Доказательства спрединга магнитными аномалиями

Хотя многие факты вплотную подводили исследователей к концепции спрединга, самые решающие свидетельства его реальности были все же получены в результате магнитных съемок крупных сегментов океанского дна. К 1958 г. Были созданы высокочувствительные магнитометры, способные измерять земное магнитное поле вплоть до 1/100 000 его величины. Вакье и др., Мейсон и Рафф из Скриппсовского океанографического института, работая с этими приборами, на дне северо-восточной части Тихого океана обнаружили картину четко очерченных линейных магнитных аномалий субмеридионального простирания (рис. 4−5). Открытие вызвало большой интерес. Наблюдавшуюся картину линейных аномалий объясняли чередованием лавовых потоков и осадочных толщ, накопившихся в узких трогах. На картине линейных аномалий были видны также крупные горизонтальные смещения (амплитудой до 1400 км) по зонам разломов. Первоначально эти смещения интерпретировались как громадные сдвиги океанской коры. Другим открытием, требовавшим объяснения, было обнаружение положительной магнитной аномалии над рифтовой долиной Срединно-Атлантического хребта. Эта аномалия прослеживалась уверенно даже там, где рифтовая долина развита слабо или вовсе отсутствует. Еще больше удивило направление аномалии: оно оказалось противоположным тому, которое можно было ожидать на основании уменьшения объема земной коры в рифтовой долине. В начале 60-х гг. независимо от деятельности морских геологов была построена временная шкала палеомагнитных инверсий. Примерно в это же время (в 1963 г.) Ф. Вайн и Д. Меттьюз из Кембриджского университета дали простое объяснение загадочной аномалии над осью срединных хребтов и линейным (полосовым) магнитным аномалиям, обнаруженным в северо-восточной части Тихого океана. Они объединили гипотезу спрединга океанского дна Хесса с новыми данными об истории инверсий земного магнитного поля, предположив, что каждая новая порция океанской коры, сформировавшись в результате подводных излияний лавы в рифтовой зоне срединного хребта, намагничивается по направлению геомагнитного поля, существующего во время ее охлаждения (рис. 4). При последующем раздвигании новообразованных участков коры в стороны от оси хребта они должны формировать чередующиеся полосы прямой и обратной намагниченности. Полосовые аномалии, измеренные судовыми магнитометрами с поверхности океана, рисуются как положительные и отрицательные на фоне сглаженного геомагнитного поля (рис. 4). Если полоса намагничена прямо по отношению к направлению современного геомагнитного поля, то величина ее намагниченности добавляется к фоновой и мы получим увеличение интенсивности. Если же полоса намагничена в обратном направлении (т.е. имеет обратную полярность), то интенсивность ее намагниченности вычитается из геомагнитного поля и мы наблюдаем низкую величину аномалии. В середине 60-х гг., когда палеомагнитная шкала для молодых возрастов уже была хорошо разработана, Вайн и Уилсон начали коррелировать с ней картину полосовых магнитных аномалий. Дж.Т. Уилсона, например, вдохновил на это доклад Н. Опдайка о палеомагнитной стратиграфии, представленный в 1965 г. На Международной конференции по Гондване в Монтевидео. На основе данных Опдайка он развил свои прогрессивные концепции спрединга. Великолепная корреляция между картиной полосовых магнитных аномалий и палеомагнитной шкалой времени привела его, таким образом, к плодотворному объединению палеомагнетизма с гипотезой спрединга океанского дна Хесса и Вайна — Меттьюза. Поскольку срединно-океанские хребты представляют собой протяженные линейно вытянутые структуры, то в ходе спрединга возникают узкие длинные полосы прямой и обратной полярности (рис. 4−7). Центральная положительная аномалия над гребнем хребта (рис. 4−7) отражает формирование океанской коры в современную эпоху прямой полярности геомагнитного поля. Ирония судьбы: сходную модель разработал и представил для опубликовать в 1963 г. Канадский геофизик Л. В. Морли, но его статья была отвергнута, поскольку редакция сочла ее слишком спекулятивной. До настоящего времени нет общепринятого мнения относительно мощности и магнитной восприимчивости слоя базальтов, создающего полосовые магнитные аномалии. Вайн и Меттьюз предполагали, что магнитовозмущающий слой охватывает всю океанскую кору. Прямые измерения магнитных свойств пиллоулав в образцах, добытых с осевой зоны Срединно-Атлантического хребта и отобранных из наземных обнажений поднятой океанской коры, показали, однако, что только лавовые подушки обладают стабильной остаточной намагниченностью и величина их магнитной восприимчивости достаточна для создания наблюдаемых аномалий при общей мощности всего 400 м. Идеи Вайна и Меттьюза, а также другие близкие к ним модели были рассмотрены в 1966 г. На годичных собраниях Американского геофизического союза в Вашингтоне и Американского геологического общества в Сан-Франциско. Было решено обнародовать эти открытия, вести эффективную борьбу с оставшимися еще противниками новых теоретических построений и провозгласить вступление в эру революционного пересмотра взглядов о динамике Земли.

Симметрия магнитных аномалий по отношению к оси срединно-океанского хребта распространяется на пределы его гребня и склонов до дна глубоководных океанских котловин на расстояние не менее 2000 км. Отсюда следует, что почти все дно современного Мирового океана образовалось в результате спрединга. Если полосовые магнитные аномалии соотнести со шкалой геологического времени на всем пространстве океанского ложа, где развиты эти аномалии, то можно получить прямую зависимость возраста коры от расстояния до оси срединного хребта и определить скорости спрединга на любом отрезке хребта. Чтобы решить эту задачу, нужно иметь высококачественные длинные магнитные профили, перпендикулярные оси хребта, породившего аномалии. На таких профилях, выполненных, например, Хейртцлером с сотрудниками для хребта Рейкьянес к югу от Исландии (рис. 5), хорошо видна симметрия аномалий по отношению к оси хребта. К счастью, в Ламонтской обсерватории к тому моменту уже накопилось большое количество магнитных профилей, полученных за несколько лет в ходе стандартных съемок. Это позволило Дж. Р. Хейртплеру, В. К. Питману, Дж. О. Диксону и К. Ле Питону быстро завершить первую фазу исследований.

