地磁极性倒转与全球性地质事件的相关性

地磁极性倒转与全球性地质事件的相关性 朱日祥　刘青松　潘永信 (中国科学院地球物理研究所,北京100101) 摘要　在分析地球磁场时空变化规律、特别是地磁极性倒转以及极性倒转频率变化规律的基 础上,研究了地球磁场变化与地球内部物理过程之间的可能相关性,进而探讨了地球磁场异常 变化与某些全球性地质事件以及中国东部从挤压向伸展构造转折的关联性.力图为地球动力 学研究提供新思路. 关键词　地磁极性倒转　地球磁场强度　地磁极性年 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 地球磁场是地球的基本物理场之一,它产生于地球外核流体运动.根据电磁运动基本规 律以及地幔和地球外核结构及其物理性质可知,由外核流体运动产生的极型磁场可以通过地 幔和地壳到达地表,这就是人们通常所说的地球磁场.地磁学的发展在我国有着悠久的历 史,早在公元前20世纪就有关于极光的记载.指南针的发明在科学上具有重要意义,这是中 国人在公元1世纪对人类做出的重要贡献.公元10世纪我国人民就已将指南针用于航海, 并于12世纪传入欧洲.约在公元8世纪,我国的佛教徒天文学家一行最先对磁偏角进行了 观测,而欧洲人则在16世纪才有此 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 . Humboldt于19世纪初发现了地球磁场强度随地理 纬度变化. Gauss于1838年发表的“地磁学概论”一 书 关于书的成语关于读书的排比句社区图书漂流公约怎么写关于读书的小报汉书pdf 标志着近代地磁学的开始.随着科学技 术的发展,人们逐渐认识到地球磁场时空结构的变化与许多全球性地质事件和地球物理过程 相关.例如地幔柱的活动、全球热流变化、真极移、海底扩张速率、石油分布、气候演化、海底高 原的产生、火山链、大陆玄武岩、海洋磁异常、生物灭绝以及地幔对流等.特别是白垩纪正极性 超时(CNS)期间,发生了许多全球性事件.这一时期是165 Ma以来洋壳增生最快、火山活动强 烈、古温度和古海平面最高、黑色页岩广泛发育和油气分布量最大的时段.这些并发事件是偶 然的巧合还是存在着内在联系?地球各圈层之间是如何耦合的?产生地球磁场的外核又是怎 样运动的?诸如此类的问题无疑是现今地球动力学研究的重点.本文将探讨地球磁场时空演 化特征与某些全球地质事件可能的相关性. 1　地磁极性年表 早在19世纪中叶,欧洲人就开始研究岩石中记录的剩余磁性,这是古地磁学发展的雏 形.本世纪初,通过研究熔岩和熔岩烘烤层的剩余磁性,发现了与现今地球磁场相反的剩磁 方向,这表明地球磁场本身在地质历史时期曾经发生过极性倒转[1,2].这一重大发现引起了 人们的广泛关注,各国科学家围绕这一问题,进行了大量的实验和理论研究. Matuyama[3]对 中国东北地区和日本一些熔岩进行测量,发现了最近一次地磁极性倒转发生的时代,使得人 类对地磁场起源和演化有了进一步的认识,这是本世纪地球科学的重大事件之一,在一定程 度上改变了我们对地球本身形成和演化过程的认识. Cox等人[4]通过测定熔岩流的剩磁,并 结合K/Ar测年,建立了第1个地磁极性年表.假定南大西洋的开裂速率恒定,根据一些磁异 常条带建立了75 Ma以来的地磁极性序列[5].之后,一些学者对某些磁异常条带的持续时间做了调整[6].近年来,根据对太平洋、大西洋和印度洋大洋盆地磁异常序列的分析,并把南 大西洋海底扩张速率修正为时间的函数,以此为基础重建了165 Ma以来的地磁极性年 表[7~9]. 因为地球磁场极性倒转具有全球同时性,这样就可以通过对比不同地区记录的地磁极性 序列,解决某些地层划分上的分歧.基于地球科学的这一新生长点,磁性地层学应运而生, 并成为地层对比、地质时代界限的确定以及海陆相古气候记录对比的有效手段.例如对深海 沉积物剩余磁性的研究表明,松山-布容极性转换(M-B,下同)记录在氧同位素阶19,即对应 于间冰期;中国黄土记录的M-B则位于黄土层L8,即对应于冰期[10].