Палеомагнетизм (иногда палеомагнетизм ) — это изучение магнитных полей доисторической Земли, зафиксированных в горных породах, осадках или археологических материалах. Геофизиков , специализирующихся на палеомагнетизме, называют палеомагнетистами.
Некоторые магнитные минералы в горных породах могут фиксировать направление и интенсивность магнитного поля Земли в момент их формирования. Эта запись предоставляет информацию о прошлом поведении геомагнитного поля и прошлом местоположении тектонических плит . Записи геомагнитных инверсий , сохранившиеся в последовательностях вулканических и осадочных пород ( магнитостратиграфия ), обеспечивают временную шкалу, которая используется в качестве геохронологического инструмента.
Данные палеомагнетизма привели к возрождению гипотезы дрейфа континентов и ее трансформации в современную теорию тектоники плит. Очевидные пути перемещения полюсов предоставили первое четкое геофизическое свидетельство дрейфа континентов, в то время как морские магнитные аномалии сделали то же самое для расширения морского дна . Палеомагнитные данные продолжают расширять историю тектоники плит во времени, ограничивая древнее положение и движение континентов и континентальных фрагментов ( террейнов ).
Область палеомагнетизма также включает в себя эквивалентные измерения образцов из других тел Солнечной системы, таких как лунные камни и метеориты , где они используются для исследования древних магнитных полей этих тел и теории динамо . Палеомагнетизм основан на развитии магнетизма горных пород и пересекается с биомагнетизмом , магнитными тканями (используемыми в качестве индикаторов деформации в горных породах и почвах) и магнетизмом окружающей среды .
Еще в XVIII веке было замечено, что стрелки компаса отклоняются вблизи сильно намагниченных обнажений . В 1797 году Александр фон Гумбольдт объяснил это намагничивание ударами молний (а удары молний действительно часто намагничивают поверхностные породы). [2] [3] [4] Исследования направления намагниченности горных пород, проведенные в 19 веке, показали, что некоторые недавние лавы были намагничены параллельно магнитному полю Земли . В начале 20-го века работы Дэвида, Бернара Брюнеса и Пола Луи Меркантона показали, что многие камни намагничены антипараллельно полю. Японский геофизик Мотонори Матуяма показал в конце 1920-х годов, что магнитное поле Земли изменилось в середине четвертичного периода , инверсия, теперь известная как инверсия Брюнеса-Матуямы . [5] [3]
Британский физик П. М. С. Блэкетт дал мощный толчок палеомагнетизму, изобретя чувствительный астатический магнитометр в 1956 году. Его намерением было проверить свою теорию о том, что геомагнитное поле связано с вращением Земли , теорию, которую он в конечном итоге отверг; но астатический магнитометр стал основным инструментом палеомагнетизма и привел к возрождению теории дрейфа континентов.
Альфред Вегенер впервые предположил в 1915 году, что континенты когда-то были соединены вместе, а затем разошлись. [6] [7] Хотя он представил множество косвенных доказательств, его теория не встретила большого признания по двум причинам: (1) не был известен механизм дрейфа континентов и (2) не было способа реконструировать движение континентов. континентов с течением времени. Кейт Ранкорн [8] и Эдвард А. Ирвинг [9] построили очевидные маршруты полярных странствий для Европы и Северной Америки. Эти кривые расходились, но их можно было бы согласовать, если бы предположить, что континенты находились в контакте до 200 миллионов лет назад. Это стало первым четким геофизическим свидетельством дрейфа континентов. Затем, в 1963 году, Морли, Вайн и Мэтьюз показали, что морские магнитные аномалии служат доказательством расширения морского дна .
Палеомагнетизм изучается в нескольких масштабах:
Изучение палеомагнетизма возможно, потому что железосодержащие минералы, такие как магнетит, могут фиксировать прошлую полярность магнитного поля Земли. Магнитные сигнатуры в горных породах могут быть записаны несколькими различными механизмами.
Минералы оксида железа и титана в базальте и других магматических породах могут сохранять направление магнитного поля Земли, когда камни охлаждаются до температуры Кюри этих минералов. Температура Кюри магнетита, оксида железа группы шпинели , составляет около 580 °C, тогда как большая часть базальта и габбро полностью кристаллизуется при температуре ниже 900 °C. Следовательно, минеральные зерна не вращаются физически, чтобы выровняться с магнитным полем Земли, а скорее могут фиксировать ориентацию этого поля. Сохраненная таким образом запись называется термоостаточной намагниченностью (ТРМ).
Поскольку сложные реакции окисления могут происходить по мере охлаждения магматических пород после кристаллизации, ориентация магнитного поля Земли не всегда точно фиксируется, и запись не обязательно поддерживается. Тем не менее, эти данные сохранились достаточно хорошо в базальтах океанической коры, чтобы сыграть решающую роль в развитии теорий распространения морского дна, связанных с тектоникой плит.
