Отчёт ведущего учёного о научных исследованиях, проведённых в 2014-2016 годах >>

В 2014-2016 гг. под научным руководством Ведущего Ученого Ива Галле выполнялись исследования по Проекту “Эволюция геомагнитного поля и взаимодействие планетарных оболочек”. Для реализации этого проекта на базе Института Физики Земли РАН была организована лаборатория Археомагнетизма и эволюции магнитного поля. В состав лаборатории вошли, как уже известные исследователи, так и молодые сотрудники, только начинающие свою научную карьеру.

Перед Проектом стояли следующие основные задачи: 1. Создание новой лабораторной инфраструктуры и разработка новых методов; 2. Построение опорных кривых палеовековых вариаций геомагнитного поля для различных регионов России и разработка глобальной модели магнитного поля голоцена; 3. Изучение эволюции магнитного поля Земли в фанерозое и докембрии; 4. Изучение геодинамической эволюции Северной Евразии в фанерозое и позднем докембрии. Все основные задачи Проекта успешно решены.

 

Создана современная археомагнитная лаборатория, оборудованная передовой аппаратурой, позволяющей выполнять высокоточные исследования археологических артефактов и определять по ним напряженность древнего геомагнитного поля. Из молодых сотрудников Лаборатории подготовлен персонал, владеющий передовыми методами археомагнитных исследований и обладающий собственным (приобретенным в ходе выполнения Проекта) опытом решения археомагнитных задач. После установки и запуска трехосного магнитометра “Triaxe”, которые планируется осуществить в 2017-2018 гг., Лаборатория войдет в число лучших археомагнитных лабораторий мира.

 

В ходе исследований по теме Проекта получены следующие основные результаты:

1. Разработано и реализовано в коде программное обеспечение для управления автоматическим измерительным комплексом на базе криогенного магнитометра «ХрамовПалеомаг». В результате, существенно повышена стабильность и надежность работы комплекса, расширены его измерительные возможности;

2. Приобретена и запущена в работу измерительная система MicroMag™ 3900 Series Vibrating Sample Magnetometer (VSM) производства Princeton Measurements Corporation (США).

3. Проведена серия экспериментов, которые позволили оценить перспективы широко обсуждаемого метода регидроксилационного датирования (RHX). Получены результаты, которые указывают на существование серьезных ограничений для применения этого метода при датировании археологических артефактов.

4. Выполнено экспериментальное и теоретическое исследование свойств термохимической намагниченности, возникающей при изотермическом отжиге образцов горных пород, содержащих титаномагнетиты.  Показано, что данные по палеонапряженности, полученные по методике Телье-Коэ на образцах, содержащих TCRM, могут давать существенное занижение величины древнего поля. 

5. Изучены факторы, влияющие на свойства синтезированных гетитов. Выявлена зависимость размеров зерен гетита и степени его раскристаллизованности от условий эксперимента. Показано, что, хотя сами частицы гетита, осажденные из природных растворов, могут не вносить существенный вклад в формирование естественной намагниченности осадочных пород, их последующая дегидратация может приводить к образованию устойчивых магнитных фаз, свойства которых будут зависеть от свойств исходного гетита. 

6. Выполнена проверка согласованности результатов, получаемых статистическими и лабораторными методами оценки занижения наклонения в осадочных породах. Показано, что в ряде случаев, в зависимости от литологической характеристики пород, коэффициент занижения наклонения может достигать аномально низких значений.

7. Разработан и протестирован новый экспериментальный протокол по определению напряженности магнитного поля для коллекций, где наблюдается сильное влияние скорости создания термоостаточной намагниченности на конечный результат определения палеонапряженности.

8. Разработан оригинальный алгоритм, позволяющий генерировать распределения и временные последовательности палеомагнитных направлений для заданных моделей геомагнитного поля с заданным набором членов сферического гармонического разложения. На основе этого алгоритма создано ПО и инструкция по его использованию для широкого круга исследователей, работающих в области геомагнетизма.

9. На основе WEB-платформы – ScanEx Web Geomixer, ArcGIS Online создан итоговый ГИС-проект, включающий полученные в ходе работ по Проекту результаты мультидисциплинарных исследований, публикации и характеристику изученных объектов.

10. Отобраны и изучены колонки донных отложений ряда озер европейской части России. На основе полученных данных, для каждого из озер построены временные модели накопления осадков и дана оценка скоростей осадконакопления. Определены климатозависимые петромагнитные параметры, характеризующие влажность, температурные характеристики, изменения солености, геохимических условий осадконакопления и др. По вариациям этих параметров выполнена реконструкция голоценовых климатических изменений в соответствующих регионах. Полученные мастер-кривые существенно пополняют геомагнитную базу данных (БД) по голоцену Центральной России и Приуралья и, будучи сопоставлены с опубликованными лимномагнитными данными по озерам Восточной и Западной Европы, позволяют определить характерные особенности, описывающие изменения геомагнитного поля голоцена в региональном масштабе и в масштабе Европы в целом.