这种现象在2.6 Ma以 来普遍存在,这可能意味着第四纪以来海洋与陆地古气候的变化一直存在着相滞后.地磁极 性年表不仅为磁性地层学的发展创造了条件,还为分析地球磁场极性倒转频率的变化与地球 内部物理过程提供了基础资料. 2　地球磁场极性倒转频率与地球内部物理过程 海洋磁异常清晰地揭示出165 Ma以来地磁极性倒转频率的变化特征[11].以陆相沉积物 及火山岩建立的磁性地层进一步证实了这一结果.但目前对地磁极性倒转频率变化的起因还 存在争议.对10 Ma以来地磁极性年表的统计研究表明,地球磁场极性倒转间隔(τ)服从泊 松分布[12];而对165 Ma以来(白垩纪静磁带不参加统计分析)的极性年表数据的统计结果则 揭示出,τ服从对数正态分布,而不是泊松分布,且正极性间隔和负极性间隔所服从的分布 没有显著区别[13]. 地磁极性倒转频率的变化与地幔对流时间尺度相一致[14].目前对这种一致性的解释有 两种观点,其一是全球热通量的变化驱动发电机过程,这一过程又会改变地磁极性处于倒转 和稳定不同过程的动力学体系;其二是下地幔下部结构的变化导致地球内部不稳定因素的出 现.而Larson等人[15]则讨论了地磁极性倒转活跃期与平静期的差别,指出超静磁带与大地幔 柱和强地磁活动相伴随;通过测量海底高原、海山链、大陆玄武质熔岩流的体积表明,在过去 165 Ma,地磁极性倒转频率和地幔柱的活动程度呈负相关.这一现象在CNS期间尤为显著. 矿物物理研究表明,地球内部的热和化学演变过程不仅控制着D″层的厚度变化,而且为地幔 对流提供动力.由于D″层的温度较高,它的粘度比下地幔要低得多.因此,在热浮力的推动 下,产生于D″层的地幔柱有可能克服地幔的阻力而上升;D″层底部粘度较小的物质不断地补 充到地幔柱.同时,由于D″层厚度的减小,使得其内部的温差进一步加大,导致核幔边界 (CMB)的热传导速率增大.这一过程会导致地核顶部热损失的增加,为了达到热平衡,地核 内的对流速度将增强;这一过程又会导致内外核边界温度梯度的增加,从而导致内核潜在的 结晶能向外核传输.这一过程将引起地磁极性倒转频率下降[16];当外核流体对流的速度增加 到某一临界值时,地磁极性将停止倒转(图1). 地幔对流可能影响地核发电机过程和地球磁场长期变化的另一个可能机制是CMB形态 和热效应.由于CMB形态变化的影响,绝热过程与重力均衡不再是一致的.因此将出现横 向温度梯度效应以及地球外核流体系统与地幔之间的机械作用.这种过程必然导致下地幔的 热结构对地磁极性倒转方式和频率的控制.地幔中的热扰动可能与D″层内热边界层的不稳 定相联系,而这种热扰动可能对核内流体运动起调制作用,这就导致了相对稳定和快速倒转图1　地球内部物理过程与地球磁场相互作用示意图 周期的出现[17].地幔内的周期性对流要求, 165 Ma才能使热边界层得以建立并最终成为 亚稳态,边界层的建立将导致CMB短暂的变 化,这可以解释观察到的自白垩纪以来倒转 频率逐步增加这一现象.这种核-幔热和机械 耦合模式强调了D″层内动力学过程的重要性 及其与地球磁场之间的可能相关性. 近年来,对地球磁场倒转频率机制的研 究有了新的进展.如果一些冷物体迅速地与 外核接触,外核的热流状态会迅速且显著地 改变.这一机制能比较合理地解释CNS如何 被突然触发[18].比如,一个热导率(k)为 10-6m2·s-1的板状冷物体与外核接触,这一物 体下面的热流正比于温度梯度ΔT/(kπt)1/2, 其中ΔT是外核与冷物体之间的初始温度差.经过某一恢复时间(b2/kπ),外核的温度恢复 到与冷物体接触前的值(ΔT),其中b=ΔT/ΔT.假定热边界层厚约为100 km,则外核温度的 恢复时间尺度为100Ma,与CNS的时间长度相似.根据这一模型,自165Ma以来地球磁场极 性倒转频率的变化可以解释为[18]:在CNS之前核幔边界存在着热边界层, CNS初始时,这一 热边界层被某一冷物体扰动.达到热平衡后,热边界层恢复到初始值.在这一模型中,冷物 体的来源目前还不清楚,有可能来自下地幔. 由上述研究可知,地幔对流引起的热通量横向变化可能会影响地核内流体运动状态,并 产生现今观测到的地球磁场变化,进而影响极性倒转频率.