地球，这颗我们所居住的星球，其表面上山川起伏，海洋广袤。它的演变过程充满了无数的谜团和秘密，一直以来都是地球科学家们研究的焦点之一。从20世纪初开始，随着科技的进步和数据的积累，人类对地球内部结构和地表形貌变化的理解逐步深入。在这些研究的过程中，古地磁学作为一个重要的分支，为理解地球板块漂移和构造运动提供了关键的证据和线索。
引言：探索地球之谜
地球自诞生以来，其表面和内部一直在不断变化和演化。我们所看到的大陆和海洋，其形成背后蕴含着何种深刻的地质过程？山峦、裂谷这些雄伟奇特的自然景观如何形成？地震、火山爆发等自然现象又是为何发生？这些问题的探索，不仅挑战着科学家们的想象力，也促使他们采用各种创新的方法来解析这个星球的历史和现状。
以现代地球科学的眼光来看，板块构造理论可以为我们理解这些地质活动提供基本的框架。板块构造理论认为地球表面的岩石地壳被分割成多块大板块和小板块，它们在地质时间尺度上相对运动。这种运动导致了地球表面上的各种地质构造，如山脉、海洋中脊、地震带和火山带的形成。板块的相互碰撞、分离和横向滑动引起了地球表面的地形变化，形成了大陆的隆起和下沉、海洋的扩张和收缩。这些地质过程不仅塑造了地球的地貌，也直接导致了自然灾害的发生，如地震、火山喷发等。
如今这一理论已经普遍被科学界认可，而该理论的雏形20世纪初期的大陆漂移假说，却遭到了几十年的抵触。正是古地磁学，通过其独特的研究方法和发现，有力地支持了大陆漂移说，并为板块构造理论的确立提供了重要的地质证据和动力学机制。
板块运动解释地质现象卡通图
1、古地磁学的起源与发展
人类对磁性（磁铁）的探究可以被追溯到古代，中国和希腊是最早发现并利用磁石的两个文明。古代中国称其为“慈石”或“磁石”，传说中，磁石最早由一位叫黄帝的部落首领发现。磁石因其吸引铁的特性，引起了古人的注意。公园前2世纪的《吕氏春秋》中，就对磁石的吸铁特性有着形象的描述，讲“慈石召铁，或引之也”。西汉奇书《淮南子》中亦有记载讲、称“慈石能吸铁，及其于铜则不通矣”。
古希腊的哲学家泰勒斯和亚里士多德也对磁石进行了早期的研究。泰勒斯认为磁石具有一种“灵魂”，因为它能使铁动起来。亚里士多德在其著作《物理学》中也提到了磁石的吸铁特性。公元前4世纪，中国发明了“司南”，这是世界上最早的磁性指南针，最初用于占卜和风水，但后来逐渐用于航海和地理定位。
司南复原示意图
古地磁学作为一门研究地球历史上地磁场变化的科学，真正起源于19世纪，并在20世纪中期得到发展并确立为一门学科。在19世纪末，科学家注意到岩石中的磁性矿物，如磁铁矿（Fe3O4）和赤铁矿（Fe2O3），在形成时会记录地球磁场的方向。这些矿物在高温下失去磁性，但在冷却过程中重新获得磁性，记录下当时的地球磁场。这是由于地球核心的液态外核中铁和镍的运动生成了地球的自旋磁场，类似于一个巨大的磁铁。当火山岩或沉积岩形成时，它们可以记录当时地球磁场的方向和强度。这种记录称为“天然剩磁”。岩石冷却或沉积后，铁矿物颗粒会在地磁场的作用下排列，记录下当时的磁场方向。通过精密的磁性测量设备，科学家们可以分析这些矿物的剩磁，从而获取古代地磁场的信息。
地磁场示意图
2、板块构造理论的关联
在20世纪中期，随着技术的进步和数据的积累，古地磁学迎来了重要的突破，也为板块构造理论的提出做出巨大贡献。
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极移曲线
科学家们通过采集地球各地不同时期的岩石样本，利用磁性测量仪器测定其磁化方向。这些数据被记录并存储在全球数据库中，形成了地球历史上不同时期的古地磁地图。通过比较和分析这些地图，科学家们能够推断出过去地球的磁场分布情况，以及不同地区板块的相对位置。结果显示，不同大陆的古地磁极移曲线可以匹配，这表明不同时期大陆的位置不同。这一证据进一步支持了大陆漂移假说。
地磁场示意图中展示了极移曲线与各大洲位置关系。曲线的匹配说明了，大陆的移动。
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地磁倒转
除了地球磁场随时间在明显地移动外，古老岩石还有另一种令人惊讶的磁特性——磁性方向时不时地倒转。例如，现今罗盘指针指向北方，但是80万年前罗盘的北箭头指向南方。换句话说，每隔几千到几百万年地磁场会完全翻转，因此北极到南极的磁场线会改变方向，同时地球的磁极性也发生了变化。按照惯例，岩石磁性与今天的磁北方向一致时被称为“正向”，那些指向南方的被认为是“反向”。
具有反极性的岩石最初是由法国物理学家贝尔纳·布吕纳(Bernard Brunhes)于1905年对法国奥弗涅火山进行分析时发现的。然而，这只是个例，所以没有人知道该怎么证实。后来日本地球物理学家松山基范（Motonori Matuyama），收集了日本和中国东北地区的玄武岩样品，通过对不同地质年代的岩石磁性研究，他发现某些岩石记录的磁场方向与现代地磁场方向相反。这一发现表明，地球磁场在地质历史上经历了多次反转。
