Геомагнетизм и аэрономия, 2020, T. 60, № 6, стр. 809-816

1. ВВЕДЕНИЕ

При обсуждении эволюционных изменений, происходивших с геомагнитным полем, из рассмотрения обычно выпадает такое значимое (энергетически самое значимое) геомагнитное явление, как всплески палеонапряженности, в несколько раз превышающие ее средние значения [Куражковский и др., 2003]. Всплескам палеонапряженности свойственна определенная цикличность, которая по предварительным оценкам составляла несколько млн лет. По имеющимся оценкам мощность, расходуемая на генерацию современного геомагнитного поля, сопоставима с мощностью всех тепловых глубинных процессов [Соколов, 2004; Решетняк и Павлов, 2016]. Это, по-видимому, объясняет тот факт, что многократные возрастания палеонапряженности, не были продолжительными. Причины возникновения всплесков палеонапряженности и даже их распределение относительно оси геологического времени во многом остаются неизвестными.

Традиционно предполагается, что поведение главного геомагнитного поля в значительной степени определяется динамикой тепловых процессов, происходящих в жидком ядре Земли и на границе ядро–мантия [Соколов, 2004]. При этом квазипериодичности вариаций палеонапряженности, связанные с конвекционными процессами в ядре Земли, не превышают 10 тыс. лет [Соколов, 2004; Решетняк и Павлов, 2016]. В соответствии с этим вариации палеонапряженности с характерными временами более 10 тыс. лет мы будем называть “длиннопериодными”. На данный момент известны вариации палеонапряженности с характерными временами порядка 100 тыс. лет, происходившие в плейстоцене [Valet, 2003], и несколько миллионов лет в интервале 167–42 млн лет [Куражковский и др., 2019а].

По нашему мнению, исследования всплесковых повышений палеонапряженности должно быть составной частью изучения спектрального состава длиннопериодных изменений палеонапряжености. Согласно теоретическим представлениям, вариации палеонапряженности с характерными временами более 10 тыс. лет связаны с особенностями теплообмена между ядром, мантией и литосферой [Решетняк, 2015]. Отсутствие данных о спектре характерных времен вариаций палеонапряженности не позволяет приступить к систематизации факторов, влияющих на поведение геомагнитного поля. Одним из элементов, необходимых для ее формирования является установление корреляционных связей между изменениями палеонапряженности с циклическими литосферными и космопланетарными процессами.

Увеличение массива данных, полученных по термонамагниченным (база данных PINT (2015.05)) и новые данные по осадочным [Yamazaki and Yamamoto, 2018; Куражковский и др., 2019б] породам, позволяет продолжить исследование закономерностей изменений палеонапряженности на больших интервалах геологического времени.

В настоящей работе мы предприняли попытку определить спектр длиннопериодных вариаций палеонапряженности и продолжить поиск общих цикличностей, свойственных поведению геомагнитного поля и другим геофизическим процессам.

2. АНАЛИЗИРУЕМЫЙ МАТЕРИАЛ

В этом исследовании мы использовали все доступные результаты определений палеонапряженности в фанерозое и докембрии, которые позволяли обсуждать проблему временнóго распределения ее всплесков в геомагнитной истории. Данные палеонапряженности по осадочным породам фанерозоя взяты из работ [Ohneiser et al., 2013; Yamamoto et al., 2014; Yamazaki and Yamamoto, 2018; Куражковский и др., 2019а, 2019б]. Результаты определений палеонапряженности по термонамагниченным породам взяты из базы данных PINT (2015.05) (http://earth.liv.ac.uk/pint/), описание которой приведено в работе [Biggin et al., 2010]. Для проведения спектрального анализа кривые палеонапряженности из работ [Ohneiser et al., 2013; Yamamoto et al., 2014] и [Куражковский и др., 2019а] были оцифрованы с шагом 10 и 50 тыс. лет, соответственно.

Средние значения (Н_ср) и дисперсии (σ) палеонапряженности из PINT (2015.05), соответствующие различным интервалам геологического времени, приведены в таблице. Количество палеомагнитных данных убывает с удалением от современности. В связи с этим, продолжительности рассмотренных временны́х интервалов, для которых рассчитывались Н_ср, определялись не только с принятой в геологии периодизацией, но и количеством палеомагнитных данных.

