Вопросы анализа результатов лабораторных экспериментов

Следующим шагом исследований является обработка и интерпретация результатов вышеописанных лабораторных экспериментов. В настоящее время интерпретация результатов магнитных чисток проводится по стандартным алгоритмам [Kirschvink, 1980] с использованием пакета специализированных прикладных компьютерных программ (см. например [Enkin, 1994; Torsvik, Smethurst, 1999 и др.]). Результаты чисток представляются обычно в таком виде, чтобы была возможность в двухмерном пространстве отобразить трехмерную информацию о направлении векторов, которая описывается склонением и наклонением вектора [Zijderveld, 1967]. Стандартными приемами графического отображения и анализа результатов чисток являются компонентный анализ [Kirschvink, 1980] и метод кругов перемагничивания [Halls, 1976].

Компонентный анализ позволяет с помощью диаграмм Зийдервельда [Zijderveld, 1967] определять компонентный состав остаточной намагниченности и на любом этапе магнитной чистки рассчитывать направления этих компонент. Диаграмма Зийдервельда представляет собой совмещение на одном рисунке двух ортогональных проекций траектории движения конца вектора остаточной намагниченности в процессе магнитной чистки (рис. 14). Одна проекция в горизонтальной плоскости (по осям X, У), другая — в вертикальной плоскости (X, Z или У, Z). Прямолинейные участки на кривых размагничивания указывают на разрушение одной из компонент (рис. 14).

Прямая, направленная к центру координат на последних этапах размагничивания, определяет наиболее стабильную компоненту, которая в большинстве случаев является искомой первичной компонентой NRM. Выделяемая при этом компонента называется характеристической компонентой естественной остаточной намагниченности и обозначается ChRM. Определение направле.

ние. 14. Представление результатов размагничивания с помощью ортогональной диаграммы (диаграммы Зийдервельда [Zijderveld, 1967]). Заимствовано из [Morris, 2003], с изменениями и дополнениями.

В ходе ступенчатого размагничивания склонение и наклонение вектора намагниченности меняются систематически (показано точками с цифрами, обозначающими последовательные ступени размагничивания). Прямые участки на кривых размагничивания определяют направление компонент намагниченности (менее стабильная компонента разрушается в интервале NRM — 3, высокостабильная, которая является характеристической ChRM, — в интервале 3 — 6). Склонение (от 0 до 360°) компоненты намагниченности определяется непосредственно по диаграмме. Угол, показанный на диаграмме Зийдервельда как 1а, будет связан с магнитным наклонением формулами в зависимости от выбора вертикальной проекции: tan/= tan la х cosD для плоскости N — S и tan/ = tan la х sin/) для выбранной на рисунке плоскости Е — W.

Рис. 15. Схематическое отражение эффекта перекрытия спектров размагничивания двух компонент NRM (заимствовано из [Butler, 1992]):

a — коэрцитивные спектры Ja и Jb не перекрываются, низкостабильная компонента разрушается в интервале 1 — 6, высокостабильная компонента ChRM разрушается в интервале 6−9; б — коэрцитивные спектры перекрываются частично в интервале 4−7; в — коэрцитивные спектры перекрываются существенно, на диаграмме Зийдервельда отсутствуют прямые участки.

ний стабильных компонент NRM по диаграмме Зийдервельда возможно далеко не во всех случаях. При существенном перекрытии спектров блокирующих температур или коэрцитивных спектров различных компонент намагниченности разделить эти компоненты полностью не удастся, поскольку они разрушаются одновременно (рис. 15). Отражением полного перекрытия спектров размагничивания будет отсутствие прямолинейных участков на диаграмме Зийдервельда. Реальные примеры различных диаграмм Зийдервельда показаны на рисунке 16. В некоторых случаях, когда коэрцитивные спектры двух или более компонент перекрываются существенно, «спасти» положение и определить направление регулярной (повторяющейся от образца к образцу) компоненты можно с использованием методики Холлса [Halls, 1976]. При этом нагляднее представлять результаты чистки с помощью стереограммы. Стереограмма представляет собой проекцию сферы на плоскость. Обычно при интерпретации результатов палеомагнитных измерений используют полярную равнопромежуточную проекцию, где склонение вектора определяется через равные промежутки вокруг периметра проекции (по часовой стрелке от 0° до 360°), а наклонение откладывается через равные промежутки от 0° до 90° в направлении от периметра к центру проекции. Простыми словами, это вид на северное или южное полушарие с нарисованными на нем меридианами и параллелями из центра сферы. Все векторы, изображаемые на стереограммах, имеют единичную длину (начало каждого из них расположено в центре сферы). Для того чтобы различать два вектора с равным склонением, но противоположными наклонениями, которые будут находиться на стереограмме в.

