Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему
Вариации геомагнитного поля в позднем палеозое и раннем мезозое
ВАК РФ 04.00.22, Геофизика
Автореферат диссертации по теме "Вариации геомагнитного поля в позднем палеозое и раннем мезозое"
МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
РГ6 ОД
НА ПРАВАХ РУКОПИСИ
/ . I ; "
УДК 550.380
НУРГАЛИЕВ ДАНИС КАРЛОВИЧ
ВАРИАЦИИ ГЕОМАГНИТНОГО ПОЛЯ В ПОЗДНЕМ ПАЛЕОЗОЕ И РАННЕМ МЕЗОЗОЕ
04.00.22 - Физика твердой Земли
АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора геолого-минералогических наук
КАЗАНЬ-1997
Работа выполнена в Научно-исследовательской лаборатории палеомагнетизма и магнетизма горных пород НИЧ и на кафедре геофизических методов поисков и разведки месторождений полезных ископаемых Казанского государственного университета.
Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Гурарий Гарри Зиновьевич ( ГИН РАН)
доктор геолого-минералогических наук, профессор Печерский Диамар Михайлович (ОИФЗ РАН)
доктор физико-математических наук, профессор Головков Вадим Петрович (ИЗМИР РАН)
Ведущая организация : ВНИГРИ; г.С-Петербург.
Зашита состоится "8" октябри 1997 г. в 1052 часов на заседании Диссертационного совета Д.002.08.02 но защите докторских диссертаций при Объединенном Институте Физики Земли им. О.Ю.Шмидта Российской Академии Наук.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОИФЗ РАН.
Ваш отзыв на автореферат просим направить в двух экземплярах заверенных печатью по адресу: 123810, Москва, ул.Большая Грузинская, 10, Ученому секретарю Диссертационного совета Д.002.08.02.
Автореферат разослан "__" сентября 1997 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
А.М.Артамонов
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальпость проблемы. Палеомагнетизм в настоящее время является одним из наиболее перспективных инструментов, позволяющих получать информацию о состоянии глубинных геосфер в геологическом прошлом. Наиболее информативным для этих целей представляется анализ пространственно-временной структуры (ПВС) геомагнитного поля (ГМП) в прошлом. Ряды обсерваторских наблюдений, пригодные для глобального пространственного анализа, составляют не более 100 лет, что, естественно, не достаточно для прослеживания наиболее значительных изменений ГМП. Однако, даже сбор, обобщение и анализ исторических геомагнитных данных только за последние 400 лет уже позволил получить принципиально новые представления о структуре ГМП и его вариациях. Расширение временного интервала, в котором возможен анализ ПВС ГМП, чрезвычайно важен для восстановления процессов различной длительности в ядре и на границе ядро-мантия. Спектр геомагнитных изменений достаточно широк и, по современным представлениям, в нем могут быть линии с характерным временем до 108 лет, а амплитуда и масштабы геомагнитных изменений увеличиваются с ростом характерного времени (периода). Например, амплитуды палеовековых геомагнитных вариаций (РЭУ) с периодами несколько тысяч лет достигают 10-30°, что вполне может быть исследовано палеомагнитным методом. С учетом возможностей современных абсолютных датировок, ПВС подобных вариаций ГМП может быть исследована во временном интервале от современности до 2030 тыс лет т.н. Такая программа осуществляется путем палеомаг-нитного исследования донных отложений современных озер. Возможности дальнейшего расширения временного интервала анализа РЭУ ограничиваются точностью методов абсолютного датирования. Существует и другой путь прослеживания эволюции ГМП и процессов в ядре Земли. Он заключается в изучении параметров РЭУ в различные геологические эпохи и анализе характера изменения их периодов, морфологии и амплитуд во времени. Имеющиеся экспериментальные данные о спектре геомагнитных вариаций и теоретические представления об их генерации свидетельствуют о том, что наиболее информативными с точки зрения иследования эволюции геодинамо и параметров ядра являются РЭУ с периодами 103 лет. Изменения размеров, геометрии и структуры ядра Земли, проводимости и вязкости вещества должны приводить к изменению именно указанных РЭУ. К настоящему времени имеются лишь единичные примеры записей РЭУ древнее 50-100 тыс лет, немного больше работ, касающихся суммарной амплитуды РЭУ - дисперсии направлений естественной остаточной намагниченности (ЫГ1М). Это обусловлено целым рядом принципиальных проблем, возникающих при исследовании РЭУ по древним породам, среди которых главными являются следующие:
1.Выделение вариаций направлений NRM геомагнитной природы и оценка их достоверности в записях осложненных шумом и регулярными помехами различной природы.
2. Оценки скоростей накопления осадков и определение масштаба времени в разрезах.
3. Оценки дрейфа PSV невозможны ввиду малой точности относительной временной привязки колонок.
Решение указанных проблем и получение сведений о PSV в более древние эпохи могло бы дать важнейшую информацию для дальнейшего развития наших представлений об эволюции внутренних геосфер и процессов в жидком ядре и на границе ядро-мантия. С другой стороны, при этом, могут быть решены ряд задач принципиального характера, касающиеся практического применения палеомагнетизма в геологии вообще, в стратиграфии, тектонике и т.д. Цель и задачи работы. Главной целью работы являлось получение записей и основных параметров PSV геомагнитного поля в позднем палеозое и раннем мезозое по соответствующим отложениям востока Русской плиты. При этом были решены следующие задачи:
1. Разработка методики оценки природы изменений направлений NRM в колонках непрерывно отложенных глинистых пород.
2. Установление скорости накопления глинистых отложений и восстановление временного масштаба.
3. Разработка и адаптация методов обработки записей PSV для повышения достоверности интерпретации результатов измерений. Научпая новизда. Автором впервые получены данные об основных параметрах PSV (амплитуды, спектр, морфология) в позднем палеозое и раннем мезозое. Кроме того, в диссертации развит ряд новых методик и результатов, среди которых важнейшими являются следующие:
1. Предложена концепция магнитной неоднородности пород единичного уровня разреза, позволяющая получать принципиально новую информацию о помехах в палеомагнитных записях, восстанавливать вариации относительной палеонапряженности и выявлять природу изменений направлений NRM в колонках.
2. Разработан метод определения скоростей осадконакопления глинистых пород, основанный на комплексном анализе литологии, химического состава, магнетизма и палеомагнетизма пород. Впервые получены данные о средних скоростях осадконакопления глинистых пород перми и триаса востока Русской плиты, которые позволили реконструировать масштабы времени и оценить размеры перерывов и полноту разрезов в стратотипической области их распространения.
3. Получены новые данные по магнитным свойствам, магнитной минералогии и NRM гематит-маггемит-магнетит содержащих пород перми и триаса востока Русской плиты.
Достоперпость результатов. Достоверность полученных автором результатов определяется:
1.Большой статистической обеспеченностью экспериментальных данных. В процессе исследований было изучено более 20 разрезов, выработаны методики отбраковки зашумленных палеомагнитных записей. Основные закономерности получены по 9 характерным разрезам (13 колонок), общее количество исследованных в этих разрезах образцов составляет более 12000.
2. Использованием разнообразных литолого-фациальных, минералогических, магнитно-минералогических и собственно палеомагнитных методов обоснования выделения первичной палеомагнитно-информативной компоненты МГ{М, широким использованием критерия внешней сходимости и статистических методов.
Осповные защищаемые положения.
1. Методика определения скоростей накопления глинистых осадочных пород, основанная на детальном изучении слоистости, химического состава, магнитных свойств и ЫИМ.
2. Методики выделения и анализа РБУ в палеомагнитных записях в древних осадочных породах.
3. Параметры РЭУ в поздней перми и раннем триасе на востоке Русской плиты.
Научпая и практическая значимость работы. Разработанные в работе методы выделения и анализа РЭУ могут быть использованы при изучении РБУ по отложениям любого возраста, в том числе, и по осадкам современных озер. Методики статистической обработки, развитые на основе концепции магнитной неоднородности пород внутри уровня, открывают широкие перспективы для определения палеонапряженности по осадочным породам и оценки достоверности палеомагнитных определений. Полученные в работе параметры РЭУ для позднего палеозоя имеют важное научное значение для построения количественных моделей эволюции геомагнитного поля и внутренних геосфер: ядра, мантии и границы ядро-мантия. Практический и научный интерес для литолого-стратиграфических исследований представляет методика и результаты определения скоростей накопления глинистых пород на основе исследования микрослоистости и записей РЭУ. Эти данные позволяют оценить масштабы времени накопления и полноту разрезов, что имеет принципиальное значение для стратиграфического расчленения и корреляции.
Реализация результатов. Работы выполнены в период с 1978 по 1994 годы в Казанском государственном университете по бюджетной тематике научно-исследовательской лаборатории палеомагнетизма и магнетизма горных пород (НМЛ ПМ). Разработанные методики использованы при выполнении хоздоговорных работ по магни-тостратиграфии пермских отложений (Татарское геологоразведочное управление, ГГП "Татарстангеология", ПО "Волгагеология"
и др.). Результаты работ использованы в курсах "Петрофизика", "Теоретические основы обработки геофизической информации", спецкурсах по геомагнетизму, палеомагнетизму и магнетизму горных пород, читаемых автором в Казанском университете. Исходные материалы исследований. В работе использованы материалы исследований, полученные непосредственно автором или при участии автора в процессе полевых работ и лабораторных измерений. В процессе работ было исследовано более 20 разрезов пермских и триасовых осадочных пород по береговым обнажениям бассейнов p.p. Волга, Вятка, Ветлуга, Кама, Сухона, Зай, Шешма и других. Стратиграфическая привязка разрезов осуществлена в соответствии с существующими схемами стратиграфического расчленения МСК.
Личный вклад автора. Автором работы поставлены задачи, решение которых представляется в данной работе, им осуществляется научное руководство и непосредственное участие на всех этапах и направлениях исследований: организация и проведение экспедиционных работ, подготовка и измерение образцов горных пород, разработка аппаратурных комплексов и программного обеспечения, разработка математических методов обработки и интерпретация результатов. Под руководством автора по указанным направлениям были подготовлены и защищены кандидатские диссертации Д.И.Ха-сановым и И.Ю.Черновой. В опубликованных в соавторстве статьях автору принадлежат: постановка задачи, большая часть экспериментальных исследований и, полностью, интерпретация и обсуждение результатов. В статьях, касающихся аппаратурных разработок - постановка задачи, опробование на различных объектах и обсуждение результатов.
Апробация работы и публикации. Основные положения и результаты работы докладывались на ежегодных итоговых научных конференциях Казанского университета (Казань, 1978 - 1997 г.г.), Всесоюзных школах-семинарах по физическим основам палеомагнетизма (Борок , 1979 - 1984, 1997 г.г.), на заседаниях Научного Совета по Геомагнетизму АН ( Казань - 1980 г., Москва - 1995 г.), на Съездах по геомагнетизму (Тбилиси - 1981 г., Ялта - 1986 г., Суздаль - 1991 г.), на заседаниях Общемосковского коллоквиума по магнетизму горных пород и палеомагнетизму (Москва - 1983 г., 1994 г., 1997 г.), на Всесоюзных семинарах по тонкой структуре геомагнитного поля (Звенигород - 1987 г., 1990 г.), на 5 симпозиуме КАПГ "Солнечно-земная физика" (Самарканд - 1989 г.), на конгрессе "Пермская система мира" (Пермь, 1991 г.), на семинаре по палеомагнетизму ИГ АН УССР (Киев, 1983 г.), в этом же институте в 1983 г. автором была защищена кандидатская диссертация на тему "Методика исследования направлений естественной остаточной намагниченности осадочных пород". Работы автора представлялись на 18-22 Генеральных ассамблеях Европейского геофизического союза
(Эдинбург - 1993 г., Гренобль - 1994 г., Гамбург - 1995 г., Гаага -1996 г., Вена -1997 г.), на семинаре Института геофизики (ЕТН, Цюрих, 1995 г.). Всего по теме диссертационной работы опубликовано более 60 печатных работ, из них четыре монографии в соавторстве, одно авторское свидетельство на изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, &еф&1 глав и заключения. Общий обьем работы страницы, из
них страниц текста, 4M рисунков, 32 таблиц, имеется спи-
сок литературы из 3наименований.
На протяжении выполнения данной работы автор пользовался поддержкой и помощью П.Г.Ясонова, Б.В.Бурова и В.П.Боронина, на различных этапах в работе принимали участие A.C. Борисов, И.Я.Жарков, Ш.З.Ибрагимов, Д.И.Хасанов, И.Ю.Чернова, М.П.Гришина и многие другие. Выполнению работы способствовало обсуждение основных положений работы с Г.Н.Петровой, А.Н.Храмовым, Д.М.Печерским, (А.С.Большаковым .Г.З.Гурарием. С.П.Бурлацкой, К. Creer, F. Heller, В.Н.Вадковским, ¡Л.К.РябушкиныгД. В.А.Большаковым, В.М.Трубихиным, М.Л.Баженовым, Т.Б.Нечаевой, 1Г.Ф.Загнием| и многими другими. Всем им автор выражает свою самую глубокую признательность.
Основная финансовая поддержка работ осуществлялась Казанским государственным университетом (Госкомвуз РФ), отдельные разделы работы выполнены в рамках грантов РФФИ № 94-0517093, № 94-05-17508, № 95-05-15416, ГНТП № 18 "Глобальные изменения", программы "Геокосмос", грантов ISF (D-968, № 4885), гранта Швейцарского научного фонда №7SUPJ048550. Автор выражает благодарность всем этим организациям.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.
Во Введении дана общая характеристика работы: обоснована актуальность, сформулированы цель работы и основные защищаемые положения, кратко изложены: научная новизна, научная и практическая значимость работы, степень личного участия автора в получении основных научных результатов, апробация работы и содержание диссертации.
Глава 1. Вариации геомагнитного поля (обзор).
В данной главе кратко рассмотрены имеющиеся представления и данные о геомагнитных вариациях, полученных по наблюдениям в обсерваториях, по историческим определениям мореплавателей, по археомагнитным определениям, по палеомагнитным исследованиям отложений современных озер, морей и океанов, а также древних отложений различного типа. Также проведен анализ па-леомагнитных определений по космогенным изотопам 14С, 10Ве и др.
В целом, спектр палеовековых геомагнитных вариаций (PSV) представляется в первом приближении сплошным, подобно спектру "красного" шума, однако, при подробном рассмотрении на некото-
рых участках спектра выявляются статистически значимые пики. Это подтверждает гипотезу о дискретности спектра PSV (Г.Н.Петрова, С.П.Бурлацкая, 1979 ).
