Палеомагнетизм подводных базальтов и континентальных траппов

Мбеле, Жан Реми

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Палеомагнетизм подводных базальтов и континентальных траппов
ВАК РФ 25.00.10, Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Палеомагнетизм подводных базальтов и континентальных траппов"

005012894

На правах рукописи

МБЕЛЕ Жан Реми

ПАЛЕОМАГНЕТИЗМ ПОДВОДНЫХ БАЗАЛЬТОВ И КОНТИНЕНТАЛЬНЫХ ТРАППОВ

Специальность: 25.00.10. - геофизика, геофизические методы поиска полезных ископаемых

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

2 3 ¡.¡др ¿и ¡2

Москва-2012

Работа выполнена на кафедре физики Земли физического факультета Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования Московский Государственный Университет имени М.В. Ломоносова

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ:

доктор физико-математических наук,

профессор Трухин Владимир Ильич

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский Государственный Университет имени М.В. Ломоносова, физический факультет

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

доктор физико-математических наук,

профессор Ведяев Анатолий Владимирович

доктор физико-математических наук,

профессор Булычев Андрей Александрович

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский Государственный Университет имени М.В. Ломоносова, геологический факультет

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ:

Федеральное государственное бюджетное учреждение Институт прикладной геофизики имени академика Е.К. Федорова

Защита состоится « 19 » апреля 2012г. в _16час_ на заседании

Диссертационного совета Д 501.001.63 в Московском Государственным Университете им. М.В. Ломоносова по адресу: 119992, Москва, Ленинские

горы, МГУ, физический факультет, ауд. ЦФА. ®

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета Московского Государственного Университета им. М.В. Ломоносова.

Автореферат разослан « 19 » марта 2012г.

Ученый секретарь

Диссертационного совета Д501.001.63 кандидат физико-математических наук , В.Б. Смирнов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность проблемы.

В геомагнитной лаборатории кафедры физики Земли ведутся исследования эволюции геомагнитного поля при изучении палеонамагниченности различных горных пород. При изучении палеомагнетизма, проводятся тщательные экспериментальные исследования магнитных свойств природных ферримагнетиков, являющихся носителями намагниченности в горных породах.

Определения величины и направления древнего ГМП (Няр) по остаточной намагниченности древних изверженных горных пород являются важными для исследования эволюции геомагнитного поля от древнего до нашего времени.

В природе были обнаружены породы, направление намагниченности которых соответствует как современной полярности геомагнитного поля, так и обратной его полярности. Направления остаточной намагниченности древних горных пород разной полярности могут быть обусловлены как сменами направлений ГМП (инверсиями), так и явлениями самообращения намагниченности. На кафедре физики Земли ведутся глубокие исследования магнитных свойств природных ферримагнетиков с целью определения вероятности самообращения намагниченности в древних горных породах. В зависимости от степени вероятности самообращения намагниченности можно оценить и вероятность инверсий ГМП. Важно отметить, что в период инверсий напряженность ГМП может сильно уменьшаться и тем самым будет нарушаться глобальная экологическая защита поверхности Земли от космического радиоактивного излучения. Это приведет с неизбежностью к нарушению нормальной эволюции Земли и ее биосферы.

Таким образцом очевидна актуальность проблемы глубокого и детального исследования магнитных свойств древних горных пород.

Цель работы.

Диссертация посвящена исследованию магнитных свойств подводных горных пород (базальтов), отобранных со дна Красного моря и юга САХ, и континентальных пород (траппов) Якутии разного возраста.

Целью исследований было определение величины и направления вектора первичной естественной остаточной намагниченности (1по) подводных и континентальных горных пород. Предполагалось на основе полученных в результате исследований данных, воспользовавшись методом Телье, определить величину и направление древнего геомагнитного поля в местах отбора подводных и континентальных образцов.

Решались следующие задачи:

1. Измерение магнитных характеристик образцов базальтов и траппов и установление природы их естественной остаточной намагниченности.

2. Установление магнитных критериев палеоинформативности I „ подводных базальтов.

3. Определение папеонапряженности древнего геомагнитного поля в районах Красного моря и юга САХ по естественной остаточной намагниченности подводных базальтов.

4. Проведение сравнения магнитных свойств подводных базальтов и континентальных траппов и оценка палеоинформативности их 1„.

5. Определение особенностей естественной остаточной намагниченности (1„) континентальных траппов и установление возможности определения напряженности и направления древнего магнитного поля по 1„ траппов.

6. Определение папеонапряженности и направления древнего магнитного поля в Мало-ботуобинском районе Якутии для эпохи образования траппов (-250 млн лет назад).

Научная новизна работы.

1. Впервые доказано, что 1п подводных базальтов Красного моря с точками Кюри, близкими к Тс магнетита имеет термоостаточную природу и может быть использована для оценки палеонапряженности геомагнитного поля в месте отбора образцов.

2. Впервые получена величина палеонапряженности Ндр эпохи образования базальтов рифтовой зоны Красного моря.

3. Впервые определена величина палеонапряженности Няр по остаточной намагниченности траппов Мало-Ботуобинского района Якутии.

4. Проведено сравнение палеоинформативности подводных базальтов и континентальных траппов. Впервые предложен дополнительный критерий непригодности ряда образцов траппов для определения палеонапряженности при наличии в них явления самообращения.

Достоверность результатов.

Использование современных измерительных приборов, а также методов оценки погрешностей измерений свидетельствуют о достоверности экспериментальных данных и высокой степени обоснованности научных положений и выводов. Достоверность полученных выводов подтверждается их согласованностью с результатами других авторов и на других объектах. Практическая ценность.

Полученные результаты измерений и установленные особенности магнитных свойств подводных базальтов и континентальных траппов могут быть использованы для дальнейшего изучения эволюции древнего геомагнитного поля. Явление самообращения намагниченности является альтернативным вариантом обратного намагничивания горных пород по

отношению к инверсиям ГМП. Оценивая вероятность существования образцов с явлением самообращения, можно оценить вероятность существования образцов без явления самообращения, которые могли быть обратно намагниченными при прохождении инверсий ГМП.

Защищаемые положения.

1. Получена величина напряженности древнего геомагнитного поля (НдР=77.5±1.5 АУм) которая была 0.1-0.5 млн лет назад в районе Красного моря. Столь высокая величина Ндр свидетельствует о возможной близости в ту эпоху древнего геомагнитного полюса к району Красного моря.

2. Получена величина палеонапряженности геомагнитного поля (НдР=17.6±1.6 А/и) в Мало-Ботуобинском районе Якутии которая была 250 миллионов лет назад.

3. Впервые показано, что явление самообращения в некоторых образцах траппов можно рассматривать как критерий непригодности этих образцов для определения значения Ндр.

4. Прямо и обратно намагниченные образцы траппов разного возраста и не имеющие признаков самообращения, свидетельствуют о возможной инверсии геомагнитного поля примерно 250 млн лет назад.

Личный вклад автора.

Работая в лаборатории геомагнетизма кафедры физики Земли физического факультета МГУ, автор принимал непосредственное участие в экспериментальных исследованиях, проводившихся на коллекции подводных базальтов рифтовой зоны Красного моря и юга САХ. Эксперименты на образцах траппов Мало-Ботуобинского района Якутии подготовлены и выполнены лично автором. Автором опубликованы две статьи и два тезиса.

Автор участвовал в создании установки, позволяющая определить вклад парамагнитной части при вычислении намагниченности насыщения траппов.

Апробация работы.

Материалы диссертационных исследований докладывались автором на научных конференциях "Ломоносовские чтения (Секция физика)" (апрель 2010, 2011). Основные результаты работы опубликованы в сборниках тезисов докладов соответствующих конференций и в научном журнале: "вестник МГУ" (Физика Земли , Серия 3. 2010 №б и 2011№6) (см. список публикаций автора).

Структура и объем диссертации.

Работа состоит из введения, 4 глав, заключения и выводов, изложенных на 91 стр. машинописного текста, и включает 34 рисунка, 4 таблицы и список литературы из 92 наименований.

Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю, профессору Владимиру Ильичу Трухину, за постановку интересной задачи, за научное руководство в течение моего обучения в аспирантуре, за плодотворные научные дискуссии и благожелательное ко мне отношение.

