Основы геофизики (стр. 12 )

, (VI.12)

где I – намагниченность А×м-1; b – горизонтальная полумощность, м; Н – глубина до верхней кромки, м; х – координата.

Для оценки влияния магнитных масс, расположенных по глубине разреза, магнитный источник можно представить в виде суммы горизонтальных цилиндров, имеющих предположительно вертикальное намагничивание:

, (VI.13)

где М – линейный магнитный момент цилиндра. Поскольку элементарные цилиндры (Ва = Вb) равны по модулю, но имеют различные знаки, влияние области a компенсируется влиянием области b, и магнитное поле в точке Р создается вертикальным пластом мощностью 2Н. Над центром пласта при Н = b имеем:

, (VI.14)

где – средняя намагниченность пород всего разреза в пределах угла, под которым видна земная поверхность. Таким образом, при постоянной высоте съемки амплитуда и размеры магнитных аномалий будут определяться средней намагниченностью пород по всей толщине разреза.

Лишь с помощью операции трансформации наблюденных аномалий (см. далее) можно произвести разделение поля на локальную и региональную составляющие, а с ними и относительную глубину источников. Это свойство АМП практически исключает возможность однозначной геологической интерпретации линейных магнитных аномалий океанических областей вертикальными одновозрастными и, следовательно, однополярными пластами той или иной мощности и характеризует ее как задачу с неопределенным множеством решений. В частности, уменьшение глубины океана и соответственно высоты съемки влечет за собой увеличение мощности «зондируемого» магнитоактивного слоя и, наоборот, с увеличением глубины толщина «осве­щения» разреза уменьшается. Одновременно увеличиваются ширина «освеща­емой» поверхности и, следовательно, интегрируемость (осреднение) в пределах площади телесного угла различных магнитных неоднородностей как на поверхности, так и на глубине (рис. 36). При этом алгебраическое суммирование аномалий и в горизонтальном, и в вертикальном направлениях может привести к существенному (если не полному) изменению картины поля за счет осреднения и перераспределения составляющих разных знаков и амплитуды. Это было доказано по расчетам радиуса корреляции и периодов Т0. Оказалось, что градиент дr0/дН в области высот (0<Н<5¸20 км) достигает наибольших значений. Чем однороднее (в магнитном отношении) материал коры, тем протяженнее аномалии одного знака с увеличением высоты съемки. Отсюда следует, что высокий градиент в океанических областях свидетельствует о большей однородности верхней коры котловины и, наоборот, низкий градиент континентов – большей горизонтальной дифференцированности верхов континентальной коры. То же самое нетрудно видеть и из рис. 36. Приняв Н1 и Н2 достаточно большими по сравнению с полумощностью магнитных источников Ii, мы как бы получаем сумму элементарных вертикальных стержней:

Рис. 36. Зависимость ширины (S) «магнитной освещенности» поверхности дна от телесного угла при разной глубине моря (H1 и H2): I1-I4 – намагниченные тела

и , (VI.15)

магнитное поле которых в точке Р будет представлять алгебраическую сумму из составляющих Ii каждого элемента.

Таким образом, любая шкала хронологии обращений геомагнитного поля, построенная по рисунку аномалий рифтовых хребтов по принципу Вайна и Мэтьюза, является лишь гипотезой и не может быть использована для палеомагнитной стратификации. Сравнение таких шкал между собой дает весьма проблематичное сходство.

Симметрия и линейный характер магнитных аномалий над рифтовыми хребтами отражают симметрию равномерного растяжения коры на своде остаточной возвышенности вследствие опускания дна котловин по обе его стороны. Магнитные аномалии фиксируют, по существу, зоны глубоких расколов земной коры, возникающих при этом растяжении, и полосы сильно и слабо намагниченных пород. С. Н. Максимовым, и (1977) было показано, что режимы инверсий геомагнитного поля обнару­живают четкую низкочастотную цикличность с периодом 155 млн. лет и среднечастотную – с интервалом 39 млн. лет. Кроме того, намечаются высокочастотные инверсии порядка 1 млн. лет. При этом заметна определенная связь режима инверсий с геологическими эрами, отражающими крупные изменения в жизни биосферы Земли, – палеозою соответствует преобладание обратной полярности, мезозою – преобладание прямой полярности, кайнозою – знакопеременное поле.

