О магнитных свойствах горных пород и шкале геомагнитной полярности

 

С 50-х годов нынешнего столетия для определения возраста земных слоев стали использовать еще одну группу методов, которая к настоящему времени развилась в новую отрасль геологических знаний — палеомагнитологию.

Известно, что многие минералы и горные породы, со­держащие железо и железо-титановые соединения, обладают свойством, известным под названием ферромагнетизм. При устранении намагничивающего поля эти вещества сохраняют некоторую остаточную намагниченность. Процесс намагни­чивания идет тем легче, чем выше температура, и даже в слабом магнитном поле возникает большая намагниченность, которая закрепляется — «замораживается» — при охлаждении ве­щества. Такая намагниченность называется термоостаточной. Измеряя при помощи точной аппаратуры магнитные характе­ристики пород, включающих ферромагнитные частицы, можно установить напряженность магнитного поля Земли, магнит­ные наклонение и склонение, которые были свойственны исследуемому пункту в то или иное время.

Например, по термоостаточной намагниченности пород, изверженных вулканами, можно судить о напряженности и направлении магнитного поля в период извержения. Сходное явление наблюдается при образовании осадочных по­род. Геомагнитное поле воздействует на оседающие на дно водоема частицы горных пород и ориентирует их в соот­ветствии с направлением на магнитные полюсы. При уплотне­нии осадка ориентировка частиц закрепляется и может слу­жить своеобразным компасом, указывающим положение по­люсов Земли в то время, когда происходило отложение осадочной породы.

Перемещение континентальных блоков. Реконструкция расположения материков в карбоне (300 млн. лет назад) и в палеогене (30 млн. лет назад).

По-видимому, можно утверждать, что любые горные по­роды при своем образовании запечатлевают в себе характе­ристики геомагнитного поля, существовавшего в момент их рождения. Приобретенная породой первичная намагничен­ность обычно сохраняется на протяжении всей последую­щей геологической истории и, как правило, может быть обнаружена с помощью комплекса методов исследования палеомагнетизма. При этом принимается, что палеомагнитное поле в каждый период своего существования было подобным полю диполя, помещенного в центр Земли и ориентированного по оси ее вращения.

Палеомагнитные исследования ведутся сейчас во многих странах и охватили территории всех континентов и аква­тории океанов. Сведения о положении полюсов Земли по­лучены для огромного интервала геологического времени — от протерозоя до современной эпохи. Выполненные работы позволили установить, что на протяжении эволюционного развития планеты геомагнитное поле непрестанно изменяло свою напряженность и направление.

Выяснилось, что кажущиеся миграции полюсов Земли связаны с перемещением в пространстве крупных блоков земной коры — литосферных плит. Для каждого такого блока можно построить свою траекторию кажущегося движения полюса. Истинное же положение полюсов Земли помогают установить математические модели, описывающие картину дрейфа континентов и расширения океанических впадин на протяжении геологической истории. Кроме этих перемеще­ний, связанных с передислокацией масс суши и океанов, фиксируются движения магнитных полюсов, обусловленные довольно быстрыми вариациями самого магнитного поля Земли. Оба типа движения полюсов, налагаясь друг на друга, создают достаточно сложную картину. Однако обычно исследуют среднее геомагнитное поле, в котором вариации нивелируются во времени.

В силу своих свойств ферромагнетики будут одинаково реагировать на воздействие высокой температуры вне зави­симости от ее происхождения. Значит, тот же эффект будет получен, если минеральное образование нагрето не естествен­ным природным теплом, а искусственно, например в гончар­ной печи. Этим фактом заинтересовались археологи. Глина, из которой изготовляют керамические изделия, почти всегда содержит ферромагнитные частицы. Были изучены тысячи образцов гончарной продукции различных времен и наро­дов; на магнитность проверялись черепки горшков и кувши­нов, кирпичи и черепица старинных строений. Исследования подтвердили, что на протяжении исторического времени маг­нитное поле Земли закономерно изменяло свои параметры. И теперь, зная палеомагнитные характеристики археологи­ческого объекта, иногда удается судить о его возрасте в пре­делах десятка последних тысячелетий.

