古地磁学 palaeomagnetism

测定岩石和某些古物的天然剩余磁性，分析其磁化历史，研究导致它们磁化的地磁场特征的学科。其中以古物（如古陶器和古砖瓦）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。

A.德莱斯（1849年） 和M.梅洛尼（1853年）分别研究岩石天然剩磁的方向，发现这些近代熔岩是沿着地磁场方向磁化的。

1899年G.福尔盖赖特把研究扩展到测定古陶器和古砖的天然剩磁，得到了相同的结果。

1925年R.谢瓦利埃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。

P.达维德（1904年）和B.布容（1906年）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，古地磁学的研究得到了蓬勃的发展，为大陆漂移说的复兴和板块构造说的建立奠定了基础。

1. 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，成岩石的剩余磁性，简称剩磁。这样的磁化过程称热磁化，由此获得的剩余磁性称热剩磁（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，这种磁性称碎屑剩磁（简称 DRMD） 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，这部分磁性称化学剩磁（简称CRM）。

除上述三种主要的剩磁之外，还有等温剩磁（简称IRM），黏滞剩磁（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称原生剩磁。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称次生剩磁。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。

2. 古地磁学原理和各种参数的确定

地球上同一时期生成的岩石所获得的磁性都是由当时的地磁场所决定的。因此，可以通过各种古地磁参数，如偏角、倾角、古磁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。分析这些变化，可以追溯它们所经历的地质事件。

地磁场可以近似为一个位于地心的偶极子磁场。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1万～10万年。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，即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。

地球上在相同年代生成的岩石所获得的磁化方向与当时当地地磁场的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，而且它们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，如漂移或转动，那么保存在岩石内部的磁化方向也将随之改变。因此，从磁化方向的易位可反推地块地理位置的变动。

采集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φ和经度λ，可以算出相应的磁极位置。

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状况。因此，由单个岩体数据计算出的磁极称虚地磁极（简称VGP）。虚地磁极沿顺时针方向绕地理极运动，周期约为1万年。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1万年时，则由它们的平均数据算出的磁极才称古地磁极。古地磁极与地极是一致的。

由倾角I的平均值，可以算出岩石产地的古地理纬度φ'，简称古纬度。由古纬度φ'与现在纬度φ之差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。

3. 古地磁极移与大陆漂移

20世纪50年代以来，大量的研究表明，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。将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称做极移曲线。它只是一种表观现象，而不是真实过程，因此又称作视极移曲线。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的变动。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，并为板块构造学说的建立提供了实验证据。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。

4. 地磁极性倒转

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，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称正常极性，相反的称倒转极性。这种观点由达维德和布容首先提出。

1926年P.L.梅康通指出，地磁倒转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年日本松山基范研究了日本和中地磁极性转向年表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。

20世纪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。

5. 地磁极性年表

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，称作地磁极性年表。利用极性年表，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，年表已成为研究地层学问题的有力工具。

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10万~100万年的极性转变称做极性期或极性时；持续时间为1万~10万年的称极性事件或极性亚时。

1969年，A.V.考克斯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E.A.曼基南等人的修订，已被公认为标准年表（图1a）。后根据海底磁异常又推算出8000万年以来的年表（图1b）。

1975年R.L.拉尔森和T.W.C.希尔德改进了晚侏罗世至早白垩世的地磁极性年表（图2）。由年表可见，1.6亿年前~1.1亿年前，是地磁场频繁倒转时期，有关磁异常编号之前冠以M字；1.1亿年前～0.8亿年前，是近3000万年的漫长正极性期，在此期间无条带状磁异常生成，形成磁静带；近8000万年来，又是地磁场频繁倒转时期。

根据地磁极性年表，再根据海底玄武岩块体的厚度和磁性，可计算出理论磁异常曲线，将理论曲线与观测曲线对比可以确定条带磁异常的年龄，进而推断出大洋地壳生成的年龄及其演化历史。把深海地层的古生物年龄、同位素年龄和利用地磁年表得出的古地磁年龄三者相互对比，将有助于新生代的地质年代表和大洋地层学的研究。

摘自：《中国大百科全书（第2版）》第8册，中国大百科全书出版社，2009年