TRM также может быть зафиксирован в гончарных печах , очагах и сгоревших глинобитных постройках. Дисциплина, основанная на изучении термоостаточной намагниченности археологических материалов, называется археомагнитным датированием . [10] Хотя народ маори в Новой Зеландии не занимается изготовлением керамики, их паровые печи, или ханги , которым 700–800 лет , предоставляют достаточный археомагнитный материал. [11]
Совершенно другой процесс: магнитные зерна в отложениях могут выравниваться по магнитному полю во время или вскоре после осаждения; это известно как детритная остаточная намагниченность . Если намагниченность приобретается при осаждении зерен, результатом является остаточная намагниченность осажденных обломков; если оно приобретается вскоре после осаждения, то это остаточная намагниченность обломков после осаждения. [12]
В третьем процессе магнитные зерна растут во время химических реакций и фиксируют направление магнитного поля в момент их формирования. Говорят, что поле регистрируется с помощью химической остаточной намагниченности (CRM). Обычную форму имеет минерал гематит , еще один оксид железа . Гематит образуется в результате химических реакций окисления других минералов в породе, включая магнетит. Красные пласты , обломочные осадочные породы (например, песчаники ) имеют красный цвет из-за гематита, образовавшегося в ходе осадочного диагенеза . Признаки CRM в красных пластах могут быть весьма полезными, и они являются обычным объектом магнитостратиграфических исследований. [13]
Остаточная намагниченность , приобретаемая при фиксированной температуре, называется изотермической остаточной намагниченностью (IRM). Остаточная намагниченность такого рода бесполезна для палеомагнетизма, но ее можно приобрести в результате ударов молний. Остаточная намагниченность, вызванная молнией, отличается высокой интенсивностью и быстрым изменением направления в пределах нескольких сантиметров. [14] [13]
IRM часто возникает в кернах под действием магнитного поля стального кернового ствола. Эти загрязнения обычно располагаются параллельно стволу, и большую их часть можно удалить путем нагревания примерно до 400 °C или размагничивания в небольшом переменном поле. В лаборатории IRM индуцируется путем приложения полей различной напряженности и используется для многих целей в магнетизме горных пород .
Вязкая остаточная намагниченность — это остаточная намагниченность, приобретаемая ферромагнитными материалами под воздействием магнитного поля в течение некоторого времени. В горных породах эта остаточная намагниченность обычно ориентирована в направлении современного геомагнитного поля. Доля вязкой остаточной намагниченности в общей намагниченности породы зависит от магнитной минералогии.
Возраст самых старых пород на дне океана составляет 200 млн лет: они очень молоды по сравнению с самыми старыми континентальными породами, датируемыми 3,8 млрд лет назад. Чтобы собрать палеомагнитные данные, датируемые более 200 млн лет назад, ученые обращаются к содержащим магнетит образцам на суше, чтобы реконструировать древнюю структуру Земли. ориентация поля. Палеомагнетисты, как и многие геологи, тяготеют к обнажениям пород, поскольку обнажаются слои горных пород. Вырезы дорог являются удобным искусственным источником обнажений горных пород.
Существуют две основные цели отбора проб:
Одним из способов достижения первой цели является использование кернового бура со шнеком с алмазными насадками. Сверло вырезает цилиндрическое пространство вокруг камня. В это пространство вставлена труба с прикрепленными к ней компасом и инклинометром . Они обеспечивают ориентацию. Прежде чем это устройство будет снято, на образце нацарапают отметку. После отлома образца отметку можно увеличить для наглядности. [16]
Палеомагнитные свидетельства как инверсий, так и данные о блуждании полюсов сыграли важную роль в проверке теорий дрейфа континентов и тектоники плит в 1960-х и 1970-х годах. Некоторые применения палеомагнитных данных для реконструкции истории террейнов продолжают вызывать споры. Палеомагнитные данные также используются для определения возможного возраста горных пород и процессов, а также для реконструкции истории деформаций частей земной коры. [4]
Инверсивная магнитостратиграфия часто используется для оценки возраста мест, содержащих окаменелости и останки гомининов . [17] И наоборот, для окаменелости известного возраста палеомагнитные данные могут определить широту, на которой окаменелость была заложена. Такая палеоширота дает информацию о геологической среде на момент отложения. Палеомагнитные исследования сочетаются с геохронологическими методами для определения абсолютного возраста пород, в которых сохранилась магнитная запись. Для магматических пород , таких как базальт , обычно используемые методы включают калий-аргоновую и аргон-аргоновую геохронологию.