Рис. 16. Реальные примеры ступенчатого размагничивания:

a — однокомпонентная намагниченность в раннемеловых трахибазальтах Удинской впадины (Забайкалье); б — двухкомпонентная намагниченность с частичным перекрытием коэрцитивных спектров в интервале размагничивания 10−30 мТл в раннемеловых трахибазальтах Чикой-Хилокской впадины (Забайкалье); в — многокомпонентная намагниченность с полным перекрытием спектров деблокирующих температур в ордовикских песчаниках архипелага Северная Земля; г — иллюстрация применения метода Холлса [Halls, 1976] для неопротерозойских андезибазальтов Предивинского террейна Енисейского кряжа: слева — типичная стереограмма по результатам ступенчатого терморазмагничивания одного из образцов, справа — стереограмма, иллюстрирующая пересечение больших кругов (показано точкой), построенных по результатам анализа всех образцов изученного обнажения.

одном и том же месте, общепринятым считается, что вектора, направленные в нижнюю полусферу (наклонение со знаком «+»), обозначаются в виде закрашенного знака (обычно кружка), а вектора, направленные в верхнюю полусферу (наклонение со знаком «-»), — в виде незакрашенного знака. В случае однокомпонентной намагниченности результаты чистки будут отображаться на стереограмме в виде близко расположенных точек; если же остаточная намагниченность имеет в своем составе несколько компонент, на стереограмме это будет отражаться в виде смещения проекции конца вектора от направления, отвечающего менее стабильной компоненте, к направлению более стабильной к размагничиванию компоненты. При этом если спектры размагничивания перекрываются, в области этого перекрытия вектор будет смещаться по дуге большого круга, поскольку обе компоненты разрушаются одновременно и вектора этих компонент находятся в одной плоскости (рис. 16).

Большим кругом называется проекция этой плоскости, проходящая через центр сферы. Метод больших кругов (метод Холлса [Halls, 1976]) адекватно работает только в том случае, если в изучаемых образцах присутствуют один и тот же повторяющийся во всех образцах высокостабильный компонент намагниченности и одна или более разноориентированных низкостабильных компонент. В этом случае большие круги будут ориентированы на проекции по-разному, но пересекаться в точке, отвечающей направлению стабильной, существующей во всех образцах, компоненты намагниченности (рис. 16). Более подробно познакомиться с методом больших кругов, некоторыми проблемами и приложением к решению задач палеомагнетизма и тектоники можно, например, в работе [Баженов, Шипунов, 1990]. Существует также методика определения среднего направления стабильной компоненты NRM, которая объединяет два вышеуказанных способа — комбинированный анализ [McFadden, McElhinny, 1988].

Имея на руках качественно проинтерпретированные результаты магнитных чисток, мы можем перейти к анализу полученных единичных (по каждому образцу) направлений, связанных со стабильными компонентами NRM, сохранившимися в породе. Наша следующая задача состоит в том, чтобы выбрать ту компоненту, которая характеризует магнитное поле на момент формирования породы, т. е. является первичной (обычно это компонента ChRM), и обосновать происхождение вторичных компонент. Конечной целью этого этапа магнитотектонических работ является определение направления геомагнитного поля в точке исследований, привязанное ко времени известного геологического события. Для построения палеотектонических моделей, как правило, наибольшую информацию несет первичная компонента намагниченности; тем не менее, наложенные вторичные компоненты при условии качественного датирования времени их образования могут дать не менее важную информацию для решения вопросов, связанных с тектоникой.

Единичные направления NRM и ее компонент даже в пределах одного сайта, в силу своей природы, имеют определенный разброс на сфере. Для наилучшей оценки средних направлений, а именно такие направления приближают нас к возможности восстановить пространственно палеоположение изучаемого тектонического элемента, вновь потребуется статистическая обработка.

