Намагниченность докембрийских силлов Кольского полуострова свидетельствует о вероятной молодости внутреннего твердого ядра Земли

Просмотров: 414

Фото: Роман Веселовский

Коллективу российских ученых удалось получить новые указания на то, что внутреннее (твердое) ядро Земли сформировано не так давно, как считалось ранее.

Примечательно, что применение различных современных независимых методов геохронологии, геохимии, палеомагнетизма с использованием методик мирового уровня и целого комплекса научного оборудования ведущих российских научных лабораторий, позволило получить сходные оценки времени формирования внутреннего ядра Земли. Благодаря синтезу имеющихся термо- и геохронологических данных и независимой проверки постдевонского этапа термальной истории по результатам компьютерного моделирования процесса остывания верхних горизонтов коры после их прогрева подкоровой интрузией была создана первая количественная модель тектоно-термальной эволюции северо-восточной Фенноскандии в пределах территории Кольского полуострова (за исключением Мурманского блока — эти исследования запланированы на 2019-2020 годы). Актуальность решения этой проблемы определяется особенно остро на фоне детально изученных территорий скандинавских стран. Палеомагнитные исследования уникальных долеритовых силлов баренцевоморского побережья Кольского полуострова, выполненные в ИФЗ РАН, позволили получить еще один важный результат — первый реперный (ключевой) палеомагнитный полюс Мурманского кратона Фенноскандии для возраста 1,86 млрд. лет.

Основные этапы эволюции Земли как планеты, в том числе возникновение ее магнитного поля произошли в докембрийское время в интервале от 4500 до 540 миллионов лет тому назад. Главные характеристики геомагнитного поля, такие как его геометрия, напряжённость и частота инверсий (переполюсовок) отражают глобальные процессы, происходящие в недрах Земли. Палеомагнитные исследования позволяют получать количественные характеристики древнего магнитного поля Земли и изучать эволюцию его параметров во времени в прошлом. Накопленные к настоящему времени знания являют собой чрезвычайно ценную информацию о процессах глубинной геодинамики и позволяют учёным приблизиться к ответу на один из важнейших фундаментальных вопросов современной геологии: когда начало формироваться внутреннее твердое ядро Земли? Отметим, что существующие на сегодняшний день оценки времени формирования внутреннего ядра варьируются от архея (древнее 2,5 миллиардов лет назад) до раннего кембрия (~540 миллионов лет назад) [Aubert et al., 2009; Driscoll, 2016; Gubbins et al., 2004; Olson et al., 2013]. Возможности палеомагнитного метода для исследования раннедокембрийских пород зачастую резко ограничены, в первую очередь из-за частичной или полной потери первичной магнитной записи на протяжении жизни горных пород. Однако, в начале 2019 г. года коллективом российских ученых были представлены новые надежные данные о палеонапряженности и палеомагнетизме долеритовых силлов с возрастом 1,86 млрд. лет, которые были использованы для проверки гипотезы существования "слабого магнитного диполя" в протерозое (Proterozoic dipole low hypothesis) [Biggin et al., 2009] и для построения палеотектонической реконструкции современной территории Кольского полуострова на указанный момент времени в прошлом.

Фото: Анна Прилуцкая

"По существующим представлениям, на ранних стадиях развития Земли как планеты вначале образовалось её жидкое ядро, а затем, по мере постепенного охлаждения вещества ядра, сформировалось твердое внутреннее ядро. Конвективное движение вещества в жидком ядре обеспечивает работу магнитного геодинамо" — комментирует результаты проведенных исследований один из авторов статьи главный научный сотрудник Геофизической обсерватории "Борок" ИФЗ РАН, доктор физико-математических наук профессор Валерий Прохорович Щербаков. — "Оценки времени образования твердого ядра в различных геодинамических моделях простираются от раннего архея до около 500 миллионов лет т.н., при этом последние модели связывают начало образования твердого ядра с переходом геодинамо из состояния сильного аксиального диполя в неаксиальное слабое дипольное поле со значительными мультипольными компонентами [Driscoll, 2016; Landeau et al., 2017]. Рост твёрдого внутреннего ядра должен сопровождаться обратным переходом геомагнитного поля к современной конфигурации сильного диполя, т.е. фактически маркировать этот процесс. Отсюда ясно, что только комплексные исследования, направленные на определение палеонапряженности и конфигурации древнего магнитного поля Земли в архее, протерозое и раннем фанерозое, могут предоставить надёжные сведения о времени образования твердого ядра Земли."

