古地磁學與環(huán)境學課件：第一章 緒論

古地磁學與環(huán)境學地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)與地磁場

地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)地震地震就像一盞明燈，可以照亮人類無法進入的地球內(nèi)部.全球4級以上地震每年過萬次通過觀測地震波，就可以確定地球內(nèi)部的結(jié)構(gòu)怎么知道地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的？

CT技術(shù)如何了解地球內(nèi)部發(fā)生了什么樣的運動學和動力學過程？未知的地球內(nèi)部：入地更比上天難目前大陸鉆探最深記錄12km,僅相當于地球半徑的0.2％火山巖攜帶的深部地幔物質(zhì)巖石地球化學示蹤石榴石:>80km金剛石:>150km礦物相平衡實驗相圖尖晶石橄欖巖斜長石橄欖巖石榴石橄欖巖溫度深度（km）壓力（kb）金剛石穩(wěn)定區(qū)→確定礦物在地球內(nèi)部形成的深度

同位素定年

礦物中放射性同位素不斷衰變，通過測量放射性同位素和其衰變產(chǎn)物的含量可以計算礦物形成年齡確定礦物在地球內(nèi)部形成的時間尖晶石橄欖巖斜長石橄欖巖石榴石橄欖巖溫度深度（km）壓力（kp）地殼巖石圈軟流圈150km4.6億年華北克拉通金伯利巖中存在金剛石現(xiàn)今巖石圈地殼巖石圈地幔軟流圈尖晶石橄欖巖斜長石橄欖巖石榴石橄欖巖溫度深度（km）壓力（kp）<80km1.0億年以來地幔包體為橄欖巖指示巖石圈厚度<80km上天不易，入地更難怎么認識地球本身？地磁場起源于地球外核流體的運動認識地磁場認識地球演化富有挑戰(zhàn)的科學問題如何了解地核的物質(zhì)狀態(tài)和動力學過程？地球外核流體運動－地磁場地磁場－從地表觀測地磁場---從空間觀測

地磁場－“從地球深部看”從核幔邊界觀測

延拓到地表

地磁場是地球最重要的物理場，中華民族最早認識到地球有磁場，于公元1世紀發(fā)明指南針公元10世紀－指南針－航海12世紀指南針傳入歐洲公元8世紀－觀測磁偏角

歐洲15世紀開始

Java600年前鄭和7下西洋(from1405to1433)近代地磁學發(fā)展

1600年－Gilbert

-物理概念：磁化的球體WilliamGilbert1838年－Guass(地磁學概論)－數(shù)學分析地磁場是否隨時間變化？1-中國人720-1280年至少對地磁偏角進行了9次觀測2-1580年，英國人Borough在倫敦測得Dec=11.33-1622年，英國人Gunter測得Dec=6.0，

42年，兩人的觀測結(jié)果相差5.3，觀測誤差所致4-過12年，Gellibrand測得Dec=4.1，他認為這不是觀測誤差所致，而是地磁偏角在隨時間變化地磁場起源的重要進展1-Normam(1576)首先發(fā)現(xiàn)了地磁傾角這一發(fā)現(xiàn)對認識地磁場的成因是至關(guān)重要的2-

在Normam之前，西方人認為地磁是上帝賦予人間的神靈，它位于地球的兩極3-

Gilbert對地磁場進行了較系統(tǒng)的觀測，發(fā)現(xiàn)地磁傾角是隨地理緯度變化的.提出地球本身就是一個磁化的球體，這是根據(jù)觀測結(jié)果對地磁成因作的第一次唯物主義的假定，即將地磁成因從神學轉(zhuǎn)變?yōu)槠鹪从诘厍虮倔w.4-

Gilbert(1600)發(fā)表的《地磁學》一書是人類繼發(fā)現(xiàn)地球是個球體之后對我們居住的星球最重要的認識，它比牛頓的引力理論早87年地磁場強度與高斯理論盡管人類從公元8世紀就開始觀測地磁場方向，直到公元1799-1803年德國人Humboldt才認識到地磁場強度隨地理緯度變化.隨后，德國數(shù)學家Gauss(1838)發(fā)表了《地磁學概論》一書，第一次用數(shù)學的方法對地磁場進行了描述.基本地磁要素現(xiàn)代地磁場磁傾角分布非偶極子場分布地磁極、磁極、地磁赤道、磁赤道實際上，inclinedgeocentricdipole

表示了實際地磁場的～90%現(xiàn)今模擬偶極子最佳位置是偏離地球中心西北500公里(Pacificbasin)

Eccentricdipole.但偏心偶極子對實際地磁場的描述是不均勻的,誤差0～20%nondipolefield長期變化（內(nèi)源磁場99%—地核主磁場95%和地殼異常場4%—周期1年~10E5年）西向漂移（1600年~）

18世紀－300年觀測－地磁場隨時空變化

地球年齡大約45億年

300年觀測記錄太短了?。?！怎么辦？

巖石的剩磁是否能記錄它形成時地磁場的信息？

地磁場----歌唱家

巖石----錄音機

古地磁學雛形與發(fā)展趨勢雛形階段Delesse(1849)方向巖石剩磁方向與地磁場相關(guān)

Folgerhaiter(1899)

