Вариации геомагнитного поля в позднем палеозое и раннем мезозое Нургалиев, Данис Карлович

Введение к работе

Актуальпость проблемы. Палеомагнетизм в настоящее время является одним из наиболее перспективных инструментов, позволяющих получать информацию о состоянии глубинных геосфер в геологическом прошлом. Наиболее информативным для этих целей представляется анализ пространственно-временной структуры (ПВС) геомагнитного поля (ГМП) в прошлом. Ряды обсерваторских наблюдений, пригодные для глобального пространственного анализа, составляют не более 100 лет, что, естественно, не достаточно для прослеживания наиболее значительных изменений ГМП. Однако, даже сбор, обобщение и анализ исторических геомагнитных данных только за последние 400 лет уже позволил получить принципиально новые представления о структуре ГМП и его вариациях. Расширение временного интервала, в котором возможен анализ ПВС ГМП, чрезвычайно важен для восстановления процессов различной длительности в ядре и на границе ядро-мантия. Спектр геомагнитных изменений достаточно широк и, по современным представлениям, в нем могут быть линии с характерным временем до 10⁸ лет, а амплитуда и масштабы геомагнитных изменений увеличиваются с ростом характерного времени (периода). Например, амплитуды палеовековых геомагнитных вариаций (PSV) с периодами несколько тысяч лет достигают 10-30, что вполне может быть исследовано палеомагнитным методом. С учетом возможностей современных абсолютных датировок, ПВС подобных вариаций ГМП может быть исследована во временном интервале от современности до 20-30 тыс лет т.н. Такая программа осуществляется путем палеомаг-нитного исследования донных отложений современных озер. Возможности дальнейшего расширения временного интервала анализа PSV ограничиваются точностью методов абсолютного датирования. Существует и другой путь прослеживания эволюции ГМП и процессов в ядре Земли. Он заключается в изучении параметров PSV в различные геологические эпохи и анализе характера изменения их периодов, морфологии и амплитуд во времени. Имеющиеся экспериментальные данные о спектре геомагнитных вариаций и теоретические представления об их генерации свидетельствуют о том, что наиболее информативными с точки зрения иследования эволюции геодинамо и параметров ядра являются PSV с периодами 10³ лет. Изменения размеров, геометрии и структуры ядра Земли, проводимости и вязкости вещества должны приводить к изменению именно указанных PSV. К настоящему времени имеются лишь единичные примеры записей PSV древнее 50-100 тыс лет, немного больше работ, касающихся суммарной амплитуды PSV - дисперсии направлений естественной остаточной намагниченности (NRM). Это обусловлено целым рядом принципиальных проблем, возникающих при исследовании PSV по древним породам, среди которых главными являются следующие:

І.Вьіделение вариаций направлений NRM геомагнитной природы и оценка их достоверности в записях осложненных шумом и регулярными помехами различной природы.

1. Оценки скоростей накопления осадков и определение масштаба времени в разрезах.

2. Оценки дрейфа PSV невозможны ввиду малой точности относительной временной привязки колонок.

Решение указанных проблем и получение сведений о PSV в более древние эпохи могло бы дать важнейшую информацию для дальнейшего развития наших представлений об эволюции внутренних геосфер и процессов в жидком ядре и на границе ядро-мантия. С другой стороны, при этом, могут быть решены ряд задач принципиального характера, касающиеся практического применения палеомагнетизма в геологии вообще, в стратиграфии, тектонике и т.д. Цель и задачи работы. Главной целью работы являлось получение записей и основных параметров PSV геомагнитного поля в позднем палеозое и раннем мезозое по соответствующим отложениям востока Русской плиты. При этом были решены следующие задачи:

1. Разработка методики оценки природы изменений направлений NRM в колонках непрерывно отложенных глинистых пород.

2. Установление скорости накопления глинистых отложений и восстановление временного масштаба.

