Отчёт ведущего учёного о научных исследованиях, проведённых в 2017 году >>

Реферат научного отчёта за 2017 год

Для реализации Проекта “Эволюция геомагнитного поля и взаимодействие планетарных оболочек” в 2014 г. на базе Института Физики Земли РАН под научным руководством Ведущего Ученого Ива Галле была создана лаборатория Археомагнетизма и эволюции магнитного поля. В состав этой лаборатории вошли как уже известные исследователи, так и молодые сотрудники, только начинающие свою научную карьеру.

 

Проект направлен на достижение следующих трех основных целей: (1) создание современной археомагнитной лаборатории мирового класса; (2) получение новых ключевых данных об эволюции магнитного поля Земли на разных масштабах времени: от сотен до сотен миллионов лет; (3) использование этих данных для изучения связи процессов, происходящих во внутренних и внешних оболочках нашей планеты.

 

Для достижения этих целей в рамках 2017 года по Проекту получены следующие научные результаты:

˗

- выполнены исследования, направленные на определение возможности повышения чувствительности трёхкомпонентного термомагнитометра, изготовленного в ГО «Борок» ИФЗ РАН, путём модернизации модуля датчиков магнитного момента в рамках существующей конструкции. Проведены сравнительные испытания различных прецизионных сплавов, которые могли бы быть использованы при изготовлении датчиков магнитного момента.

-Разработан протокол автоматической коррекции влияния анизотропии термоостаточной намагниченности на результаты определения величины напряженности древнего магнитного поля и выполнена его программно- аппаратурная реализация на трёхкомпонентном термомагнитометре, производства ГО «Борок» ИФЗ РАН.

 

- выполнены экспериментальные исследования и проведён теоретический анализ свойств химической остаточной намагниченности CRM. Показано, что «палеонапряжённость», определённая на образцах, содержащих этот вид намагниченности методом Телье-Коэ по линейным участкам диаграмм Араи-Нагата, оказывается в 2-3 раза заниженной по сравнению с истинным полем создания CRM. Выполнено численное моделирование методом Монте-Карло процесса образования CRM в системе однодоменных (ОД) взаимодействующих частиц, показано, что спектры деблокирующих температур CRM и TRM имеют очень большое сходство, тем самым свидетельствуя в пользу предположения о слабой различимости CRM и TRM при определении палеонапряжённости по методике Телье.

 

- выполнено археомагнитное исследование древних археологических памятников Ярым Тепе I и II, относящихся к Хассунской и Халафской культурам Позднего Неолита и расположенных на современной территории Северного Ирака. Данные, полученные по Ярым Тепе II, выявили явный тренд к снижению значений археонапряженности на протяжении шестого тысячелетия до н.э., с наличием четкой ступенчатой эволюцией поля в интервале ~5600 – 5400 лет до н.э. Резкое падение напряженности геомагнитного поля сопровождалось узким пиком около 5500 лет до н.э. Археомагнитные определения по Ярым Тепе I показали отсутствие значительных вариаций напряженности геомагнитного поля на протяжении 7-го тысячелетия до н.э. Значения напряженности геомагнитного поля в этом интервале хорошо согласуются с таковыми, полученными ранее по археологическим памятникам Сирии (Gallet et al., 2015).

- полученные в 2017 г. палеомагнитные данные, подтверждают, что такырные отложения являются перспективным объектов для изучения вариаций геомагнитного поля на протяжении последних тысячелетий. Массовая палеомагнитная обработка отобранных коллекций, с изучением по несколько дублей с каждого стратиграфического уровня и с использованием как температурной чистки, так и чистки переменным магнитным полем, позволит получить к концу 2018 г. детальную запись вариаций геомагнитного поля в Средней Азии на протяжении последних нескольких тысячелетий. Сопоставление результатов палинологического, гранулометрического и другим видам дополнительных анализов с полученными петромагнитными данными представляется весьма многообещающим для реконструкции палеоклиматических обстановок и палеогеографии региона.

 

- по хорошо датированным археологическим памятникам Ярославской области получены новые данные о напряженности геомагнитного поля на территории Центральной России в интервале времени начало XVIII века – первая треть XIX века. Эти данные хорошо согласуются с вариациями геомагнитного поля, наблюдаемыми на территории Западной Европы в течение того же временного периода. Последнее дает основание считать, что в рассматриваемое время вклад недипольных источников в геомагнитное поле на территории Европы был незначителен.

