палеомагнитология

ПАЛЕОМАГНИТОЛОГИЯ - учение о палеомагнетизме, т. е. о магн. поле Земли в прошлые геологич. эпохи. Вместе с петромагнитологией, изучающей магнетизм горных пород, П. возникла и развивается на стыке геологии, геофизики, физики, химии.
П. рассматривает две задачи: прямую - изучение поведения в пространстве и времени древнего геомагн. поля (ГП) Н_др на основе информации о естеств. остаточной намагниченности М_п горных пород, а также исследование закономерностей закрепления и сохранения данных о древнем ГП в М_п, и обратную - определение на основе палеомагн. данных условий образования пород, уточнение геохронологии и стратиграфии (строения и эволюции Земли), решение ряда проблем структурной геологии, палеогеографии и т. д.
В основе П. лежат следующие три положения: 1) вектор М_п горных пород пропорц. вектору ГП Н_др времени и места образования породы, т. е.

М_п = кН_др (1)

Выполнение равенства (1) позволяет по измеренным величине и направлению М_п вычислить величину и направление древнего ГП; 2) первичная остаточная намагниченность М_п сохраняется (хотя бы частично) в породе к моменту измерения и может быть выделена из суммарной (многокомпонентной) М_п, при этом любая надёжно датированная компонента М_п приобретает смысл первичной; 3) осреднёиное за интервал времени более 10⁵ лет древнее ГП является дипольным (см. Земной магнетизм).
Образование стабильной остаточной намагниченности М_п, способной сохраниться в горных породах до наших дней, определяется условиями (темп-рой, давлением, хим. реакциями и др.), при к-рых происходили кристаллизация минералов и формирование горных пород. Наиб. информативна для П. термоостаточная намагниченность M_rt , к-рая образуется при охлаждении ферромагн. материала от темп-р Т выше точки Кюри T_С до нек-рой темп-ры Т < Т с в пост. маги. поле. M_rt приобретают, напр., изверженные горные породы при остывании продуктов извержения на поверхности Земли в ГП места и времени извержения. В области малых полей, каковым является и ГП, M_rtудовлетворяет соотношению (1) и зависит от интервала темп-р, в к-ром она возникла. В практике палео- и петромагн. исследований этот интервал обычно соответствует интервалу от T_С до комнатной темп-ры.
Др. вид М_п, имеющий также большое значение в П., - ориентационная остаточная намагниченность М_rо, образующаяся при осаждении в пост. магн. поле взвешенных в жидкости или газе свободно ориентирующихся ферромагн. частиц. Магн. моменты этих частиц преим. ориентируются по направлению внеш. магн. поля. М_rоприобретают осадочные горные породы, образованные в эпохи осадко-накоиления. В малых полях М_rо также удовлетворяет зависимости (1), однако палеомагн. исследованиями установлено, что М_rо часто даёт неверную информацию о направлении древнего ГП. Поэтому при палеомагн. исследованиях осадочных горных пород необходимо учитывать влияние на М_rопроцессов уплотнения частиц и переноса их течениями.
Нередко как изверженные, так и осадочные породы могут частично или полностью терять первичную информацию о ГП, существовавшем во время их образования, в результате хим. и др. преобразований ферромагн. минералов при нек-рой темп-ре ниже Т_с в более позднем ГП. При этом образуется химическая остаточная намагниченность М_rc, свойства к-рой сложны и ещё до конца не изучены. В палеомагн. исследованиях М_rc зачастую выступает в роли вторичной, паразитной намагниченности, однако в нек-рых случаях она приобретает смысл первичной и сама несёт информацию о ГП и физ--хим. условиях в эпоху её образования.