По обсерваторским наблюдениям выявлены вариации с периодами 11 лет, 20 лет, 30 лет, 60 лет (Головков В.П., Ротанова Н.М., Филиппов В.М; Калинин Ю.Д.; Ривин Ю.Р. и др.), наибольшей амплитудой обладают 60-летние вариации, возбуждаемые магнитоги-дродинамическими крутильными колебаниями у поверхности жидкого ядра (С.ИБрагинский, 1985). Источники вариаций с характерным временем менее 102 лет располагаются на низких широтах. Вариации близкого периода (~100 лет) выявляются также по результатам археомагнитных исследований и палеомагнитных исследований современных озер и молодых ледниковых отложений (Петрова Г.Н., Бахмутов В.Г. и др.).
Фундаментальные сведения о поведении геомагнитного поля во времени были получены по анализу исторических сведений о геомагнитном поле. В результате этих работ были построены карты элементов геомагнитного поля за последние 380 лет (Gubbins, Bloxham, 1983-1996). Полученные карты были пересчитаны на границу ядро-мантия (СМВ), что позволило построить карты движения вещества на поверхности ядра. Были установлены следующие факты:
1. Поле на поверхности ядра является существенно недипольным, следовательно, очевидным является практически полное отсутствие чисто дипольной компоненты в вариациях направлений геомагнитного поля на поверхности Земли.
2. Недипольные вариации, характеризующиеся западным дрейфом, наблюдаются наиболее отчетливо только на низких широтах и в интервалах долгот от ~90°Е до ~90°W.
3. Уменьшение суммарного магнитного момента Земли сопровождается развитием областей обратного потока на СМВ и других аномалий.
4. За все это время, 4 мировые аномалии (по две в высоких широтах каждого полушария) не претерпели существенных изменений.
Сопоставление полученных данных с результатами сейсмической томографии границы ядро-мантия и латеральной изменчивости скоростей распространения Р-волн в нижней мантии (DasWonsky etc.) показывает, что три из четырех аномалий магнитного потока лежат под холодными зонами в мантии. То есть, они привязаны к мантии. Отмечается также, совпадение некоторых горячих зон в мантии с областями изменяющихся аномалий магнитного потока (Юж.Африка, Северная Тихоокеанская зона и др.). Это свидетельствует о возможной определяющей роли термодинамики границы ядро-мантия не только на формирование "быстых" изменений ГМП, но и на процессы генерации поля вообще. Ограниченность временного интервала не позволяет в настоящее время сде-
лать определенные выводы о характере источников вариаций геомагнитного потока и их динамике.
Дальнейшее, практически не ограниченное во времени, получение информации об изменениях геомагнитного поля в прошлом возможно по археомагнитным и палеомагнитным данным.
К настоящему времени уже накоплены и обобщены археомаг-питпые даппые за последние 2-5 тысяч лет по следующим регионам: Япония, Китай, Россия, Кавказ, Закавказье, Египет, Ближний Восток, Украина, Молдавия, Средняя Азия, Чехословакия, Болгария, Франция, Англия, Перу, Северная Америка, Австралия (Буха В.В.; Бурлацкая С.П., Петрова Г.Н., Нечаева Т.Б.; Загний Г.Ф.; Начасова И.Е., Бураков КС.; L.Daly и многие другие). Детальность и точность определения элементов геомагнитного поля для различных регионов различна. Наибольшее количество данных собрано по па-леонапряженности, определение которой возможно по неориентированным образцам. Обобщение мировых археомагнитных данных позволяет установить следующие наиболее общие закономерности (С.П.Бурлацкая, 1995):
1. В настоящее время магнитный момент Земли уменьшается, максимальные его величины наблюдались около 500 года до н.э. Предыдущий минимум геомагнитного момента наблюдался -45003500 лет до н.э. Таким образом, характерное время наиболее мощной вариации палеонапряженности (от -25 до 75 гпТ), составляет -8000-10000 лет (по оценкам различных авторов).
2. В спектре PSV выделяются колебания с периодами ~8000-10000, ~3600± 400, -2800, -2400, -1800, -1200, -900, -600, -360, -200, -120, -110 лет.
3. PSV с периодами -360 лет и менее имеют локальный характер и некоррелированы по фазе уже на протяжении 10-20° по долготе.
4. PSV с периодами -1200, -1800, -8000 лет имеют глобальный характер, остальные, из выделенных периодов изучены слабо.
Палеомагнитпые исследования донных отложений современных озер представляются чрезвычайно перспективным для исследования геомагнитных вариаций по целому ряду объективных причин (Mackereth F., 1971; Creer К и др.). К настоящему времени, число исследованных озер достигает сотни, из них - несколько десятков записей имеют высокую достоверность и могут быть использованы для палеомагнитных реконструкций палеовековых геомагнитных вариаций (PSV). Точки надежных реконструкций PSV по озерным осадкам располагаются в Европе, Северной и Южной Америке, Австралии и др. Обзор результатов этих исследований позволяет сделать следующие основные выводы:
1. Основная доля PSV обусловлена недипольными источниками.
2. Периоды колебания недипольных источников изменяются от 1000 до 4000 лет.
3. Оценки западного дрейфа затруднены по причине недостаточной точности радиоуглеродных датировок.
4. Для различных регионов (Северная Америка, Европа, Австралия) периоды и морфология PSV существенно изменяются.
В последние годы получены новые данные по изменениям магнитного момента Земли за последние 300 тысяч лет на основе исследования доппых отложений морей и океанов. Основные результаты этих исследований, заключаются в следующем:
1. За последние 250-280 тыс.лет средняя величина виртуального ди-польного момента Земли (VADM) составляет около 5-6 -10 22 А-т2.
2. Обнаруживается наиболее длинный период изменения VADM, сравнимый с длиной рядов наблюдений (250-280 тыс.лет).
3. Наиболее значительные максимумы напряженности ГМП отмечаются во временных интервалах: 0-5 тыс.лет, 50±5 тыс.лет, 75±10 тыс.лет, 90+5 тыс.лет, 150+20 тыс.лет, 240±20 тыс.лет.
4. Наиболее значительные минимумы VADM отмечаются во временных интервалах: 20+5 тыс.лет, 40±5 тыс.лет, 60+10 тыс.лет, 105±10 тыс.лет, 180+15 тыс.лет, 270±10тыс.лет.
5. Спектр изменений VADM достаточно сложный и включает в себя следующие группы периодов: ~8-12 тыс.лет, -20-23 тыс.лет, -40-50 тыс.лет и около 250 тыс.лет.
Результаты, полученные по изучению космогеппых изотопов 14С (Т05~5730 лет) и 10Ве (Т05~1.5 млн.лет) подтверждают палео-магнитные данные полученные по исследованиям различных типов пород. Это касается как периодов вариаций палеонапряженности, так и фактов значительного понижения геомагнитного момента во время инверсий и некоторых экскурсов.
В работе рассмотрены данные по инверсиям геомагнитного поля, а также - по вариациям элементов геомагнитного во время инверсий (Г.Н.Петрова, 1991), где отмечается наличие вариаций направлений ГМП с периодами 600, 950-1500 лет и 3-4 тыс.лет. Во время инверсии Гаусс-Матуяма (2.4 млн.лет) исследованной в Средней Азии был обнаружен весь спектр PSV: ~ 600, ~1200, ~1800, ~2800, ~3600, ~5400, ~9000 лет. Во время инверсии Матуяма-Брюнес (0.7 млн.лет) изученной в том же районе обнаружены вариации направлений с периодами: -600, -800, -1300, -1800, -2600, -3600, -5200 лет.
Существенно меньше информации о геомагнитном поле и его палеовековых вариациях получено для более древних эпох. Наибольшее количество надежных данных получено о палеонапряженности древнего геомагнитного поля по изверженным и обожженным породам. Основные выводы этих исследований сводятся к следующему:
1. За последние 3.5 млрд. лет магнитный момент Земли изменялся в пределах от 2 до 12*1022 Am2.
2. Отчетливого тренда в изменении геомагнитного момента за указанное время не отмечается.
3. За последние 200 млн. лет наблюдается периодичность порядка 50-100 млн. лет. Отчетливо выявляется Мезозойский минимум поля в интервале 110-170 млн. лет назад.
Можно отметить, что обобщая имеющиеся данные по палеона-пряженности в позднем палеозое можно предполагать уменьшение магнитного момента Земли в это время от значений ~6-8*1022 Am2 до 3-4*1022 Am2.
PSV по древним породам с возрастом более 1 млн. лет исследованы очень слабо. В 1960-х годах информация об угловой дисперсии направлений NRM по древним породам активно анализировалась в связи с оценкой погрешности определения положения палео-полюсов, доказательством дипольности геомагнитного поля, а также оценкой дипольной и недипольной компонент в изменениях палео-магнитных векторов (Сох A, et al.). В последние годы такой анализ используется для создания моделей поля на основе анализа широт-но-долготной зависимости амплитуд вариаций элементов ГМП (К. Constable, et al). Развитие подобного подхода к исследованиям PSV имеет важное значение в приложениях палеомагнетизма. Однако, суммарная амплитуда PSV, даже если она корректно выделена из угловой дисперсии NRM, является только одной из характеристик PSV. При этом в стороне остаются морфологические параметры, периоды, типы PSV и т.д. Исследование последних представляет собой особую проблему, в которой главной задачей является поиск подходящих для этой цели объектов, а также разработка методов выявления PSV в палеомагнитных записях в древних осадочных породах. Решению указанных задач и посвящена данная работа.
Обобщение приведенных выше данных позволяет сделать следующие основные выводы:
1. Если просуммировать все данные о периодах PSV можно увидеть, что спектр в первом приближении представляется практически непрерывным (сплошным), он очень похож на спектр красного шума. В каком-то смысле это, по-видимому, соответствует истине. Процессы генерации PSV протекают в различных геосферах, начиная от газово-плазменной оболочки Земли до твердого субъядра, при этом могут реализоваться колебания самой различной длительности и амплитуды. Вся система генерации PSV является существенно нелинейной и в ней, в принципе, кроме основных колебаний могут реализоваться все возможные их комбинации. Кроме того, необходимо учитывать неточности определения амплитуд и периодов PSV по палеомагнитным и археомагнитным данным.
2. С другой стороны, измерения в отдельных точках конкретными методами (обсерваторскими, археомагнитными, палеомагнитными) демонстрируют дискретность спектра PSV (Г.Н.Петрова, С.П.Бур-лацкая, 1979). Различие в фазах и амплитудах колебаний в раз-
личных точках может быть обусловлено как расстоянием до источников, так и перемещением самих источников. Однако, некоторые вариации геомагнитного поля обнаруживаются по различным типам данных для различных территорий. Это относится к колебаниям ~5 0 0-6 0 0 лет, обнаруживаемым по историческим, археологическим и палеомагнитным (озерным) данным для последних 10 тыс.лет. Это же можно отнести к вариациям с периодом —1200, ~1800 лет, установленным как по археомагнитным, так и по озерным данным, практически по всему земному шару. 3. Более длительные периоды определяются не настолько точно, хотя и можно отметить периоды около -10, ~20 и ~40 тыс. лет и более в изменениях палеонапряженности. Общим для этих периодов, а также некоторым более коротким: ~500-600 лет, -1200, ~1800 лет, является то, что они проявляются и в других геопроцессах: климате, сейсмичности, и др., а также - в астрономических явлениях (солнечная активность, изменения гравитационного поля в Солнечной системе и т.д.). Длительное действие слабых периодических воздействий (например, изменения гравитационного потенциала в Солнечной системе являются стабильными в течение многих десятков, а то и сотен миллионов лет) имеет способность накапливаться в подобных сложных нелинейных системах. В некоторых случаях, такие воздействия имеют решающее значение в колебаниях сложных систем, например, в изменениях климата Земли под действием астрономических причин (циклы Миланковича). Атмосфера и биосфера, являясь существенно нелинейными системами, дают сложный отклик на изменения астрономических сил, но периодичность при этом сохраняется. Аналогичное внешнее воздействие может быть оказано и на геомагнитное динамо. Это может быть одной из причин, которые и приводят к стабильности некоторых периодов изменения элементов ГМП.
3. Т.е. обнаружение "линий" в обобщенном спектре PSV вполне возможно, и спектр, в действительности, может быть почти-дискретным. По-видимому, исходя из представленных выше данных, стабильные "линии" могут существовать в следующих интервалах периодов: ~600±100 лет; ~900±100 лет; ~1200±150 лет, -1800+200 лет; ~2400±400 лет; ~3500± 500 лет. К сожалению, выявить "линии" в области периодов менее 600 лет не удается из-за ограниченности исторических данных, из-за недостаточной точности археомагнитного и палеомагнитного методов (датировки и точности определения элементов древнего ГМП).
Глава 2. Пермские отложения востока Русской плиты: стратиграфия. магнетизм и палеомагнетизм.
В качестве объектов для изучения записей PSV в древних осадочных породах нами были использованы позднепермские отло-
жения Востока Русской плиты. Этот выбор был сделан исходя из следующих соображений:
1. Указанные отложения достаточно хорошо изучены комплексом методов, в том числе - магнитными и палеомагнитными методами. Полученные результаты свидетельствуют об удовлетворительной записи изменений древнего геомагнитного поля в отложениях поздней перми и раннего триаса. Для региона разработана схема стратиграфического расчленения и корреляции отложений.
2. Имеются случаи записи процессов инверсий, которые демонстрируют достаточно быструю (по-видимому, синхронную с накоплением осадков), запись изменений древнего геомагнитного поля в породах.
3. Отложения поздней перми и раннего триаса востока Русской плиты не претерпели существенных вторичных преобразований.
4. Палеомагнитным методом изучено достаточно большое число естественных обнажений, что позволяет сократить объем предварительных исследований и выработать критерии пригодности объектов для изучения РЭУ.
5. В разрезах присутствуют непрерывно отложенные пачки глинистых пород мощностью 3-5 м.
6. Среди глинистых отложений встречены породы с микрослоистостью, по которым можно оценить скорости осадконакопления.
В данной главе рассматриваются некоторые аспекты стратиграфии, литологии, магнетизма и палеомагнетизма пермских и триасовых отложений Востока Русской плиты с точки зрения их использования для изучения вариаций древнего геомагнитного поля. Приводятся существующие схемы расчлененения и корреляции отложений, сведения о магнетизме и палеомагнетизме пермских и триасовых пород региона. Обобщены данные о природе естественной остаточной намагниченности пород, методах диагностики носителей намагниченности, приведены геологические данные по исследованным разрезам (таблица 1).
Информация, обобщенная в данной главе, позволяет сделать следующие выводы:
1. Стратиграфическая, литологическая, фациальная, магнитно-минералогическая и палеомагнитная изученность пермских и триасовых образований Востока Русской плиты позволяет выбрать объекты наиболее предпочтительные с точки зрения изучения палео-вековых геомагнитных вариаций.