11. Впервые с использованием современной методики и приборной базы получены палеонаправления геомагнитного поля позднего голоцена (последние 4000 лет) для 13 стратиграфических уровней вулканитов Камчатки. На этой основе построена опорная кривая вековых вариаций геомагнитного поля Камчатки для этого времени. Выявлены периоды быстрой смены направления геомагнитного поля, например, 1.8-2.1 тыс. лет назад. Полученные результаты существенно наращивают геомагнитную БД для позднего голоцена Северной Пацифики и могут быть использованы при региональной корреляции позднеголоценовых вулканических событий в Центрально-Камчатской депрессии.

12. Выполнен значительный объем археомагнитных исследований в Европейской части России и на Среднем Востоке. По их результатам: a. Показано, что в интервале времени между XII и XVIII вв н.э. на Северо-Западе России отсутствовали сильные и быстрые вариации геомагнитного поля. Эволюция напряженности геомагнитного поля здесь в это время характеризовалась нисходящим трендом, на который накладывается несколько пиков небольшой амплитуды, каждый длительностью около 100 лет; b. Показано, что значения палеоинтенсивности, определенные по новгородским объектам, систематически меньше таковых, рассчитанных из моделей. Это означает, что современные глобальные модели геомагнитного поля все еще недостаточно точны для того, чтобы предсказывать значения элементов геомагнитного поля регионов слабо покрытых археомагнитными определениями; c. Показано, что на территории Татарстана между X и XIV вв н.э. существовала крупная геомагнитная аномалия, которая постепенно угасала (уходила) в течение последних нескольких столетий вплоть до XVIII в.; d. Построены региональные археомагнитные кривые эволюции напряженности геомагнитного поля, которые значительно детализируют представления об эволюции геомагнитного поля VII и VI тысячелетий до н.э. на территории Передней Азии и существенно уточняют археологическую информацию по древнейшим памятникам человеческой цивилизации; e. Выявлены эпизоды быстрых (десятки – первые сотни лет) вариаций напряженности геомагнитного поля на территории Ближнего Востока. Выявлен и подтвержден пик напряженности геомагнитного поля в этом регионе ~ 5200 лет до н.э.; подтверждена выявленная ранее на сирийских объектах тенденция снижения напряженности геомагнитного поля на протяжении 7-6 тысячелетий до н.э.; f. Существенно уточнены возрасты разрезов культурных отложений археологических памятников, находящихся на территории современной Сирии (Телль Халула, Телль Мазаикх) и Ирака (Ярым Тепе 2).

13. С опорой на археомагнитные данные, описывающие эволюцию дипольного момента геомагнитного поля в течение последних тысячелетий, показано, что частота солнечных максимумов и минимумов модулируется так называемыми циклами Холстатта с периодом около 2400 лет;

14. На основе изучения статистических характеристик распределения величин палеонапряженности в международной БД показано, что 10-15% определений поля ошибочны. Это связано, скорее всего, с ошибкой идентификации термоостаточной намагниченности, по которой, единственно, возможно корректное определение палеонапряженности. Предложена процедура оценки того, насколько декларированные величины ошибок измерения в рассматриваемых БД соответствуют реально присутствующим в данных неточностям;

 15. Изучены точность и устойчивость существующих моделей геомагнитного поля относительно коррекций имеющихся палеомагнитных БД при внесении в них результатов новых измерений. Выявлены недостатки и ограничения имеющейся методологии построения моделей. С учетом этого создан новый, свободный от технологических ограничений и вычислительных ошибок, алгоритм, позволяющий работать с большими объемами данных и варьировать типы спектрального преобразования;

16. Создан и отлажен новый и быстрый алгоритм определения пространственного спектра магнитного поля по типичным данным архео- и палеомагнетизма, имеющий существенные преимущества по сравнению с предшествующими алгоритмами. При помощи нового алгоритма проведено детальное исследование возможностей построения моделей для голоцена. Выяснены пределы точности таких моделей. Показано, что, за малым исключением, существующие данные не позволяют сколь-либо надежно определять динамику недипольных компонент в голоцене;

17. Выполнен расчет серии рабочих моделей геомагнитного поля голоцена, отвечающих разным модификациям входных данных. Выявлено несколько источников нестабильности моделей, вычисляемых в рамках традиционного подхода. С учетом этих результатов разработаны новые модификации алгоритма, последовательно приближающие к получению корректных оценок точности спектрального преобразования реальных данных. Разработан аппарат, позволяющий оценить влияние свойств используемой БД на точность модели.

