关于古地磁学介绍

[拼音]：gudicixue

[外文]：palaeomagnetism

通过测定岩石和某些古物的天然剩余磁性，分析它们的磁化历史，研究导致它们磁化的地磁场的特征的一门学科。其中以古物（如古陶器和古砖瓦）为对象研究史前期地磁场特征的称为考古地磁学。

古地磁学的研究始于19世纪中叶。德莱斯(A.Deles-se，1849)和梅洛尼（M.Melloni，1853）分别对岩石天然剩磁的方向进行了研究，发现这些近代熔岩是沿着地磁场方向磁化的。1899年福尔盖赖特（G.Folgheraiter）把这种研究扩展到测定古陶器和古砖的天然剩磁，也得到了相同的结果。1925年谢瓦利埃（R.Chevallier）通过研究埃特纳火山熔岩的剩磁变化，追溯了过去2000年间地磁场的长期变化。达维德（P.David，1904）和布容(B.Brunhes，1906)最先从熔岩中发现了磁化方向与现代地磁场方向相反的岩石，为地磁场倒转学说提供了最早的事实依据。到了20世纪50年代，古地磁的研究不仅在古地磁场而且在构造地质学和地层学中都得到了广泛应用，并发展成为地磁学的一个重要分支，称为古地磁学。60年代以来，随着技术的进步和各种国际性研究项目的开展，古地磁学的研究得到了蓬勃的发展，并取得一些重大成果。

岩石的天然剩余磁性

岩石通常含有多种矿物成分，其中或多或少含有一些铁磁性矿物，如火成岩。当岩浆温度降到其中所含的铁磁性矿物的居里点(见岩石磁性)以下，这些矿物被当时当地的地磁场所磁化，从而使得岩石获得磁性。温度继续降到常温以后，一部分磁性被保留下来，成为岩石的剩余磁性，简称剩磁。这样的磁化过程叫热磁化，由此获得的剩余磁性叫热剩磁（简称TRM）。再如沉积岩，一部分磁性是由于组成岩石的磁性矿物碎屑在沉积过程中受到地磁场的作用形成定向排列而获得的，这种磁性叫碎屑剩磁（简称DRM）或沉积剩磁；另一部分磁性是在成岩过程中由于在常温下氧化等化学反应、相变或结晶增长等原因而获得的，其磁化方向也与地磁场密切相关，这部分磁性叫化学剩磁（简称CRM）。除上述3种主要的剩磁之外，还有等温剩磁（简称IRM），粘滞剩磁（简称VRM），压剩磁（简称PRM）等。这些剩磁也都与地磁场有关。岩石在形成时获得的剩磁叫原生剩磁。岩石生成以后，在漫长的地质年代中，由于某些原因再被磁化而获得的剩磁叫次生剩磁。岩石的天然剩磁包括原生剩磁和次生剩磁两部分。古砖瓦、古陶器等也含有一些磁性矿物，在焙烧过程中也会获得热剩磁，这种热剩磁也与当时的地磁场有关。因此，不论岩石或古物，都可以提供研究过去某个时期地磁场特征的有用资料。

古地磁学原理和各种参数的确定

由于同一时期生成的岩石不管其处于地球上的哪一部分，它们所获得的磁性都是由当时的地磁场所决定的，彼此相关联，且具有全球一致性。因此，可以通过各种古地磁参数，如偏角、倾角、古极位置和古纬度等的测定，推算出各岩石之间在时间空间上的相互关系。如果这些岩石获得磁性以后，经历了某种地质事件，如构造运动等，就将引起它们的各种古地磁参数发生变化。通过对这些变化的分析，可以追溯它们所经历的地质事件。地磁场可以近似为一个置于地心的偶极子磁场。地磁学的研究指出，近400年来的实测记录表明，地磁极有围绕地理极做周期性运动的趋势，其运动的周期可能为104～105年。上新世以来的岩石剩余磁性的测量结果表明，在最近500万年期间，地磁极是均匀分布在地理极四周的，其平均位置与现代地理极重合。因此，可以根据各个年代的岩石剩磁的测量结果，计算出古地磁极的位置，并用以代表地理极位置。这就是说，地心偶极子的磁轴与地球的转轴重合。这就是著名的轴向地心偶极子假说。它是古地磁学中的一个非常重要的基本假说。