測量了考古遺址的剩磁

地磁倒轉(zhuǎn)David(1904)-----火山巖

Brunhes(1906)--火山巖

Matuyama(1929)-火山巖－時代形成階段

Runcorn(1955)---沉積物剩磁

Cox(1963)-火山巖剩磁＋年代學

大陸漂移極性年表古地磁學為什么會在20世紀60年代發(fā)展？

學科發(fā)展的需求－－20世紀初大陸漂移海底擴張大陸漂移板塊構(gòu)造

古地磁學研究領(lǐng)域與發(fā)展趨勢

1-大陸漂移+古地理再造

2-海底擴張

3-磁性地層

4-地磁極性倒轉(zhuǎn)與地磁成因

5-地磁場與行星內(nèi)部動力學

6-環(huán)境磁學

7-生物磁學Wegener1-大陸漂移地圖的啟示

非洲南美大陸漂移的古地磁證據(jù)

大陸漂移2.5億年后海陸分布今天海陸分布2.5億年前海陸分布2-海洋磁異常海底擴張過程同位素定年與海洋磁異常相結(jié)合165Ma以來地磁極性倒轉(zhuǎn)序列

3-磁性地層--研究巖石單元的磁特征

1-磁極性地層

Magneticpolaritystratigraphy2-巖石磁性地層

Rockmagneticstratigraphy3-古強度磁性地層

Paleointensitymagneticstratigraphy4-地磁場長期變磁性地層

SVmagneticstratigraphy

磁極性地層＋磁化率Heller&Liu,Nature,1982磁極性地層＋巖石磁學Zhuetal.,Nature20044-地磁極性倒轉(zhuǎn)與地磁成因

現(xiàn)在地磁場78萬年前的地磁場

地磁極Zhuetal.,EPSL,1994地磁極性轉(zhuǎn)換中國黃土記錄M/B

極性轉(zhuǎn)換過程南大西洋記錄M/B

極性轉(zhuǎn)換過程通過比較前人從理論地磁得出的核幔界面流體運動速度和從地震學得出的下地幔結(jié)構(gòu).發(fā)現(xiàn)地磁極變化路徑與下地幔地震波高速區(qū)相對應(yīng),這表明地磁極性倒轉(zhuǎn)不僅與外核流體運動相關(guān)，還受控于下地幔結(jié)構(gòu)的變化

俯沖到660km冷物質(zhì)聚積增加至臨界值，導(dǎo)致上下地幔分層對流狀態(tài)被破壞，冷物質(zhì)被帶到核幔界面，改變了外核流體運動狀態(tài)，導(dǎo)致強度逐漸增加和地磁極性倒轉(zhuǎn)頻率逐漸降低－超靜磁帶發(fā)生.

Zhuetal.,20045-地磁場與行星內(nèi)部動力學地磁強度與倒轉(zhuǎn)頻率為何相關(guān)？地幔柱/熱點？HotspotWilsonMorgan’smantleplumeconcept(1972)地球動力學地球外核流體的運動是以小規(guī)模對流為主Layetal_1998NatureTooHotExterior

toocoldTooCold水星金星地球火星木星土星天王星海王星冥王星地球是太陽系最具活力的星球，重要原因是地球有液態(tài)的外核.產(chǎn)生了一系列地球動力學過程太陽水星金星地球火星木星土星天王星海王星冥王星太陽太陽系其他星球是否有磁場？

磁場－行星動力學行為的重要判據(jù)Dynamo~300nTNoFieldNosolidinnercoreDynamo~50000nT無發(fā)動機過程產(chǎn)生的磁場，但在南半球有200nT剩磁.說明火星曾有Dynamo,為什么火星的Dynamo這樣快就停止了？Dynamo~50000nTDynamo~2000nTDynamo~2000nTDynamo~2000nTHardtosay黃土高原秦嶺山地沙漠冬季風環(huán)流夏季風環(huán)流西風環(huán)流中國大陸黃土記錄了地磁場和環(huán)境信息6-環(huán)境磁學01402803.04.25.40.20.40.60.81.01.21.41.61.82.02.22.42.6BM_JOMG_53791111719212315132729313335372539414345515347495557596163656971736775777981838589919587931011031046636CMCompositebenthicoxygenisotoperecordV19-30/ODP677/ODP846Age(myr)MagneticPolarity97990RedclayWeaksoilPaleomagneticpolarityMagneticsusceptibility(c10-8m3kg-1)中國黃土與海洋氧同位素對比黃土-古土壤序列+三趾馬紅土8Ma以來環(huán)境變化的連續(xù)完整記錄80100120140160150100503530253540302502040608020002004006008000-2-1012S0S1L2S2L3S3L4S4L5S5-1S5-3L6S6L7S7S8L9S9-1234567891011121314151617181920211S9-1S10S12-1L13S14S15S16S19S23L24S25S26L27S27S30S31L32S32L33地層序列深度(m)磁化率(SI)風化強度(%)年代(Ka)SPECMAP(OPDB)18地層序列深度(m)磁化率(SI)風化強度(%)第四紀黃土-古土壤序列（0-2.6Ma)S321020030405060306090120L33深度(m)磁化率(SI)地層序列晚第三紀三趾馬紅土（2.6-8Ma)黃土高原高齡？2200萬年郭正堂等－2002，Nature2200萬年黃土堆積的出現(xiàn)，指示了亞洲內(nèi)陸荒漠的存在，表明青藏