Статистике палеомагнитных данных уделяется очень большое внимание как в зарубежных методических изданиях [Watson, 1983; Butler, 1992 и др.], так и в российской научной литературе [Палеомагнитология, 1982; Баженов, Шипунов, 1991; Шипунов, 2000 и др.]. Более детально познакомиться с основами статистического анализа палеомагнитных данных можно, например, в [Шипунов, 1993]. Мы же кратко остановимся только на общих моментах, которые необходимо знать, сталкиваясь с оценкой среднесайтового направления стабильных компонент NRM. В основу анализа положена статистика Фишера [Fisher, 1953] - статистика нормального распределения единичных векторов на сфере. Проверка соответствия реальных распределений, нормированных к единице векторов NRM, и ее компонент распределению Фишера помогает оценить однокомпонентность установленной совокупности векторов и степень ее «регулярности» в полученной выборке. К основным параметрам распределения Фишера относятся среднее направление выборки (геометрическое среднее анализируемой совокупности единичных векторов), к — кучность совокупности векторов, отражающая степень концентрации векторов вокруг среднего направления, и а₉₅ — радиус овала доверия, характеризующий область, в которой с вероятностью 95% находится истинное направление палеомагнитного поля, другими словами, это параметр, характеризующий точность среднего направления. Обычно кучность оценивается по формуле: к- (N-)/(N-R), где N- количество определений, R — модуль суммарного вектора. Согласно статистике Фишера, распределение принимается хаотическим, если к< 3. Для расчета 095 при к > 3 используется упрощенная формула а₉₅ = 140(A:./V)'^½. Когда мы вычисляем среднее направление, то предполагаем, что данные представляют собой случайную выборку из совокупности направлений, отвечающих распределению Фишера. Хотя мы не знаем истинного среднего для этой фишеровской совокупности, вычисленное среднее направление будет наилучшей его оценкой, а значение а₉₅ — мерой точности, с которой истинное среднее направление было нами оценено. Доверительный интервал гарантирует 95%-ную уверенность в том, что неизвестное истинное среднее направление лежит внутри круга радиусом а₉₅ с центром в рассчитанном среднем. Очевидно, что существует 5%-ная вероятность того, что истинное среднее лежит вне рассчитанной области. В палеомагнитологии не существует твердого критерия для определения приемлемости (кондиционности рассчитанного среднего значения для решения тектонических задач), и этот вопрос часто обсуждается. На основании анализа имеющихся палеомагнитных данных принято считать, что внутрисайтовое определение с к > 30 и а₉₅ < 15 можно рассматривать как минимально приемлемое для расчета положения виртуального геомагнитного полюса [Van der Voo, 1990; Butler, 1992]. Немаловажно также и то, как усреднять направление единичных векторов, полученных по образцам одного сайта. Если единичные направления получены больше, чем по одному образцу из одного и того же штуфа/керна, то перед вычислением среднего направления эти векторы должны быть усреднены. Таким образом, при расчете среднесайтовой компоненты в статистке участвуют только по одному определению от каждого образца. Далее статистический анализ ведется уже на уровне среднесайтовых направлений стабильной компоненты. Реальные примеры «хороших», «удовлетворительных» и «плохих» распределений единичных векторов для расчета среднесайтового направления компоненты NRM показаны на рисунке 17.

Для обоснования первичности выделенной или установления возраста заведомо вторичной компоненты, кроме статистических критериев, необходимо использовать комплекс геологических, геофизических и физических признаков [Палеомагнитология, 1982; Van der Voo, 1990; Печерский, Диденко, 1995]. Среди них наиболее важными являются:

• — положительные палеомагнитные тесты (складки, обжига, галек, обращения и др.);
• — сходимость направлений компонент NRM, выделенных разными методами;
• — сходимость выделенного направления с направлениями полученными ранее, для которых доказан возраст и природа образования намагниченности;
• — тождественность направлений в породах не идентичных по литологическому и петрографическому составу и/или генезису;
• — повторяемость направления намагниченности для одновозрастных пород различных обнажений (сайтов);
• — доказательство синхронности образования горной породы и носителей выделенной намагниченности;
• — отсутствие признаков регионального перемагничивания.

Рис. 17. Реальные примеры распределений единичных векторов для расчета среднесайтового направления компоненты NRM:

a — минимально приемлемое распределение векторов на примере нсопротерозойских песчаников карагасской серии Бирюсинского Присаянья; б — удовлетворительное распределение на примере кембрийских песчаников батеневской свиты Кузнецкого Алатау; в — хорошее распределение на примере базальтов трапповой формации Кузнецкого прогиба.

