Введение

Некоторые общие соображения.

Геомагнитное поле по существующим представлениям есть результат процессов в жидком земном ядре, соответственно, информация о его поведении во времени отражает как процессы в земном ядре, так и на его границе с мантией (слой D^'' ). С другой стороны, геологическая информация является отражением процессов, протекающих на поверхности Земли и в литосфере. Cуществование же корреляции между геомагнитными и геологическими явлениями есть отражение процессов в литосфере и ядре Земли как в единой системе.

Уникальным источником информации о временной эволюции геомагнитного поля является палеомагнитная запись, которая фиксируется в магнитных минералах, т.е. минералах с магнитным упорядочением, содержащихся практически во всех горных породах, и сохраняющих эту информацию на протяжении геологической истории Земли. Благодаря накоплению палеомагнитной информации оказывается возможным анализ поведения геомагнитного поля за длительные промежутки времени. Мы остановимся на неогее - интервале, охватывающем часть истории Земли от 1700 Ma до настоящего времени. Почему мы остановились именно на этом отрезке времени? Дело в том, что очень редко удается найти горные породы древнее 2000 Ма, которые образуют непрерывные стратиграфические последовательности, не подвергшиеся на протяжении своей геологической истории существенным преобразованиям и сохранившие первичную палеомагнитную информацию. Соответственно, на сегодня невозможно получить непрерывный ряд основных характеристик геомагнитного поля и построить шкалу геомагнитной полярности для времени древнее 1,5-2 миллиардов лет.

Основные характеристики геомагнитного поля по палеомагнитным данным.

На поверхности Земли как прямыми наблюдениями, так и по палеомагнитным записям, измеряется напряженность геомагнитного поля - вектор, характеризующийся величиной, направлением и их изменениями во времени (вариациями). Для анализа лучше иметь все характеристики магнитного поля. Каковы действительные возможности?

Легче всего фиксируются самые крупные изменения направления поля - на 180^o - инверсии, т.е. изменения его знака. Это явление глобальное, на основании такой информации строится глобальная шкала геомагнитной полярности, которая составляется разными методами [Печерский, 1985; Храмов и др., 1982]: 1) магнитостратиграфический подход - послойное палеомагнитное изучение стратиграфических разрезов; 2) магнитохронологический подход - сочетание палеомагнитных определений с радиологическими датировками пород; 3) анализ линейных магнитных аномалий океанов.

Наиболее надежны те части шкалы, которые построены всеми тремя методами, но последний метод ограничен возрастом земной коры, образующей дно современного океана, это примерно 170 Ма. Соответственно, наиболее надежна именно эта часть шкалы геомагнитной полярности.

По шкале геомагнитной полярности обычно анализируется изменение частоты инверсий и асимметрии полярности геомагнитного поля за десятки и сотни миллионов лет [Печерский, Диденко, 1995; Печерский, Нечаева, 1988; Храмов и др., 1982; Algeo, 1996; Courtillot, Besse, 1987; Gaffin, 1989; Irving, Pulaiah, 1976; Johnson et al., 1995; McElhinny, 1971; МсFadden, Merrill, 1984, 1986 и др.]. К настоящему времени опубликован ряд региональных магнитостратиграфических шкал, которые в совокупности позволяют составить шкалу геомагнитной полярности для неогея [Печерский, 1997, 1999].

Следующая характеристика - величина поля (модуль напряженности) и ее вариация. В современной палеомагнитной литературе прочно утвердился неверный термин модуля напряженности палеонапряженность, хотя этот термин относится к полному вектору. Более того, термин палеонапряженность употребляется даже в тех случаях, когда данные приводятся в теслах, а это единица измерения индукции. Чтобы не нарушать "традиции", мы вынуждены, говоря о величине палеонапряженности, пользоваться термином палеонапряженность, независимо от единиц измерения.

