземными (контактными) аномалиями А. Кокса принципиально невозможно. Это, по существу, несравнимые поля. Чтобы как-то устранить это несоответствие, мы должны в лучшем случае трансформировать поле на уровень источников, т. е. в данном случае дна. Выполнение такой трансформации или проведение придонной магнитной съемки (рис. 35) вскрывает сложное чередование положительных и отрицательных значений вектора DТ, которое не имеет ничего общего с характером поверхностной аномалии. При построении шкалы по этому рисунку придонной аномалии мы не получим и отдаленного сходства с «контактной» структурой поля инверсий Кокса и др. Авторы же концепции спрединга склонны видеть в этом лишь мешающий магнитный шум, обусловленный топографией (Ле Пишон, Франшто, Бонин, 1977), либо предлагают выделять дополнительные кратковременные эпизоды обращения геомагнитного поля. По существу же, здесь мы видели стремление интерпретировать магнитные аномалии рифтовых хребтов только и исключительно полем ограниченного по мощности вертикального пласта с удалением в бесконечность второго полюса (положительного или отрицательного), что является грубым игнорированием в целом двухзначного характера магнитных аномалий.

Любое намагниченное тело – это диполь, если не мультиполь. И ему свойственны положительные и отрицательные аномалии, если только нижние кромки не отнесены на очень большую глубину. Это, в частности, и подтверждается придонной съемкой и трансформацией поля в нижнее полупространство, где четко проявляется роль подводных гор и рельефа дна вообще и сложный характер распределения магнитоактивных тел. Мы уже не говорим о прямых несоответствиях, указанных А. Майерхоффом и Г. Майерхоффом (1974), когда, например, выделенная по рисунку магнитного поля 5-я аномалия «возраста 8 млн. лет» выходит в Исландии в районе современного вулканизма. Кроме того, прямые определения намагниченности в кернах базальтовых пород, по данным бурения судна «Гломар Челленджер», вскрыли чередование прямо и обратно намагниченных базальтовых слоев, расположенных в пределах одной полосовой аномалии. Например, в скв. 395 45-го рейса, пробуренной в зоне 4-й положительной магнитной аномалии на склоне Срединно-Атлантического хребта, в интервалах глубин 100 – 243 и 733 – 612 м вскрытого разреза базальты характеризуются положительной намагниченностью, а в интервале 243-573 и ниже 612 м – отрицательной.

В скв. 396, расположенной по другую сторону Срединно-Атлантического хребта, в пределах полосовой 5-й положительной аномалии в разрезе базальтов толщиной 96 м верхняя и нижняя зоны отрицательной намагниченности разделяются зоной положительной намагниченности. Приведенные данные не исключение. Они подтверждаются во всех случаях, где удается забуриться в базальтовые слои (Initial Reports of the Deep Sea Drilling Project, 1969 – 1982). Результаты палеомагнитного изучения 94 ориентированных образцов осадков 37-го рейса «Гломар Челленджер» (скв. 332 – 335) показали, что полярность стабильной части естественной остаточной намагниченности (In) многократно меняет свой знак по разрезу и имеет более пологое по сравнению с дипольным наклонение. Последнее предположение, однако, обусловлено не перемещением плит, а местным тектоническим наклоном блока. В скв. 332 В обнаружено неустойчивое и аномально пологое наклонение в базальтах, подстилающих осадки. При этом вертикальная составляющая вектора In явно мала для обеспечения наблюдаемой на поверхности океана магнитной аномалии. Это указывает на то, что мощность магнитоактивного слоя должна быть в несколько раз большей 500 м (обычно принимаемой в гипотезе тектоники плит), а сама толща представлена многими слоями лав различных эпизодов вулканизма и, следовательно, различного возраста и наклонения.

В скв. 337 в Норвежском море в брекчированном базальте, подстилающем толщу осадков (132,5 м), обнаружено 13 – 14 потоков. Возраст их определяется в 18 – 24 млн. лет и плохо увязывается с магнитными и палеомагнитными данными.