2. Исходя из анализа ферримагнитной фракции, наиболее вероятные диагенетические изменения N11^1 могут быть связаны:
- с окислением магнетита в бедных органикой красноцветных прослоях (в русловых, прибрежно-морских фациях), а также, - в древних почвенных горизонтах и отложениях болотных фаций, находящихся в настоящее время в зоне окисления,
- с кристаллизацией гематита из гидроокисных минералов железа и ферригидрита (в отложениях фаций нижнего и верхнего шельфа, озерно-карбонатных отложениях),
- со спонтанным переходом маггемит - гематит (в древних почвенных горизонтах и их переотложенных разностях, а также в грубозернистых континентальных фациях).
Таблица 1
Привязка исследованных разрезов__
разрез мощ м. стратиграфическое положение палеома гнитная зона абс. возраст, млнлет широта точки долгота точки
Шилиха -2 12 шилихинский го-риз. ветлужской серии Т[ КХТ 247±1 57.6 45.15
Шилиха -3 1.2 шилихинский го-риз. ветлужской серии Т1 КхТ 247±1 57.6 45.15
Кр. Баки 10.5 краснобаковский гориз. ветлужской серии Т1 247±1 57.14 45.15
Медв. взвоз 9.1 вятский гориз. tat2P2 П1К3Р- г2КзР 251+2 60.59 46.32
Назаро-вы-1 3.0 вятский гориз. Ш2Р2 N2? 253±1 58.6 49.07
Назаро-вы-2 2.5 вятский гориз. 1а12Р2 N2P 253+1 58.6 49.07
Назаровы- 3 1.6 вятский гориз. tat2P2 Х2Р 253+1 58.6 49.07
Сухона 3.8 северодвинский горизонт ЫХгРг Н2Р 254+2 60.62 45.39
Рвачи 3.2 Котельнический горизонт 1а1гРг И2Р 255±1 58.23 48.36
Юрпало вы 2.4 котелышческий горизонт 1а1гР2 Н2Р 257±1 58.81 50.26
Котлов-ка-1 3.85 верхнеказанский подърус. кг2Рг ^Р 269+1 55.7 51.9
Котлов-ка-2 3.0 верхнеказанский подърус кг2Р2 К1Р 269+1 55.7 51.9
Лингу-ловые глины 5.2 нижиеказанскмй подъярус кг2Рг ЕхР 272+1 55.51 51.52
3. Таким образом, наиболее перспективными как с точки зрения сохранности древней компоненты КИМ и соответствия ее направления направлению древнего геомагнитного поля времени формирования отложений, так и с точки зрения высокой вероятности обнаружения микрослоистости сезонной природы (для оценки скорости осадконакопления) являются отложения древних пресных и солоноватых озер ( мелких внутриконтинентальных морей).
4. Имеющиеся стратиграфические схемы корреляции и оценки абсолютного возраста некоторых границ позволяют произвести абсо-
лютные датировки выбранных объектов и провести анализ изменения параметров PSV во времени.
Глава 3. Методика исследований.
В данной главе рассмотрены методики исследований, использованные в работе, начиная от методики отбора образцов до методики анализа вариаций направлений NRM и выявления записей PSV в разрезах пермских и триасовых отложений.
Большое внимание в работе уделено магнитно-минералогическим исследованиям, которые являются важной неотъемлемой частью палеомагнитных исследований, так как позволяют решить ряд важнейших задач:
1. Установить магнитные минералы-носители ЕОН, оценить размеры их зерен, структуру, пространственное соотношение минеральных ассоциаций и на этой основе, с использованием априорных геологических данных, определять или предполагать генезис минералов и природу их ЕОН.
2. Оценивать характер преобразований в породе по магнитным (ферри- и антиферримагнитным) и немагнитным (пара- и некоторым диамагнитным) минералам железа.
3. Оценивать природу изменчивости направлений и модуля ЕОН.
В данной работе, при исследовании осадочных пород с целью выявления палеовековых геомагнитных вариаций (PSV), был использован широкий круг магнитно-минералогических методов, аппаратура и методика которых были разработаны в палеомагнитной лаборатории Казанского университета с участием автора данной работы. Наиболее известными из этих методик и аппаратуры являются дифференциальный термомагнитный анализ по различным видам намагниченности, получение и анализ коэрцитивных спектров, диаграмм Прейзаха-Нееля, диаграмм Вильсона (получаемых при непрерывном нагревании образцов).
С целью выделения направлений палеомагнитно-информатив-ных компонент NRM нами использовалась стандартная методика (Палеомагнитология, 1982). Время прогрева было подобрано экспериментально и изменяется от 1 до 3.5 часов. Лидирующая коллекция, как правило, по одному образцу из каждого штуфа, подвергалась температурной магнитной чистке и чистке переменным магнитным полем с шагом соответственно 50°С и 50 Э до h=600 Э, Т= 350°С - 700°С. Все образцы подвергались окончательно выбранному режиму чистки. Температурная магнитная чистка проводилась в кольцах Гельмгольца, внутри печи установлен пермалоевый экран, остаточное поле не превышало ±10пТ. По 5-10 образцов из каждого разреза были прочищены до 700°С и измерены в палеомагнитной лаборатории Института геофизики ЕТН (г.Цюрих). Внутри каждого уровня анализировалось не менее 3 образцов (до 16-30 образцов в некоторых случаях). Расчет средних D и J, К и других статистических параметров велся по стандартным формулам.
Одним из важнейших вопросов при изучении палеовековых вариаций направлений является строгое доказательство геомагнитной природы наблюдаемых на графиках D и J девиаций. Значительная роль в решении этой задачи отводится методам математической статистики. В общем случае, направления NRM подчиняются распределению Фишера со случайным отклонением значений от среднего. Рассеяние направлений в реальных случаях будет определяться многими факторами. Среди основных причин такой неоднородности можно назвать: изменение фациальных условий осадкообразования, а также различие процессов эволюции горных пород, приводящие к различию между направлениями древнего геомагнитного поля и NRM образцов после магнитной чистки.
Метод двухъярусного статистического анализа и проверка соответствия рассеяния направлений NRM фишеровскому, были применены ко всем исследованным разрезам, и для выделения PSV были использованы только те разрезы, в которых межпластовые изменения оказались значимыми.
Полученные данные были подвергнуты анализу методом гистограмм (Фишман В.М., Нечаева Т.Е., Варданян A.A.). Характер полученных распределений сложный и в значительной степени отличается от идеального двухгорбного распределения. Авторы метода указывали, что асимметрия распределения говорит о негармоничности наблюдаемых вариаций. К этому следует добавить, что сложный вид распределения будет получаться также при суперпозиции нескольких гармонических колебаний, о чем свидетельствуют проведенные в рамках данной работы модельные исследования.
Как показало применение различных статистических критериев и методов выделения и оценки достоверности PSV в палеомаг-нитных записях, их применение затруднено, а интерпретация полученных результатов неоднозначна при сложном многомодальном характере PSV. Эти методы могут быть использованы только для предварительной оценки наличия записей PSV в разрезах.
Обработка рядов палеомагнитных данных включала в себя: сглаживание рядов данных с использованием алгоритмов скользящего среднего и кубических сплайнов, спектральный анализ рядов различных параметров с использованием алгоритмов БПФ (быстрое преобразование Фурье), МЭМ (метод максимальной энтропии), МНК-периодограмм. Метод БПФ мы использовали для оценки достоверности выделения гармоник по МЭМ, так как в ряде случаев последний может выделять ряд дополнительных линий, в особенности при большой длине фильтра ошибок предсказания (ФОП). МЭМ использовался как основной метод выделения гармоник, в особенности в длиннопериодной части спектра, так как длина рядов несущественно превышала период основных гармоник В связи с этим, в МЭМ существует ряд ограничений к длине ФОП. Существуют различные подходы к выбору длины ФОП (Берриман, 1978; Ульрих и Бишоп, 1975 и др.). Для каждого ряда было исполь-
зовано несколько фильтров из оптимального интервала, что дополнительно давало информацию об устойчивости той или иной выделенной гармоники. Ряды палеомагнитных параметров обладают рядом особенностей, среди которых основным является переменный масштаб времени в колонках, т.е. скорость накопления осадков не является постоянной. С другой стороны сами палеовековые вариации могут представлять собой сложный сигнал (необходимо также учитывать и то, что мы обычно анализируем склонения и наклонения, которые являются некоторым нелинейным преобразованием сигнала, иногда и не самым удачным), в котором периоды гармоник могут меняться во времени по сложному закону (в том числе и за счет изменения скорости осадконакопления). Мы использовали изменение длины фильтра в МЭМ, что позволяет оценивать характер изменения периодов. Например, при максимальной длине фильтра мы наблюдаем все гармоники, в том числе и несколько линий для одного колебания. Такое расщепление линий при большой длине фильтра может быть использовано для оценки характера изменения скорости накопления. С другой стороны, подобное поведение некоторых линий в рядах с различным содержанием шума позволяет идентифицировать полезный сигнал. Такой подход был реализован нами при сравнении спектров магнитной восприимчивости (в основном характеризует шум), склонения, наклонения и некоторых других комплексных параметров.
Устойчивость и надежность выделения гармоник проверялась также использованием для МЭМ различных участков рядов. Обычно были использованы интервалы длиной 21М/3, которые сдвигались с шагом - N/20, то есть получали 5-6 спектров, по которым оценивалась устойчивость той или иной гармоники в ряду. Таким образом, определялись участки спектра, в которых присутствуют гармоники. Сложность процесса генерации РЭУ, а также искажение их при записи в осадочных породах позволяет априорно предполагать сложную структуру спектров Б и I. Проблема состояла в том, чтобы выявить области спектра, где сигнал обнаруживается выше уровня помех. Соответственно, в каждой области должна быть оценена амплитуда (энергия) сигнала. Для этих целей был использован алгоритм построения периодограмм, основанный на методе наименьших квадратов. После анализа рядов методом максимальной энтропии, были определены участки спектра, в которых сигнал превышает уровень помех. Весь спектр разбивается на к участков, в которых реально присутствует сигнал. В остальных участках спектра предполагается существование только случайной помехи. В свою очередь, каждый участок спектра содержит п+1 линий. Ширина каждого участка и дробность его разбиения подбираются исходя из экспериментальных данных.
Такая задача достаточно просто решается методом наименьших квадратов. В алгоритме предусмотрено устранение тренда, описываемого линейной функцией, полиномом п-ой степени (обычно
требуется n <3) и набором тригонометрических функций (sin и cos). Таким образом, для всего ряда мы имеем систему из N уравнений (N - число точек в ряду) с 2т неизвестными. Для переопределенной системы (N>2m) осуществляется поиск решения методом псевдообращения. Для устранения "разбегания" решения мы использовали метод регуляризации. Как правило, правильный выбор интервалов спектра дает устойчивое решение и возможность правильной оценки амплитуды и фазы линий спектра. Суммарное колебание по каждому участку спектра может быть вычислено, а амплитуда каждой "гармоники" оценивается по этой синтетической кривой.
Учитывая тот факт, что зерна-носители естественной остаточной намагниченности дают значительный вклад в магнитную восприимчивость образцов, мы использовали корреляционные соотношения между величинами магнитной восприимчивости, склонения, наклонения NRM после магнитной чистки для оценки отношения сигнал/шум в колонках. Для такого анализа также использовалась элементарная априорная информация: среднее направление вектора-сигнала и вектора-шума, а также ориентация плоскости перемагничивания.
Наиболее простой способ оценки отношения сигнал/шум состоит в анализе корреляции между D и I. Если ряд обладает достаточно большой длительностью (во времени - более 1.5 тыс. лет), то для средних палеоширот должна быть характерна примерно одинаковая дисперсия D и I. Вытянутость распределения свидетельствует о возможности присутствия регулярной помехи в записях. Например, если распределение вытянуто вдоль круга перемагничивания, это свидетельствует о недочистке современной компоненты NRM. Это минимальная оценка этого отношения, т.к. в ней не учтены случайный шум и возможность проявления вариаций геомагнитного поля внутри плоскости перемагничивания. Более точная оценка доли шума может быть сделана из корреляционных соотношений между изменениями магнитной восприимчивости, D и I.
Наиболее интересен корреляционный анализ между величинами магнитной восприимчивости и направляющими косинусами (х, у, z) вектора NRM (таблица 2).
Таблица 2
Результаты анализа методом главных компонент по разрезу
Котловка-2
параметры 1 фактор 2 фактор 3 фактор 4 фактор
магн.восприимч. 0.73 -0.47 0.51 0
X 0.79 -0.4 -0.47 0
У -0.96 -0.23 0.14 0.12
z 0.84 0.51 0.17 0.1
сумм.дисперс., % 69.1 17.2 13.1 0.6
Фактор 1 демонстрирует увеличение модуля современной компоненты, т.е. это помеха в чистом виде. Ее доля в компонентах (направляющих косинусах) составляет соответственно: 0.62, 0.92,
0.71. т.е. доля помехи составляет 0.76 общей дисперсии (соответственно доля полезного сигнала 0.24), а отношение сигнал/ помеха = 0.32, это максимальная оценка для данного разреза (Котловка-2).
Осадочные породы, по которым получен основной объем пале-омагнитной информации о направлениях геомагнитного поля, не являются надежным объектом для определения абсолютных величин палеонапряженности. Это обусловлено сложными, еще до конца не понятыми механизмами формирования DRM, PDRM, CRM осадочных пород. Общим условием для всех методов является однородность толщи пород, в которой производятся измерения вариаций относительных величин палеонапряженности. Однородность толщи позволяет зафиксировать многие параметры, от которых зависят свойства NRM, при этом основная часть дисперсии свойств NRM становится обусловленной именно изменениями палеонапряженности.
В настоящее время существует три группы методов, используемых для оценок палеонапряженности (или ее вариаций) ГМП по осадочным породам:
1. Переосаждение пород.
2. Нормирование модуля NRM с целью исключения влияния концентрации ферримагнитных. зерен.
3. Исследование текстуры ансамбля ферримагнитных зерен, формирующих ориентационную намагниченность: метод ступенчатого перемагничивания, метод вращательных моментов, анализ кучности векторов NRM внутри уровня и т.д.
С целью оценки эффективности различных методик определения вариаций палеонапряженности была выбрана колонка красно-цветных континентальных отложений позднетатарского возраста из обнажения Печищи. Таким образом, показано, что наиболее информативными методами обнаружения вариаций палеонапряженности в исследованных объектах являются метод Q0 и Q'n - нормирование модуля NRM на индуктивную намагниченность в слабом (порядка земного) поле с учетом изменчивости параметров внутри уровня. Кроме того, заслуживает интереса метод с использованием внутри-пластовой кучности. Указанные методы были опробованы на всех объектах, описываемых в данной работе, и, забегая вперед, можно сказать, что оптимальным оказался метод Q0. Это обусловлено его реально высокой информативностью, относительной простотой и малой трудоемкостью.
