Палеомагнитные данные

Наиболее весомые подтверждения гипотезы спрединга были получены в результате магнитных съемок в океанах, и прежде всего в пределах срединно-океанических хребтов.

Как было сказано ранее, для срединно-океанических хребтов характерна продольная зональность, проявляющаяся в полосовом характере магнитных аномалий, протягивающихся параллельно осевой рифтовой зоне.

Эти магнитные аномалии связывают с базальтами фундамента, которые содержат ферромагнетики, в основном железо и его соединения. Последние обладают способностью намагничиваться во внешнем магнитном поле при условии, если их нагреть выше некоторой температуры, так называемой точки Кюри, а затем охладить. В холодном состоянии ферромагнетик становится постоянным магнитом, полярность которого определяется полярностью внешнего магнитного поля. В процессе своего формирования из магматического расплава базальты проходят через точку Кюри, немагничиваясь во внешнем магнитном поле Земли. Таким образом, базальты как бы "запоминают" напряженность и полярность магнитного поля Земли, существовавшего в эпоху кристаллизации. В этой связи в результате магнитной съемки было сделано поразительное открытие. Оказывается, магнитные аномалии срединно-океанических хребтов отображают неоднократные смены полярности магнитного поля Земли, т. е. положительные аномалии одной полярности чередуются с отрицательными (рис. 36, а).

Рис. 36. Чередование магнитных аномалий различной полярности в базальтах океанического дна относительно оси срединно-океанического хребта (а) и палеомагнитная шкала последних 4,5 млн. лет (б). Черным закрашены периоды нормальной полярности, соответствующие современной полярности магнитного поля Земли

Нужно сказать, что с породами, остаточная намагниченность которых противоположна полярности современного геомагнитного поля, геологи знакомы уже давно. На континентах, в многослойных разрезах вулканических базальтов нередко обнаруживали слои противоположной намагниченности. Единственно возможным объяснением этого удивительного факта было предположение о том, что полярность магнитного поля Земли не является постоянной и что северный и южный магнитные полюсы планеты периодически меняются местами. В результате базальты, изливающиеся на склоны вулканов, как бы "фотографируют" существующее в эпоху извержения магнитное поле.

Так было открыто явление инверсии магнитного поля Земли. Определение абсолютного возраста базальтов различной намагниченности позволило установить, что инверсии геомагнитного поля являются достаточно частым явлением в истории Земли - только за последние пять миллионов лет отмечено более 20 инверсий. Продолжительность эпох одинаковой полярности может быть различной - от миллионов до десятков тысяч лет. При этом собственно смена полярности происходит сравнительно быстро, вероятно, не более чем за тысячу лет.

Сопоставление результатов измерения остаточной намагниченности базальтов и их абсолютного возраста позволило составить палеомагнитную шкалу смены полярности геомагнитного поля (рис. 36, б). При этом отдельные периоды преобладания полярности одного знака объединены в эпохи. Так, современной эпохе Брюнес с преимущественно "нормальной" полярностью и продолжительностью около 700 тыс. лет предшествовала эпоха Матуяма преимущественно обратной полярности продолжительностью 1,74 млн. лет и т. д.

Детальное изучение магнитных аномалий в океанах и подбор соответствующих им моделей распределения базальтов с различным направлением остаточной намагниченности позволили выявить еще одно свойство срединно-океанических хребтов - симметричное положение магнитных аномалий относительно оси хребта, его рифтовой долины или гребня. Это свойство, получившее название билатеральной двухсторонней симметрии, было объяснено в работах американских ученых Ф. Вейна и Д. Мэтьюза в 1963 году с позиций гипотезы спрединга. Они установили, что "зебровидный" характер магнитного поля срединно-океанических хребтов отображает последовательность формирования океанической литосферы в рифтовой долине. Анализ положения магнитных аномалий относительно оси хребта и сопоставление с результатами определения абсолютного возраста океанических базальтов показали полное его соответствие континентальной палеомагнитной шкале.

Рис. 37. Схема скорости относительного перемещения литосферных плит. Зоны: 1 - спрединга, 2 - субдукции (коллизии); 3 - глубинные разломы сдвигового характера; направления и скорость (^см/_год): 4 - спрединга, 5 - субдукции

Идентификация полосовых аномалий океанического дна с эпохами инверсий магнитного поля Земли позволила решить еще одну важную геодинамическую задачу - оценить скорость спрединга. Зная ширину определенной аномалии в километрах и учитывая продолжительность соответствующей эпохи полярности магнитного поля в годах, нетрудно вычислить скорость наращивания литосферных плит в рифтовых зонах. Результаты таких оценок, проведенных на различных участках срединно-океанических хребтов, в общем соответствуют современным представлениям о вязкости астеносферы. Скорость раздвигания литосферных плит измеряется сантиметрами в год, однако эта скорость на различных участках различна. С минимальной скоростью перемещаются относительно друг друга Африканская и Антарктическая плиты - 1,3-1,7 ^см/_год (рис. 37), хребет Карлсберг в Индийском океане "раздвигается" со скоростью 2-2,5 ^см/_год. Однако абсолютным "чемпионом" по скорости спрединга является Восточно-Тихоокеанское поднятие, раздвигающееся со скоростью до 18,3 ^см/_год! Нетрудно подсчитать, что вулканические острова на таких плитах, как Тихоокеанская и Наска, за 1 млн. лет удалятся друг от друга на целых 183 км.

