現(xiàn)代科技綜述知識文庫：古地磁學(xué)

1、現(xiàn)代科技綜述系列古地磁學(xué)科技是人類區(qū)別于動物的重要文明之一，是人類對自然規(guī)律研究和利用的學(xué)科。本文提供對科技基本概念“古地磁學(xué)”的解讀，以供大家了解。古地磁學(xué)是介于物理學(xué)、地球物理學(xué)與地質(zhì)學(xué)之間的一門新興的邊緣學(xué)科。它是借助于測定巖石和古代文物的剩余磁性研究，來追溯地質(zhì)時期和人類歷史時期地球磁場特征及其演化的科學(xué)。盡管人們對地磁場的認識可以追溯到幾千年以前，但對地磁場系統(tǒng)的測量卻歷史不長，因此利用直接觀測的資料不可能了解更遠時期的地磁場，這就必須依靠古地磁的研究來解決。古地磁學(xué)研究內(nèi)容十分廣泛，主要包括3個方面：(1)研究巖石的磁性；(2)通過巖石的剩余磁性來解決地質(zhì)學(xué)上的重大問題；(3)研究

2、過去地磁場的緩慢變化。古地磁學(xué)近代所取得的成果，不僅在基本磁場研究中使人們認識到地球磁場的倒轉(zhuǎn)和演化，在考古地磁學(xué)、磁性地層學(xué)、古緯度研究以及找礦、地質(zhì)填圖等生產(chǎn)實踐活動方面均發(fā)揮了重要作用。而且在探討地殼運動規(guī)律、研究海底擴張、大陸漂移和板塊運動理論等方面更具有重大的意義，推動了地球科學(xué)的革命。中國對磁學(xué)知識的了解和應(yīng)用歷史最早。公元前239年呂氏春秋精通中記有“磁石召鐵，或引之也?！笔鞘澜缟献钤缬涊d磁石吸鐵的現(xiàn)象。公元25220年，王充論衡是應(yīng)中記載了“司南之杓，投之于地，其柢指南?！彼灸仙拙褪侵改厢樀那吧怼?044年北宋曾公亮武經(jīng)紀要中，記載了指南魚能識別方向及制作方法。這也是關(guān)于利用熱

3、剩磁原理在地磁場中進行人工磁化的最早記載。沈括夢溪筆談中明確記載了地磁偏角及巖石反向磁化的現(xiàn)象，不過當時并不知道巖石反向磁化的原因。1119年北宋朱或在萍州可談中記有當時已把指南針用于航海事業(yè)上。這一時期的國外關(guān)于地磁現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)、指南針的應(yīng)用、對地球磁性知識的認識和利用，均比中國晚得多。至1205年法國才制造出指南針，1269年EPerigrinus才發(fā)現(xiàn)磁鐵兩端有指北和指南的性質(zhì)。1544年GHartmann發(fā)現(xiàn)了地磁傾角的存在。1546年GMercator注意到磁偏角的存在。1576年RHorman第1次記錄了歐洲一些地方磁傾角和磁偏角數(shù)值的變化。1600年WGilbert發(fā)表了磁學(xué)論文，

4、用均勻磁化球體的概念來描述地球磁場的特性，第1次指出地磁場具有偶極子磁場的特征，至今該論點仍具有重要意義。1848年ADelesse第1次研究了巖石天然剩余磁性，指出一些熔巖的剩磁是平行于地磁場而均勻地磁化的。1853年MMellonio也發(fā)現(xiàn)了意大利維蘇威火山熔巖的剩磁是平行于當?shù)卮艌龇较颉?904年P(guān)David研究了受熔巖流烘烤的物質(zhì)，發(fā)現(xiàn)它們同時磁化時所獲得的磁化方向是相同的。1906年BBrunhes首次在法國發(fā)現(xiàn)了熔巖的天然剩余磁化方向與現(xiàn)今地磁場方向相反，認為這種反向磁化現(xiàn)象并非是自然雷電影響造成的。隨后，1926年P(guān)LMercanton通過研究北歐、澳大利亞的巖石磁性，證實了BB

5、runhes的巖石反向磁化現(xiàn)象，認為這種現(xiàn)象具有世界性。1929年日本松山基范指出，第四紀早期的熔巖的磁化方向才與今天的地磁方向一致。1925年，被稱作近代古地磁學(xué)研究的先驅(qū)RCherallier發(fā)表了對意大利埃特納火山熔巖的剩磁測定數(shù)據(jù)，與同時期的歷史記錄相比，大致相同，提出了12世紀以來地磁場方向變化的蹤跡。這些研究記錄了巖石生成時期或粘土焙燒時期地磁場的信息，這種天然剩余磁性可以保存相當長的時期。因此通過測定巖石或古代焙燒粘土的天然剩余磁化強度的大小和方向為研究古地磁場的特征和演變奠定了基礎(chǔ)。20世紀30年代以后，古地磁研究進一步對測量技術(shù)和分析方法進行了改進。如LNeel的反磁化現(xiàn)象物