Глава 4. Методика определения скорости осадконакоплепия в
разрезах.
Одним из принципиальных вопросов, сдерживающих исследование PSV по древним осадочным породам, является сложность, а в
некоторых случаях - невозможность, восстановления временного масштаба в колонках. В работе приведен подробный обзор по данной проблеме с использованием имеющихся литературных данных по определению скоростей осадконакопления различных типов осадочных пород.
Наиболее надежным методом определения скорости осадконакопления для древних пород, в которых невозможна оценка абсолютного возраста, является метод основанный на изучении микрослоистости. Широко известно наличие сезонной слоистости в отложениях, обусловленное различием условий осадконакопления в летнее и зимнее время (Шостакович В.Б., Жемчужников Ю.А. и др.). Пары различающихся слойков в последовательности микрослоев образуют годовые слои. Теоретически такая слоистость должна существовать во всех разрезах, сложенных отложениями, накапливающимися непрерывно в спокойной водной среде, но ввиду малой скорости накопления, незначительной разницы условий осадконакопления в различные сезоны, наличия биотурбаций и других причин, она оказывается скрытой или уничтоженной. Природа слоистости, обнаруживаемой в осадках, может быть не только сезонной, а определяться местными особенностями климата, геоморфологии и других факторов. Например, количество грубозернистых прослоев обычно соответствует количеству сезонов дождей в году, их может быть два в году или только один в два-три года. Поэтому существует проблема выяснения природы слоистости. Доказательство сезонной (зимней и летней, или же весенней и зимней, в зависимости от характера климата и условий осадконакопления) природы слоистости является достаточным для подсчета скорости осадконакопления. Существует несколько путей доказательства сезонной природы слоистости. Наиболее распространенный, простой и надежный способ заключается в обнаружении связи слоистости с климатическими изменениями или вариациями солнечной активности (СА). По прямым наблюдениям солнечной активности за последние 200-300 лет (например, ряд Вольфа с 1749г.), а также косвенным данным (палеоклимат, 14С, кольца деревьев) известны вариации солнечной активности с периодами:~5.5, ~8.5, группа периодов кратных ~11лет, -50-60, -110-120, ~ 200 лет и др. (Шостакович В.Б., Жемчужников Ю.А., Чистяков В.Ф., Витинский Ю.И.. и др.) Значительное количество работ посвящено влиянию 11-летнего цикла солнечной активности на глобальный климат, отмечается влияние вариаций солнечной активности с характерным временем более 100 лет на глобальный климат, широко известны 22-летние колебания увлажненности в Северной Америке и Казахстане. Несомненно, что все эти циклы находят отражение в процессах осадконакопления. В современных озерных отложениях обнаружены следующие циклы в толщинах пар годовых слоев: 2.61-3.30 лет, 55.92 лет, 10.6-12.6 лет. Причем, наиболее мощными являются так называемые "11-летние" колебания. Сводка таких определений со-
держится в работе Ю.А.Жемчужникова (1963). Таким образом, можно заключить, что микрослоистые осадки внутриконтиненталь-ных водоемов содержат информацию о 11-летних и других вариациях солнечной активности. Особенно отчетливо фиксируется 11-летняя цикличность, длительность которой в фанерозое достаточно постоянна от -10 до ~13 лет (Чистяков В.Ф. и др.). Обнаружение вариаций различных параметров тонкослоистых отложений с периодичностью -10-13 пар (летние+зимние) слойков свидетельствуют в пользу сезонной природы данной слоистости и открывают возможность определения скорости осадконакопления. Причем, ошибка определения скорости осадконакопления по таким отложениям составляет не более 15-20 % (изменчивость 11-летнего цикла), что уже близко к необходимому уровню для определения периодов РЭУ.
При изучении микрослоистости конкретных объектов мы использовали следующие методы:
- рассмотрение шлифов и шлифованных поверхностей пород под микроскопом, подсчет мощностей слойков, детальное описание особенностей слойков (цвет, структурые и текстурные особенности);
- химический анализ вещества слойков;
- рентгеноструктурный анализ;
- метод ЭПР;
- количественный спектральный анализ;
- гранулометрия.
Для выявления слоистости штуфы пришлифовывались, и, во многих случаях, пропитывались маслом. Подсчет числа слойков, описание и измерение мощности слойков проводилось под микроскопом, точность измерения мощностей слойков составила +0.01мм. Химический анализ, гранулометрия, количественный спектральный анализ были проведены по общепринятым стандартным методикам. Метод ЭПР использовался для изучения спектров примесных ионов Мп2+ в позициях Са2+ и Mg2+ в структуре кальцита и доломита, а также спектров ЭПР свободных радикалов органического вещества пород. Методика рентгеноструктурного анализа заключалась в следующем. Образец, представляющий собой пластину, одна из сторон которой предварительно была отшлифована, устанавливался на подвижную каретку, обеспечивающую продвижение образца с постоянной скоростью относительно неподвижного источника рентгеновского излучения. Угол между горизонтальной (отшлифованной) плоскостью образца и излучателем (а) в каждом эксперименте оставался постояным. Изучение характеристик рассеивания при различных значениях ос позволило получить непрерывную запись содержания кальцита, кварца, глинистых минералов вдоль изучаемого профиля.
В нескольких из изученных нами разрезов обнаруживается микрослоистость, которую мы использовали для восстановления скоростей осадконакопления и временного масштаба в колонках.
Наиболее полно микрослоистость пород исследована в колонках "лингуловых глин". В изученных колонках выявлено три типа слойков:
1. Тонкие белые слойки толщиной 0.1-1.0 мм.
2. Тонкие темные слойки толщиной 0.1-3.0 мм.
3. Буровато-желтые и красные прослои, объединяющие несколько белых и темных слойков.
Мы предположили, что пара, состоящая из одного белого и одного темного слойка, образует элементарный ритм сезонной природы. Мощности элементарных ритмов по обоим разрезам изменяются в пределах от 0.3 до 3 мм. Светлые слойки тоньше темных в 2-5 раз. Средняя мощность элементарного ритма составляет 1.6 мм в первой колонке, где насчитано всего 3250 пар слойков. Слоистость горизонтальная, правильная. Мощность слойков по горизонтали выдержана в пределах штуфов размерами до 0.15-0.20 м. По данным рентгено-структурного и химического анализов, светлые слойки состоят из карбонатного материала, основную часть которого (>80%), составляет кальцит. В темных слойках, по данным химического анализа, доминирует кремний, по рентгеноструктурному анализу - глинистые минералы (монтмориллонит), а также, измененные обломки полевых шпатов, кварца. Визуально, в шлифах, видно, что темные слойки сложены более грубозернистым материалом, темные слойки содержат первичный органический материал, что надежно определяется по спектрам ЭПР. Таким образом, мы наблюдаем различия в условиях накопления указанных двух разновидностей слойков, условно можно сказать, что светлые слойки (хемогенный материал) отлагались в сухие периоды, а темные слойки (детритный материал) - во влажные периоды. Данная территория в позднепермское время располагалась на широтах -20-30°, и хотя красноцветы не имеют прямого значения в качестве показателя климата, данные породы могли действительно отлагаться в условиях достаточно теплого климата, когда отсутствует явная зима, характеризующаяся замерзанием водоемов. Кроме того, по палеогеографическим данным лингуловые глины отлагались в достаточно крупном бассейне с размерами 200-400 км и глубиной несколько десятков метров. Поэтому мы не можем с определенностью утверждать, что обнаруженные светлые и темные слойки являются соответственно "зимними" и "летними", а следовательно - утверждать, что пара слойков составляет 1 год во временном масштабе. Так как, не исключено, что сухие и влажные сезоны наблюдались внутри года неоднократно, или же наоборот - влажные периоды наблюдались раз в несколько лет. Опровергать ту или иную гипотезу, основываясь только на этой информации, у нас нет оснований. Таким образом, необходимы другие дополнительные критерии оценки природы сло-
истости. С этой целью мы проанализировали ряд мощностей элементарных ритмов (пар слойков), полученный по колонке "лингуло-вых глин". Спектральный анализ данного ряда проведен методами Фурье и максимальной энтропии (МЭМ). В низкочастотной области выделяются колебания с периодом -1700, -800, ~650, -450, -320360, -220-270 пар слойков. В высокочастотной области выделяются колебания -180-190, -125-145, -100-110, -80, -60, ~40, -18-23, -1112 пар слойков. Наиболее ярко выраженное высокочастотное колебание имеет период 11-12 пар слойков. Реальность полученных спектров была проверена проведением спектрального анализа МЭМ для различных интервалов имеющегося ряда: 1-2000, 500-2500, 1000-3000, 1500-3500, 2000-4000, 2500-4500. Несмотря на то, что обобщенный по этим интервалам спектр ряда напоминает спектр случайного процесса, на который влияет большое число факторов, здесь выявляются некоторые закономерности:
1. Достаточно надежно обнаруживаются группы колебаний с периодами: -220-270, -125-145, -100-110, ~80. Наиболее высокой амплитудой и стабильностью обладает гармоника с периодом -100-110 пар слойков.
2. Практически отсутствуют гармоники в области периодов от ~800 до -1500 пар слойков.
Интерес представляет область спектра с периодами колебаний мощностей слойков от 75 до 150 пар слойков (лет). По данным прямых наблюдений Солнца и косвенным данным за последние несколько тысяч лет обнаружены вариации солнечной активности с близкими периодами (Витинский Ю.И., Чистяков В.Ф.): это 80-90 летний цикл и 100-110 летний цикл. Вполне возможно, что в данном ряду мы наблюдаем аналоги указанных колебаний.
С целью более подробного анализа самой высокочастотной части спектра мощностей пар слойков, ряд был профильтрован -вырезаны периоды более 50 пар слойков. Здесь отчетливо выделяются гармоники 10-11, -19, ~22, -26 и -33 пар слойков. Подобные периоды также отчетливо обнаруживаются в рядах солнечных данных. Таким образом, на основании полученных данных, мы можем более уверенно предполагать, что пара слойков, выделяемых нами, охватывает 1 год. Выше упоминалось о том, что не исключена фиксация в рядах пар слойков, характеризующих внутри- или межгодовые изменения, масштаб времени в колонках, расчитанный по парам слойков может быть в некоторых участках разреза не реальным. Полагая, что в данном ряду зафиксированы -22-летние колебания солнечной активности, можно оценить среднюю ошибку определения временного масштаба по боковым гармоникам ~19 и -26 лет. Из самых простых соображений (-22+4 лет) эта ошибка составляет не более -20 %.
Наиболее интересные результаты получены по исследованию ритмичности буровато-желтых и красных прослоев, мощность которых изменяется от 5 до 20 мм. Отличаются эти прослои и тем, что в
красных прослоях толщина белых и темных слойков несколько меньше, чем в буровато-желтых. По обеим колонкам лингуловых глин была проведена статистика расстояний между указанными аномальными прослоями в количестве пар слойков (элементарных ритмов). На гистограмме распределения количества пар слойков, располагающихся между центрами соседних аномальных прослоев в первой колонке выделяются три главные моды в области 10-11 пар слойков, 21-22 пар слойков и 30-31 пар слойков. Средняя длительность циклов для третьей моды составляет 30.2, для второй моды 21.6, для первой моды 9.39 пар слойков. Внутри первой моды можно выделить три подмоды. Средняя длительность циклов первой подмоды составляет 3.53, для второй - 6.7, для третьей - 11.1 пар слойков. Полученные результаты великолепно коррелируют с данными о мощностях слойков озерных отложений (см. выше). По-видимому, третья подмода первой моды (наиболее мощная на всей гистограмме) может быть идентифицирована с 11-летним солнечным циклом. Согласно этому, с учетом вышеуказанных доводов мы можем принять гипотезу о сезонной природе элементарного ритма, выделенного в исследуемых отложениях и провести расчет календарных лет, зафиксированных в колонках. Две первые подмоды, вероятно, связаны с климатической изменчивостью и представляют собой какую-то глобальную характеристику этого процесса, так как наблюдаются для озерных отложений различного возраста различных климатических зон. На формирование указанных периодов не исключено также влияние циклов СА иной, чем 11-летней длительности.
Были также проведены исследования микрослоистости в других колонках. Наиболее отчетливые и мощные микрослоистые интервалы были обнаружены в обнажении "Сухона". Здесь было изучено в общей сложности -1200 элементарных ритмов. Фациаль-ный облик осадков в этом разрезе иной, нежели в разрезе "Лингуловые глины", более выражен розовато-красноватый оттенок, цвета слойков в ритме - красный и светло-розовый. Светлый слоек более карбонатный, по данным рентгеноструктурного анализа состоит в основном из кальцита с небольшой примесью доломита, в красном слойке преобладают глинистые минералы, по данным ЭПР встречается органический радикал, концентрация которого существенно меньше, чем в разрезе лингуловых глин. Спектральный анализ рядов данных по мощностям пар слоев позволил обнаружить некоторые периоды изменения мощностей пар слойков в 4 интервалах, изученных в данном разрезе. Здесь выделяются группы периодов в области -9-15 и -19-26 пар слойков, которые могут отражать влияние изменений СА. Средняя мощность элементарного ритма составила -1.19+0.04 мм, полученная оценка может быть использована для предварительного определения периодов выделяемых вариаций. Погрешность временного масштаба, реконструируемого таким образом, может быть оценена исходя из изменчивостей
"11-летней" и "22-летней" компонент как 13-18 %, что вполне допустимо для определения абсолютной длительности периодов РЭУ и их сравнения с данными по другим разрезам.
Микрослоистые участки были обнаружены также в разрезе "Юрпаловы". Исследованная пачка представлена аргиллитом из-вестковистым от темно-бурого до красно-коричневого, плотным, сколы пород очень острые. На тех участках, где цвет аргиллита темный (от бурого до темно-бурого), прослеживается тонкое его переслаивание с светло-розовато-красными прослоями толщиной 0.10.3 мм, такие серии наблюдаются пакетами по 20-50 пар слойков, мощность пар слойков изменяется от 0.6 до 2.2 мм, в среднем достигает 1.1 мм. Розоватые прослои содержат карбонатный материал, в темных прослоях под микроскопом обнаруживается примесь песчанистого материала (отдельные зерна кварца и полевых шпатов изометричной формы). Это позволяет предположить, что природа выявленной микрослоистости сезонная. Мощность слойков, в особенности - темных, не выдержана и изменяется по латерали, поэтому производилось осреднение мощности слойков в пределах штуфа (10-15 см).