Анализом поведения палеонапряженности охватываются обычно последние 400 Ма, реже фанерозой и протерозой, отмечается сохранение дипольного характера поля, цикличность изменений палеонапряженности, близкая частоте инверсий [Большаков, Солодовников, 1981; Петрова, 1989; Петрова и др., 1992; Печерский, 1998; Печерский, Нечаева, 1988; Храмов и др., 1982; Merrill, McElhinny, 1983; Perrin, Shcherbakov, 1997 и др.]. Создание в девяностые годы Мировой Базы палеонапряженности [Tanaka, Kono, 1994] значительно ускорило работу по обобщению данных, в частности, по неогею [Печерский, 1998].

Последняя характеристика - вариации направления геомагнитного поля в точке наблюдения или положения виртуального геомагнитного полюса (колебания направления или ВГП в пределах нескольких десятков градусов). Анализ ВГП доступен практически только для последних нескольких миллионов лет, когда смещения блоков литосферы относительно друг друга невелики и результаты можно привязывать к современным координатам точки наблюдения.

Магнитологи неоднократно обращались и обращаются к анализу палеомагнитных направлений и ВГП для последних 5 млн. лет в сочетании с данными обсерваторских наблюдений [McElhinny, МсFadden, 1997; McElhinny et al., 1996; Merrill, McElhinny, 1983; Tsunakawa, 1988 и др.].

Информация о вариациях палеонапряженности и направления поля чрезвычайно важна в изучении механизма генерации геомагнитного поля, для теоретических разработок, но для глубоких исследований вариаций (и вообще тонкой структуры геомагнитного поля) необходим детальный анализ поведения геомагнитного поля, что достигается детальнейшим изучением разрезов быстро накапливающихся вулканогенно-осадочных материалов и археологических объектов. Это удается сделать для очень коротких временных интервалов, во-первых, из-за сумасшедшего объема работ и, во-вторых, большой редкости разрезов с непрерывным накоплением материала за геологически большие отрезки времени. Возможен второй путь - мы лишаемся информации о поведении собственно направления геомагнитного поля, соответственно, прямого изучения разного вида и происхождения палеовариаций, но зато имеем возможность получить информацию о суммарной амплитуде всех палеовариаций в данном отрезке времени. Для этого не нужны длинные разрезы, а достаточно по возможности большой информации о кучности палеомагнитных направлений, так как суммарная амплитуда вариаций направления геомагнитного поля определяется угловым стандартным отклонением S=81/K^1/2, где K - кучность направлений индивидуальных векторов в статистике на сфере [Fisher et al., 1987].

При анализе палеомагнитных данных для геологически значительных отрезков времени только в редких случаях исследовалась суммарная амплитуда палеовариаций направления в фанерозое [Irving, Pulaiah, 1976; Печерский, Нечаева, 1988]. С появлением компьютерного варианта Мировой Базы палеомагнитных направлений и полюсов [McElhinny, Lock, 1990, 1993] задача существенно облегчилась, в результате проанализирована амплитуда вариаций направления геомагнитного поля в неогее [Печерский, 1996, 1997].

Анализ цикличности.

В ряде исследований дана статистическая оценка длиннопериодной цикличности геомагнитных и других процессов [Кеонджян, Монин, 1977; Печерский, Диденко, 1995; Печерский, Нечаева, 1988; Loper, 1988; Маrzocchi, Mulagria, 1992; McElhinny, 1971; Merrill, McElhinny, 1983 и др.]. Обнаружены периоды примерно от 15 до 430 млн. лет. Выделяются ранги режимов геомагнитной полярности порядка 1, 10, 50 и 200 млн. лет, они не схожи между собой и являются основой выделения магнитозон разного ранга, их корреляции, построения магнитостратиграфических шкал [Данукалов и др., 1983]. Одновременно ряд исследователей отмечает отсутствие периодичности в интервалах между инверсиями, т.е. это процесс стохастический, с нарастающей в мезозое-кайнозое частотой инверсий, и этот общий тренд модулируется периодичностью, связанной главным образом с термическим режимом у границы ядра и мантии, т.е. в пограничном слое D^'' и, возможно, с топографией границы мантии и ядра [Cox, 1981; Gubbins, 1989; Маrzocchi, Mulagria, 1992; МсFadden, Merrill, 1984; Ricou, Gibert, 1997 и др.].

