古地磁学的应用

1.对地磁场长期变化的认识

在弱磁场下热剩磁与外磁场成正比，于是利用该关系可对古地磁场强度进行间接测量。如果古地磁场磁感应强度为B古，标本的天然剩磁强度为M天然，将火成岩或熔烧过的古物标本加热后在已知弱磁场B已知中冷却，从而获得热剩磁MTRM。则

B古=M天然·B已知/MTRM（18-6）

成立的条件是：①原生剩磁随时间衰减很少；②次生剩磁影响很小；③古物标本在加热过程中没有物理或化学变化。

对地磁场进行系统测量仅有100余年的历史，如果利用历史记载的熔岩和古物中保存的剩磁，可以把地磁场的长期变化记录追溯到几千年前。像窑、冶炼炉、瓦片和陶器等古物标本，对于古地磁工作常常是很理想的，因为它们获得热剩磁的过程可以在实验室里重演，它们的磁性成分通常是在磁性和化学方面都很稳定的赤铁矿。图18-6是利用熔岩、陶器、砖和窑等材料测得的磁偏角和磁倾角的长期变化。

图18-6 利用熔岩、陶器、砖和窑等材料观测得到的地磁要素长期变化图

对于更早的时间，现有的测定绝对年龄的方法都不够准确，难以分辨几千年、甚至几百万年的年龄差别。然而在特殊情况下，例如冰川纹泥沉积和某些熔岩层序，可利用相对年龄。图18-7是利用纹泥得到的磁偏角和磁倾角长期变化曲线。

古地磁场方向有长期变化，它的强度（或它的磁矩）也有着长期变化。图18-8绘出了根据考古地磁资料推断的地球磁矩的长期变化曲线。自曲线可看出，地球磁矩在不断变化，变化幅度约8×1022A·m2，与现代地球磁矩相当。此外，偶极矩变化似有8000年的周期。近代观测表明，地球磁矩在130年减少了6%，看来这种减少只是地球磁矩周期变化中的局部现象。

图18-7 用纹泥得到的长期变化图

图18-8 根据考古地磁资料推断的地球磁矩的变化图

（数字表示所用的资料数目；垂直短线表示标准误差）

图18-9是根据考古地磁资料测定的几千年内的地磁极的平均位置，它们的分布显然是以地球自转轴为中心，表明在最近几千年里，平均地磁场是一个轴向地心偶极子场。

利用2000万年以来的火成岩（假定它们喷发以后没有经历过构造运动），求出了1000余个古地磁极，这些古地磁极也是以地理极为中心对称分布（图18-10）。所以，在过去2000万年以内，地磁场是一个轴向的地心偶极子场。

对于更早的时期，因为资料少，而且在各个大陆之间有过较大的构造运动，磁极位置越来越分散，不再以地理极为中心对称分布，但每个大陆的磁极自己聚集在一起，分散范围不是很大。尽管年代越早，资料的可靠性和统计性越差，但一般结论还是相同的。地磁场始终基本上是一个地心偶极子场，并且当对一个足够长的时间（例如大于1万年）平均时，偶极子轴与地理轴重合。简言之，古地磁极就是古地理极。

图18-9 按考古材料测定的地磁极位置

图18-10 2000万年以来的火成岩给出的地磁极位置

2.地磁极倒转现象的发现

1906年，布容（Brunhes）发现有些岩石的剩余磁化方向和现在的地磁场方向恰好相反。以后的观测证明，这是一个相当普遍的现象，且和岩石的形成年代有关。对于某一地质时期的岩石，剩余磁化方向几乎完全和现代地磁场方向相反；而在另一时期，则又完全相同。这种磁化转向是世界范围的现象，不同地点和不同类型的岩石，磁化方向在时间上是一致的。这个现象只能用地磁场本身发生反向来解释。这种情况称为地磁场反转。

观测表明，在地质年代里地磁场本身曾发生多次方向转换。转换的时间间隔很不规则，但转向的时间却是确定的。因此可以按照地磁场的方向（极性），和岩石样品的放射性年龄测定建立一个年表，称为地磁岩石极性年表，简称地磁岩性年表。图18-11列出了450万年来地磁极性年表。