Существует предположение, что такая высокая скорость спрединга здесь обусловлена интенсивным поступлением вещества астеносферы. Подтверждением этому может служить отсутствие рифтовой долины в осевой части поднятия, где, наоборот, возвышается линейный гребень, сложенный современными базальтами. Кроме того, для гребня Восточно-Тихоокеанского поднятия характерно аномально высокое значение теплового потока, достигающее здесь значения 250 ^мВт/_м². И, наконец, еще одно обстоятельство. Формирование базальтов в осевой зоне срединно-океанических хребтов, по-видимому, идет с некоторой скоростью, обусловленной их минеральным составом, вязкостью и т. д. И так как кристаллизация базальтов сопровождается повышением плотности, можно полагать, что более древние участки океанической литосферы глубже погружены в астеносферу, и наоборот. Поэтому срединно-океанические хребты с различной скоростью спрединга характеризуются резкой крутизной крыльев, погружающихся в астеносферу. Сравнительно медленно раздвигающийся Срединно-Атлантический хребет имеет относительно крутые крылья и небольшую ширину - всего около 1000 км, в то же время быстро раздвигающееся Восточно-Тихоокеанское поднятие имеет вчетверо большую ширину - его сравнительно молодые крылья еще не успели глубоко погрузиться в астеносферу.

Положение магнитных аномалий различной полярности позволяет также оценить и скорость сдвига литосферных плит по разломам. Среди них наиболее известен разлом Сан-Андреас в Калифорнии, по которому Тихоокеанская плита сдвигается относительно Северо-Американской со скоростью более 5 ^см/_год.

С результатами палеомагнитных исследований связано еще одно подтверждение идей мобилизма. Дело в том, что кроме инверсий в результате палеомагнитных исследований удалось выявить феноменальное свойство магнитного поля Земли - медленное смещение положения магнитных полюсов. Это явление, получившее название миграции полюсов, сейчас хорошо изучено на образцах пород, слагающих склоны наземных вулканов. Каждому образцу соответствует определенное направление вектора остаточной намагниченности. Сопоставляя такие направления для образцов пород одного возраста, но отобранных в удаленных друг от друга пунктах, можно определить положение магнитного полюса в момент формирования пород методом засечек двух (или более) направлений. Таким образом удалось воссоздать миграцию положения полюсов в течение последних 500 млн. лет. В частности, по результатам палеомагнитных исследований на Африканском континенте установлено, что 400 млн. лет тому назад магнитный полюс находился в Бискайском заливе Атлантического океана. Затем он медленно мигрировал к югу, пересек весь Африканский континент, юго-западную часть Индийского океана и в Антарктиде достиг своего современного положения, описав длинную спиралевидную траекторию протяженностью около 20 тыс. км. При этом полярность магнитного поля многократно менялась - это магнитный полюс становился то северным, то южным в соответствии с инверсиями геомагнитного поля (рис. 38, а).

Рис. 38. Схема сопоставления траектории миграции южного магнитного полюса при современном (а) и сомкнутом (б) положении Южно-Американского и Африканского континентов. Цифрами указано время (миллионов лет тому назад); черным закрашены периоды нормальной полярности геомагнитного поля

При сопоставлении палеомагнитных данных различных континентов выявилось несоответствие траекторий магнитных полюсов. Такая же траектория по южноамериканским данным располагается далеко к западу, в пределах акватории Атлантики, хотя и имеет близкую форму. И только при совмещении континентов отмечается практическое совпадение траекторий (рис. 38, б).

Таким образом, современные геолого-геофизические данные о строении дна океанов являются надежным подтверждением гипотезы спрединга и дают ответ на поставленные А. Вегенером вопросы о причинах сходства береговых очертаний континентов. Однако в отличие от представлений А. Вегенера горизонтальное перемещение континентов осуществлялось не по поверхности твердой мантии, а в составе жестких литосферных плит по полурасплавленной астеносфере.

В соответствии с гипотезой спрединга срединно-океанические хребты являются глобальными зонами наращивания литосферных плит. И скорость такого наращивания значительна - нетрудно подсчитать, что в рифтах срединно-океанических хребтов ежегодно формируется не менее 2,5 км² площади литосферных плит. Таким образом только за 140-150 млн. лет в рифтах сформировано около 360 млн. км² океанического дна, что равно площади Мирового океана. Куда же девалась вся остальная литосфера, сформировавшаяся за миллиарды лет существования планеты? Решению этой проблемы посвящена вторая гипотеза, наряду с гипотезой спрединга входящая в теорию литосферных плит.