Lektsia-6 (1)

4.4. Инверсии геомагнитного поля, миграция палеомагнитных полюсов

и дрейф континентов

Первая шкала геомагнитных инверсий, основанная на калий-аргоновых датировках, была построена в 1963 г. Коксом, Доллом и Далримплом. Она охватывала последние 3,5 млн. лет и первоначально состояла из трех зон: двух зон прямой полярности и одной зоны обратной полярности. Увеличение числа определений привело к открытию внутри главных интервалов определенной полярности (продолжительностью порядка 10⁶ лет) более коротких (порядка 10⁵ лет) интервалов противоположной полярности. Короткие интервалы были названы эпизодами или событиями (event – ивент) и получили собственные названия по местам их открытия (Лашамп, Блейк, Олдувай и т.д.). Длинные интервалы преимущественной полярности были названы эпохами и им были присвоены имена выдающихся геомагнитологов прошлого – Брюнеса, Матуямы, Гаусса и Гильберта.

Эпоха, млн. лет	Полярность	Ивенты, млн. лет
Брюнес 0–0,69	Нормальная N	Лашамп, 0,09– 0,02 Блейк, 0,108–0,114 3. V зона, 0,330–0,350
Матуяма 0,69–2,43	Обратная R	Харамильо, 0,93 Гилса, 1,6 Олдувай, 1,68–1,85 Реюньон, 2,11–2,13
Гаусс 2,43–3,32	Нормальная N	Каена, 2,80–2,90 Маммот, 2,94–3,06
Гильберт 3,32–4,45	Обратная R	Кохитос, 3,70–3,92 Нунивак, 4,05–4,25 12. Сидуфилл, 4,4

Такая же почти по детальности шкала геомагнитных инверсий в настоящее время построена на весь кайнозой. Менее детальные, но в достаточной мере представительные шкалы инверсий построены также для мезозоя и палеозоя. Использованы результаты исследований остаточной намагниченности лав, интрузий и обожженных ими вмещающих пород в разных частях земного шара, остаточной намагниченности базальтов дна океана вблизи срединно-океанических хребтов, остаточной намагниченности глубоководных осадков дна морей и океанов и т.д. Частота инверсий весьма непостоянная величина. Согласно данным, приведенным в таблице и полученным по намагниченности вулканических лав, за 4,45 млн. лет геомагнитное поле 25 раз меняло свою полярность. Это дает средний интервал между инверсиями порядка 0,18 млн. лет. Анализ шкалы геомагнитных инверсий кайнозоя по магнитным аномалиям вблизи срединно-океанического хребта дает средний интервал между инверсиями порядка 0,45 млн. лет (143 зоны нормальной и обратной полярности за 65 млн. лет). Продолжительность периодов однополярного геомагнитного поля в кайнозое варьирует в широких пределах: от нескольких тысяч лет (ивенты Лашамп, Блейк и др.) до 0,7 млн. лет (обратная полярность в эпоху Матуяма в интервале 0,93– 1,6 млн. лет). Не исключено, что число ивентов даже в эпоху Брюнес было не три, а пять-шесть. На этот счет имеются отдельные сведения. С другой стороны, даже самый последний ивент Лашамп не везде находит свое подтверждение. Он не проявляется в донных отложениях Эгейского моря, не получил подтверждения на Северо-Американском континенте. Не исключено, что в некоторых случаях невозможно для земного шара в целом разделить ивенты (кратковременные изменения полярности планетарного поля) и экскурсы, в течение которых магнитные полюса смещались на несколько десятков градусов по широте, но полярность оставалась неизменной.

Можно отметить также, что если в кайнозое зоны нормальной и обратной полярности встречаются примерно в равной степени, то в палеозое и мезозое примерно 70% временной шкалы приходится на обратную полярность. Палеомагнитологи в шкале фанерозоя выделяют больше десятка гиперзон (или суперхронов) с характерными особенностями изменения полярности. В частности, суперхрон обратной полярности Киама занимает интервал около 70 млн. лет, начинаясь в позднем карбоне и заканчиваясь в поздней перми. Его отличительная особенность – полное отсутствие инверсий геомагнитного поля. Наоборот, суперхрон Гиссар продолжительностью 65 млн. лет (от ранней юры (175 млн. лет) до середины мела (100 млн. лет)) характеризуется наиболее частой во всем фанерозое сменой полярности поля.

