Тяпкін К.Ф. Фізика Землі

Подождите немного. Документ загружается.

реднього положення палеомагнітних полюсів географічної по-

люсу С.

На рис. 18 наведено стеріограми переміщення віртуального

магнітного полюса в попередні тисячоліття, складені за археомаг-

нітними даними на території України і Молдови Г.Ф. Загнієм і

О.М. Русаковим [71]. Автори, зазначаючи складну петлеподібну

траєкторію, підкреслюють переважаюче в часі зміщення віртуаль-

ного магнітного полюса проти годинникової стрілки, тобто схід-

ний дрейф дипольного поля з основним періодом порядку 1 200

років.

Встановлено, що палеомагнітні полюси впродовж усієї геоло-

гічної історії Землі безперервно змінювали своє положений відно-

сно сучасного положення географічних полюсів, а це означає, що

й географічні полюси безперервно мігрували по поверхні Землі.

Середню лінію, проведену відносно палеомагнітних полюсів, ви-

несених на сучасний геоїд, називають кривою міграції полюсів. Ви-

являється, що криві міграції, побудовані за результатами палео-

Рис. 18. Дрейф віртуальних геомагнітних полюсів за археомагншшми даними для

України і Молдови [71]:

—

за період і XXXV по ХХЇ століття до н. е.; 6

—

за період з XVII по І століття до Н. в.; в - 3£

період ч

століття до н. е. по XX століття н. е. (римськими цифрами позначено століття, сере-

дини яких стосуються положення віртуальних геомаї нітних полюсів)

40° 20° 0° 20° 40°

140° 160° 180° 160°

Рис. 19. Криві міграції палеомагнітних полюсів, що встановлюються за даними,

отриманими для різних континентів або їхніх частин [57]:

1 -- Північна Америка: 2

—

Європа; і - .Африка; 4

—

Індія; 5 - Австралія

магнітних досліджень на зразках із різних континентів, не збігаю-

ться між собою, причому розбіг кривих міграції тим більший, чим

давніша епоха, що розглядається (рис. 19). Цей факт використо-

вується прибічниками нової глобальної тектоніки як доказ дифе-

ренціальних зміщень літосферних плит одна відносно одної.

Можливе також інше пояснення цього факту. Річ у тім, що

елементи давнього геомагнітного поля визначаються відносно су-

часного геоїда, який вилатається деформованим порівняно з дав

•

нім. Причому ступінь його деформації пропорційний різниш між

давньою епохою, шо вивчається, і сучасною. Отже, розбіг між об-

числюваними координатами полюсів у різних точках Землі пови-

нен збільшуватись з часом. На жаль, цій проблемі не приділяють

належної уваги під час аналізу палеомагнітних даних.

На рис. 20, а наведено положення палеомагнітних полюсів у

фанерозої за результатами палеомагнітних досліджень у межах

Східно-Європейської платформи. Вони утворюють складні поєд-

нання, концентруючись у «хмари» за ерами. Там само подано

криву міграції полюсів. Вона відображує загальну тенденцію їх-

нього переміщення, а не реальну траєкторію. Г.М. Стовас обчис-

лила середні положення палеомагнітних полюсів за геологічними

періодами. Осереднені положення полюсів сполучені між собою

лініями (див. рис. 20, б). Отриманий графік зміни положення по-

люсів також не можна вважати траєкторією руху полюса, оскіль-

ки в інтервалі між середніми значеннями шлях полюса залишає-

ться невідомим. Однак з аналізу графіка випливає важливий ви-

сновок: переміщення пал еомагнігного полюса по поверхні Землі

в ранні геологічні епохи було не монотонним в одному напрямку,

а складним, петлеподібним.

Деякі уявлення про форму траєкторій палеомагнітних полюсів

дає траєкторія Північного полюса, обчислена О.М. Русаковим за

даними, отриманими в межах Східно-Європейської платформи

для мезозою (див. рис. 20, в). Привертає увагу складний петле-

подібний характер траєкторії. Мабуть, такі петлеподібні ділян-

ки траєкторій є результатом додавання монотонної регіональної

складової рух;.' полюса і близьких до колових або еліптичних пе-

ріодичних складових. На рисунку виявляються лише складові з

ве.тикими періодами порядку десятків мільйонів років.

