Палеомагнитные исследования и их значение для тектоники

В середине прошлого века было обнаружено, что горные породы, как осадочные, так и магматические, если они не подвергались интенсивным механическим или тепловым воздействиям, сохраняют память о магнитном поле, в котором они образовались. Это явление, получившее название остаточной намагниченности, объясняется тем, что ферромагнитные минералы, входящие в состав пород, в момент осаждения осадка или кристаллизации магмы (из которой они выпадают первыми) приобретают ориентировку, отвечающую ориентировке магнитного поля, в котором протекал процесс осадконакопления или магматизма. Эта ориентировка сохраняется до тех пор, пока соответствующие минералы не будут нагреты до точки Кюри, разной для разных минералов: 550 для магнетита и 120 для титаномагнетита, но в среднем около 440. Ориентировка выражается в том, что магнитное склонение направлено на северный магнитный полюс, а наклонение зависит от широты: чем она выше, тем наклонение больше.

Открытие остаточной намагниченности положило начало новому научному направлению – палеомагнитологии. Для палеомагнитных исследований требуется взятие ориентированных образцов, что достигается в настоящее время выбуриванием их из обнажений или взятием ориентированных кернов из скважин. В случае если пласты оказались дислоцированными, необходимо внести поправку на их вторичный наклон. Далее необходимо подвергнуть образцы так называемой чистке, чтобы избавится от эффекта вторичных изменений намагниченности породы.

Первые же определения ориентировки остаточной намагниченности привели к парадоксальным, с господствовавшей в те годы точки зрения, результатам. Оказалось, что эта ориентировка расходится с ориентировкой современного магнитного поля, и чем древнее породы, тем, как правило, в большей степени. Из этих наблюдений можно сделать вывод, что магнитные полюса в геологическом прошлом занимали иное положение, чем в настоящее время, и не совпадали с географическими полюсами (они не совпадают и в настоящее время, но отклоняются на незначительную величину). Но довольно быстро было обнаружено, что это объяснение не состоятельно, ибо образцы пород одного и того же возраста, взятые на разных континентах, указывают на разные положения полюса. Такое могло быть лишь при допущении, что древнее магнитное поле было не дипольным, но для такого допущения нет серьезных оснований. К тому же вскоре выяснилось, что, если совместить, например, доюрские полюса Северной Америки и Европы вместе с контурами этих материков, по образцам с которых они были определены, получим единый континент, который впишется в очертания Пангеи, как она была намечена Вегенером. Это открытие дало один из самых мощных импульсов к возрождению мобилизма и появлению тектоники плит.

Итак, выяснилось, что движутся не магнитные полюса, а материки. Полученные для каждого материка кривые, соединяющие последовательность положения полюсов, установленных для отдельных геологических эпох и веков, представляют собой кривые не истинной, а кажущейся миграции полюсов (APWP – apparent polar wander path). Это не означает, что не существует истинной миграции магнитных полюсов, - сравнение реконструкций движений плит по палеомагнитным данным и по горячим точкам (считая их стационарными) обнаруживает расхождение, позволившее определить истинную миграцию полюсов, но она происходит в небольших пределах.

Палеомагнитные определения дают два параметра – направление на полюс (по магнитному склонению) и палеошироту (по магнитному наклонению); их сочетание позволяет вычислить положение полюса. Для получения достоверных результатов необходимо взять образцы из разных участков и сделать по ним замеры, указывающие на положение палеополюса. Следует ожидать, что положение полюсов, определенных по разным образцам из разных участков, окажется несколько различным. Эти полюса, называемые виртуальными, наносят на карту и очерчивают круг, в который должны попасть 95% виртуальных полюсов; такой круг называется доверительным. Усредненное положение палеополюса отвечает центру этого круга. Желательно, чтобы его радиус составлял не более 5°; при этом образцы должны быть взяты из пород, несколько отличающихся по возрасту, чтобы получить необходимый разброс данных.

