Палеомагнетизм - Paleomagnetism

Магнитные полосы являются результатом переворота поля Земли и распространения морского дна. Новая океаническая кора при образовании намагничивается, а затем удаляется от хребта в обоих направлениях. Модели показывают гребень (а) около 5 миллионов лет назад (б) около 2 миллионов лет назад и (в) в настоящее время.

Палеомагнетизм , или palaeomagnetism , является изучение записи в магнитном поле Земли в горных породах, донных отложений, или археологических материалов. Магнитные минералы в горных породах могут фиксировать направление и интенсивность магнитного поля, когда они образуются. Эта запись предоставляет информацию о поведении магнитного поля Земли в прошлом и местонахождении тектонических плит в прошлом . Запись геомагнитных инверсий, сохранившихся в вулканических и осадочных породах ( магнитостратиграфия ), обеспечивает шкалу времени, которая используется в качестве геохронологического инструмента. Геофизиков , специализирующихся на палеомагнетизме, называют палеомагнетиками.

Палеомагнетики возглавили возрождение гипотезы континентального дрейфа и ее преобразование в тектонику плит . Видимые пути полярного блуждания предоставили первое четкое геофизическое свидетельство дрейфа континентов , в то время как морские магнитные аномалии сделали то же самое для спрединга морского дна . Палеомагнитные данные продолжают расширять историю тектоники плит в прошлое, поскольку их можно использовать для ограничения древнего положения и движения континентов и континентальных фрагментов ( террейнов ).

Палеомагнетизм в значительной степени опирался на новые разработки в области магнетизма горных пород , которые, в свою очередь, послужили основой для новых приложений магнетизма. К ним относятся биомагнетизм , магнитные ткани (используемые в качестве индикаторов деформации в горных породах и почвах) и магнетизм окружающей среды .

История

Еще в XVIII веке было замечено отклонение стрелки компаса около сильно намагниченных обнажений. В 1797 году фон Гумбольдт приписал эту намагниченность ударам молнии (а удары молнии часто намагничивают горные породы на поверхности). В XIX веке исследования направления намагниченности горных пород показали, что некоторые недавние лавы намагничивались параллельно магнитному полю Земли. В начале 20 века работы Дэвида, Брюнеса и Меркантона показали, что многие породы намагничены антипараллельно полю. Японский геофизик Мотонори Матуяма показал, что магнитное поле Земли изменилось на противоположное в середине четвертичного периода , это изменение теперь известно как обращение Брюнеса – Матуямы .

Британский физик П. М. Блэкетт дал мощный толчок развитию палеомагнетизма, изобретя в 1956 году чувствительный астатический магнитометр . Его намерением было проверить свою теорию о том, что геомагнитное поле связано с вращением Земли, теорию, которую он в конечном итоге отверг; но астатический магнитометр стал основным инструментом палеомагнетизма и привел к возрождению теории дрейфа континентов . Альфред Вегенер впервые предположил в 1915 году, что континенты когда-то были соединены вместе и с тех пор разделились. Хотя он представил множество косвенных свидетельств, его теория не получила широкого признания по двум причинам: (1) не был известен механизм дрейфа континентов и (2) не было способа реконструировать движение континентов во времени. Кейт Ранкорн и Эдвард А. Ирвинг построили очевидные полярные пути странствий для Европы и Северной Америки. Эти кривые расходятся, но их можно согласовать, если предположить, что континенты контактировали до 200 миллионов лет назад. Это дало первое четкое геофизическое свидетельство дрейфа континентов. Затем, в 1963 году, Морли, Вайн и Мэтьюз показали, что морские магнитные аномалии свидетельствуют о расширении морского дна .

Поля

Палеомагнетизм изучается по ряду шкал:

Изменения магнитной полярности Земли за последние 5 миллионов лет. Темные области представляют нормальную полярность (такую ​​же, как текущее поле); светлые области представляют обратную полярность.

Принципы остаточной намагниченности

Изучение палеомагнетизма возможно, потому что железосодержащие минералы, такие как магнетит, могут фиксировать прошлые направления магнитного поля Земли. Магнитные сигнатуры в горных породах могут быть зарегистрированы несколькими различными механизмами.

Термоостаточная намагниченность

Минералы оксида железа и титана в базальте и других магматических породах могут сохранять направление магнитного поля Земли, когда породы охлаждаются через температуры Кюри этих минералов. Температура Кюри магнетита , оксида железа группы шпинели , составляет около 580 ° C, тогда как большинство базальтов и габбро полностью кристаллизуются при температурах ниже 900 ° C. Следовательно, минеральные зерна не вращаются физически для выравнивания с полем Земли, а скорее могут фиксировать ориентацию этого поля. Сохраненная таким образом запись называется термоостаточной намагниченностью (TRM). Поскольку при охлаждении магматических пород после кристаллизации могут происходить сложные реакции окисления, ориентация магнитного поля Земли не всегда точно регистрируется, и запись не обязательно сохраняется. Тем не менее, данные о базальтах океанической коры сохранились достаточно хорошо, чтобы сыграть решающую роль в развитии теорий распространения морского дна, связанных с тектоникой плит . TRM также может быть записан в гончарных печах , очагах и обожженных глиняных постройках. Дисциплина, основанная на изучении термоостаточной намагниченности археологических материалов, называется археомагнитным датированием .

