Скачок магнитного поля 1,1 миллиарда лет назад указал на солидный возраст внутреннего ядра Земли

Измерив остаточную намагниченность магматических пород возрастом около 1,1 миллиарда лет, геофизики обнаружили признаки значительного временного усиления геомагнитного поля в ту эпоху. Для такого всплеска требовался мощный источник энергии, что заставило ученых усомниться в модели постепенного остывания жидкого ядра с поздним (менее 700 миллионов лет назад) началом кристаллизации в его центре. Полученные данные сильно затрудняют определение возраста внутреннего твердого ядра Земли, а история земного магнетизма оказывается гораздо сложнее, чем представлялось. Об этом рассказывает статья в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Генерируется главное магнитное поле во внешнем жидком ядре за счет конвективных потоков, которые под действием кориолисовой силы образуют в северном и южном полушариях противоположно закрученные вихри. Их движение в слабом магнитном поле (оно может быть внешним, например, солнечным, или возникать в процессах на границе ядра и мантии) приводит в действие механизм гидромагнитного динамо. Однако для конвекции необходим перепад температур во внешнем ядре. Он возникает в основном, по-видимому, за счет двух процессов: высвобождения скрытой теплоты кристаллизации на границе внешнего и внутреннего твердого ядра и теплопереноса в мантию через верхнюю границу внешнего ядра.

Но так было не всегда: сложное ядро сформировалось у Земли не сразу. Между тем результаты недавних исследований показали, что на заре своего существования — в катархее, около 4,2 миллиарда лет назад — наша планета уже обладала магнитным полем. У ученых есть и соображения относительно механизмов его генерации в столь отдаленное время. Например, из-за того, что значительная часть нижней мантии еще представляла собой силикатный океан, геодинамо могло поддерживаться прямо в нем за счет кристаллизации. Дальнейшая же история изменений в режиме земного магнетизма тесно связана с эволюцией ядра, а точнее, с тем, как эта горячая, высокопроводящая часть Земли остывала на протяжении геологического времени. Продолжительность этой истории определяется возрастом внутреннего ядра.

Ученые оценивают его исходя из предполагаемых значений теплопроводности: чем она выше, тем быстрее ядро пришло к современному состоянию, а значит, тем оно моложе. Но, поскольку наши знания о химическом составе ядра и физических условиях в нем (прежде всего это касается температуры) недостаточны, оценки возраста внутреннего ядра сильно зависят от выбора модели и колеблются в широких пределах. Некоторые геофизики оперировали моделями с низкой теплопроводностью (от 18 до 44 ватт на метр на кельвин),что позволяло считать внутреннее ядро почти таким же древним, как и сама планета. Другие исследователи получили значение теплопроводности до 90 ватт на метр на кельвин, и оно означало, что твердое ядро появилось менее 700 миллионов лет назад, в позднем протерозое.

Еще один метод оценки возраста внутреннего ядра базируется на палеомагнитных измерениях. Естественная остаточная намагниченность пород, сохранившаяся с того момента, когда они кристаллизовались, позволяет рассчитать параметры геомагнитного поля в это время. О том, как изменялось его поведение в древние эпохи, ученые судят по величине виртуального дипольного момента (Virtual Dipole Moment, VDM), то есть такого, каким обладал бы геоцентрический диполь, порождающий магнитное поле с известной интенсивностью. VDM показывает, насколько мощно работало геодинамо в ту или иную эпоху. Считается, что до фазового расслоения ядра оно постепенно ослаблялось за счет остывания центральных областей Земли, а с «включением в игру» внутреннего ядра величина поля должна была заметно подскочить. Однако обнаружить такой скачок в палеомагнитных записях очень трудно, так как геодинамо в этот момент спустилось глубже — в ядро, — что повлекло за собой ослабление поля на поверхности. Задачу усложняют и искажения, которые могли внести в остаточную намагниченность пород различные геологические процессы.

Группа американских геофизиков во главе с Имин Чжаном (Yiming Zhang) из Калифорнийского университета в Беркли попыталась увеличить точность палеомагнитных измерений, взяв для исследования образцы анортозита — магматической горной породы из принадлежащего к рифтовой системе Мидконтинент комплекса Бивер-Бей на северо-западном берегу озера Верхнее. Анортозит присутствует здесь в виде ксенолитов — крупных включений в долеритовую вмещающую породу, с которой он образовался из одного магматического источника в нижней части земной коры 1091,7 ± 0,2 миллиона лет назад, в конце мезопротерозойской эры. Анортозиты были выбраны благодаря тому, что минеральные зерна в них хорошо защищают магнетитовые включения от изменений, а в комплексе Бивер-Бей эти включения еще и относительно мелкие, что повышает точность палеомагнитных измерений. Для сравнения результатов авторы работы включили в исследование и вмещающую породу — долерит.