Наряду с этим существовали периоды более частых инверсий и длительной стабильности поля. В целом отмечается возрастание частоты инверсий начиная с поздней перми с преобладанием в этот период положительной (нормальной) полярности. Аналогичная картина возрастания частоты инверсий наблюдается также в среднем и позднем кембрии и в интервале между средним ордовиком и средним девоном. Интересно сопоставить шкалу инверсий геомагнитного поля с циклами тектонической активизации земной коры, выделенными Г. Штилле, , и др., а также с эпохами трансгрессий и регрессий. Анализ показывает, что эта связь весьма проблематична. Большинство фаз так называемой тектонической активизации не находит отражения в режиме инверсий геомагнитного поля. Исключение составляют салаирская фаза на рубеже кембрия и ордовика, совпадающая с переходом знакопеременного режима к однополярной эпохе раннего ордовика, астурийская и заальская, совпадающие с эпизодами обращения поля в среднем и позднем карбоне, пфальцская, совпадающая с границей перехода однополярного режима поздней перми в знакопеременный – триаса, и ларамийская – переход к знакопеременному полю кайнозоя. Таким образом, намечается некоторая корреляционная связь изменения режима геомагнитного поля с тектонической активностью лишь для 5 фаз из 21. Приведенная статистика позволяет заключить, что либо большинство из названных фаз связано с местным характером тектонических движений, либо режим геомагнитного поля не находит отражения в общепланетарных тектонических активизациях Земли. С другой стороны, трудно согласиться с предположением, что глобальная сейсмическая активность перисферы Земли, отражая какое-то повышение активности в ее недрах, не отобразилась бы на режиме магнитного поля.

Динамика перисферы – это следствие и результат именно внутренней активности планеты. Например, повышение сейсмической активности Земли приводит к возникновению дополнительных собственных колебаний сферы, а с нею и внутреннего ядра относительно вязкого внешнего ядра. Это известно из примеров Чилийского и Аляскинского землетрясений. Вероятно, такие дополнительные колебания способны изменить направление ламинарных течений в ядре и тем самым ускорить инверсию геомагнитного поля. Исследования в области магнитной гидродинамики указывают на возможность генерации возмущений в проводящей плазме и их влияние на турбулентность несжимаемой жидкости с «приклеенными» к ней магнитными силовыми линиями.

Следовательно, можно предположить, что салаирская (ранний палеозой), астурийская и заальская (поздний палеозой), пфальцская (начало мезозоя) и ларамийская (кайнозой) фазы отражают какие-то крупные перестройки на уровне внешнего ядра и астеносферы. К некоторым из этих рубежей (палеозой – мезозой) относятся и крупнейшие изменения климата и биосферы.

§4. Элементы земного магнетизма

Напряженность магнитного поля Земли в каждой точке земной поверхности полностью определяется вектором Т и его составляющими по осям прямоугольной системы координат х, у и z (рис. 37). Если ориентировать ось х по географическому меридиану, а ось у – по параллели, то проекция вектора Т на плоскость хoу даст горизонтальную составляющую Н. Горизонтальная составляющая Н всегда направлена на магнитный полюс Земли – северный или южный в зависимости от того, в каком полушарии (северном или южном) находится наблюдатель. Угол D между горизонтальной составляющей Н и направлением на истинный (астрономический) север (в данном случае это направление задается осью х) определяет западное или восточное склонение вектора магнитного поля Н. Угол I между горизонтальной состав­ляющей Н и вектором Т называется наклонением.

Рис. 37. Элементы земного магнетизма: T – полный вектор магнитного поля; Z – вертикальная составляющая; H – горизонтальная составляющая; D – магнитное склонение; I – наклонение

Вертикальная составляющая z, северная х и восточная у, а также склонение D, наклонение I и горизонтальная составляющая H называются элементами магнитного поля Земли. Они определяют положение вектора Т в различных системах координат. Вектор Т принято называть полным век­тором земного магнитного поля.

Значение вектора Т инвариантно, т. е. не зависит от выбора системы координат. Поль­зуясь рис. 37, нетрудно получить выражения для всех элементов земного магнитного поля:

х = НcosD; y = HsinD; z = HtgI;

T = (H2 + z2)1/2; H = (x2 + y2)1/2; (VI.16)

I = arctg z/H; D = arctg y/x.