Большое спасибо зав. лабораторией профессору Валерию Ивановичу Максимочкину, за постановку экспериментальную часть моей работы, а также за помощь в интерпретации много полученных данных.

Также хочу поблагодарить коллектива лаборатории Геомагнетизма кафедры физики Земли физического факультета МГУ, на которой была выполнена настоящая работа, в частности, старшему научному сотруднику лаборатории Валерии Александровне Жиляевой за помощь с многочисленными использованными данными, а также младшему научному сотруднику лаборатории Юля Андреевна Минина за обучение на работу с аппаратурой лаборатории в течении первого года. Спасибо за поддержку Петрунину Геннадию Ивановичу, Попову Владимиру Георгиевичу, Ворониной Елене Викторовне, Люсиной Анне Владимировне, и всем сотрудникам кафедры физики Земли.

Большое спасибо за понимание и поддержку моей семье и друзьям.

Содержание работы.

Во введении сформулированы цель работы, ее актуальность, представлен объект исследования.

В главе 1 рассматриваются известные из литературы методы позволяющие по величине первичной естественной остаточной намагниченности 1по определить напряженность древнего геомагнитного поля. Отмечается, что наиболее распространенным является метод Телье, который заключается в сравнении величины разрушенной естественной остаточной намагниченности (1„о) термоостаточной природы при нагреве образца в отсутствие магнитного поля с величиной парциальной термоостаточной намагниченности 1фТ, образованной в лабораторном поле при охлаждении образца до комнатной температуры (Т0). Полученные результаты обычно представляют в виде диаграммы Араи-Нагата, где по оси ординат откладывают значения разрушенной части естественной остаточной намагниченности (Ir/Ino), а по оси абсцисс - долю образованной термоостаточной намагниченности (1фтЯпо) при циклических нагревах до температур T0<T1<T2<T3<...<Ti<Tc. При выполнении закона аддитивности, точки должны ложится на прямую, причем, если поле образования парциальной термоостаточной намагниченности 1грТ равно полю образования 1„о термоостаточной природы, то тангенс угла наклона должен быть равен 1.

Помимо метода Телье, который был использован в данной работе, существует также метод Shaw основанный на сравнение спектра

размагничивания в переменном поле естественной остаточной намагниченности со спектром размагничивания созданной термоостаточной намагниченности. Известен также микроволновой метод определения Ндр. В данном методе используют высокочастотные микроволны, которые возбуждают магноны в пределах магнитных зерен и таким образом обеспечивает ограничение термических и химических изменений магнитных зерен во время эксперимента.

Приводятся некоторые литературные данные, согласно которым была определена палеонапряженность геомагнитного поля для разных периодов времени с использованием метода Телье. Например, было определена палеонапряженность геомагнитного поля на вулканических породах западной Мексики возрастом (67.4 ± 1.2) млн. лет. Это соответствует концу мелового периода, для него палеонапряженность лежит в пределах от (19.9±4.2) до (44.3±3.6) мкТл, а виртуальные дипольные моменты ВДМ полученные при исследовании большинства образцов, составляли примерно (4.9±0.6)*1022А*м2, что на 63% меньше значения современного ВДМ=7.8*1022А*м2.

В данной главе также описываются магнитные свойства базальтов и траппов, известные из литературы, и рассматриваются критерии применимости образцов горных пород для решения палеомагнитных задач. Основным ферримагнитным компонентом, носителем палеомагнитной информации в подводных базальтах является титаномагнетит. Титаномагнетиты - это минералы, являющиеся членами ряда твердых растворов магнетит - ульвошпинель с общей химической формулой xFe2Ti04*(l-x) Fe304, где х - содержание ульвошпинели в твердом растворе.

Отмечается, что базальты рифтовой зоны Красного моря сравнительно молодые (менее 0.5 млн. лет) и поэтому титаномагнетиты в них находятся на ранней стадии однофазного окисления. Известно, что в условиях дна океана титаномагнетиты подводных базальтов могут окисляться до катионодефицитной шпинели - титаномаггемита. Титаномаггемизация характеризуется ростом точки Кюри, параметра решетки и уменьшением спонтанной намагниченности ферримагнитной фракции, что приводит к уменьшению первичной термоостаточной намагниченности базальтов и частичной потери палеомагнитной информации. В базальтах, имеющих ферримагнитную фазу с точкой Кюри Т>400°С вероятнее всего in situ происходили процессы гетерофазного окисления.

Таким образом, для оценки палеоинформативности 1„ подводных базальтов, необходимо прежде всего решать вопрос о сохранности первичного титаномагнетита, степени однофазного окисления или наличия гетерофазного окисления.

Для решения задач палеомагнетизма, помимо подводных океанских базальтов, являющихся эффузивными породами с мелкими магнитными зернами, часто используются интрузивные породы, имеющие в основном многодоменные зерна.

Сибирские траппы для задач палеомагнетизма начали изучаться с 1963г. Были определены физические свойства и возраст траппов, так как данная проблема интересовала компании алмазной разведки. К настоящему времени накоплен опыт разделения траппов на петромагнитные комплексы (ПМК). Для их выделения использовались первичные магнитные характеристики (□„, 1П, <3„), а также сведения об их петрохимии. Такие работы проведены на примере траппов Мало-Ботуобинского района Якутии. Магнитоминералогические свойства траппов каждой из пяти групп определяются различной степенью измененности их ферримагнитных зерен под действием факторов, характеризующих среду формирования траппов.

Изучение процесса размагничивания 1п траппов Сибирской платформы позволило выдвинуть гипотезу о том, что первичной намагниченностью обладают пермо-триасовые траппы (250 миллионов лет). Было показано, что низкотемпературную компоненту, которая встречалась в основной части из изученных образцов, можно интерпретировать либо как результат воздействия более позднего ГМП, или влиянием поздних прогревов. Было определено среднее направление геомагнитного диполя для пермо-триасовых траппов (50.8°Н, 149.6°Е).

В процессе изучения магнитных свойств траппов, было обнаружено самообращение 1п и ТЯМо- Явление самообращения является одной из основных проблем магнетизма горных пород, вносящее неоднозначность интерпретации обратной намагниченности горных пород.

В разделе 1.3 описаны особенности намагничивания ферримагнетиков, а также основные механизмы самообращения. Особое внимание обращается на механизм самообращения Ы-типа Неля, согласно которому самообращение происходит при достижении равенства магнитных моментов в двух соседних подрешетках при определенной температуре (точка компенсация), или при диффузии металлических ионов между подрешетками, но уже при высоких температурах.

В главе 2 приведено описание исследованных образцов подводных базальтов юга САХ (30-18, 31-37, и 51-3) и Красного моря (53-4, 57, 62-3, 651, 66-4, 68-2, 71-3, 72-5, 65-3,65-2, 61-1, 67 и 70-2) и континентальных траппов (Пи-10, К-4, 334-5, К-6, 315-13, Ки-2, 331-2, 299-2, 315-11, 334-24, 332-4, 326-3), а также координат места их отбора. Подводные базальты

Красного моря имеют особо высокие значения 1„ по сравнению с базальтами юга САХ, что и объясняет выбор этих двух коллекций для исследований.

В данной главе также приведена информация об аппаратуре которая была использована в работе: ротационный магнитометр Л1-6 для измерении намагниченностей образцов, прибор ИМВО-М для определения магнитной восприимчивости, вибрационные магнитометры ВМА-1 и ВМА-2, с помощью которых проводились термомагнитные анализы и определялись коэрцитивные параметры образцов а также проводилось моделирование Т1Ш в лаборатории. Приведена также оценка ошибок измерения магнитных параметров.

В главе 3 представлены результаты экспериментальных исследований коллекции подводных базальтов Красного моря и юга САХ, а также континентальных траппов Мало-Ботуобинского района.

В разделе 3.1 представлены свойства естественной остаточной намагниченности подводных базальтов, оценены фазовое и структурное состояния ферримагнитных зерен изучаемых образцов, и определена величина палеонапряженности геомагнитного поля ГМП образования 1по в районах Красного моря и юга САХ.