Равномерной периодичности инверсий геомагнитного поля нет. Если бы она существовала, то сходство формы магнитных аномалий затрудняло бы определение по ним возраста океанской коры. На самом же деле магнитные аномалии, возникшие в определенные моменты геологического времени, имеют свои отличительные черты, часто позволяющие узнавать их с первого взгляда, подобно годовым кольцам на спиле дерева, отражающим изменения климатических условий роста. Изгибы аномалий на профилях различны по форме. Форма некоторых из них особенно характерна, благодаря чему такие аномалии служат ключевыми изохронами при корреляции и датировании, Последовательность кайнозойских аномалий обозначена номерами от 1 до 33 в порядке увеличения возраста (рис. 6). Номера мезозойских аномалий снабжены индексом М и пронумерованы от МО (108 ± 2 млн. лет) до М25 (153 млн. лет). Качество магнитных профилей неодинаково, но для построения палеомагнитных шкал времени использованы только исключительно четкие записи. На профилях худшего качества идентификация отдельных аномалий неоднозначна. Аномалии могут быть слабо развиты или вообще стерты в районах со сложным тектоническим строением, например там, где ось срединного хребта рассечена многочисленными зонами разломов. Изучив последовательность полосовых магнитных аномалий по нормали к активным центрам спрединга и использовав известную тогда шкалу магнитных инверсий для последних 3,5 млн. лет, Хейртцлер и др. построили возрастную шкалу кайнозойских и позднемеловых (0−79 млн. лет) аномалий океанского дна (рис. 7). Эта прогнозная возрастная шкала основана на двух главных допущениях. Во-первых, предполагается, что профили магнитных аномалий над океанскими хребтами и котловинами, согласно гипотезе Вайна и Меттьюза, отражают более древние инверсии геомагнитного поля; во-вторых, скорость спрединга считается постоянной. Разрешающая способность шкалы выведена из профилей северной части Тихого океана с большими скоростями спрединга. При построении такой шкалы данные о возрасте экстраполируются на возрастной интервал, по длительности почти в 20 раз превышающий базовый. Как подчеркивали Хейртцлер и др., не исключено, что систематические ошибки, внесенные при этом, будут наращиваться с увеличением возраста. Тем не менее возраст границы между мелом и палеогеном, установленный по палеомагнитной шкале, оказался лишь немногим моложе радиологического. После того как Хейртцлер и его соавторы создали возрастную шкалу палеомагнитных инверсий, было сделано несколько попыток повысить ее разрешающую способность. Для этого привлекались новые профили магнитных аномалий, определения возраста маркирующих инверсий в наземных разрезах, а особенно — сравнение палеомагнитных определений возраста базальтового фундамента с биостратиграфическими датировками базального слоя осадков в скважинах глубоководного бурения. Возраст некоторых аномалий удалось определить непосредственно путем пробуривания всей осадочной толщи до фундамента. В результате этих исследований было установлено, что аномалии с номерами до 32-го включительно образовались за последние 76 млн. лет (рис. 7). Для последних 60 млн. лет существует отчетливая линейная зависимость между предсказанными и палеонтологически определенными возрастами фундамента. Построенная по средней скорости спрединга возрастная шкала в целом подтвердилась. Это означает, что по крайней мере в точках, где имеются скважины, пробуренные до фундамента, нахождение сколько-нибудь значительных толщ более древних осадков внутри базальтов маловероятно. Однако многие данные показали, что допущение постоянства скорости спрединга часто приводит к небольшим, а в некоторых случаях к значительным ошибкам. Например, возраст аномалии 24 по экстраполяции Хейртцлера и др. составляет 60 млн. лет, а по данным Тарлинга и Митчелла -49 млн. лет. Шлих, Ларсон и Питман установили постоянное несовпадение палеомагнитных определений возраста и биостратиграфических датировок осадков, залегающих непосредственно над базальтами (рис. 8). Это несовпадение было впоследствии устранено Ла Брекье и др. путем пересмотра некоторых биостратиграфических определений возраста. Количество подобных противоречий и расхождений во мнениях как будто возрастает по мере увеличения возраста, хотя в ряде случаев их удалось успешно разрешить, допуская различия в скоростях спрединга. Обычно же совпадение палеомагнитных и биостратиграфических возрастов удивительно хорошее, особенно если учесть искажения, которые вносятся в биостратиграфические датировки эрозией, перерывами осадконакопления, обновлением вулканической деятельности и неточностью определений абсолютного возраста стратиграфических единиц. Результаты глубо-ководного бурения не только хорошо согласуются с гипотезой спрединга океанского дна, но служат веским доказательством ее правильности. При дальнейшем уточнении палеомагнитной возрастной шкалы будут учтены изменения скорости спрединга, а также некоторые новые геохронологиче-ские данные. Временную шкалу палеомагнитных аномалий удалось также распространить на мезозой. Ларсон и Питман продлили ее до поздней юры (152 млн. лет назад). Они показали, что в интервале между 100 и 150 млн. лет назад существовали периоды обращений магнитного поля, прерывавшиеся длительными периодами преимущественно прямой полярности, известными под названием меловых и юрских зон спокойного магнитного поля. Последние выражены на дне океана в виде областей со сглаженными аномалиями.