Теория геомагнитных полосовидных аномалий

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН _2014, том 57, №11-12_

ФИЗИКА ЗЕМЛИ

УДК 550.384

Ф.Х.Каримов

ТЕОРИЯ ГЕОМАГНИТНЫХ ПОЛОСОВИДНЫХ АНОМАЛИЙ

Институт геологии, сейсмостойкого строительства и сейсмологии АН Республики Таджикистан

Рассматривается альтернативная теория возникновения полосовых магнитных аномалий в океанических рифтовых зонах, основанная не на инверсиях магнитного поля Земли, а на эффекте саморазмагничивания массивов горных пород. Показано, что для возникновения полосовидных магнитных аномалий не обязательно действие инверсий магнитного поля Земли - достаточно снижение величины этого поля до значений, которые меньше локальных полей рассеяния намагниченных пластов в окрестностях рифтовых зон. Результаты представленных расчётов дают основания для корректировки геодинамических моделей генерации магнитного поля Земли.

Ключевые слова: магнитное поле Земли - инверсии магнитного поля - самообращение намагниченности - полосовидные магнитные аномалии.

Обнаружение полосовидных магнитных аномалий в районах срединно-океанических хребтов в середине 60-х годов XX века [1,2] было одним из основных научных фактов для создания теорий спрединга и тектоники плит, которые в свою очередь дали возможность представить совершенно новую картину геодинамики по сравнению с прежними, «фиксистскими» концепциями (см., например, работу [3]). Существование магнитных полос в океанических рифтовых зонах было надёжно установлено во многих работах, выполненных к настоящему времени. Согласно результатам этих работ и современным представлениям из астеносферы через ущелья рифтовых зон - ширина последних составляет 20-40 км - на геологическую поверхность поступают магматические расплавы с первоначальной температурой выше температур Кюри магнитных минералов магнетита, титаномагнети-та, маггемита и других минералов, содержащихся в этих расплавах [3-5]. По мере остывания расплавов в условиях действия температур океанического дна они охлаждаются до температур Кюри природных ферромагнитных минералов, равных обычно 400-700°С и ниже. После остывания эти породы намагничивались в направлении того локального магнитного поля Земли, которое существовало во времена выхода эффузий. В результате раздвижения бортов рифта в освобождающиеся щели поступают новые расплавы, которые также намагничиваются в направлении действующего в это время магнитного поля Земли. Чем ближе породы океанического дна расположены к рифтам, тем моложе возраст этих пород.

Возникновение переменно-намагниченных, зеркально-симметричных относительно осевых линий рифтов полосовидных аномалий часто интерпретируется как результат инверсий магнитного

Адрес для корреспонденции: Каримов Фаршед Хилолович. 734069, Республика Таджикистан, г.Душанбе, ул. Айни, 267, Институт геологии, сейсмостойкого строительства и сейсмологии АН РТ. E-mail: seismtadj@rambler.ru.

поля Земли - чередующихся во времени изменений направления этого поля с прямого на обратное [35]. Палеомагнитные исследования показывают, что за последние десятки миллионов лет такие инверсии должны были происходить через 100 тыс. лет в среднем, в некоторых случаях - с интервалами десятки тыс. лет и менее, в частности, с интервалами экскурсов [4-6]. Однако инверсии магнитного поля Земли крайне нерегулярны, в их проявлении не просматривается определённая, строгая периодичность, существование которой можно было бы ожидать в соответствии с теорией геомагнитного динамо [7]. Более или менее строгая периодичность выхода магматических расплавов на геологическую поверхность не наблюдается, например, и в извержениях вулканов. Кроме того, инверсии - это энергетически относительно весьма затратный процесс. Средняя периодичность порядка 100 тыс. лет или меньшие интервалы - это слишком частое явление по геологическим масштабам времени, которое приводило бы к колоссальным катаклизмам для флоры и фауны. Поэтому в настоящей работе рассматривается альтернативная теория возникновения полосовых магнитных аномалий в океанических рифтовых зонах, основанная не на инверсиях магнитного поля Земли, а на эффекте саморазмагничивания массивов горных пород [8].