Горизонтальные и вертикальные компоненты полного вектора магнитного поля Т можно определить также через угол I:

H = T cos I; z = T sin I. (VI.17)

Точки на земной поверхности, в которых наклонение I = 90°, называются северным и южным магнитными полюсами. Линия на земной поверхности, где наклонение I = 0°, называется магнитным экватором. К северу от магнитного экватора вертикальная составляющая z считается положительной, к югу – отрицательной. Подставляя значения I на экваторе и на полюсе в выражения (VI.17), получим, что на магнитных полюсах горизонтальная составляющая Н равна нулю (Нр = 0), а вертикальная равна полному вектору Т(zp = T). На экваторе, наоборот, горизонтальная составляющая Нэ равна полному вектору Т (Нэ = Т), а вертикальная zэ равна нулю (zэ = 0).

§5. Магнитные аномалии

Реальное магнитное поле, наблюдаемое на поверхности Земли, отражает суммарный эффект действия различных источни­ков. Основной вклад в геомагнитное поле, как мы видели, дают поле эксцентричного диполя и его недипольные составляющие, источники которых расположены во внешнем ядре Земли. К это­му главному полю добавляется поле, вызванное намагничен­ностью пород земной коры, которое суммируется с магнитным полем внеземного происхождения. Таким образом, полный век­тор магнитного поля Т складывается из нескольких компонен­тов: поля диполя То, недипольного поля Тн, поля, обусловленного намагниченностью верхних слоев земной коры DТа, внеш­него поля Твн и поля вариаций dТ:

Т = Т0 + Тн + Твн + DТа + dТ. (VI.18)

Поле, представляющее собой сумму векторов Т0 и Тн, называет­ся главным полем. Поле, обусловленное вектором DТа, назы­вается аномальным полем. В свою очередь аномальное поле складывается из регионального DТр и локального DТл полей. Первое из них вызвано глубокими магнитными неоднородностями в низах коры и верхней мантии, второе – неглубоко залегающими телами.

Сумма векторов главного и внешнего поля с вычетом вариа­ций называется нормальным полем:

Тп = Т0 + Тн + Твн – dТ. (VI.19)

Отсюда видно, что для получения значения аномальной состав­ляющей необходимо из полного вектора Т вычесть нормальную составляющую Тп:

DТа = Т – Тп. (VI.20)

В большинстве случаев при интерпретации материалов магнит­ных исследований важно знать величину нормальной составля­ющей геомагнитного поля. Для этих целей обычно используют­ся карты нормального магнитного поля, составляемые регуляр­но на весь земной шар или его крупные регионы. Зоны, где наблюдаемое поле резко отличается от поля однородно намаг­ниченного шара, называются аномалиями DТ. Центры анома­лий совпадают с материковыми массивами. Их так же, как и материков, шесть. Поэтому эти аномалии называются матери­ковыми.

Расчеты показывают, что источники материковых аномалий находятся на глубине порядка 0,4 земного радиуса, т. е. под кромкой мантии.

Любопытно, что остаточное аномальное поле DТ во многом совпадает с полем недипольной составляющей. По данным , магнитный момент этих диполей равен 0,3×102 СГС, что составляет около 4% магнитного момента от основного диполя. Эти данные хорошо согласуются с наблю­даемым спектром изменения геомагнитного поля.

Обычно обнаруживаются два вида аномалий: аномалии, ширина которых составляет несколько тысяч километров, и аномалии шириной менее 100 км. Поскольку размеры и ширина аномалии пропорциональны глубине залегания источника, то приведенные данные свидетельствуют, что крупные материко­вые аномалии вызваны источниками, залегающими на большой глубине, порядка половины земного радиуса. Небольшие ано­малии вызваны источниками, залегающими не глубже нескольких десятков километров, порядка 40 – 60 км. Следовательно, ниже этой глубины температура превышает 580°С, т. е. выше точки Кюри для магнетита. Поэтому породы на этой глубине немагнитны. Следовательно, между глубинами 60 – 2900 км никаких источников магнитных аномалий нет. Это чрезвычайно важный вывод. Он служит указанием на то, что отмеченные два типа геомагнитных полей отражают не только два уровня залегания магнитовозмущающих зон, но и их существенно различную природу. Поле верхней зоны – это статическое поле, обусловленное преимущественно остаточным намагничиванием пород. Поле внешнего ядра – это меняющееся в пространстве и времени поле, формирование которого связано с вращением Земли.

