CC BY
124
геология
УДК 523.31-3; 550.384
эволюция магнитного поля земли за последние 24 млн лет
Л.В. Гребенюк
Саратовский государственный университет,
кафедра охраны окружающей среды и безопасности жизнедеятельности E-mail: [email protected]
Рассмотрена история развития магнитного поля Земли за последние 24 млн лет на основе региональной магнитостратиграфической схемы неогена юга европейской части России и Закавказья. Схема создана по результатам работ автора по палеомагнитному исследованию опорных разрезов Кавказского региона и скважин Северного Прикаспия и Нижнего Поволжья. Выявленные инверсии геомагнитного поля привязаны к стратиграфической шкале восточного Паратетиса. Проанализированы особенности изменений магнитной полярности в неогене. Полученные результаты о режимах генерации магнитного поля могут являться научно-справочным материалом для специалистов разного профиля, занимающихся проведением палеореконструкций жизни планеты.
Ключевые слова: магнитное поле Земли, развитие органической жизни, вымирание видов, инверсия, магнитостратиграфическая схема неогена, Северный Прикаспий, Кавказ.
Earth's Magnetic Field Evolution During Last 24 mln Years
L.V. Grebenyuk
The history of Earth's magnetic field during the last 24 mln years is considered in terms of our regional magnetostratigraphic Neogene scheme of the southern European Russia and Transcaucasian region. The scheme results from the author's paleomagnetic studies of base sections in the Caucasian region and bore holes in the northern Cis-Caspian and Lower
Volga regions. The revealed inversions of the geomagnetic field are referenced to the stratigraphic scale of the Eastern Para-Tethys. Peculiarities of the magnetic polarity changes in Neogene are analyzed. The obtained results about the generation modes of the magnetic field can serve reference information for various specialists engaged in life paleoreconstruction. Key words: Earth's magnetic field, development of organic life, extinction of kinds, magnetostratigraphic Neogene scheme, Caucasian region, Cis-Caspian region.
Изучение внутреннего строения Земли и процессов, протекающих в глубинах планеты, представляет собой одну из основных задач современного естествознания. Все геосферы, являющиеся средой обитания живых организмов, выделились из недр основного тела Земли в процессе длительного развития планеты. Дальнейшая эволюция биосферы также во многом будет определяться жизнью земных недр, ее важнейших абиотических экологических факторов [1].
К таким факторам относится геомагнитное поле, изучение которого с целью реконструкции эволюции Земли составляет одно из основных направлений современной геофизики и геоэкологии. Магнитное поле Земли изменяется во времени и в пространстве, о чем можно судить на основании исследований магнитных свойств горных пород.
Древние породы имеют способность намагничиваться в период своего формирования. При образовании осадочных пород в процессе осаждения магнитных частиц на них оказывает ориентирующее действие геомагнитное поле; частицы стремятся расположиться таким образом, чтобы их векторы намагниченности оказались направленными «по полю». При обезвоживании осадка полученная ориентация частиц закрепляется, и осадок приобретает ориентационную остаточную на-
магниченность, сохраняющуюся в последующие эпохи [2].
На протяжении истории Земли геомагнитное поле неоднократно меняло свою полярность. Обращения полярности привели к тому, что разрезы осадочных и вулканогенных толщ оказались расчлененными на чередующиеся зоны прямой (N) и обратной (R) намагниченности. Существовали периоды, когда инверсии происходили по нескольку раз за миллион лет, но случались и периоды длительного затишья, когда десятки миллионов лет магнитное поле сохраняло свою полярность.
Еще в 60-х годах была предложена гипотеза о сильном влиянии обращений магнитного поля Земли на развитие органической жизни, и прежде всего на катастрофические периоды вымирания глобального характера [3]. Эволюцию биоты связывали с разрушением магнитного экрана, резким усилением ионизирующего излучения в моменты инверсии и прямым мутагенным влиянием ослабленного магнитного поля при перепо-люсовках [4-7].
