Палеомагнитология. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

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.

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_пприобретает 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 (температурой, 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 температур Т выше точки Кюри T_С до нек-рой температуры 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 температур, в к-ром она возникла. В практике палео- и петромагн. исследований этот интервал обычно соответствует интервалу от T_С до комнатной температуры.
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 температуре 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) выделение

из 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 температуры. 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 температуры 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.

Литература по палеомагнитологии

Знаете ли Вы, что любой разумный человек скажет, что не может быть улыбки без кота и дыма без огня, что-то там, в космосе, должно быть, теплое, излучающее ЭМ-волны, соответствующее температуре 2.7ºК. Действительно, наблюдаемое космическое микроволновое излучение (CMB) есть тепловое излучение частиц эфира, имеющих температуру 2.7ºK. Еще в начале ХХ века великие химики и физики Д. И. Менделеев и Вальтер Нернст предсказали, что такое излучение (температура) должно обнаруживаться в космосе. В 1933 году проф. Эрих Регенер из Штуттгарта с помощью стратосферных зондов измерил эту температуру. Его измерения дали 2.8ºK - практически точное современное значение. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.