§6. Магнитное поле диполя

Магнитное поле Земли в первом приближении можно аппроксимировать полем диполя, помещенного в центре Земли. Диполь – это обычный двухполюсной магнит, один конец которого условно принимается за северный полюс, другой – за южный полюс. На рисунке 38 представлен такой ди­поль. Положительно и отрицательно заряженные магнитные массы +m и –m, расположены на некотором расстоянии dl друг от друга. Найдем значение поля в произвольной точке пространства Р на расстоянии r от центра диполя. Прямая r составляет некоторый угол q с осью диполя dl. Соединим концы диполя с точкой Р и обозначим эти расстояния через r1 и r2. Пусть dl << r1, r2.

Рис. 38. К определению магнитного поля диполя

Найдем потенциал диполя V в точке Р:

. (VI.21)

Если расстояние до точки Р велико в сравнении с длиной диполя, то

r1r2 » r2; r2 – r1 = dl cosq. (VI.22)

Подставим эти значения в (VI.22):

. (VI.23)

Поскольку магнитный момент определяется как производная магнитной массы на плечо dl

dM = mdl, (VI.24)

то выражение для потенциала диполя примет вид:

. (VI.25)

Если через dW обозначить элементарный объем тела, а через I – его намагниченность, то магнитный момент единицы объема будет иметь вид:

, (VI.26)

а потенциал:

.

Зная потенциал, можно найти все элементы магнитного поля диполя в точке Р:

; ; .

Используя выражение (VI.25), получим:

(VI.28)

Проанализируем полученные выражения. Найдем значения Z, U, T на магнитном полюсе и магнитном экваторе, т. е. в точке Р, расположенной вдоль оси диполя и перпендикулярно к ней, когда Q = 0 и :

; .

Следовательно, вертикальная составляющая магнитного поля Земли Z принимает максимальное значение на магнитных полюсах (порядка 70000 нТ) и минимальные значения (порядка 25000 нТ) на магнитном экваторе. Найдем экстремальное значение горизонтальной составляющей Н:

; .

Из полученного выражения мы видим, что горизонтальная составляющая МПЗ принимает нулевое значение на магнитных полюсах и максимальное значение на магнитном экваторе.

Полный вектор МПЗ Т при Q = 0, т. е. на полюсе, равен:

.

И при , т. е. на экваторе:

.

Иными словами, МПЗ нигде не принимает нулевых значений. Поскольку ось магнитного диполя Земли не совпадает с осью вращения (угол между ними равен 11,5°), то полученные формулы следует рассматривать как приближенные для расчета по ним элементов земного магнетизма. В этом легко убедиться, если попытаться определить магнитную широту по современным картам изогон I, используя формулы дипольного приближения (см. §9).

§7. Недипольные составляющие магнитного поля.

В 1838 г. Га­усс предложил теорию, согласно которой магнитное поле Земли можно представить как функцию координат данной точки поверхности. Для точек, находящихся на поверхности земного шара, выражение для магнитного потенциала, создаваемого магнитными массами, расположенными внутри Земли, имеет следующий вид:

.

Постоянные коэффициенты и называются коэффициентами Гаусса. Они определяются путем наблюдений элементов геомагнитного поля в некоторых точках земной поверхности, причем ; ; , где Мz, Мx, Мy значения магнитных моментов диполя по осям координат; R – радиус Земли. Величина называется присоединенным полиномом Лежандра.

Таким образом, магнитное поле, соответствующее сфериче­ским гармоникам первой степени, эквивалентно полю диполя с магнитным моментом М, равным

. (VI.29)

Вычисление коэффициентов Гаусса различными учеными для разных эпох показало, что наибольшими значениями обладают коэффициенты , и , соответствующие в уравнении (VI.29) членам пер­вого порядка (табл. VI.1).

Этот результат показывает, что главный вклад в значение потенциала магнитного поля Земли вносит поле диполя внутреннего происхождения, которое и характеризует первый член разложения Гаусса. Таким образом, геомагнитное поле в пер­вом приближении можно считать полем однородно намагничен­ного шара.

Следующие члены разложения (n = 2) характеризуют маг­нитные потенциалы системы из двух диполей, называемых квадруполями. Их вклад в земное магнитное поле составляет всего несколько процентов от значения главного осевого диполя.

В целом, как показывают расчеты, выполненные на основе теории Гаусса, 94% магнитного поля, наблюдаемого на по­верхности Земли, обусловлено внутренними причинами и лишь 6% приходится на долю внешних факторов.