Характеристики образцов подводных базальтов представлены в табл.1. Максимальная температура блокирования (Ть них) базальтов Красного моря, определенная по разрушению 1„ при нагреве образцов в отсутствие магнитного поля, изменяется от 320°С до 570°С (таб. 1). Исследованные образцы имеют довольно высокие величины естественной остаточной намагниченности (1„= 6.4-107.8 А/м) и параметра Кенигсбергера (рп=105-794). Образцы базальтов юга САХ имеют меньшие величины 1п = (4.6-28.9) А/м, 0„= 12.5-104 и ТЬ<290°С, чем базальты Красного моря. Они также характеризуются меньшей стабильностью 1„ при терморазмагничивании образцов. Действительно, температура при которой размагничивается 50% 1„ базальтов САХ колеблется примерно в пределах (160-200)°С, тогда как данная температура для базальтов Красного моря изменялась от 205 до 420°С (таб. 1). Данный факт объясняется тем, что базальты САХ относительно моложе (возраст 0.1-0.3 миллионов лет), чем базальты Красного моря (0.5 миллионов лет) и благодаря этому имеют меньшую степень однофазного окисления в условиях дна океана.

Таблица 1.

Магнитные характеристики базальтов дна юга Атлантики и дна Красного моря. 0 - базальты хребта Буве,2) - базальты юга САХ,3> - базальты Красного моря.

образец 1„, А/м ®о хЮ'г ед.СИ Р„ 1,Л Н„ мТл Н. Тс, °С т (50%1„) Тьтах) "С Ндр, А/м Возраст, млн. лет

30-18(2) 4.6 1.3 12.5 - - 160 174 22 0.1

31-37(2) " 17.8 0.89 70 14.5 1.38 175 270 32 0.2

51-3(1) 4 28.9 0.98 104 29.3 1.29 200 291 33 0.3

53-4 3> 47 0.39 392 56 1.34 347 470 Не более 0.5 млн лет

57 3) 39.9 0.4 325 44 1.27 346 477 89

62-3(5) 3) 66.5 0.45 481 75 1.67 375 360

65-1(3) 3) 53.6 0.22 794 45.2 1.54 345 570 76

66-4(4) 3) 107.8 1.32 266 0.35 -0.5 24 1.23 280 470 580 280 362

68-2(6) 3) 70.3 1.22 188 20 1.25 260 361

71-3(5) 3) 52 1.61 105 0.35 16 1.25 250 250 350 79

72-5(5) 3) 64.7 1.9 111 0.29 14 1.28 205 240 320

65-3(1) 3) 23 0.38 223 0.22 34 1.35

65-3(8) 3) 55.7 0.64 318 0.28

65-2 31 9.1 1.58 213 0.19 24.7 2.1 480 580 420 540 77.5

61-1 » 18.3 0.25 273 230 205 350

67 3> 6.35 0.22 109 410 520

70-2 31 76.9 0.40 709 350 460

Для определения палеонапряженности геомагнитного поля (Ндр) по

остаточной намагниченности базальтов рифтовой зоны Красного моря и юга Срединного Атлантического хребта САХ были отобраны образцы, естественная намагниченность (1„) которых была в основном однокомпонентной.

При исследовании образцов базальтов Красного моря были обнаружены образцы как с низкими точками Кюри Тс (образцы №№ 72-5, 713, 61-1, Тс= 225-250°С), так и с высокими Тс (образцы №№65-2, 66-4, Тс= 470580 °С). Согласно электронно-зондовому анализу, магнитные свойства исследованных базальтов Красного моря обусловлены титаномагнетитовыми зернами. Содержание ТЮ2 колебалось от 11.63% до 17.66%. В отдельных пробах было обнаружено небольшое содержание М^О (0.43%) и МпО (0.46%). Содержание ульвошпинели (х) в предположении, что зерна состоят из титаномагнетитов стехиометрического состава хРегТЮ/ (1 -х)Ре304, колебалось от х=0.34 до х=0.55.

Очевидно, что на образцах имеющих невысокие точки Кюри, большая часть /„ является первичной. Согласно данным термомагнитного анализа за магнитные свойства базальтов №65-1 и №65-2 отвечают ферримагнитные фазы с точками Кюри 480°С и 580°С. Однако микрозондовый анализ показал, что в ферримагнитных зернах содержится большое количество ТЮ2 (от 11.63% до 14.76%). Титаномагнетит стехиометрического состава с таким

содержанием ТЮ2 должен иметь точки Кюри Тс=275-330°С. Наличие магнетитовой точки Кюри при большом содержании ТЮ2 свидетельствует о том, что исходный титаномагнетит в этих базальтах гетерофазно окислен.

Если фазы с высокими точками Кюри образовались на стадии формирования базальта, т.е при Т>600°С, то естественная намагниченность магнетитовой фазы будет иметь термоостаточную природу, а магнитные свойства соответствовать высокотемпературному состоянию. Если высокотемпературная фаза образовалась при Т<ТС (Ть), то 1„ должна иметь химическую природу, а магнитные свойства соответствовать низкотемпературному состоянию. Для доказательства справедливости того или иного утверждения сравнивались коэрцитивные спектры нормального намагничивания, полученные из различных состояний. Было показано, что спектры нормального намагничивания из абсолютного нулевого состояния (АНС - состояние) и из состояний близки к спектру нормального намагничивания из 1п состояния. Спектр нормального намагничивания из нулевого состояния (НС - состояние) существенно отличается от спектра из 1„ состояния. Данный эксперимент доказывает термоостаточную природу намагниченности подводных базальтов с высокими Тс.

По критерии Дея, было установлено, что ферримагнитная фракция образцов представлена как однодоменными (ББ) и псевдооднодоменными (РБЮ) зернами, сделан вывод, о том, что метод Телье может быть использован для данных образцов для определения величины Ндр.

Сравнение £РТИМ и ТЕМ, созданных в лаборатории, показало, что закон аддитивновсти и независимости намагниченностей, выполнялся для подводных базальтов с погрешностью не выше 6%. До того как определить поле образования 1п0 базальтов, проверялась работоспособность метода Телье на искусственной созданной ТИМ. Поле образования ТЯМ получилось на (8-11)% выше, чем реальное поле образования ТЕМ. Эта завышенная оценка поля образования ТИМ может быть связана с наличием в ферримагнитной фракции исследованных образцов псевдоооднодоменных зерен 71-3(5) (1ГД=0.35; Нсг/Нс=1.25, таб.1) и 65-2 (1ге/15=0,19; Нсг/Нс=2.1, таб.1).

Далее непосредственно использовали метод Телье для определения поля образования первичной остаточной намагниченности 1п0 образцов базальтов Красного моря и юга САХ. Зависимость (1грт/1по)=^1Лпо) на диаграмме Араи-Нагата с достаточной точностью можно было аппроксимировать линейной функцией (рис.1 а, б).

1Дл

♦ 1 «"1.91 ж 2 к=0,98 а з к=о,бб о 4 к=0,95 ж 5 к=0.99

'грт/'пО

.. . . ;иП

■345

0,2

0.6

1.2

б.

Рис.1. Диаграмма Араи-Нагата определения Ндробразования 1„0 базальтов:

а. юга САХ. 1-обр. 30-18(2), 2-обр. 31-37(2), 3-обр. 51-3(1) (Н,аЬ=34А/м).

б. рифтовой зоны Красного моря. 1+3 - обр. 65-2,1-Н]аь=40А/м, 2-Н|аь=80А/м, 3-Н|аь=120А/м

4-обр. 65-1,Ньь=80А/м 5 - обр. 71-3, Н|аь=80А/м

Для образцов южной Атлантики величина папеонапряженности геомагнитного поля, определенная как НдР=|к(*Н!аь . где к-коэффициент линейной аппроксимации данных на диаграмме Араи-Нагата (рис. 1а), Н]аЬ-лабораторное поле, варьировалась от 22 А/м до 33 А/м (табл.1). Достоверность результата определения Ндр=22 А/м на образце 30-18 ниже, чем на образцах №31-37 и №51-3, так как в первом случае наблюдалось небольшое вращение вектора 1п при терморазмагничивании. Таким образом в районе хребта Буве (0.2-0.3) млн. лет назад величина палеонапряженности геомагнитного поля Няр=(32-33) А/м.