Особую актуальность данные исследования приобрели в последние годы, когда в печати появились научные публикации о предстоящей инверсии геомагнитного поля. Приводятся факты, указывающие на приближающуюся смену полярности магнитного поля Земли:
1) уменьшение на протяжении последних 2,5 тыс. лет напряженности геомагнитного поля;
2) ускорение падения напряженности поля в последние десятилетия;
3) резкое ускорение смещения магнитного полюса;
4) особенности распределения магнитных силовых линий, характерные стадии подготовки инверсии.
Не исключено, что инверсия может произойти при жизни ближайших поколений и окажется катастрофой для человеческой цивилизации. В частности, несколько лет назад канадский научно-популярный журнал «Discovery magazine» составил список из двадцати наибольших опасностей, где инверсия значится под шестым номером [8].
Полученные к настоящему времени результаты недостаточны для подтверждения либо опровержения распространенного мнения об универсальном экологическом влиянии магнитных инверсий и их чрезвычайной роли в исчезновении и появлении ведущих фаунистических групп. Работы по данной теме продолжаются, ведутся сбор и систематизация материалов.
Исследования выполняются совместно па-леомагнитологами и палеонтологами по трем основным направлениям. Наиболее распространены сопоставления конкретных инверсий со стратиграфическими уровнями, отмеченными исчезновением отдельных видов. Второе направление предусматривает детальный анализ особенностей вымирания крупных таксонов (от рода и выше) в течение длительных (до 5-10 млн лет)
эпох частых инверсий. Наконец, в некоторых работах проводятся общие сопоставления крупных этапов геомагнитной и биологической эволюции по фанерозою в целом [9].
Для осуществления подобных исследований, несомненно, необходима качественная и детальная палеомагнитная основа - шкала магнитной полярности. Базой общей шкалы магнитной полярности кайнозоя являются главным образом данные морских магнитных съемок. Однако конкретные вопросы стратиграфии, палеогеографии, тектоники и т.д. не могут решаться на основе океанской аномалийной шкалы. В связи с этим должна быть создана магнитостратиграфическая шкала континентов, построенная путем сопоставления региональных магнитостратиграфических схем.
Начиная с работ А.Н. Храмова (1958), прочное признание получил классический стратиграфический принцип разработки палеомагнитной шкалы. Процедура ее построения предусматривает изучение стратотипических и опорных разрезов, тщательную привязку магнитозон к биостратиграфическим (фаунистическим) подразделениям и последовательный «монтаж» сводных палеомагнитных разрезов и местных специализированных схем. Путем синтеза имеющихся материалов в конечном итоге создается общая магнитостратиграфическая шкала [2].
Известно, что неогеновый и четвертичный периоды Земли составляют последние 24 млн лет. Первая региональная схема магнитной зональности для данного временного интервала была создана в 70-х годах XX века на основе морских разрезов Средиземноморья [10]. Несколько позднее подобная схема была построена для Северного Кавказа, где сосредоточены многочисленные опорные разрезы данного возраста [11, 12]. Длительное время северокавказская схема оставалась основной разработкой в отечественной магнито-стратиграфии неогена.
За два последних десятилетия значительно возросли требования к точности измерений и методике лабораторных исследований, и как следствие вполне закономерно встал вопрос о детализации и ревизии первого макета магни-тостратиграфической схемы неогена Кавказа. В настоящей работе отражены результаты автора по уточнению и детализации региональной маг-нитостратиграфической схемы морского неогена Кавказской области с широким привлечением палеомагнитных материалов по Прикаспию.
В качестве объектов исследования выбирались разрезы, где в непрерывной последовательности представлены значительные стратиграфические интервалы с четкими границами между ярусами и надежно обоснованные палеонтологически. При интерпретации учитывались объемы возможных размывов и перерывов в осадконакоплении. Изучена коллекция из 1077 ориентированных «верх-низ» штуфов 13 скважин Северного Прикаспия и
Нижнего Поволжья. Кроме того, на современной аппаратуре проведено повторное палео- и петромагнитное исследование ряда коллекций из опорных разрезов Северного Кавказа и Закав-
казья (1657 ориентированных штуфов). Мощность изученных разрезов варьирует от 50-100 до 800-900 м. Схемы расположения разрезов приведены на рис. 1, 2.