Микрослоистые участки встречаются в разрезах Перми востока Русской плиты довольно часто, но они имеют ограниченную мощность, не выдержаны по латерали. Мы рассматривали только те случаи, когда мощность слойков меняется по латерали незначительно (не более 15-20%), характер микрослистости выдержан в слое на расстоянии нескольких метров.
Таким образом, достаточно уверенно скорость осадконакопле-ния определяется в разрезе "лингуловых глин", менее уверенно, можно оценить ее в разрезе "Сухона" и "Юрпаловы", а в других разрезах оценки скоростей осадконакопления проблематичны.
Глава 5. Результаты палеомагнитных и магнитпо-минералогических исследований объектов
В данной главе приводятся основные результаты палеомагнитных и магнитно-минералогических измерений, исследований компонентного состава и направлений КГ1М, характера изменения различных параметров по разрезам: изменчивость, периодичность.
Ниже рассмотрены результаты магнитно-минералогических исследований по некоторым образцам из исследованных обнажений.
Триасовые отложепия (обнажения Шилиха и Красные Баки) характеризуются следующими термомагнитными и гистерезисными свойствами:
1.Кривые ДТМА по индуктивной намагниченности в различных полях демонстрируют наличие в образцах магнетита, маггемита, ассоциации маггемит-магнетит и гематита. Маггемит является носителем ~ 50-60 % индуктивной намагниченности и ~ 30-60 % нормальной остаточной намагниченности насыщения. Это грубо оценивается
по сравнению кривых первого и второго нагревания для соответствующих намагниченностей.
2. По кривым нормального намагничивания и перемагничивания отмечается наличие в образце PSD и SD зерен ферримагнитных минералов (магнетит и маггемит), а также PSD и MD зерен гематита. В пользу этого же факта свидетельствует наличие пика (увеличение скорости спада намагниченности) на кривой dIrs/dT в области -300° С.
Исследованные образцы характеризуют два типа источника ферримагнитного материала в породах триасового возраста:
- аллотигенный магнетит (зерна сложного состава с маггемитом, магнетитом и гематитом), являющийся продуктом разрушения кристаллических пород;
- аллотигенный и аутигенный маггемит и магнетит, сформированные в почвенных горизонтах близлежащих территорий.
Позднепермские отложения характеризуются большим разнообразием магнитных свойств и магнитных минералов:
1. Маггемит является носителем не более ~ 40 % индуктивной намагниченности и не более ~ 30 % нормальной остаточной намагниченности насыщения, в среднем, маггемит более магнитожесткий, чем магнетит.
2. Кривые ДТМА по нормальной остаточной намагниченности насыщения демонстрируют иную картину - после первого прогрева Irs образцов увеличивается в ~1.5-2 раза, это типичная ситуация для образцов, содержащих очень мелкие зерна гематита с низкими блокирующими температурами (до 300-350° С). Увеличение Irs объясняется эффектом "закаливания" мелких зерен гематита, ростом их магнитной жесткости. Наличие такого эффекта характерно в случаях, когда в образце содержится широкий непрерывный спектр размеров зерен гематита, что свидетельствует о более вероятном его образовании "in sity". Эффект текстурирования при нормальном остаточном намагничиваниии и перемагничивании в этих образцах практически не проявляется, т.е. здесь отсутствуют крупные PSD-MD зерна гематита. Необходимо отметить, что это свидетельствует об отсутствии условий для длительного роста зерен гематита -условий для образования химической намагниченности, формирующейся в течении длительного времени после процесса осаждения материала породы.
3. Грубозернистые части разрезов характеризуются наличием ассоциации маггемит-магнетит, что отчетливо проявляется по кривым ДТМА.
Анализ полученных магнитно-минералогических данных по исследованным обьектам позволяет сделать следующие выводы: 1. В исследованных горных породах присутствуют следующие магнитные минералы: магнетит, маггемит, гематит, реже - гетит, а также их ассоциации - маггемит-магнетит, маггемит-гематит, гема-
тит-гетит и др. Для ферримагнитных зерен исследованных пород характерна крайне сложная структура зерен о чем свидетельствует наличие текстурирования при нормальном намагничивании практически всех образцов.
2. Источниками магнитных минералов здесь являются: области разрушения кристаллических пород (наличие магнетита и ассоциации магнетит-маггемит), коры выветривания пермских и более древних осадочных образований (широкий спектр зерен гематита, в том числе - формирующийся из гидроокислов уже в осадке), а также -почвенные горизонты, которые были наиболее широко распространены в триасе (наличие маггемита).
3. Явно аллотигенной фазой в исследованных породах является ассоциация маггемит-магнетит, он характерен для более грубозернистых разностей пород, в других породах также коррелирует с наличием песчанистого материала.
4. Наличие широкого спектра размеров зерен гематита свидетельствует в пользу его аутигенности в некоторых типах пород (тонкозернистые карбонатные разности, а также в качестве пигмента во всех красноцветных отложениях).
Компонентный состав и направления N111^ оценивались по векторным диаграммам температурного размагничивания (Палеомаг-нитология, 1982).
В целом, исследованные образцы содержат две компоненты намагниченности: древнюю (ориентационной, постседиментационной и химической природы) и современную (обычно - вязкой, реже -химической природы). Необходимо отметить, что это деление достаточно условное, т.к. реально древняя и современные компоненты обладают тонкой структурой. Во-первых, современная компонента вязкой природы имеет спектр направлений, связанный с записью изменяющегося во времени современного поля (последние 105 - 10е лет) на ферримагнитных частицах с различным временем релаксации. Во-вторых, различная природа древней намагниченности и различные минералы-носители этой намагниченности обуславливают наличие в единичном образце целого спектра древних направлений. Детальная температурная чистка, в некоторых случаях, позволяет выявить эти направления.
Анализ температурных векторных диаграмм разрушения N111^1 позволил получить следующую информацию: 1. Спектр направлений компонент, выделяемых при различных режимах (а также интервалах) термочисток от 300° С и выше, располагается в пределах ~ 5-10° от среднего направления, причем, отклонение имеет систематический характер: наклонение полученное после нагрева до 300-350° С для образцов из положительных зон получается завышенным по сравнению с высокотемпературной компонентой (в интервале 550-690° С), а для отрицательных зон -заниженным, склонение - занижено для образцов из положитель-
ных зон и завышено для образцов из отрицательных зон. Это может быть связано:
- с наличием современной химической намагниченности стабильной при температурах более 300-350° С (вязкая намагниченность уже удаляется при этих температурах);
- различной природой и несинхронностью образования древних МДМ;
- сложными эффектами магнитостатического взаимодействия зерен ферримагнитных минералов, изменяющихся при нагревах с образованием на них различных (химическая, кристаллизационная) видов намагниченности;
2. В половине случаев температурная магнитная чистка при температуре 350-400° С позволяет обнаружить среднее направление древней компоненты с погрешность не хуже 3-5°.
3. В древней компоненте намагниченности в большинстве случаев присутствуют намагниченности, носителями которых являются гематит и магнетит. Гематит, в некоторых случаях, является носителем химической намагниченности. Направления "магнетитовой" и "гематитовой" частей древней компоненты намагниченности различаются несущественно (не более 3-5°), что свидетельствует в пользу быстрого формирования химической намагниченности в исследованных отложениях.
Таким образом, в большинстве данных, полученных в результате температурной магнитной чистки, . присутствует регулярная помеха, причем, в половине случаев амплитуда этой помехи более 3-5°. Особенностями данной помехи, которые можно использовать для ее удаления, являются стабильность амплитуды в пределах одного разреза, а также - направление близкое к направлению современного геомагнитного поля. Т.е. проблема выделения палеомагнит-но-информативной древней компоненты ИИМ не ограничивается выделением направлений по данным температурных магнитных чисток. Большое значение для обнаружения записей РЭУ имеют статистические методы исследования рядов палеомагнитных данных, сопоставление одновозрастных колонок, критерий внешней сходимости и т.д.
Далее в работе рассмотрены распределения и изменчивость направлений ИНМ, после температурной магнитной чистки. Выделено три типа распределений направлений на стереопроекциях:
1. Изометричные: для разрезов "Лингуловых глин", "Котловка-1", "Назаровы-2", "Назаровы-3", в положительной зоне в разрезе "Медвежий взвоз";
2. Вытянутые: для разрезов "Юрпаловы", "Шилиха-3";
3. Сложные распределения с выбросами: для разрезов "Котловка-2", "Назаровы-1", "Сухона", в отрицательной зоне в разрезе "Медвежий взвоз", "Шилиха-2", "Красные баки", "Рвачи".
Величины межпластовой кучности (К) после магнитной чистки изменяются от 46 (отрицательная зона в разрезе "Медвежий взвоз") до 388 (разрез "Назаровы-2").
Средние направления по всем разрезам изменяются в широких пределах:
- абсолютная величина наклонения изменяется от 18.8° (обнажение "Шилиха-2") до 60.4° (обнажение "Назаровы-2"); - величина склонения (в пересчете на первый квадрант) изменяется от 25.0° (обнажение "Назаровы-2") до 57.4° (обнажение "Юрпаловы").
С учетом установленной погрешности "недочистки" общая изменчивость направлений для всех исследованных разрезов составляет для I ~ 41+14° , для Б ~ 43+11.5°.
В данном же разделе представлена общая характеристика изменчивости различных параметров по разрезам. Получены спектры рядов изменчивости различных параметров по каждому разрезу по методам МЭМ И БПФ. Для каждого разреза было вычислено минимальное отношение сигнал/помеха по характеру вытянутости распределения направлений Ы11М после чистки, а также, доля полезного сигнала в общей дисперсии направлений методом главных компонент по корреляции О и I с магнитной восприимчивостью, а также по корреляции направляющих косинусов (составляющие единичного вектора ЫКМ) и магнитной восприимчивости (подробнее см. выше). Из этих оценок может быть получена доля кучности обусловленная РЭУ из простого соотношения:
1/Кмп=1/Кя +1/Кр8у, где Кмп - суммарная межпластовая кучность векторов для всего разреза, К„ - кучность обусловленная помехой, Кр5У - кучность обусловленная палеовековыми геомагнитными вариациями.
Глава 6. Параметры палеовекопых геомагнитных вариапий элементов геомагпитпого поля в позднем палеозое и раннем мезозое.
В данной главе с использованием описанных методик проведен анализ полученных палеомагнитных данных и выделены палеове-ковые вариации геомагнитного поля, оцениваются их параметры (абсолютные и относительные периоды, амплитуда, морфология).
Детальный анализ рядов методом максимальной энтропии при различной длине фильтра позволил более тщательно отбраковать колебания направлений, проявляющиеся также и в изменениях магнитной восприимчивости. Обнаруженные вариации, предположительно геомагнитной природы (записи РЭУ) были в чистом виде выделены методом наименьших квадратов, получена их амплитуда и морфология.
Показано, что установление общей картины изменений геомагнитного поля в исследованном временном интервале возможно при обобщении полученных результатов и классификации выделенных
PSV. Наиболее естественна попытка классификации выделенных PSV по характерным временам (периодам), а затем уже - по морфологии и амплитудам. Это связано с тем, что наибольшую информацию дают именно временные характеристики вариаций, которые зависят от размеров источников и физических параметров вещества в ядре (проводимости, вязкости, размеров ядра и т.д.). Сложность подобной классификации заключается в том, что масштаб времени (или скорость осадконакопления) определен не во всех колонках. Поэтому сделаем несколько предположений, на которые мы предварительно будем опираться, а в конце сможем оценить их правильность на основе критерия внешней сходимости:
1.Из геомагнитных данных и данных о структуре ядра и нижней 1мантии (см.главу 1) следует, что динамо "привязано" к мантии, т.к. эффективность генерации поля в значительной мере определяется термодинамическим состоянием границы ядро-мантия. Характерное время изменения процессов на этой границе достаточно велико и составляет ~ Ю1-!!)2 млн. лет. Поэтому, мы можем предположить, что для наших обьектов, располагающихся достаточно компактно как во времени, так и в пространстве, наиболее вероятны близкие (по порядку величины) параметры (периоды, амплитуды, морфология) PSV.
2. Скорость накопления пород однотипных по литолого-фаци-альным признакам должна быть близка (по крайней мере - в пределах одного порядка). Среди наших обьектов, в первом приближении, можно выделить два литолого-фациальных типа: это отложения поздней перми и отложения раннего триаса (рарезы "Красные баки" и "Шилиха").
На основе указанных предположений, выделенные в разрезах вариации были расклассифицированы на пять типов. Главным критерием выделения типа был период вариаций (или соотношение периодов различных вариаций в тех случаях, когда абсолютное значение периода неизвестно), затем - характер вращения, и в последнюю очередь учитывалась амплитуда вариаций.
В таблице 3 приведены данные о PSV, обнаруженных по исле-дованным разрезам. Наличие абсолютных значений периодов по трем разрезам позволяет оценить среднее значение периода для каждой из групп колебаний, кроме того, можно, считая период PSV-2 равным 1, подсчитать относительные периоды для остальных колебаний:
PSV-1 - среднее значение периода от 300 до 500 лет (-400 лет), амплитуда 2.5-5°, вращение вектора как по часовой, так и против часовой стрелки, относительный период 0.73+0.15. Вариация изучена в 6 разрезах.
PSV-2 - среднее значение периода от 590 до 800 лет(~660 лет), амплитуда 1.5-4°, вращение как по часовой, так и против часовой
стрелке, относительный период 1+0.11. Вариация изучена в 11 разрезах.