Ще важче визначити траєкторію палеомагнітного полюса в

докембрії. Головна трудність полягає в дуже обмеженій кількості

ілалеомагнітних даних і значно більшому інтервалі часу. Однак

наявні відомості про положення полюсів у докембрії, отримані за

результатами палеомагнітних вимірювань у Північній Америці та

Африці, в поєднанні з результатами геохронологічного визначен-

ня віку порід свідчать про складний петлеподібний рух по-

люса по поверхні Землі (рис. 21).

Недипольне поле та його варіації. Аналітичний метод розкла-

дання потенціалу магнітного поля Землі в ряд дає змогу кількісно

розділити спостережуване поле на дипольне і недипольне, що іноді

називають полем материкових аномалій. У цьому разі використо-

вується гіпотеза централ,ного диполя. На рис. 22, а наведено

п.рту вертикальної і горизонтальної складових поля світових маг-

нітних аномалій. Як видно з рисунка, на земній поверхні спосте-

піїаються, принаймні, шість великих світових магнітних анома-

тій, інтенсивність яких в екстремумах досягає однієї чверті мак-

нм,-; а,них значень напруженості магнітною поля Землі.

Пн

о б

Рис. 21. Передбачувані траєкторії руху магнітних полюсів у докембрії, побудовані

Г. Споллом [276]:

а за даними Мак Елхіні та ін.; б

—

за даними Дж. Булларда та ін. Цифри на рис. відповідають раціо-

тоохронологічному віку зразків

гірських

порід, використаних для визначення положення полюсів

Важливою особливістю світових магнітних аномалій вважають

так званий західний дрейф, під яким розуміють переміщення всієї

системи ізоліній світових магнітних аномалій зі сходу на захід.

Швидкість західного дрейфу характеризують величинами порядку

0°, 1—0°,3. Е. Буллард [258], що детально вивчав це питання, діс-

тав значення 0°,І8 ± 0°,015. Е. Вестін [283] крім цього встановив

менше зміщення на північ, яке він пояснює дрейфом ексцентри-

чного диполя навколо осі, перпендикулярно до осі обертання Зем-

лі, і в площині меридіана

= 264° сх. д.

Варіації магнітного поля 8Т включають складне по-

єднання різноперіодних компонент. Найцікавішими є так звані

вікові варіації, або віковий хід магнітного поля, що є зміною серед-

ньорічних значень елементів земного магнетизму в часі. На жаль,

даними прямих вимірювань магнітного поля в одиничних точках

(Лондон, Париж, Рим) дослідники оперують в інтервалі часу по-

рядку 400 років, а в більшості обсерваторій спостереження про-

рис. 20. Положення палеомагнітних полюсів у різні геологічні епохи:

—

за даними палеомагнітних визначень на Східно-Європейській платформі (штрихова лінія

—

крива міграції полюсів); б — середні положення полюсів у різні геологічні періоди, обчисяеіц

Г.М. Сговас за зазначеними вище даними; в

—

траєкторія Північного палюса в мезозої, обчислена

О.М. Русаховим; - відповідно кайнозойські, мезозойські і палеозойські магнітні полюси

водять всього 100—120 років. Поповнити відомості про геомагніт-

не поле за останні століття можуть непрямі дані про елементи

магнітного поля, отримані внаслідок археомагнітних досліджень.

Природно, їхня точність значно нижча, ніж точність прямих ви-

мірювань. Зокрема, похибки датування в середньому становлять

10 % віку отримуваних вимірювань, але археомагнітні досліджен-

ня дають змогу розширити епоху, що вивчається, до 10 тис. років.

Нижче наведено деякі дані, отримані із сукупності результатів пря-

мих вимірювань елементів магнітного поля та археомагнітних даних.

На рис. 22, б наведено карту ізопор вертикальної складової

напруженості магнітного поля, побудованої Е. Вестіном [260] для

епохи 1942 р. Привертає увагу багато спільних рис цієї карти з

картою недипольного поля (див. рис. 22, а). Порівняння коефіці-

єнтів розкладання магнітного поля Землі і його вікової варіації

підтверджує висновок про переважання у віковій варіації високо-

частотних компонент, тобто про переважний зв'язок вікової варі-

ації з недипольним полем.

Істотними особливостями розподілу ізопор є їхня рухливість у

часі та зміна значень 57 в екстремумах. Перелічені зміни картини

ізопор дуже подібні на зміщення центрів світових магнітних ано-

малій на захід і також називаються західним дрейфом. Е. Вестін

та ін. [285] за даними магнітних обсерваторій визначив швидкість

західного дрейфу поля вікових варіацій —0°,

за рік.

