Палео- и петромагнетизм недубровских отложений
Удельная магнитная восприимчивость, измеренная для каждого образца, колеблется в интервале 0,15 * 10-6-4,85 * 10-6 м3/кг (см. рис. 2), в среднем составляя 1,17 * 10-6 м3/кг. Эта характеристика позволяет выделить как минимум два контрастных интервала разреза:
— породам из нижней части (85-560 см) свойственны относительно низкие значения магнитной восприимчивости (среднее значение 0,71 * 10-6 м3/кг);
— породам из верхней части разреза (590-870 см) -- повышенные (среднее значение 1,33 * 10-6 м3/кг).
Результаты измерений магнитной восприимчивости для коллекций 2008 и 2015 гг. убедительно коррелируют друг с другом, поэтому для упрощения читаемости иллюстраций на рис. приведены значения восприимчивости только для образцов, отобранных в 2008 г.
Выполненные петромагнитные исследования -- температурная зависимость магнитной восприимчивости (рис. 1, а), термомагнитный анализ (рис. 1, б и в), анализ петель магнитного гистерезиса (рис. 1, г) -- свидетельствуют, что магнитные минералы в породах недубровской пачки -- магнетит и гематит. Магнетит уверенно диагностируется по резкому спаду намагниченности и магнитной восприимчивости в интервале температур, близких к его точке Кюри -- 578°С (рис. 1, а-в), а также по виду и параметрам петли гистерезиса (рис. 1, г). Наличие гематита в породах определяется по характерному «гематитовому хвосту» на термокривых в интервале температур 580-680 °С (рис. 1, а-в). Отметим, что некоторая часть гематита могла возникнуть в ходе экспериментов как результат окисления магнетита, поскольку образцы нагревались в воздушной среде.
Рис. 1. Результаты петромагнитных исследований образцов разреза Недуброво
а--в -- кривые температурной зависимости (красные -- нагрев, синие -- охлаждение): а -- магнитная восприимчивость (K); б -- намагниченность насыщения (Ms); в -- остаточная намагниченность насыщения (Mrs); г -- петли магнитного гистерезиса, скорректированные на пара- и диамагнитную составляющие
До 95 % ЕОН разрушается в ходе ступенчатой магнитной чистки образцов при нагревании их до температур 590-610 °С. Этот факт свидетельствует о том, что основной носитель намагниченности -- магнетит, а сама намагниченность, наиболее вероятно, имеет ориентационную природу. Уровень обусловленного гематитом па- леомагнитного сигнала (в интервале температур 600-680 °С) в большинстве образцов сопоставим с чувствительностью магнитометра и интерпретации не подлежит. ЕОН изученных пород изменяется в интервале 2,51 * 10-3...4,14 * 10-1 А/м, в среднем составляя 8,92 * 10-2А/м.
Рис. 2. Результаты измерений АМВ
Слева -- стереограмма распределения полуосей овала АМВ: К1, К2 и КЗ -- соответственно проекции длинной, промежуточной и короткой осей эллипсоида АМВ на нижнюю полусферу; справа -- диаграмма Желинека (Jelinek, 1981), иллюстрирующая зависимость параметра формы эллипсоида АМВ (T) -- уплощенная/удлиненная -- от степени анизотропии (Pj).
Измеренные значения АМВ образцов свидетельствуют о нормальной для континентальных отложений магнитной текстуре изученных пород, которая характеризуется расположением длинных осей эллипсоида АМВ в субгоризонтальной плоскости и субвертикальной ориентировкой коротких осей (рис. 2). Отметим, что описанную магнитную текстуру пород недубровской пачки можно рассматривать как свидетельство отсутствия дислокации последних со времени их формирования.
Число шагов температурной магнитной чистки достигало 25, чистка велась до полного размагничивания образца (680 °С; рис. 3, а). Для пилотной коллекции образцов-дублей выполнена детальная (до 20 шагов) чистка переменным магнитным полем с амплитудой до 130 мТл (рис. 3, в). Компонентный анализ результатов магнитных чисток вектора ЕОН в образцах (ЮгзсЬутк, 1980) выявил наличие низкотемпературной «современной» компоненты (20-200 °С; N = 47, Б = 350,6°, I = 79,1°, К = 120,0, а95 = 1,9°; рис. 6) и наиболее стабильной (350-610 °С) характеристической монополярной компоненты ЕОН в большинстве изученных образцов, среднее направление которой (N=142, D=246,3°, I=-6,6°, K=10,0, б95=3,9°) значительно отличается от ожидаемых пермских и триасовых палеомагнитных направлений для данной территории (рис. 4) (Фетисова и др., 2018).