18. Для ряда временных уровней геологической истории выполнено определение амплитуды вековых вариаций, выполнен глобальный анализ данных, имеющихся для времени, предшествующему 5 млн. лет назад. Полученные данные позволяют сделать следующие выводы. a. Амплитуда вековых геомагнитных вариаций на рубеже палеозоя и мезозоя была примерно того же уровня, что и последние 5 млн. лет. В целом, выполненный глобальный анализ вековых вариаций, записанных в разновозрастных вулканических толщах фанерозоя, указывает на то, что их наблюденные амплитуды не совместимы ни с одной из ранее предлагавшихся моделей и, по-видимому, не коррелируют с частотой геомагнитных инверсий. b. удлинение распределений палеомагнитных направлений, предлагавшееся ранее для описания вариаций геомагнитного поля, не является статистически устойчивой величиной при реально достижимых объемах коллекций. c. геомагнитное поле во время позднепалеозойского каменноугольно-пермского суперхрона Киама характеризовалось высокой степенью дипольности и низкой амплитудой вековых геомагнитных вариаций.

19. Модифицирована и существенно дополнена международная БД по палеонапряжённости ( http://wwwbrk.adm.yar.ru/palmag/index_e. html). Показано, что с большой степенью вероятности в периоды низкого поля, существовавшие в отдельные периоды протерозоя и в девоне, геомагнитное поле носило выраженный мультипольный характер.

20. Выполнена серия определений напряженности геомагнитного поля в протерозое и на границе архея и протерозоя. Показано, что ~1850 млн. лет назад средняя величина напряженности поля была почти втрое меньше его средней величины в кайнозое. Это обстоятельство, в совокупности с другими литературными данными по палеонапряжённости и частоте инверсий в протерозое, может рассматриваться как довод в пользу гипотезы о позднем возникновении твёрдого внутреннего ядра Земли. С другой стороны для времени ~2505 млн. лет получены качественные данные, указывающие на существование в это время необычайно сильного геомагнитного поля, превышающего его современное значение примерно в полтора раза. Новые данные, наряду с уже опубликованными результатами показывают, что напряженность геомагнитного поля в протерозое изменялась немонотонно и, в настоящее время, эволюция этого параметра не может быть напрямую связана с возникновением и ростом внутреннего ядра Земли.

21. Подтверждена гипотеза о сложном характере поведения магнитного поля Земли в девоне. Обнаруженные особенности палеомагнитной записи указывают на то, что поле на протяжении значиительной части этого периода геологической истории было существенно недипольным.

22. Данные, полученные по объектам юрского возраста, указывают на относительно низкую величину поля в это время, что противоречит гипотезе связи величины палеонапряжѐнности с частотой инверсий.

23. Получены магнитостратиграфические данные, указывающие на аномально высокую частоту инверсионного процесса вблизи границы докембрия и палеозоя, отражающую гиперактивное состояние геомагнитного поля в это время.

24. Получено доказательство существования геомагнитного суперхрона на границе мезо- и неопротерозоя, оценена его длительность. Получены новые данные о существовании в протерозое резких переходов между инверсионным и суперхронным режимами функционирования геодинамо.

25. Для описания эволюции инверсионного процесса предложена модель, которая предполагает существование трех рабочих режимов в инверсионном процессе, а именно: 1) нормального инверсионного; 2) неинверсионного “суперхронного”; 3) гиперактивного инверсионного. Модель также предполагает, что переход от одного режима работы геодинамо к другому может совершаться внезапно (в масштабах первых миллионов лет), при этом вероятность перехода от одного режима к другому может напрямую зависеть от характера распределения теплового потока на границе ядро–мантия. При этом до формирования внутреннего ядра в докембрии такие переходы могли быть более частыми из-за более сильного влияния термальных условий на границе ядро–мантия на работу геодинамо.

26. По результатам выполненных магнитостратиграфических исследований серии опорных осадочных разрезов Западной, Центральной и Восточной Европы разработаны или уточнены магнитостратиграфические схемы пермо-триасовых отложений южной Франции, центральной Германии, Среднего Поволжья, Оренбургской области, бассейна Северной Двины, получены новые позднепермские-раннетриасовые палеомагнитные полюсы Восточно-Европейской платформы и «стабильной Европы». Создана БД, включающая в себя все палеомагнитные определения, полученные по пермо-триасовым осадочным и магматическим породам этого региона. Анализ данных, заключенных в этой БД, показал, что вклад зональных недипольных компонент в геомагнитное поле на границе палеозоя-мезозоя суммарно составлял не более 10%.