Согласно данным из табл. 1, средние значения палеонапряженности и ее дисперсии с течением геологического времени изменялись незначительно. Тем не менее, имело место небольшое возрастание значений H_ср от прошлого к современности (рис. 1), которое могло быть связано как с эволюционными изменениями геомагнитного поля, так и процессом “остаривания” остаточной намагниченности исследуемых образцов горных пород.

Рис. 1.

Результаты определений палеонапряженности по термонамагниченным породам (точки) из базы данных PINT (2015.05). Ромбами указаны всплески палеонапряженности, звездочками активизации базальтового магматизма из работы [Чумаков, 2005]. Черные и светлые прямоугольники ниже оси абсцисс обозначают суперхроны прямой и обратной полярности, соответственно. Пунктирной линией показан тренд изменений средних значений палеонапряженности.

Ранее при обсуждении поведения палеонапряженности в мелу–палеогене [Куражковский и др., 2019а] мы использовали калиброванные данные, которые можно было переводить в любые единицы. В качестве всплесков мы рассматривали повышения палеонапряженности, более чем в 2 раза превышающее H₀, где H₀ – среднее значение современного геомагнитного поля, принятое равным 40 мкТл. В настоящей работе используются как калиброванные из PINT (2015.05) и [Куражковский и др., 2019а], так и не калиброванные данные, полученные в относительных единицах. В связи с этим в ряде случаев при совместном использовании данных, полученных по осадочным и термонамагниченным породам, мы представляли значения палеонапряженности не в мкТл, а как отношение H/H_ср. Это позволяло совместно анализировать данные палеонапряженности, которые ранее были получены в “абсолютных” и “относительных” единицах, а также нивелировать различия, связанные с остаренностью намагниченности образцов различного возраста. В качестве всплесков мы будем рассматривать повышения палеонапряженности, которые превышали 3Н_ср. Для ранее исследованного интервала мел–палеоген величины 3Н_ср и 2H₀ различаются незначимо. Как видно из таблицы, во всех временны́х интервалах величина 3H_ср в несколько раз превышала σ. Следовательно, всплесковые значения палеонапряженности многократно превышали случайные ошибки ее определений и являлись значимыми.

Выборка данных о наиболее значительных активизациях базальтового магматизма взята нами из работы [Чумаков, 2005]. Стратиграфические и хронологические датировки рассматриваемых особенностей поведения геомагнитного поля в фанерозое приведены в соответствии с геохронологической шкалой (Geologic Time Scale 2008-GTS 08) [Gradstein et al., 2008].

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

На рисунке 1 приведены все результаты определений палеонапряженности из базы данных PINT (2015.05), относящиеся к интервалу 3500–0.05 млн лет. Согласно этим данным, экстремальные возрастания палеонапряженности происходили около 2700, 2500, 1750, 1300, 1100, 700, 300 и 100 млн лет. Перед экстремальными возрастаниями и после них палеонапряженность имела существенно меньшие значения. Это позволяет рассматривать обнаруженные повышения палеонапряженности как ее всплески. Максимальные возрастания палеонапряженности в архее – протерозое изменялись в пределах 3–5H_ср и достигали 120 мкТл (около 5H_ср). Интервалы между экстремальными возрастаниями напряженности геомагнитного поля в раннем архее – фанерозое составляли либо около 200 млн лет, либо имели продолжительности, кратные 200 млн лет. Впервые вариации напряженности геомагнитного поля с такими характерными временами были обнаружены в интервале 400 млн лет – современность в работе [Большаков и Солодовников, 1980]. Новые данные из PINT (2015.05) дают основание для предположения о том, что вариации палеонапряженности с характерными временами около 200 млн лет происходили в течение всей геомагнитной истории. Как видно из рис. 1, все обнаруженные всплески палеонапряженности происходили при активизациях базальтового (плюмового) магматизма. Это свидетельствует в пользу того, что всплесковым активизациям геомагнитного поля свойственна такая же цикличность, как и активизациям литосферных (тектонических и магматических) процессов (циклам Бертрана).