最初发现，近400万年有3次地磁场反转。0～70万年为正向时间，称布容正向期；70万～250万年是反向的，称松山反向期；250万～330万年又是正向的，称为高斯正向期；再向前是反向的吉尔伯特期。这些“期”是以研究地磁学的学者的名字命名的。“期”的长度约百万年数量级。以后通过更精细的观测，发现在这些“期”内还存在着更短的反转现象，称为“事件”。于是在正向“期”中存在着反向“事件”，在反向“期”中存在着正向“事件”。这些“事件”以发现地地名来命名，“事件”持续长度比“期”约短一个数量级。

由观测深海沉积物的剩磁得出的极性变化序列与上述由火成岩得出的极性年表是一致的。虽然两者形成剩磁的方式不同，前者是沉积剩磁，后者是热剩磁。这些观测结果说明了地磁极性变化是全球性的现象。图18-11是世界主要大洋中海底沉积的极性变化情况，尽管它们彼此相距很远，但是极性变化过程都相同。

图18-11 深海沉积岩心的极性

3.海洋磁条带异常和海底扩张

大量的海上测量资料表明，大洋上许多地区的磁异常分布有明显的特征。在海岭两边，正异常区和负异常区都呈条带状交替出现，与海岭的走向平行。在与海岭垂直的各条测线上，磁异常剖面彼此密切相关，相应的变化可以连成一线。引人注意的是，磁异常分布是对称的，尤其是海岭附近更为明显。这种条带状的线性排列可以延伸到很远距离。这种磁异常特征被解释为海洋地壳中的玄武岩被正反交替的磁场磁化的结果。如果将海底从海岭向两侧扩展的概念与地磁场的倒转现象结合在一起，剖面上会形成像地震学中记录地面振动的地震图一样的天然“地磁”记录。再根据线性磁异常出现的位置，得到它们与海岭的距离，并配合上由地磁极性年表得到的时间，从而可以算出海底扩张的速度为1～5cm/a。这就是赫斯（1962年）和迪茨（1961年）提出海底扩张假说的基础。图18-12是这一假说示意图。

为了检验海底扩张假说，最直接的方法是钻井取样。国际深海取样联合会（JOIDES）在南纬约30°的南大西洋，与海岭垂直的方向上钻探了八个点，穿透沉积岩，取出玄武岩的样品。结果发现：直接覆盖在玄武岩上的沉积岩的古生物年龄，与从海岭算起的距离成正比，由此可用线形回归算出的扩张速度，该数值与由地磁极性年表得到的数值一致。如果以这样的速率估算年龄，其误差不超过5%～10%，实证了海底扩张假说。

图18-12 由海洋地壳的正反磁化引起的正负磁异常可由海底扩张加以解释

通过海底磁异常方法，也将地磁极性年表从4.5Ma延长到162Ma。该表习惯上被称为地磁磁测年表（图18-13）。

4.视极移曲线和大陆漂移

针对某一稳定块体，将在这一块体上测得的各地质时期的古地磁极画在现代坐标上，连接起来，称为该块体的视极移曲线。因为古地磁场基本上是一个轴向地心偶极子场，同一时间有唯一的地磁极性。如果大陆从未漂移过，那么同一时代从各大陆求出的磁极应大致重合；如果各大陆之间的磁极存在明显的不重合，说明大陆间发生过相对运动，这就是古地磁研究大陆漂移的基本思想。1912年魏格纳提出大陆漂移说，当时得不到承认。图18-14给出英国人兰康（S.K.Runcom）在1962年根据欧洲和北美岩石样品做出的地磁极迁移轨迹。该图由单线给出欧洲资料计算结果，虚线给出美洲资料计算结果。两条轨迹很相似，但是不重合。对此如何解释？显然，不能允许欧洲和美洲各有各的磁极。如果说有同一个磁极，唯一可能的解释是，北美和欧洲的位置发生过相对移动。通过移动北美大陆，使磁极轨迹与欧洲大陆磁极轨迹重合，发现中生代以前，大西洋还不存在，欧洲与北美是连在一起的，而现在的北美洲与欧洲为大西洋隔开。那么，从中生代到现代这漫长的岁月里，正是北美漂离欧洲的过程。正是古地磁这一成果的发现定量证明了大陆漂移说的存在，复活了大陆漂移说。

图18-13 由海洋磁异常导出的地磁极性年表（地磁磁测年表）

图18-14 地质时期北磁极迁移曲线（张少泉，2007）