Введение
Палеомагнетизм (иногда также называемый палеомагнетизмом) – это изучение магнитных полей Земли в прошлом, зафиксированных в горных породах, осадочных отложениях или археологических материалах. Геофизики, специализирующиеся на палеомагнетизме, называются палеомагнетистами. Определенные магнитные минералы в породах способны сохранять направление и интенсивность магнитного поля Земли в момент их образования. Эта запись предоставляет информацию о прошлом поведении геомагнитного поля и о местоположении тектонических плит в прошлом. Запись геомагнитных инверсий, сохранившаяся в последовательностях вулканических и осадочных пород (магнетостратиграфия), обеспечивает временную шкалу, используемую как геохронологический инструмент. Данные палеомагнетизма привели к возрождению гипотезы о дрейфе континентов и её преобразованию в современную теорию тектоники плит. Кажущиеся пути полярного блуждания предоставили первые убедительные геофизические доказательства дрейфа континентов, а морские магнитные аномалии – доказательства расширения морского дна. Палеомагнитные данные продолжают расширять историю тектоники плит вглубь времени, уточняя древнее положение и перемещение континентов и континентальных фрагментов (терранов). Область палеомагнетизма также включает в себя аналогичные измерения образцов из других тел Солнечной системы, таких как лунные породы и метеориты, где она используется для изучения древних магнитных полей этих тел и теории динамо. Палеомагнетизм опирается на достижения в области магнетизма горных пород и пересекается с биомагнетизмом, магнитными текстурами (используемыми в качестве индикаторов деформации в горных породах и почвах) и экологическим магнетизмом.
Paleomagnetism (occasionally palaeomagnetism) is the study of prehistoric Earth's magnetic fields recorded in rocks, sediment, or archeological materials. Geophysicists who specialize in paleomagnetism are called paleomagnetists. Certain magnetic minerals in rocks can record the direction and intensity of Earth's magnetic field at the time they formed. This record provides information on the past behavior of the geomagnetic field and the past location of tectonic plates. The record of geomagnetic reversals preserved in volcanic and sedimentary rock sequences (magnetostratigraphy) provides a time scale that is used as a geochronologic tool. Evidence from paleomagnetism led to the revival of the continental drift hypothesis and its transformation into the modern theory of plate tectonics. Apparent polar wander paths provided the first clear geophysical evidence for continental drift, while marine magnetic anomalies did the same for seafloor spreading. Paleomagnetic data continues to extend the history of plate tectonics back in time, constraining the ancient position and movement of continents and continental fragments (terranes). The field of paleomagnetism also encompasses equivalent measurements of samples from other Solar System bodies, such as Moon rocks and meteorites, where it is used to investigate the ancient magnetic fields of those bodies and dynamo theory. Paleomagnetism relies on developments in rock magnetism and overlaps with biomagnetism, magnetic fabrics (used as strain indicators in rocks and soils), and environmental magnetism.
История
Еще в XVIII веке было замечено, что стрелки компасов отклоняются вблизи сильно намагниченных выходов пород. В 1797 году Александр фон Гумбольдт связал эту намагниченность с ударами молний (и удары молний действительно часто намагничивают поверхностные породы). Британский физик П. М. С. Блэкетт внес значительный вклад в развитие палеомагнетизма, изобретя чувствительный астатический магнитометр в 1956 году. Его целью было проверить теорию о связи геомагнитного поля с вращением Земли, теорию, которую он в конечном итоге отверг; однако астатический магнитометр стал основным инструментом палеомагнетизма и способствовал возрождению теории дрейфа континентов. Альфред Вегенер впервые в 1915 году предположил, что континенты когда-то были соединены вместе и впоследствии разошлись. Несмотря на обилие косвенных доказательств, его теория долгое время не находила признания по двум причинам: (1) не был известен механизм дрейфа континентов и (2) не существовало способа реконструировать перемещения континентов во времени. Кит Ранкорн и Эдвард А. Ирвинг построили кажущиеся пути полярного блуждания для Европы и Северной Америки. Эти кривые расходились, но могли быть согласованы, если предположить, что континенты находились в контакте до 200 миллионов лет назад. Это предоставило первые убедительные геофизические доказательства дрейфа континентов. В 1963 году Морли, Вайн и Мэтьюс показали, что морские магнитные аномалии свидетельствуют о расширении морского дна.
