Палеомагнетизм (иногда палеомагнетизм ) — это изучение доисторических магнитных полей Земли, зафиксированных в горных породах, осадках или археологических материалах. Геофизики , специализирующиеся на палеомагнетизме, называются палеомагнитистами.
Определенные магнитные минералы в горных породах могут регистрировать направление и интенсивность магнитного поля Земли во время их формирования. Эта запись предоставляет информацию о прошлом поведении геомагнитного поля и прошлом расположении тектонических плит . Запись геомагнитных инверсий, сохраненная в вулканических и осадочных породах ( магнитостратиграфия ), обеспечивает временную шкалу, которая используется в качестве геохронологического инструмента.
Данные палеомагнетизма привели к возрождению гипотезы континентального дрейфа и ее трансформации в современную теорию тектоники плит. Очевидные пути перемещения полюсов предоставили первые четкие геофизические доказательства континентального дрейфа, в то время как морские магнитные аномалии сделали то же самое для распространения морского дна . Палеомагнитные данные продолжают расширять историю тектоники плит в прошлое, ограничивая древнее положение и движение континентов и континентальных фрагментов ( террейнов ).
Область палеомагнетизма также охватывает эквивалентные измерения образцов из других тел Солнечной системы, таких как лунные камни и метеориты , где она используется для исследования древних магнитных полей этих тел и теории динамо . Палеомагнетизм опирается на разработки в области 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 выступов . В 1797 году Александр фон Гумбольдт приписал эту намагниченность ударам молнии (а удары молнии действительно часто намагничивают поверхностные породы). [2] [3] [4] Исследования направления намагниченности в породах в XIX веке показали, что некоторые недавние лавы были намагничены параллельно магнитному полю Земли . В начале XX века работы Дэвида, Бернара Брюнеса и Поля Луи Меркантона показали, что многие породы были намагничены антипараллельно полю. Японский геофизик Мотонори Матуяма показал в конце 1920-х годов, что магнитное поле Земли изменилось в середине четвертичного периода , и эта инверсия теперь известна как инверсия Брюнеса-Матуямы . [5] [3]
Британский физик П. М. С. Блэкетт дал мощный толчок палеомагнетизму, изобретя в 1956 году чувствительный астатический магнитометр. Он намеревался проверить свою теорию о том, что геомагнитное поле связано с вращением Земли , но в конечном итоге отверг эту теорию. Однако 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 привел множество косвенных доказательств, его теория не получила широкого признания по двум причинам: (1) не был известен механизм континентального дрейфа, и (2) не было способа реконструировать движения континентов с течением времени. Кит Ранкорн [8] и Эдвард А. Ирвинг [9] построили видимые пути перемещения полюсов для Европы и Северной Америки. Эти кривые расходились, но их можно было согласовать, если предположить, что континенты контактировали до 200 миллионов лет назад. Это дало первое четкое геофизическое доказательство континентального дрейфа. Затем в 1963 году Морли, Вайн и Мэтьюз показали, что морские магнитные аномалии свидетельствуют о спрединге морского дна .
Палеомагнетизм изучается в нескольких масштабах:
Изучение палеомагнетизма возможно, поскольку содержащие железо минералы, такие как магнетит, могут регистрировать прошлую полярность магнитного поля Земли. Магнитные сигнатуры в горных породах могут быть зарегистрированы несколькими различными механизмами.
Минералы оксида железа и титана в базальте и других магматических породах могут сохранять направление магнитного поля Земли, когда породы остывают через температуры Кюри этих минералов. Температура Кюри магнетита, оксида железа группы шпинели , составляет около 580 °C (1076 °F), тогда как большинство базальтов и габбро полностью кристаллизуются при температурах ниже 900 °C (1650 °F). Следовательно, зерна минералов не вращаются физически, чтобы выровняться с магнитным полем Земли, но вместо этого они могут записывать ориентацию этого поля. Запись, сохраненная таким образом, называется термоостаточной намагниченностью (TRM).
Поскольку сложные реакции окисления могут происходить по мере охлаждения магматических пород после кристаллизации, ориентация магнитного поля Земли не всегда точно регистрируется, и запись не обязательно сохраняется. Тем не менее, запись сохранилась достаточно хорошо в базальтах океанической коры , чтобы иметь решающее значение для разработки теорий спрединга морского дна, связанных с тектоникой плит.
