У каждого из нас есть компьютеры. Приходя на работу или домой, мы запускаем компьютер и считываем информацию, которая находится на его жестком диске. Основной компонент жесткого диска — это пластина. На ней есть магнитный слой, на него мы можем записать информацию, которая сохраняется там длительное время. А затем мы можем ее считать. Именно этим и занимаются палеомагнитологи, то есть особые люди, геофизики по своей природе или геологи. Магнитология — это сплав геологии и геофизики, но на природных объектах.
Перед тем как начать рассказывать о сути палеомагнитного метода в целом, необходимо узнать об истории изучения магнитного поля Земли, о том, как оно устроено и как работает. Самые первые сведения о магнитных телах мы узнаем из Китая. Это было примерно 26 веков тому назад. Но более достоверные сведения о компасе, магните, использовании магнита в навигационных целях мы встречаем в Греции, и это VII век нашей эры. Первый компас в нынешнем понимании появился в XV веке нашей эры и использовался широко на кораблях. Это были первые магнитные съемки на Земле. Шесть веков назад о магнитном поле знали очень немного. Умели пользоваться магнитным компасом, знали, что магнитная стрелка показывает на север.
Когда Христофор Колумб плыл из Европы, для того чтобы открыть Америку, он впервые заметил, что магнитная стрелка в его компасе на корабле показывает не строго на север, а отклоняется на значительное количество градусов. Таким образом, он открыл то, что мы называем склонением. Он узнал, что магнитная стрелка в разных местах земного шара показывает не строго на север, а отклоняется от севера на некоторое количество градусов, иногда доходящее до десятков.
Следующий элемент магнитного поля Земли, который научились мерить, было наклонение. Когда туристы или геологи приезжают в другое полушарие со своими компасами, приборы перестают там работать. Это происходит потому, что каждый компас разработан для той широты, на которой должен работать. Если в России продается компас, он разработан для применения в России. И если отправиться с ним в ЮАР, он вряд ли будет работать, потому что стрелка наклоняется. Чтобы она не наклонялась, в компасе используется специальный противовес. Или стрелка специально красится, или краской наносится точка, наматывается маленькая петелька из немагнитной проволоки, чтобы уравновешивать компас, стрелочку. Это открытие магнитного наклонения позволило в ходе многочисленных экспедиций записывать, регистрировать на кораблях не только значение склонения на земном шаре, но и наклонения. Эти две характеристики магнитного земного поля стали основными.
Еще одно важное открытие, которое было сделано Карлом Гауссом в 1839 году: он научился измерять напряженность магнитного поля Земли. Это был большой скачок, потому что до того момента таких возможностей почти не было. Напряженность магнитного поля — это его измеренная сила в каждой точке. В дальнейшем выяснилось, что по мере накопления этих данных напряженность, как и склонение и наклонение, в каждой точке Земли изменяются, причем изменяются со временем. И это свойство магнитного поля Земли, названное вековыми вариациями, очень широко используется в современном палеомагнетизме.
Начиная с Карла Гаусса, создаются магнитные обсерватории по всей Земле, на континентах, которые постоянно регистрируют элементы магнитного поля Земли, позволяют тем самым изучать не только структуру магнитного поля, но и характер его изменения, периодичность, цикличность и так далее. В настоящее время существует большое количество геомагнитных обсерваторий, где в постоянном режиме real-time фиксируются все эти элементы. Они позволяют нам узнавать, как выглядит магнитное поле в данный момент.
Палеомагнетизм — это ископаемый магнетизм. Он позволяет изучать магнитное поле Земли в прошлом, используя знания о том, как сейчас устроено магнитное поле Земли, как оно функционирует. Известно, что у Земли есть магнитное поле. Оно защищает нас от солнечного ветра, от космического жесткого излучения, позволяя нам жить. Если бы магнитного поля не было, то сложно себе представить, что сейчас было бы на Земле. Поэтому стало интересно посмотреть, что было с магнитным полем раньше, когда оно только образовалось, и как менялось со временем. И палеомагнитологи последние 50 лет занимаются именно этим.
Палеомагнетизм родился в середине XIX века, когда была открыта намагниченность лав. Было показано, что остывшие образцы лавы обладают остаточной намагниченностью. Чуть позже она была открыта и в других породах — осадочных и метаморфических. Но довольно долго палеомагнитный метод не развивался в силу того, что намагниченность пород очень слабая, а для того, чтобы ее измерить, необходимы высокоточные инструменты. Такие инструменты появились у ученых только к середине XX века. А в 1960-х годах на арену выходит новая парадигма в геологии — тектоника литосферных плит, в становлении которой палеомагнитный метод сыграл одну из главных ролей.
Палеомагнитологи используют в своей жизни магнитные носители, породы, которые они отбирают и изучают в своих лабораториях. Намагниченность зависит от концентрации магнитных минералов, которые содержатся в породах. Бывают разные виды намагниченности. Самая большая и сложная задача для палеомагнитолога — определить возраст намагниченности. Поэтому сейчас ученые работают в тесном содружестве с геохронологами — людьми, которые умеют определять изотопный возраст пород. Только в такой тесной коллаборации возможно получение новых результатов.