Ни на одной из пробуренных в 1976 г. в Атлантическом океане скважин магнитные свойства базальтов не отвечали линейным магнитным аномалиям в соответствии с гипотезой Вайна-Мэтьюза. Отсюда делалось предположение о более глубоком залегании магнитоактивных тел, ответственных за эти линейные знакопеременные аномалии. Таким образом, прямые определения намагниченности пород фундамента, строго говоря, не подтвердили основы концепции вертикально-слоистой модели намагниченности рифтовых хребтов. Регистрируемые же магнитные аномалии на поверхности моря, равно как и на уровне дна, отражают суммарный эффект прямо и обратно намагниченных по разрезу пород и поэтому никак не могут быть интерпретированы серией горизонтально дифференцированных однородно намагниченных вертикальных пластов мощностью 500 – 1000 м. Эти соображения излагались нами ранее (Орлёнок, 1980) и теперь находят подтверждение в работах других исследователей – В. Н. Луговенко, Т. Н. Симоненко и др.

Анализируя обширный материал по статистическим характеристикам аномального магнитного поля (АМП), В.Н. Луговенко сформулировал закон суммирования магнитных источников в магнитоэффективные тела в следующем виде: аномальное магнитное поле над поверхностью Земли есть суммарный эффект влияния магнитных масс, расположенных ниже того участка земной поверхности, который виден из точки измерения поля под телесным углом 0,59p. Отсюда следует, что при изменении высоты магнитной съемки размеры и свойства магнитоактивного источника, создающего данное АМП, также изменяются. Это обусловлено увеличением вертикальной мощности «зондируемого» магнитоактивного слоя с увеличением высоты прибора. С другой стороны, с увеличением глубины вследствие повышения температуры и давления намагниченных пород их вклад в суммарное поле будет уменьшаться. Однако трудно предположить образование обширных лавовых полей мощностью 1000 – 2000 м и протяженностью в несколько тысяч километров в течение той или иной магнитной эпохи длительностью около миллиона лет. Подобных глобальных вулканических катастроф в фанерозое не отмечено в геологической летописи Земли. Как показал В.Н. Луговенко, источники многих крупных магнитных аномалий лучше всего аппроксимируются моделью вертикального пласта. Если высота съемки соответствует горизонтальной полумощности такого тела, то его вертикальная составляющая характеризуется известным соотношением:

,    (VI.12)

где I – намагниченность А×м-1; b – горизонтальная полумощность, м; Н – глубина до верхней кромки, м; х – координата.

Для оценки влияния магнитных масс, расположенных по глубине разреза, магнитный источник можно представить в виде суммы горизонтальных цилиндров, имеющих предположительно вертикальное намагничивание:

,            (VI.13)

где М – линейный магнитный момент цилиндра. Поскольку элементарные цилиндры (Ва = Вb) равны по модулю, но имеют различные знаки, влияние области a компенсируется влиянием области b, и магнитное поле в точке Р создается вертикальным пластом мощностью 2Н. Над центром пласта при Н = b имеем:

,          (VI.14)

где – средняя намагниченность пород всего разреза в пределах угла, под которым видна земная поверхность. Таким образом, при постоянной высоте съемки амплитуда и размеры магнитных аномалий будут определяться средней намагниченностью пород по всей толщине разреза.

Лишь с помощью операции трансформации наблюденных аномалий (см. далее) можно произвести разделение поля на локальную и региональную составляющие, а с ними и относительную глубину источников. Это свойство АМП практически исключает возможность однозначной геологической интерпретации линейных магнитных аномалий океанических областей вертикальными одновозрастными и, следовательно, однополярными пластами той или иной мощности и характеризует ее как задачу с неопределенным множеством решений. В частности, уменьшение глубины океана и соответственно высоты съемки влечет за собой увеличение мощности «зондируемого» магнитоактивного слоя и, наоборот, с увеличением глубины толщина «освещения» разреза уменьшается. Одновременно увеличиваются ширина «освещаемой» поверхности и, следовательно, интегрируемость (осреднение) в пределах площади телесного угла различных магнитных неоднородностей как на поверхности, так и на глубине (рис. 36). При этом алгебраическое суммирование аномалий и в горизонтальном, и в вертикальном направлениях может привести к существенному (если не полному) изменению картины поля за счет осреднения и перераспределения составляющих разных знаков и амплитуды. Это было доказано В.Н. Луговенко по расчетам радиуса корреляции и периодов Т0. Оказалось, что градиент дr0/дН в области высот (0<Н<5¸20 км) достигает наибольших значений. Чем однороднее (в магнитном отношении) материал коры, тем протяженнее аномалии одного знака с увеличением высоты съемки. Отсюда следует, что высокий градиент в океанических областях свидетельствует о большей однородности верхней коры котловины и, наоборот, низкий градиент континентов – большей горизонтальной дифференцированности верхов континентальной коры. То же самое нетрудно видеть и из рис. 36. Приняв Н1 и Н2 достаточно большими по сравнению с полумощностью магнитных источников Ii, мы как бы получаем сумму элементарных вертикальных стержней:

 и ,   (VI.15)

магнитное поле которых в точке Р будет представлять алгебраическую сумму из составляющих Ii каждого элемента.