Для анализа условий возникновения и существования полосовидных геомагнитных аномалий рассмотрим следующую модель. После остывания до температур ниже температур Кюри возникает первично намагниченная вдоль вектора локального магнитного поля Земли Н полоса. Пусть её намагниченность J однородна. Как правило, наклонения магнитного поля Земли обладают нормальной вертикальной компонентой и поскольку в рамках рассматриваемой модели для возникновения полосовидной намагниченности важна именно эта компонента, то будем условно считать, что Н и J - это соответственно векторные компоненты локального магнитного поля и намагниченности полосы, нормальные к идеальной геологической поверхности, как к поверхности земного сфероида. Обозначим толщину полосы символом 2а , ширину - 21 , длину - Ь . Как показывают наблюдения, выполненные в районах океанических рифтов, такие полосы сильно вытянуты вдоль линий рифтов на сотни и тысячи км, их ширина составляет 20-40 км, а толщина - 3-5 км [1,2]. Так что в первом приближении можно принять соотношение Ь >>1 >>а. Для упрощения аналитических расчётов примем, что полоса имеет форму сплющенного эллиптического цилиндра (рис.1). Будем описывать геометрические условия с помощью правой прямоугольной декартовой системы координат 0ху2 в соответствии с обозначениями справочника [9]. АН аномальное магнитное поле, создаваемое в пространстве этой полосой - поля размагничивания внутри пластины и поля рассеяния вне её в окрестностях краевых частей пластины. В областях этих краевых частей, очевидно, поля рассеяния направлены в основном противоположно первичному полю (рис.1). Задача настоящего исследования - определить, при каких физических и геометрических условиях вновь поступающие расплавы должны намагничиваться противоположно первично намагниченной полосе (вновь поступающий расплав показан на рис.1 затемнённым прямоугольником). Для нахождения величин поля рассеяния решается уравнение Лапласа для магнитостатического потенциала для магнитных «зарядов» + и —, расположенных на поверхности пласта, с граничными условиями, определяемыми направлением вектора намагниченности и геометрическими характеристиками пласта. Затем поле рассеяния определяется

как градиент магнитостатического потенциала [9,10]. Затем производится простое сравнение полей рассеяния в области расположения последней со значением внешнего, локального магнитного поля Земли. Если в какой-либо точке пространства, в которое поступает новая порция расплава, оказывается, что локальное поле рассеяния больше по модулю локального поля Земли, то, естественно, этот вновь поступающий расплав после остывания от температур Кюри будет иметь обращённую намагниченность.

Рис.1. Схема первично намагниченного пласта.

Координаты сплюснутого эллиптического цилиндра 0,£,п,2 связаны с системой координат 0ху2 известными соотношениями, приведёнными в справочнике [9]:

2 2 2 2 х = У = / (£ -!)(!-п ), 2 = 2

в которых / - это фокусное расстояние.

Граничные условия для магнитостатического потенциала определяются равенством на поверхности цилиндра этих потенциалов внутри и вне области цилиндра и равенством разностей модулей градиентов поля вне цилиндра и внутри него - 4по. Здесь О - это поверхностная плотность «зарядов», которая равна нормальной компоненте намагниченности на поверхности эллиптического цилиндра [5,8,9] и поэтому определяется выражением

О = J  6-

1 - п

2 '

£ -1

Ъ0

в котором £о - координата поверхности этого цилиндра.

Можно показать, что решение уравнения Лапласа для магнитостатического потенциала V при таких граничных условиях и магнитных «зарядах» (1) в пространстве вне цилиндра имеет вид

V=4п • , • / • ^• ([()[ е

Взятие градиента от потенциала (2) приводит к выражению для искомого поля рассеяния, которое в системе 0хуг в области расположения вторично поступающего расплава, показанной в виде затемнённого прямоугольного параллелепипеда на рис.1, будет в первом линейном приближении в окрестности линии X=0 иметь следующий вид:

АН ъ-4ж-3 у..

/

Общая графическая зависимость поля рассеяния от расстояния от края эллипсоида с координатой у=/ в горизонтальном направлении при у>/ представлена на рис.2. г -компонента поля рассеяния в области, куда поступает новый расплав, имеет отрицательный знак, поскольку в точках линии оси 0у оно направлено против внешнего локального магнитного поля Земли.