Согласно данным новейших наблюдений, было показано (Стейси, 1972), что лучшим приближением к реальному геомаг­нитному полю является диполь, смещенный относительно центра Земли к северу примерно на 300 км. Т. Рикитаки (1968) для эпохи 1955 г. дает расстояние 436 км.

Количество нецентральных диполей достигает 8 – 10, а их источники располагаются на глубине 0,25 земного радиуса, т. е. недипольное поле (впрочем, вероятно, как и дипольное) гене­рируется во внешнем ядре.

Из таблицы также следует, что дипольные составляющие прогрессивно уменьшаются с течением времени. При этом за 100 лет уменьшился на 203, – на 100, – на 44 едини­цы, т. е. дипольный момент уменьшается со скоростью 0,05% в год. Если такие темпы сохранятся, то через 2×103 лет Земля на какое-то время лишится магнитного экрана.

Недипольные (квадрупольные) составляющие испытывают сложные изменения – либо попеременно, либо устойчиво разру­шаются, либо увеличиваются.

Вариации геомагнитного поля. Одним из важных свойств магнитного поля Земли является его изменчивость во времени и пространстве относительно земной поверхности. Эти измене­ния напряженности магнитного поля называются вариациями. Систематические наблюдения вариаций геомагнитного поля про­водятся более 300 лет. Впервые они были обнаружены Геллибрандом в 1835 г. Полвека спустя Хэлли установил, что вариа­ции магнитного поля вызваны устойчивым смещением в запад­ном направлении (дрейфом) его недипольной составляющей. Вариации геомагнитного поля имеют различный период: от се­кунд до многих миллионов лет. Медленные изменения магнит­ного поля, происходящие в промежутке времени от 100 лет и более, называются вековыми вариациями. Короткопериодные возмущения поля – продолжительностью от долей секунд, часов до нескольких дней – называются магнитными бурями. Амплитуда вековых вариаций в среднем составляет 50 гамм, короткопериодных магнитных возмущений – от 20 – 30 до нескольких сотен гамм.

Спектр наблюдаемых вариаций геомагнитного поля показывает, что основная часть вариаций имеет период порядка 104 лет. Короткопериодные вариации обусловлены внешними причинами – процессами, происходящими в ионосфере и маг­нитосфере Земли, на Солнце и в межпланетном пространстве. Источником вековых вариаций являются процессы, происходя­щие внутри Земли, главным образом во внешнем жидком ядре. Согласно данным Т. Рикитаки (1968), вековые вариации отра­жают лишь часть спектра колебаний геомагнитного поля экс­центричного диполя и его недипольной составляющей. Вслед­ствие сравнительно низкой электропроводимости мантии более высокочастотные части спектра поглощаются ею, и до поверх­ности Земли доходят лишь его низкочастотные компоненты. Обычно ход вековых вариаций изображается с помощью карт изопор, т. е. изолиний равных скоростей смещения поля какого-либо элемента магнетизма относительно поверхности Земли. Анализ карт изопор показывает, что именно недипольное поле вносит значительный вклад в величину вековых вариаций. При этом устанавливается, что как эксцентричный диполь, так и недипольное поле дрейфуют на запад со скоростью порядка 0,2° (20 км/год). При такой скорости полное обращение маг­нитного поля вокруг Земли совершается примерно за 2000 лет. При этом недипольное поле испытывает попеременный рост и разрушение в пределах до 10 гамм в год.

§8. Магнитные свойства горных пород

Все горные породы, слагающие земную кору, по магнитным свойствам подразделяются на диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики. В свою очередь магнитные свойства диа-, пара - и ферромагнетиков определяются величиной магнитной восприимчивости c и остаточной намагниченностью In.

Магнитная восприимчивость характеризует способность пород на­магничиваться под действием внешнего магнитного поля Ii. Она определяется из соотношения

c = Ii/H, (VI.30)

где Ii – интенсивность намагничивания. Остаточная намагниченность представляет как бы законсервированное магнитное поле прошлых геологических эпох, т. е. характеризует намагниченность пород, приобретенную ими в момент формирования.

Собственно намагниченностью I называется векторная величина, равная магнитному моменту единицы объема тела.