6、理機制的解釋；RFisher關(guān)于剩磁方向的球函數(shù)分布的研究；PMSBlackett對無定向磁力儀的制作與使用等，使古地磁研究取得了較快的發(fā)展。20世紀50年代，古地磁學(xué)開始真正成為一門學(xué)科，最初的研究工作主要在英國、法國、日本、前蘇聯(lián)和中國進行。這個時期SKRuncorn等大舉推進了古地磁極位置變化的研究，研究發(fā)現(xiàn)了地質(zhì)時期古地磁極的位置并不是固定不變的，而是隨著時間的推移在不斷變動，這實際上就證實了1912年AWegener首先提出的大陸漂移的存在。后來通過地殼和上地幔計劃的實施，對大陸的火山熔巖以及海底地磁條帶異常的測量，并結(jié)合同位素年代測定，發(fā)現(xiàn)了地質(zhì)時期地球磁場發(fā)生過多次頻繁的倒轉(zhuǎn)。這

7、個時期的古地磁學(xué)研究，還揭示了海洋中由洋中脊向其兩側(cè)的地磁極性呈現(xiàn)正反交替的磁化方向，并且基本上對稱。根據(jù)同位素年代的測定，靠近洋脊的海底巖石地質(zhì)年齡較新，愈遠則愈老。于是1960年由HHHess和RSDietz提出了海底擴張的概念。1969年ACox和1974年WCPitman等在此基礎(chǔ)上，制定出磁極年表，后來又根據(jù)磁極年表，編制了三大洋(太平洋、大西洋、印度洋)洋底年齡圖。古地磁的大量研究成果都支持了大陸漂移的論點，導(dǎo)致了在1967年DPMckenzie、1968年WJMorgan和XLepichon先后提出了全球構(gòu)造巖石圈板塊構(gòu)造學(xué)說，促進了地球科學(xué)的發(fā)展。近年來，古地磁學(xué)取得了以下重大

8、成就：(1)地質(zhì)歷史時期的地磁極并非固定地停留在一點上，而一直是在不斷地移動。例如，中國古地磁極位置座標以其緯度而言，更新統(tǒng)大約處在北緯80，第三紀是在北緯70左右。(2)研究表明，不同地質(zhì)時期有不同的地磁極位置，來自同一個大陸的巖石所測定出的古地磁極位置的移動有一定的規(guī)律，形成一條視磁極遷移軌跡。但是相同地質(zhì)時期，來自不同大陸上巖石所得到的古磁極位置卻彼此分離，隨時代變老，偏離越遠。如英國和北美所測得的視磁極遷移軌跡是兩條相隔一定距離而又相似的曲線。SKRuncorn首先指出這種位置差異原因，是地質(zhì)時期北美相對歐洲曾發(fā)生向西漂移而又順時針運動的結(jié)果。(3)研究發(fā)現(xiàn)在地史上，地球磁場曾發(fā)生過多

9、次180度的反向，即整個地球的磁極曾經(jīng)完全倒轉(zhuǎn)。若把地磁場極性變化按照地層年代排成序列，并在極性變化界線處配以同位素年代數(shù)據(jù)，則編制成地磁極性年表?，F(xiàn)在已知每個地質(zhì)時期均有地磁場倒轉(zhuǎn)，自晚白堊世以來倒轉(zhuǎn)可能達170余次。地磁場倒轉(zhuǎn)的發(fā)現(xiàn)，為磁性地層學(xué)研究奠定了基礎(chǔ)，也為海底擴張、巖石圈板塊運動理論提供了最為有力的依據(jù)?？傊?，古地磁學(xué)研究對象可以是陸地上的沉積巖、巖漿巖和變質(zhì)巖，也可以是采自海洋底的各類巖石，還可以測定來自月巖等地球之外物質(zhì)及隕石。在近代的國際地球科學(xué)合作計劃中，古地磁一直是重要的研究課題，如國際地球動力學(xué)計劃中的區(qū)域古動力史研究；巖石圈研究計劃中的巖石圈起源與演化，前中生代構(gòu)造和大陸極移軌跡，以及板塊運動的再造等方面，古地磁學(xué)都將越來越發(fā)揮其重要的作用?！緟⒖嘉墨I】： 1 Vine F J，KWilson J TScience，1965，150485489 2 傅承義大陸漂移海底擴張和板塊構(gòu)造北京：科學(xué)出版社，1972 3 Kennett J PMagnctic stratiigraphy of sediments，1980 4 徐世浙古地磁學(xué)概論北京：地震出版社，1982 5 朱志文地球物理學(xué)報，1985，28(1)21