ОКЕАНОЛОГИЯ, 2015, том 55, № 2, с. 272-279
МОРСКАЯ ГЕОЛОГИЯ
УДК 551.465
ЭВОЛЮЦИЯ ВИРТУАЛЬНОГО ДИПОЛЬНОГО МОМЕНТА В ПАЛЕОАРХЕЕ-ФАНЕРОЗОЕ
© 2015 г. А. А. Шрейдер1, Ал. А. Шрейдер2, П. Варга3, К. Денис4
1Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Москва, Россия 2ООО НИИГазэкономика, Москва, Россия e-mail: aschr@ocean.ru
3Сейсмологическая обсерватория Института геодезии и геофизики ВАН Будапешт, Венгрия 4Институт астрофизики Льежского университета Льеж, Бельгия Поступила в редакцию 15.03.2013 г., после доработки 08.10.2013 г.
В рамках концепции дипольности земного магнитного поля данные интернационального банка цифровой информации о распределении во времени величины виртуального дипольного момента, дополненные данными более поздних исследований (всего 7082 значения), послужили основой исследования поведения виртуального дипольного момента (ВДМ) в палеоархейское—фанерозойское время. Поведение ВДМ характеризуется наличием положительного линейного тренда с величины 4.1 х 1022 Ам2 (3.5 млрд. лет назад) до 5.5 х 1022 Ам2 в настоящее время. На фоне линейного возрастания поля фиксируется неравномерно распределенные по времени ундуляции ВДМ, варьирующие по магнитуде от 1.7 до 3.7 х 1022 Ам2 с длиной волны, меняющейся от 220 до 920 млн. лет. Средняя длина волны таких ундуляций оценивается в 570 млн. лет, что по порядку величины приближается к периоду вилсоновской геологической цикличности. Впервые выявлена относительно спокойная область ВДМ 4.7—4.9 х 1022 Ам2 в интервале 0.84—1.3 млрд. лет. Впервые выявленный глубокий минимум, описываемый 10 точками, с экстремумом 2.3 х 1022 Ам2 (2.15 млрд. лет назад), связан с завершением образования основной геометрии ядра планеты и инициализацией формирования ди-польного поля современного типа.
DOI: 10.7868/S0030157415020173
1. ВВЕДЕНИЕ
Земля имеет магнитное поле около 3.5 млрд. лет. В рамках концепции дипольного магнитного поля основной характеристикой поведения земного магнитного поля во времени является распределение значений виртуального дипольного момента ВДМ (УОМ х 1022 Ам2), который рассматривается как дипольный момент эквивалентного геоцентрического диполя, продуцирующего известную величину и наклонение вектора древнего диполь-ного поля [50] в определенный момент в прошлом. Носителями результатов работы магнитного геодинамо в истории Земли являются величины виртуального дипольного момента, эксгумированные в процессе изучения геомагнетизма пород Земли.
В работах Е. Телье и О. Телье был предложен метод определения склонения, наклонения и величины напряженности геомагнитного поля путем сравнения поведения естественной и искусственной остаточной намагниченности при нагреве и охлаждении на одном и том же образце [5]. О. Телье и Е. Телье разработали методы восстановления ориентации при отборе образцов в поле, кроме того в лаборатории Телье был создан прибор индукционного типа для измерения остаточной намагниченности образцов произвольной формы.
Исследованиями методом Телье [5] и развивающими его методиками [24, 48 и др.] были получены данные о распределении дипольной составляющей земного магнитного поля во времени, которые свидетельствуют о существенных ее вариациях в протерозое—фанерозое [10—17, 25, 26, 42, 47, 54-56, 58-63, 67-70 и др.]. Значительный разброс индивидуальных данных ВДМ до недавнего времени позволял наметить какие-либо закономерности лишь на качественном уровне. В ряду прочих изложенных в литературе способов представления результатов исследований в работе [11] был предложен общий методический подход к обработке данных ВДМ и продемонстрированы результаты его применения для анализа ВДМ в интервале 0-160 млн. лет [11], 0-400 млн. лет
[12], а затем и для всего фанерозоя (0-541 млн. лет)
[13] и далее для интервала 0-2.5 млрд. лет [14]. Приложение сформулированного в [11] и развитого в [12-14], количественного подхода к анализу таких данных для палеоархея - фанерозоя (0-3500 млн. лет) составляет предмет настоящей работы. Все расчеты проводятся в рамках предположения, что геомагнитное поле может быть аппроксимировано полем осесимметричного диполя. Вместе с тем отметим, что в ряде работ представление о дипольности магнитного поля в истории Земли для того или иного момента в
35 г
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
Возраст, млн. лет
Рис. 1. Распределение во времени величин виртуального дипольного момента (1022 Ам2).
прошлом подвергается сомнениям (например [16 и др.]).
2. ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Для анализа изменения ВДМ во времени в последние десятилетия была собрана интернациональная база данных - IAGA PALEOINYENSITY DATABASE, которая доступна на сайте Геофизического центра в г. Боулдер (Колорадо, США) [32, 43]. База в последние годы была обновлена [19, 20] и на середину 2013 г. для фанерозоя-палеоархея, нижняя граница которого определена как 3600 млн. лет [29, 41], составляет несколько тысяч значений ВДМ по более чем 290 литературным источникам [20]. Эта интернациональная база данных с учетом дополнительных сведений из базы данных обсерватории Борок [23] и дополненная нами результатами исследований [18, 21, 22, 27, 28, 31, 34, 37-39, 40, 44-46, 49, 51-53, 55, 57, 6466] послужила основой этой работы. Используемая в работе обновленная база на середину 2013 г. включает в себя 7082 значения ВДМ и соответствующие им определения абсолютного возраста.