Величина

В = Н + 4pI (VI.31)

называется магнитной индукцией и характеризует плотность магнитного потока, проходящего через поперечное сечение намагниченного тела. В системе СГС единицей магнитной индукции является гаусс, в системе СИ – тесла. Из выражения (VI.30), заменяя I=cН и подставляя его в (VI.31), получим

1 + 4pc = В/Н = m. (VI.32)

Величина m называется магнитной проницаемостью. В системе СИ она измеряется в генри/м.

Диамагнетики являются практически немагнитными породами. Коэффициент магнитной восприимчивости c для них отрицательный (c<0) и обычно имеет порядок 10-7 – 10-6 ед. СГС. К диамагнетикам относится небольшое количество пород, например каменная соль, гипс, кварц, кальцит.

Парамагнетики имеют невысокую положительную магнитную восприимчивость c (c > 0, порядка 10-6 ед. СГС). Парамагнитными свойствами обладает большинство горных пород и минералов, например почти все осадочные породы (известняки, доломиты, песчаники, глины), многие метаморфические и магматические породы (граниты, гнейсы, роговики и др.). Магнитная восприимчивость диамагнитных и парамагнитных пород не меняется при очень широких изменениях магнитного поля Н – от 0 до 104 эрстед. Кроме того, парамагнитные вещества не обладают самопроизвольной намагниченностью. В отсутствие внешнего поля их магнитный момент равен нулю. При наличии поля атомные магнитные моменты парамагнетиков ориентируются в направлении силовых линий поля.

Ферромагнетики характеризуются высокими положительными значениями c, доходящими до целых единиц СГС (c = 105 ед. СГС). Ферромагнитных минералов немного. Важнейшими из них являются магнетит (Fe3О4), титаномагнетит (Fе2ТiO4), гематит (Fе3О4), ильменит (FеТiO3), пирротин (FеS).

В отличие от диа - и парамагнетиков ферромагнитные минералы обладают свойством сохранять остаточную намагниченность. Поэтому их суммарная намагниченность складывается из остаточной намагниченности In и индуцированной внешним магнитным полем Н намагниченности Ii:

I = cH + In (VI.33)

т. е. их магнитный момент определяется соотношением

М = (cН + In)V,

где V – объем образца.

Намагниченность диа - и парамагнетиков определяется лишь первым членом уравнения (VI.33):

I i = cH; M = cHV, (VI.34)

ибо эти последние не обладают свойством сохранять остаточную намагниченность.

Магнитные свойства горных пород обусловлены содержанием ферромагнитных минералов. Эти минералы обычно рассеяны в виде мелких зерен в общей диа-парамагнитной массе, составляющей основной объем породы. Количество рассеянных (акцессорных) минералов и определяет магнитную восприимчивость c и остаточную намагниченность In горных пород.

Свойство некоторых горных пород длительное время сохранять остаточную намагниченность явилось основой для развития палеомагнитных методов исследования горных пород, позволяющих получать ценные сведения о структуре геомагнитных полей прошлых геологических эпох.

Намагниченность горных пород зависит от целого ряда факторов и, в частности, от величины напряженности магнитного поля, температуры, давления, химических изменений, времени, механических деформаций и др. Наибольший интерес для палеомагнетизма представляет намагниченность, которую приобретает горная порода при остывании в земном магнитном поле, а также при химических изменениях, например при образовании гематита. Последний, как известно, образуется при окислении магнетита. Намагниченность, приобретаемая породой, в первом случае называется термоостаточной (ТРМ), во втором – химической остаточной намагниченностью (ХОН). Термическая и химическая остаточные намагниченности являются наиболее стабильными видами намагниченности. Однако наряду с ними горные породы претерпевают и другие виды намагниченности.

Приобретаемая при этом намагниченность называется вторичной остаточной намагниченностью. Вторичную остаточную намагниченность, т. е. дополнительное изменение первично индуцированной величины и направления вектора напряженности Н, горная порода приобретает в результате последующего умеренного разогрева (например, при метаморфизме) или механической деформации (при тектонических нарушениях, дислокациях, метаморфизме и т. д.), химических изменениях, а также при общем размагничивании в ходе времени или под влиянием переменных магнитных полей локального происхождения.

Намагниченность горных пород постепенно уменьшается с увеличением температуры и становится равной нулю в точке Кюри (порядка 6000С). Точка Кюри для различных ферромагнетиков различна. Например, для магнетита она равна 578°С, гематита – 675° С, ильменита – 100 – 150° С, пирротина – 300 – 325° С.