Поиски связей в изменениях геомагнитного поля (ядро) и процессов у поверхности Земли.

Не одно десятилетие делаются попытки обобщить имеющиеся палеомагнитные данные и искать закономерности как в поведении основных характеристик геомагнитного поля, так и их связей с другими явлениями на Земле и в космосе. Остановимся на примерах исследований длиннопериодных процессов.

Неоднократно отмечались связи тектонических, магматических, климатических, палеогеографических, биостратиграфических событий и их ритмичности с поведением геомагнитного поля, в частности, c геомагнитными инверсиями [Апарин, 1982; Варыгин, Апарин, 1989; Диденко, 1998; Киселев, Апарин, 1987; Кравчинский, 1977, 1987; Печерский, Диденко, 1995; Печерский, Нечаева, 1988; Храмов, 1978; Храмов и др., 1982; Courtillot, Besse, 1987; Eide, Torsvik, 1996; Gaffin, 1987; Larson, 1991; Larson, Olson, 1991 Маrzocchi et al., 1992; Rampino, 1988; Rampino, Caldeira, 1993; Ricou, Gibert, 1997; Vogt, 1972, 1975 и др.]. Эти сопоставления подтверждают известную концепцию о глубинном заложении источников тектонических движений и о единстве всего эндогенного процесса Земли. Одним из пионеров этой концепции был Ю. М. Шейнманн. Развивая идеи Ю. М. Шейнманна, Кравчинский [1977, 1987], Храмов, [1978], Храмов и др., [1982], и Храмов, Кравчинский, [1984] сопоставили режим геомагнитных инверсий, скорость перемещения палеомагнитных полюсов, ускорения перемещения континентов, этапы вздымания и погружения плит, этапы складчатости и континентального базальтового вулканизма (траппы), скорость наращивания ложа океана и некоторые другие события и обнаружили их определенное соответствие во времени, т.е. качественное соответствие событий у ядра и в литосфере. Исследователи пришли к выводу о принципиальной взаимосвязи процессов на Земле, А. Я. Кравчинский предложил концепцию геономической периодизации, согласно которой все одноранговые явления равнозначны по сути. Отсюда возникает возможность достаточно точного количественного описания одного явления или процесса с помощью другого - принцип сопряженности. Как в поведении геомагнитного поля, так и в движении плит отмечена крупномасштабная цикличность, в их расположении в течение венда-фанерозоя выделяются три этапа [Зоненшайн и др., 1987, 1990; Храмов, 1991; Храмов и др., 1982]: 1) поздний рифей-венд, континенты группируются в суперконтинент (Пангея); 2) ранний-средний палеозой, континенты в основном находятся близ экватора в южном полушарии, скорости движения плит значительно колеблются и в среднем высокие; 3) поздний палеозой-кайнозой, в начале этого этапа континенты выстроились примерно по меридиану, образуя новую Пангею, скорости движения плит более однородны и к середине этапа минимальны. Позднее континенты возвращаются к субширотному расположению, но преимущественно в северном полушарии. Время главной перестройки приходится на 600 и 260-300 Ma, как и в случае геомагнитного поля. Палеомагнитные оценки скоростей перемещения литосферных плит показали, что в фанерозое выделяется 8-10 ритмов скорости; при этом каждые два ритма образуют интервал, почти точно совпадающий с геотектоническим циклом. Хронологическая сопряженность ритмов скорости горизонтальных движений и тектонической активности в литосфере свидетельствует в пользу того, что эти движения являются основным фактором тектогенеза [Храмов, Кравчинский, 1984]. Более того, распределение этих явлений во времени не только находит объяснение с позиций концепции тектоники литосферных плит, но и хорошо согласуется с конкретными моделями движения плит, основанными на палеомагнитных данных [Зоненшайн и др., 1987, 1990; Храмов, 1991; Храмов и др., 1982 и др.]. Общность периодов и сопряженность явлений подтверждает концепции единства глобального эволюционного процесса и геономической этапности в целом.

