научная статья по теме ОБ ИНТЕНСИВНОСТИ ГЕОМАГНИТНОГО ПОЛЯ В ГЕОЛОГИЧЕСКОМ ПРОШЛОМ Геофизика

Текст научной статьи на тему «ОБ ИНТЕНСИВНОСТИ ГЕОМАГНИТНОГО ПОЛЯ В ГЕОЛОГИЧЕСКОМ ПРОШЛОМ»

ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2013, № 5, с. 105-124

УДК 550.384

ОБ ИНТЕНСИВНОСТИ ГЕОМАГНИТНОГО ПОЛЯ В ГЕОЛОГИЧЕСКОМ ПРОШЛОМ

© 2013 г. В. П. Щербаков, Н. К. Сычева

Геофизическая обсерватория "Борок", филиал Института физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, п. Борок

Поступила в редакцию 31.08.2012 г.

На основе детального анализа данных об интенсивности геомагнитного диполя и частоте его инверсий, представленных в современных мировых базах данных по палеонапряженности, приведены аргументы в пользу справедливости гипотезы о существовании отрицательной корреляции между средней величиной УОМ и частотой инверсий на интервале времени 5—100 млн. лет назад. Однако, статистический уровень доверия этой гипотезы составляет только 60—70%, что значительно ниже 95% — стандартного требования к величине уровня доверия для того, чтобы гипотеза считалась статистически достоверной. На высоком уровне доверия, превышающем 99%, подтверждено наличие положительной корреляции между средней величиной и дисперсией виртуального дипольного момента (УОМ) для ряда интервалов постоянной полярности в кайнозое и мезозое. Это наблюдение означает, что функция распределения величин УОМ на этих интервалах времени заведомо негауссова и описывается скорее гамма или логнормальным распределениями. Вместе с тем, гистограмма УОМ для эпохи Брюнеса, в отличие от более древних, описывается скорее нормальным распределением. Сравнение выводов нашего анализа с результатами, опубликованными в литературе по численному моделированию работы геодинамо, показало их непротиворечивость в отношении возможного существования отрицательной корреляции между средней величиной УОМ и частотой инверсий и отсутствия корреляции между средней УОМ и длиной интервала постоянной полярности.

БО1: 10.7868/80002333713040091

ВВЕДЕНИЕ

Знание характеристик геомагнитного поля в геологическом прошлом необходимо как для развития теории геодинамо, так и для понимания геофизических процессов, происходящих во внутренних оболочках Земли. Полное описание геомагнитного поля во времени и пространстве достигается путем разложения его потенциала Т по сферическим функциям с зависящими от вре-

11 т 1 т

мени коэффициентами этого разложения gl и Н1 .

ьь

и 0 V Г

I+1

Рт (ео8 0) X

& ьь( ^

I=1 т=0

х (т ео8 тф + Н" тф).

(1)

Здесь ЯЕ — радиус Земли, г — расстояние от центра Земли до точки, где вычисляется величина потенциала Т, ||0 — магнитная постоянная, Р1т — присоединенные полиномы Лежандра, ф и 9 — угловые сферические координаты с полярной осью, направленной вдоль оси вращения Земли. Вообще говоря, задача палеомагнетизма как раз и заключается в нахождении этих коэффициентов для прошлых геологических эпох.

Ясно, что в такой общей постановке решение поставленной задачи невыполнимо просто в силу крайней разреженности данных о векторе геомагнитного поля для древних эпох во времени и пространстве и невозможности их синхронизации с достаточной точностью. Хотя надо заметить, что имеются серьезные попытки создания такой модели для последних 10 тысяч лет на основе синтеза архео- и палеомагнитных данных, с привлечением данных по осадочным породам — так называемая модель CALS10k.1t [КоЛе й а1., 2011]. В рамках этой модели ее авторам удалось, правда, с большими допущениями, определить несколько первых коэффициентов разложения (1) и их временную зависимость. Но что касается более древних эпох, то на геологических интервалах времени, ввиду чрезвычайно малой плотности данных о характеристиках геомагнитного поля во времени и пространстве, палеомагнитологи вынуждены ограничиваться определением величины и положением полюса так называемого виртуального геомагнитного диполя (УОМ), расчет величины которого ведется по известной формуле

УОМ = 2пН ашД3^1 + 38т2 у/ц 0

(2)

Здесь ] — наклонение вектора геомагнитного поля Нашс в месте отбора (в древней системе коорди-

со

нат). Преимущество использования VDM вместо палеонапряженности заключается в том, что, в отличие от палеонапряженности Hanc, его величина не зависит от палеонаклонения j, в предположении, что дипольное поле доминирует. На самом деле, реальное поле имеет значительные не-дипольные компоненты, и разница в величинах VDM, вычисленных в разных местах отбора, может быть значительной, особенно во время инверсий и экскурсов, когда чисто дипольная компонента сравнима с недипольной частью главного геомагнитного поля, а то и вовсе близка к нулю [Храмов, 1980].

В тех случаях, когда неизвестно наклонение, но зато известна палеоширота местности ф, по данной величине Hanc вычисляется виртуальный осевой геомагнитный диполь (VADM), то есть диполь, расположенный в центре Земли с моментом, направленным строго вдоль оси ее вращения. Поскольку для чисто осевого диполя палеоширота и наклонение связаны формулой tg j = = 2tg ф, то для вычисления VADM формула (2) преобразуется к

VADM = 4nHancR^ . (3)

р 0v1 + 3sin2 9

Эта величина часто используется в археомагне-тизме, где зачастую невозможно отобрать ориентированные образцы, а палеоширота очевидным образом есть просто широта места отбора. В последние годы этот же способ стал применяться и при работе по определению палеонапряженности на кернах озерных или относительно молодых морских и океанических осадков (раздел "Дискуссия").

