古地磁学

出处：按学科分类—自然科学总论 北京出版社《现代科技综述大辞典上》第660页（3449字）

是介于物理学、地球物理学与地质学之间的一门新兴的边缘学科。

它是借助于测定岩石和古代文物的剩余磁性研究，来追溯地质时期和人类历史时期地球磁场特征及其演化的科学。尽管人们对地磁场的认识可以追溯到几千年以前，但对地磁场系统的测量却历史不长，因此利用直接观测的资料不可能了解更远时期的地磁场，这就必须依靠古地磁的研究来解决。

古地磁学研究内容十分广泛，主要包括3个方面：(1)研究岩石的磁性；(2)通过岩石的剩余磁性来解决地质学上的重大问题；(3)研究过去地磁场的缓慢变化。古地磁学近代所取得的成果，不仅在基本磁场研究中使人们认识到地球磁场的倒转和演化，在考古地磁学、磁性地层学、古纬度研究以及找矿、地质填图等生产实践活动方面均发挥了重要作用。

而且在探讨地壳运动规律、研究海底扩张、大陆漂移和板块运动理论等方面更具有重大的意义，推动了地球科学的革命。

中国对磁学知识的了解和应用历史最早。公元前239年《吕氏春秋·精通》中记有“磁石召铁，或引之也。”是世界上最早记载磁石吸铁的现象。

公元25～220年，王充《论衡·是应》中记载了“司南之杓，投之于地，其柢指南。”司南勺就是指南针的前身。1044年北宋曾公亮《武经纪要》中，记载了指南鱼能识别方向及制作方法。这也是关于利用热剩磁原理在地磁场中进行人工磁化的最早记载。

沈括《梦溪笔谈》中明确记载了地磁偏角及岩石反向磁化的现象，不过当时并不知道岩石反向磁化的原因。1119年北宋朱或在《萍州可谈》中记有当时已把指南针用于航海事业上。这一时期的国外关于地磁现象的发现、指南针的应用、对地球磁性知识的认识和利用，均比中国晚得多。至1205年法国才制造出指南针，1269年E．Perigrinus才发现磁铁两端有指北和指南的性质。

1544年G．Hartmann发现了地磁倾角的存在。1546年G．Mercator注意到磁偏角的存在。1576年R．Horman第1次记录了欧洲一些地方磁倾角和磁偏角数值的变化。1600年W．Gilbert发表了《磁学》论文，用均匀磁化球体的概念来描述地球磁场的特性，第1次指出地磁场具有偶极子磁场的特征，至今该论点仍具有重要意义。

1848年A．Delesse第1次研究了岩石天然剩余磁性，指出一些熔岩的剩磁是平行于地磁场而均匀地磁化的。

1853年M．Mellonio也发现了意大利维苏威火山熔岩的剩磁是平行于当地磁场方向。1904年P．David研究了受熔岩流烘烤的物质，发现它们同时磁化时所获得的磁化方向是相同的。1906年B．Brunhes首次在法国发现了熔岩的天然剩余磁化方向与现今地磁场方向相反，认为这种反向磁化现象并非是自然雷电影响造成的。

随后，1926年P．L．Mercanton通过研究北欧、澳大利亚的岩石磁性，证实了B．Brunhes的岩石反向磁化现象，认为这种现象具有世界性。1929年日本松山基范指出，第四纪早期的熔岩的磁化方向才与今天的地磁方向一致。1925年，被称作近代古地磁学研究的先驱R．Cherallier发表了对意大利埃特纳火山熔岩的剩磁测定数据，与同时期的历史记录相比，大致相同，提出了12世纪以来地磁场方向变化的踪迹。这些研究记录了岩石生成时期或粘土焙烧时期地磁场的信息，这种天然剩余磁性可以保存相当长的时期。

因此通过测定岩石或古代焙烧粘土的天然剩余磁化强度的大小和方向．为研究古地磁场的特征和演变奠定了基础。20世纪30年代以后，古地磁研究进一步对测量技术和分析方法进行了改进。如L．Neel的反磁化现象物理机制的解释；R．Fisher关于剩磁方向的球函数分布的研究；P．M．S．Blackett对无定向磁力仪的制作与使用等，使古地磁研究取得了较快的发展。

20世纪50年代，古地磁学开始真正成为一门学科，最初的研究工作主要在英国、法国、日本、前苏联和中国进行。

这个时期S．K．Runcorn等大举推进了古地磁极位置变化的研究，研究发现了地质时期古地磁极的位置并不是固定不变的，而是随着时间的推移在不断变动，这实际上就证实了1912年A．Wegener首先提出的大陆漂移的存在。后来通过地壳和上地幔计划的实施，对大陆的火山熔岩以及海底地磁条带异常的测量，并结合同位素年代测定，发现了地质时期地球磁场发生过多次频繁的倒转。这个时期的古地磁学研究，还揭示了海洋中由洋中脊向其两侧的地磁极性呈现正反交替的磁化方向，并且基本上对称。根据同位素年代的测定，靠近洋脊的海底岩石地质年龄较新，愈远则愈老。

于是1960年由H．H．Hess和R．S．Dietz提出了海底扩张的概念。1969年A．Cox和1974年W．C．Pitman等在此基础上，制定出磁极年表，后来又根据磁极年表，编制了三大洋(太平洋、大西洋、印度洋)洋底年龄图。

古地磁的大量研究成果都支持了大陆漂移的论点，导致了在1967年D．P．Mckenzie、1968年W．J．Morgan和X．Lepichon先后提出了全球构造——岩石圈板块构造学说，促进了地球科学的发展。

近年来，古地磁学取得了以下重大成就：(1)地质历史时期的地磁极并非固定地停留在一点上，而一直是在不断地移动。

例如，中国古地磁极位置座标以其纬度而言，更新统大约处在北纬80°，第三纪是在北纬70°左右。(2)研究表明，不同地质时期有不同的地磁极位置，来自同一个大陆的岩石所测定出的古地磁极位置的移动有一定的规律，形成一条视磁极迁移轨迹。但是相同地质时期，来自不同大陆上岩石所得到的古磁极位置却彼此分离，随时代变老，偏离越远。如英国和北美所测得的视磁极迁移轨迹是两条相隔一定距离而又相似的曲线。S．K．Runcorn首先指出这种位置差异原因，是地质时期北美相对欧洲曾发生向西漂移而又顺时针运动的结果。(3)研究发现在地史上，地球磁场曾发生过多次180度的反向，即整个地球的磁极曾经完全倒转。若把地磁场极性变化按照地层年代排成序列，并在极性变化界线处配以同位素年代数据，则编制成地磁极性年表。现在已知每个地质时期均有地磁场倒转，自晚白垩世以来倒转可能达170余次。

地磁场倒转的发现，为磁性地层学研究奠定了基础，也为海底扩张、岩石圈板块运动理论提供了最为有力的依据。

总之，古地磁学研究对象可以是陆地上的沉积岩、岩浆岩和变质岩，也可以是采自海洋底的各类岩石，还可以测定来自月岩等地球之外物质及陨石。

在近代的国际地球科学合作计划中，古地磁一直是重要的研究课题，如国际地球动力学计划中的区域古动力史研究；岩石圈研究计划中的岩石圈起源与演化，前中生代构造和大陆极移轨迹，以及板块运动的再造等方面，古地磁学都将越来越发挥其重要的作用。

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【参考文献】：

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(安徽师范大学王浩清副教授撰)