在地球上任何地方，相同年代生成的岩石所获得的磁化的方向与当时当地的地磁场方向基本上是一致的。由这些磁化方向推算出的磁极位置就是当时的地磁极位置，而且所有岩石的磁化方向应该对应同一个磁极位置。如果某些岩石在磁化以后，地理位置发生了变化，如发生了地块的漂移，或在原地发生了水平面内的转动，那么保存在岩石内部的磁化方向也将随之改变其空间方位。因此，从磁化方向的易位可反推地块或地理位置的变动。

利用某地某个地质年代的岩石标本可以测定其剩磁方向，进而确定出这个年代该地的磁偏角D和磁倾角I。已知岩石标本产地的地理纬度嗘 和经度λ， 由下列球面三角公式可以算出相应的磁极位置，其中嗘p和λp分别为磁极的纬度和经度。

sin嗘p=sin嗘 cosθ＇+cos嗘 sinθ＇cos D

（-90°≤嗘p≤+90°）。

当cosθ＇≥sin嗘 sin嗘p时，

λp=λ+β，

当cosθ＇嗘 sin嗘p时，

λp=λ+180°-β，

式中β是磁极与标本产地的经度差，由决定(-90°≤β≤+90°)， θ＇=90°-嗘 ＇为岩石标本产地的古地磁余纬度，嗘 ＇为古地磁纬度。

在古地磁研究中，单个的岩体，例如单个的熔岩流，所保留的剩磁只反映地质史上瞬时的地磁场情况，因此，由单个岩体数据所算出的磁极叫虚地磁极 （简称VGP）。虚地磁极沿顺时针方向绕地理极运动，周期约为 104年。因此，当用足够的岩石标本，而且它们所代表的时间范围超过104年时，则由它们的平均数据算出的磁极才叫古地磁极。古地磁极与地极是一致的。

由倾角I的平均值，根据公式可以算出岩石产地的古地理纬度嗘 ＇，简称古纬度。由古纬度嗘 ＇与现在纬度嗘之差就可以看出从岩石获得剩磁以来，岩石标本产地的地理位置的变化。

古地磁极移与大陆漂移

20世纪50年代以来，大量的研究结果表明，由同一大陆、同一地质时代的岩石标本得出的古地磁极位置基本一致。但由不同大陆、同一地质年代的岩石标本得出的古地磁极位置却往往不同。由同一大陆不同地质年代所得到的古地磁极位置连成的曲线叫做极移曲线。这种极移只是一种表观现象，而不是真实的过程，因此这种极移曲线亦叫做视极移曲线。实际上视极移曲线反映了大陆在不同地质年代的位置发生了变动。不同的大陆运动情况不同，因此各自得出的视极移曲线的形状和取向也就不同。由此可以追溯各个大陆的运动历史和它们之间的相互关系。古地磁极移第一次为地壳水平运动提供了强有力的证据，从而导致了沉寂多年的大陆漂移学说的复活和板块大地构造学说的建立。这方面的成就引起了地学家的极大重视，也促进了古地磁学的迅速发展。

地磁极性倒转与地磁极性年表

研究结果表明，不同地质年代岩石的剩磁方向正负几乎各占一半，而且这种方向的颠倒在时间上具有很好的全球一致性。这种现象的唯一合理解释是地磁场曾多次发生过极性倒转。与现代地磁场方向相同的叫正常极性，相反的叫倒转极性。这种观点由达维德和布容首先提出。1926年梅康通 (P.L.Mercanton)又指出，如果地磁场确实发生过倒转，那么这种现象应在世界各地都能被发现。他研究了格陵兰、冰岛、北欧以及澳大利亚等地不同地质年代的岩石，进一步证实了地磁场倒转的事实。1929年松山研究了日本和中国东北的第四纪熔岩，也发现同样现象，并且发现反向磁化的熔岩总比正向磁化的熔岩年代要老。他由此推断，第四纪早期地磁场方向与现代地磁场方向相反，到了第四纪后期二者方向才相同。60年代以后，随着深海钻探和海洋磁测的发展，发现大洋中脊两侧对称地排列着正、反极性相间的磁异常条带，这正是地磁场极性频繁倒转的证据。从此地磁场倒转的学说为人们普遍接受。