27. Получены новые палеомагнитные полюсы, которые существенно уточняют характер дрейфа Сибирской платформы в конце докембрии. Предложены две альтернативные модели неопротерозойского сегмента сибирской кривой кажущейся миграции полюса. Получены новые ограничения на конфигурацию суперконтинента Родиния и на взаимное положение СП и Лаврентии в интервале 900-750 млн.лет. Подтверждена существующая схема корреляции основных опорных разрезов рифея.

28. По верхнему венду Южного Урала и Сибирской платформы получены новые палеомагнитные полюсы, позволяющие реконструировать палеогеографическое положение Восточно-Европейской и Сибирской плтформ вблизи границы докембрия и фанерозоя, сделать новый важный шаг в разработке кривых КМП для этих кратонов.

29. Получены новые палеомагнитные данные, которые заставляют: a) пересмотреть взгляды на эволюцию и возраст магматизма в западной части Центрально-Азиатского складчатого пояса; b) предположить, что формирование эпипалеозойского Уральского орогена происходило без заметного сближения Восточно-Европейской платформы и Казахстана.

30. На основе синтеза палеомагнитных, геохронологических, геохимических, седиментологических и палеонтологических данных по рифею, венду и нижнему палеозою Енисейского кряжа разработаны модернизированные модели строения и тектонического развития этого региона в позднем докембрии – начале фанерозоя. В частности, показано, что ключевым моментом модели строения и эволюции позднедокембрийскораннепалеозойской эволюции для Енисейского кряжа является произошедшее в конце венда осложнение крупно-амплитудно продольными сдвиговыми дислокациями позднедокембрийской пассивной западной окраины Сибирской платформы, а также, что Центрально-Ангарская зона автохтонна (параавтохтонна) по отношению к Сибирской платформе.

31. На основе синтеза палеомагнитных, геохронологических, геохимических и палеонтологических данных получены изотопные, палеогеографические, палеотектонические ограничения на историю формирования Байкало-Патомской области, разработана современная модель, описывающая тектоническую эволюцию региона в интервале времени 800-300 млн. лет назад.

32. С использованием полученных палеомагнитных данных выполнено тестирование гипотезы Шенгера-Буртмана-Натальина (1993), описывающей формирование Центрально-Азиатского складчатого пояса. Показано, что имеющиеся палеомагнитные определения по венду и раннему палеозою Сибирской и Восточно-Европейской платформ допускают, что эти континентальные блоки в конце докембрия – самом начале палеозоя могли быть обращены друг к другу своими современными северными окраинами, что хорошо согласуется с базовыми положениями тестируемой гипотезы.

 

Таким образом, все задачи, поставленные перед Проектом на 2014-2016 гг., успешно решены. Часть результатов, полученных в ходе выполнения Проекта, опубликована в ведущих отечественных и международных журналах, представлена участниками Проекта в многочисленных докладах на научных отечественных и международных конференциях. Другая часть в настоящее время готовится к печати. Полученные результаты в совокупности представляют собой значительный шаг на пути изучения эволюции магнитного поля Земли и истории геологического развития Северной Евразии и планеты в целом.

_DSC0120

_DSC0120

DSCN0818a

DSCN0818a

IMG_20130123_144701

IMG_20130123_144701

IMG_20130123_144630

IMG_20130123_144630

IMG_3705

IMG_3705

IMG_2353

IMG_2353

Изображение 024

Изображение 024

Изображение 034

Изображение 034

IMG_2261

IMG_2261

Изображение 015

Изображение 015

Изображение 004

Изображение 004

IMG_6953

IMG_6953

IMG_1948

IMG_1948

IMG_0282

IMG_0282

IMG_0280

IMG_0280

image-13-01-15-0:19-7

image-13-01-15-0:19-7

IMG_0419

IMG_0419

IMG_0349

IMG_0349

IMG_4713

IMG_4713

IMG_4747

IMG_4747

IMG_4798

IMG_4798

IMG_5997

IMG_5997

IMG_1965

IMG_1965

IMG_2005

IMG_2005

IMG_2014

IMG_2014

IMG_6266

IMG_6266

IMG_6388

IMG_6388

IMG_6404

IMG_6404

IMG_20151109_114611

IMG_20151109_114611

VSM1

VSM1

VSM3

VSM3

_DSC0124

_DSC0124

_DSC0120

_DSC0120

_DSC0103

_DSC0103

_DSC0108

_DSC0108

_DSC0158

_DSC0158

_DSC0211

_DSC0211

DSCN1971

DSCN1971

DSCN1983

DSCN1983

DSCN2016

DSCN2016

DSCN2099

DSCN2099

DSCN2114

DSCN2114

DSCN2122

DSCN2122

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