Большое внимание в последние десятилетия уделяют изучению поведения геомагнитного поля в ходе его инверсии. Установлено, что время осуществления инверсии порядка 10³–10⁴ лет. Интенсивность поля уменьшается в несколько раз и даже на порядок. После понижения интенсивности поля прослеживаются заметные возмущения его склонения и наклонения. Все это может свидетельствовать о том, что в период инверсии распадается дипольная составляющая поля, а поле мировых магнитных аномалий (недипольная составляющая) продолжает существовать.

Одной из основополагающих гипотез палеомагнетизма является гипотеза центрального осевого диполя. Это позволяет по направлению остаточной намагниченности ориентированных в географической системе координат образцов породы любого места земного шара вычислить координаты геомагнитного полюса эпохи образования породы. Для пород четвертичного возраста гипотеза центрального осевого диполя прекрасно подтверждается. Все виртуальные полюсы четвертичного периода располагаются в непосредственной близости от географического полюса.

Когда стали накапливаться данные определений виртуальных геомагнитных полюсов для разных геологических эпох и разных континентов, палеомагнитологи обнаружили два удивительных явления. Во-первых, палеомагнитные полюса для каждого континента по замысловатым траекториям по мере продвижения в прошлое все больше и больше удаляются от современных положений. Во-вторых, вычисленные траектории миграции полюсов для различных континентов оказались абсолютно разными. Настолько разными, что отнести это за счет ошибок экспериментальных данных никак нельзя. Осталось предположить, что траектории движения геомагнитных полюсов в современной географической системе координат отражают траектории горизонтальных перемещений литосферных плит в геологическом прошлом. Поэтому вычисленная по палеомагнитным данным для данного континента траектория движения полюсов представляют собой кажущуюся миграцию полюса. Геомагнитные полюса во все времена находились вблизи географических полюсов (гипотеза центрального осевого диполя). В таблице в качестве примера приведены приблизительные средние координаты магнитных полюсов для Восточной Европы и Северной Америки от палеогена до кембрия.

Период	Вост.Европа		Сев.Америка
				
Палеоген (23–65)	76	162	86	223
Мел (65–146)	77	180	70	195
Триас (208–245)	53	157	58	110
Девон (362–408)	20	250	44	122
Ордовик (440–510)	30	143	-10	120
Кембрий (510–570)	-13	135	25	140

Геология как наука начала формироваться уже в XVIII веке, когда Ломоносов и подобные ему энциклопедисты тогдашней науки начали выдвигать различные гипотезы о формировании тех или иных геологических структур. До середины XX века среди геологов господствовали идеи о том, что пространственные особенности лика нашей планеты и особенности строения земной коры обусловлены исключительно вертикальными движениями земной коры. Для объяснения этих вертикальных движений придумали гипотезу о постепенном охлаждении и сжатии Земли, что обусловило возникновение в земной коре напряжений сжатия и соответствующим деформациям планетарного масштаба (контракционная гипотеза). Для объяснения региональных особенностей (складок, синклиналей, антиклиналей и т.п.) придумывали свои механизмы. Некоторые из них (например, механизм образования синклиналей) безусловно действуют в природе и нашли подтверждение в данных геологии и геофизики, другие (например, гипотеза пульсаций Земли) не выдерживают серьезной критики и были отброшены за ненадобностью.

То, что континенты в течение всей истории Земли занимали те положения на ее поверхности, которое они занимают сегодня, до середины XX века не подвергали сомнению практически все исследователи Земли. В науках о Земле господствовали идеи фиксизма.

Сейчас установлено, что первым идею о важной роли горизонтальных движений блоков земной коры, о наличии в ней не только зон напряжений сжатия, но и зон напряжений растяжения высказал английский пастор и талантливый физик О. Фишер в своем труде под вполне современным названием «Физика земной коры», вышедшем в 1889 г. Мысли Фишера вполне укладываются в современные геодинамические представления: океаническая кора образуется за счет излияния базальтов из трещин в зонах ее растяжения (в Исландии, на осевых хребтах Атлантического океана). По периферии Тихого океана существуют зоны сжатия, в которых океаническое дно опускается под островные дуги и континентальные окраины. Все эти предположения Фишер сделал на основе анализа движения лавовых корок, образующихся при остывании магмы в лавовом озере кратера одного из вулканов Гавайских островов. По сути дела он проанализировал и интерпретировал результаты натурного эксперимента. В 1980-х годах уже на лабораторном столе, только не с расплавленной магмой, а с текучим материалом типа пластилина экспериментальную модель горизонтальных движений земной коры создал сотрудник МГУ Шеменда. Работа О.Фишера, в которой впервые были изложена концепция мобилизма, не получила должной оценки современников по той простой причине, что в то время практически отсутствовали какие-либо данные о строении океанического дна.

