История Земли в 25 камнях: Геологические тайны и люди, их разгадавшие - Дональд Протеро
Впервые породы с обратной полярностью обнаружил французский физик Бернар Брюнес в 1905 г. при изучении тех же самых вулканов в Оверни (Франция), которые оказались критически важными для подтверждения плутонизма в 1770-х гг. (см. главу 5). Но это было всего лишь единичное наблюдение, поэтому никто не знал, что с ним делать. Лишь в 1929 г. японский геофизик Мотонори Матуяма пошел дальше: он собрал более 100 образцов базальтов из Японии и Маньчжурии и показал, что они дают только два направления поля: на современный магнитный север или на 180° от него (обратная полярность). Он также расположил камни по временно́й последовательности и смог определить, что почти все породы с обратной полярностью примерно одного возраста, но при этом были и другие времена, когда у всех пород полярность была прямой. К 1933 г. швейцарский геофизик и исследователь Арктики Пол-Луи Меркантон описал вулканические породы, а также спеченные интрузиями этих пород глины, обладавшие обратной полярностью. Он утверждал, что такие породы показывают как прямую, так и обратную магнитную полярность и могут оказаться полезными для проверки вегенеровской гипотезы дрейфа континентов.
Однако в течение следующих 25 лет породы с обратной намагниченностью игнорировались, а геофизики сосредоточились на других темах, включая идею блуждания полюсов. Одной из причин стало необычное поведение специфической породы – дацита горы Харуна в Японии. Когда в 1951 г. провели анализ этой породы, оказалось, что она обладает странным свойством «самореверсивности»: сначала этот дацит показывает одно направление поля, затем при нагревании меняет его на противоположное и так при каждом следующем тестировании. Этот странный материал заставил многих ученых опасаться утверждений, что какие-то породы демонстрируют обратное направление магнитного поля, потому что было непонятно, первичны ли направления поля, зафиксировавшиеся при формировании самих пород; все породы могли вести себя как харунский дацит. Такой сбой на долгие годы отвратил представителей палеомагнетизма от проблемы инверсии магнитного поля.
Затем в конце 1950-х – начале 1960-х гг. этой загадкой решили вплотную заняться трое ученых: два палеомага из Стэнфорда, Аллан Кокс и Ричард Доэлл, и молодой геохимик из Беркли Гэри Брент Далримпл (рис. 21.3), который был пионером в совершенствовании калий-аргонового метода датирования. Вскоре после получения докторской степени в Калифорнийском университете в Беркли Далримпл начал работать в Геологической службе США в Менло-Парке, недалеко от Стэнфорда. (Далримпл был выпускником маленького Оксидентал-колледжа, где я преподавал в течение 27 лет, поэтому я его знаю лично.) Итак, Кокс, Доэлл и Далримпл стремились проверить два альтернативных объяснения для поведения пород с обратной намагниченностью. Предположим, что обратное направление поля в древних породах – свойство отдельных образцов, которые самопроизвольно меняли полярность. Тогда при анализе группы образцов одинакового возраста со всего мира они покажут смешанную полярность. Однако, если верна безумная идея, что свое направление изменило все магнитное поле Земли, то породы одинакового возраста во всем мире должны показывать одинаковую полярность – прямую или обратную.
Рис. 21.3 Аллан Кокс (сидит), Ричард Доэлл (в центре) и Гэри Брент Далримпл в магнитной лаборатории Геологической службы США в 1965 г. В то время они активно разрабатывали шкалу магнитной полярности. Фото Геологической службы США
Кокс, Доэлл и Далримпл начали ездить по всему миру и отбирать пробы на обнажениях разных горных пород, стремясь получить как можно больше образцов. В основном это были довольно молодые лавовые потоки, которые не только поддаются датировке калий-аргоновым методом, но и склонны к сильной и стабильной намагниченности. В течение следующего десятилетия ученые проанализировали сотни разновременных подразделений горных пород и тысячи образцов: Далримпл определял их возраст, а Кокс и Доэлл проводили палеомагнитный анализ. К началу 1960-х гг. они заметили определенную закономерность (рис. 21.4А). Все самые молодые горные породы на Земле (моложе 780 000 лет) отличались прямой полярностью. Но по мере того как анализу подвергались породы все более и более древние, стало наблюдаться чередование прямой и обратной полярности. Так, меняли полярность большинство горных пород возрастом от 780 000 лет до 2,5 млн лет: короткие периоды прямой полярности перемежались с длительными периодами обратной. Породы возрастом от 2,5 до 3,4 млн лет в основном были намагничены прямо, тогда как породы от 3,4 до примерно 5 млн лет демонстрировали и прямую полярность, и обратную. Стало ясно, что магнитное поле Земли меняло свою полярность и что это утверждение верно по отношению ко всем пригодным для анализа породам, где бы они ни находились. Кроме того, речь уже не шла о возможном сбое, связанном со странными породами вроде харунского дацита.
Исследования троих ученых продолжались в течение 1960-х гг., и постепенно они выявляли все больше и больше долгих или коротких периодов разной полярности за последние 10 млн лет. Их работу подстегивало дружеское соревнование с группой из Австралийского национального университета в Канберре, включавшей Иана Макдугалла (геохронолог), Дона Тарлинга и Франсуа Шамалауна (специалисты по палеомагнетизму), которые занимались той же задачей: они тоже старались взять пробы и провести анализ как можно большего количества образцов разных пород. К концу 1960-х гг. две лаборатории установили временну́ю шкалу магнитной полярности (рис. 21.4B). Теперь, если вы можете определить характер магнитного сигнала в какой-либо породе, его можно сопоставить с историей инверсий магнитного поля в геологическом прошлом и с высокой точностью определить возраст исследуемого материала.
Такой гигантский прорыв в геологии принес Коксу, Доэллу и Ранкорну премию Ветлесена – высшую награду в области геологии и геофизики. Благодаря их исследованиям возникла новая научная дисциплина – применение инверсий магнитного поля, зафиксированных в отложениях на суше и в глубоководных кернах, и появился новый метод высокоточной глобальной датировки. (Именно этот метод магнитной стратиграфии я использовал в большей части своих исследований, поддерживаемых грантами.) Однако Кокс, Доэлл и Далримпл и не подозревали, что их результаты откроют также секрет спрединга морского дна и тектоники плит.
Рис. 21.4 История магнитной полярности Земли. (A) Первоначальная магнитная шкала времени, показывающая датированные потоки лавы, которые в одинаковом возрасте имеют одну и ту же полярность (прямую или обратную). (B) Последние 4,5 млн лет истории магнитной полярности, расшифрованные в 1960-х гг. Алланом Коксом, Ричардом Доэллом и Гэри Брентом Далримплом из Геологической службы США, а также Ианом