地磁极性倒转周期与地幔对流时 间尺度的一致性可能说明了前者受到后者的调制作用,这正是白垩纪和二叠纪等超静磁带出 现的原因. 3　地球磁场强度的演化特征 众所周知, Wagener于1912年提出了大陆漂移的观点,但由于缺乏充分的科学证据,而 没有得到科学家的广泛接受.直到本世纪50年代, Runcorn和Irving利用古地磁学研究方法, 首次定量化证明了大陆确实曾发生漂移.这一重大发现对60年代的地学革命具有非常重要 的意义. 60年代初, Hess提出海底扩张假说,认为岩浆从大洋中脊不断上涌,并对称地向两 侧移动.根据地磁极性倒转对海底条带磁异常结构的解释,为海底扩张理论提供了有力的证 据.值得注意的是,古地磁学为地球科学所提供的这些有价值的基础资料都来自对地球磁场 古方向的测定.实际上,地球磁场是矢量场,需要方向和强度两方面的信息才能描述.但由 于地球磁场古强度测定所涉及的理论和实验都比古方向的测定要复杂得多[19,20],致使地球磁 场古强度的研究进展比较缓慢.近几年,随着实验技术和岩石磁学理论的不断完善,获取地 质历史时期可靠的地球磁场古强度数据已成为可能.最近通过对大洋玄武岩进行的古强度研 究表明,在CNS开始和结束时地球磁场古强度分别仅为现今地球磁场强度的45%和25%[21]. 对120Ma以来的911个地球磁场古强度数据进行的统计分析表明,在120~80 Ma时间间隔内 地球磁场古强度要比15 Ma以来平均强度低. 为了认识CNS期间地球磁场强度演化规律,利用修正的Thellier方法对山东蒙阴白垩纪 10个采样点的115块火成岩样品进行测定,样品的年龄为(95±5) Ma(Ar40/Ar39法年龄).为 避免因加热引起矿物氧化,样品的加热和冷却过程在氩气中进行.剩磁测量是在零磁空间中 的2G超导磁力仪完成.试验中所需的稳定磁场(0.05 mT)由恒流源提供.对所有的试验结果 进行加权统计平均,得出95 Ma时地球磁场的偶极矩为(4.2±0.38)×1022Am2.约为现今地 球磁场偶极矩的50%.现有的研究结果初步显示了地球磁场古强度不仅在CNS期间显著降 低,而且在其前后的变化具有不对称性,即CNS开始之前地球磁场强度降低的速率要大于 CNS之后的恢复速率,同时地球磁场强度在中生代时期都较低(即MDL). 我们认为,热边界层的不稳定性可以用来解释120~80 Ma期间地球磁场强度减弱,这是 由于热边界层的顶底温度不能快速变化,因此通过热边界层的热流通量与热边界层的厚度成 反比.这就使得MDL可能对应于热边界层的减薄期[22]. 150 Ma以来世界范围内海洋及俯冲 带的火山活动证实,地球磁场强度的长周期变化与核幔边界的不稳定性有关. 114~105 Ma期 间岩浆喷发达到顶峰,而这之前是一段平静期.这一时期巨量的岩浆岩喷发与核幔边界热边 界层的解体有关.若地幔柱的上升速率为0.5 m/a,那么它从核幔边界上升到地表需要5~6 Ma.因此,地球磁场强度增生的时间应该在120~115 Ma,这与古地磁研究得到的结果一致. 4　极性转换期间地球磁场形态学 虽然古地磁学为60年代海底扩张和板块构造理论的建立提供了有力的证据,但人们对极 性转换期间地球磁场的变化规律知之甚少.因此,有关极性转换期间地球磁场时空变化特征 成为当前地磁学科的前沿课题之一.早在本世纪60年代,古地磁学家就开始研究极性转换期 间地球磁场的形态.但由于极性转换通常是发生在几千年的时间尺度,这不仅要求记录古地 磁场的介质可靠性高,而且要求具有较高的分辨率.加上古地磁测量技术的限制,这一研究 进展很缓慢.直到70年代后期,不同研究者才利用湖相和海相沉积物以及火山熔岩获得了 某些极性转换期间地球磁场的变化.不同研究者从理论上对极性转换期间地球磁场形态提出 了多种模型,其中影响较大的有3种,即轴对称四极子场为主的模型[23]、“偶极子场逐渐衰 减”模型[24]、“振荡变化”模型[25].这3种模型都认为极性转换期间地球磁场以非偶极子场为 主. 90年代,由于古地磁测量技术的进一步发展,极性转换期间地球磁场形态学研究成为地 磁学家争论的热点之一.