Рис. 1. Схема расположения изученных скважин неогеновых отложений Северного Прикаспия и Нижнего Поволжья
Рис. 2. Схема расположения разрезов неогеновых отложений Кавказского региона: 1 - р. Большой Зеленчук, р. Малый Зеленчук, р. Кубань; 2 - р. Чанты-Аргун, с. Эрсеной, р. Аксай; 3 - р. Сулак; 4 - р. Инцра, с. Джалги; 5 - с. Хварбети, г. Махарадзе, с. Хварбети II, с. Гогорети-Мерия; 6 - с. Норио,
р. Архашен-Су; 7 - с. Черат-Хеви
Лабораторные исследования велись по общепринятой методике [13-15]. Проводились измерения магнитной восприимчивости (к) и естественной остаточной намагниченности Уп), магнитные чистки температурой, снятие кривых нормального намагничивания (№) и разрушающих полей насыщения (Н^). Привлекался термомагнитный и дифференциальный термомагнитный анализы (ТМА и ДТМА). Магнитная фракция части образцов изучалась под бинокуляром. Измерения естественной остаточной намагниченности пород производились на спин-магнитометре JR-4, а магнитной восприимчивости - на каппаметрах ИМВ-2 и КТ-5.
Проведен ряд независимых тестов (тест состава, инверсий, анализ кучностей и критерий внешней сходимости), положительные результаты которых интерпретируются как достоверный показатель первичной природы характеристической компоненты естественной остаточной намагниченности.
Изученные коллекции представлены терри-генными и терригенно-карбонатными породами: глинами, алевролитами, тонкозернистыми песчаниками и мергелем. Основные носители намагниченности пород - аллотигенный магнетит и аути-генные сульфиды железа. Зерна магнетита имеют угловатые очертания, несут явные следы водной транспортировки в виде царапин и штрихов на плоскостях и гранях, нередки сростки магнетита с силикатами. На кривых ДТМА магнетит диагностируется по отрицательным пикам в области точки Кюри (570-580°С). Аутигенная природа сульфидных магнитных минералов подтверждается округлыми, почковидными, пластинчатыми и трубчатыми зернами алевро-песчаной размерности. Магнитные сульфиды определяются на кривых ДТМА по ряду термомагнитных эффектов при температуре 320-340°С [13].
Отложения по магнитным свойствам весьма неоднородны: магнитная восприимчивость изменяется от 5-10 ■ 10-5 до 1300-1600 ■ 10-5 ед. СИ, значения естественной остаточной намагниченности при этом варьируют от 0,1-0,5 ■ 10-3 до 260-430 ■ 10-3 А/м.
Неоген в опорных разрезах Кавказского региона представлен практически в полном объеме, однако степень изученности разных интервалов шкалы неодинакова. Наиболее детально охарактеризована ее плиоценовая часть, достаточно полный материал собран по верхнему и среднему миоцену. Наименее изученным остается нижний миоцен, представленный глинами верхней части майкопской серии. В разрезах Прикаспийского региона также наиболее изученными оказались отложения среднего и верхнего миоцена и верхний плиоцен.
Практически для каждого изученного подразделения получены палеонтологические определения по фауне моллюсков, остракод и фораминифер. Для ряда разрезов определены
спорово-пыльцевые комплексы. Детальные литолого-палеонтологическая и палеомагнитная характеристики изученных разрезов приведены в публикациях [16, 17].
На основе палеомагнитного изучения опорных разрезов была уточнена и детализирована магнитостратиграфическая схема Кавказа [12] и впервые построена схема магнитной зональности Северного Прикаспия (рис. 3). Выявленные магнитозоны местных схем хорошо охарактеризованы палеонтологически и сопоставлены с неогеновыми ярусами Восточного Паратетиса.
В сводной палеомагнитной колонке кавказской схемы зафиксировано 96 интервалов прямой и обратной полярности. Отмечается широкий временной спектр выделенных магнитозон: от микро- (длительностью менее 0,5 млн лет) до ортозон (0,5-1 млн лет). Каркас сводного разреза составляют 16 сложнопостроенных ортозон, проиндексированных согласно рекомендациям Стратиграфического кодекса [18]. Три крупные магнитозоны плиоцена идентифицированы с ортозонами Гильберт, Гаусс и Матуяма магнитох-ронологической шкалы А. Кокса [19].