Результаты определений палеонапряженно-сти, опубликованные в литературе, заносятся в мировые базы данных (МБД) (http://www-brk.adm.yar.ru/palmag/index.html (ГО "Борок" ИФЗ РАН), http://earth.liv.ac.uk/IAGA/ (A. Biggin)). Отметим, что МБД включают все известные в литературе определения VDM, полученные на изверженных и обожженных породах разными методами, с различной степенью достоверности. По этой причине, как правило, при компиляции данных для анализа поведения палеонапряжен-ности [Tarduno et al., 2006; Tauxe, 2006; Valet et al., 2003; Щербаков и др., 2002; 2008; Щербаков, Сычева, 2006], используются те или иные методы их селекции.

Одной из самых долгоживущих проблем геофизики является вопрос о возможности существовании корреляции между интенсивностью VDM и частотой инверсий [Cox, 1968]. Как известно, полярность геомагнитного поля много -кратно менялась за время жизни Земли, и состояние наших знаний об этих изменениях суммировано в так называемых шкалах геомагнитной

полярности [Храмов, 1980; Cande, Kent, 1995; Gradstein et al., 2004; 2008; Молостовский и др., 2007]. Согласно этим шкалам, длительные интервалы с высокой частотой инверсий поля (вплоть до 15 инверсий на миллион лет) сменялись периодами длительностью до 40 млн. лет, когда инверсии практически отсутствовали, как это было в меловом и пермо-карбоновом суперхронах.

Хотя геодинамические модели и предсказывают существование корреляции между интенсивностью VDM и частотой инверсий, они расходятся в вопросе о возможном ее характере. Согласно работам [Loper, McCartney, 1986] и [Olson et al., 2010] развитая мантийная конвекция ведет к частым инверсиям и генерации сильного магнитного поля. С другой стороны в работе [Larson, Olson, 1991], основываясь на стабилизационном эффекте возросшего теплового потока, утверждается, что эпоха высокого поля должна сопрягаться с редкими инверсиями. Аналогично, заключения разных авторов, сделанные из анализа имевшихся на то время определений Hanc, также противоречат друг другу. В работах [Большаков, Солодовников, 1981; Prevot et al., 1990; Pick, Tauxe, 1993; Valet, 2003] считается, что палеополе во время мелового суперхрона было ниже современного, по крайней мере, в два раза и, соответственно, при своем анализе данных по палеонапряженности не нашли экспериментальных свидетельств в пользу существования какой-либо связи между интенсивностью VDM и частотой инверсий. Напротив, в работах [Tauxe, 2004; Tarduno, 2005] авторы полагают, что поле в мелу было высоким и отстаивают гипотезу о существовании отрицательной корреляции между интенсивностью VDM и частотой инверсий. В работе [Shcherbakova et al., 2012] поддерживается эта гипотеза на основе сравнения данных по миоцену, мелу и средней юре, но отмечается, что хотя корреляция и существует, но она не подтверждается на 95% уровне доверия.

Со времени выхода компиляций [Tarduno et al., 2006; Tauxe, 2006; Valet, 2003; Щербаков и др., 2002; 2008; Щербаков, Сычева, 2006], число записей в базе увеличилось от 3700 до 4287 (из них 4056 записей, содержащих определения VDM). В данной работе мы снова попытаемся проанализировать проблему существовании корреляции между интенсивностью VDM и частотой инверсий, опираясь на данные, содержащиеся в МБД по палеонапряженности, используя два варианта селекции. По "мягкому" варианту, для увеличения статистики, хотя и в ущерб строгости отбора, мы брали все значения VDM, полученные методами Телье и Шоу. По "жесткому" варианту требовалось выполнение внутренней сходимости результатов, когда для расчета VDM по данному сайту использовалось не меньше трех образцов, и стандартная ошибка определения VDM не превышала 15%. В дополнение к этим условиям до-

VDM, А м2

20 Г 1 г\22 хЮ22

18 16 14 12 10 8 6 4 2

Число инверсий 16

40 80 120 160 200 Возраст, млн. лет

0

20

40

60

80

100

120

140

160 180 200 Возраст, млн. лет

Рис. 1. Изменение УОМ в интервале 0—200 млн. лет по данным, удовлетворяющим "жестким" критериям отбора. Сплошная прямая линия соответствует линии линейной регрессии на интервале 5—100 млн. лет. На врезке представлена частота инверсий.

бавлялось требование присутствия процедуры "check-points" при выполнении экспериментов Телье [Щербаков и др., 2002].

ОБЩАЯ КАРТИНА ПОВЕДЕНИЯ ПАЛЕОПОЛЯ В ГЕОЛОГИЧЕСКОМ ПРОШЛОМ

Плотность числа определений крайне неравномерна во времени и подавляющее большинство их (3823 определения VDM) сделано в фанерозое, а точнее, в последние 200 млн. лет (3143 определения или 82.2% всех определений VDM в фанерозое), а на весь остальной интервал времени (докембрий) приходится всего 233 определения. Имея в виду, что исследование статистических характеристик интенсивности палеополя требует хоть какой-то минимальной плотности данных, этим интервалом времени (200 млн. лет) мы и ограничимся в дальнейшем при анализе характеристик п

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.

Показать целиком