特别是有关极性转换期间地磁极的分布特征引起地球科学家的广泛 关注.采样点分布的不均匀性(现有的采样点主要位于西欧和北美)和古地磁记录的可靠性是 争论的焦点.利用特殊的统计方法,证实了已有的极性转换期间虚地磁极确实环太平洋分 布[26].但大多数采样点的经度与环太平洋分布的虚地磁极经度差是90°.根据现代地球磁场 的分析认为:虚地磁极与采样点经度差为90°是地磁非偶极子场的固有特征[27].因此,为了 进一步认识极性转换期间地球磁场时空分布特征以及虚地磁极与地球内部其他物理现象的可 能相关性,在环太平洋区域选择适合研究极性转换期间地球磁场形态的剖面是非常重要的. 近年来,对中国黄土沉积物剩余磁性进行的研究表明,这种沉积物的剩余磁性受生物扰动和 化学变化的影响较小,受“Smoothing”和“Lock-in”效应的影响也较小,而它的沉积速率比深海 沉积速率要高,是研究极性转换期间地球磁场形态学的较好介质.研究结果表明,一个完整 的极性转换并非由一个突变或渐变的过程构成,而是由多次快速倒转组成,每次快速倒转经历的时间约几百年[28];从统计意义上来说,尽管极性转换期间地球磁场强度减弱,但仍以偶 极子场为主[29].同时,进一步证实了极性转换期间地磁极不仅存在环太平洋分布的特征,而 且还常常在一些特定的地点(如澳大利亚)聚集成簇[30].极性转换期间地磁极分布特征反应 了地球内部的动力学特征.理论研究表明,地核内流体的运动在太平洋是低速区[31],而下地 幔的地震P波在环太平洋域则为高速区[32].由此可见,地磁极性倒转过程不仅受控于地核 内流体运动状态的变化,而且与下地幔的结构有关.通过对这些实验结果进行分析研究,作 者认为地球磁场从正极性到负极性或从负极性到正极性的快速倒转在时间分布上是随机性 的.这些实验结果和理论分析对于建立合理的转换场形态学理论模型和认识地磁极性倒转机 制具有重要的科学意义.值得注意的是,从理论上证明,非偶极子场同样可以产生环太平洋 分布的虚地磁极[33].因此,极性转换期间地球磁场究竟是以偶极子场还是非偶极子场为主, 仍存在着很大的争议. 对极性转换期间地球磁场变化争议的另一个原因是缺乏可靠的强度数据.尽管沉积岩有 较好的时间连续性,但由沉积剩磁获得地球磁场绝对强度几乎是不可能的.目前,可靠的地 磁场强度资料主要来自对火山岩的研究,这就决定了地磁场古强度记录的不连续性.统计分 析表明, 2.6 Ma以来地球磁场处于正极性期和反极性期的强度基本相等[34]. Bogue等人[35] 研究夏威夷火山熔岩流时发现,地磁极性发生倒转前后强度减小的程度存在差异(分别为 75%和50%).对极性转换期间地球磁场时空变化详细测定的另一实例是对Steens Mountain 火山岩的研究.俄勒冈东南部的Steens Mountain发育的熔岩((15.5±0.3) Ma)记录的R-N转 换过程表明,地球磁场方向和强度分别以3°/a和300μT/a惊人速率变化[36],这可能预示了 CMB处流体运动速率的变化至少达1 km/h.同时,这样高的地球磁场变化速率没有被地幔电 磁现象掩盖,这就要求下地幔电导率仅为原来设想值的1/4~1/5.欧洲的一些学者[38]提出 了地球磁场强度变化的“锯齿”模型[37],进一步的研究揭示出磁场强度的变化是引起地磁极 性倒转的先决条件[38]. 5　地球磁场演化与某些地质事件的可能相关性 地球外核流体运动产生磁场,同时核、幔之间的耦合会影响外核流体运动以及D″层的物 理和化学状态,进而影响地核发电过程.从D″层产生的地幔柱或下地幔进入D″层的冷物质会 改变地幔对流和外核流体的运动;反过来,外核流体运动状态的变化会影响地幔对流,进而 影响板块运动和大洋玄武岩的喷发.由此可见,通过核、幔边界的耦合,地球磁场变化与地 幔对流、地幔柱的活动、全球热流变化、真极移、气候演化、火山链、大陆玄武岩的喷发以及生物 灭绝等事件可能存在一定的相关性.也就是说,通过仔细研究地质历史时期地球磁场的变 化,不仅可以认识地球内部的物理过程,而且可以了解上述各种地质事件的演化规律.