В результате комплексных междисциплинарных исследований коллективу ученых Института физики Земли им. О. Ю. Шмидта РАН (ИФЗ РАН), Института геологии и геохронологии докембрия РАН (ИГГД РАН), Института геологии рудных месторождений, петрографии и геохимии РАН (ИГЕМ РАН), Института геологии Карельского научного центра РАН (ИГ КарНЦ), МГУ им. М.В. Ломоносова и представителям ряда других ведущих научных организаций, удалось получить новые указания на то, что внутреннее (твердое) ядро Земли сформировано не так давно, как считалось ранее.

"Случайно или нет, но развитие упомянутых геодинамических моделей сопровождалось одновременным обнаружением длительных периодов существования гиперактивных режимов геодинамо с очень высокой частотой инверсий [Bazhenov et al., 2016] и крайне низкой величиной поля, на порядок величины слабее современного. Такие периоды были обнаружены в девоне и эдиакарии, то есть в интервалах времени от 360 до 580 миллионов лет [Shcherbakova et., 2017, 2018; Bono et al., 2018; Hawkins, 2019]. Это означает существенную перестройку наших представлений об эволюции внутреннего строения Земли, поскольку возможность существования столь молодого по геологическим масштабам времени внутреннего ядра до сих пор не рассматривалась серьёзно в геодинамических моделях" — рассказывает о полученном фундаментальном результате В.П. Щербаков.

По его мнению, особого внимания заслуживает и то обстоятельство, что существование на длительных интервалах времени существенно недипольного и экстремально слабого по интенсивности геомагнитного поля может сыграть значительную, если не решающую роль в формировании и эволюции жизни Земли. "Эдиакарий известен как очень важный период в формировании биосферы, поскольку именно в этот период на Земле возникли многоклеточные организмы и он предшествовал широко известному "кембрийскому взрыву" многоклеточных живых организмов, продолжавшемуся следующие 20-25 млн. лет в кембрии" — напоминает Валерий Прохорович, говоря об актуальности полученных результатов для мирового научного сообщества. — "В целом, по общему мнению, временной интервал 575-520 млн. лет тому назад был решающим для развития сложных живых организмов на Земле, но при этом причины, приведшие к "кембрийскому взрыву", до сих пор неясны и являются предметом неутихающих дискуссий. В этой связи последние открытия в области палео- и геомагнетизма, на которых я коротко остановился, могут пролить свет на причины этого важнейшего в истории нашей планеты явления.Одновременность "кембрийского взрыва" с возникновением экстремальной конфигурации геомагнитного поля вряд ли случайна и позволяет предположить, что именно многократно возросшая интенсивность космического и солнечного излучений на поверхности Земли в этот период и привела к развитию многоклеточных организмов и возникновению животного мира за счёт сильного увеличения мутационных процессов."

Затрагивая вопросы возможных последствий быстрой смены магнитных полюсов — так называемого явления "слабого магнитного диполя", В.П. Щербаков поясняет, каким образом мог бы воздействовать этот механизм на нашу планету: "Действительно, поле низкой интенсивности в сочетании с наличием магнитных полюсов, расположенных в экваториальном поясе, приведёт к кардинальной перестройке конфигурации магнитосферы, что резко увеличит приток высокоэнергичных частиц в магнитосферу и верхние слои атмосферы Земли. Это будет сопровождаться гигантскими магнитными бурями, к которым приведёт вращение Земли в силу быстрого перемещения полюсов по её поверхности за счёт суточного вращения [Starchenko and Shcherbakov, 1991; Vogt et al., 2007]."

