Палеомагнетизм

Изучение магнетизма горных пород приобрело особенно большое значение для геологии и геофизики в связи открытием и исследованием явлений палеомагнетизма /28/. Эти явления составляют предмет быстро развивающейся отрасли геофизики – палеомагнитологии, которая изучает геологическое прошлое магнитного поля Земли по отпечаткам этого поля в горных породах – векторам естественной остаточной намагниченности J . Надежную информацию о древнем земном магнитном поле несет только первичная намагниченность горных пород (термоостаточная, ориентационная, химическая), время образования которой соответствует возрасту породы.

Объектом палеомагнитных исследований могут быть осадочные и вулканогенные породы, не измененные процессами метаморфизма и эпигенеза. Наиболее информативными объектами изучения являются красноцветные, первично окрашенные осадочные породы и эффузии основных лав, а также бокситы, некоторые сероцветные осадки и малые интрузии – пластовые и секущие.

Носители магнетизма – ферромагнитные минералы, обладающие «магнитной памятью» – «запоминают» величину и направление того магнитного поля, в котором они намагничивались в период своего формирования. На изучении этой приобретенной естественной остаточной намагниченности основан палеомагнетизм. В магнетизме горных пород минералы – носители естественной остаточной намагниченности – принято называть ферромагнитными минералами, или ферромагнетиками.

Данные исследования остаточной намагниченности горных пород разного геологического возраста, находящихся в различных частях континентов и океанов, в принципе дают возможность воссоздать распределение магнитного поля на поверхности Земли в разные геологические эпохи. Однако решение данной задачи сопровождается рядом трудностей, связанных с разрушением горных пород. Поэтому палеомагнитные исследования ставят целью определение направления вектора остаточной намагниченности, который можно установить и по частично разрушенной породе.

Следует учесть, что вследствие медленного осадконакопления каждый измеряемый образец отображает состояние какого-то среднего магнитного поля за тысячи или даже десятки тысяч лет. Поэтому в результате палеомагнитных исследований можно получить только основную картину распределения направления геомагнитного поля в определенную эпоху. Для этого применяется модель магнитного поля центрального диполя, ось которого совпадает с осью вращения Земли. Тогда геомагнитный полюс совпадает с географическим и, следовательно, геомагнитные координаты – с

Рис. 12.29. Траектории перемещения северного палеомагнитного полюса разных материков и их частей (по Б.М.Яновскому):

1 – к Европе, 2 –к Северной Америке, 3 –к Австралии, 4 –к Индии, 5 –к Африке.

Геологический возраст: D – девон, P – пермь, S – силур, J – юра, K – мел, E – эоцен, M – миоцен

Многочисленные палеомагнитные исследования, выполненные за последние 30 лет, позволили обнаружить новые факты и явления, которые значительно изменили наши представления о земном магнетизме. Наиболее существенными были следующие:

1. Палеомагнитные полюсы в течение всей геологической истории непрерывно меняли свое положение относительно современного положения географических полюсов.

2. Каждый континент имел свою траекторию перемещения палеомагнитных полюсов. Кривые миграции полюсов расходятся тем больше, чем древнее рассматриваемая геологическая эпоха (рис.11.29).

3. Направление естественной остаточной намагниченности горных пород меняется скачкообразно на 180^о в зависимости от их возраста. Принято называть направление J_r прямым, если оно соответствует современной полярности геомагнитного поля, и обратным, если направление J_r противоположно полярности современного поля.

4. Смена направлений вектора J_r происходит через разные промежутки времени (10⁵ – 10⁶ лет ). Изменение знака J_r интерпретируется как изменение полярности (инверсии) геомагнитного поля в соответствующие геологические эпохи.

По последовательности инверсий геомагнитного поля можно определить возраст пород. По материалам описания образцов, датированных последними 600 млн. лет, установлено число инверсий и длительности эпох нормальной и обратной полярностей геомагнитного поля. Моменты инверсий были установлены методами абсолютной геохронологии. В результате этих работ была создана абсолютная мировая магнитохронологическая шкала (рис.12.30).

Широко результаты исследования палеомагнетизма используются для решения задач стратиграфии, которые основываются на известных положениях:

1) магнитное поле Земли в ходе геологической истории испытывало планетарные изменения квазипериодического характера;

2) параметры древнего геомагнитного поля запечатлены в толщах горных пород в процессе их образования путем намагничивания по направлению геомагнитного поля своей эпохи; эта первичная остаточная намагниченность сохраняется в течение длительных отрезков времени;

3) основным параметром магнитостратиграфических построений является полярность древнего магнитного поля; полярность считается прямой, если вектор намагниченности соответствует полярности современного геомагнитного поля; противоположная полярность именуется обратной.

Применение палеомагнитных данных для решения геологической задачи рассмотрим на примере изучения керна Тюменской сверхглубокой скважины СГ-6, где были проведены исследования по определению границы перми и триаса в вулканогенно-осадочном разрезе Западно-Сибирской плиты (рис.12.31). Для палеомагнитных исследований было отобрано 68 образцов керна, характеризующих интервал от 5662 до 7472 м.

Образцы были распилены на стандартные кубики с размером грани 20 мм таким образом, чтобы ось Z образца совпала с вертикальной осью скважины. Образцы, имеющие маркировку «верх-низ», были распилены с сохранением первоначальной ориентировки. У всех образцов были измерены магнитная восприимчивость и направление остаточной намагниченности. По результатам обработки данных (остаточная намагниченность, магнитная восприимчивость и наклонение) установлена полярность отложений и выделены по ним зоны, которые послужили основой построения магнитостратиграфического разреза по скважине СГ-6.

Установлено, что зоны прямой и обратной полярности в разрезах хорошо прослеживаются в региональном масштабе и имеют корреляты в Северной Америке (разрез верхней перми – нижнего триаса). Полученные палеомагнитным методом оценки находятся в хорошем согласии как с данными по листовой флоре, так и со спорово-пыльцевыми комплексами.

Сопоставление данных геологического разреза с магнитостратиграфическими шкалами (рис. 12.32) позволило предположить, что формирование вулканогенно-осадочного разреза, вскрытого скважиной в интервале 6421-7502 м, происходило в период с верхнетатарского времени поздней перми по оленекское время раннего триаса, граница перми и триаса проходит в кровле зоны обратной полярности в средней части аймальской свиты, а также определить возраст свит

Рис. 12.30. Магнитохронологическая шкала за последние 7 млн.лет: темная штриховка – прямая полярность, светлая штриховка – обратная полярность

.

Рис.12.31. Скалярные магнитные характеристики и палеомагнитный разрез скважины СГ – 6.

Интервалы полярности: 1 – прямой; 2 – обратной; 3 – аномальная намагниченность или зоны частого чередования прямой и обратной полярности; интервалы распространения: 4 – листовой флоры; 5 – спорово-пыльцевых комплексов (по А.Ю.Казанскому и др.)

Рис. 12.32. Сопоставление магнитостратиграфического разреза скв. СГ – 6 с магнитостратиграфическими шкалами