Така сама швидкість отримується і за археомагнітними дани-

ми за останню тисячу років [31]. Крім західного дрейфу екстре-

муми ізоліній вікового ходу магнітного поля виявляють також

північне (у Північній півкулі) і південне (у Південній пів-

кулі) зміщення, але швидкості цих зміщень набагато менші, ніж

західний дрейф. Вікові варіації різних періодів можна розкласти

на дрейфуючу і недрейфуючу компоненти. Співвідношення цих

компонент різне. Найчіткіше західний дрейф виражений у варіа-

ції з 600-річним періодом. У варіації з періодом 60 років, навпа-

ки, переважає недрейфуюча компонента. Звідси можна зробити

висновок, що віковий хід магнітного поля не можна пояснити

тільки наявністю західного дрейфу світових магнітних аномалій, а

варто передбачити існування власних джерел вікових варіацій

магнітного поля.

Рис. 22. Карти вертикальної і горизонтальної складових поля світових магнітних

аномалій (а) (ізолінії подано в мікротеслах за рік) та ізопор вертикальної складової

напруженості магнітного поля (б) для епохи 1942 р. (ізолінії подано в нанотеслах за

рік)

180

Цікаві дані про західний дрейф вікових варіацій магнітного

поля отримав Т. Юкутакі [288], виключивши їхню недрейфуючу

частину. Виявилось, що в різних точках земної поверхні швид-

кість західного дрейфу вікових варіацій компонент напруженості

магнітного поля коливається від 0,62 до —0,30 град/рік. Навряд

чи це випадкові відхилення. Т. Юкутакі пояснив це впливом не~

однорідностей у мантії, що деформує ізолінії магнітного поля, які

виникають на межі ядра і мантії.

Г.Ф. Загній та О.М. Русаков [71] вважають, що західний

дрейф зумовлений не зміщенням осередків вікового ходу ходу, а

результатом взаємодії пульс івних стаціонарно розмішених джерел

типу світових магнітних аномалій і дипольного поля. Коротко їх-

ня гіпотеза полягає в такому.

У рідкому ядрі перебуває ексцентричний магнітний ди-

поль, який зазнає прецесії переважно у східному напрямку зі

швидкістю 0,3 град/рік, зберігаючи сталими амплітуду і частоту

прецесії. Одночасно він переміщується на північний схід. У

певні епохи на межі ядро—мантія зароджуються джерела світо-

вих магнітних аномалій. Внаслідок взаємодії поля головного

диполя світової аномалії виникає дрейф центрів вікового ходу

магнітного поля: західний, якщо поля перебувають у протифа-

зі, або східний, якщо вони збігаються за фазою. Джерела не-

дипольного поля жорстко зв'язані з мантією, а інтенсивність

світових магнітних аномалій змінюється, оскільки всі джерела

проходять цикл ріст розклад. Такій гіпотезі автор цієї праці

віддає перевагу, оскільки вона відносно просто пояснює наяв-

ність дрейфу поля різного знака, синхронність коливання

компонент напруженості поля, існування основного 1200-річ-

ного періоду зміни складових поля та деякі інші.

Ї.М. Пудовкін і Г.Є. Валуєва [165] довели, що коли для об-

числення світових магнітних аномалій за нормальне поле при-

йняти поле ексцентричного диполя (а не жорстко зв'язаного з

віссю обертання Землі або її центром), то екстремуми залиш-

кового поля за весь досліджуваний період (1885—1965 рр.) не

змінюють своїх положень. Отже, західний дрейф світових маг-

нітних аномалій зумовлений дрейфом головного ексцентрич-

ного диполя.

Проблему фізичної природи світових магнітних аномалій нині

не можна вважати розв'язаною. Існує дві групи альтернативних

поглядів на цю проблему. Прибічники першої групи [155, 160 та

ін.] пов'язують великі регіональні і світові магнітні аномалії, а

також пот. вікових варіацій з явищами у земній корі Прибічники

другої групи поглядів [76, 152, 257 та ін.], якій нині віддають пе-

ревагу, пояснюють виникнення аномалій наявністю системи ди-

полів, розміщених у рідкому ядрі поблизу межі ядро — мантія або

відповідних цим диполям струмів, а останнім часом — неоднорід-

ностями на межі ядро — мантія, що порушують «нормальну»

конвекцію речовини у рідкому

ядрі.

