最后更新：2024年1月27日

古地磁学

什么是古地磁学？

地球磁场由地球外核产生，外核由液态铁构成。来自固态铁内核的热量通过对流传递至液态外核。对流导致液态外核以不规则但略快于地球自转的速度旋转，从而产生电流。该电流进而形成具有方向、意义和强度特征的磁场。

在地球表面，地壳岩石中含有的铁磁性矿物（如磁铁矿Fe₃O₄和赤铁矿Fe₂O₃）具有被磁化的能力。当火山喷发出的岩浆快速冷却形成玄武岩时，岩石中的铁磁性矿物会与当时的地球磁场方向对齐。

铁磁性矿物的磁化作用在玄武岩中留下了磁印记，日后可通过研究这些印记来了解该区域的地磁历史。也就是说，岩石形成时，会记录下特定时期地球磁场的方向。随着时间的推移，由于板块运动，岩石可能发生位移，但其磁足迹保持不变。

地球物理学家和地质学家可以从世界任何地方采集岩石样本，测定其年代，并分析其方位和磁强度。通过将这些信息与岩石当前的位置进行比较，他们可以重建大陆过去的运动轨迹。

如何重新发现过去的魅力？

铁磁性矿物在凝固时，不仅保留了铁离子沿地球磁场方向的排列，还保留了磁化的强度。因此，通过研究全球众多地点（地磁观测站），科学家可以重建地球磁场的历史。

所有物质（植物、金属、动物、人体等）都具有感应磁化特性，即会对地球磁场产生响应。当环境磁场减弱至零时，物质能够保留并存储的磁化称为剩余磁化。古地磁学家因此致力于识别这种剩余磁化，尤其关注磁化方向与采样地点地理标记之间的关系。采集的样本（长圆柱形岩石）通过特定系统定位，该系统可记录采样地点磁矢量的精确空间方向。剩余磁化的强度和方向通过磁力计测量。样本被放置在其基准坐标系中，即保持与采样地点相同的方位。一台机器将驱动样本在屏蔽线圈内高速旋转，使其与外部磁场隔离。测量仪器中会观察到偏差，并记录磁化的三个分量（方向、指向、强度）。随后，科学家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"的临界温度下会失去永久磁化，这一现象由法国物理学家皮埃尔·居里（1859-1906）于1895年发现。接着，他们在已知磁场（地球磁场）中重新产生磁化。在不移动样本的情况下，将其与先前记录的天然磁化进行比较。这一操作可揭示岩石冷却时磁场的三个参数。

地球磁场随时间发生的反转

正常和反向地球磁极性 — 地球磁场的反转以平行于洋中脊的磁条带形式记录在大洋地壳中。新形成的大洋地壳在形成时被磁化，随后向洋中脊两侧移动。在该模型中，出现了约500万年前的洋脊（a）、约200万年前的洋脊（b）以及现今的洋脊（c）。图片来源：公共领域。

利用古地磁学，科学家发现地球历史上曾多次发生磁场逆转。

地球磁场的逆转记录在大洋中脊处。在这些位置，熔融的地幔上升至地表并凝固形成新的洋壳，同时保存了当时环境磁场的强度和方向。随着新物质的喷出，现有地壳被推向中脊两侧，形成时环境磁场的方向得以保留。换言之，当岩浆冷却凝固形成洋壳时，铁磁性矿物在凝固过程中会与环境中的地球磁场对齐。这使洋壳磁化，记录了该精确位置和精确时刻的磁场方向。

因此，平行排列的磁化岩石带形成于洋中脊中央脊线的两侧。这些岩带具有相反的磁极性，形成所谓的磁异常。它们被解释为正常磁化与反向磁化的洋壳交替块体。在洋中脊观测到的这些异常尤为引人关注，因为通过分析这些岩带，科学家可以重建地磁反转随时间演变的历史。

通过分析这些异常现象，科学家们得以追溯过去8亿年间地球磁场反转的历史。他们发现反转频率虽不规律，但存在一定的周期性。平均而言，地球磁场每25万至30万年发生一次反转。然而，在某些时期反转更为频繁，例如8000万年前，地球磁场每10万年就会反转一次。

也有地磁反转较为罕见的时期，例如1亿年前，地球磁场曾保持稳定超过1000万年。

地磁场反转正在进行中

科学家们正在密切监测地球磁场，以寻找任何重大变化的迹象。现代观测利用卫星和地球物理仪器精确绘制磁场图。

然而，即便拥有这些先进技术，由于地核内部动态过程的复杂性，准确预测地磁反转发生的时间仍然是一项挑战。

目前，我们观测到偶极矩每百年下降6%。偶极矩的下降表明地球磁场强度正在减弱。地球磁场偶极矩的减弱并不一定意味着磁场即将发生反转。尽管偶极矩的下降可能与地球磁场的变化有关，但磁极反转是一个复杂的过程，磁场的演变可能遵循多种不可预测的路径。

古地磁学

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地球磁场随时间发生的反转

地磁场反转正在进行中

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