Для изучения магнитных полей более далекого прошлого потребовались другие методы. Палеомагнитологи установили, что на протяжении развития Земли ее магнитное поле много­кратно меняло свое направление. В геологических разрезах наблюдается обилие обращений геомагнитной полярности — инверсий. Полярность, совпадающая с современной, назы­вается прямой, а противоположного знака — обратной. Каж­дый тип полярности обычно сохраняет свой знак на протя­жении некоторого, иногда довольно продолжительного, вре­мени. Интервалы разреза, характеризующиеся определен­ным знаком полярности, называются магнитозонами. Разли­чают зоны прямой намагниченности (их называют N- или n-зонами), обратной намагниченности (R- или r-зоны) и зоны частой смены полярностей (NR- или пг-зоны).

Геомагнитные инверсии, по-видимому, должны были про­являться одновременно на всей территории земного шара. Они без особых сложностей могут быть обнаружены в иссле­дуемых геологических разрезах и прослежены в одновозраст-ных отложениях различных регионов. Стало быть, если соста­вить палеомагнитную шкалу для какого-либо хорошо изу­ченного района и надежно датировать положения границ, где происходит смена знаков намагниченности, с помощью палеонтологических и физических методов, мы получим свое­образный эталон, с которым можно будет сопоставлять ре­зультаты палеомагнитного изучения других территорий. При этом, сравнивая «спектры» смены полярностей, вероятно, удастся соотнести их с определенным участком эталонного разреза и тем самым судить о возрасте сопоставляемых с ним толщ. Такая эталонная шкала получила название палеомагнитной (магнитохронологической, магнитострати-графической).

Принцип построения и использования магнитохронологи-ческих шкал достаточно ясен. При его применении необхо­димо соблюсти единственное условие: продолжительность отрезков времени, в течение которых сохраняется данный тип геомагнитной полярности, должна быть больше погреш­ности метода датировки. Казалось бы, новый метод должен был сразу найти широкое применение в стратиграфии. Однако потребовалось более полутора десятилетий, прежде чем уда­лось получить надежные результаты изотопной возрастной датировки и палеомагнитные шкалы смогли превратиться в действенное оружие геохронологии.

Для воссоздания истории геомагнитных инверсий при­ходится изучать разнообразные геологические объекты.

С развитием калий-аргонового метода стало возможным получать очень точные определения возраста вулканогенных пород позднего кайнозоя, в первую очередь — основных лав, для которых существуют надежные палеомагнитные данные. Шкала возраста и геомагнитной полярности этих пород, взятых в различных районах земного шара, распростра­няется сейчас на 7 млн. лет, охватывая четвертичные и верхне­неогеновые отложения.

Изучение разрезов донных осадков по материалам опро­бования, проведенного в глубоководных областях океанов, позволило уточнить палеомагнитную шкалу для позднего кайнозоя и продолжить ее в глубь времен до начала неогена (табл. 6). В дальнейшем, по мере развития подводного бу­рения, по-видимому, удастся создать такую шкалу для всего кайнозоя и верхней части мезозоя.

Дополнительные сведения о характере проявления магнит­ных инверсий дает изучение линейных геомагнитных ано­малий, наблюдаемых в породах, слагающих дно океана. Известно, что поверхность океанического дна постепенно об­новляется в результате поступления свежих масс вещества из недр Земли. Разрастание поверхности дна океана совер­шается импульсивно, поэтому дно оказывается сложенным чередованием продольно вытянутых геологических тел. Каж­дое из тел фиксирует свойства магнитного поля, существо­вавшего в момент образования этого тела, и имеет соот­ветственно прямую или обратную намагниченность. Зная скорость расширения морского дна и имея определения воз­раста для горных пород, слагающих зоны магнитных ано­малий, можно создать так называемую аномалийную шкалу геомагнитной полярности. Эта шкала позволяет проконтроли­ровать данные, полученные по результатам бурения, и просле­дить историю геомагнитных инверсий по крайней мере до юрского периода.