Фото: Анна Прилуцкая

"Нам удалось восстановить параметры магнитного поля Земли на момент времени почти 2 млрд. лет назад. Мы нашли геологические объекты, которые сохранили информацию о магнитном поле Земли с возрастом 1,86 млрд. лет, что само по себе является большим достижением" — комментирует полученные результаты исследований заместитель директора ИФЗ РАН, профессор МГУ доктор геолого-минералогических наук, профессор РАН Роман Веселовский. — "Данные о напряженности магнитного поля Земли в докембрийское время имеют важное значение для решения ряда задач современной геодинамики, в том числе для оценки времени формирования внутреннего ядра, которое, согласно последним представлениям, оценивается в интервале от архея до раннего кембрия. Проблема получения надежных оценок интенсивности геомагнитного поля в прошлом особенно актуальна для докембрийских объектов, поскольку лишь немногие из них удовлетворяют достаточно жестким критериям, выдвигаемым современными методиками к исследованиям в области напряженности древнего магнитного поля Земли. В этой связи, детально и всесторонне изученные, прекрасно сохранившиеся долеритовые силлы Мурманского блока Кольского полуострова являются уникальным объектом для получения надежных оценок палеонапряженности для момента 1,86 млрд. лет назад." Примечательно, что применение различных современных независимых методов исследований с использованием методик мирового уровня и целого комплекса научного оборудования ведущих российских научных лабораторий позволило получить сходные оценки времени формирования внутреннего ядра Земли.

Фото: Veselovskiy et al / Precambrian Research 324 (2019) 126–145

Одним из наиболее важных результатов проведенных исследований является получение первого реперного (ключевого) палеомагнитного полюса Мурманского кратона Фенноскандии для возраста 1,86 млрд. лет, выполненное по долеритовым силлам баренцевоморского побережья Кольского полуострова. "Несмотря на сильно ограниченные возможности датирования возраста характеристической компоненты намагниченности традиционными для палеомагнитологии методами — полевыми тестами, использование четырех независимых геохронометров и расширенного арсенала петромагнитных исследований позволило убедительно доказать, что время приобретения породами остаточной намагниченности в геологическом масштабе времени совпадает со временем кристаллизации интрузивных тел. Полученный палеомагнитный полюс представляет собой основу для палеотектонических реконструкций Фенноскандии и оценки взаимных перемещений входящих в ее состав континентальных блоков в палеопротерозойское время. Согласно палеотектонической реконструкции Фенноскандии на момент 1,86 млрд. лет назад, выполненной на основе полученного палеомагнитного полюса, Кольский полуостров в то время располагался в северном полушарии на широте 34°, при этом Фенноскандия была повернута относительно ее современного положения на ~25° по часовой стрелке."

Еще одним значимым результатом этой работы стало создание первой количественной модели тектоно-термальной эволюции северо-восточной Фенноскандии в пределах территории Кольского полуострова (за исключением Мурманского блока — эти исследования запланированы на 2019-2020 годы). Особенно остро актуальность решения этой проблемы определяется на фоне детально изученных территорий скандинавских стран. Синтез имеющихся термо- и геохронологических данных позволил разработать модель термальной истории северо-восточной Фенноскандии для последних 1,9 млрд. лет, при этом для независимой проверки постдевонского этапа термальной истории был использован метод компьютерного моделирования остывания верхних горизонтов коры после их прогрева подкоровой интрузией.

Фото: Veselovskiy et al / Precambrian Research 324 (2019) 126–145

Различные этапы этого масштабного исследования выполнены в рамках проектов, поддержанных РНФ (грант 16-17-10260) и РФФИ (гранты 17-05-01121 и 19-05-00433), а также по нескольким темам госзаданий институтов.

Исследования палеоинтенсивности магнитного поля выполнены по гранту Президента Российской Федерации "Интрузивные комплексы Кольского полуострова как источник уникальных данных о региональной тектонике, магнитном поле и глобальной геодинамике Земли" под руководством заместителя директора ИФЗ РАН, профессора РАН доктора геолого-минералогических наук Романа Веселовского (проект МД-1116.2018.5). Петромагнитные исследования выполнены с использованием современной исследовательской приборной базы Лаборатории археомагнетизма и эволюции магнитного поля ИФЗ РАН, созданной в рамках Мегагранта Министерства образования и науки Российской федерации под руководством одного из ведущих мировых палеомагнитологов французского ученого Ива Галле (грант 14.Z50.31.0017). Аргон-аргоновые (Ar/Ar) датировки проведены при частичной поддержке Мегагранта "Происхождение, металлогения, климатические эффекты и цикличность Крупных Изверженных Провинций (КИП)" в лаборатории геохронологии и геодинамики Томского государственного университета (грант 14.Y26.31.0012). Компьютерное моделирование выполнялось с использованием высокопроизводительных вычислительных ресурсов МГУ имени М.В. Ломоносова.

Список литературы:

Aubert J., Labrosse S., Poitou C. Modelling the palaeo-evolution of the geodynamo // Geophys.J.Int. (2009) https://doi.org/10.1111/j.1365-246X.2009.04361.x.

