Инверсии магнитного поля Земли могут быть связаны с субдукцией литосферных плит

Рис. 1. Взаимодействие между погружающимися литосферными плитами (slab), процессами, происходящими на границе ядра и мантии, возникновением потоков во внешнем ядре (outer core) и магнитным полем Земли. Согласно новой теории, остатки литосферных плит, достигнув границы внешнего ядра Земли, охлаждают некоторую область вокруг себя, что приводит к изменениям в конвективных потоках вещества. Рисунок с сайта news.liverpool.ac.uk

За время существования Земли северный и южный магнитные полюса неоднократно менялись местами. Выяснение причин этого явления — одна из важнейших задач ученых-геофизиков, занимающихся проблемами палеомагнетизма. В новом исследовании обосновывается связь между движением литосферных плит, тепловыми потоками в мантии на границе с ядром и частотой смены земных полюсов.

Магнитное поле Земли все время меняется. В частности, магнитные полюса постоянно движутся, причем это происходит на разных масштабах времен и расстояний: есть суточные почти циклические блуждания и случайный дрейф, который хорошо заметен на промежутках в месяцы и годы (эти смещения измеряются десятками километров, подробнее об этом см. задачу Блуждающий магнитный полюс). А периодически магнитное поле Земли и вовсе меняет свою полярность: северный и южный магнитные полюса меняются местами. Информация об изменениях полярности — инверсиях магнитного поля — зафиксирована в горных породах и рудах, содержащих ферромагнитные минералы (магнетит, гематит, титаномагнетит), сохраняющие остаточную намагниченность, которая «сохраняет» информацию о состоянии магнитного поля Земли на момент формирования этих пород. Изучение остаточной намагниченности в разновозрастных породах является основанием для составления временной шкалы инверсий магнитного поля.

Практически единственной гипотезой, объясняющей природу магнитного поля Земли, до сих пор является так называемая теория геодинамо, согласно которой магнитные поля порождаются неравномерностью вращения внутренней и внешней частей металлического ядра Земли. Подробно о механизме этой модели рассказано в новости Предложено простое объяснение инверсии магнитных полюсов Земли («Элементы», 14.05.2009). Хотя теория геодинамо практически безальтернативна, она вызывает массу нареканий. В частности, исходя из классической магнитогидродинамики, динамо-эффект со временем должен затухать, а ядро планеты — остывать. В любом случае, точного понимания механизмов, благодаря которым Земля поддерживает эффект самогенерации магнитного динамо вместе с наблюдаемыми особенностями вроде инверсии магнитного поля до сих пор нет.

В ближайший к нам период геологической истории инверсии магнитного поля (переполюсовки), происходили в среднем четыре раза за миллион лет. Последний раз, судя по всему, это произошло около 780 тысяч лет назад. А сто миллионов лет назад был период, когда поле оставалось в одной полярности почти 40 миллионов лет. За всю историю планеты произошло, по крайней мере, несколько сотен инверсий магнитного поля. До сих пор в периодичности смены полюсов ученые не могли обнаружить никакой закономерности, и это процесс считался стохастическим.

Группа ученых из университетов Ливерпуля, Ланкастера и Осло под руководством профессора Эндрю Биггина (Andrew J. Biggin) предложила свой взгляд на природу смены магнитных полюсов Земли (рис. 1). Цифровая модель, построенная авторами, показывает, что периодичность магнитных инверсий, колеблющаяся в пределах от 30 тысяч до нескольких десятков миллионов лет, зависит от изменений теплового потока на границе мантии и ядра, что, в свою очередь, напрямую зависит от скорости глобальной субдукции (потока субдукции, subduction area flux, SAF) — площадь погружающихся в мантию литосферных плит за единицу времени в масштабах планеты. Скорость глобальной субдукции была взята исследователями из глобальных тектонических моделей и скорректирована на основе анализа косвенных геологических данных, таких как возрастное распределение обломочного циркона и изотопные составы стронция в осадочных породах.

Периоды активного накопления обломочного циркона в осадочных комплексах древних континентальных окраин указывают на периоды активизации островодужного вулканизма, интенсивность проявления которого напрямую связана со скоростью субдукции (погружения океанической литосферной плиты под континентальную). Что касается изотопного состава стронция в морских осадочных породах, то пониженные отношения ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr указывают на более активное поступление мантийного материала при интенсивном разрастании новой океанической коры в срединно-океанических хребтах, что также косвенно указывает на периоды высокой скорости глобальной субдукции.

Оценка в рамках модели была проведена для периода от наших дней вплоть до раннего палеозоя, то есть на весь период фанерозоя.