Принцип довольно прост. Существует два основных вида намагниченности горных пород — это термоостаточная намагниченность и седиментационная (остаточная) намагниченность. Термоостаточная возникает при охлаждении пород ниже точки Кюри. Чаще всего это магнитит, точка Кюри которого 578 градусов. В дальнейшем, если порода не подвергается повторным, вторичным прогревам или химическим изменениям, намагниченность, которая сохранилась в ней в момент излияния породы, может сохраняться долгие тысячи, миллионы и даже миллиарды лет. И после этого мы можем считать эту намагниченность, прочесть ее или извлечь породы. Таким образом, мы получаем возможность изучать древнее магнитное поле Земли.
Второй тип намагниченности — осадочная. Она характерна для осадочных горных пород. Механизм ее образования довольно прост в таком примитивном варианте, но на самом деле гораздо более сложен, чем термоостаточная намагниченность. При образовании осадочной горной породы — обычно это водная взвесь — река или море переносит частички минералов. Среди них есть магнитные минералы, которые, как стрелка магнитного компаса, ориентируются по магнитному полю в момент осаждения этой породы. Затем осадок превращается в породу, витрифицируется. Таким образом, ориентировка этих магнитных частичек сохраняется на миллионы лет, после чего опять же может быть считана палеомагнитологами с помощью специальных приборов — магнитометров. И мы получаем возможность изучать древнее магнитное поле Земли.
С помощью результатов, которые мы получаем в ходе таких палеомагнитных исследований, можно решать целый ряд задач, например тектонические, то есть количественно определять положение континентов в прошлом. Они дрейфуют по поверхности Земли, и до появления палеомагнитного метода количественная характеристика этого дрейфа была практически недоступна. Мы не могли оценить скорость континентов в прошлом, их точное местоположение на земном шаре. Сейчас, с появлением палеомагнитного метода, мы имеем такую возможность. Но здесь есть ограничения: магнитное поле Земли симметрично относительно оси вращения Земли, поэтому в прошлом можно количественно оценить только палеошироту континентов и его ориентировку относительно современного меридиана. Нет возможности оценить палеодолготу, но можно это делать по другим геологическим или иным данным.
Когда это рассказывают студентам, очень часто приводят аналогию по Жюлю Верну, по «Детям капитана Гранта», где они находят записку, в которой указана только широта, но нет долготы. И они путешествуют по всей широте в поисках капитана Гранта. Здесь то же самое. Палеомагнитолог путешествует по данной широте, выискивая наилучшее положение континентов в прошлом.
Следующий ряд задач, который палеомагнитологи могут решать, — это магнитостратиграфические задачи. Магнитостратиграфия позволяет оценивать скорость накопления осадочных разрезов, а также коррелировать и сопоставлять их между собой. Есть осадочные породы на одном континенте, на другом, и с помощью палеомагнитного метода можно сопоставить эти разрезы, узнать, в какое время они накопились, и так далее. В магнитостратиграфии используют еще одну особенность магнитного поля Земли — это возможность инверсирования поля, то есть смены мест полюсов. Северный и Южный магнитные полюсы время от времени меняются местами. Это свойство инверсии очень долго не признавалось геологическим сообществом, и только в 1960–1970-х годах было полностью доказано, что магнитное поле действительно инверсировало в прошлом. Последняя инверсия совершилась 780 тысяч лет назад. Такие процессы происходят нерегулярно, квазихаотично или вообще хаотично.
Процесс инверсии интересен тем, что в его ходе магнитное поле ослабевает, причем настолько, что его может вообще не быть какое-то время у Земли. Земля лишается магнитного экрана, магнитосферы, и тут возможны различные влияния на жизнь. Однако 780 тысяч лет назад инверсия произошла. Мы все это пережили, никто не умер вроде как. Поэтому до сих пор влияние инверсии не очень хорошо изучено. Ученые не совсем представляют, что может произойти в ее процессе.
Еще одна задача, которая успешно решается палеомагнитологами, — это определение напряженности магнитного поля в прошлом. Одна из задач палеомагнитологии — изучение структуры и напряженности магнитного поля в прошлые геологические эпохи. Существует предположение, что магнитное поле Земли не всегда было таким дипольным, как сейчас, то есть имело не Северный и Южный магнитные полюсы, а несколько полюсов. Ученые сейчас это проверяют, по всему миру работают коллективы палеомагнитологов, которые решают эту задачу.
То, чем сейчас занимается палеомагнитное сообщество, на что направлены его основные усилия, — это определение времени, когда у Земли возникло магнитное поле. Изучая наиболее древние породы, мы можем сказать, что они намагничены. Породы возраста 2,5 миллиарда лет сейчас намагничены, то есть уже тогда магнитное поле было у Земли. Другой вопрос, каким оно было. На это сейчас направлены усилия палеомагнитологов по всему миру.
А также остается неясной роль внутреннего ядра. Внутреннее ядро твердое, железное, а внешнее — жидкое. Именно во внешнем ядре происходит генерация магнитного поля Земли. Роль внутреннего твердого ядра до сих пор не совсем понятна. На решение этой проблемы направлены усилия большого количества людей, в том числе тех, кто моделирует геодинамо, то есть процесс генерации магнитного поля Земли. Получая все больше и больше данных, изучая все более древние породы, накапливая больше данных о прошлом магнитного поля Земли, мы получаем возможность получения знаний о механизмах его генерации, о том, когда этот механизм стартовал и как эволюционировало магнитное поле в прошлом.