2

у/1

2

1

Рис.2. Зависимость убывания поля рассеяния от горизонтального расстояния от намагниченного пласта.

Поскольку намагничивание вновь поступающих расплавов происходит в разностном магнитном поле - внешнем локальном поле Земли и противоположно направленном поле рассеяния полосы, то направление намагниченности этих расплавов определяется превалирующим полем. Вначале процесса ширина полосы / мала и поле рассеяния (3) также мало - намагничивание расплавов происходит вдоль нормального направления внешнего магнитного поля Земли (рис.1). Однако по мере поступления расплавов полосы становятся широкими и после их намагничивания в прямом поле Земли поля рассеяния возрастают. Графическая зависимость рис.2 показывает, что поле рассеяния быстро убывает с расстоянием до намагниченной полосы в горизонтальном направлении, куда присоединяется вновь поступающий расплав. Действительно, на горизонтальном удалении в две ширины, у = 2/, модуль поля рассеяния спадает на порядок величины от наибольшего возможного значения

(рис.2). Наибольшие значения намагниченностей, которые были обнаружены в океанических породах, как правило, не превосходили 0.04 ед. СГСМ [4]. Как вытекает из выражения (3), в таком

случае обращение намагниченности возможно в поле Земли, равном современному в средних широтах 0.5 Э и только в непосредственной окрестности края первично намагниченной полосы в точке у=1. При меньших значениях намагниченностей в таком внешнем магнитном поле обращение намагниченности не возникает и единственная возможность для этого - инверсии магнитного поля Земли. Однако, если в момент выхода расплава и его намагничивания после остывания магнитное поле Земли понизилось, например, в 10 раз, то обращение намагниченности при условии (3) возможно не только для наибольших значений намагниченности 0.04 ед. СГСМ, но и в том случае, если намагниченности на порядок меньше. Поскольку такие океанические породы с намагниченностями порядка 0.001 ед. СГСМ распространены довольно широко [4-6], то обращение намагниченности становится вполне реальным явлением. Если же поле Земли понижалось ещё больше, то возникновение полосовых аномалий становится возможным в ещё большей степени. Следующая полоса следом после вторичной будет уже намагничиваться в полях рассеяния первичной и вторичной полосы, а также во внешнем поле Земли. Этот процесс продолжится далее с поступлениями следующих расплавов и их намагничиваниями - так возникнут полосовые магнитные аномалии.

Описанный здесь механизм возникновения обратно намагниченных полос в районах рифто-вых океанических зон дают основания для совершенствования теории геомагнитного динамо и представлений о геодинамических процессах. Нерегулярность в увеличениях и уменьшениях магнитного поля Земли может быть объяснена крупными импактными явлениями, например, за счёт приращений массы Земли или ударных импульсов тел о Землю. Очевидно, при этом должны происходить изменения в скоростях движения планеты, перестройки в параметрах вращения жидкого ядра и мантии и, как следствие, - изменения магнитного поля Земли [10]. Такие изменения могут происходить и в результате достаточно близкого прохождения к планете крупных космических тел. В обоих этих случаях нарушаются термодинамические условия в недрах Земли - за счёт приливного влияния внешних тел или за счёт прямого увеличения её массы и объёма. При этом изменяются параметры конвективных потоков, увеличивается внутреннее трение в жидком ядре и мантии, увеличивается давление внутри планеты и активизируются эффузии по всей планете. Такая картина согласуется с тем, что процессы эффузии в районах рифтовых зон и перестройки магнитного поля Земли в соответствии с палеомагнитной геохронологической шкалой [2,5,6] совпадают во времени по всей планете, оказываясь такими же нерегулярными, как и импактные явления. В соответствии с изложенной в настоящей статье теорией палеомагнитная геохронологическая шкала может отражать не инверсии магнитного поля Земли, а моменты его относительно резкого уменьшения и возрастания. Таким образом, для возникновения полос с прямой и обратной намагниченностями в районах срединно-океанических рифтовых зон не обязательно, чтобы происходили инверсии магнитного поля Земли. Для этого достаточно, чтобы магнитное поле Земли понижалось в несколько раз или более без его инверсий. Для пород с большими намагниченностями больше вероятность возникновения полос с прямой и обратной намагниченностями и больше ширина этих полос.