Таблица 3
Параметры РЭУ по исследованным разрезам
разрез парам. Р8У-1 РвУ-2 РвУ-З РвУ-4 РБУ-5
Шили-ха-2 Т, см - 65-88 - - -
Т, отн - 1+0.15 - - -
ампл.° - ±2.5-3 - - -
вращен. - (+,-) - - -
Шили-ха-3 Т, см - 118-152 - - -
Т, отп - 1+0.13 - - -
ампл.0 - 3 - - -
вращеп. - (-) - - -
Кр. Баки Т, см 245-265 330-415 - 1536 -
Т, отн 0.68+0.1 1+0.12 - 4.16+0.48 -
ампл.0 7 3-3.5 - 5-7.5 -
вращеп. - (+.-) - (-) -
Медв. взвоз г2КзР Т, см - 95-115 218-269 - 710
Т, отн - 1+0.1 2.33+0.5 - 6.73+0.6
ампл.0 - 3.5-4 7 - 7
вращеп. - (+,-) (-) - 7
Медв. взвоз пгЕ3Р Т, см - 90-115 - - -
Т, отн - 1+0.12 - - -
ампл.0 - 35-45 - - -
вращеп. - (+,-) - - -
Медв. взвоз П]1ЦР Т, см - 100-105 208-278 - -
Т, отн - 1±0.03 2.35+0.4 - -
ампл.0 - 4-5 5 - -
вращеп. - (+) (-) - -
Наза-ровы-3 Т, см - 59-71 - 222-252 -
Т, отп - 1±0.1 - 3.7+0.55 -
ампл.0 - 2-2.5 - 7 -
вращен. - (-) - 7 -
Наза-ровы-2 Т, см 44-60 75-81 156-173 305-340 -
Т, отн 0.63±0.1 1+0.02 1.94+0.2 3.89±0.26 -
ампл.0 7 0.5-2 2.5-3 7 -
вращен. 9 (+.-) (-) 7 -
Назаровы-1 Т, см - 62-76.5 135-150 - 376-427
Т, отн - 1+0.11 2.11+0.3 - 5.9+0.98
ампл.0 - 1.5-2 2.5-3 - 7
вращен. - (+,-) (-) - 7
Таблица 3 (продолжение)
разрез парам. РвУ-1 рву-г РБУ-З РвУ-4 РЭУ-5
Сухона Т, см 51-59 71-78 122-159 218-270 419-480
Т, лет 430-500 590-660 1020-1340 1830-2270 35204060
Т, отн 0.74+0.1 1+0.05 1.9+0.34 3.29±0.5 6.07+0.7
ампл.° 9 3.5-4 9 9 8-10
вращен. 9 (+.-) 9 9 (+)
Рвачи Т, см 47-50 119-136 344-379
ампл.° 9 - 3-5 - 8-10
вращен. 9 - (-) - (+)
Юрпа-ловы Т, см 33-38 137-150 400-412
Т, лет 300-350 1250-1360 3680
ампл.° ? - 5-8 - 10-12
вращен. ? - (-) - (+)
Котло-вка-1 Т, см 56-70 75-100 218-244 > 545
Т, отн 0.75+0.2 1+0.14 2.72+0.5 >5.46
ампл.° 9 3.5 8-10 - 1
вращен. 9 (-) (-) - 1
Котло-вка-2 Т, см 60-68 95-104 205-220 > 450
Т, отн 0.66±0.1 1+0.08 2.16+0.25 >5.17
ампл.° 9 3.5 8-10 - 9
вращен. 9 (-) (-) - ?
Лингу-лооые глины Т, см 75-103 91-116 172-203 354-407 >520
Т, лет 420+100 690+120 1180+250 2400+350 > 3300
Т, отн 0.89+0.2 1+0.17 1.87±0.35 3.75±0.7 > 5.72
ампл.° 2.5-3 2.5-4 3.5-5 9 7.5-10
вращен. <+>-) (+.-) (-) 9 (+)
РЭУ-З - среднее значение периода от 1020 до 1430 лет(~1220 лет), амплитуда 2.5-10°, вращение вектора против часовой стрелки, относительный период 2.17+0.35. Вариация изучена в 9 разрезах. РБУ-4 - среднее значение периода от 1830 до 2750 лет(~2230 лет), амплитуда 5-7.5°, в большинстве случаев характер вращения и амплитуда не определены, относительный период 3.76+0.5. По-видимому, данная вариация является комбинацией РБУ-2 и РБУ-З, она проявляется не во всех случаях. Вариация изучена в 5 разрезах.
РЭУ-5 - среднее значение периода от 3300 до 4060 лет(~3640 лет), амплитуда 7.5-12°, вращение по часовой стрелке, минимальная оценка относительного периода 5.88+0.78. Вариация изучена в 8 разрезах.
Таким образом, в параметрах обнаруженных РБУ прослеживается ряд закономерностей:
1. Спектр PSV в исследованном временном интервале является дискретным, выделяется пять групп колебаний в интервалах периодов: 435+60, 660+150, 1386+190, 2440±290, -3600 лет.
2. Наблюдается монотонный рост амплитуды колебаний с увеличением периода. Зависимость амплитуды от периода может быть выражена линейной функцией, а при некоторых предположениях -экспоненциальной функцией.
3. Некоторые из выделенных вариаций имеют характерные особенности и могут быть надежно идентифицированны в различных разрезах исследованного возраста:
- вариация PSV-3 характеризуется вращением конца вектора па-леомагнитного поля против часовой стрелки, амплитуда вариации является наиболее изменчивой в исследованном временном интервале, она минимальна вблизи инверсий,
- вариация PSV-5 характеризуется вращением конца вектора по часовой стрелке, амплитуда вариации изменяется в исследованном временном интервале достаточно слабо (8-12°).
4. Обнаруживается закономерность в значениях относительных периодов выделенных вариаций. Если принять период PSV-2 равным 1, то относительные периоды всех других вариаций имеют значения: TPSVi = (0.73+0.15), TPSV3 = (2.17+0.31), TPSV4 = (3.76+0.5) и TPSV5 > (5.88+0.78).
В данной главе также обобщены сведения о вариациях древнего геомагнитного поля, полученные по исследованным объектам на основе изучения изменчивости параметров, величина которых зависит от палеонапряженности геомагнитного поля в момент образования осадков. К таким параметрам относятся модуль NRM, фактор Q, фактор Q0', величина кучности векторов NRM внутри слоя и параметр Нс. Обнаружены следующие основные закономерности в изменениях периодов вариаций напряженности древнего геомагнитного поля:
1. Выделяется пять групп колебаний с периодами в интервалах:
1 - 240-460 лет (без учета вариации с периодом 260+20 лет в эпоху инверсии, средний период составляет 410+30 лет),
2 - 490-750 лет (средний период 615+60 лет),
3 - 760-1550 лет (средний период составляет 1100+250 лет,
4 - 1770-2870 лет (средний период составляет 2140+350 лет,
5 - 3380-4000 лет ( средний период около 3600 лет, или больше).
2. Наиболее интенсивными в каждой колонке, как правило, являются вариации с большим периодом (колебания 5, 4, 3).
3. Наиболее стабильны периоды колебаний 1 и 2, наименее стабильными являются периоды колебаний 3 и 4. Реально, в группе колебаний 3 можно выделить две подгруппы, одна из которых ( 880+60 лет) может быть комбинацией колебаний 615+60 лет и 1200+200 лет
(как, например, в разрезе "Назаровы-2"). Колебание 4 не является характерным с постоянным периодом.
Таблица 4
Периоды (в годах) вариаций палеонапряженности, записанных _в изученных разрезах_
разрез 1 колебание 2 колебание 3 колебание 4 колебание 5 колебание
Шилиха-2 - 560+20 910+30 - -
Шилиха-З - - 900+30 - -
Кр.Баки - - - 2590+280 -
Медв.взвоз ГгК.чР - 660+50 1150+200 - 3680+320
Медв.взвоз пгК3Р 260+20 415+40 670+60 - 2005+180 -
Медв.взвоз п,К3Р - 610±30 - - -
Назаро-вы-3 - - - 1850+80 -
Назаровы-2 420+30 - 830+70 2000+150 -
Назаровы-1 420+40 - - 2000+150 3700+220
Сухона 380+40 680+70 1120+90 - -
Рвачи - - 1230+110 - >3380
Юрпаловы -400 - 1410+140 -2300 -
Котлов-ка-2 - 590+50 1240+120 2240+350 -
Лингул. глины 390+30 540+50 1060+40 - -
4. Обнаруживается закономерность в значениях относительных периодов выделенных вариаций. Если принять период вариации 2 равным 1, то относительные периоды всех других вариаций имеют значения: Тх = (0.67+0.11), Т3 = (1.95±0.28), Т4 = (3.48±0.62) и Т5 > (5.85+0.64).
Сравнение полученных данных о вариациях палеонапряженности с вариациями направлений позволяет сделать следующие выводы:
1. Спектр РЭУ в исследованном временном интервале является дискретным, выделяется пять групп колебаний: Р5У-1 - РвУ-Б.
2. Наблюдается монотонный рост амплитуды колебаний направлений и палеонапряженности с увеличением периода.
3. В большинстве случаев вариации направлений сопровождаются вариациями палеонапряженности соответствующего периода. Исключения из этого составляют:
- вариации с периодами 880+60 лет, обнаруживаемые только в палеонапряженности,
- колебания РЭУ-4 характеризуются тем, что периоды вариаций палеонапряженности не совпадают с периодами колебаний направлений (исключая разрез "Красные Баки"),
- колебания РБУ-5 только в одном случае (разрез "Рвачи") проявляются одновременно в направлениях и палеонапряженности, в остальных случаях (7 разрезов) обнаруживаются только вариации направлений (5 разрезов) или же только вариации палеонапряженности (2 разреза).
4. Обнаруживается закономерность в значениях относительных периодов выделенных вариаций. Если принять период РБУ-2 равным 1, то относительные периоды всех других вариаций имеют значения:
в Б и I - ТР5у1 = (0.73+0.15), в напряженности - ^ = (0.67+0.11); в Б и I - Трдуз = (2.17+0.31), в напряженности - Т3 = (1.95+0.28); в Б и I - Трзу4 = (3.76+0.50), в напряженности - Т4 = (3.48+0.62); в Б и I - Тр5уэ > (5.88+0.78), в напряженности - Т5 > (5.85+0.64).
Во всех случаях относительный период колебания направлений несколько больше относительного периода колебания палеонапряженности. Одним из вероятных объяснений этого эффекта может быть влияние постседиментационной ориентационной намагниченности. Величина намагниченности осадка (распределение магнитных осей зерен) формируется очень быстро в процессе осаждения зерен, а все дальнейшие изменения наиболее вероятно приводят к уменьшению намагниченности (если не учитывать химические процессы). В то же время, направление намагниченности может изменяться достаточно долго в процессе обезвоживания осадка.
Глава 7. Некоторые геолого-геофизические проблемы, связаппые
с исследованием палеовековых геомагпитных вариаций.
В данной, заключительной, главе рассмотрено значение полученных результатов для геологии и геофизики, в частности -вопросы взаимосвязи климатических и геомагнитных изменений, оценки скоростей осадконакопления глинистых пород, возможности использования информации о РЭУ для исследования эволюции внутренних геосфер, магнитостратиграфические приложения результатов и т.д.
При исследовании РЭУ, в особенности по древним осадочным породам, Ы11М которых имеет сложное строение, мы сталкиваемся с проблемой выделения вариаций N1^X1 "геомагнитной природы". Многие исследователи отмечают, что часть вариации N1^ может быть вызвана "климатическими причинами". То есть вариации
климата могут повлиять на процесс осадконакопления, состав и структуру осаждающегося материала, а следовательно - на магнитные свойства образующихся осадков. Изменения скалярных магнитных параметров осадков могут привести к вариациям направлений Ы11М, которые являются помехами при исследовании РЭУ. С другой стороны, ранее выдвигались предположения о непосредственном влиянии вариаций ГМП на климат. Если такие процессы реально имеют место в природе, то критерий отбраковки вариаций направлений ЫРШ становится неочевидным. Таким образом, проблема взаимосвязи вариаций климата и ГМП имеет чисто палео-магнитное значение. Кроме того, естественно, эта проблема имеет фундаментальное значение для выявления факторов, влияющих на изменения климата в связи с проблемами его предсказания.
Влияние изменений геомагнитного поля на климат Земли, по-видимому, может осуществляться путем модуляции интенсивности некоторой доли солнечного излучения при условии, что изменения солнечной активности сами по себе влияют на климат. Большинство исследователей склонны считать, что связь Солнце -погода-климат наиболее вероятно осуществляется через влияние солнечных корпускулярных потоков. При этом, одним из факторов, определяющих величину, глубину и площадь проникновения потоков заряженных частиц в атмосферу, является геомагнитное поле. С другой стороны, резкие значительные изменения климата (образование и таяние толщ ледников в приполярных областях, глобальные изменения влажности воздуха) могут через изменения параметров вращения Земли повлиять на магнитное поле планеты.
С целью выявления возможностей влияния геомагнитных изменений на климат, нами проанализированы следующие данные: палеотемпературы по голоцену, археомагнитные данные, палеомаг-нитные данные по осадкам современных озер, результаты изучения РЭУ в поздней перми и раннем триасе, а также результаты исследования одной пермской инверсии ГМП. Обнаруживаются следующие закономерности в корреляциях изменений магнитного поля и климата:
1. По временному интервалу 0-2000 лет: совпадение потеплений в Европе с ростом напряженности поля в пределах погрешности датировки археомагнитных данных (+50-100 лет), причем амплитуды 500-800 летних колебаний температуры максимальны для Англии и России и минимальны - для Германии.
2.Для временного интервала 0-5500 лет: наиболее значительны квазипериодические изменения палеотемператур с периодом более 1000 лет и размахом колебаний температуры -1.5° С, и в то же время период -1200 лет является доминирующим практически во всех рядах археомагнитных данных и по напряженности и по направлениям.
3. Во временном интервале 0-25000 лет: обнаруживаются наиболее значительные климатические оптимумы интерес представляет климатический оптимум 5-7, 10-11 и 20-22 тыс. лет тому назад, в это время напряженность геомагнитного поля была минимальной.
4. Данные по пермской инверсии свидетельствуют о значительном изменении климатического показателя через 0.5-1.0 тыс.лет после разрушения дипольного поля и быстрое его восстановление сразу же после завершения переполюсовки.