Дяя образца базальта 65-2 Красного моря коэффициент «к» на диаграмме Араи-Нагата в случае образования 1фт в лабораторном поле Н,аЬ=40А/м оказался больше единицы (к=1.91, рис. 16, линия 1), а в случае Н1аЬ=80 А/м (рис.1б, линия 2) - близок к единице. При Н=120А/м, к=0.6б (рис.16, линия 3). Для образца 65-1, получили к=0.95 (рис.1б, линия 4, Н|аЬ=80А/м), а для образца 71-3, к=0.99 (рис. 16, линия 5, Н1аЬ=80А/м).

Итак, определенная величина древнего магнитного поля Ндр на трех образцах базальтов Красного моря получилась равной 76-79 А/м, т.е примерно в 2,5 раза больше, чем современное ее значение в этом районе (Нс=30,7 А/м).

Величина Ндр =(32-33) А/м, определенная по 1п базальтов юга САХ (таб.1), оказалась примерно равна современной напряженности геомагнитного поля (Нс) в этом районе.

В разделе 3.2 представлены результаты исследования ориентированных образцов траппов Мало-Ботуобинского района Якутии. Величины естественной остаточной намагниченности 1п и ее составляющие по осям х,

У, 1 (1пх, 1пу. 1п2) и другие магнитные параметры представлены в таблице 2. Исследуемые образцы ориентированы. Были сопоставлены магнитные

Таблица2.

стественные магнитные характеристики траппов Якутии и характеристики палеомагнитного оля. Р- Полярность, ;д0 - наклонение до магнитной чистки, - наклонение после магнитной истки, 1°п - склонение после магнитной чистки, срдр -широта палеомагнитного полюса, Хдр -

олгота палеомагнитного полюса, Ндр - величина древнего магнитного поля.

№ Обр. WV"» ш 1„, А/м Р ' ffio, Ю"* ед. СИ Q» Jaoi ° ^ло» Ндр,А/м, или крит. Забрак. ВДМ, 10а А.м1

Пи-10 0.156/-0,359/-1,655 1.701 R 0.94 4.52 -76.7 -79.4 1.1 51N 82E 18 2.44

К-4 1.14/1.95/-5.05 5.527 R 1.95 7.06 -65.9 -75.1 0.7 40N 63 E Част. Самообр. „

334-5 -0.2/2.39/6.41 6.844 N 3.00 5.7 69.5 71.1 1.2 59S 113 W 18.9 2.67

К-6 I.8S3M.275/-1.447 2.674 R 3.3 2.03 -32.8 -79.8 -1.2 53N 109E хим. 1„

315-13 1.86/-8.22/0.53 8.44 N 3.47 6.08 3.6 45.8 1.0 37S 28E Пол. Самообр. _

Ки-2 0.605/-0.001/-1.183 1.328 R 0.83 3.99 -62.9 -73 -1.5 50N 116E Неуст. Фаза к Т

331-2 -0.12/0.19/4.4 4.409 N 1.58 6.99 87.1 88.3 -0.8 67S 94W Част. Самообр.

299-2 -0.97/6.01/6.55 8.942 N 2.69 8.30 47.1 66.2 -0.9 59S 70 W Пол. Самообр.

315-11 0.87/0.69/2.18 2.447 N 2.15 2.85 63 . . _ Пол. Самообр.

334-24 -1.01/-0.94/5.67 5.834 N 3.09 4.72 76.3 77 0.7 74 S 107W 16 2.22

332-4 0.68/0.3/5.59 5.639 N 3.38 4.17 82.4 76.6 -1.2 62S 84W Неуст. Фаза к Т.

326-3 -0.657/-0.467/-0.664 1.045 R 1.955 1.34 -39.5 -49 0.4 _ _ хим. I,

свойства подводных базальтов и континентальных траппов и определены величина и направление Ндр в районе нахождения траппов.

Образцы для исследований в виде кубиков были вырезаны так, что одна из плоскостей кубика была параллельна горизонтальной плоскости в точке отбора, а ось X была касательной к магнитному меридиану, ось Z - кубика соответствовала вертикальному направлению вниз. Это позволило составить представление не только о величине Ндр, но и о направлении Ндр в эпоху образования породы. Величины 1„ изученных образцов варьируют от 1.05 А/м до 8.94 А/м, а величины х0 от 0.83 * 10"2 до 3.47 * 10'2 ед. СИ. Фактор Кенигсбергера меняется от 1.34 до 8.30. Если наклонение 1п этих образцов J>0, направление их естественной остаточной намагниченности соответствует современной полярности дипольной части геомагнитного поля. Такие образцы были обозначены, как образцы N-типа. Если J<0 -образцы будут R- типа. Как видно из таб. 2, образцы траппов Пи-10, К-4, К-б,

Ки-2 и 326-3 имеют обратную полярность 1„ (К-типа). Образцы 334-5, 331-2, 299-2, 315-11, 334-24 и 332-4 имели положительную г-компоненту 1п, т.е. образцы И-типа.

Исследование естественной остаточной намагниченности образцов траппов путем размагничивания в переменом магнитном поле с максимальной амплитудой Ьтах=80мТл показало (рис.2), что в начале процесса размагничивания 1П (в интервале Ь=0-8 мТл), на 4-х образцах К-типа К-4, Пи-10, Ки-2 и 326-3 видно заметное увеличение значения остаточной намагниченности.

1.2

0.8 0,6 0,4

0,2 О

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Рис. 2. Кривые разрушения 1„ при размагничивании переменным магнитным полем образцов траппов Мало-ботуобинского района Якутии.

Вероятно это связано с размагничиванием компоненты намагниченности, направленной противоположено общему вектору намагниченности. По-видимому, данная намагниченность имеет вязкую природу, поскольку неустойчива и после воздействия переменного поля Ь=8-15 мТл (рис.2) размагничивается. Наиболее вероятное направление вязкой намагниченности соответствует современному направлению ГМП, а ее вклад в полную 1„ не превышает 15-18%.

На образце 334-5 также была обнаружена обратная компонента по отношению к основной части естественной остаточной намагниченности 1п, однако эта компонента более устойчива и размагничивается только после воздействии переменного магнитного поля Ь=40 мТл (рис.2).

Для данных образцов были построены диаграммы Зейдервильда для исследования компонентного состава при размагничивании в переменном поле. Для определения Ндр были выбраны образцы с однокомпонентной намагниченности.

С целью определения величины Ндр по 1п траппов Мало-Ботуобинского района Якутии было исследовано фазовое и структурное состояния ферримагнитных зерен образцов. Для этого был проведен термомагнитный анализ образцов и определены точки Кюри ферримагнитных фаз. Тс определялись по зависимости намагниченности от температуры в полях Н=0.24 Тл и Н=0.25 мТл при нагреве образцов от комнатной температуры до 600°С и их охлаждении. По ходу кривых нагрева и охлаждения, и по измеренным магнитным характеристикам (коэрцитивные силы и намагниченности насыщения), была оценена устойчивость образцов к нагреву. Для определения Ндр были выбраны образцы более устойчивые к нагреву и имеющие в основном одну компоненту намагниченности. Перед определением величины Ндр по 1п траппов, также как и для базальтов, была проверена работоспособность метода Телье на созданной в лаборатории термоостаточной намагниченности ТИМ. Поле образования данной ТЯМ было получено с погрешностью не превышающей 7.6%. На образцах 334-5, Пи-10, и 334-24 имеющих в основном однокомпонентную намагниченность и более устойчивых к нагреву, было получено значение Ндр= (17.6±1.6) А/м. В отличие от базальтов, имеющих в основном однодоменные магнитные зерна, траппы имеют многодоменные магнитные зерна и зависимость (1фт/1по)=Г(1Лпо) на диаграмме Араи-Нагата невозможно аппроксимировать линейной функцией. Значения древнего геомагнитного поля обазования 1по траппов были получены при соединении точки на диаграмме Араи-Нагата полученной после разворота вектора Зейдервильда и точки при Т~ТС. На рис. 3 представлены диаграммы Араи-Нагата по которым была определена Ндр образования 1П0 траппов 334-5 (Ндр=0.472*40А/м=18.9А/м) и 334-24 (Ндр=0.4*40А/м=16А/м).

