古地磁学 : 岩石的磁学记忆

什么是古地磁学 ?

地球磁场与地核

地球磁场由地球的外核产生，外核由液态铁组成。 内核（由固态铁组成）的热量通过对流传递到液态外核。 对流带动液态外核进行不规则但略快于地球自转速度的旋转，从而产生电流。 这个电流反过来产生一个具有方向、方向和强度的磁场。

铁磁性矿物的磁化

在地球表面，地壳岩石中所含的铁磁性矿物，如磁铁矿（Fe3O4）和赤铁矿（Fe2O3），具有磁化的能力。 当火山喷发的岩浆快速冷却形成玄武岩时，岩石中的铁磁性矿物会与周围的地球磁场对齐。

铁磁性矿物的这种磁化在玄武岩中产生了磁学印记，可以在以后研究以了解该地区的地磁历史。 换句话说，当岩石形成时，它们记录了某一精确时刻地球磁场的方向。 随着时间的推移，由于板块构造运动，岩石可能被移动，但它们的磁学印记保持不变。

岩石的磁学记忆

地球物理学家和地质学家可以在世界各地采集岩石样本，测定其年代并分析其方向和磁强度。 通过将这些信息与岩石的当前位置进行比较，他们可以重建大陆的过去运动。这种磁学记忆因此构成了追溯我们星球地质历史的宝贵自然档案。

如何找回过去的磁性 ?

天然剩余磁化

铁磁性矿物不仅保存了铁离子在它们固化时沿地球磁场方向的排列，还保存了磁化的强度。 因此，通过研究世界各地非常多的地点（地磁观测站），科学家们可以重建地球磁场的历史。

所有物质（植物、金属、动物、人体等）都具有感应磁化，换句话说，它们对地球磁场有响应。 剩余磁化是当周围磁场降为零时，物质可以保留、记忆的东西。 因此，古地磁学家试图识别这种剩余磁化。

用磁力计测量

古地磁学家主要感兴趣的是相对于采样点地理参考系的磁化方向。 采集的样本（长圆柱形岩石）通过一个系统进行标记，该系统允许在采样点精确记录空间中磁箭头方向。
保存的磁化强度和方向用磁力计测量。
样本被放置在其参考系中，即与其采样点相同的位置。 机器将使其在屏蔽线圈内部快速旋转，与外部磁场隔离。 在测量仪器中观察到偏差。 记录磁化的3个分量（方向、方向、强度）。

居里温度

接下来，科学家们加热样本以消除所有所谓的天然热剩余磁化。 事实上，铁磁性材料在称为"居里温度"的温度下会失去其永久磁化，这一现象由法国物理学家皮埃尔·居里（1859-1906）于1895年发现。
然后他们将在已知磁场（地球磁场）中产生新的磁化。 在不移动样本的情况下，他们将其与记录的旧天然磁化进行比较。
这种操作可以了解岩石冷却时磁场的3个参数。

地球磁场随时间的倒转

海洋地壳中的记录

得益于古地磁学，科学家们发现地球历史中许多地球磁场倒转相继发生。

地球磁场的倒转记录在洋中脊处。 在这些地方，熔融的地幔上升到表面并固化形成新的海洋地壳，保存了同时代周围磁场的强度和方向。 随着新物质被挤出，现有地壳被推向洋脊的两侧，形成时周围磁场的方向得以保留。 换句话说，当岩浆冷却并固化形成海洋地壳时，铁磁性矿物在固化瞬间与周围的地球磁场对齐。 这使海洋地壳磁化，记录该精确地点和精确时刻的磁场方向。

磁异常

因此，在洋脊中央脊的两侧形成了磁化岩石的平行条带。 这些条带呈现相反的磁极性，形成所谓的磁异常。 这些被解释为正常磁化和反向磁化的海洋地壳块的交替。 在洋中脊观察到的这些异常特别有趣，因为通过分析这些条带，科学家们可以重建随时间推移的磁倒转历史。

倒转的频率

通过分析这些异常，科学家们得以追溯过去8亿年地球磁场倒转的历史。 他们发现倒转的频率是不规则的，但呈现出一定的周期性。 平均而言，地球磁场每25万至30万年倒转一次。 然而，有些时期倒转更频繁，如8000万年前，当时地球磁场每10万年倒转一次。

也有倒转更稀少的时期，如1亿年前，当时地球磁场保持稳定超过1000万年。

正在进行的磁场倒转

偶极矩的减小

科学家们密切监测地球磁场以检测任何重大变化的迹象。 现代观测使用卫星和地球物理仪器精确绘制磁场图。

然而，即使有了这些先进技术，由于地球核中发生的动态过程的复杂性，准确预测倒转何时发生仍然是一个挑战。

即将到来的倒转 ?

目前，我们正在目睹偶极矩每世纪减少6%。 偶极矩的减小表明地球磁场强度的降低。
地球磁场偶极矩的减小并不一定意味着磁场的立即倒转。 虽然偶极矩的减小可能与地球磁场的变化有关，但磁倒转是一个复杂的过程，磁场的演化可能遵循各种不可预测的情景。