Інверсії магнітного поля Землі можуть бути пов’язані з субдукцією літосферних плит

Ріс. 1. Взаємодія між літосферними плитами (slab), процесами, що відбуваються на межі ядра і мантії, виникненням потоків у зовнішньому ядрі (outer core) і магнітним полем Землі. Згідно з новою теорією, залишки літосферних плит, досягнувши межі зовнішнього ядра Землі, охолоджують деяку область навколо себе, що призводить до змін у конвективних потоках речовини. Малюнок з сайту news.liverpool.ac.uk

За час існування Землі північний і південний магнітні полюси неодноразово мінялися місцями. З’ясування причин цього явища — одне з найважливіших завдань вчених-геофізиків, що займаються проблемами палеомагнетизму. У новому дослідженні обґрунтовується зв’язок між рухом літосферних плит, тепловими потоками в мантії на кордоні з ядром і частотою зміни земних полюсів.

Магнітне поле Землі весь час змінюється. Зокрема, магнітні полюси постійно рухаються, причому це відбувається на різних масштабах часів і відстаней: є добові майже циклічні блукання і випадковий дрейф, який добре помітний на проміжках у місяці і роки (ці зміщення вимірюються десятками кілометрів, детальніше про це див. завдання Блукаючий магнітний полюс). А періодично магнітне поле Землі і зовсім змінює свою полярність: північний і південний магнітні полюси міняються місцями. Інформація про зміни полярності — інверсії магнітного поля — зафіксована в гірських породах і рудах, що містять ферромагнітні мінерали (магнетит, гематит, титаномагнетит), що зберігають залишкову намагніченість, яка «зберігає» інформацію про стан магнітного поля Землі на момент формування цих порід. Вивчення залишкової намагніченості в різновікових породах є підставою для складання часової шкали інверсій магнітного поля.

Передбачається, що в момент зміни полярності напруженість магнітного поля різко падає, зникає магнітний захист нашої планети від потоку іонізованих частинок, що йдуть від Сонця — сонячного вітру. Після зміни полярності колишня напруженість магнітного поля відновлюється за геологічними мірками дуже швидко — за перші десятки тисяч років. Але цього часу цілком достатньо, щоб на Землі загинуло все живе. Інверсії магнітного поля розглядаються в якості однієї з ймовірних причин епізодів масових вимирань. Інверсій в історії Землі, звичайно, було набагато більше, ніж епізодів масового вимирання, але така гіпотеза теж має право на життя. Зокрема, зникнення динозаврів наприкінці крейдяного періоду збігається з інверсією магнітного поля.

Практично єдиною гіпотезою, що пояснює природу магнітного поля Землі, досі є так звана теорія геодинамо, згідно з якою магнітні поля породжуються нерівномірністю обертання внутрішньої і зовнішньої частин металевого ядра Землі. Детально про механізм цієї моделі розказано в новині Запропоновано просте пояснення інверсії магнітних полюсів Землі («Елементи», 14.05.2009). Хоча теорія геодинамо практично безальтернативна, вона викликає масу нарікань. Зокрема, виходячи з класичної магнітогідродинаміки, динамо-ефект з часом повинен загасати, а ядро планети — остигати. У будь-якому випадку, точного розуміння механізмів, завдяки яким Земля підтримує ефект самогенерації магнітного динамо разом зі спостережуваними особливостями на кшталт інверсії магнітного поля досі немає.

У найближчий до нас період геологічної історії інверсії магнітного поля (переполюсування), відбувалися в середньому чотири рази за мільйон років. Востаннє, судячи з усього, це сталося близько 780 тисяч років тому. А сто мільйонів років тому був період, коли поле залишалося в одній полярності майже 40 мільйонів років. За всю історію планети сталося, принаймні, кілька сотень інверсій магнітного поля. Досі в періодичності зміни полюсів вчені не могли виявити ніякої закономірності, і цей процес вважався стохастичним.

Група вчених з університетів Ліверпуля, Ланкастера і Осло під керівництвом професора Ендрю Біггіна (Andrew J. Biggin) запропонувала свій погляд на природу зміни магнітних полюсів Землі (рис. 1). Цифрова модель, побудована авторами, показує, що періодичність магнітних інверсій, що коливається в межах від 30 тисяч до декількох десятків мільйонів років, залежить від змін теплового потоку на кордоні мантії і ядра, що, в свою чергу, безпосередньо залежить від швидкості глобальної субдукції (потоку субдукції, subduction area flux, SAF) — площа літосферних часу, що занурюються в манарію, за одиницю пл. Швидкість глобальної субдукції була взята дослідниками з глобальних тектонічних моделей і скоригована на основі аналізу непрямих геологічних даних, таких як віковий розподіл уламкового циркону і ізотопні склади стронцію в осадових породах.