 

Таблица 6 Палеомагнитная шкала верхнего кайнозоя

Эратема	Система	Отдел	Ярус	Гиперзона	Полярность	Время, млн. лет
КАЙНОЗОЙСКАЯ	Четвертичная		Среднеазиатская (NR)
Неогеновая	Плиоцен	Апшеронский
Акчагыльский
Киммерийский
Понтический
Миоцен	Мэотический
Сарматский
Конкский
Караганский
Чокракский
Тархане кий
Коцахурский
С акараульский
Кавказский

 

Поскольку возраст океанического дна сравнительно мо­лодой, для более древних геологических отложений прово­дится палеомагнитное изучение наиболее полных разрезов осадочных и вулканогенных толщ, развитых на континентах. Полученные в различных областях последовательности зон прямой и обратной намагниченности надстраивают друг друга. Таким путем создаются сводные магнитостратиграфи­ческие шкалы для отдельных регионов, сопоставление которых между собой дает возможность построить общую шкалу геомагнитной полярности для всего земного шара. Преиму­щество таких шкал заключается в том, что они разрешают восстановить историю геомагнитного поля от нынешнего времени до древнейших этапов развития планеты и позволяют привязать ее к периодам, эпохам и векам общей геохронологи­ческой шкалы.

Геомагнитные инверсии распределяются по шкале времени неравномерно, образуя различные группировки, сгущения и разрежения зон той или иной полярности, и только на уровне очень больших отрезков геологической истории — эр и эо-нов — проявление инверсий, вероятно, подчинено сложной ритмической закономерности.

В зависимости от длительности своего существования магнитостратиграфические подразделения получают различ­ные наименования. Отрезки шкалы геомагнитной полярности, интервалы распространения которых приблизительно соот­ветствуют эратемам, называются мегазонами; единицы, от­вечающие системам, — гиперзонами; отделам и нескольким ярусам — суперзонами; ярусам или зонам — ортозонами. Кроме того, нередко наблюдаются интервалы разрезов, соот­ветствующие неустойчивому состоянию магнитного поля. Та­кие интервалы, характеризующиеся сильными отклонениями направлений поля, незавершенностью инверсий, называются аномальными; они часто хорошо фиксируются на больших территориях и могут служить дополнительными признаками, облегчающими сопоставление магнитостратиграфических шкал.

В представленной здесь табл. 7 показана палеомагнитная шкала палеозоя, мезозоя и палеогена территории СССР. Долгим и трудоемким процессом было составление этой шкалы. Нижнепалеозойская ее часть построена по материа­лам, полученным при изучении разрезов Сибирской плат­формы. Характеристика среднего и верхнего палеозоя выяв­лена в отложениях Восточно-Европейской платформы, Алтае-Саянской области и Тунгусской синеклизы. Мезозойская часть шкалы построена по разрезам Восточной Европы, Кавказа, Средней Азии, Сибири и Северо-Востока СССР, а палеоге­новая — по обнажениям, изученным в Нахичеванской АССР, Туркмении и Таджикистане.

Зоны прямой намагниченности показаны в таблице крас­ным цветом, интервалы обратной (отрицательной) намагни­ченности — синим, зоны переменной полярности заштрихо­ваны синим и красным, неизученные части оставлены не­закрашенными.

 

Таблица 7 Палеомагнитмап шкала палеозоя, мезозоя и палеогена

Эратема	Система	Отдел	Ярус	Гиперзона	Суперзона	Полярность	Время, млн. лет
	Палеогеновая	Олиго-цен
КАЙНОЗОЙСКАЯ	Хаттский	Среднеазиатская (NR)			- 30
Рюпельский
напое	Альминский			- 40
Бодракский
Симферопольский			- 50
Бахчисарайс кий
Палео­цен	Каминский			- 60
Инкерманский
датский
МЕЗОЗОЙСКАЯ	Меловая	Верхний	Маастрихтский			- 70
Кам панский	Джалал (Nr)
Сантонский			- 80
Коньякский
Туронский			- 90
Сеноманский			- 100
Нижний	Альбский
Аптский			- 110
	Гиссар (NR)
Барремский			- 120
Готеривский
Валентине кий			- 130
Берриасский

В палеозое преобладает обратная полярность, на фоне которой фиксируется более 30 зон прямой намагниченности, продолжительность существования каждой из которых со­ставляет от 0,5 до 20 млн. лет. По признакам намагничен­ности здесь выделено шесть гиперзон, в составе которых различается десять суперзон. В мезозойских и палеогено­вых отложениях преобладающая полярность — прямая. В них устанавливается пять гиперзон продолжительностью от 20 до 65 млн. лет.