В качестве вторичной намагниченности в горных породах почти всегда присутствует вязкая остаточная намагниченность M_rv, возникающая при длительном изотермич. воздействии пост. ГП в эпохи после образования породы. Наиб. эффективным способом разрушения M_rv и устранения её влияния на первичную палеомагн. информацию является т. п. температурная чистка (нагрев и охлаждение в нулевом магн. поле до Т Т_с). Эксперименты показали, что M_rv пропорциональна логарифму времени действия поля. Знание временной зависимости M_rvпозволяет использовать M_rv для оценки абсолютного возраста горных пород.
Палеомагн. исследования включают три этапа: 1) выбор объекта исследований - геологич. тела или неск. тел, оптимально удовлетворяющих условиям поставленной задачи, определение их ориентации в древности и в наше время, отбор образцов слагающих эти тела пород; 2) выделениеиз суммарной намагниченности М_п образца и определение её природы и степени сохранности (для ряда задач используются и др. компоненты М_п); 3) измерение величины и направления
Конечная цель палеомагн. исследований - абсолютно достоверное определение модуля и направления ГП в точке отбора, привязанное ко времени нек-рого геологич. события (прямая задача П.) - не всегда достижима, поскольку ещё нет надёжных способов однозначного определения элементов древнего ГП и датировки геологич. событий. Поэтому результаты палеомагн. исследований характеризуются той или иной степенью надёжности (достоверности). Наиб. надёжный вывод П. заключается в том, что магн. поле Земли в прошлом не оставалось постоянным ни по величине, ни по направлению, причём за геологич. время неоднократно происходила смена полярности ГП (инверсии). Обнаружение и датировка геомагн. инверсий - одно из важнейших достижений П. Установлено, что инверсии, как правило, происходят на фоне пониженной напряжённости ГП, при этом само поле, вероятно, имеет не дииольный, а мультипольный характер. Продолжительность инверсий ~10⁴ - 10⁵ лет. От рифея до кайнозоя обнаружено неск. сотен инверсии (рис. 1). Будучи явлением глобального масштаба, геомагн. инверсии используются для глобальной возрастной корреляции геологич. событий в истории Земли. Явление геомагн. инверсий лежит в основе магнитостратиграфии, построения временной шкалы изменений полярности ГП. Возникновение инверсий находит своё объяснение в теории генерации ГП (см. Гидромагпитное динамо). Необходимым условием установления факта инверсии является обнаружение в разных регионах Земли различных по генезису и составу, но одновозрастных пород с направленной противоположно ГП близлежащих эпох. Однако в нек-рых случаях возможно самообращение - самопроизвольное намагничивание горных пород противоположно направлению намагничивающего поля, что мешает выявлению инверсий. Самообращеппе связано со сложными физикохимическими процессами в ферромагнитных зёрнах горных пород.
Наряду с инверсиями в истории ГП установлены также кратковременные (менее 10⁴ лет) отклонения геомагн. полюса от своего прямого или обратного положения на угол менее 180° (обычно 60⁰ - 120⁰). Такие отклонения (экскурсы) изучены гораздо хуже инверсий, поскольку выделение экскурсов чрезвычайно осложняется из-за их кратковременности.