В сводной палеомагнитной колонке Северного Прикаспия и Нижнего Поволжья задокументировано по 29 магнитозон прямой и обратной полярности различного ранга (от микро- до ортозон), сгруппированных по преобладающей полярности в 9 ортозон.
По этим двум местным магнитострати-графическим схемам составлена региональная палеомагнитная схема неогена юга европейской части России и Закавказья. В целом схема характеризуется сложной магнитополярной структурой, обусловленной частыми переполюсовками магнитного поля на продолжении всего неогена. Только достоверно установленных инверсий в неогене около сотни, а их общее число значительно превышает эту цифру.
В целом региональная магнитостратиграфи-ческая схема неогена включает по 46 зон прямой и обратной намагниченности, занимающих различный стратиграфический объем. По преобладающей полярности они объединены в более крупные магнитозоны, имеющие в соответствии с таксономической шкалой общих магнитополяр-ных подразделений ранг ортозон [18].
Всего в палеомагнитной колонке выделено 16 ортозон, 13 из которых относятся к миоценовой части шкалы, и 3 (Гильберт, Гаусс, Матуяма) - к плиоцену. Временные объемы ортозон варьируют от 0,5 до 4,5 млн лет, и они формируют каркас магнитополярной шкалы, адаптированной к стратиграфическим построениям на региональном и трансрегиональном уровнях. По рангу ортозоны близки к хронам магнитохронологической шкалы, но в отличие от них четко привязаны к региональным и общим стратиграфическим подразделениям, что отражено в их индексации.
Рис. 3. Региональная магнитостратиграфическая схема неогеновых отложений юга европейской части России и Закавказья: н. - нижний; ср. - средний; в. - верхний
Ниже приводится краткая характеристика ортозон в их стратиграфической последовательности (см. рис. 3).
Магнитостратиграфическая схема неогена юга европейской части России и Закавказья начинается снизу крупной ортозоной обратной полярности R1N1k-s, которая охватывает кавказский и нижнюю половину сакараульского региоярусов. Она осложнена 5 и-микрозонами прямой полярности, 4 из которых зарегистрированы в кавказии, а самая верхняя относится к сакараулу. Граница кавказского и сакараульского региоярусов осталась неохарактеризованной из-за отсутствия отложений данного возраста в изученных разрезах.
Выше следует зона NlNlS, эквивалентная верхней половине сакараульского яруса. Ее сменяет в разрезе крупная магнитозона преимущественно обратной полярности R2Nlkz-t в объеме коцахурского и тарханского региоярусов. В ее пределах зафиксировано 6 микрозон прямого знака, 4 из них - в коцахурской части шкалы, 1 - на границе коцахура и тархана и верхняя - в верхней части тарханского региояруса.
В чокракском региоярусе зафиксировано 3 ортозоны: нижняя - прямой полярности ^^Л, средняя - обратной полярности RзNlCh и верхняя - преимущественно прямой ^^Л-кг с 2 узкими микрозонами обратного знака. Верхняя половина ортозоны ^^Л-кг соответствует прямонамагни-ченному нижнекараганскому подъярусу.
Верхняя половина караганского, конский и низы сарматского ярусов с их преобладающей обратной полярностью эквивалентны ортозоне R4Nlkг-sГl, осложненной 5 и-микрозонами. 2 из них фиксируются в караганском, 2 - в конкском региоярусе и ! приурочена к середине нижнесарматского подъяруса.
Вышележащая ортозона прямой полярности N4N1sг2, соответствующая среднесармат-скому подъярусу, практически монополярна и лишь в средней своей части расщеплена узкой г-микрозоной.