На наш взгляд, для обьяснения этих фактов более вероятна гипотеза с привлечением азотного цикла: при проникновении солнечных протонов в стратосферу образуются окислы азота, способные поглощать солнечную радиацию в ультрафиолетовой области, а также интенсивно нейтрализующие озон. Такие события обычно наблюдаются на широтах более 60° и высотах более 35 км. Все это приводит к изменению прозрачности атмосферы и к нарушению термического режима в стратосфере и, как следствие, к изменению температуры воздуха вблизи земной поверхности. С другой стороны, увеличение концентрации ионов в верхней атмосфере может вызвать увеличение облачного покрова. Изменение морфологии геомагнитного поля связано не только с изменениями его напряженности, но также с перемещением геомагнитных полюсов, что приводит к изменению географических координат области, в которой происходит внедрение в атмосферу значительной доли заряженных частиц космического происхождения. Ранее В.Буха показал, что солнечный корпускулярный поток, попадающий в области геомагнитных широт вблизи полюса, интенсифицирует циркуляцию и приводит к потеплению в высоких и средних геомагнитных широтах вблизи полюса. С геомагнитными вариациями, вероятно, связаны климатические циклы длительности ~ 0.5-15 тыс.лет, причина которых заключается в модуляции интенсивности галактического и солнечного космического излучения проникающего в атмосферу. Таким образом, можно предполагать высокую вероятность наличия связи геомагнитных вариаций и климатических изменений с характерными временами -0.5-15 тыс.лет. Такие процессы наиболее сильно могут проявляться при инверсиях геомагнитного поля, когда ди-полыюе поле практически исчезает. По-видимому, при исчезновении дипольного поля изменяется конфигурация и структура магнитосферы и плазмосферы, что и является решающим фактором значительных изменений климата при инверсиях. Разрушение нормальной структуры плазменной оболочки Земли приводит к изменению альбедо плазмосферы, верхней и средней атмосферы за счет изменения их состава (озон, окислы азота и др.), образования облачности, и как следствие этих процессов - изменение циркуляции. С другой стороны, более мощная ионизация и перемещение магни-топаузы в область более плотной концентрации вызывает "выметание" вещества из плазмосферы и верхней атмосферы под действием солнечного ветра и межпланетного магнитного поля. Из
предположения о балансе динамического напора солнечной плазмы и магнитного давления изнутри известно, что К2~(Ме)1/3, где -расстояние от центра Земли до лобовой точки магнитопаузы, Ме -магнитный момент Земли. Значит, уменьшение дипольного магнитного момента Земли в 10-20 раз во время инверсий приводит к уменьшению Л5 в ~2-3 раза, то есть Е3~(3-5)11е, где Ле - радиус Земли. Кроме того, конфигурация магнитосферы в эти эпохи имеет очень сложный вид, вплоть до образования нескольких неустойчивых каспов, а также утечки вещества плазмосферы при ежесуточных (или один раз в несколько суток, по мере накопления энергии) микросуббурях, при которых происходит высвобождение энергии и плазмы, накопившейся в хвосте магнитосферы. Накачка энергии и плазмы, по-видимому, происходит из-за вращения вместе с планетой неоднородностей структурных элементов магнитосферы (многочисленных выступов и провалов), образующихся при исчезновении дипольного поля в эпоху инверсий. Тот факт, что климатические изменения начинаются не сразу после исчезновения дипольного поля, а спустя 0.5-1.0 тыс.лет свидетельствует в пользу гипотезы выметания из атмосферы ее термодинамически важных компонентов, хотя изменение альбедо при этом не исключается. Перестройка магнитосферы и структуры плазменной оболочки Земли при инверсии может стать причиной и других эффектов, например, изменения длины суток и связанную с этим активизацию вулканизма и сейсмической активности. Резкое увеличение величин магнитных параметров в начале и конце инверсии Медвежий взвоз обусловлены резким увеличением привноса в бассейн осадконакопле-ния рудной компоненты вулканического происхождения (вероятно, тефры). Поэтому очень важно продолжить исследование инверсий с точки зрения различных палеогеофизических эффектов.
Проблема определения скорости осадконакопления в конкретных разрезах имеет принципиальное значение как в геологии, так и палеогеофизике. Важность оценки скорости осадконакопления для пермских отложений заключается не только в оценке временного масштаба в конкретных разрезах. Здесь выявляется, по крайней мере, два фундаментальных аспекта:
1. Оценка длительности крупных стратиграфических подразделений перми (казанского и татарского ярусов) в стратотипической области их распространения и определение полноты разрезов. Это имеет важнейшее значение в выделении эталонных разрезов для глобальной корреляции.
2. Разработка метода оценки скоростей осадконакопления древних глинистых отложений.
Оцененные нами скорости осадконакопления глинистых отложений имеют величины 0.2-2.5 мм/год. Таким образом, если общая максимальная (составленная по максимальным мощностям всех местных стратиграфических подразделений) мощность отложений татарского яруса составляет около 500 м., то нижняя граница зафиксированной
в осадках длительности геологического времени оценивается от 2.5 до 0.2 млн. лет. При современных оценках длительности татарского века от 10 до 15 млн. лет, это означает, что в стратотипической области осадками представлено только ~ 10 % всего геологического времени. И если обратиться к любым другим стратотипическим разрезам, то можно увидеть аналогичную картину. В связи с этим, необходимо отметить, что скорость осадконакопления практически всегда больше скорости формирования разрезов осадочных толщ. Наши наблюдения континентальных пермских и триасовых разрезов позволяют говорить, что стабильное, без перерывов, накопление осадков характерно для глинистых пачек с максимальной мощностью не более ~ 5-10 м. С учетом установленной средней скорости осадконакопления это составляет не более 10-20 тыс. лет. Очевидно, что тектонические движения в отдельных случаях могли вызвать такой характер осадконакопления, но более вероятна климатическая природа указанных седиментационных циклов. К сожалению, геологи очень часто склонны преувеличивать роль тектонического фактора и приуменьшать (или недооценивать) роль климатического фактора в накоплении континентальных отложений. В настоящее время широко известно, что изменения климата имеют периодичности близкие к изменениям астрономических параметров Земли: ~ 21 тыс.лет (период прецессии оси вращения), ~ 41 тыс.лет (колебания плоскости орбиты Земли), ~ 95 тыс.лет (а также ~123 тыс.лет и ~ 413 тыс.лет) (эксцентриситет орбиты). Эти периоды прослежены от современности до позднего триаса (Р.О^еп, 1995), где они составляют ~ 25 тыс.лет, ~ 44 тыс.лет, ~ 100 тыс.лет, ~ 133 тыс. лет, ~ 400 тыс. лет. В то же время характерная длительность региональных тектонических циклов составляет, по крайней мере, не менее миллиона лет. Таким образом, мы можем сделать предположение, что самые короткие региональные циклы осадконакопления могут быть связаны с периодом прецессии оси вращения ~ 20-25 тыс.лет. Определение полной картины реальных климатических изменений затруднено, т.к. они определяются наложением всех трех процессов и мы не имеем ни одного разреза, где была бы достаточно длинная запись изменений климата, чтобы мы могли выделить эти процессы раздельно и определить их "биения". Кроме того, необходимо учитывать, что одна и та же комбинация астрономических параметров в различных палеогеографических условиях может давать различный "климатический" отклик. Например, повышения уровня моря может приводить в одной ситуации к накоплению эвапоритов, в другой - к прекращению их накопления, или же - накоплению грубозернистых отложений и т.д. Несмотря на указанные сложности, полученные оценки скоростей осадконакопления глинистых пород, а также описанные в работе методики позволяют получить принципиально важные результаты, на основе
которых могут быть получены представления о порядке длительности тех или иных стратиграфических подразделений.
Наиболее надежные данные о строении внутренних оболочек Земли получены по сейсмологическим данным. Детальная структура и вещественный состав мантии и ядра предполагается исходя из экспериментов при высоких давлениях и температуре в лабораторных условиях, математического моделирования с использованием результатов исследования теплового, гравитационного полей и собственных колебаний Земли. Все эти методы дают нам представление о состоянии современной Земли. Однако, практически все эволюционные параметры являются расчетными, исходящими из различных модельных построений. Проверка адекватности моделей действительности возможна при условии получения каких-либо параметров внутренних оболочек Земли для прошлых геологических эпох. В настоящее время публикуется достаточно много работ, относящихся к новой области геофизики - палеогеофизике. Эти работы касаются определения орбитальных параметров Земли (прецессия, эксентриситет, наклон плоскости эклиптики), длины суток, длительности года, оценок радиуса Земли, древней сейсмичности, колебаний уровня океана и скорости горизонтальных и вертикальных движений плит, активизации "горячих точек" и мантийных струй и т.д. В этом ряду особое место занимает палеомагнетизм - наука о древнем магнитном поле Земли. В цикле наук о Земле это пожалуй единственная отрасль, которая изучает непосредственно параметры физического поля Земли в геологическом прошлом. Здесь мы остановимся лишь на двух аспектах использования палеомагнитных данных в Физике Земли:
1. Механизм процессов в ядре Земли, приводящих к генерации собственно геомагнитного поля.
2. Эволюция ядра и границы ядро-мантия в геологической истории.
Палеомагнитные результаты наших исследований кратко могут быть сформулированы следующим образом:
1. Основные параметры Р5У(периоды, амплитуда, морфология) стабильны в пределах исследованного региона и временного интервала и подобны наблюдаемым за последние 10 тыс. лет.
2. Спектр РЭУ в позднем палеозое дискретен, а амплитуды увеличиваются с ростом периода.
Развитие моделей геодинамо является отдельной интересной и важной задачей. В настоящее время существенно развиты как аналитические и асимптотические, так и численные подходы к анализу различных моделей, учитывающих все большее число возможных эффектов. Возможности современных суперкомпьютеров позволяют решать очень сложные задачи, в том числе нелинейные, например, с учетом влияния магнитного поля на скорости движения жидкости в ядре (в моделях сильного поля). Однако, в конце концов, только экспериментальные (палеомагнитные) данные могут позволить оценить реальность моделей.
Одним из важнейших вопросов теории геомагнитного динамо является вопрос об источниках его энергии. Из наиболее реальных источников энергии динамо отметим лишь две: распад изотопа К40, дифференциация жидкого ядра и рост внутреннего субъядра. Если разогрев ядра идет только с поверхности, то распределение температур должно быть ниже адиабатического и конвекция в таком ядре не может происходить. Если все же предположить, что тепловая конвекция во внешнем ядре имеет место, то необходимо чтобы источник тепла находился во внутреннем или внешнем ядре. И наиболее вероятным его источником можно считать К40. Энергии распада К40 вполне достаточно для поддержания работы динамо. Однако, в этом случае, необходимо учесть ослабление мощности этого источника с постоянной времени ~2*10 9 лет. Имеющиеся данные об изменении палеонапряженности за последние 3.5 млрд. лет не обнаруживают тренда подобной длительности и характера. В случае реализации такого механизма мы могли бы видеть уменьшение магнитного момента Земли в ~3 раза, начиная с раннего протерозоя. Другим источником тепла может быть энергия, выделяемая за счет образования внутреннего субьядра, она, несомненно, существенно меньше энергии, выделяющейся за счет дифференциации вещества на границе ядро-мантия и вряд ли может поддерживать стабильную тепловую ковекцию в жидком ядре. Кроме того, необходимо отметить выделение тепла за счет токов, циркулирующих во внешнем ядре, что также существенно понижает эффективность теплового динамо. Однако, по-видимому, нельзя полностью отвергать роль тепловой конвекции в геомагнитном динамо. В некоторые эпохи, когда тепло- и массоперенос с границы ядро-мантия резко увеличивался (формирование и отрыв плюмов), могла развиться и тепловая конвекция. Другая гипотеза предложена впервые Брагинским С.И. (1963) и состоит в дифференциации вещества жидкого ядра. Внешнее ядро состоит из железа с некоторой легкой добавкой (Рингвуд А.Е., 1981; Кусков O.A., Хитаров Н.И., 1982 и др.). При затвердевании вещества на поверхности внутреннего ядра, жидкая часть обогащается легким компонентом, который всплывает, инициируя движение жидкости в радиальном направлении. Данный процесс обеспечивает необходимое для геодинамо количество энергии. Указанный процесс может продолжаться достаточно долго, и, кроме того, легкая компонента периодически может уноситься в мантию поднимающимися потоками или струями. Таким образом, тепло- и массообмен на границе ядро-мантия может играть огромную роль в работе геодинамо. Эффективность динамо увеличивается когда идет постоянный отток тепла и легкой фракции с границы ядро-мантия. В работе (R.L.Larson, P.Olson, 1991) показана обратная коррелляция между частотой инверсий и мантийной плюм-активностью за последние 150 млн. лет и рассмотрены причины этой корреляции. Многие исследователи отмечают, что
слой D" в основании мантии - место генерации плюмов. Экспериментальные данные показывают, что самые низкие температуры для жидкости внешнего ядра выше, чем адиабатическая температура твердой нижней мантии. Т.е., реально слой D"~ 250 км. и имеет температуру выше адиабатической на 300-1000° К. В некоторый критический момент наступает отрыв плюма, что резко увеличивает к.п.д. геодинамо, повышая интенсивность конвекции. Авторы (R.L.Larson, P.Olson, 1991) считают, что увеличение интенсивности конвекции, увеличение потока джоулева тепла через границу ядро-мантия означает увеличение магнитного числа Рейнольдса, при значении его порядка ~ 75 наступает суперхрон стабильной полярности. Столь значительные вариации магнитного числа Рейнольдса означают изменение скоростей движения вещества и/или размеров стабильных конвективных ячеек, что должно повлечь за собой изменение периодов PSV, наблюдаемых на поверхности Земли. Согласно полученным палеомагнитным данным, параметры Р5У(периоды, морфология и амплитуды) сохраняются на протяжении всего исследованного интервала, который охватывает два принципиально различных состояния геомагнитного поля: стабильное (суперхрон Киама - длительное время стабильного существования ГМП обратной полярности) и нестабильное (суперхрон Иллавара -время частой смены полярности ГМП). Стабильное состояние должно характеризоваться, по-видимому, более эффективной работой геодинамо за счет оттока тепла и вещества с границы ядро-мантия, и, возможно, изменением периодов PSV. Экспериментальные данные полученные в данной работе демонстрируют отсутствие таких изменений, что может быть обьяснено следующими причинами: - тепловая конвекция не является источником энергии геомагнитного динамо,
- динамо является существенно турбулентным, а крупномасштабная магнитная структура жидкого ядра не зависит от эффективности работы динамо и термодинамического состояния границы ядро-мантия.
Другой интересный факт обнаруженный нами заключается в том, что параметры PSV в позднем палеозое и раннем мезозое были практически подобны современным (за последние 10 тыс. лет). По-видимому, это свидетельствует о том, что параметры ядра Земли (размеры, вязкость и проводимость вещества, и др.) не изменились значительно за последние 250 млн. лет. Этот вывод не противоречит современным представлениям об эволюции ядра Земли (Сорохтин О.Г.; Джекоб с Дж. и др.).
Самое заманчивое приложение исследований PSV в стратиграфии - это поиски так называемых "признаков зон", позволяющих идентифицировать палеомагнитные зоны и проводить их корреляцию, возможно даже в глобальном масштабе. К сожалению, полученные данные о стабильности параметров PSV в исследован-
ном временном интервале демонстрируют невозможность получения такого результата.
Заключение.
Использование комплекса геологических, литологических, па-леомагнитных, магнитно-минералогических и математических методов, а также использование большого количества объектов и выбор наиболее предпочтительных из них позволили реконструировать параметры палеовековых геомагнитных вариаций в позднем палеозое и раннем мезозое на востоке Русской плиты. Во временном интервале от 247 до 272 млн. лет назад по 13 палеомагнитным записям в колонках глинистых отложений получены данные о периодах, амплитудах и морфологии вариаций древнего геомагнитного поля. Разработанные методы позволили установить абсолютные значения периодов РЭУ, а также идентифицировать их морфологические особенности. Установлено, что в интервале от 247 до 272 млн. лет назад на востоке Русской плиты вариации элементов ГМП имели следующие параметры:
1. Спектр РЭУ в исследованном временном интервале является дискретным, выделяется пять групп колебаний в интервалах периодов: 435+60, 660+150, 1386+190, 2440±290, -3600 лет.
