Палеомагнетизм

Магнитное поле Земли Магнитное поле Земли

В 50-х годах XX столетия ученые-магнитологи установили, что многие горные породы во время их образования приобретали намагниченность по направлению имевшегося тогда геомагнитного поля, но эта намагниченность во многих случаях сохранилась без существенных изменений до сих пор. Поэтому, определяя направления намагниченности пород различного возраста в конкретном районе земной коры, ложно 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.

Ферромагнитные вещества могут обладать намагниченностью лишь ниже некоторой критической температуры, называемой точкой Кюри и разной для разных ферромагнетиков. Ниже точки Кюри ферромагнетик распадается на области с различными направлениями намагниченности — домены размерами от единиц до сотен микронов. При изменениях внешнего магнитного поля перестраиваются не полностью, так что средняя намагниченность тела оказывается зависящей не только от внешнего магнитного ноля 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 и 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 ноля, 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 иоле 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 палеомагинтпую 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 — орнентациониую. Имеются способы выяснения ориентированности микрокристаллов или зерен в породе, а также оценки собственного магнитного ноля тела в целом. Таким образом, удается выяснять природу первичной намагниченности и определять ее направление и величину.

Применение всех этих методов позволило значительно снизить разбросы при реконструкциях палеомагнитных полей прошлого и получить ряд убедительных и важных результатов. Остановимся па двух группах результатов палеомагнитпых 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 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. Брюпом еще в 1906 г. намагниченности некоторых лав во Франции, противоположной но 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 нолю, 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 самообращениям их намагниченности, упоминавшимися выше, а обратной полярностью геомагнитного ноля во время остывания этих лав.

Это поразительное открытие обращений полярности геомагнитного поли 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 верхнеплиопеновых и четвертичных лав из различных районов мира с абсолютными возрастами этих лав, определенными но калий-аргоповому методу. Сопоставление показало, что ориентация намагниченности четко зависит от возраста лав, т. е. что в прошлом происходило чередование эпох нормальной и обратной полярности геомагнитного поля.

Таким образом, границы полос магнитных аномалий (а также линии, им параллельные) можно рассматривать как изохроны, т. е. линии одинакового возраста океанской коры.

Хорошее согласование таких независимых друг от друга данных, как продолжительность эпох нормальной и обратной намагниченности лав, толщина нормально и обратно намагниченных слоев в колонках океанских осадков, ширина полос положительных и отрицательных магнитных аномалий океанского дна и возраст базальтового фундамента океанской коры, делает весьма убедительными и представление об обращениях полярности геомагнитного поля, и гипотезу о растяжении океанского дна.

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 аномалии в северной и южной частях Тихого океана и южных частях Атлантики и Индийского океана, Дж. Хейртцлер, Г. Диксон, Э. Хсрроп, У. Питмен и К. Лепишон построили палеомагнитную шкалу времени на 80 млн. лет в прошлое.

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 ноле, осредненное за периоды в десятки тысячелетий (большие по сравнению с типичными периодами его вековых вариаций, но меньшие по сравнению со временем тектонических процессов), будет симметричным относительно оси вращения Земли (мгновенные же, не осродненные 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 ноле породит в нем электрический ток, направленный от оси к ободу диска. Будем снимать этот ток с обода щеткой и отправлять его па ось но проводу, совершающему около оси один или несколько витков. Витки с током будут создавать новое магнитное поло, параллельное оси, которое будет прибавляться к начальному. В результате и магнитное поле, и ток будут расти со временем. Это дисковое динамо способно генерировать магнитное поле, но расчет показывает, что способностью к обращениям полярности оно но обладает. Однако стоит только взять два взаимодействующих дисковых динамо, в которых ток одного подпитывает магнит-нос ноле другого, и наоборот, в расчет показывает, что здесь уже появляется способность к обращениям полярности. На первый взгляд кажется, что механизм движении в жидком слое земного ядра не имеет с дисковыми динамо ничего общего. Однако на самом деле описывающие этот механизм уравнения во многом аналогичны уравнениям для цепочек взаимодействующих дисковых динамо. С этой точки зрения способность геомагнитного ноля к обращениям полярности перестает быть загадочной.

Согласно имеющимся оценкам 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 том, что континенты выше. При этом на каждый континент действует полюсобежная сила направленная всегда к экватору векторная сумма силы тяжести, приложенной к центру тяжести своего 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 стремится повернуть Землю в такое равновесное положение, при котором наибольшая доля континентальных масс находится в зоне экваториального вздутия.

Планета Земля

Читайте в рубрике «Планета Земля»:

/ Палеомагнетизм
Рубрики раздела
Последние статьи