Синхронность процессов.

Многие данные говорят о близких к синхронным движениях в ядре-мантии и литосфере. Например, специфические события в движении плит 42-45, 70-80 и 110-120 Ma происходили в то же время, что и изменения частоты инверсий; этапы крупных изменений в биосфере, длиннопериодные эвстатические изменения уровня океана, скорости спрединга, субдукции и частоты инверсий очень близки, сдвиг менее 10 млн. лет [Апарин, 1982; Данукалов и др., 1983; Печерский, Диденко, 1995; Печерский, Нечаева, 1988; Gaffin, 1987; Loper et al., 1988; МсFadden, Merrill, 1986; Ricou, Gibert, 1997; Van der Voo, 1988; Vogt, 1972, 1975].

В. П. Апариным и В. Ю. Варыгиным [1989] отмечена сильная отрицательная корреляция длиннопериодных колебаний уровня океана с частотой инверсий геомагнитного поля в кембрии - раннем карбоне и позднем мелу - антропогене (подтверждена для последних 150 Ма [Маrzocchi, Mulagria, 1992]), тогда как в среднем карбоне - раннем мелу такая корреляция отсутствует. Первый вариант связи относится к ситуации существенно разобщенных континентов, развитой системы срединных хребтов, второй - к Пангее - суперконтиненту с высоким гипсометрическим положением. Предполагается, что изменение уровня мирового океана приводит к небольшим изменениям высоты геоида, что через режим вращения Земли может влиять на генерацию геомагнитного поля: изменение частоты геомагнитных инверсий - изменение геоида за счет эвстатических изменений и процессов аккреции континентов, такая связь, естественно, ведет к синхронности процессов.

В мезозое-кайнозое отмечается синхронность между такими событиями как излияния траппов, скачки в скорости спрединга, стратиграфические несогласия в геологических последовательностях (отражают колебания уровня океана), фазы складчатости, появления эвапоритов и тиллитов (климаты), распространение черных сланцев (окислительно-восстановительные режимы), наиболее ярки совпадения перечисленных событий 91-97, 110-113, 144-148, 190-196, 245-250 Ma [Rampino, 1988; Rampino, Caldeira, 1993]. В цикличности всех перечисленных процессов выделяются периоды примерно от 20 до 100 млн. лет (наиболее заметные - ~20-30, ~50, ~100 млн. лет).

Для фанерозоя методом максимальной энтропии проанализирована периодичность поведения частоты инверсий F, асимметрия полярности R, суммарная амплитуда вариаций направления S, палеонапряженность H_a и скорость дрейфа континентов V [Печерский, Нечаева, 1988]. Средние отношения соседних периодов: ( S - 1,4; Н_а - 1,67; F - 1,5; R - 1,5 и V - 1,55) очень близки и подобны отношениям короткопериодных характеристик: двух соседних периодов вековых вариаций и разностей возрастов соседних экскурсов, которые в среднем равны 1,52 [Петрова, 1989; Петрова и др., 1992]. Кроме подобия в периодичности, интервалы максимальных градиентов средних скоростей дрейфа континентов практически совпадают с экстремумами суммарной амплитуды вековых вариаций S и максимумами на кривой R [Печерский, Нечаева, 1988].