Литературные источники свидетельствуют о том, что на качественном уровне величина напряженности земного магнитного диполя не оставалась постоянной во времени. В то же время количественный анализ качественных закономерностей затруднялся значительным разбросом реальных
индивидуальных значений виртуального дипольного момента ВДМ (рис. 1).
Многочисленные опробования различных методик, изложенные в литературе [34, 37, 38, 56 и др.], не создавали возможность уверенного представления закономерностей изменения ВДМ. В то же время, среди прочих интерпретационных подходов предложенный в работе [11] метод скользящего среднего позволяет в значительной степени сгладить спонтанные флуктуации используемых данных. Многочисленные оценки [11—14], проведенные нами, показали, что наиболее оптимальным окном осреднения имеющихся данных для фанерозоя может служить интервал в 10 млн. лет, а оптимальный шаг скольжения составляет 5 млн. лет. К сожалению, этот размер окна и шаг скольжения неприемлемы для архейского—протерозойского времени. В его пределах количество расчетных точек оказывается существенно меньше и требует укрупнения размера окна осреднения. Оценки показали, что в качестве оптимального окна осреднения может быть выбран интервал в 200 млн. лет, а оптимальный шаг скольжения будет при этом составлять 100 млн. лет. Этот же интервал оказался оптимальным и для палеоархея и был выбран в качестве рабочего для настоящего исследования (рис. 2).
В целом, в палеоархейское—фанерозойское время максимальное количество точек, использованных нами в настоящем анализе, приходится на интервалы 0—0.2 млрд. лет (5976 точек), 0.1—
Рис. 2. Распределение средних величин виртуального дипольного момента (1022 Ам2) в интервале 0—3500 млн. лет. Значения вычислены методом скользящего среднего в окне 200 млн. лет с шагом в 100 млн. лет. Показана линейная аппроксимации значений, отражающая рост величины дипольной составляющей магнитного поля Земли в сторону современности. Правая вертикальная ось показывает пересчет величин ВДМ в экваториальную напряженность па-леомагнитного поля в эрстедах. Вертикальные и горизонтальные бары показывают стандартные ошибки среднего в каждом из окон расчета.
0.3 млрд. лет (888 точек), 0.2-0.4 млрд. лет (486 точек), 0.3-0.5 млрд. лет (191 точка) 1.01.2 млрд. лет (93 точки), 2.6-2.8 млрд. лет (159 точек), 2.7-2.9 млрд. лет (128 точек). В остальных интервалах количество точек не превосходит 85. При этом менее 10 точек приходится на интервалы 0.5-0.7, 0.6-0.8, 1.5-1.7, 3.0-3.2, 3.1-3.3, 3.2-3.4 млрд. лет, а в интервале 2.8-3.0 млрд. лет данные вообще отсутствуют (рис. 3).
Во всех случаях при расчетах и построениях графического материала во внимание принимались средние величины ВДМ и их стандартные ошибки в интервале осреднения. Эти величины соотносились с соответствующими значениями
Ц100 «
(U F
ce
™ 70
й
3 «
Ö F
о св
р
о
4 о
и
90 80
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Возраст, млн. лет
Рис. 3. Число расчетных значений в каждом из окон, исключая окна с количеством точек более сотни: 00.2 млрд. лет (5976 точек), 0.1-0.3 млрд. лет (888 точек), 0.2-0.4 млрд. лет (486 точек), 0.3-0.5 млрд. лет (189 точек), 2.6-2.8 млрд. лет (158 точек), 2.72.9 млрд. лет (127 точек).
для возраста, определенными в тех же интервалах осреднения. Мода распределения стандартных ошибок среднего значения возраста в каждом окне составляет 6-7 млн. лет. Имеются три значения, превосходящих 15 млн. лет в интервале 0.40.6, 0.5-0.7 и 0.6-0.8 млрд. лет. Мода распределения разброса стандартных ошибок среднего ВДМ в каждом окне составляет 0.5-0.6 х 1022 Ам2 млн. лет. При этом имеются два значения, превосходящие 1 х х 1022 Ам2 в интервале 0.5-0.7 и 0.6-0.8 млрд. лет.
3. РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТОВ
На рис. 2 представлено распределение средних значений ВДМ для интервала 0-3.5 млрд. лет в окне 200 млн. лет со сдвигом 100 млн. лет, а также в график включено современное значение ВДМ (8 х 1022 Ам2). По горизонтальной оси отложены возрасты, которые соответствуют средним величинам возрастов в млн. лет в окне осреднения. По вертикальной оси отложены значения виртуального магнитного момента, которые соответствуют средним величинам ВДМ х 1022 Ам2 в окне осреднения. Вертикальными и горизонтальными барами обозначены стандартные ошибки соответствующего среднего.
График свидетельствует, что виртуальный ди-польный момент, современное значение которого составляет 8 х 1022 Ам2 [11, 33, 47 и др.], во времени не оставался постоянным за последние 3.5 млрд. лет. Осредненные величины ВДМ достигают максимальных значений 6.9 ± 1.2 х 1022 Ам2 0.7 ± 0.03 млрд. лет назад, а минимальных значе-
ний - 2.3 ± 0.3 X 1022Ам2 2.15 ± 0.005 млрд. лет назад. В целом, распределение ВДМ ха
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.