а. б.

Рис.3. Диаграммы Араи-Нагата для определения поля образования первичной намагничеености 1п0 образцов траппов.

На образцах 315-11 (рис.4а) и 299-2(рис.4б) было обнаружено явление полного самообращения, и на образцах К-4 (рис.4в), и 331-2 (рис.4г) частичное самообращение. Поэтому данные образцы были забракованы.

1-у, А1м

06р. 315-11

— 1. Охлалздение от 4Б0*С. И=0

—2. Ошиздше от 500*С. Н=0.

1.5 1 Ь

2,А/м

06р. 299-2

_V__

- Охлаждение от Т=400'С. Н=0. -Охлакяемиа отТ-505*С н=0.

— 1.0хл. 0т125°С. Н=0. -2. Охл. ОТ 178еС. Н=0 -ЗОхаотЗОГС. Н=0

УС

250 300 350

IX. А/м Обр. 331-2 ------------

- Охлавдение от Т=580°С. Н=200А/и

200

300

В. г.

Рис.4. Кривые охлаждения образцов траппа 315-11,299-2 и К-4 получены при построения диаграммы Араи Нагата.

Помимо величины древнего магнитного поля, определялось также его направление по естественной остаточной намагниченности траппов. На стереографической проекции Земли (рис.5) точками представлены палеомагнитные полюса, полученные по 1по образцов Я-типа. Данные полюса лежат в северном полушарии стереографической проекции Земли. Квадратом показано среднее положение виртуального палеомагнитного полюса, имеющего координаты фдр=(49±9)°М и Хдр=(93±30)°Е.

Координаты палеомагнитных полюсов, полученных по направлению более стабильной части 1п образцов И-типа, обозначены крестами и лежат в южном полушарии.

350 0 ,0

Рис.5. Палеомагнитные полюса на стереографической проекции Земли.

На рисунке 5 представлены координаты их проекции на северное полушарие стереографической проекции Земли. Среднее значение виртуального палеомагнитного полюса, рассчитанного по 1„ этих образцов равно срдр=(64±10)°8 А.др=(94±24)°\У. На стереографической проекции, положение палеополюса по образцам N - типа обозначено треугольником.

В главе 4 проводится обсуждение полученных результатов.

Раздел 4.1 посвящен анализу особенностей магнитных свойств подводных базальтов Красного моря и юга САХ, а также интерпретации полученных значений Ндр.

Установлено, что фазовый состав ферримагнитной фракции базальтов, определенный по результатам термомагнитного анализа, различен. Блокирующие температуры, определенные по остаточной намагниченности (1ПГ) при нагреве образцов, изменяются в достаточном большом интервале, что указывает на разные стадии окислений подводных пород. Кроме того, базальты Красного моря имеют значения 1„, а также точки Кюри и блокирующие температуры выше, чем у базальтов юга САХ. Их намагниченность более стабильна. У базальтов юга САХ, величина фактора Кенигсбергера (2„=1П/([]Н) меняется в пределах (12-104). У базальтов Красного моря С>п= (105-794). Повышенные значения 1п, и соответственно <3„ для базальтов Красного моря могут быть обусловлены повышенным значением магнитного поля в этом районе во время образования пород.

Среди исследованной коллекции базальтов Красного моря были обнаружены образцы, 1п которых разрушалась только после нагрева до температуры равной точке Кюри магнетита, и образцы с низкими точками Кюри. На основе электро-зондового анализа, а также после сравнения коэрцитивных спектров нормального намагничивания, было доказано, что большая часть естественной остаточной намагниченности базальтов Красного моря, носителем которой является фаза, близкая к магнетиту, имеет термоостаточную природу и является первичной. Что касается образцов, имеющих низкие точки (71-3, Тс=250°С и 72-5, Тс=205°С), то было установлено, что большая часть естественной намагниченности связана с низкотемпературной фазой и имеет термоостаточную природу. Причем, как видно из табл.1, результаты определения Ндр как на образцах с низкой степенью окисления титаномагнетита (обр.71-3), так и с высокой степенью окисления (обр.65-1, 65-2) совпадают в пределах погрешности. Такое совпадение также свидетельствует о том, что окисление титаномагнетита в образцах базальтов под № 65 произошло на стадии их формирования при Т>580°С.

Проверка закона аддитивности и независимости парциальных термоостаточных намагниченностей на подводных базальтах (£PTRM отличается от TRM не более, чем на 6%), а также проверка работоспособности метода Телье на искусственно созданной термоостаточной намагниченности позволила определить Ндр в районе Красного моря и юга САХ.

Величина палеонапряженности геомагнитного поля Ндр = (77.5±1.5) А/м в районе Красного моря оказалось в 2.5 раза выше современного значения поля (Нс=30.7 А/м) в этом регионе. Можно предполагать, что во время образования базальтов рифтовой зоны Красного моря в этом районе находился геомагнитный полюс. Если геомагнитный полюс находился в районе Красного моря во время образования пород, тогда виртуальный дипольный момент (ВДМ) Земли во время образования базальтов рифтовой зоны Красного моря должен быть на 35% выше современного значения.

В районе хребта Буве (0.2-0.3) млн. лет назад расчетное значение величины палеонапряженности геомагнитного поля Ндр=(32-33) А/м оказалось довольно близко к современной величине (Нсовр=28.4 А/м), т.е. всего на (10-15)% больше Нсовр. Можно предполагать, что 0.2-0.3 млн лет назад геомагнитный полюс находился в районе Красного моря, а геомагнитный экватор, соответственно, в районе хребта Буве. Данное утверждение хорошо согласуется с литературными данными, согласно которым миграция магнитного полюса 300 тыс. лет назад происходила через район Красного моря. Надо отметить, что данные исследования проводились

независимо от исследований проведенных в нашей лаборатории и с другими объектами.

Раздел 4.2 посвящен анализу магнитных свойств образцов траппов Мало-Ботуобинского района.

Изучение интрузивных древних континентальных пород траппов показало, что они существенно отличаются по магнитным свойствам от подводных базальтов. Их естественная остаточная намагниченность 1„ не превышает 9 А/м (см. таб.2), тогда как для базальтов 1„ достигает 108 А/м. Данный факт, по-видимому обусловлен большим размером ферримагнитных зерен носителей 1п в траппах. Действительно, отношение магнитных параметров образцов траппов (Irs/Is=0.05-0.18, Нсг/Нс=1.39-2.36) свидетельствует о преобладании в траппах более крупных малодоменных и многодоменных частиц, а подводные базальты имеют в основном более мелкие однодоменные ферримагнитные частицы (Irs/Is=0.19-0.5, Нсг/Нс=1.15-2.1). Отличие их коэрцитивных параметров и, следовательно, их доменной структуры отражает разные условия их образования. Лава в океанских условиях быстро остывает, и в базальтах образуются мелкие ферримагнитные зерна, тогда как траппы формируются в континентальных условиях с более длительным процессом охлаждения магмы и соответственно кристаллизации магнитных зерен. Данный факт усложнил определение значения Ндр по 1„ траппов. Вследствие этого достоверность определения величины Ндр по 1п траппов оказалась более низкой, чем по 1п базальтов.

На образцах траппов 315 и 299-2 было обнаружено явление полного самообращения. Следовательно могла произойти переориентация вектора естественной остаточной намагниченности во время образования породы или во время его существования. Данные образцы не могут быть использованы для определения величины древнего магнитного поля Земли.

При определении Ндр по естественной остаточной намагниченности 1„ образцов R - типа К-6 и 326-3, было установлено, что в состав 1п входит химическая намагниченность, не совпадающая по направлению с первичной намагниченностью. Об этом свидетельствовало сильное изменение наклонения 1п после чистки в переменном магнитном поле (таб.2). Кроме того, 1„ образца К-6 при нагреве до Тс=320°С размагничивается только на 50%. Можно предполагать, что половина намагниченности 1„ имеет химическую природу, которая была образована на фазе имеющей точку Кюри Тс>320°С. Что касается образца 326-3, то он обладает компонентой намагниченности более устойчивой к нагреву, которая размагничивается только после воздействии температуры Т=488°С. Вероятно данная компонента намагниченности также имеет химическую природу. Данные

образцы с признаками наличия химической намагниченности, также были забракованы.