Ни один из вышеперечисленных критериев, взятый отдельно сам по себе, не может служить доказательством первичности NRM. Только сочетание нескольких, как правило, геофизических и геологических (оценка геологического возраста, генезиса, тектонического положения; отсутствие признаков метаморфизма, вторичных изменений, пластических деформаций и т. д.) признаков позволяет относительно однозначно решить вопрос о времени возникновения и происхождения намагниченности. Однако, ведущую роль в оценке относительного возраста установленной компоненты намагниченности играют полевые палеомагнитные тесты (рис. 18). Поэтому возможность постановки хотя бы одного из них должна быть предусмотрена еще на стадии выбора объекта исследований.

Самым распространенным и одним из наиболее эффективных является тест складки (fold test). В настоящее время разработано несколько модификаций этого теста [McElhinny, 1964; McFadden, 1990; Bazhenov, Shipunov, 1991; Watson, Enkin, 1993; Шипунов, 1995a, 6; Shipunov, 1997; Enkin, 2003], в кото;

Puc. 18. Схематический геологический разрез и распределение направлений NRM, иллюстрирующие полевые палеомагнитные тесты. Поясн. в тексте (переработано из [Morris, 2003]).

рых используются несколько отличающиеся статистические подходы и приемы, однако сущность самого теста остается неизменной. При формировании первичной намагниченности во время образования горизонтально залегающих пород все векторы намагниченности ориентированы в одном и том же направлении, соответствующем направлению геомагнитного поля. Если в дальнейшей истории горной породы после фиксации намагниченности отмечается этап складкообразования, то вместе с изменением залегания пластов будут изменяться и направления векторов намагниченности. Таким образом, векторы первичной, «доскладчатой», намагниченности должны совпадать в древней системе координат и различаться в современной (рис. 18). Соответственно кучность векторов первичной компоненты NRM до смятия слоя в складку будет значимо выше, чем после складкообразования. Если же процессы перемагничивания пород проходили после этапа складкообразования, то векторы будут ориентированы одинаково уже в смятом слое и при введении тектонической поправки за элементы залегания, «распрямлении складки» (в древней системе координат), кучность будет закономерно уменьшаться, а максимальное значения параметра к будет соответствовать распределению векторов in situ (в современной системе координат). Собственно результат теста позволяет с помощью статистических приемов оценить не первичность анализируемой компоненты NRM, а время ее фиксации в породе относительно времени известного тектонического этапа, связанного со смятием изучаемых пород в складку. Обычно при таком анализе предполагается, что при складкообразовании породы претерпевают простое вращение, заключающееся в повороте на некоторый угол вокруг только горизонтальной оси. На практике возможны вращения и вокруг вертикальной оси. В этом случае классический вариант теста складки не даст желаемого результата, поскольку возникает существенное различие направлений по склонению, тем не менее, тест складки только по наклонению может помочь ответить на вопрос, связанный со временем приобретения анализируемой компоненты намагниченности.

Второй классический тест — тест галек (конгломератов, conglomerate test) — представляет собой способ оценки палеомагнитной стабильности и времени приобретения анализируемой намагниченности по степени хаотичности распределений ее векторов в обломках (гальках) из конгломератов, брекчий и т. п. пород. При проведении теста анализируется кучность распределения векторов намагниченности в гальках конгломератов, перекрывающих изучаемую толщу. Если распределение стабильных компонент намагниченности в гальках хаотично (кучность стремится к нулю, к< 3 [Marida, 1972]), это свидетельствует об отсутствии процессов перемагничивания, по крайней мере, с момента формирования хаотически построенной конгломератовой толщи (рис. 18). Неслучайное (статистически значимое) распределение компонент NRM в конгломерате указывает, что намагниченность была сформирована уже после формирования конгломератовой толщи, что привело к переориентированию магнитных моментов по направлению наложенного магнитного поля. При общем региональном перемагничивании направления в гальках будут соответствовать направлениям в тестируемых, подстилающих конгломерат породах. Чем ближе по времени и месту переотложения конгломераты и находящиеся в них обломки (гальки), тем тест надежнее. В случае внутриформационных конгломератов тест галек может стать прямым методом обоснования первичной остаточной намагниченности. Для знакомства со статистическими подходами при решении задач, связанных с тестом галек, можно адресовать читателя к работе [Шипунов, 1993, 2000; Шипунов и др., 2002], где для более строгой оценки предлагается использовать параметрический критерий равномерности Релея.