Рис. 3. Результаты температурной магнитной чистки (а, б) и чистки переменным магнитным полем (в) типичных образцов
стереограммы (в географической системе координат), диаграммы Зийдервельда и кривые размагничивания ЕОН. Залитые и пустые кружки на стереограммах -- проекция вектора соответственно на нижнюю и верхнюю полусферы; залитые и пустые кружки на диаграммах Зийдервельда -- проекции вектора на горизонтальную и вертикальную плоскости. Голубой пунктир -- низкотемпературная (низкокоэрцитивная) компонента ЕОН, красный пунктир -- высокотемпературная характеристическая компонента (ChRM)
Рис. 4. Направления характеристической компоненты намагниченности на уровне образцов
Средние направления низкотемпературной и характеристической компонент ЕОН с кругами 95 %-го доверия. Области ожидаемых палеомагнитных направлений показаны согласно работе (Фетисова и др., 2018)
Обсуждение полученных результатов
В силу геологической ситуации и особенностей палеомагнитной записи невозможно по результатам полевых тестов доказать первичность характеристической компоненты намагниченности. Но к настоящему моменту достаточно очевидно, что ее аномальное направление невозможно объяснить неучетом локальной тектоники, более поздним (постпермским) перемагничиванием, а также контаминацией другими менее стабильными компонентами намагниченности. В пользу первого довода говорят общий вид обнажения, которое не оставляет сомнений в отсутствии хоть сколько-нибудь существенной его дислокации путем поворота в вертикальной плоскости, а также характер распределения осей эллипсоидов АМВ. Более позднее перемагничивание мы не рассматриваем, поскольку для послеперм- ского времени неизвестны палеомагнитные направления, близкие к направлению характеристической компоненты разреза Недуброво для Восточно-Европейской платформы (Torsvik et al., 2012). Так как характеристическая компонента является конечной, а менее стабильная компонента для значительного числа образцов однозначно выделяется в низкотемпературном интервале, то можно отклонить вариант о неполном разделении компонент ЕОН. О последнем также свидетельствует тот факт, что большой круг, соединяющий средние направления характеристической и низкотемпературной компонент намагниченности (см. рис. 6), существенно отдален от областей ожидаемых позднепермских-раннетриасовых палеомагнитных направлений для Русской плиты.
Одной из потенциально возможных причин «искажения» палеомагнитной записи пород разреза Недуброво может быть занижение наклонения из-за уплотнения осадка. Такой случай возможен при практически полном занижении наклонения с коэффициентом f = 0,1, но он до сих пор неизвестен в практике палеомаг- нитных исследований, тем более для магнетитсодержащих пород (Kodama, 2012). Кроме того, при занижении наклонения соответствующий палеомагнитный полюс смещается вдоль палеомеридиана -- дуги большого круга, которая соединяет точку отбора образцов и непосредственно палеомагнитный полюс. Однако для недубровской пачки палеомагнитный полюс, соответствующий среднему направлению характеристической компоненты намагниченности, имеет координаты PLat = 14,4°, PLong = 154,7° (dp/dm = 2,0°/3,9°) и смещен скорее в направлении, перпендикулярном палеомеридиану.
Тем не менее мы формально проверили предположение о том, что возможной причиной аномального палеомагнитного направления недубровских отложений может быть занижение наклонения. По методу E--I (Elongation--Inclination) (Tauxe and Kent, 2004) был определен коэффициент занижения f = 0,8; но и в этом случае скорректированное палеомагнитное наклонение недубровской пачки Icorr = -8,2° по-прежнему значительно отличается от ожидаемого наклонения Iexpect --40° (Фетисова и др., 2018). Таким образом, эффект занижения наклонения если и повлиял на палеомагнитную запись изученных пород, то весьма незначительно, и его и не следует рассматривать как причину их аномальной намагниченности.