На образцах К-4 и 331-2 было обнаружено частичное самообращение термоостаточной намагниченности, и поэтому нельзя их использовать для определения Ндр. Фазовый состав образцов Ки-2 и 332-4 сильно изменялся при термомагнитном анализе и, следовательно эти образцы не могли быть нагреты в цикле Арай-Нагата для определения величины Ндр.

Исследование образцов Пи-10, 334-5 и 334-24 показало, что они являлись самыми устойчивыми при нагреве и в них не было обнаружено явление самообращения. Величина древнего магнитного поля, определенная по 1„ данных образцов получилась равной Ндр=(17.6±1.6) А/м, что в 2 раза меньше величины современного магнитного поля в этом районе. Следует отметить, что данный результат хорошо согласуется с литературными данными, где при исследовании образцов траппов Норильского района и бассейна р. Большая Нирунда Сибири, получено значение Ндр = 18.4 А/м. Следовательно, можно предположить, что возраст этих траппов одинаков.

Среднее значение виртуального дипольного момента ВДМ по Ндр образцов Пи-10, 334-5 и 334-24 получилось равно (2.44±0.22)*1022А*м2, что на 70% меньше современного значения ВДМ (8.12*1022А*м2).

Образцы траппов представляли собой также интерес, тем, что они были ориентированы. Используя наклонения (I) и склонения (Б) вектора естественной остаточной намагниченности 1„ были определены положения виртуальных древних магнитных полюсов, как по 1„ обратно-намагниченных образцов т.е. образцы с ]<0 (Пи-10, К-4, К-6, Ки-2), так и по 1„ прямо намагниченных образцов, имеющих 1>0 (334-5, 331-2, 299-2, 334-24 и 332-4, таб. 2).

Древний виртуальный магнитный полюс (<рдр=(49±9)°М, Хдр=(93±30)°Е полученный на образцах с обратной намагниченностью .[<0 (Пи-10, К-4, К-6, и Ки-2) отличается от современного магнитного полюса, находящегося в южном полушарии. Это указывает на то, что за 250 миллионов лет, магнитный полюс переместился из северного полушарии в южное, что и подтверждает теорию о миграции магнитных полюсов. Однако из II-намагниченных образцов, на образце К-4 было обнаружено частичное самообращение. Координаты древнего магнитного полюса, полученного на образце К-4 (фдр=40^ и А,др=63°Е, таб.2) в большей степени среди Я-намагниченных образцов отличаются от среднего значения координат виртуального полюса (срдр=49°М, Хдр=93°Е). Исходя из этого факта, можно предполагать, что во время образования или существования породы происходило также частичное самообращение естественной остаточной намагниченности 1„, которое и отвечает за это отклонение.

Координаты древнего виртуального магнитного полюса (pip=(64±10)°S, >.др=(94±24)°\У, определенные по 1„ образцов с J>0 (N - типа образцы) слабо отличаются от координат современного магнитного полюса ((p0=64°S, lo=137°W). Палеоширота фдр и современная широта (ф0) геомагнитного полюса совпадают. Долготы несущественно отличаются. Среди N - образцов, на образце траппа 299-2 было обнаружено явление полного самообращения, поэтому можно предполагать, что данный образец был создан в поле обратной полярности (линии магнитного поля направлены от северного географического полюса к южному) и, из-за процесса полного самообращения, магнитный полюс определен по намагниченности этого образца оказывается на юге (<po=59°S, Xo=70°W). Тот же вывод был сделан для образца 315-13.

Что касается образцов 334-5, 331-2, 334-24 и 332-4, то можно предполагать, что они были образованы в поле прямой полярности и в это время северный магнитный полюс находился, как и в настоящее время, на географическом юге.

Выше описанные результаты, по-видимому, подтверждают гипотезу об инверсии магнитного поля в пермо-триасовую эпоху. Возрастное взаимоотношение пород не вполне ясно, хотя геологические исследования, проведенные на аналогичных дифференцированных интрузиях района, свидетельствуют в пользу того, что в первую фазу внедрились обратно намагниченные траппы, а во вторую фазу - прямо намагниченные траппы. Поэтому можно предполагать, что древний магнитный полюс переместился из северного географического полушария в южное за интервал времени между образованием обратно и прямонамагниченных траппов.

Что касается траппов 315-11, 315-13, 299-2 и К-4, то есть тех, для которых было обнаружено явление самообращение, то они расположены в зонах разлома. Однако, данных об активизации разлома во время внедрения траппов не имелись. Можно предполагать, что обнаруженное явление самообращения во время существования породы обусловлено изменением термодинамических условий.

В заключении подведены итоги полученных значений Ндр в районе Красного моря, юга САХ и Мало-Ботуобинского района Якутии. Также показано, что обратную намагниченность у континентальных траппов могут вызвать как процесс самообращения, так и инверсии геомагнитного поля. Образцы, имеющие признаки самообращения, были забракованы для определения величины Ндр, так как не ясно с какой частью намагниченности первичной или вторичной связанно самообращение, происходило ли in situ самообращение во время образования пород или во время дальнейшего их существования.

Выводы.

На основе проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

1. Первичная остаточная намагниченность базальтов достаточно хорошо сохранилась. Наличие высоких точек Кюри Тс= (550-580)°С в базальтах Красного моря обусловлено гетерофазным окислением титаномагнетита, которое произошло на стадии их образования при Т>ТС магнетита. Большая часть естественной остаточной намагниченности 1„ исследованных образцов базальтов Красного моря с высокими точками Кюри, также как и 1п базальтов Красного моря и юга САХ с низкими точками Кюри Тс=(200-250)°С имеет в основном термоостаточную природу.

2. Величина палеонапряженности геомагнитного поля Ндр = (77.5±1.5) А/м в районе Красного моря 0.2-0.5 млн лет назад была примерно в 2.5 раза больше величины современного ее значения, а в районе юга САХ величина Ндр= (32.5±0.5) А/м была всего на 10 % больше ее величины в современное время. На основе этих данных, можно сделать вывод о том, что геомагнитный полюс находился в ближайших окрестностях Красного моря, а геомагнитный экватор в районе хребтов Буве и юга САХ, причем, величина виртуального дипольного момента в это время была примерно на 35% выше современного.

3. Естественная остаточная намагниченность 1„ многодоменных магнитных зерен траппов Мало-Ботуобинского района Якутии обладает меньшей палеоинформативностью, чем 1п однодоменных зерен подводных базальтов Красного моря и юга САХ.

4. Лабораторные исследования показали, что метод Телье дает возможность определить напряженность ГМП образования намагниченности Т11М природы на исследованных базальтах и траппах с погрешностью не превышающей 11%. Обнаруженное явление самообращения у траппов Мало-Ботуобинского района Якутии не позволяет использовать эти образцы для определения величины палеонапряженности древнего поля применяя метод Телье.

5. Согласно проведенным исследованиям в Мало-Ботуобинском районе Якутии, палеонапряженность ГМП 250 миллионов лет назад была равна НдР=(17.6±1.6) А/м, а ВДМ=2.44* 1022А*м2, который на 70% ниже современного значения ВДМ.

6. Координаты древнего магнитного полюса определены по Ы-образцам траппов с положительным наклонением 1„ (фдр=64±10°8, А.др=94±24°'№) несущественно отличаются от координат современного магнитного полюса.

Координаты древнего магнитного полюса (фдр=49±9°М, л.др=93±30°Е), определенные по образцам траппов, имеющих отрицательное наклонение 1„ (Ы-траппы), отличаются от координат современного магнитного полюса (ф=64°8, Х=137°'Щ и находятся на разных полушариях.

Это свидетельствует о возможной инверсии геомагнитного поля примерно 250 млн лет назад. Обратная намагниченность траппов с наличием наблюдаемого в лаборатории явления самообращения намагниченности не может свидетельствовать об образовании первичной намагниченности в геомагнитном поле обратной полярности.

Список работ, опубликованных по теме диссертации.