3. Разработка и адаптация методов обработки записей PSV для повышения достоверности интерпретации результатов измерений. Научпая новизна. Автором впервые получены данные об основных параметрах PSV (амплитуды, спектр, морфология) в позднем палеозое и раннем мезозое. Кроме того, в диссертации развит ряд новых методик и результатов, среди которых важнейшими являются следующие:

4. Предложена концепция магнитной неоднородности пород единичного уровня разреза, позволяющая получать принципиально новую информацию о помехах в палеомагнитных записях, восстанавливать вариации относительной палеонапряженности и выявлять природу изменений направлений NRM в колонках.

5. Разработан метод определения скоростей осадконакопления глинистых пород, основанный на комплексном анализе литологии, химического состава, магнетизма и палеомагнетизма пород. Впервые получены данные о средних скоростях осадконакопления глинистых пород перми и триаса востока Русской плиты, которые позволили реконструировать масштабы времени и оценить размеры перерывов и полноту разрезов в стратотипической области их распространения.

6. Получены новые данные по магнитным свойствам, магнитной минералогии и NRM гематит-маггемит-магнетит содержащих пород перми и триаса востока Русской плиты.

Достоперпость результатов. Достоверность полученных автором результатов определяется:

1.Большой статистической обеспеченностью экспериментальных данных. В процессе исследований было изучено более 20 разрезов, выработаны методики отбраковки зашумленных палеомагнитных записей. Основные закономерности получены по 9 характерным разрезам (13 колонок), общее количество исследованных в этих разрезах образцов составляет более 12000.

2. Использованием разнообразных литолого-фациальных, минералогических, магнитно-минералогических и собственно палеомагнитных методов обоснования выделения первичной палеомагнитно-информативной компоненты NRM, широким использованием критерия внешней сходимости и статистических методов. Осповные защищаемые положения.

1. Методика определения скоростей накопления глинистых оса
дочных пород, основанная на детальном изучении слоистости, хи
мического состава, магнитных свойств и NRM.

2. Методики выделения и анализа PSV в палеомагнитных записях в древних осадочных породах.

3. Параметры PSV в поздней перми и раннем триасе на востоке Русской плиты.

Научпая и практическая значимость работы. Разработанные в работе методы выделения и анализа PSV могут быть использованы при изучении PSV по отложениям любого возраста, в том числе, и по осадкам современных озер. Методики статистической обработки, развитые на основе концепции магнитной неоднородности пород внутри уровня, открывают широкие перспективы для определения палеонапряженности по осадочным породам и оценки достоверности палеомагнитных определений. Полученные в работе параметры PSV для позднего палеозоя имеют важное научное значение для построения количественных моделей эволюции геомагнитного поля и внутренних геосфер: ядра, мантии и границы ядро-мантия. Практический и научный интерес для литолого-стратиграфических исследований представляет методика и результаты определения скоростей накопления глинистых пород на основе исследования микрослоистости и записей PSV. Эти данные позволяют оценить масштабы времени накопления и полноту разрезов, что имеет принципиальное значение для стратиграфического расчленения и корреляции.

Реализация результатов. Работы выполнены в период с 1978 по 1994 годы в Казанском государственном университете по бюджетной тематике научно-исследовательской лаборатории палеомагнетизма и магнетизма горных пород (НМЛ ПМ). Разработанные методики использованы при выполнении хоздоговорных работ по магни-тостратиграфии пермских отложений (Татарское геологоразведочное управление, ГГП "Татарстангеология", ПО "Волгагеология"

и др.). Результаты работ использованы в курсах "Петрофизика", "Теоретические основы обработки геофизической информации", спецкурсах по геомагнетизму, палеомагнетизму и магнетизму горных пород, читаемых автором в Казанском университете. Исходные материалы исследований. В работе использованы материалы исследований, полученные непосредственно автором или при участии автора в процессе полевых работ и лабораторных измерений. В процессе работ было исследовано более 20 разрезов пермских и триасовых осадочных пород по береговым обнажениям бассейнов p.p. Волга, Вятка, Ветлуга, Кама, Сухона, Зай, Шешма и других. Стратиграфическая привязка разрезов осуществлена в соответствии с существующими схемами стратиграфического расчленения МСК.