Поступило 09.10.2014 г.

ЛИТЕРАТУРА

1. Вайн Ф., Мэтьюз Д. Магнитные аномалии над океаническими хребтами. - Сб.: Новая глобальная тектоника. Пер. с англ. Ред. Л.П. Зоненшайн и А.А. Ковалёв. - М.: Мир, 1974, с. 32-37.

2. Хайрцлер Дж., Диксон Г., Херрон Э., Питман III., Ле Пишон Кс. Морские магнитные аномалии, инверсии геомагнитного поля и движения океанического дна и континентов. - Сб.: Новая глобальная тектоника. Пер. с англ. Ред. Л.П. Зоненшайн и А.А. Ковалёв. - М.: Мир, 1974, с. 38-57.

3. Хаин В.Е. Тектоника континентов и океанов. - М.: Научный мир, 2001, 604 с.

4. Физические свойства горных пород и полезных ископаемых (петрофизика). Справочник геофизика. Гл. ред. В.В. Федынский. - М.: Недра, 1976, 527 с.

5. Яновский Б.М. Земной магнетизм. - Л.: ЛГУ, 1978, 593 с.

6. Гурарий Г.З., Петрова Г.Н., Поспелова Г.А., Нечаева Т.Б., Бурлацкая С.П., Вадковский В.Н. Тонкая структура геомагнитного поля. - Сб.: Современное состояние исследований в области геомагнетизма. - М.: Наука, 1983, с. 42-62.

7. Брагинский С.И. О теории геомагнитного динамо. - Сб.: Современное состояние исследований в области геомагнетизма. - М.: Наука, 1983, с. 15-23.

8. Каримов Ф.Х. Теория геомагнитных полосовидных и кольцеобразных аномалий. - Тез. докл. 6-го Междунар. симп. «Проблемы геодинамики и геоэкологии внутриконтинентальных орогенов». -Бишкек, 2014, с. 196-198.

9. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике. - М.: Наука, 1977, 832 с.

10. Muller R., Morris D. - Geophys. Res. Lett., v.13, 1986, рр. 1177-1180.

Ф.Х,.Каримов

НАЗАРИЯИ АНОМАЛИЯМИ МАГНИТИИ МАРХДЛАВЙ

Институти геология, сохтмони ба заминцунбй тобовар ва сейсмологияи Академияи илм^ои Цумхурии Тоцикистон

Назарияи пайдошавии аномалияхои магнитии мархилавй дар минта;ахои рифтхои укёнусй, ки на дар асоси инверсияхои майдони магнитии Замин, балки дар асоси худ бемагнит-нокшавии кухпораи ;ишри Замин ба вучуд оварда шудааст, баррасй шудааст. Нишон дода шу-дааст, ки барои пайдоиши аномалияхои магнитии мархдлавй таъсири инверсияхои майдони магнитии Замин шарт нест - паст шудани бузургии ин майдон то бузургихои майдони локалии пароканй дар минта;ахои рифтхо кифоя мебошад. Натичахои хисоботи пешниходшуда асос менамоянд, ки ба моделхои геодинамикии генератсияхои майдони магнитии Замин ислохот дароварда шавад.

Калимауои калиди: майдони магнитии Замин - инверсияхои майдони магнитй - худ бемагнитнокшавй - аномалияхои магнитии маруилавй.

F.H.Karimov

THEORY OF STRIPE MAGNETIC ANOMALIES

Institute of Geology, Earthquake Engineering and Seismology, Academy of Sciences of the Republic of Tajikistan An alternative theory of stripe magnetic anomalies' rise in oceanic middle ridge zones, based not on the inversion of the Earth magnetic field, but on the effect of magnetic self-reversal of rock massifs, is under the consideration. It has been shown that for the stripe magnetic anomalies' rise the action of inversions isn't compulsory and the reduction of Earth magnetic field down up to the values of local magnetic field of magnetized layers' dissipation in the vicinity of rift zones is enough. The results of the calculations presented bring grounds for the corrections in geodynamical models of the Earth magnetic field's generation. Key words: Earth magnetic field - inversion of magnetic field - self-reversal of magnetic field - stripe magnetic anomalies.