Близость к геологически одновременным событий у ядра и у поверхности Земли может быть обеспечена, например, изменениями скорости и/или угла наклона оси вращения Земли, что должно отразиться в истинном движении географического полюса. Такое движение достигало 10-30^o и более за последние 150-200 Ма [Andrews, 1985; Courtillot, Besse, 1987; Donn, 1989; Kerr, 1987; Sabadini, Yuen, 1989; Van Fossen, Kent, 1992], между поздним ордовиком и поздним девоном [Van der Voo, 1994], в раннем кембрии [Kirschvink et al., 1997], как за счет смещения мантии относительно ядра, так и поворота всей Земли, в частности возможного и за счет дрейфа континентов [Кеонджян, Монин, 1977]. Из всеобщей картины глобального распределения климатов в фанерозое делается вывод о систематических изменениях ориентации Земли (относительно оси вращения) и скорости вращения, что объясняется изменением планетарных моментов инерции и связывается с внутренним перераспределением масс.

Синхронная цикличность многих процессов на Земле, в том числе и в поведении геомагнитного поля близка цикличности в схеме приливной эволюции системы Земля-Луна [Авсюк, 1986; Киселев, Апарин, 1987], цикличности ударных метеоритных кратеров, связываемой с полупериодом колебаний солнечной системы относительно плоскости нашей Галактики [Negi, Tiwari, 1983; Rampino, Caldeira, 1993]. Режимы замедления-ускорения вращения Земли должны приводить к смене геомагнитной полярности, предпочтению одной из полярностей. К таким выводам пришли в 1974 г. Ю. И. Кац и А. И. Березняков, анализируя био- и литостратиграфические материалы на границах смен геомагнитной полярности. В более крупном масштабе неравномерное приливное замедление вращения Земли (с архея до наших дней время суточного вращения выросло почти вдвое [Williams, 1994]) коррелирует с крупными интервалами одной геомагнитной полярности, например, одно нарушение монотонного замедления приходится на поздний карбон-пермь и почти точно совпадает с гиперхроном обратной полярности Киама, после этого скорость вращения оставалась почти постоянной примерно до 75 Ma, когда она вернулась к ранней своей величине, второй "скачок" в скорости замедления пришелся на конец мелового гиперхрона прямой полярности Джалал [Panella, 1972]. Неоднократно отмечалась цикличность в поведении геомагнитного поля, близкая галактическому году [Большаков, Солодовников, 1981; Печерский, Диденко, 1995; Храмов и др., 1982; Irving, Pulaiah, 1976; Loper et al., 1988; Negi, Tiwari, 1983]. И вообще, не следует пренебрегать гипотезой прецессионного происхождения геомагнетизма [Долгинов, 1977], она привлекательна уже тем, что открывает путь к громадному резервуару вращательной энергии Земли.

Слой D^'', плюмы.