Определения палеонапряженности по осадочным породам позволили получить значительно более полное представление о всплесковых активизациях палеонапряженности, чем данные, полученные по термонамагниченным породам. Так, в фанерозое (в конце палеозоя, около 300 млн лет) по термонамагниченным породам было обнаружено одно значительное повышение палеонапряженности (рис. 1). По осадочным породам перми–триаса было показано, что этот всплеск палеонапряженности в конце палеозоя не был единственным [Куражковский и др., 2019б]. В это время происходила активизация геомагнитных процессов, в ходе которой имела место серия всплесков палеонапряженности (рис. 2). При этом интервалы между всплесками палеонапряжености составляли несколько миллионов лет (в среднем около 4 млн лет). Во время всплесков повышения палеонапряженности могли в 8–9 раз превышать ее среднее значение. Интенсивность всплесков снижалась по мере приближения к границе палеозой–мезозой.

Рис. 2.

Поведение палеонапряженности по осадочным (кривая) и термонамагниченным породам (точки) в конце палеозоя из [Куражковский и др., 2019б].

Наиболее детально исследована всплесковая активизация геомагнитного поля, происходившая в мелу–начале палеогена (130–50 млн лет). В этом временнóм интервале для исследования всплесковой активизации геомагнитного поля совместно использовались данные, полученные по осадочным и по термонамагниченным породам (рис. 3). Исследования, проведенные по морским отложениям [Куражковский и др., 2019а], показали, что всплесковые возрастания палеонапряжености обычно состояли из одной – двух ее вариаций, происходивших с большими амплитудами. По предварительным оценкам (точность которых лимитировалась подробностью отбора образцов), длительность всплесковых повышений палеонапряженности не превышала 100 тыс. лет. Интервалы межу всплесками палеонапряженности изменялись в пределах 1–10 млн лет, но в среднем (так же, как в палеозое) составляли около 5 млн лет. От начала мела к началу палеогена амплитуды всплесков палеонапряженности возрастали. Максимальные амплитуды всплесков составляли 8–9H_ср. Всплески палеонапряженности, “регистрируемые” термонамагниченными и осадочными породами, несколько различались по амплитуде, но с хорошей точностью совпадали между собой по возрасту (рис. 3). Обнаружение 8-ми всплесков палеонапряженности по термонамагниченным породам в относительно небольшом временнóм интервале (130–50 млн лет), свидетельствует о том, что активизации геомагнитной и магматической активности в мезозое–начале кайнозоя – это сопутствующие друг другу явления.

Рис. 3.

Поведение палеонапряженности по осадочным породам в интервале 167–23 млн лет из [Куражковский и др., 2019а], ромбами обозначены всплески палеонапряженности по термонамагниченным породам из PINT (2015.05). Виртуальная палеоширотная локализация термонамагниченных пород, фиксирующих всплески палеонапряженности. Высокоширотная и низкоширотная локализация обозначена, соответственно буквами (B) и (H).

Данные из PINT (2015.05) позволяют сделать оценки изменений виртуальных палеогеомагнитных широт, соответствующих местам образования вулканитов, по которым обнаруживались максимумы палеонапряженности. В их расположении относительно виртуального палеогеомагнитного поля мы выделили условно две градации: низкоширотные (до 45°) и высокоширотные (более 45°). На рисунке 3 они обозначены соответственно буквами (Н) и (В). В начале геомагнитной активизации (130–90 млн лет) и в ее конце (90–50 млн лет) всплески палеонапряженности (по вулканитам) фиксировались, соответственно в высоких и низких геомагнитных широтах. Таким образом, в ходе мел – палеогеновой активизации геомагнитных процессов виртуальный палеогеомагнитный пояс образования вулканитов, фиксирующих всплески палеонапряженности, смещался от высоких широт к низким. Ранее широтная квазипериодичность (с характерными временами около 200 млн лет) в изменениях магматической активности была показана в работе [Авсюк и др., 2007]. По мнению авторов этой работы, широтные изменения магматической активности были связаны с изменениями гравитационного взаимодействия в системе Земля–Луна–Солнце.