Следующий шаг в развитии идей мобилизма сделал немецкий геофизик А. Вегенер, который в 1912 г. высказал гипотезу дрейфа континентов. В качестве аргументов, свидетельствующих о дрейфе материков и распаде некогда единого суперконтинента Пангеи, Вегенер приводил следующие факты (1925 г): необычайное сходство очертаний западных и восточных береговых линий Атлантического океана, однотипность геологического строения смежных материков, окружающих этот океан, общность древней фауны и флоры на разобщенных ныне материках, а также следы почти одновременного (позднепалеозойского) распространения покровного оледенения в Южной Америке, в Южной Африке, Индии и Австралии. В качестве движущего механизма дрейфа Вегенер предлагал рассматривать центробежные и кориолисовы силы, связанные с вращением Земли вокруг своей оси, а также приливные силы, действующие на Землю со стороны Луны. Элементарная проверка расчетами показала, что величина этих сил на много порядков меньше тех, которые могли бы сместить континенты. По этой причине гипотеза Вегенера на полвека была предана забвению.

Главную роль в возрождении идей мобилизма сыграли результаты исследований строения океанического дна. Во время проведения исследований по программе Международного геофизического года (1957 г.) были открыты крупнейшие подводные хребты, протянувшиеся по осевым линиям молодых океанов и опоясовшие Землю непрерывной цепью длиной до 60 тыс. км. По гребням этих срединно-океанических хребтов (СОХ) располагаются глубокие трещины растяжения – рифтовые зоны, из которых всегда извлекались только молодые базальты. Возраст пород дна всех без исключения океанов не превышал 150–160 млн. лет, тогда как средний возраст самих континентов обычно превышает 2–2,5 млрд. лет.

В период с 1960 по 1970 годы сформировались основные положения современного мобилизма (тектоники плит).

1960–1962 гг. Английские геофизики Блеккет и Ранкорн пересчитали кажущиеся миграции палеомагнитных полюсов в перемещения континентов по поверхности Земли и обнаружили, что в позднем палеозое – раннем мезозое большая часть континентов (Северная и Южная Америки, Африка, Антарктида, Австралия) были сгруппированы в единый суперконтинент – Вегенеровскую Пангею.

1961–1962 гг. Американцы Хесс и Дитц высказали идею об образовании океанической коры в рифтовых зонах СОХ, о погружении океанической коры в мантию в зонах глубоководных желобов и островных дуг и на активных окраинах континентов.

1963 г. Англичане Вайн и Мэтьюз интерпретировали полосчатые магнитные аномалии океанического дна вблизи СОХ.

1965 г. Канадец Вильсон впервые высказал мысль о плитном строении литосферы.

1968 г. Американец Морган и француз Ле Пишон выделили наиболее крупные литосферные плиты и рассчитали их движение по поверхности земного шара. В том же году американские сейсмологи Айзекс, Оливер и Сайкс показали, что сейсмичность Земли полностью определяется движениями литосферных плит. От них и пошло представление о современной глобальной геотектонике (или о тектонике плит).

Отечественная школа мобилистов начала формироваться в те же 60-ые годы. Кропоткин, Храмов, Ушаков, Хаин, Городницкий, Зоненштайн, Монин, Сорохтин и многие другие.

Следует заметить, что современное деление литосферы на плиты заметно отличается от такого же деления в прошлые геологические эпохи. В современной литосфере выделяют семь крупных плит: 1) Тихоокеанская, 2) Евразийская, 3) Африканская, 4) Северо-Американская, 5) Южно-Американская, 6) Индо-Австралийская, 7) Антарктическая. Выделяют также семь плит среднего размера: 1) Наска, 2) Кокос (обе на востоке Тихого океана), 3) Филиппинская, 4) Аравийская, 5) Сомалийская, 6) Карибская, 7) Скотия (между Южной Америкой и Антарктидой). При различных палеореконструкциях выделяют как самостоятельные средние плиты (Сибирь, Восточную Европу, Среднюю Европу, Китай, Казахстан, Иран, Новую Зеландию и другие), которые в настоящее время входят в состав крупных континентальных плит.

Основные характерные особенности кинематики литосферных плит в течение фанерозоя, реконструированные по данным палеомагнитологии, палеонтологии, палеоклиматологии и геологии, состоят в следующем.

В раннем кембрии расположение континентов существенно отличалось от современного. Нынешние южные материки (Африка, Южная Америка, Австралия, Антарктида и ряд палеостабильных блоков типа Новой Зеландии) были сгруппированы на юге в единый суперматерик Гондвану, вытянувшийся от южного полюса вдоль меридиана 180⁰ до 30⁰ северной широты. Южный географический полюс находился где-то в северо-западной части Африки. Северо-Американский континент, Китай, Сибирь, Восточная и Западная Европы представляли собой систему разобщенных плит в северо-западной части земного шара. В центре современной Азии существовал Палеоазиатский океан. Сибирь находилась в приэкваториальной зоне. Выше 30⁰ с.ш. суши практически не было.