1. Палеонапряженность геомагнитного поля в последние полмиллиона лет в районах Красного моря и юга САХ. В. И. Максимочкин, Ж. Р. Мбеле, В. И. Трухин, А. А. Шрейдер. Физика Земли, Атмосферы и Гидросферы. ВМУ. Серия 3. Физика. Астрономия, 2010, №6, с. 99-105.

2. Палеоинформативность естественной остаточной намагниченности некоторых траппов Якутии. Ж.Р.Мбеле, В.И.Максимочкин, В.И.Трухин. Физика Земли, Атмосферы и Гидросферы. ВМУ. Серия 3. Физика. Астрономия. 2011. №6.

3. Определение палеонапряжённости геомагнитного поля по намагниченности базальтов Красного моря. Ж. Р. Мбеле. Конференция «Ломоносов-2010», секция «Физика», подсекция «Геофизика».

4. Формирование наведенной анизотропии при термонамагниченности горных пород. Ж. Р. Мбеле. Ж. Р. Мбеле. Конференция «Ломоносов-2011», секция «Физика», подсекция «Геофизика».

Подписано к печати 13-03. Ш' Тнргж 400 Заказ

Отпечатано а отделе опертгнаной печати фкзкнескага факультета МГУ

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата физико-математических наук, Мбеле, Жан Реми, Москва

61 12-1/1058

Московский Государственный Университет им. М.В. Ломоносова

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

На права*: рукописи

Мбеле Жан Реми

ПАЛЕОМАГНЕТИЗМ ПОДВОДНЫХ БАЗАЛЬТОВ И КОНТИНЕНТАЛЬНЫХ ТРАППОВ

Специальность: 25.00.10. - геофизика, геофизические методы поиска полезных ископаемых

Диссертация

на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор Трухин Владимир Ильич

Москва-2012

Содержание.

Стр.

ВВЕДЕНИЕ.......................................................................................................4

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ПО ГЕОМАГНИТНЫМ ИССЛЕДОВАНИЯМ ОКЕАНСКИХ БАЗАЛЬТОВ И ТРАППОВ.

1.1. Методы определения палеонапряженности древнего геомагнитного поля....................7

1.2. Магнитные свойства подводных океанских базальтов и континентальных траппов... 11

1.3. Особенности намагничивания ферро- и ферримагнетиков...................................18

1.4. Постановка задачи....................................................................................26

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ, ПРИБОРЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ.

2.1. Образцы подводных базальтов Красного моря.................................................28

2.2. Образцы траппов Сибири............................................................................30

2.3. Аппаратура и методика магнитных исследований.............................................32

ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

3.1. Определение величины палеонапряженности геомагнитного поля (Ндр) по естественной остаточной намагниченности 1п базальтов Красного моря и юга САХ........38

3.1.1. Магнитные характеристики и свойства естественной остаточной намагниченности 1П подводных базальтов..........................................................38

3.1.2. Оценка фазового состава и структурного состояния ферримагнитных зерен...41

3.1.3. Проверка определения поля образования термоостаточной намагниченности на образцах базальтов методом Телье..................................................................44

3.1.4. Определение величины Ндр по 1„ базальтов Красного моря и САХ методом Телье.........................................................................................................46

3.2. Определение напряженности древнего геомагнитного поля Ндр по естественной остаточной намагниченности 1п траппов Мало-Ботуобинского района Якутии...............48

3.2.1. Естественная остаточная намагниченность траппов и ее свойства...............48

3.2.2. Фазовое и структурное состояния ферримагнитных зерен траппов...............51

3.2.3. Определение палеонапряженности геомагнитного поля.............................57

3.2.4. Исследование направления древнего геомагнитного поля образования 1п траппов Мало-Ботуобинского района Якутии..........................................66

ГЛАВА 4. ГЕОФИЗИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ МАГНИТНЫХ СВОЙСТВ БАЗАЛЬТОВ И ТРАППОВ.

4.1. Анализ особенностей магнитных свойств подводных базальтов и определений

величины Ндр в эпоху образования пород..............................................................69

4.2. Анализ магнитных свойств образцов траппов Мало-Ботуобинского района и определений древнего геомагнитного поля Ндр в эпоху их образования..........................71

ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................................................................76

ВЫВОДЫ............................................................................................................77

БЛАГАДАРНОСТИ.............................................................................................79

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ АВТОРА........................................................................80

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ........................................................81

ПРИЛОЖЕНИЕ ..............................................................................................88

ВВЕДЕНИЕ.

Земля имеет собственное магнитное поле, называемое "геомагнитным". Оно сравнительно небольшое по напряженности (от 27 А/м на экваторе до 57 А/м на географических полюсах Земли). Однако геомагнитное поле (ГМП) имеет глобальное экологическое значение для нашей планеты. По данным геологии и палеонтологии жизнь на Земле произошла и стала развиваться только с появлением у Земли геомагнитного поля. ГМП защищает Землю от сильного радиоактивного излучения, приходящего от Солнца (солнечный ветер) и из космоса (космические лучи). Таким образом, она защищает всю живую и неживую природу и делает возможной жизнь на Земле.

Горные породы, входящие в состав океанской земной коры, во время своего образования намагничиваются в геомагнитном поле Нг, которое было в это геологическое время. Содержащиеся в горных породах в небольших количествах (1-2%), магнитоупорядоченные минералы (ферримагнетики), имеющие свойства "магнитной памяти", приобретают естественную остаточную намагниченность (1п). Естественная остаточная намагниченность и другие магнитные характеристики минералов, размер, форма и внутренняя морфология магнитных зерен, их концентрация и характер их распределения в "немагнитной матрице" дают богатейшую геолого-геофизическую информацию о возникновении, генезисе, возрасте горных пород, а также о других их свойствах и об условиях их образования. Палеомагнитные исследования величин и направлений дошедшего до нашего времени магнетизма древних пород позволяют определить направление древнего ГМП и положение геомагнитных полюсов на поверхности Земли в эпохи намагничивания пород.

Палеомагнитными исследованиями было обнаружено, что направление намагниченности древних пород изменялось с течением геологического времени: породы намагничивались либо по направлению, близкому к направлению современного ГМП, либо противоположно этому направлению. Ученые предположили, что такие изменения на угол 180° направлений намагниченности древних горных пород связаны с переполюсовками (инверсиями) ГМП. В последние 400-600 млн лет таких инверсий было боле 100.

В период инверсий напряженность ГМП должна сильно уменьшаться и тем самым должна нарушаться глобальная экологическая защита поверхности Земли от космического радиоактивного излучения. Это приведет с неизбежностью к нарушению нормальной эволюции и жизни на Земле.

Дальнейшие исследования свойств магнитных минералов в составе горных пород привели к открытию т.н. явления самообращения намагниченности в некоторых горных

породах: при термонамагничивании таких пород в лаборатории их намагниченность имела направление, противоположное намагничивающему полю.

Итак возникла альтернатива: антипараллельная современному ГМП намагниченность в породе может возникнуть как за счет инверсий ГМП, так и за счет явления самообращения намагниченности.

Непосредственное исследование инверсий невозможно: они происходят через 5-10 млн лет, при этом продолжительность одной инверсии около 5 тыс. лет.

Актуальность проблемы.

Определения величины и направления древнего ГМП (Ндр) по остаточной намагниченности древних изверженных горных пород являются важными для исследования эволюции геомагнитного поля от древнего до нашего времени.

В природе были обнаружены породы, направление намагниченности которых соответствует как современной полярности геомагнитного поля, так и обратной его полярности. Направления остаточной намагниченности древних горных пород разной полярности могут быть обусловлены как сменами направлений ГМП (инверсиями), так и явлениями самообращения намагниченности. На кафедре физики Земли ведутся глубокие исследования магнитных свойств природных ферримагнетиков с целью определения вероятности самообращения намагниченности в древних горных породах. В зависимости от степени вероятности самообращения намагниченности можно оценить и вероятность инверсий ГМП. Важно отметить, что в период инверсий напряженность ГМП может сильно уменьшаться и тем самым будет нарушаться глобальная экологическая защита поверхности Земли от космического радиационного излучения. Это приведет с неизбежностью к нарушению нормальной эволюции Земли и ее биосферы.

Цель работы.

Диссертация посвящена исследованию магнитных свойств подводных горных пород (базальтов), отобранных со дна Красного моря и юга С АХ, и континентальных пород (траппов) Якутии разного возраста.