 

Продолжение табл. 7

 

Эратема	Система	Отдел	Ярус	Гиперзона	Суперзона	Полярность	Время, млн. лет
МЕЗОЗОЙСКАЯ
Верхний	Волжский	Гиссар (NR)			- 140
Кимериджский			- 150
Оксфордский
Келловейский			- 160
Сред­ний	Бате кий
Байосский
Ааленский			-170
Нижний	Тоарский
Плинсбахский	Омолон (Nr)			- 180
Синемюрский
Геттангский			- 190
	Верхний .....	Рэтский
Норийский			- 200
Карнийский
Сред­ний	Ладинский			- 210
	Иллаварра (ЛОТ)			-220
	Оленёкский
Индский			- 230
Верхний	Татарский
	Киама (Я)			- 240
Казанский
Уфимский			- 250

Продолжение табл. 7

 

Эратема

Система

Отдел

Ярус

Гиперзона

Суперзона

Полярность

Время, млн. лет

ПАЛЕОЗОЙСКАЯ

Нижний

Кунгурский

Киама (Я)

- 250

Артинский

- 260

Сакмарский

- 270

Ассельский

- 280

Верхний

; Гжельский

Касимовский

- 290

Средний

Московский

Донецкая (Ял)

Дебальцевская

- 300

Бакширский

- 310

Нижний

Серпуховский

-320

Визейский

Тихвинская

- 330

Турн ейский

- 340 - 350

Верхний

Фаменский

Оранский

- 360

Эратема

Система

Отдел

Ярус

Гиперзона

Суперзона

Полярность

Время, млн. лет

Саянская (Rn)

ПАЛЕОЗОЙСКАЯ

Средний

Живетский

Таштыпекан

- 370

Эйфельский

— 380

Эмский

-390

Зигенский

Енисейская

Жединский

- 400

Верхний

П ржи до лье кий

Байкальская (Nr)

- 410

Лудловекий

-

- 420

Нижний

Венлокский

- 430

Лландоверийский

Непская

- 440

Средний Верхний НИ

Ашгиллский

- 450

Карало кс кий

Северо-Бай кальскэн

- 460 - 470

Лландейлский

НИ

Лланвирнский

Продолжение табл. 7

Эратема	Система	Отдел	Ярус	Гиперзона	Суперзона	Полярность	Время, млн. лет
ПАЛЕОЗОЙСКАЯ		Нижний	Аренигский				- 460
Сибирская (Ял)	Хадарская		- 490
Тремадокский
Кембрийская	Верхний Средник	Аксайский
Иркут­ская
Сакский		- 510
Аюсокканский	Бур­ская		- 520
Средний	Майский
Ула-хан-ская		- 530
Амгинский	Аргинская (Я)		- 540
Нижний	Ленский		-550
Алданский		- 560 - 570

 

Значительно более детальная магнитостратиграфическая характеристика, основанная на обширном материале по Ук­раине, Азербайджану, Средней Азии, Западной Сибири и Дальнему Востоку, получена для неогеновых и четвертич­ных отложений (см. табл. 6). Устанавливаемые здесь магни-тозоны хорошо согласуются со шкалами, принятыми для различных континентов, и многие из них прослеживаются в кайнозойских разрезах всего земного шара.

Аналогичные палеомагнитные шкалы составлены для фа-нерозойских отложений различных стран и материков. Их обобщение и создание общей глобальной магнитостратигра-фической схемы — задача ближайшего будущего.

Наиболее благодатными для изучения палеомагнетизма являются красноцветные осадочные породы, некоторые се-роцветные породы, бокситы и уже упоминавшиеся эффузивы основного состава. Усилиями палеомагнитологов круг объек­тов исследования расширяется.

Магнитостратиграфия успешно используется сейчас для расчленения толщ горных пород и сопоставления фанеро-зойских отложений. На очереди — создание надежных палео-магнитных схем для докембрийских образований.

Палеомагнитные данные помогают геологам контролиро­вать бурение скважин, уточнять возраст рудных месторожде­ний, реконструировать движения земной коры и составлять геологические карты. Палеомагнетизм открыл новые возмож­ности для изучения географической обстановки минувших эпох, дал дополнительные сведения об условиях и продол­жительности существования древних организмов и позволил внести ряд уточнений в шкалу геологического времени, пост­роенную на биостратиграфической основе.

ПОЧЕМУ ОНИ ВЫМЕРЛИ?