Всего было изучено 86 образцов из 14 анортозитовых ксенолитов и 69 образцов долерита из трех районов Бивер-Бей. Однако оказалось, что лишь 40 анортозитовых образцов удовлетворяют критериям отбора. Во-первых, они обладали большей коэрцитивной силой, то есть были устойчивее к размагничиванию. Во-вторых, точка фазового перехода Вервея, при котором перестраивается решетка магнетита и он становится диэлектриком, для них находилась около 120 кельвин. Это означает, что магнетит в них стехиометрический, то есть железо и кислород в нем содержатся в определенном соотношении (FeO·Fe₂O₃), а примесь титана минимальна. В остальных образцах переход Вервея сдвинут в сторону более низких температур из-за повышенного содержания титана или частичного окисления.

Результирующие значения интенсивности геомагнитного поля около 1091,7 миллиона лет назад распределились в пределах от 22,80 ± 11,41 до 57,62 ± 3,20 микротесла. При этом образцы с наивысшими и наинизшими значениями происходят из разных районов отбора, лежащих в 30 километрах друг от друга. В это время область, где формировался комплекс Бивер-Бей, располагалась примерно на 22 градусе северной широты. Оказалось, что средние значения — как общее, так и для каждого из трех районов — превышают интенсивность поля на этой широте за последние два миллиона лет (в среднем около 25 микротесла). Средняя величина VDM — 8,3 × 10²² ампер-квадратных метров — превышает современное значение магнитного дипольного момента Земли 7,2 × 10²² ампер-квадратных метров. Максимальный виртуальный дипольный момент, достигающий 12,9 × 10²² ампер-квадратных метров, сопоставим с наибольшими значениями, рассчитанными для времени с конца палеозоя до современности, когда Земля уже безусловно обладала сложным ядром и мощным геодинамо.

Чжан и его коллеги отмечают, что полученные результаты подтверждают аналогичный скачок 1,106 миллиарда лет назад, обнаруженный ранее в Канаде, в вулканических породах на северном побережье озера Верхнее, тоже относящихся к рифтовой системе Мидконтинент. Это говорит о том, что всплеск интенсивности магнитного поля длился по крайней мере 14 миллионов лет. И он не согласуется с моделью монотонного ослабления магнитного поля на протяжении протерозоя и позднего формирования внутреннего ядра. С другой стороны, неоднократные падения VDM (иногда на порядок по отношению к современному дипольному моменту), означающие ослабление геодинамо, отмечены как в протерозое, так и в палеозое. Следовательно, нельзя говорить и о единичном дипольном минимуме, предшествовавшем зарождению внутреннего ядра.

Исследователи предположили, что за столь значительные ослабления поля могут быть ответственны учащения инверсий, которые происходят при увеличении теплового потока через границу ядро—мантия. Так, после активизации субдукционных процессов тонущие слэбы — фрагменты литосферных плит — утончают тепловой пограничный слой. Из-за этого тепловой поток не только растет, но и становится неоднородным, что, по данным моделирования, увеличивает частоту инверсий. К аналогичному результату приводит и рост суперплюма, «снимающего» тепло с поверхности ядра. А вот коллапс суперплюма снижает тепловой поток, увеличивая толщину пограничного слоя. В целом, влияние динамики мантийного вещества на поведение геодинамо затрудняет поиск момента, когда начало кристаллизации внутреннего ядра привело к усилению магнитного поля. Однако ясно, что 1,1 миллиарда лет назад мощное геодинамо, а значит, и сложное ядро у Земли уже существовало.

Ранее N + 1 сообщал о том. как ученые определили скорость роста внутреннего ядра и предположили, что железо в нем образует суперионные сплавы с легкими элементами, замедляющие сейсмические волны. А еще мы рассказывали о том, как планетологи определили время, когда на Марсе действовало гидромагнитное динамо, и выяснили, что Красная планета обладает более крупным и менее плотным ядром, чем считалось ранее.