Рис. 1. Магнитостратиграфическая шкала донеогеновой части фанерозоя CССР. Интервалы полярности: 1 - прямой, 2 - обратный, 3 - частого чередования, 4 - неисследованные.

П. установила также, что в древние эпохи ср. положения геомагн. полюсов на длит. отрезках времени значительно отличались от современных. Положения палеомагн. полюсов вычисляют, исходя из предположения о дипольном характере ГП. Древний магн. меридиан находят по направлению горизонтальной составляющей положение древнего магн. полюса на этом меридиане определяют по ф-ле

где j - древняя геомагн. широта места отбора образцов, I - наклонение (угол между и горизонтальной плоскостью). Согласно теории гидромагн. динамо, положение геомагн. полюса прибл. совпадает с положением географич, полюса. Поэтому изменение положения древнего геомагн. полюса связывают с перемещением континентов. Собств. движения палеомагн. полюса, по имеющимся немногочисл. данным, не превышают 7°. По найденным для разных континентов кажущимся траекториям движения палеомагн. полюсов осуществляют палеотектонич. реконструкции, т. е. определение относит, и абс. перемещений континентов и литосферных блоков, а также оценивают возраст горных пород.
К важным достижениям П. относится открытие периодич. изменений древнего ГП - палеовековых вариаций, обладающих дискретным и устойчивым во времени спектром. Выделены след, периоды вековых вариаций: 1,5х10⁵; 9х10³; 3х10³;2х10³;1,2х10³; 900, 600, 350, 180, 120, 60, 20 лет (значения примерные). Знание спектра палеовековых вариаций позволяет осуществлять возрастную корреляцию геологич. образований в пределах зон одинаковой геомагн. полярности. Амплитуда вековых вариаций в древние эпохи не отличалась от амплитуды совр. вариаций и резко увеличивалась в эпохи, близкие к инверсиям. В разные эпохи наблюдался как западный, так и восточный дрейф ГП.
Величину напряжённости Н_др древнего ГП определить гораздо сложнее, чем направление, поскольку значение намагниченности сохраняется хуже, чем её направление. При определении Н_др на основании (1) сравнивается величина М_п горной породы (или одной из её компонент) с искусственно созданными на том же материале величинами остаточных намагниченностей (M_rl, М_rои др.) в известном магн. поле. При этом считается, что величина и стабильность намагниченности не зависят от длительности её образования. В П. существует более 10 методов оценки Н_др, многие из к-рых ещё далеко не совершенны. Поэтому часто наблюдается несоответствие палеомагн. данных о величине Н_др, полученных разными методами, особенно для древних эпох (рис. 2). Наиб. достоверно установлены вариации палео напряжённости с периодом ок. 10⁴ лет.

Рис. 2. Изменения напряжённости древнего геомагнитного поля за последние 400 млн. лет (по данным разных авторов).

Для извлечения палеомагн. информации в П. стали оперировать не просто вектором М_п, а совокупностью магн. свойств образца горной породы, наз. магнитным состоянием, в к-рую вектор М_п входит как гл. составная часть. В П. магн. состояние является источником информации не только о древнем ГП, но и об условиях образования и последующего преобразования ферромагн. минералов и горных пород. Формирование устойчивого магн. состояния горных пород происходит под воздействием не только ГП, но и др. воздействий, напр. давления и темп-ры. Используя "память" магн. состояния об условиях своего образования и последующих внеш. воздействии, удалось существенно расширить информативность методов П. В П. уже существуют простые и быстрые способы оценки темп-ры кристаллизации, перекристаллизации, намагничивания, вторичного прогрева минералов по их естеств. магн. состоянию (магнитные геотермометры). Что касается магн. геобарометров, определяющих воздействие давления на магн. состояние, то они пока не нашли должного развития в П.
Магн. "память" - это лишь часть физ. памяти минералов, и изучение её целесообразно проводить в комплексе с др. видами "памяти" (электрич., механич., хим. и др.). Использование в П. других (немагнитных) видов "памяти" позволило бы существенно повысить достоверность палеомагн. данных.

Лит.: 1) Большаков А. С., Солодовников Г. М., Напряженность геомагнитного поля в последние 400 млн. лет, "ДАН СССР", 1981, т. 260, № 6, с. 1340; 2) Борисова Г. П., Шолпо Л. Е., О возможности статистических оценок палеонапряженности геомагнитного поля, "Изв. АН СССР. Физика Земли", 1985, № 7, с. 71; 3) Брагинский С. И., Геомагнитное динамо, там же, 1978, № 9, с. 74; 4) Петрова Г. Н., Лабораторные методы при палеомагнитных исследованиях, "Геомагнитные исследования", 1977, № 19, с. 40; 5) Печерский Д. М., Петромагнетизм и палеомагнетизм, М., 1985; 6) Палеомагнитология, Л., 1982; 7) Яновский Б. М., Земной магнетизм, Л., 1978; 8) Smith P. J., Ancient geomagnetic field intensities..., "Geophys. J. Roy. Astron. Soc.", 1968, v. 16, p. 457; 9) Коnо М., Intensities of the Earth's magnetic field about 60 m. y. ago determined from the Deccan trap basalts, India, "J. Geophys. Res.", 1974, v. 79, № 8, p. 1135.

Г. П. Марков.