Driscoll P.E. Simulating 2 Ga of geodynamo history // Geophys.Res.Lett. (2016) https://doi.org/10.1002/2016GL068858.

Gubbins D., Alfè D., Masters G., Price G., Gillan M. Gross thermodynamics of two-component core convection // J.Int.Geophys. (2004) https://doi.org/10.1111/j.1365-246X.2004.02219.x.

Olson P., Deguen R., Hinnov L., Zhong S. Controls on geomagnetic reversals and core evolution by mantle convection in the Phanerozoic // Phys. Earth Planet. Inter. (2013) https://doi.org/10.1016/j.pepi.2012.10.003

Biggin A.J., Strik G.H.M.A., Langereis C. The intensity of the geomagnetic field in the late-Archaean: new measurements and an analysis of the updated IAGA palaeointensity database // Earth,Planets Sp. (2009) https://doi.org/10.1186/BF03352881

Driscoll P. Simulating 2 Ga of geodynamo history // Geophys.Res.Lett. (2016) https://doi.org/10.1002/2016GL068858.

Landeau M., Aubert J., Olson P. The signature of inner-core nucleation on the geodynamo // Earth and Planetary Science Letters (2017) 465 рр. 193–204

Bazhenov M., Levashova N., Meert J., Golovanova I., Danukalov K., Fedorova N. Late Ediacaran magnetostratigraphy of Baltica: Evidence for magnetic field hyperactivity? // Earth and Planetary Science Letters (2016) https://doi.org/10.1016/j.epsl.2015.12.015

Shcherbakova V., Lubnina N., Shcherbakov V., Zhidkov G., Tsel’movich V. Paleointensity determination on Neoarchaean dikes within the Vodlozerskii terrane of the Karelian craton // Izv.Phys.Solid Earth. (2017) https://doi.org/10.1134/S1069351317050111.

Shcherbakova V., Biggin A., Veselovskiy R., Shatsillo A., Hawkins L.M.A., Shcherbakov V., Zhidkov G. Was the Devonian geomagnetic field dipolar or multipolar? Palaeointensity studies of Devonian igneous rocks from the Minusa Basin (Siberia) and the Kola Peninsula dykes, Russia // Geophys.J.Int. (2017) https://doi.org/10.1093/gji/ggx085.

Bono R., Tarduno J., Dare M., Mitra G., Cottrell R. Cluster analysis on a sphere: Application to magnetizations from metasediments of the Jack Hills, Western Australia. // Earth and Planetary Science Letters (2018) https://doi.org/10.1016/j.epsl.2017.12.007

Hawkins L.M.A., Anwar T., Shcherbakova V., Biggin A., Kravchinsky V., Shatsillo A., Pavlov V. An exceptionally weak Devonian geomagnetic field recorded by the Viluy Traps, Siberia. Earth and Planetary Science Letters (2019). https://doi.org/10.1016/J.EPSL.2018.10.035

Starchenko S., Shcherbakov V. Inversion magnetosphere. // Dokl. Akad. Nauk. (1991) 321, 69-74. Vogt J., Zieger B., Glassmeier K., Stadelmann A., Kallenrode M., Sinnhuber M., Winkler H. Energetic particles in the paleomagnetosphere: Reduced dipole configurations and quadrupolar contributions // J.Geophys.Res.: Space Phys. (2007) doi: 10.1029/2006JA012224.

Опубликовано в статье:
Veselovskiy, R. V., Samsonov A. V., Stepanova A. V., Salnikova E. B., Larionova Y. O., Travin A. V., Arzamastsev A. A., Egorova S. V., Erofeeva K. G., Stifeeva M. V., Shcherbakova V. V., Shcherbakov V. P., Zhidkov G. V., Zakharov V. S. (2019) 1.86 Ga key paleomagnetic pole from the Murmansk craton intrusions – Eastern Murman Sill Province, NE Fennoscandia: Multidisciplinary approach and paleotectonic applications. Precambrian Research, 324 126–145, https://doi.org/10.1016/j.precamres.2019.01.017.

В материале использованы фотографии Анны Прилуцкой и иллюстрации к статье Veselovskiy et al / Precambrian Research 324 (2019) 126–145


В. А. Тимофеева, Р. В. Веселовский

Печать

Joomla SEF URLs by Artio