После рубежа 40 млн лет амплитуды и характерные времена вариаций палеонапряженности уменьшились. По данным [Ohneiser et al., 2013; Yamamoto et al., 2014; Куражковский и др., 2019а] в интервале 40–10 млн лет возрастания палеонапряженности, превышающие 3H_ср, не обнаружены.

Исследования палеонапряженности по молодым, образовавшимся в конце неогена термонамагниченным породам (рис. 1 и рис. 4), показали, что средние значения и амплитуды вариаций палеонапряженности несколько возросли по отношению к более удаленным интервалам геологического времени. При этом следует отметить, что у нас нет уверенности в том, что эти различия в оценках значений палеонапряженности по молодым и более древним породам не связаны с эффектом “остаренности” остаточной намагниченности. Оценить характерные времена вариаций палеонапряженности по данным, полученным по термонамагниченным породам, крайне сложно. Тем не менее, по предварительным оценкам интервалы между максимальными возрастаниями палеонапряженности, в среднем, были значительно меньше, чем в палеозое – начале кайнозоя (рис. 4). В работах [Kok and Tauxe, 1999; Yamazaki and Yamamoto, 2018] показаны резкие кратковременные повышения палеонапряженности, обнаруженные по океанским отложениям позднего неогена. Эти повышения палеонапряженности можно рассматривать как ее всплески. Продолжительности таких кратковременных повышений палеонапряженности в конце неогена (так же, как и в мезозое) не превышали 100 тыс. лет. Вероятно, с течением геологического времени длительности всплесковых повышений палеонапряженности не изменялась.

Рис. 4.

Результаты определений палеонапряженности в интервале 10–0.05 млн лет из PINT (2015.05).

Предварительное представление о характерных временах вариаций палеонапряжености было сделано на основе данных, показанных на рис. 1, 2 и 3. По этим кривым визуально обнаруживаются вариации напряженности геомагнитного поля с характерными временами порядка 200 и 5 млн лет. Вейвлет анализ кривых изменений палеонапряженности в интервалах 167–23, 42–23 и 19.5–12 млн лет (рис. 5), позволяет провести более детальное исследование вариаций палеонапряжености. Так, в интервале 167–40 млн лет (рис. 5а) спектр вариаций палеонапряженности имел максимальную ширину 0.1–10 млн лет. В этом интервале наибольшую спектральную плотность имели вариации с характерными временами около 5 млн лет. В интервале 40–23 млн лет (рис. 5а, 5б) ширина спектра вариаций палеонапряжености уменьшилась до 0.1–4 млн лет. В интервале 19.5–12 млн лет вариации палеонапряженности с характерными временами 5 млн лет не обнаруживались (рис. 5в). При этом ширина спектра вариаций палеонапряженности сократилась до диапазона 0.1–0.5 млн лет. Существование вариаций палеонапряженности в диапазоне 0.1–0.5 млн лет прослеживается на всех исследованных интервалах геологического времени (рис. 5). Во всех случаях диапазон характерных времен вариаций палеонапряженности был дискретным. Максимальной спектральной плотностью обладали вариации с характерными временами 0.1, 0.4 и 5 млн лет. В спектре циклических изменений палеонапряженности следует выделить вариации с характерными временами несколько млн лет. Амплитуды и характерные времена (рис. 2, рис. 5а, 5б) этих вариаций изменялись с течением геологического времени.

Рис. 5.

Вейвлет-диаграммы кривых, характеризующих поведение палеонапряженности в интервалах (а) 167–23 млн лет из [Куражковский и др., 2019а], (б) 42–23 млн лет из [Yamamoto et al., 2014] и (в) 19.5–12 млн лет из [Ohneiser et al., 2013].