Материалы диссертационных исследований докладывались автором на научных конференциях "Ломоносовские чтения (Секция физика)" (апрель 2010, 2011). Основные результаты работы опубликованы в сборниках тезисов докладов соответствующих конференций и в научном журнале: "вестник МГУ" (Физика Земли , Серия 3. 2010 №6 и 2011№6) (см. список публикаций автора).

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ПО ГЕОМАГНИТНЫМ ИССЛЕДОВАНИЯМ ОКЕАНСКИХ БАЗАЛЬТОВ И ТРАППОВ. 1.1. Методы определения палеонапряженности древнего геомагнитного поля.

Наличие в породах естественной остаточной намагниченности 1п, величина и направление которой отражает величину и направление древнего ГМП, которое было во время образования породы, дает возможность изучать историю геомагнитного поля в прошлые геологические эпохи. Такой косвенный метод изучения древнего магнитного поля называется палеомагнетизмом. Осадочные слои несут информацию об изменении направления палеомагнитного поля [1, 2], но не используются для определения палеоинтенсивности геомагнитного поля. Исследование палеомагнитного поля на вулканических породах позволяет определить и направление, и величину древнего магнитного поля для определенного региона, где производились отбора образцов. Однако сложно сделать корреляцию разных регионов и определить их глобальные особенностей [3,4, 5].

Палеомагнитный метод основан на двух основных предположениях. Геофизическое предположение состоит в том, что геомагнитное поле в прошлые геологические эпохи было как и в настоящее время полем центрального осесимметричного диполя, каковым и основная часть современного поля. С физической точкой зрения предполагается, что направление 1п совпадает в среднем с направлением древнего поля Ндр, величина 1п пропорциональна Ндр и в основном сохраняется в течение многих тысяч и миллионов лет до наших дней. Намагниченность I горных пород состоит из двух компонент: I = &0Нгм + 1п

где З^о - начальная магнитная восприимчивость горной породы, 1п - измеренная при Н=0 естественная остаточная намагниченность, 3£0.Н - обратимая, индуцированная ГМП намагниченность, которая равна нулю при Нгм=0.

К настоящему времени существует множество лабораторий, занимающихся определением напряженности древнего геомагнитного поля (Ндр) по археологическим и геологическим данным. Известны несколько методов определения палеонапряженности геомагнитного поля. Однако следует отметить, что ферримагнитные минералы в вулканических породах часто претерпевают физические и химические изменения, как т йки, так и при их нагреве в лабораторных условиях. Поэтому среди палеомагнитологов сложилось общепринятое мнение о том, что наиболее надёжные абсолютные определения палеонапряженности производятся на изверженных породах, несущих естественную

термоостаточную намагниченность (ТКМ), с использованием метода Телье [6] или его модификаций.

Создана расширенная база мировых данных по палеонапряжённости ГМП за последние 400 млн. лет, включающая в себя почти 3000 определений, из которых более 1000 определений получены методом Телье.

Прежде, чем описывать непосредственно метод Телье, хотелось бы привести положения, которые наблюдал и сформулировал Телье [6]: "В некотором температурном интервале (ТьТ2), Т0<Т1<Т2<ТС, имеется магнитный момент, соответствующий данному образцу и данному полю Н, который приобретается образцом, когда тот охлаждается от Т2 до Т1 в этом поле. Этот момент параллелен Н и не зависит от нагревов до температур, меньших Ть но полностью исчезает при нагреве до Т2. Более того, он не зависим от других термоостаточных моментов, лежащих вне (Т2,Т]), даже если они обусловлены полями Н, которые различаются по величине и направлению. Все эти моменты геометрически складываются, но, что может показаться парадоксальным, каждый из них совершенно независим и сохраняет своеобразную точную память о тех температурах и полях, в которых он был создан". Очевидно, что магнитный момент, о котором идет речь выше, есть парциальная термоостаточная намагниченность 1грт (Т2,Т;[), образованная при охлаждении от температуры Т2 до Т] в поле Н. Буквой Тс обозначается точка Кюри образца.

Именно этот текст лег в основу важнейших в палеомагнетизме законов Телье независимости и аддитивности рТКМ, формулировку которых можно найти, например, в книге Нагата [7]. В методе Телье предполагается выполнение законов Телье. Закон аддитивности в своем простейшем виде может быть записан так: 1грТ (Т2,Т0+ 1Грт (Тз,Т2) = V (Т3,Т0 (1.1)

Закон независимости включает в себя следующие свойства: 1) 1грт (Т2,Т1) не зависит от Ггрт, приложенных в других температурных интервалах. 2) 1грт (Т2,Т]) не терморазмагничивается при нагреве до Ть но полностью разрушается при нагреве до Т2. 3) При охлаждении образца в отсутствие магнитного поля от Т1 до Т0 (при условии, что Т[ >То) величина 1грт (Т2,Т1) растет пропорционально спонтанной намагниченности 1з(Т). 4) 1грт (Т2,Т1) обратима по отношению к охлаждению и последующему нагреву в отсутствие внешнего поля до тех пор, пока Т не превышает Т] [80].

В методе Телье [6] сравнивается величина разрушенной первичной естественной остаточной намагниченности (1„о) термоостаточной природы при нагреве образца в отсутствие магнитного поля с величиной парциальной термоостаточной намагниченности

1грт, образованной в лабораторном поле при охлаждении образца до комнатной температуры (Т0). То есть, образец из естественного состояния (1„о) подвергается нагреву сначала без поля до температуры Т1 (T0<T1<T2<T3 <... Т| <ТС), охлаждается в отсутствии магнитного поля, и измеряется остаточная намагниченность 1„, затем образец вновь нагревается до той же температуры Т1 без поля и охлаждается до комнатной температуры, но уже в известном лабораторном поле, и измеряется образованная таким образом парциальная термоостаточная намагниченность 1грт. Затем эксперименты повторяются, но нагревы образца идут до более высокой температуры Т2 (T0<T1<T2<T3 <... Т; <ТС) и т.д. Полученные результаты представляют в виде диаграмм Араи-Нагата, где по оси ординат откладывают значения разрушенной части от естественной остаточной намагниченности (1гД,о), а по оси абсцисс - долю образованной (1грт/1по)• При выполнении закона аддитивности (1) точки должны ложится на прямую, причем, если поле образования парциальной термоостаточной намагниченности 1грт равно полю образования 1по термоостаточной природы, то тангенс угла наклона должен быть равен 1 [7].

С помощью метода Телье или его модификаций [8] было выполнено множество определений палеонапряженностей геомагнитного поля для разных периодов времени. В работе [9] описан модифицированный метод Телье, согласно которому образцы должны быть греты только один раз до определенной температуры и охлаждены в магнитном поле перпендикулярное направлению 1п. Метод может быть использован только в том случае, если направление естественной остаточной намагниченности не меняется во время размагничивания образца переменным полем. Тогда с достоверностью, можно полагать, что 1п не меняется и при терморазмагничивании образцов и соответственно 1п является однокомпонентной.

Так авторы [10] определили методом Телье палеонапряженность геомагнитного поля на вулканических породах западной Мексики возрастом (67.4 ± 1.2) млн. лет. Это соответствует концу мелового периода, для него палеонапряженность по данным [10]

лежит в пределах от 19.9±4.2 до 44.3±3.6 мкТл, а виртуальные дипольные моменты ВДМ

получены при исследовании большинства образцов составляют примерно (4.9 ± 0.6) х10 А.м2, что на 63% меньше значения современного дипольного момента ВДМ ~ 7.8><1022 Ам [10]. Методом Телье были

выполнены определения палеонапряженности НДр на

границе Пермь-Триас и в поздней Перми (возраст пород примерно (251-275) млн. лет)

[11]. Ндр для данного периода оказалась очень низкой (от 11 до 27 мкТл) по сравнению с

современным значением поля, тогда как для ранней Перми, в значениях ВДМ,

22 2

представленных в работах [12], наблюдается большой разброс: от 1.9x10 Ам до 12.92х1022 Ам2. В

позднем и среднем карбоне для УЭМ характерны, по [11], высокие

�

Информация о работе