- в 2017 г. были организованы экспедиции к ряду озер Центральной России для проведения сейсмоакустических исследований. Это позволило наметить объекты, перспективные для отбора керновых колонок для палеомагнитных исследований. Проведен детальный отбор образцов (более 1300) для лабораторных исследований. Проведены магнитно-минералогические, предварительные палеомагнитные и палеобиологические исследования осадков. По ряду проб осадков озер Плещеево (Ярославская область) и Большой Кисегач (Челябинская область) определен абсолютный возраст радиоуглеродным методом в лаборатории NTUAMS Факультета наук о Земле Национального университета Тайваня (Тайпей, Тайвань). Проведены магнитно-минералогические исследования осадков озера Кисегач. На основе полученных данных, построены модели временного масштаба и мастер-кривые. Полученные мастер-кривые сопоставлены с известными записями по озерам Восточной и Западной Европы, выявлены некоторые особенности, возможно, связанные с влиянием недипольных источников геомагнитного поля.

 

- выполнены расчеты, которые позволили уточнить связь пространственных и временных масштабов изменчивости магнитного поля, возникающего из геодинамо. Показано, что вплоть до n=44 имеется структура зависимости автокорреляций коэффициентов gnm (t), hnm (t) при сферических гармониках от параметров n,m. В первом приближении эта зависимость эффективной ширины a(n,m) автокорреляционной функции по порядку величины обратно пропорциональна (n+m). Вариация параметров геодинамо, полярность исследуемого поля не влияют на эту оценку. Также получены уточнения указанной зависимости, позволяющие утверждать существование поправочных членов в найденной аппроксимации.

- изучены представительные палеомагнитные коллекции пород раннекембрийского и позднеэдиакарского возраста Севера, Северо-Востока и Востока Сибирской платформы. Получены новые свидетельства аномального характера палеомагнитной записи в породах позднего эдиакария - нижнего кембрия Сибирской платформы. Эти данные уверенно подтверждают справедливость гипотезы [Павлов и др., 2004] о том, что в значительной части переходных венд-кембрийских слоев Сибирской платформы объективно существуют две значительно различающиеся по направлению стабильные высокотемпературные компоненты намагниченности, каждая из которых может рассматриваться в качестве первичной, образовавшейся не позднее раннего кембрия. Анализ мировых палеомагнитных данных для этого интервала геологической истории показывает, что наблюдаемые в Сибири особенности палеомагнитной палеомагнитной записи для границы докембрия и фанерозоя носят планетарный характер, не согласуются с традиционными представлениями о палеомагнитной записи, как отражающей преимущественно аксиально-дипольный характер геомагнитного поля и требуют допущения, что геомагнитное поле на границе протерозоя и фанерозоя (эдиакария - нижнего кембрия) существенно отличалось от геомагнитного поля более поздних эпох.

Для объяснения наблюдаемой палеомагнитной записи мы предлагаем гипотезу, согласно которой геомагнитное поле на границе докембрия и кембрия имело аномальный характер. Это поле характеризовалось наличием двух квазистабильных режимов генерации, поочередно сменяющих друг друга. Согласно этой гипотезе, магнитное поле Земли на границе докембрия и кембрия может быть описано чередованием продолжительных периодов господства аксиального преимущественно монополярного дипольного поля, перемежающегося с относительно кратковременными (длительностью порядка сотен тысяч лет) эпохами преобладания инверсирующего близэкваториального или среднеширотного диполя. Предлагаемая гипотеза согласуется с данными, полученными при изучении переходных полей палеозойских инверсий [Храмов и Иосифиди, 2012], а также с данными численного моделирования геодинамо [Aubert and Wicht, 2004; Glatzmayer and Olson, 2005; Gissinger et al., 2012].

 

- изучены представительные палеомагнитные коллекции мезо-неопротерозойских пород севера и северо-востока Сибирской платформы. Получены новые палеомагнитные данные о положении Сибирской платформы в неопротерозое. Рассчитаны палеомагнитные полюсы, существенно дополняющие траекторию кажущейся миграции полюса (ТКМП) Сибирской платформы в неопротерозое. Новые палеомагнитные полюсы подтверждают существование индоокеанского тренда неопротерозойских полюсов Сибир, предложенного в работах [Shatsillo et al., 2006; Pavlov et al.,2015]. По новым палеомагнитным данным для неопротерозойского сегмента ТКМП Сибири показано, что во временной промежуток ~920-800 млн. лет Сибирская платформа испытала перемещение из экваториальных широт примерно на 15° в северном направлении и расположилась в приэкваториальных широтах. При этом был осуществлен поворот на ~5° по часовой стрелке.