2. Наблюдается монотонный рост амплитуды колебаний с увеличением периода.
3. Некоторые из выделенных вариаций имеют характерные морфологические особенности и могут быть надежно идентифицированны в различных разрезах исследованного возраста:
- вариация с периодом 1386+190 лет характеризуется вращением конца вектора палеомагнитного поля против часовой стрелки, амплитуда вариации является наиболее изменчивой в исследованном временном интервале, она минимальна вблизи инверсий,
- вариация с периодом ~3600 лет характеризуется вращением конца вектора по часовой стрелке, амплитуда вариации изменяется в исследованном временном интервале достаточно слабо (+8-12°).
4. В большинстве случаев вариации направлений сопровождаются вариациями палеонапряженности с близким периодом.
Полученные сведения о параметрах палеовековых геомагнитных вариаций могут быть использованы для решения следующих прикладных и фундаментальных проблем:
1. Оценка скоростей накопления глинистых отложений позднего палеозоя и раннего мезозоя востока Русской плиты.
2. Исследования взаимосвязи изменений климата и геомагнитного поля в геологическом прошлом.
3. Исследования процессов в ядре Земли, приводящих к генерации геомагнитного поля.
4. Исследования эволюции ядра и границы ядро-мантия в геологической истории, а также процессов генерации геомагнитного поля.
Основные результаты диссертации изложены в следующих
публикациях:
1. Буров Б.В., Нургалиев Д.К., Ясонов П.Г. Палеомагнитный анализ на основе диаграмм Зийдервельда /Материалы II Всесоюзного съезда "Постоянное геомагнитное поле, магнетизм горных пород и палеомагнетизм", ч.П, г.Тбилиси, 1981, с.105.
2. Нургалиев Д.К., Ясонов П.Г. Устройство для определения кривых нормального остаточного намагничивания. Особенности перемаг-ничивания многодоменных гематитов / Материалы II Всесоюзного съезда "Постоянное геомагнитное поле, магнетизм горных пород и палеомагнетизм", ч.1, г.Тбилиси, 1981, с.165.
3. Буров Б.В., Нургалиев Д.К., Ясонов П.Г. Коэрцитивный спектрометр - Авторское свидетельство № 851293, 1981, опубл. в Б.И. N28, 1981.
4. Нургалиев Д.К. Предварительные результаты изучения палеове-ковых вариаций геомагнитного поля по красноцветам. - Деп. в ВИНИТИ, N2778-82, 1982, 9с.
5. Нургалиев Д.К. Проблемы исследования палеовековых геомагнитных вариаций по осадочным породам / Геомагнитное поле в фане-розое. - Магадан: СВКНИИ, 1984.
6. Нургалиев Д.К., Ясонов П.Г. Магнитная неоднородность осадочных пород /Геомагнитное поле в фанерозое. - Магадан: СВКНИИ, 1984.
7. Нургалиев Д.К., Мусин P.M. Система обработки палеомагнитных данных на ЭВМ / Палеомагнетизм при решении вопросов тектоники и стратиграфии. - Иркутск:1985.
8. Нургалиев Д.К., Жарков И.Я., Ясонов П.Г. Геомагнитное поле на границе эпох Киама-Иллавара и сопуствующие тектонические явления /Палеомагнетизм при решении вопросов тектоники и стратиграфии. - Иркутск: 1985, с.7-8.
9. Нургалиев Д.К., Борисов A.C., Жарков И.Я., Ясонов П.Г. Несостоявшиеся инверсии геомагнитного поля / Материалы III Всесоюзного съезда по геомагнетизму. - Киев: ИГ АН УССР, 1986, с.117.
10. Борисов A.C., Нургалиев Д.К., Ясонов П.Г. Определение относительной палеонапряженности по отношению приращений современной и древней компонент БОН /Материалы III Всесоюзного съезда по геомагнетизму. - Киев: ИГ АН УССР, 1986, с.140-141.
11. Буров Б.В., Нургалиев Д.К, Ясонов П.Г. Палеомагнитный анализ. - Казань: Изд-во КГУ, 1986,- 167 с.
12. Нургалиев Д.К, Борисов A.C., Ибрагимов Ш.З., Ясонов П.Г. Магнитная неоднородность красноцветных отложений /Аппаратура, методика и интерпретация геофизических наблюдений. - Казань: Изд-во КГУ, 1987.
13. Нургалиев Д.К., Борисов A.C., Ясонов П.Г. Природа намагниченности некоторых типов осадочных пород /Геолого-геофизические исследования и разработки - Казань: Изд-во КГУ, 1988, с.131-135.
14. Нургалиев Д.К., Ясонов П.Г. Тектонические проявления геомагнитных инверсий / Палеомагнетизм, геодинамика и металлогения -Иркутск: ВНТОД988, с.8-9.
15. Нургалиев Д.К., Борисов A.C., Ибрагимов Ш.З., Ясонов П.Г. О природе компонент намагниченности маггемит-магнетит содержащих красноцветных осадочных пород / Физические принципы, аппаратура и методика петромагнитных исследований горных пород. -Магадан: СВКНИИ, 1988, с.31-33.
16. Нургалиев Д.К. Записи изменений солнечной активности в древних осадочных породах /Солнечно-земная физика. V симпозиум КАПГ. - М.:ВИНИТИ, 1989, с.24-25.
17. Нургалиев Д.К. Солнечная активность, геомагнитные вариации и изменения климата / Солнечно-земная физика. V симпозиум КАПГ. - М.-.ВИНИТИ, 1989, с.256.
18. Магнитно-минералогические и палеомагнитные исследования красноцветов /Нургалиев Д.К., Жарков И.Я., Борисов A.C., Ибрагимов Ш.З., Ясонов П.Г. - Казань: Изд-во КГУ, 1989, 134 с.
19. Борисов A.C., Нургалиев Д.К., Ясонов П.Г. Палеовековые вариации элементов геомагнитного поля в поздней перми / Геофизические исследования в Татарии и сопредельных областях. -Казань: Изд-во КГУ, 1990, с.29-33.
20. Борисов A.C., Нургалиев Д.К, Ясонов П.Г. Анализ направлений естественной остаточной намагниченности и скалярных магнитных параметров внутри слоя /Геофизические исследования в Татарии и сопредельных областях. - Казань: Изд-во КГУ, 1990, с.34-36.
21. Нургалиев Д.К. Вариации элементов геомагнитного поля в позд-непермское время /Геомагнетизм и аэрономия, 1990, т.ЗО, N4, с.690-692.
22. Борисов A.C., Нургалиев Д.К., Ясонов П.Г. Об оценке палеомаг-нитных направлений статистическими методами /Вопросы геолого-геофизических исследований Татарстана и сопредельных областей -Казань: Изд-во КГУ, 1991, с.98-104.
23. Борисов A.C., Нургалиев Д.К., Ясонов П.Г. Анализ некоторых методик определения вариаций напряженности древнего геомагнитного поля по осадочным породам /Вопросы геолого-геофизических исследований Татарстана и сопредельных областей - Казань: Изд-во КГУ, 1991, с.105-112.
24. Борисов A.C., Нургалиев Д.К., Ясонов П.Г. Периоды палеовеко-вых геомагнитных вариаций в поздней перми / Вопросы геолого-геофизических исследований Татарстана и сопредельных областей -Казань: Изд-во КГУ, 1991, с.113-117.
25. Нургалиев Д.К. Солнечная активность, геомагнитные вариации и изменения климата /Геомагнетизм и аэрономия, 1991, т. 1, N1, С.20-
26.
26. Нургалиев Д.К., Борисов A.C. Спектры вековых геомагнитных вариаций в пермское время /Магнитные и электрические поля твердой Земли, ч.Н- М.:ИФЗ АН СССР, 1991, с.42-43.
27. Буров Б.В., Нургалиев Д.К., Хасанов Д.И., Ясонов П.Г. Экологические эффекты геомагнитных инверсий /Магнитные и электрические поля твердой Земли, ч.И. - М.:ИФЗ АН СССР, 1991, с.ЗО.
28. Нургалиев Д.К., Ибрагимов Ш.З., Ясонов П.Г. Магнитофации осадочных комплексов: возможности их выделения и перспективы использования / Магнитные свойства горных пород и минералов. -Магадан: СВКНИИ, 1991, с. 122-126.
29. Nurgaliev D.K., Borisov A.S.,Yasonov P.G. Secular geomagnetic variations in Permian sedimentary zones / Permian System of the world.- Univ. of S.Carolina, 1991
30. Nurgaliev D.K., Khasanov D.I., Yasonov P.G. Recording climatic and Solar activity changes in Permian sedimentary rocks / Permian System of the world.- Univ. of S.Carolina, 1991.
31. Nurgaliev D.K., Burov B.V., Borisov A.S., Khasanov D.I.,Yasonov P.G. Permian Geomagnetic Reversals: Geological Effects and Interrelation of Geoprocesses / Permian System of the world.- Univ. of S.Carolina, 1991.
32. Nurgaliev D.K., Burov B.V., Zharkov I.Y., Ibragimov Sh.Z., D.I.,Yasonov P.G. Magnetic properties and magnetization nature of Permian Red beds in the Eastern Russian Platform / Permian System of the world.- Univ. of S.Carolina, 1991.
33. Нургалиев Д.К., Хасанов Д.И. Запись солнечных циклов в поз-днепермских осадочных породах /Солнечные данные, 1992, N8, с.82-85.
34. Характерные изменения геомагнитного поля в прошлом/ Петрова Г.Н., Нечаева Т.Е., Поспелова Г.А. и др. - М.:Наука, 1992, 175с.
35. Nurgaliev D.K., Borisov A.S., Jasonov P.G., Burov B.V., Ibragimov Sh.Z., Khasanov D.I., Mukhutdinova N.G. Variations of geomagnetic field of Holocene recorded in the sediments of the modern lakes of Ural region, Russia /Annales Geophysic., 1994, Suppl.l, v.12, Part 1, C171.
36. Буров Б.В., Борисов A.C., Нургалиев Д.К., Ясонов П.Г., Жарков И.Я. Современное значение палеомагнетизма в геологии /Общепланетарные исследования Земли. Тезисы докладов международной конференции, посвященной 200-летию со дня рождения И.М. Симонова, Казань, КГУ, 1994. с.53-54.
37. Нургалиев Д.К., Ясонов П.Г., Буров Б.В., Хасанов Д.И. Изменения геомагнитного поля и климат /Общепланетарные исследования Земли. Тезисы докладов международной конференции, посвященной 200-летию со дня рождения И.М.Симонова, Казань, КГУ, 1994. с.55-56.
38. D.K.Nurgaliev, D.I.Khasanov, A.S.Borisov, P.G.Jasonov PSV in later Permian recorded in the red beds in the East of the Russian plate /Annales Geophysic., 1995, Suppl.l,v.13, Part 1, C77.
39. D.K.Nurgaliev, D.I.Khasanov PSV and changes of Clymate recorded in the permian thin-laminated sediments /Annales Geophysic., 1995, Suppl.l,v.13, Part 1, C72.
40. Nurgaliev D.K., Khasanov D.I. The rate of sedimentation of permian clays at the East-European plate on paleomagnetic data/ Abstracts of XIII Intern. Congress on Carboniferous-Permian, Audust 28 - September 2, 1995, Krakow, Poland, Polish Geol. Inst., 1995. p. 106.
41. Nurgaliev D., Borisov A., Burov В., Jasonov P., Khasanov D., Ibragimov Sh. Heller F., Hajdas I. Geomagnetic secular variations in the East European part of Russia/ Annales Geophysicae, Supp.l ,v.l4, 1996, С 125.
42. Nurgaliev D., Borisov A., Burov В., Jasonov P., Khasanov D., Ibragimov Sh. Heller F., Hajdas I. Geomagnetic secular variations in the North-western part of Russia /Annales Geophysicae, Supp.l, v.14, 1996, С 125.
43. Burov В., Jasonov P., Nurgaliev D., Ibragimov Sh. Thermomagnetic analysis using a high heating rate/ Annales Geophysicae, Supp.l ,v,14, 1996, С 133.
44. Nurgaliev D., Borisov A., Jasonov P., Khasanov D., Shalandina V., Heller F., Hajdas I. Correlation of magnetic susceptibility in recent lake sediments of the pre-Ural region (Russia)/ Annales Geophysicae, Supp.l ,v.l4, 1996, С 130.
45. Nurgaliev D., Borisov A., Heller F., Burov В., Jasonov P., Khasanov D., Ibragimov Sh. Geomagnetic secular variations through the last 3500 years as recorded by lake Aslikul sediments from eastern Europe (Russia)/ Geophys. Res. Lett., 1996, v.23, N 4, p.375-378.
46. Буров Б.В., Нургалиев Д.К., Хеллер Ф. Проблемы палеомагнит-ной корреляции верхнепермских отложений стратотипа и морских образований Тетиса /Пермские отложения Республики Татарстан. Материалы Республиканскорй пермской геологической конференции к 100-летию со дня рождения профессора JI.M. Миропольского. - Казань: Изд-во Экоцентр, 1996. с.93-99.
47. Стратотипы и опорные разрезы верхней перми Поволжья и Прикамья/Коллектив авторов.- Казань: Изд-во Экоцентр,1996,539 с.
48. Nurgaliev D., Heller F., Borisov A., etc. Some common relations between magnetic susceptibility and paleoclimatic parameters in sediment cores of east-european lakes (RUSSIA)/Annales Geophysicae, Supp.l ,v,15, 1997, С 104.
49. Nurgaliev D., Mukhamadiev R., Yakupov A., Shabalin N. Using of magnetic susceptibility as paleoclimate markers in Permian clays (east-european plate, Russia)/Annales Geophysicae, Supp.l ,v.l5, 1997, С 104.
-
Нургалиев, Данис Карлович
-
доктора геолого-минералогических наук
-
Казань, 1997
-
ВАК 04.00.22
- Древнее геомагнитное поле по результатам исследования разных видов намагниченности пород и материалов археологических памятников
- Характеристики вариаций напряженности геомагнитного поля по археомагнитным данным
- Магнитостратиграфия палеозоя Северо-Востока России
- Шкала геомагнитных инверсий и основные черты развития геомагнитного поля в кайнозое
- Климатическая зональность и палеотечения в геологическом прошлом