TRM также может быть зафиксирована в гончарных печах , очагах и обожженных глинобитных зданиях. Дисциплина, основанная на изучении термоостаточной намагниченности в археологических материалах, называется археомагнитным датированием . [10] Хотя народ маори в Новой Зеландии не занимается изготовлением керамики, их паровые печи возрастом от 700 до 800 лет, или ханги , предоставляют адекватный археомагнитный материал. [11]
В совершенно другом процессе магнитные зерна в осадках могут выравниваться с магнитным полем во время или вскоре после осаждения; это известно как остаточная намагниченность обломков . Если намагниченность приобретается по мере осаждения зерен, результатом является остаточная намагниченность обломков осадочного происхождения; если она приобретается вскоре после осаждения, это остаточная намагниченность обломков постдепозитного происхождения. [12]
В третьем процессе магнитные зерна растут во время химических реакций и регистрируют направление магнитного поля во время их формирования. Говорят, что поле регистрируется химической остаточной намагниченностью (CRM). Распространенная форма удерживается минералом гематитом , другим оксидом железа . Гематит образуется посредством химических реакций окисления других минералов в породе, включая магнетит. Красноцветные пласты , обломочные осадочные породы (такие как песчаники ) красные из-за гематита, который образовался во время осадочного диагенеза . Сигнатуры CRM в красноцветных пластах могут быть весьма полезны, и они являются обычными целями в исследованиях магнитостратиграфии. [13]
Остаточная намагниченность , которая приобретается при фиксированной температуре, называется изотермической остаточной намагниченностью (IRM). Остаточная намагниченность такого рода не полезна для палеомагнетизма, но может быть приобретена в результате ударов молнии. Остаточная намагниченность, вызванная молнией, может быть различима по ее высокой интенсивности и быстрому изменению направления в масштабах сантиметров. [14] [13]
IRM часто индуцируется в кернах бурения магнитным полем стального керноприемника. Этот загрязнитель обычно параллелен стволу, и большую его часть можно удалить путем нагревания примерно до 400 °C или размагничивания в небольшом переменном поле. В лаборатории IRM индуцируется путем приложения полей различной силы и используется для многих целей в магнетизме горных пород .
Вязкая остаточная намагниченность — это остаточная намагниченность, которую приобретают ферромагнитные материалы под воздействием магнитного поля в течение некоторого времени. В горных породах эта остаточная намагниченность обычно выровнена в направлении современного геомагнитного поля. Доля общей намагниченности горной породы, которая является вязкой остаточной намагниченностью, зависит от магнитной минералогии.
Древнейшие породы на дне океана имеют возраст 200 млн лет: очень молодые по сравнению с древнейшими континентальными породами, которые датируются 3,8 млрд лет. Чтобы собрать палеомагнитные данные, датируемые более 200 млн лет, ученые обращаются к образцам, содержащим магнетит, на суше, чтобы реконструировать древнюю ориентацию поля Земли. Палеомагнетики, как и многие геологи, тяготеют к обнажениям, поскольку там обнажаются слои породы. Дорожные выемки являются удобным искусственным источником обнажений.
Существуют две основные цели отбора проб:
Один из способов достижения первой цели — использовать бур для бурения горных пород, у которого бур оснащен алмазными коронками. Бур вырезает цилиндрическое пространство вокруг некоторой породы. В это пространство вставляется труба с прикрепленным компасом и инклинометром . Они обеспечивают ориентацию. Перед тем как это устройство будет удалено, на образце царапается отметка. После того, как образец будет отломан, отметку можно увеличить для ясности. [16]
Палеомагнитные свидетельства как инверсий, так и данных о полярных перемещениях сыграли важную роль в проверке теорий континентального дрейфа и тектоники плит в 1960-х и 1970-х годах. Некоторые применения палеомагнитных свидетельств для реконструкции истории террейнов продолжают вызывать споры. Палеомагнитные свидетельства также используются для ограничения возможного возраста горных пород и процессов и для реконструкции истории деформаций частей земной коры. [4]
Реверсивная магнитостратиграфия часто используется для оценки возраста мест, содержащих окаменелости и останки гомининов . [17] И наоборот, для окаменелости известного возраста палеомагнитные данные могут зафиксировать широту, на которой была заложена окаменелость. Такая палеоширота дает информацию о геологической среде во время 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.