把地磁场极性倒转按照地层的时序配以同位素年龄数据，构成地磁极性的年代序列，叫做地磁极性年表。利用这种极性年表，不仅可以推算出地层的形成年代和地层所经历的某些地质事件的年代，而且在解决地层的划分和地层的远距离对比方面也卓有成效。因此，地磁极性年表已成为研究地层学问题的一个强有力的工具。1927年在蒙特利尔举行的第24届国际地质学大会上正式确立了（地层学中）一个新的分支学科，即磁性地层学，并且统一了不同时间尺度的地磁极性转变的名称。持续时间为105～106年的极性转变叫做极性期或极性时;持续时间为104～105年的叫极性事件或极性亚时。1969年，考克斯（A.V.Cox）综合了古地磁和同位素年龄的资料，编制了 450万年以来的地磁极性年表。这个年表后经曼基南(E.A.Mankinen)等人的进一步修订，已被公认为标准年表（图a）。后来根据海底磁异常又推算出8000万年以来的年表(图b)。1971年麦克尔希尼(M.W.McElhinny)和巴里克(P.J.Burek)给出了从二叠纪到第三纪的古地磁极性地层序列(图c)。寒武纪至二叠纪的年表很不精确，比寒武纪更老的年代，目前尚无足够的资料以编制年表。

极性倒转地层的研究不仅促进了地层学的发展，而且也为海底扩张学说的建立奠定了基础。古地磁测量还可以给出岩石产地的古纬度，这对于古气候的研究和某些矿产生成的古地理环境的探讨都有重要意义。

古地磁学研究的一般方法

（1）标本采取和制样 可用手工或用轻便取样钻机取样。古地磁研究主要是测定岩石剩余磁化矢量的强度和方向，取样时必需精确定向，并要测定岩石产状（走向、倾向和倾角）。用磁罗盘定向，精度较低，尤其易受岩体等的磁性干扰。用太阳罗盘定向，精度较高，而且不受磁性干扰。取回定向标本再制成一定形状和大小的样品，供测量使用。

（2）磁清洗 用恒定磁场退磁、交变磁场退磁、加热退磁、化学退磁以及低温处理等方法，把标本中的各种次生剩磁清除掉，把原生剩磁分离出来。磁清洗一般需要在零磁场空间中进行。

（3）剩磁测量 常用无定向磁力仪、旋转磁力仪和超导磁力仪（见磁力仪）测量，在逐步进行磁清洗的过程中，测定样品的剩余磁化矢量的强度和方向，直至把原生剩磁分离出来为止。

（4）数据处理 对于一个采样点来说，每块标本可以得出一个原生剩磁方向，若干块这样的标本可以求得一个平均的剩磁方向，由这个平均的剩磁方向可以求出一个古地磁极位置。该平均方向的可信度用一个圆锥体的半顶角α 的值来表示。这个圆锥体是以一个单位球的中心为顶点，该平均剩磁方向为中心轴，α 角为半顶角的圆锥，它要使95％的剩磁方向都落在此圆锥体内。显然，α 的值愈小，该平均方向的可信度就愈高，由其计算出的磁极位置的可信度也就愈高。

参考书目

1. M.W.McE1hinny，Paleomaagnetism and Plate Tectonics，Cambridge Univ.Press，London，1973.
2. E.Irving， Paleomagnetism and its Application to Geological and Geophysical Problems， John Wiley & Sons，New York，1964.

参考文章

• 古地磁学（或化石磁学）Paleomagnetism（或FossilMagnetism）地球科学