На протяжении почти 200 млн. лет (до девона) ситуация в расположении материков и плит кардинально не менялась. Гондвана, сохраняя свою целостность как суперконтинент «гуляла» около южного полюса. Северные материки, перемещаясь относительно друг друга, продолжали оставаться вблизи экваториальной зоны. В результате перемещений материков открывались и закрывались палеоокеаны: Палеоазиатский, Уральский, Палеотетис, Палеоатлантический и другие.

Знаменательным событием среднего палеозоя явилось образование Евраамерики как результат столкновения Северной Америки и Восточной Европы в начале девона. Пояс каледонской складчатости, протянувшийся от Аппалачей до севера Скандинавии, отмечает рубец, вдоль которого произошло столкновение двух континентов. Сибирь и Китай оставались по-прежнему обособленными. В среднем же палеозое произошел поворот Гондваны по часовой стрелке относительно центра, находящегося в Индии, примерно на 40⁰. Южный полюс в это время находился в районе Аргентины. Испытали поворот и северные плиты (Сибирь, Восточная Европа).

В позднем палеозое (около 300 млн. лет назад) завершилась та тенденция к группировке континентов, которая наметилась еще в среднем палеозое. Практически все материки спаялись в единую континентальную глыбу – Пангею, очерченную еще Вегенером. Пангея состояла из двух частей: Гондваны на юге и Лавразии на севере. Лавразия образовалась в результате спаивания Евроамерики, Сибири, Казахтана и других более мелких плит. Только Китайский континент бал изолирован от остальных. Места спаивания континентов отмечены поясами складчатости в Аппалачах и на Урале.

В начале мезозоя (в триасе) произошло присоединение Китая к Лавразии и в ранней юре (около 200 млн. лет назад) за исключением разве что Индокитая, все континенты были спаяны в Пангею. Распад Пангеи начался в поздней юре (около 150 млн. лет назад). В это время начался процесс дробления Гондваны – этого мегаконтинента, который на протяжении всего палеозоя оставался единым и неделимым. Африканский континент начал перемещаться к экватору, Антарктида поехала на южный полюс, а Южная Америка – на запад. От Лавразии стала отходить Северная Америка. Начали образовываться современные океанические бассейны: Атлантический, Тихий, Индийский и Северный Ледовитый.

Современное расположение континентов на земном шаре представляет собой практически зеркальное отражение тому, что имело место в раннем кембрии. В северном полушарии находится суперконтинент – Евразия, практически состыкованный с Африкой. В южном полушарии – разрозненные Южная Америка, Антарктида, Австралия. Это обстоятельство позволило предположить, что в истории земной коры существует мегацикл продолжительностью около 600 млн. лет. Внутри этого мегацикла можно выделить циклы продолжительностью около 150 млн. лет, которые в геологической летописи отмечены соответствующими этапами тектогенеза (орогенеза (горообразования) и образования складчатых поясов).

В фанерозое различают четыре тектонических цикла. Альпийский – от современности до 80 млн.лет в прошлое. Примеры: Альпийские, Кавказские, Гималайские горы, которые образовались в конце мезозоя – начале палеогена в результате формирования Евразии из отдельных блоков. К альпийской складчатости относятся и Кордильеры с Андами, которые возникли в результате надвига обеих Америк на Тихоокеанскую плиту. Киммерийский тектонический цикл (от 80 до 230 млн. лет в прошлое) отмечен началом распада Пангеи и столкновением Индокитая с Евразией. Тибет – это проявление киммерийской складчатости в этом районе. Распад Пангеи сопровождался усилением магматической активности земной коры. В киммерийском цикле происходило интенсивное внедрение интрузий в осадочный чехол континентов. Герцинский тектонический цикл продолжался примерно от 230 до 380 млн. лет в прошлое и отмечен геологическими событиями, связанными с формированием Вегенеровской Пангеи. Уральские горы, Карпаты, Алтай, Саяны и другие многие старые горные системы образовались в результате столкновения и объединения континентальных литосферных плит. Наконец, каледонский тектонический цикл продолжался от 380 до 530 млн. лет в прошлое. Его проявления в виде очень старых горных систем встречаются только на древних платформах, в их центральной части. В Англии, в центральной Европе, в Австралии и других частях земного шара.

54