При обсуждении результатов палеомагнитных исследований следует иметь в виду два обстоятельства. Во-первых, палеомагнитный метод позволяет определить направление на полюс, широту и положение полюса, но не долготу участка, из которого взят образец. Во-вторых, если взять образцы из одного участка, но из пород значительно различающихся по возрасту, то при сохранении того же наклонения, т.е. той же широты, направления на полюс могут оказаться различными. Это означает, что за время, прошедшее между временем образования породы, из которой взят первый образец, и породы, из которой взят второй образец, литосферная плита испытала вращение по часовой стрелке или против нее. Подобный вывод можно сделать, если исследовать образцы одного и того же возраста, но взятые с разных плит, и окажется, что их склонение отличается на некоторую величину. Это будет означать, что со времени образования соответствующих пород произошел поворот одной плиты относительно другой.

Палеомагнитные исследования получили за последние 30 лет широкое развитие и охватили весь интервал геологического времени начиная с раннего протерозоя, т.е. с 2.5 млрд. лет, до современности. При этом остаточная намагниченность обнаружена и у архейских пород с возрастом до 3.4 млрд. лет. Естественно, однако, что точность палеомагнитных определений для докембрийских образований ниже, чем для фанерозойских. Вообще палеомагнитные данные дают возможность определить относительное положение континентальных блоков с точностью не боле 500 км.

К счастью, для последних 170 млн. лет мы располагаем другим, более точным палеомагнитным методом, основанным на использовании линейных магнитных аномалий, развитых в океанах и обязанных своим происхождением спредингом в условиях периодических инверсий геомагнитного поля. Эти аномалии, могут рассматриваться как изохроны. Если мы возьмем пару таких аномалий – изохрон, симметрично расположенных относительно современной оси спрединга, то всю полосу океанской коры между этими аномалиями можно считать образовавшейся в более позднее время. Следовательно, если картографически совместить эти сопряженные аномалии, континенты сблизятся и займут то положение, которое они занимали во время образования данных аномалий. Такие реконструкции с успехом осуществлены для позднеюрского и более позднего времени и более точны, чем выполненные предыдущим методом, по остаточной намагниченности континентальных пород. Описанный метод открывает возможность определять не только ширину, но и глубину палеоокеанов и распределение в них течений.

Подробнее про линейные магнитные аномалии:

При кристаллизации базальтовой магмы в зоне раздвига термоостаточная намагниченность фиксирует в горных породах геомагнитные характеристики. По мере своего формирования океанская кора отодвигается от оси спрединга и, подобно магнитной ленте, записывает вариации геомагнитного поля, в том числе инверсии его полярности. Образуются две дублирующие записи по обе стороны от оси спрединга. Расстояние между одноименными аномалиями на разных пересечениях варьирует в зависимости от скорости спрединга. По этой же причине оно может различаться и на едином пересечении, если в одну сторону спрединг развивается быстрее, чем в другую.

В верхах магнитостратиграфического разреза точность радиологического определения возраста оказалась достаточной для создания детальной магнитостратигрофической шкалы, которая охватила последние 4,5 млн. лет(4 эпохи сверху вниз - Брюнес, Матуяма, Гаусс, Гильберт). Сравнение и успешное совмещение этой шкалы с последовательностью самых молодых аномалий в зонах спрединга позволило датировать эти аномалии.

Детальное палеомагнитное опробование глубоководных отложений, дающих полную, непрерывную запись вариаций геомагнитного поля, показало, что смена его полярности охватывает отрезок времени в несколько десятков тысяч лет, в течение которых происходит и возвратная (иногда многократная) миграция геомагнитных полюсов.

Существует глобальная аномалийная шкала. Ее начинают аномалии 1-34, последняя из которых, имеющая нормальную полярность, занимает широкую полос океанского дна и трактуется как меловая зона спокойного магнитного поля (84-120 млн. лет). Далее следуют аномалии М0-М41 с датировками до 167,5 млн. лет. Они охватывают, в частности, и те области океана, которые рассматривались прежде как юрская зона спокойного магнитного поля и где была все же выявлена система слабоамплитудных аномалий.