Періоди активного накопичення уламкового циркону в осадових комплексах давніх континентальних околиць вказують на періоди активізації остродужного вулканізму, інтенсивність прояву якого безпосередньо пов’язана зі швидкістю субдукції (занурення океанічної літосферної плити під континентальну). Що стосується ізотопного складу стронцію в морських осадових породах, то знижені відносини ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr вказують на більш активне надходження мантійного матеріалу при інтенсивному розростанні нової океанічної кори в срединно-океанічних хребтах, що також побічно вказує на періоди високої швидкості глобальної субдукції.

Оцінка в рамках моделі була проведена для періоду від наших днів аж до раннього палеозою, тобто на весь період фанерозою.

Дане дослідження є свого роду піонерським — ніхто раніше не намагався зібрати з різних джерел дані по глобальних швидкостях субдукції і зіставити їх зі шкалою палеомагнітного датування, складеної на основі аналізу залишкової намагніченості в різновікових вулканічних і осадових породах для всього фанерозою. Складність, що не давала можливість провести такі дослідження раніше, полягала в тому, що були відсутні дані про швидкість глобальної субдукції в палеозої, оскільки океанічна кора, що відноситься до цього періоду часу, на поверхні Землі практично не збереглася. Тобто нічого було порівнювати з палеомагнітними даними.

Тільки зовсім недавно були розроблені так звані повноплитні тектонічні моделі (full-plate tectonic models, див., наприклад, статті 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 звана модель V15; K. J. Matthews et al., 2016. Global plate boundary evolution and kinematics since the late Paleozoic — модель M16). Ці моделі, що враховують межі всіх літосферних плит — і континентальних і океанічних, — а не тільки континентальних, як це було в попередніх тектонічних моделях, дозволили провести реконструкцію товщини і віку океанічної літосфери доюрського часу, а також швидкості її занурення в мантію.

В результаті з’ясувалося, що між потоком субдукції і частотою інверсій магнітного поля існує позитивна кореляція з тимчасовим лагом в 120-130 млн років (рис. 2).

Ріс. 2. Тимчасовий графік зміни потоку субдукції (SAF), розрахованого на основі моделей M16 (a) і V15 (b). Синім показано потік субдукції (км² на рік) з тимчасовим зрушенням на 120 млн років (a) і 130 млн років (b); червоним — темп зміни полюсів (кількість інверсій магнітного поля Землі за 1 млн років). Малюнок з обговорюваної статті в Tectonophysics

Існуючі сейсмотомографічні моделі (геофізичні моделі, засновані на «просвічуванні» Землі за допомогою сейсмічних хвиль), припускають, що субдуційній (літосферній плиті, що занурюється), потрібно 150-300 млн років, щоб досягти межі мантії і ядра. Автори вважають, що за 120-130 млн років літосферна плита стародавньої океанічної кори вже зануриться до глибини, достатньої для того, щоб порушити температурну рівновагу глибинних оболонок Землі. Як зворотну реакцію, що компенсує охолоджуючий ефект на кордоні мантії і ядра, виникне різке збільшення припливу рідкого заліза з центральної частини ядра до його периферії, в зону зовнішнього ядра. Як вже говорилося, згідно з існуючими поглядами, саме зовнішнє ядро — вірніше динамо-механізм, пов’язаний з конвекцією рідких металів в цій зоні, — створює магнітне поле Землі. Тому зміна напрямків потоків рідкого заліза всередині зовнішнього ядра може викликати інверсію магнітного поля Землі.

Теплова конвекція в рідкому зовнішньому ядрі — це окрема від мантійної конвекції термодинамічна система. Всередині Землі ніби діють два великих теплових двигуни, розділених кордоном ядро-мантія. Швидкість конвекції і термодіффузії в зовнішньому ядрі на кілька порядків вища, ніж у нижній мантії, але саме мантійна конвекція доставляє до зовнішньої межі зовнішнього ядра більш холодний матеріал з поверхні, будучи ключовим фактором теплового впливу на процес геодинамо. Останні результати цифрового моделювання геодинамо (P. Olson, H. Amit, 2014. Magnetic reversal frequency scaling in dynamos with thermochemical convection) показали, що магнітні інверсії відбуваються тим частіше, чим вища швидкість і гетерогенність теплового потоку в мантії на кордоні з ядром, що призводить до його охолодження. А найважливішим драйвером конвекції в мантії є холодні літосферні плити, що занурюються вздовж активних континентальних околиць. Ці плити можуть гальмуватися у верхній або середній мантії, але, в кінцевому рахунку, опускаються через нижню мантію до її кордону з ядром, про що свідчить продовження сейсмічних аномалій швидких сейсмічних хвиль аж до межі мантії і ядра.

Результати дослідження дозволяють по-новому поглянути на динамічні зв’язки між процесами, що відбуваються на поверхні Землі, на кордоні ядра і мантії і у верхньому ядрі, пов’язують в рамках єдиної геодинамічної моделі субдукцію, мантійну конвекцію, теплову еволюцію нижньої мантії і процеси геодинамо в ядрі, що визначають полярність магнітного поля Землі.

Джерело: 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 Стрекопитов