Принципы
Изучение палеомагнетизма возможно благодаря тому, что содержащие железо минералы, такие как магнетит, способны фиксировать прошлую полярность магнитного поля Земли. Магнитные сигнатуры в горных породах могут быть зафиксированы различными механизмами.
Термореманентная магнетизация
Окись железа и титана в базальте и других изверженных породах может сохранять направление магнитного поля Земли при охлаждении пород до температур Кюри этих минералов. Температура Кюри магнетита, оксида железа из группы шпинелей, составляет около 580 °C, в то время как большинство базальтов и габбро полностью кристаллизуются при температурах ниже 900 °C. Таким образом, минеральные зерна не физически поворачиваются для выравнивания с магнитным полем Земли, а скорее могут фиксировать ориентацию этого поля. Сохраненная таким образом запись называется термореманентной намагниченностью (ТРМ). Поскольку сложные окислительные реакции могут происходить при охлаждении изверженных пород после кристаллизации, ориентация магнитного поля Земли не всегда записывается точно, и эта запись не всегда сохраняется. Тем не менее, в базальтах океанической коры эта запись сохранилась достаточно хорошо, чтобы сыграть решающую роль в разработке теорий расширения морского дна, связанных с тектоникой плит. ТРМ также может фиксироваться в гончарных печах, очагах и обожженных глинобитных строениях. Дисциплина, основанная на изучении термореманентной намагниченности в археологических материалах, называется археомагнитной датировкой. Хотя народ маори Новой Зеландии не изготавливает керамику, их 700–800-летние земляные печи для приготовления пищи на пару, или хангы, предоставляют достаточный археомагнитный материал.
Магнитизация детритальными остатками
В совершенно другом процессе магнитные зерна в отложениях могут выравниваться с магнитным полем во время или вскоре после осаждения; это известно как детритная остаточная намагниченность. Если намагниченность приобретается по мере осаждения зерен, результатом является первичная детритная остаточная намагниченность; если она приобретается вскоре после осаждения, это вторичная детритная остаточная намагниченность.
Магнитизация химическими остатками
В третьем процессе магнитные зерна растут в ходе химических реакций и фиксируют направление магнитного поля в момент их формирования. Считается, что поле записывается посредством химической остаточной намагниченности (CRM). Распространенной формой обладает минерал гематит, еще один оксид железа. Гематит формируется в результате химического окисления других минералов в породе, включая магнетит. Красные отложения, кластические осадочные породы (например, песчаники) имеют красный цвет из-за гематита, образовавшегося в процессе осадочного диагенеза. Сигналы CRM в красных отложениях могут быть весьма полезны, и они часто используются в магнитостратиграфических исследованиях.
Приложения
Палеомагнитные данные об изменениях полярности и данные о полярном блуждании сыграли решающую роль в подтверждении теорий дрейфа континентов и тектоники плит в 1960-х и 1970-х годах. Некоторые применения палеомагнитных данных для реконструкции истории тектонических блоков до сих пор вызывают споры. Палеомагнитные данные также используются для определения возможных возрастов пород и процессов, а также для реконструкции истории деформаций в частях земной коры. Обратная магнитостратиграфия часто применяется для оценки возраста местонахождений с окаменелостями и останками гоминид. И наоборот, для ископаемого с известным возрастом палеомагнитные данные позволяют установить широту, на которой он был отложен. Такая палеоширота предоставляет информацию о геологической обстановке во время осадконакопления. Палеомагнитные исследования комбинируются с геохронологическими методами для определения абсолютного возраста пород, в которых сохранилась магнитная запись. Для магматических пород, таких как базальт, обычно используются калий-аргоновая и аргон-аргоновая геохронология.