当 然,地球磁场变化与这些地质事件的演化可能会存在某种相位差. 在地球演化过程中,白垩纪具有一定的特殊性. 150Ma以来黑色页岩、洋壳产量、古温 度、古海平面和石油储量以及地球磁场变化特征表明(图2),中生代大油田主要在CNS期间形 成,黑色页岩只产于CNS期间,洋壳产量在CNS期间比80 Ma以来的平均值高出近1倍,古温 度和古海平面在CNS期间的变化也十分显著.现在多数学者认为,这些并发事件在成因上可 能存在着一定的联系.图2所示的地质事件主要来自对洋壳的研究,那么大陆的情况怎么样 呢?我们知道,中国东部从挤压向伸展构造的转折大约发生在130 Ma左右,这与出现CNS的时间是一致的;另外,CNS也是我国大庆油田的主要生油期,这可能意味着CNS期间地球内部 物理过程的异常是全球性的.正是地球内部物理和化学过程的异常变化导致了CNS和一些 全球性地质事件的出现. 通过对深海沉积物的研究,发现地球轨道要素的变化会影响地球磁场强度和气候的 化[39].由此提出地球磁场强度与气候变迁存在着某种相关性.随后对深海沉积物剩余磁 的研究则表明,天然剩磁强度的变化与沉积物所含磁性矿物的种类、粒度和含量有关.要 诸多因素中分离出地球磁场强度变化的影响非常不易,因此利用深海沉积物研究地球磁场 度与气候变迁之间的相关性是很困难的[40].上述分析也说明,地球磁场和气候变化可能都 地球内部物理和化学变化的结果,二者之间并不存在因果关系. Glass等人[41]提出,0.7 Ma前陨石撞击地球造成地表生物灭绝,并且使地核流体运动状 发生变化,从而引起地磁极性倒转(M-B).他们认为,巨型陨石撞击地球使大气中产生大量 埃,从而引起地表气温下降和冰期的出现,导致极地冰量增加和海平面下降;造成地球旋 惯量和自转速率的变化,从而使CMB的剪切力发生改变,进而引起地磁极性倒转频率的 化[42].也有一些学者[43]不赞同陨石撞击地球与磁极倒转和生物灭绝存在相关性.比如0·7 前降落于澳大利亚、印度尼西亚和印度洋的巨型陨石为什么未使生活于澳大利亚的袋鼠灭 20Ma以来的70余次地球磁场极性倒转绝大多数并不对应于地外天体撞击事件.尽管白垩 末巨型陨石撞击地球可能是恐龙灭绝的主要因素,但并不等于地磁极性倒转或漂移事件与 体撞击相关.这说明陨石撞击地球可能不会对外核流体的运动状态产生明显的影响. 地球内部是处在动态的演化过程,要深入研究地球内部的物理化学性质,认识地质历 时期各种古地球物理场(如重力、磁、电等)是非常有用的.特别是地球磁场的信息能够被岩 所记录,因此古地磁学研究对于认识地球内部演化特征具有重要意义. 致谢　作者非常感谢马宗晋先生对本项研究的鼓励和指导.本工作为国家杰出青年科学基金(批准 49454005)和中国科学院“百人 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 ”资助项目. 参　考　文　献 1　David P. Sur la stability de la direction d’aimantation dans quelques roches volcaniques. C R Acad Sci Paris, 1904,138: 41~42 2　Brunches B. Recherches sur le direction d’aimantation des roches volcaniques. J Phys, 1906, 5: 705~724 3　Matuyama M. On the direction ofmagnetization of basalt in Japan, Tyosen andManchuria. Proc Imp Acad Japan, 1929, 5: 203~2 4　Cox A, Dell R R, Dalrymple G B. Geomagnetic polarity epochs and Pleistocene geochronometry. Nature, 1963, 198: 1049~105