古地磁気学 : 岩石の磁気的記憶

古地磁気学とは何か ?

地球磁場と核

地球磁場は、液体鉄で構成される地球の外核によって生成されます。 固体鉄で構成される内核の熱は、対流によって液体の外核に伝達されます。 対流は液体の外核を不規則ではあるが地球の自転速度よりわずかに速い回転に導き、これが電流を生み出します。 この電流が、方向・向き・強度によって特徴づけられる磁場を生成します。

強磁性鉱物の磁化

地球表面では、地殻の岩石に含まれる強磁性鉱物（マグネタイト（Fe3O4）やヘマタイト（Fe2O3）など）が磁化する能力を持っています。 火山から放出されたマグマが急速に冷却されて玄武岩が形成されるとき、岩石中の強磁性鉱物が周囲の地球磁場に沿って配列します。

強磁性鉱物のこの磁化は、玄武岩に磁気的痕跡を作り出し、後にその地域の地磁気史を理解するために研究することができます。 言い換えれば、岩石が形成されるとき、それらは特定の瞬間の地球磁場の向きを記録します。 時間の経過とともに、プレートテクトニクスの動きにより岩石は移動する可能性がありますが、その磁気的痕跡は変わらないままです。

岩石の磁気的記憶

地球物理学者や地質学者は、世界中から岩石試料を採取し、年代を測定し、その向きと磁気強度を分析することができます。 この情報を岩石の現在の位置と比較することで、大陸の過去の動きを復元することができます。この磁気的記憶は、私たちの惑星の地質学的歴史をたどるための貴重な自然のアーカイブを構成します。

過去の磁気をどのようにして見つけるのか ?

自然残留磁化

強磁性鉱物は、固化した瞬間の地球の磁場の方向への鉄イオンの配列を保持するだけでなく、磁化の強度も保持します。 このように、世界中の非常に多くの地点（地磁気観測所）を研究することで、科学者たちは地球磁場の歴史を復元することができます。

すべての物質（植物、金属、動物、人体など）は誘導磁化を持っています。言い換えれば、地球磁場に対する応答を持っています。 残留磁化とは、周囲の磁場がゼロに減少したときに、物質が保持し、記憶に留めることができるものです。 したがって、古地磁気学者はこの残留磁化を特定しようとします。

磁力計による測定

古地磁気学者は主に、採取地点の地理的基準に対する磁化の方向に興味があります。 採取された試料（長い岩石の円柱）は、採取地点における磁気の矢印の方向を正確に記録できるシステムによってマークされます。
保存された磁化の強度と向きは磁力計で測定されます。
試料はその基準系、つまり採取地点と同じ位置に配置されます。 機械がそれを、外部磁場から隔離されたシールドされたコイルの内部で高速回転させます。 測定器に偏差が観察されます。 磁化の3成分（方向、向き、強度）が記録されます。

キュリー温度

次に、科学者たちは試料を加熱して、いわゆる自然熱残留磁化をすべて消滅させます。 実際、強磁性材料は「キュリー温度」と呼ばれる温度で永久磁化を失います。この現象はフランスの物理学者ピエール・キュリー（1859-1906）によって1895年に発見されました。
その後、彼らは既知の磁場（地球の磁場）で新しい磁化を生成します。 試料を動かさずに、記録した古い自然磁化と比較します。
この操作により、岩石が冷却された瞬間の磁場の3つのパラメータを知ることができます。

時間の経過に伴う地球磁場の逆転

海洋地殻への記録

古地磁気学のおかげで、科学者たちは地球の歴史の中で多くの地球磁場の逆転が続いてきたことを発見しました。

地球磁場の逆転は中央海嶺で記録されます。 これらの場所では、溶けたマントルが表面に上昇し、固化して新しい海洋地殻を形成し、同時代の周囲の磁場の強さと方向を保存します。 新しい物質が押し出されるにつれて、既存の地殻は海嶺の両側に押しやられ、形成時の周囲の磁場の方向が保たれます。 言い換えれば、マグマが冷却して固化し海洋地殻を形成するとき、強磁性鉱物は固化の瞬間の周囲の地球磁場に沿って配列します。 これが海洋地殻を磁化し、その正確な場所と正確な瞬間の磁場の向きを記録します。

磁気異常

このように、海嶺の中央の尾根の両側に磁化された岩石の平行な帯が形成されます。 これらの帯は反対の磁極性を示し、いわゆる磁気異常を形成します。 これらは、正常に磁化された海洋地殻と逆に磁化された海洋地殻のブロックの交替として解釈されます。 中央海嶺で観察されるこれらの異常は特に興味深いものです。なぜなら、これらの帯を分析することで、科学者たちは時間の経過に伴う磁気逆転の歴史を復元することができるからです。

逆転の頻度

これらの異常を分析することで、科学者たちは過去8億年にわたる地球磁場の逆転の歴史をたどることができました。 彼らは逆転の頻度が不規則であるが、ある程度の周期性を示すことを発見しました。 平均して、地球磁場は25万年から30万年ごとに逆転します。 しかし、8000万年前のように逆転がより頻繁な時期もあり、そのとき地球磁場は10万年ごとに逆転しました。

また、1億年前のように逆転がより稀な時期もあり、そのとき地球磁場は1000万年以上にわたって安定していました。

進行中の磁場の逆転

双極子モーメントの減少

科学者たちは、重大な変化の兆候を検出するために地球磁場を注意深く監視しています。 現代の観測は、衛星と地球物理学的機器を用いて磁場を正確にマッピングするために行われています。

しかし、これらの高度な技術をもっても、地球の核で起こっている動的プロセスの複雑さのために、逆転がいつ正確に起こるかを予測することは依然として困難です。

差し迫った逆転 ?

現在、私たちは双極子モーメントが1世紀あたり6%減少しているのを目撃しています。 双極子モーメントの減少は、地球磁場の強度の低下を示しています。
地球磁場の双極子モーメントの減少は、必ずしも磁場の即時の逆転を意味するものではありません。 双極子モーメントの減少は地球磁場の変化と関連している可能性がありますが、磁気逆転は複雑なプロセスであり、磁場の進化は様々な予測不可能なシナリオに従う可能性があります。