3 крупные ортозоны R5N1sг3, N5N1sг3 и NR1N1sг3-m соответствуют верхнесарматскому подъярусу. Ортозона обратной полярности R5N1sг3 начинается в самых верхах среднего и продолжается в верхнем сармате. В своей нижней части она осложнена 1 и-микрозоной. Выше следует зона N5N1sг3 с 2 микрозонами обратного знака. Завершает строение палеомагнитной колонки сарматского яруса ортозона переменной полярности NR1N1sг3-m, состоящая из 4 микро- и субзон прямой и 4 - обратной намагниченности. Верхняя часть данной ортозоны документируется и в низах мэотического региояруса.
Палеомагнитный интервал, соответствующий мэотическому ярусу, формируют 2 ортозоны: нижняя - обратной R6Nlm и верхняя - прямой ^^т полярности. Зона R6N1m - монополярна, зона ^^т осложнена в средней части 2 сближенными г-микрозонами.
Выше в магнитостратиграфической схеме следует зона Гильберт, эквивалентная понтиче-скому региоярусу и большей части киммерийского яруса. На фоне преобладающей обратной полярности в ней установлены 4 микрозоны, которые, вероятно, являются аналогами эпизодов Твера, Сидуфиал, Нунивак и Кочити.
Крупная магнитозона прямой полярности, соответствующая ортозоне Гаусс, охватывает верхи киммерийского яруса, нижнеакчагыльский подъярус в полном объеме и низы среднеак-чагыльского подъяруса. У границы нижнего и среднего акчагыла зафиксировано 2 микрозоны обратного знака, сопоставимые с микрозонами Маммот и Каена.
Завершает палеомагнитную колонку неогена магнитозона обратного знака, выделенная в среднем-верхнем акчагыле и имеющая продолжение в эоплейстоцене. Эта магнитозона идентифицируется как ортозона Матуяма. В ее пределах документируется 3 и-микрозоны. Две из них сближены и соответствуют микрозоне Реюньон, а верхняя является аналогом микрозоны Олдувей, маркирующей границу плиоцена и плейстоцена.
Выделенные ортозоны создают определенный структурный рисунок магнитостратиграфической схемы неогена, который во многом облегчает работу по изучению главных этапов и рубежей в эволюции магнитного поля Земли, понимание специфики его развития. Анализ шкалы магнитной полярности позволяет получить представление о динамике геомагнитного поля в неогене. Документируются более длительные эпохи преимущественно обратной полярности, разделенные практически монополярными интервалами прямой полярности, зафиксированными в верхнем сакарауле, среднем и верхнем сармате, верхнем мэотисе и нижнем акчагыле.
Палеомагнитная схема Кавказа и Северного Прикаспия является в настоящее время наиболее полной и палеонтологически обоснованной схемой магнитной зональности морского неогена России, а для ее европейской части - единственной специализированной схемой.
Таким образом, приведенная выше информация, полученная на основе применения методов палеомагнитологии, вносит существенный вклад в изучение истории нашей планеты и в прогнозирование ее дальнейшего развития.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант 07-05-00353/
Библиографический список
1. Основы экологии, безопасности жизнедеятельности и экономико-правового регулирования природопользования: Учеб. пособие / Под ред. М.Д. Гольдфейна. М., 2006. 408 с.
2. Молостовский Э.А., Храмов А.Н. Магнитостратиграфия и ее значение в геологии. Саратов, 1997. 180 с.
3. Uffen R. Influence of the Earth's core on the origion and evolution of life // Nature. 1963. Vol. 198, № 48. 76 p.
4. Simpson J.F. Evolutionary pulsations and geomagnetic polarity // Bul. Geol. Soc. America. 1966. Vol. 77, № 2. P. 197-204.
5. Халфин Л.Л. Теоретические вопросы стратиграфии. Новосибирск, 1980. 199 с.
6. Black D.I. Cosmic ray effects and faunal extinctinns at geomagnetic field reversals. Earth Planet. Sci. Letters. 1967. № 3. P. 225-236.
7. Waddington C.I. Paleomagnetic field reversal and cosmic radiation // Science. 1967. Vol. 158. P. 913-915.
8. Савин М.Г. Кувырок магнитного поля // Химия и жизнь - XXI век. Февраль 2007. С. 6-10.