Личный вклад автора. Автором работы поставлены задачи, решение которых представляется в данной работе, им осуществляется научное руководство и непосредственное участие на всех этапах и направлениях исследований: организация и проведение экспедиционных работ, подготовка и измерение образцов горных пород, разработка аппаратурных комплексов и программного обеспечения, разработка математических методов обработки и интерпретация результатов. Под руководством автора по указанным направлениям были подготовлены и защищены кандидатские диссертации Д.И.Ха-сановым и И.Ю.Черновой. В опубликованных в соавторстве статьях автору принадлежат: постановка задачи, большая часть экспериментальных исследований и, полностью, интерпретация и обсуждение результатов. В статьях, касающихся аппаратурных разработок - постановка задачи, опробование на различных объектах и обсуждение результатов.

Апробация работы и публикации. Основные положения и результаты работы докладывались на ежегодных итоговых научных конференциях Казанского университета (Казань, 1978 - 1997 г.г.), Всесоюзных школах-семинарах по физическим основам палеомагнетизма (Борок , 1979 - 1984, 1997 г.г.), на заседаниях Научного Совета по Геомагнетизму АН ( Казань - 1980 г., Москва - 1995 г.), на Съездах по геомагнетизму (Тбилиси - 1981 г., Ялта - 1986 г., Суздаль - 1991 г.), на заседаниях Общемосковского коллоквиума по магнетизму горных пород и палеомагнетизму (Москва - 1983 г., 1994 г., 1997 г.), на Всесоюзных семинарах по тонкой структуре геомагнитного поля (Звенигород - 1987 г., 1990 г.), на 5 симпозиуме КАПГ "Солнечно-земная физика" (Самарканд - 1989 г.), на конгрессе "Пермская система мира" (Пермь, 1991 г.), на семинаре по палеомагнетизму ИГ АН УССР (Киев, 1983 г.), в этом же институте в 1983 г. автором была защищена кандидатская диссертация на тему "Методика исследования направлений естественной остаточной намагниченности осадочных пород". Работы автора представлялись на 18-22 Генеральных ассамблеях Европейского геофизического союза

(Эдинбург - 1993 г., Гренобль - 1994 г., Гамбург - 1995 г., Гаага -1996 г., Вена -1997 г.), на семинаре Института геофизики (ЕТН, Цюрих, 1995 г.). Всего по теме диссертационной работы опубликовано более 60 печатных работ, из них четыре монографии в соавторстве, одно авторское свидетельство на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения,
іефіи глав и заключения. Общий обьем работы страницы, из

них й$у> страниц текста, iU рисунков, 32. таблиц, имеется список литературы из 39 наименований.

На протяжении выполнения данной работы автор пользовался поддержкой и помощью П.Г.Ясонова, Б.В.Бурова и В.П.Боронина, на различных этапах в работе принимали участие А.С. Борисов, И.Я.Жарков, Ш.З.Ибрагимов, Д.И.Хасанов, И.Ю.Чернова, М.П.Гришина и многие другие. Выполнению работы способствовало обсуждение основных положений работы с Г.Н.Петровой, А.Н.Храмовым, Д.М.Печерским, (А.С.Большаковыш.Г.З.Гурарием. С.П.Бурлацкой, К. Creer, F. Heller, В.Н.Вадковским, Р.К.Рябушкиньїмі, В.А.Большако-вым, В.М.Трубихиным, М.Л.Баженовым, Т.Б.Нечаевой, ІГ.Ф.ЗагниемІ и многими другими. Всем им автор выражает свою самую глубокую признательность.

Основная финансовая поддержка работ осуществлялась Казанским государственным университетом (Госкомвуз РФ), отдельные разделы работы выполнены в рамках грантов РФФИ № 94-05-17093, № 94-05-17508, № 95-05-15416, ГНТП № 18 "Глобальные изменения", программы "Геокосмос", грантов ISF (D-968, № 4885), гранта Швейцарского научного фонда №7SUPJ048550. Автор выражает благодарность всем этим организациям.