Таким образом, любая шкала хронологии обращений геомагнитного поля, построенная по рисунку аномалий рифтовых хребтов по принципу Вайна и Мэтьюза, является лишь гипотезой и не может быть использована для палеомагнитной стратификации. Сравнение таких шкал между собой дает весьма проблематичное сходство.

Симметрия и линейный характер магнитных аномалий над рифтовыми хребтами отражают симметрию равномерного растяжения коры на своде остаточной возвышенности вследствие опускания дна котловин по обе его стороны. Магнитные аномалии фиксируют, по существу, зоны глубоких расколов земной коры, возникающих при этом растяжении, и полосы сильно и слабо намагниченных пород. С. Н. Максимовым, Н. Я. Куниным и Н. М. Сардонниковым (1977) было показано, что режимы инверсий геомагнитного поля обнаруживают четкую низкочастотную цикличность с периодом 155 млн. лет и среднечастотную – с интервалом 39 млн. лет. Кроме того, намечаются высокочастотные инверсии порядка 1 млн. лет. При этом заметна определенная связь режима инверсий с геологическими эрами, отражающими крупные изменения в жизни биосферы Земли, – палеозою соответствует преобладание обратной полярности, мезозою – преобладание прямой полярности, кайнозою – знакопеременное поле.

Наряду с этим существовали периоды более частых инверсий и длительной стабильности поля. В целом отмечается возрастание частоты инверсий начиная с поздней перми с преобладанием в этот период положительной (нормальной) полярности. Аналогичная картина возрастания частоты инверсий наблюдается также в среднем и позднем кембрии и в интервале между средним ордовиком и средним девоном. Интересно сопоставить шкалу инверсий геомагнитного поля с циклами тектонической активизации земной коры, выделенными Г. Штилле, В.Е. Хаиным, Н. М. Страховым, В. В. Белоусовым и др., а также с эпохами трансгрессий и регрессий. Анализ показывает, что эта связь весьма проблематична. Большинство фаз так называемой тектонической активизации не находит отражения в режиме инверсий геомагнитного поля. Исключение составляют салаирская фаза на рубеже кембрия и ордовика, совпадающая с переходом знакопеременного режима к однополярной эпохе раннего ордовика, астурийская и заальская, совпадающие с эпизодами обращения поля в среднем и позднем карбоне, пфальцская, совпадающая с границей перехода однополярного режима поздней перми в знакопеременный – триаса, и ларамийская – переход к знакопеременному полю кайнозоя. Таким образом, намечается некоторая корреляционная связь изменения режима геомагнитного поля с тектонической активностью лишь для 5 фаз из 21. Приведенная статистика позволяет заключить, что либо большинство из названных фаз связано с местным характером тектонических движений, либо режим геомагнитного поля не находит отражения в общепланетарных тектонических активизациях Земли. С другой стороны, трудно согласиться с предположением, что глобальная сейсмическая активность перисферы Земли, отражая какое-то повышение активности в ее недрах, не отобразилась бы на режиме магнитного поля.

Динамика перисферы – это следствие и результат именно внутренней активности планеты. Например, повышение сейсмической активности Земли приводит к возникновению дополнительных собственных колебаний сферы, а с нею и внутреннего ядра относительно вязкого внешнего ядра. Это известно из примеров Чилийского и Аляскинского землетрясений. Вероятно, такие дополнительные колебания способны изменить направление ламинарных течений в ядре и тем самым ускорить инверсию геомагнитного поля. Исследования Е.П. Велихова в области магнитной гидродинамики указывают на возможность генерации возмущений в проводящей плазме и их влияние на турбулентность несжимаемой жидкости с «приклеенными» к ней магнитными силовыми линиями.

Следовательно, можно предположить, что салаирская (ранний палеозой), астурийская и заальская (поздний палеозой), пфальцская (начало мезозоя) и ларамийская (кайнозой) фазы отражают какие-то крупные перестройки на уровне внешнего ядра и астеносферы. К некоторым из этих рубежей (палеозой – мезозой) относятся и крупнейшие изменения климата и биосферы.