Спектр періодів часових варіацій. За результатами вимірювань

магнітного поля в обсерваторіях і пунктах вікового ходу, а також

гармонійного аналізу археомагнітних даних встановлюється дис-

кретний характер спектра періодів вікової варіації: 22, 50—70 (60),

120, 180, 350, 500—600, 1000, 7000—8000 років. У цьому разі варіа-

ція з періодом -600 років виражена найчіткіше і має максимальну

амплітуду.

У зв'язку з обмеженістю палеомагнітних даних про варіації

магнітного поля у давні геологічні епохи важко встановити мож-

ливі періоди цих варіацій- Однак багато дослідників називають

періоди вікових варіацій порядку 30, 150 і 250—300 тис. років.

Г.М. Пегрова і С.П. Бурлацька у своєму огляді [153], грунтуючись

на наявних нині даних (прямі спостереження за геомагнітним

полем, архео- і палеомагнітні дослідження), наводять такий спектр

періодів коливань геомагнітного поля: 11,4; 20; 60; 360; 600; 900;

1200; 1800; 3000; 8000; 30 000; 150 000; 250 000—300 000 років.

Причому вони підкреслюють, що помилка в оцінюванні періоду

вже для коливань ~10

років становить не менше 10 %, а для ко-

ливань -10

років може досягати 20 %.

2.5. Взаємозв'язок магнітного поля

з іншими геофізичними явищами

Магнітосфера. Відомо, що в міру віддалення від поверхні Зем-

лі вплив магнітних неоднорідностей її верхніх оболонок зменшує-

ться і геомагнітне поле наближається до дипольного. Поряд з

цим відбувається взаємодія геомагнітного поля з сонячним віт-

ром. Внаслідок такої взаємодії в потоці сонячного вітру утворює-

ться порожнина, вздовж межі якої у вузькому

(— 10

см) перехід-

ному шарі течуть електричні струми, поле яких повністю компен-

сує геомагнітне поле у просторі поза порожниною. Отже, силові

лінії геомагнітного поля виявляються повністю замкненими все-

редині порожнини, що дістала назву магнітосфери (рис. 23). Схе-

му деформування силових ліній геомагнітного поля за даними

штучних супутників Землі [243] наведено на рис. 23, а. Штрихо-

вими лініями зображено

силові лінії земного ди-

поля, а суцільними —

геомагнітного поля.

Межа магнітосфери з

боку Сонця розміщена на

відстані порядку десяти

радіусів Землі. З проти-

лежного боку простягає-

ться своєрідний шлейф

магнітного поля Землі

(див. рис. 23, б), інтенсив-

ність якого в районі орбі-

ти Місяця становить 10—

18 нТл, а напрямок май-

же паралельний до лінії

Земля — Сонце. У серед-

ній частині шлейфа роз-

міщений нейтральний

шар. Перехідна ділянка

обмежена з одного боку

магнітосферою, а з дру-

гого — відхідною ударною

хвилею сонячного вітру.

Це потік турбулентної пла-

зми і флуктуючого магні-

тного поля.

Геомагнітні і географі-

чні полюси. Користуючись

наведеною в п. 1.3 теоре-

мою про відповідність се-

реднього положення гео-

магнітного полюса (за ін

тервал часу порядку

років) географічному по-

люсу, можна відновлювати траєкторію географічного полюса за

палеомагнітними даними. Зокрема, з даних про зміщення геогра-

фічного полюса і зміну положення палеомагнітних полюсів ви-

пливає висновок: траєкторія руху палеогеографічного полюса є

складною петлеподібною кривою, що характеризує поступальний

рух полюса по геосфері, з накладеними на нього періодичними

компонентами різних порядків. Найбільш короткоперіодні ком-

Рис. 23. Розріз магнітосфери Землі в площині

опівдеішо опівнічного магнітного меридіана у

найближчому навколоземному просторі (о) і

там само, включаючи геомагнітний шлейф (о):

—

міжпланетний простір, не порушений магніт-

ним полем Землі; II — перехідна ділянка, зумов

лена взаємодією сонячного вітру з геомаїнітним

полем; III — магнітосфера — ділянка простору,

зайнята магнітним полем; І

—

фронт ударної хвилі;

2 — магнітопау за (межа магнітосфери); З — нейт-

ральний шар в геомагнітному шлейфі; штрихови-

ми лініями зображено силові лінії незбуреного

дипольного поля, суцільними

—

силові лінії магніт

ното поля в магнітосфері