Данное исследование является своего рода пионерским — никто ранее не пытался собрать из разных источников данные по глобальным скоростям субдукции и сопоставить их со шкалой палеомагнитного датирования, составленной на основе анализа остаточной намагниченности в разновозрастных вулканических и осадочных породах для всего фанерозоя. Сложность, не дававшая возможность провести такие исследования ранее, заключалась в том, что отсутствовали данные о скорости глобальной субдукции в палеозое, так как океаническая кора, относящаяся к этому периоду времени, на поверхности Земли практически не сохранилась. То есть нечего было сравнивать с палеомагнитными данными.

Только совсем недавно были разработаны так называемые полноплитные тектонические модели (full-plate tectonic models, см., например, статьи M. Domeier, T. H. Torvsik, 2018. Full-plate modelling in pre-Jurassic time; C. Verard et al., 2015. Geodynamic evolution of the Earth over the Phanerozoic: Plate tectonic activity and palaeoclimatic indicators — так называемая модель V15; K. J. Matthews et al., 2016. Global plate boundary evolution and kinematics since the late Paleozoic — модель M16). Эти модели, учитывающие границы всех литосферных плит — и континентальных и океанических, — а не только континентальных, как это было в предыдущих тектонических моделях, позволили произвести реконструкцию толщины и возраста океанической литосферы доюрского времени, а также скорости ее погружения в мантию.

В результате выяснилось, что между потоком субдукции и частотой инверсий магнитного поля существует положительная корреляция с временным лагом в 120–130 млн лет (рис. 2).

Рис. 2. Временной график изменения потока субдукции (SAF), рассчитанного на основе моделей М16 (a) и V15 (b). Синим показан поток субдукции (км² в год) с временным сдвигом на 120 млн лет (a) и 130 млн лет (b); красным — темп смены полюсов (количество инверсий магнитного поля Земли за 1 млн лет). Рисунок из обсуждаемой статьи в Tectonophysics

Существующие сейсмотомографические модели (геофизические модели, основанные на «просвечивании» Земли с помощью сейсмических волн), предполагают, что субдуцирующей (погружающейся) литосферной плите требуется 150–300 млн лет, чтобы достичь границы мантии и ядра. Авторы считают, что за 120–130 млн лет литосферная плита древней океанической коры уже погрузится до глубины, достаточной для того, чтобы нарушить температурное равновесие глубинных оболочек Земли. В качестве обратной реакции, компенсирующей охлаждающий эффект на границе мантии и ядра, возникнет резкое увеличение притока жидкого железа из центральной части ядра к его периферии, в зону внешнего ядра. Как уже говорилось, согласно существующим воззрениям, именно внешнее ядро — вернее динамо-механизм, связанный с конвекцией жидких металлов в этой зоне, — создает магнитное поле Земли. Поэтому смена направлений потоков жидкого железа внутри внешнего ядра может вызвать инверсию магнитного поля Земли.

Тепловая конвекция в жидком внешнем ядре — это отдельная от мантийной конвекции термодинамическая система. Внутри Земли как бы действуют два больших тепловых двигателя, разделенных границей ядро-мантия. Скорость конвекции и термодиффузии во внешнем ядре на несколько порядков выше, чем в нижней мантии, но именно мантийная конвекция доставляет к внешней границе внешнего ядра более холодный материал с поверхности, являясь ключевым фактором теплового воздействия на процесс геодинамо. Последние результаты цифрового моделирования геодинамо (P. Olson, H. Amit, 2014. Magnetic reversal frequency scaling in dynamos with thermochemical convection) показали, что магнитные инверсии происходят тем чаще, чем выше скорость и гетерогенность теплового потока в мантии на границе с ядром, приводящего к его охлаждению. А важнейшим драйвером конвекции в мантии являются холодные литосферные плиты, погружающиеся вдоль активных континентальных окраин. Эти плиты могут тормозиться в верхней или средней мантии, но, в конечном счете, опускаются через нижнюю мантию до ее границы с ядром, о чем свидетельствует продолжение сейсмических аномалий быстрых сейсмических волн вплоть до границы мантии и ядра.

Результаты исследования позволяют по-новому взглянуть на динамические связи между процессами, происходящими на поверхности Земли, на границе ядра и мантии и в верхнем ядре, связывают в рамках единой геодинамической модели субдукцию, мантийную конвекцию, тепловую эволюцию нижней мантии и процессы геодинамо в ядре, определяющие полярность магнитного поля Земли.

Источник: Mark W. Hounslow, Mathew Domeier, Andrew J. Biggin. Subduction flux modulates the geomagnetic polarity reversal rate // Tectonophysics. 2018. DOI: 10.1016/j.tecto.2018.05.018.

Владислав Стрекопытов