Характерные времена, свойственные спектру изменений палеонапряженности, совпадают с длительностями известных циклов геологических и космопланетарных процессов. Так, цикличностью порядка 200 млн лет обладают циклы Бертрана, циклы изменений силы гравитационного взаимодействия в системе Земля–Луна–Солнце [Авсюк, 1993], продолжительность оборота солнечной системы относительно центра галактики. Вариации палеонапряженности с характерными временами несколько (в среднем ∼5 млн лет) совпадали с циклами трансгрессии – регрессии мирового океана [Куражковский и др., 2019а]. Характерные времена вариаций палеонапряженности (100 и 400 тыс. лет) совпадают с большими и малыми циклами изменений эксцентриситета земной орбиты – циклами Миланковича.

Ранее связь изменений палеонапряженности с космопланетарными циклами (23, 41 и 100 тыс. лет) в интервале 800 тыс. лет – современность анализировалась в работе [Valet, 2003]. При этом было показано, что в интервале 800 тыс. лет – современность наибольшей спектральной плотностью обладали вариации палеонапряженности с характерными временами порядка 100 тыс. лет. Анализ данных, используемых в настоящей работе, показал, что цикличность изменений палеонапряженности с такими характерными временами обнаруживается также в интервале 150 млн лет – современность (и, вероятно, в более отдаленные интервалы геологического времени). Исследованные нами вариации палеонапряженности можно условно разделить на два класса: это вариации, которые имеют общие цикличности с космопланетарными процессами (200, 0.4 и 0.1 млн лет) и вариации палеонапряженности, которые связанны с цикличностью геологических процессов (несколько млн лет).

4. ОБСУЖДЕНИЕ

Массивы палеомагнитных данных, полученные как по термонамагниченным, так и по осадочным породам, свидетельствуют о том, что многократные кратковременные повышения палеонапряженности, безусловно, существовали. Оценки максимальных повышений палеонапряженности (до 8–9H_ср), сделанные в настоящей работе, в последствии вероятно могут быть скорректированы в пользу увеличения. Мы предполагаем, что более высокие значения палеонапряженности могут быть обнаружены при более подробном изучении древних морских отложений, которые позволят исследовать ее поведение с лучшим временны́м разрешением.

В пользу предположения о том, что вариации палеонапряженности с характерными временами (200 млн лет, 400 и 100 тыс. лет) связаны с цикличностью (внешних по отношению к Земле) космических процессов, может свидетельствовать неизменность их спектра в течение больших интервалов геологического времени. Подобное поведение спектра вариаций напряженности геомагнитного поля можно интерпретировать как независимость характерных времен этих вариаций палеонапряженности от эволюционных изменений среды, в которой происходила генерация геомагнитного поля. Маловероятно, что физические параметры среды, определяющей характеристики геомагнитного поля, не изменялись в течение продолжительных интервалов геологического времени. В связи с этим мы предполагаем, что вариации палеонапряженности, цикличность которых не изменяется с течением геологического времени, имеют внешний (по отношению к ядру и мантии) космопланетарный генезис. Вариации палеонапряженности с характерными временами несколько (в среднем 5) млн лет связывались нами с особенностями взаимодействия между системами ядро–мантия и мантия–литосфера [Куражковский и др., 2019а]. С течением геологического времени у этого класса вариаций изменялись как характерные времена, так и амплитуды. По нашему мнению, данные о вариациях палеонапряженности с характерными временами несколько млн лет могут служить источником информации об эволюционных изменениях систем ядро–мантия и мантия–литосфера.

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Имеющиеся палеомагнитные данные показали, что всплесковые повышения палеонапряженности на величину более, чем в 3 раза превышающие ее средние значения (3H_ср) имели место на всем протяжении геомагнитной истории (порядка 3 млрд. лет). Данные, полученные по термонамагниченным породам, позволили выделить вариации Палеонапряженности с характерными временами 200 млн лет. В результате вейвлет анализа данных по осадочным породам обнаружены вариации палеонапряженности с характерными временами 5 млн лет, 400 и 100 тыс. лет.

Продолжительности всплесковых повышений палеонапряженности вне зависимости от их интенсивности составляли около 100 тыс. лет. Исследованные нами вариации палеонапряженности разделены на два класса: 1) вариации, которые имеют общие цикличности с космопланетарными процессами (200, 0.4 и 01 млн лет); 2) вариации палеонапряженности (в диапазоне 1–10 млн лет), которые связаны с цикличностью геологических процессов.