Тест обжига (baked contact test) один из наиболее «сильных» тестов для обоснования соответствия времени приобретения анализируемой компоненты намагниченности времени внедрения интрузий или формированию субвулканических тел. Основой этого метода является сравнение и поиск статистически значимых корреляционных связей между направлениями стабильных компонент NRM в магматической породе, экзоконтакте и необожженных вмещающих породах (рис. 18). Обожженная вмещающая порода (показано на рис. 18 серым полем) и магматическая/изверженная (обжигающая) горные породы приобретают TRM, которые должны совпадать между собой и соответствовать направлению приложенного в этот момент геомагнитного поля. Направления же стабильной компоненты NRM в незатронутой обжигом вмещающей породе, которая в классическом варианте теста должна быть намного старше, по сравнению с интрузией, будут существенно отличаться (рис. 18). Обнаружение таких закономерностей будет однозначно свидетельствовать о том, что время образования тестируемой компоненты намагниченности в магматической породе соответствует времени становления интрузии. Если же процессы регионального перемагничивания затронули всю описанную геологическую систему, то направления стабильных компонент в магматической породе, зоне экзоконтакта интрузии и вмещающих отложениях будут совпадать и соответствовать направлению геомагнитного поля времени перемагничивания.

Еще одним тестом, позволяющим обосновывать с определенной долей условности первичность установленной компоненты, является тест обращения (инверсий, reversal test). Тест обращения не оценивает возраст намагниченности по отношению к определенному геологическому событию как вышеописанные тесты, но позволяет убедиться в отсутствие в анализируемой выборке векторов вторичной компоненты намагниченности. Тест обращения основан на явлении магнитных инверсий [Сох, 1969] и на практике наиболее часто работает при изучении компонент NRM в осадочных последовательностях. Поскольку первичная компонента в таких породах, в силу своего происхождения (DRM), описывает магнитное поле Земли, осредненное за некоторый промежуток времени, то в течение времени формирования «соседних» в разрезе слоев очень вероятно наличие геомагнитных инверсий. Усредненное по времени направление геомагнитного поля нормальной полярности отличается от усредненного поля обратной полярности ровно на 180°. Это свойство геомагнитного поля и является основой теста инверсий (рис. 18). Если анализируемая выборка содержит только первичный компонент NRM и обеспечивает адекватное усреднение вековой вариации за время интервалов как нормальной, так обратной полярностей, то средние монополярные направления должны быть антипараллельными. В таком случае в анализируемой выборке полученных векторов первичной компоненты NRM мы должны наблюдать направления как прямой, так и обратной полярности, различающиеся на 180°. Установление такого факта будет являться серьезным доводом в пользу отсутствия процессов наложенного регионального перемагничивания, происходящих, как правило, в довольно короткий промежуток времени. Если же в анализируемом распределении векторов присутствует вторичная намагниченность, то средние монополярные направления будут различаться на угол меньше 180°. Понятно, что при решении реальных задач строгого соответствия угла 180- ти градусам достичь трудно, хотя бы в силу погрешности самих измерений. Для количественной оценки степени достоверности положительного результата теста обращения разработана специальная классификация, основанная на значимости статистических критериев при сравнении средних значений в биполярных распределениях векторов [McFadden, McElhinny, 1990].

Положительный результат полевых палеомагнитных тестов входит в число основных и часто определяющих критериев, с помощью которых предлагается оценивать надежность (достоверность) полученных палеомагнитных данных для решения конкретных задач магнитотектоники [Van der Voo, 1990, 1993; Печерский, Диденко, 1995]. Для характеристики качества и приемлемости использования конкретного определения для целей магнитотектоники принят специальный количественный критерий — индекс палеомагнитной надежности (ИПН), суммирующий по возможности всю информацию об этом определении. Схемы реализации определения ИПН различны [Палеомагнитология, 1982; Van der Voo, 1990; Печерский, Диденко, 1995] и, кроме того, дискуссионны (см. главу 4) из-за своей слабой универсальности. Однако, введение в магнитотектонический анализ такой количественной оценки необходимо и позволяет на основе одних и тех же принципов проводить селекцию имеющихся неравно достоверных палеомагнитных определений, что дает возможность повысить качество палеотектонических реконструкций.