 

- в 2017 г. проведено палеомагнитное, геохронологическое и изотопно-геохимическое, структурно-геологическое и седиментологическое изучение позднедокембрийских и раннепалеозойских комплексов северной (За-ангарской) части Енисейского кряжа. Кроме того, были проведены сбор, систематизация и анализ разнородной геолого-геофизической информации по строению фундамента прилегающей к Енисейскому кряжу с запада части эпигерцинской Западно-Сибирской плиты. На этой основе был сделан вывод, в соответствие с которым этот регион представляет собой перекрытую комплексами мезозойско-кайнозойского чехла глубокопогруженную западную часть Сибирской платформы. В связи с этим следует считать, что западная граница Сибирской платформы расположена существенно западнее по сравнению с положением этой границы на современных тектонических картах. Кроме того, создана численная модель бассейновой эволюции этой глубокопогруженной части Сибирской платформы в позднем докембрии и фанерозое. Совместное рассмотрение полученных данных и результатов синтеза всей совокупности геолого-геофизических данных – палеомагнитных, геохронологических, геохимических, седиментологических и палеонтологических по вендско-кем-брийским, верхнедокембрийским и нижнепалеозойским разрезам запада Сибирской платформы позволило из трех ранее сформулированных вариантов эволюции ее западной периферической части в позднем докембрии и самом начале палеозоя считать более вероятной концепцию, в соответствии с которой позднерифейские и вендские комплексы и структуры, экспонированные в современной структуре Енисейского кряжа, были транслированы сюда по крупноамплитудной левосторонней транстенсионной системе.

 

- завершена интерпретация палеомагнитных данных, полученных в ходе исследований малгинской и тоттинской среднерифейских свит, отобранных из обнажений долины р. Белой, в пределах Горностахской антиклинали (восток Сибирской платформы). При этом получены следующие основные результаты: 1. Тектонический блок, к которому принадлежит Горностахская антиклиналь Сетте-Дабана не испытал вращений при надвигании на Сибирскую платформу и, следовательно, палеомагнитные полюсы Горностахской антиклинали могут быть отнесены ко всей Сибирской платформе; 2. Полученные палеомагнитные данные указывают на существенную диахронность границы тоттинской и малгинской свит в пределах Учуро-Майского региона; 3. В тоттинское время Сибирская платформа находилась в средних широтах северного полу-шария и была развернута на 115 относительно меридианной сетки по сравнению с современным ее положением; 4. Кривые КМП для Лаврентии и Сибири могут быть согласованы для интервала времени 1100-950 млн. лет, что может рассматриваться как сильный аргумент в пользу того, что на протяжении всего этого времени Сибирь и Лаврентия входили в состав единого суперконтинента (Родиния). При этом полученные данные подтверждают ранние результаты (Павлов и др., 2002), согласно которым юго-юго-восточная окраина Сибири была обращена к северным территориям Лаврентии; 5. Минимизация расхождений кривых КМП Сибири и Лаврентии приводит к наличию между этими древними кратонами некоторого пространства, которое в составе суперконтинента Родиния могло быть занято неким третьим континентальным блоком (что согласуется с гипотезой Pisarevsky and Natapov, 2003).

 

- получены результаты исследования вулканических потоков, силлов и даек Кольского полуострова и Минусинского региона Сибири с возрастом между 408 и 375 млн. лет, которые позволяют оценить напряженность геомагнитного поля в течение соответствующего временного периода. На образцах, отобранных из этих объектов, нами были выполнены эксперименты по определению напряженности геомагнитного поля девона с использованием классического метода Телье, метода Вилсона, а также, новой микроволновой техники. Всего было изучено 165 образцов, отобранных из 25 обнажений. 12 из 14 сайтов, для которых удалось получить качественные определения, дают результаты, которые определенно указывают на крайне низкую (<10 μT) напряженность девонского геомагнитного поля. Эти данные, наряду с имеющейся информацией об очень высоком разбросе палеомагнитных направлений в девоне, свидетельствуют в пользу неуниформитарианского поведения геомагнитного поля в рассматриваемый интервал времени и поддерживают гипотезу о том, что геометрия магнитного поля Земли на протяжении многих миллионов лет могла значительно отличаться от дипольной. Долговременное ослабление магнитного поля и его отклонение от дипольной геометрии могло существенно усилить влияние солнечного (космического) излучения на магнитосферу, ионосферу и атмосферу с потенциально серьезными последствиями для эволюции климата и биосферы.

- рассмотрена двумерная модель динамо среднего поля с алгебраической формой нелинейности. Геострофические альфа-эффект и дифференциальное вращение взяты из трехмерных моделей конвекции в жидком ядре Земли. Анализ показывает, что они локализованы в разных пространственных областях, и их корреляция составляет не более 10%. Модель позволяет генерировать характерное Z-образное распределение полоидального магнитного поля, сконцентрированное внутри Тейлоровского цилиндра.

Институт физики Земли им. О.Ю.Шмидта РАН
Москва, Россия

Лаборатория Археомагнетизма

и эволюции магнитного поля Земли

Institute of Physics of the Earth RAS

Moscow, Russia

Laboratory of Archaeomagnetism
and the Earth's magnetic field evolution