9. Молостовский Э.А. К проблеме взаимосвязей массовых вымираний с инверсиями магнитного поля Земли (МПЗ) // Проблемы изучения биосферы: Тез. докл. Всерос. науч. конф. Саратов, 1996. С. 87-88.
10. Ryan W.B.F., Cita M.B., Rawson M.D. at el. A paleomagnetic assignment of Neogene stage boundaries and the development of isochronous datum planes between the Mediterranean, the Pacific and Indian Oceans in order to investigate the response of the world ocean to the Mediterranean
"salinity crisis" // Riv. Ital. Paleont. Stratigr. 1974. Vol. 80. № 4. P. 631-687.
11. Молостовский Э.А. Новые данные по палеомагнитной шкале СССР и некоторые общие вопросы магнитострати-графии // Современное состояние исследований в области геомагнетизма. М., 1983. С. 143-162.
12. Молостовский Э.А. Шкала магнитной полярности мезозоя и кайнозоя и ее значение для стратиграфии (по материалам западной части СССР): Автореф. дис. ... д-ра геол.-минерал. наук. М., 1986. 34 с.
13. БуровБ.В., ЯсоновП.Г. Введение в дифференциальный термомагнитный анализ горных пород. Казань, 1979. 160 с.
14. Молостовский Э.А., Храмов А.Н. Магнитостратиграфия и ее значение в геологии. Саратов, 1997. 180 с.
15. Палеомагнитология. Л., 1982. 312 с.
16. Гребенюк Л.В., Застрожнов А.С. Магнитостратиграфия неогеновых отложений Северного Прикаспия // Изв. Сарат. ун-та. 2002. Т. 2. С. 125-130.
17. Гребенюк Л.В, Молостовский Э.А. Магнитостратигра-фия миоценовых отложений Северного Кавказа // Недра Поволжья и Прикаспия. 2008. Вып. 53. С. 20-29.
18. Стратиграфический кодекс. СПб., 1992. 120 с.
19. Cox A. Geomagnetic reversals // Science. 1969. Vol. 163, № 3864. P. 237-245.
удк [551.8:551.247:553.634:551.736.1 ](470.44/.47)
палеогеографические и тектонические условия формирования нижнепермской галогенной формации юго-восточной окраины
русской плиты
Ю.А. Писаренко, о.П. Гончаренко1, В.Ю. Писаренко, о.С. Киреенко, Т.Г. Карпова
научно-исследовательский институт геологии и геофизики, Саратов
E-mail: [email protected] 1Саратовский государственный университет, кафедра петрографии и минералогии E-mail: [email protected]
нижнепермская галогенная формация в пределах юго-восточной окраины русской плиты является крупной по площади распространения, мощности и полноте развития галогенного осадко-накопления. Проведенные исследования галогенной формации позволили впервые по юго-восточной части русской плиты построить литолого-фациальные карты отдельных этапов солена-копления и установить пространственную миграцию солеродного бассейна во времени. разработанная модель пермского этапа со-ленакопления позволит в пределах рассматриваемой территории осуществлять более надежный прогноз районов, перспективных на горно-химическое сырье, а также выделять подсолевые палео-поднятия как объекты для скопления углеводородов. Ключевые слова: палеогеография, тектоника, галогенная формация, пермь, калийное сырье.
Paleogeographic and Tectonic Environment in the Lower Permian Halogen Formation from the southeastern Margin of the Russian Plate
Yu.A. Pisarenko, O.P. Goncharenko*, V.Yu. Pisarenko, O.S. Kireyenko, LG. forpova
The Lower Permian halogen formation within the southeastern margin of the Russian Plate is to be considered a large one in terms of its spatial extent, thickness and completeness of halogen sedimentation development. Examination of the halogen formation has made it possible to construct lithology-facies maps of individual salt-accumulation stages and to determine the spatial migration of the salt-generating basin in time. The developed model of the Permian sedimentation stage within the area will enable more reliable forecasting of the regions prospective for mining-chemical feedstock; this will also allow to reveal subsalt swells as the objects of hydrocarbon accumulation.
Key words: paleogeography, tectonics, halogen formation, the Permian, potassium stock.