在20世纪50年代末和60年代初，古地磁学家艾伦·考克斯(Allan Cox)和理查德·德尔(Richard Doell)开始从大时间尺度上解决磁性反转的问题，他们前往世界各地，采集了更多不同的岩石样品。这时候岩石年龄的测定方法也越来越准确，他们将大量岩石样品的年龄和磁性进行对应编制了地磁极性年表。他们的研究揭示了地球磁场在不同地质时期的倒转规律，为理解地磁场的长期变化和地质年代的划分提供了重要依据，并且对大陆漂移和板块构造理论的发展起到了支撑作用。
地磁极性年表
地球磁场的翻转是地球物理学中的一个重要现象，那么，是什么原因导致地球磁场发生翻转呢？科学家们提出了几种假说。最主流一种假说认为，地球磁场的翻转可能与地球内部的流体动力学过程有关。地球的外核是由液态铁和镍组成的，这些液态金属的运动会产生地磁场。当外核中的流动模式发生变化时，可能导致地磁场的翻转。计算机模拟表明，当外核中的对流模式改变时，磁场可能会经历不稳定期，最终导致磁极反转。也有一些学者认为，地磁场的翻转可能与地球内部热量分布的变化有关。地球内部的热量主要来自放射性元素的衰变和地核冷却过程中释放的热量。当地球内部的热量分布发生变化时，可能导致地核中的流体运动模式改变，从而引发地磁场的翻转。还有些假说认为，地磁场的翻转可能与地外因素有关。例如，太阳活动周期、行星引力作用等都可能对地磁场产生影响。这些外部因素可能通过改变地球内部的动力学过程，进而引发地磁场的翻转。
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地磁条带和海底扩张
第二次世界大战结束后，海洋地质学迅速发展，科学家们（德拉蒙德·马修斯（Drummond Matthews）和弗雷德·万（Fred Vine）以及劳伦斯·莫利（Lawrence Morley）等）在研究大西洋中脊附近的海底岩石时，发现了一种明显的磁性条带模式。这些条带呈现出成对的对称分布，其中一些区域的岩石具有正磁性极性（与现代地磁场方向相同），而另一些区域的岩石则具有反磁性极性（与现代地磁场方向相反）。但洋脊完全由外观相似的玄武质熔岩构成，因此不能用岩石类型的差异解释磁异常条带。这种平行排列的磁异常条带的成因让科学界感到迷惑。
磁性条带模式
哈里·赫斯（Harry Hess）是美国的地质学家和海军军官，他在二战期间曾指挥一艘装有深度探测仪的运输舰，这让他有机会收集大量的海底地形数据。赫斯通过这些数据发现，了深海平原和大洋中脊的存在。这些发现引起了他的浓厚兴趣，特别是大洋中脊——一条横贯全球的巨大海底山脉系统。这些海底特征让赫斯开始思考地球表面形态的成因，以及海底地壳的生成和演化过程。同时以前的研究也发现海底地壳在大洋中脊附近较新，而离大洋中脊越远的地方，地壳越古老。于是他提出，大洋中脊是地幔岩浆上升并在海底冷却固结形成新洋壳的地方。新生成的洋壳从大洋中脊两侧向外扩展，逐渐推开旧洋壳。
舰艇携带回声测深仪探测海底情况
东南太平洋和大西洋的现代地图
大洋中脊：高耸于深海海底，形成一长串山脉。例如，大西洋中部的浅蓝色嘎斯。深海海沟：发现于大陆边缘或活火山链附近的海洋中。例如，南美洲西部最深的蓝色。深海平原：平坦地区，尽管许多地区点缀着火山山脉。例如，南美洲东南部的持续蓝色。当他们第一次观察这些测深图时，科学家们想知道是什么形成了这些特征。
海底在洋中脊处最年轻（红色），随着与海脊的距离逐渐变老（蓝色）
一切都说的通了！这些地磁异常条带的形成是由于地球磁场的周期性翻转。地球的地磁场并非固定不变，而是经历了数百万年的时间尺度上的翻转，即地磁极的正向和反向变化。当地磁极翻转时，由于扩张新产生的海底岩石会记录下当时的地磁场方向，形成具有不同磁性极性的条带。地磁异常条带的发现和分析为海底扩张理论提供了直接的证据，也为板块构造理论提供了重要的地质证据。
洋中脊扩展导致板块运动
3、展望
综上所述，古地磁学作为一门关键的地球科学分支，为板块构造理论的形成和发展提供了不可或缺的证据和理论支持。通过古地磁数据的收集、分析和解释，科学家们揭示了地球演化过程中的复杂性和多样性，为我们深入理解这个星球的历史和未来提供了坚实的基础。
未来，随着技术的不断进步，古地磁学的研究将变得更加精细和全面。例如，先进的磁性测量设备和数据分析方法将帮助科学家们更准确地解读岩石中的古地磁记录。此外，地磁场反转的研究也将继续深化，科学家们希望通过实验室模拟、地质记录和计算机模拟等多种手段，揭示地磁场反转的机制和影响。
此外，古地磁学的研究将不再局限于地球。科学家们已经开始对月球、火星等其他天体的磁场进行研究。这些研究不仅可以帮助我们理解这些天体的内部结构和演化历史，还可以为探索宇宙中的其他行星系统提供重要的参考。
总之，古地磁学作为一门充满活力和前景的科学，将继续在揭示地球和其他行星的演化历史中发挥重要作用。通过不断的研究和探索，我们将更深入地了解地球的过去、现在和未来，为人类的可持续发展提供科学依据。
来源：石头科普工作室
编辑：Chocobo
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