Отметим, что в изученных нами ранее разрезах пограничных пермо-триасо- вых отложений Русской плиты, мощность и литология которых схожи с разрезом Недуброво, характеристическая компонента чаще всего имеет биполярное распределение (Фетисова и др., 2018). Тот факт, что недубровские отложения несут монополярную характеристическую компоненту, можно рассматривать как дополнительное указание на следующие обстоятельства: 1) относительно быстрое накопление пород и/или 2) продолжительное аномальное состояние геомагнитного поля в недубровское время. Действительно, даже если предположить экстремально высокую скорость накопления пород в красноцветных континентальных разрезах, равную 1 м за 1 тыс. лет (Kodama, 2012), то продолжительность накопления недубровской пачки составит около 12 тыс. лет. В то же время в литературе встречаются и гораздо менее значительные оценки скорости седиментации платформенных красноцветов, например 5 мм за 1 тыс. лет (Кукал, 1987); при такой скорости период осадконакопления в недубровском длился бы около 2,4 млн лет. Подсчет слой- ков в образцах ленточных глин разреза Недуброво показал, что на 2 см мощности приходится 20-30 годовых циклов; в этом случае продолжительность накопления 12-метрового слоя ленточных глин можно оценить в 18 тыс. лет. Однако на долю последних в разрезе Недуброво приходится не более 50 % мощности, а остальные 50 % разреза, представленные песчаными фракциями, могли накапливаться значительно быстрее. Учитывая приведенные оценки, мы полагаем в первом приближении, что породы в изученном разрезе недубровской пачки накапливались не менее нескольких тысяч лет, возможно, первых десятков тысяч лет.
Принимая во внимание перечисленные выше доводы, на данном этапе исследований мы предполагаем, что характеристическая компонента намагниченности красноцветов недубровской пачки соответствует времени накопления этих пород, а ее направление отражает аномальную конфигурацию магнитного поля Земли вблизи границы палеозоя и мезозоя. Низкое значение палеомагнитного наклонения (I = -6,6°) свидетельствует о том, что породы недубровского разреза накапливались вблизи магнитного экватора (палеоширота разреза составляет фт = 3,3°), что с учетом ожидаемой палеошироты данного места в позднепермское время (~30-35°) соответствует наклону оси магнитного диполя относительно оси вращения Земли примерно на 25-30°. Значительная мощность изученных отложений и их литологическая изменчивость позволяют судить о том, что геомагнитное поле имело аномальную конфигурацию довольно долго -- не менее нескольких тысяч -- первых десятков тысяч лет, что больше имеющихся характерных оценок продолжительности геомагнитных экскурсов, а также пред- и постинверсионных состояний.
Заметим, что палеомагнитные направления с аномально низким наклонением, подобно характеристической компоненте разреза Недуброво, определяются для нижней части лавового разреза пермо-триасовых траппов Западной Сибири (Ми- хальцов, 2013; ОигеуДсЬ е1 а1., 2004), а также для верхнепермского разреза «Монастырский овраг» в Казанском Поволжье (Вестфаль и др., 2005). К сожалению, корреляция перечисленных разрезов и между собой, и с отложениями недубровской пачки на настоящий момент не представляется возможной.
Заключение
Таким образом, результаты проведенных исследований позволяют предположить наличие записи относительно длительного, порядка первых тысяч лет, интервала стабильной аномальной конфигурации геомагнитного поля, а наличие схожих аномальных палеомагнитных направлений в верхнепермских разрезах Восточной Европы и Западной Сибири косвенно свидетельствует о позднепермском возрасте недубровских красноцветов. Особо отметим, что обнаружение и доказательство существования записи аномального направления магнитного поля Земли может иметь важное значение как для решения проблемы поиска региональных и глобальных магнитостратиграфических реперов, так и для установления режима работы геодинамо и конфигурации магнитного поля вблизи границы палеозоя и мезозоя.
Дальнейшие комплексные исследования соотношений недубровской пачки с подстилающими и перекрывающими отложениями, а также и--РЬ-датирование обломочных цирконов будут способствовать решению вопроса касательно ее возраста и природы аномальной намагниченности.
Исследования выполнены при частичной поддержке РФФИ (гранты № 15-0506843, 18-05-00593, 17-05-01121) и мегагранта Правительства РФ 14.Z50.31.0017. Лабораторные исследования выполнялись на оборудовании, приобретенном в рамках Программы развития МГУ Авторы крайне признательны А. Ю. Гужикову и анонимному рецензенту за ценные замечания и критический анализ работы.
Литература
1. Арефьев, М. П., Голубев, В. К., Кулешов, В. Н., Кухтинов, Д. А., Миних, А. В., Покровский, Б. Г., Силантьев, В. В., Уразаева, М. Н., Шкурский, Б. Б., Ярошенко, О. П., Григорьева, А. В., Наумчева, М. А., 2016. Комплексная палеонтологическая, седиментологическая и геохимическая характеристика терминальных отложений пермской системы северо-восточного борта Московской синеклизы. Бюллетень Моск. общества испытателей природы. Отделение геологии, 91(1), 24-49. Буров, Б. В., Боронин, В. П., 1977. Палеомагнитная зона Иллавара в отложениях верхней перми и нижнего триаса Среднего Поволжья, в: Материалы по стратиграфии верхней перми на территории СССР. Изд-во Казанского ун-та, Казань, 25-52.