Если собственно генерация геомагнитного поля связывается с процессами в жидком ядре, цикличность которых не превышает десятков тысяч лет [Яновский, 1978; Merrill, McElhinny, 1983], то длиннопериодные изменения геомагнитного поля непосредственно с ядром не связаны, а есть результат процессов в низах мантии, ее взаимодействия с жидким ядром, главная роль отводится приграничному слою между ядром и мантией (D^'' ), тепло-массообмену между ядром и мантией. Слой D^'' неоднороден по латерали, как по температуре, так по плотности и рельефу и образование плюмов может быть результатом эпизодической нестабильности слоя D^'' [Жарков и др., 1984; Courtillot, Besse, 1987; Gubbins, 1987, 1989; Larson, 1991; Larson, Olson, 1991; Loper, 1991; Loper, McCartney, 1986; МсFadden, Merrill, 1984, 1986; Stacey, 1992; Vogt, 1975; Zharkov et al., 1985]. Сказанное может объяснить взаимосвязь движений в нижней мантии с поверхностным вулканизмом, с процессами спрединга и др., их цикличность. Однако, по геохимическим и сейсмологическим данным основная масса плюмов формируется в пределах верхней мантии, у ее границы с нижней мантией, обмен вещества между нижней и верхней мантией составляет не более 10%, а в докембрии и того меньше [Allegre, 1997], следовательно, речь может идти о цикличности редких крупных тектономагматических событий, если они связаны с процессами в слое D^''. Не случайны поэтому неоднократные попытки связать интервалы длительного устойчивого состояния геомагнитного поля одной полярности с образованием крупных плюмов [Courtillot, Besse, 1987; Jacobs, 1994; Larson, Olson, 1991; Loper, McCartney, 1986; МсFadden, Merrill, 1984, 1996; Rampino, 1988; Vogt, 1972, 1975 и др.]. Сказанное относится и к варианту связи длиннопериодных изменений геомагнитного поля с длительной субдукцией и проникновением холодного материала литосферы в нижнюю мантию с образованием на границе с ядром холодных аномалий [Eide, Torsvik, 1996]. Оба варианта обмена вещества и передачи энергии (плюмы, субдукция) от ядра к поверхности и наоборот противоречат одновременности процессов у ядра и у поверхности Земли. Так, по разным оценкам время подъема плюмов от низов мантии до поверхности занимает 10-40 млн. лет [Courtillot, Besse, 1987; Loper, 1991; Richards et al., 1989], что близко известным скоростям движений как в зонах спрединга, так и дрейфа континентальных плит [Зоненшайн и др., 1987; Eide, Torsvik, 1996; Jurdy et al., 1995], проникновение материала литосферы в низы мантии в зонах субдукции еще медленнее. Для объяснения синхронности Фогт [Vogt, 1972, 1975] предположил огромную скорость всплывания плюмов 1-4 м/год. Рику и Жибер [Ricou, Gibert, 1997] отмечают практическую синхронность между резкими возрастаниями частоты инверсий и главными моментами перестройки положений плит (пики частоты инверсий в среднем отстают на 3 млн. лет) за последние 160 Ма, что исключает передачу "термального сигнала" путем конвекции в мантии. Оба явления независимы и связываются с рельефом границы ядра и мантии.

Следы плюмов на поверхности Земли - это горячие точки. Они практически неподвижны по отношению к движению плит и спредингу океанской литосферы (что используется для реконструкции абсолютных положений и движений литосферных плит [Зоненшайн и др., 1987; Jurdy et al., 1995] ), т.е. процессы в слое D^'' и соответственно образование и подъем плюмов не зависят от конвективных движений в мантии. Если длиннопериодные изменения геомагнитного поля связаны с процессами в слое D^'' , то из сказанного следует, что между движениями плит и движениями в слое D^'' не должно быть корреляции! Например, тектонические режимы, предшествующие гиперхронам постоянной геомагнитной полярности, пермо-карбоновому Киама и меловому Джалал, различаются принципиально: первый приурочен к периоду собирания континентов в единый ансамбль Пангею, второй - к ее развалу [Eide, Torsvik, 1996].

Несинхронность процессов.

Наряду с синхронностью отмечается заметное отставание начала геологических эр от начала повышения частоты геомагнитных инверсий на 15-60 млн. лет в течение фанерозоя [Молостовский и др., 1976; Храмов и др., 1982], палеозоя [Диденко, 1998] и всего неогея [Печерский, 1999], о чем говорилось выше и логично связывается с процессами на границе ядра и мантии (в слое D^'' ), а их "отголоски" доходят до поверхности Земли со скоростью, подобной скорости движения континентов, видимо отражая скорость конвекции в мантии и подъема плюмов.

Таким образом, в процессах на Земле намечаются, по крайней мере, два различных рода механизмов, внешнего и внутреннего. С первым связаны синхронные процессы у ядра и у поверхности Земли, со вторым - отставание процессов у поверхности Земли от процессов у ядра.

Как видно из вводного обзора, наше желание заняться обобщением палеомагнитных данных, искать связи между процессами в литосфере и у ядра Земли, попытаться их объяснить не оригинально. Наш вариант отличается привлечением возможно более широкого круга характеристик геомагнитного поля и охватом более длительного интервала времени - всего неогея.

This document was generated by TeXWeb (Win32, v.1.0) on January 11, 1999.