Поскольку вторичная остаточная намагниченность, накладываясь на первичную остаточную намагниченность, затрудняет получение истинных значений In и c, образцы в процессе палеомагнитных измерений подвергают так называемой магнитной или термической чистке. Сущность магнитной чистки пород заключается в том, что образец подвергают размагничиванию в плавно меняющемся переменном магнитном поле, в результате чего нестабильная вторичная остаточная намагниченность удаляется, а более стабильная первичная остаточная намагниченность сохраняется как бы в чистом виде. Размагничивание производится в пространстве, изолированном от влияния геомагнитного поля Земли, для чего обычно используются кольца Гельмгольца.

Сущность термической чистки заключается в том, что образец нагревают до температуры несколько ниже точки Кюри и затем охлаждают. Цикл «нагревание – охлаждение» повторяют несколько раз, контролируя при этом изменение магнитной восприимчивости c. Последнее необходимо для исключения из опытов образцов, в которых в результате нагрева произошли необратимые химические и структурные изменения. Наличие этих изменений обычно контролируется по колебаниям c (20 % от первоначального значения).

Рис. 39. Изменение фактора Q в зависимости от возраста пород (по Белоконь и др., 1973)

Отношение In/Ii = Q называется числом или фактором Кенигсбергера. Величина Q меняется от 1 до 100 и более единиц. Это свидетельствует о том, что локальные остаточные магнитные аномалии, наблюдаемые на поверхности Земли, обусловлены в большинстве случаев величиной In, а не Ii. Для термоостаточной намагниченности фактор Q, как правило, больше единицы. В то же время для нормальной намагниченности (например, осадочных пород) он составляет десятые, сотые доли единицы (Белоконь и др., 1973). С другой стороны, фактор Q до некоторой степени исключает влияние концентрации акцессорных, что позволяет сравнивать магнитные свойства различных пород. При наличии большого количества определений Q в разновозрастных толщах пород (порядка 100 и более) фактор Q может характеризовать релаксационный спад первичной намагниченности пород (рис. 39) и тем самым их относительный возраст.

Промежуток времени, в течение которого магматические, метаморфические и осадочные породы приобретают тот или иной вид намагниченности, зависит от скорости остывания магм или скорости седиментации и диагенеза. Он может меняться в пределах от нескольких часов до десятков и тысяч лет. Следовательно, в одной и той же толще магматических или осадочных пород вектор In будет меняться по разрезу.

§9. Основные формулы палеомагнитных реконструкций

Оживление идей мобилизма А. Вегенера началось в начале 50-х годов прежде всего благодаря успехам палеомагнетизма. При измерении намагниченности осадочных и магматических горных пород было установлено, что в течение геологической истории земное магнитное поле неоднократно меняло знак полярности, причем интервал инверсии составлял всего 10 – 12 тыс. лет. Одновременно была обнаружена неустойчивость положения виртуальных (наблюденных) магнитных полюсов на поверхности Земли. В кембрии (580 млн. лет назад) они располагались в районе экватора и в дальнейшем мигрировали к современному своему положению. Но что самое удивительное, геомагнитные полюса, определенные по различным континентам для одной и той же эпохи, не формировались в дипольном поле, а группировались роями по каждому континенту, располагаясь друг от друга на многие тысячи километров.

Рис. 40. Схема, иллюстрирующая отсчет полярного расстояния q и qґ для точек земной поверхности A и Аґ для наблюдаемого расхождения осей вращения Земли и магнитного диполя; j – широта

Объяснить эти данные палеомагнетизма, по мнению большинства исследователей, можно было только с помощью допущения дрейфа огромных континентально-океанических плит. Дело в том, что современное магнитное поле Земли на первый взгляд мало отличается от поля диполя: ось магнитного поля отклонена от оси вращения на 11,5° (рис. 40). Отсюда было сделано два предположения: 1) магнитное поле и в прошлом было полем диполя, 2) ось диполя в первом приближении можно считать совпадающей с осью вращения Земли. Принятие этих гипотез при условии постоянства радиуса Земли и отсутствии каких-либо перемещений блоков коры (кроме видимых) с момента своего образования и до сего времени оставляло только один путь объяснения дисперсии геомагнитных полюсов – перемещением континентов таким образом, чтобы для каждой эпохи образовывалось не пять, а только два полюса, что необходимо для удовлетворения гипотезы осесимметричного диполя.