Остаточная намагниченность детрита

В совершенно другом процессе магнитные зерна в отложениях могут выровняться с магнитным полем во время или вскоре после осаждения; это известно как остаточная намагниченность детрита (DRM). Если намагниченность приобретается по мере осаждения зерен, результатом является остаточная намагниченность осаждения детрита (dDRM); если он получен вскоре после осаждения, это остаточная намагниченность после осаждения детрита (pDRM).

Химическая остаточная намагниченность

В третьем процессе магнитные зерна растут во время химических реакций и регистрируют направление магнитного поля во время своего образования. Считается, что поле регистрируется методом химической остаточной намагниченности (CRM). Обычная форма химической остаточной намагниченности поддерживается минералом гематитом , другим оксидом железа . Гематит образуется в результате химических реакций окисления других минералов в породе, включая магнетит . Красные прослои , обломочные осадочные породы (например, песчаники ) имеют красный цвет из-за гематита, образовавшегося во время осадочного диагенеза . Сигнатуры CRM в красных ложе могут быть весьма полезными и часто используются при магнитостратиграфических исследованиях.

Изотермическая остаточная намагниченность

Остаточная намагниченность, возникающая при фиксированной температуре, называется изотермической остаточной намагниченностью (IRM) . Подобная остаточная способность бесполезна для палеомагнетизма, но может быть получена в результате ударов молнии. Остаточное намагничивание, вызванное молнией, можно отличить по его высокой интенсивности и быстрому изменению направления в масштабе сантиметров.

IRM часто индуцируется в буровых кернах магнитным полем стального керна. Этот загрязнитель обычно расположен параллельно стволу, и большую его часть можно удалить путем нагревания до примерно 400 ℃ или размагничивания в небольшом переменном поле.

В лаборатории IRM индуцируется приложением полей различной силы и используется для многих целей в магнетизме горных пород .

Вязкая остаточная намагниченность

Вязкая остаточная намагниченность - это остаточная намагниченность, которая приобретается ферромагнитными материалами, находясь в магнитном поле в течение некоторого времени. В горных породах это намагничивание обычно совпадает с направлением современного геомагнитного поля. Доля общей намагниченности породы, которая представляет собой вязкую остаточную намагниченность, зависит от магнитной минералогии.

Палеомагнитная процедура

Сбор образцов на суше

Возраст самых старых горных пород на дне океана составляет 200 миллионов лет назад - это очень молодой возраст по сравнению с самыми старыми континентальными породами, возраст которых насчитывает 3,8 миллиарда лет назад. Чтобы собрать палеомагнитные данные, датируемые более чем 200 млн лет назад, ученые обращаются к содержащим магнетит образцам на суше, чтобы восстановить древнюю ориентацию поля Земли.

Палеомагнетисты, как и многие геологи, тяготеют к обнаженным поверхностям, потому что обнажаются слои горных пород. Дорожные вырубки - удобный искусственный источник обнажений.

«И повсюду, в изобилии на этой полмили [дорожной развязки], есть маленькие, аккуратно проделанные отверстия ... похоже, Хилтон для крапивников и пурпурных мартинов».

Выборка преследует две основные цели:

  1. Получать образцы с точной ориентацией и
  2. Уменьшите статистическую неопределенность.

Одним из способов достижения первой цели является использование бурового снаряда с алмазным наконечником на конце трубы. Сверло вырезает цилиндрическое пространство вокруг камня. Это может быть неприятно - сверло необходимо охладить водой, и в результате из отверстия будет извергаться грязь. В это пространство вставляется еще одна труба с прикрепленным компасом и инклинометром . Они обеспечивают ориентацию. Перед снятием этого устройства на образце царапают след. После того, как образец отломан, отметка может быть увеличена для наглядности.

Приложения

Палеомагнитные свидетельства, как инверсии, так и данные о полярных блужданиях, сыграли важную роль в проверке теорий дрейфа континентов и тектоники плит в 1960-х и 1970-х годах. Некоторые применения палеомагнитных данных для реконструкции истории террейнов продолжают вызывать споры. Палеомагнитные данные также используются для ограничения возможных возрастов горных пород и процессов и для реконструкции историй деформации частей земной коры.

Обратную магнитостратиграфию часто используют для оценки возраста участков с окаменелостями и останками гомининов . И наоборот, для окаменелости известного возраста палеомагнитные данные могут зафиксировать широту, на которой окаменелость была отложена. Такая палеоширота дает информацию о геологической среде во время отложения.

Палеомагнитные исследования сочетаются с геохронологическими методами для определения абсолютного возраста горных пород, в которых сохраняется магнитная запись. Для магматических пород, таких как базальт , обычно используются методы геохронологии калий-аргон и аргон-аргон .

Ученые из Новой Зеландии обнаружили, что они могут выяснить прошлые изменения магнитного поля Земли, изучив паровые печи, которым от 700 до 800 лет, или ханги , которые маори использовали для приготовления пищи.

Смотрите также

Примечания и ссылки

дальнейшее чтение

Внешние ссылки