世界是一個巨大的“磁”盤：記錄地球的記憶“碎片”

更新于：2025-03-26 07:19:50

地球，這顆我們所居住的星球，其表面上山川起伏，海洋廣袤。它的演變過程充滿了無數的謎團和秘密，一直以來都是地球科學家們研究的焦點之一。從20世紀初開始，隨著科技的進步和數據的積累，人類對地球內部結構和地表形貌變化的理解逐步深入。在這些研究的過程中，古地磁學作為一個重要的分支，為理解地球板塊漂移和構造運動提供了關鍵的證據和線索。

引言：探索地球之謎

地球自誕生以來，其表面和內部一直在不斷變化和演化。我們所看到的大陸和海洋，其形成背後蘊含著何種深刻的地質過程？山巒、裂谷這些雄偉奇特的自然景觀如何形成？地震、火山爆發等自然現象又是為何發生？這些問題的探索，不僅挑戰著科學家們的想像力，也促使他們採用各種創新的方法來解析這個星球的歷史和現狀。

以現代地球科學的眼光來看，板塊構造理論可以為我們理解這些地質活動提供基本的框架。板塊構造理論認為地球表面的岩石地殼被分割成多塊大板塊和小板塊，它們在地質時間尺度上相對運動。這種運動導致了地球表面上的各種地質構造，如山脈、海洋中脊、地震帶和火山帶的形成。板塊的相互碰撞、分離和橫向滑動引起了地球表面的地形變化，形成了大陸的隆起和下沉、海洋的擴張和收縮。這些地質過程不僅塑造了地球的地貌，也直接導致了自然災害的發生，如地震、火山噴發等。

如今這一理論已經普遍被科學界認可，而該理論的雛形20世紀初期的大陸漂移假說，卻遭到了幾十年的抵觸。正是古地磁學，通過其獨特的的研究方法和發現，有力地支援了大陸漂移說，併為板塊構造理論的確立提供了重要的地質證據和動力學機制。

板塊運動解釋地質現象卡通圖

1、古地磁學的起源與發展

人類對磁性（磁鐵）的探究可以被追溯到古代，中國和希臘是最早發現並利用磁石的兩個文明。古代中國稱其為“慈石”或“磁石”，傳說中，磁石最早由一位叫黃帝的部落首領發現。磁石因其吸引鐵的特性，引起了古人的注意。公園前2世紀的《呂氏春秋》中，就對磁石的吸鐵特性有著形象的描述，講“慈石召鐵，或引之也”。西漢奇書《淮南子》中亦有記載講、稱“慈石能吸鐵，及其於銅則不通矣”。

古希臘的哲學家泰勒斯和亞里士多德也對磁石進行了早期的研究。泰勒斯認為磁石具有一種“靈魂”，因為它能使鐵動起來。亞里士多德在其著作《物理學》中也提到了磁石的吸鐵特性。西元前4世紀，中國發明瞭“司南”，這是世界上最早的磁性指南針，最初用於占卜和風水，但後來逐漸用於航海和地理定位。

司南復原示意圖

古地磁學作為一門研究地球歷史上地磁場變化的科學，真正起源於19世紀，並在20世紀中期得到發展並確立為一門學科。在19世紀末，科學家注意到岩石中的磁性礦物，如磁鐵礦（Fe3O4）和赤鐵礦（Fe2O3），在形成時會記錄地球磁場的方向。這些礦物在高溫下失去磁性，但在冷卻過程中重新獲得磁性，記錄下當時的地球磁場。這是由於地球核心的液態外核中鐵和鎳的運動生成了地球的自旋磁場，類似於一個巨大的磁鐵。當火山岩或沉積岩形成時，它們可以記錄當時地球磁場的方向和強度。這種記錄稱為“天然剩磁”。岩石冷卻或沉積後，鐵礦物顆粒會在地磁場的作用下排列，記錄下當時的磁場方向。通過精密的磁性測量設備，科學家們可以分析這些礦物的剩磁，從而獲取古代地磁場的資訊。

地磁場示意圖

2、板塊構造理論的關聯

在20世紀中期，隨著技術的進步和數據的積累，古地磁學迎來了重要的突破，也為板塊構造理論的提出做出巨大貢獻。

極移曲線

科學家們通過採集地球各地不同時期的岩石樣本，利用磁性測量儀器測定其磁化方向。這些數據被記錄並存儲在全球資料庫中，形成了地球歷史上不同時期的古地磁地圖。通過比較和分析這些地圖，科學家們能夠推斷出過去地球的磁場分佈情況，以及不同地區板塊的相對位置。結果顯示，不同大陸的古地磁極移曲線可以匹配，這表明不同時期大陸的位置不同。這一證據進一步支援了大陸漂移假說。

地磁場示意圖中展示了極移曲線與各大洲位置關係。曲線的匹配說明了，大陸的移動。

地磁倒轉

除了地球磁場隨時間在明顯地移動外，古老岩石還有另一種令人驚訝的磁特性——磁性方向時不時地倒轉。例如，現今羅盤指標指向北方，但是80萬年前羅盤的北箭頭指向南方。換句話說，每隔幾千到幾百萬年地磁場會完全翻轉，因此北極到南極的磁場線會改變方向，同時地球的磁極性也發生了變化。按照慣例，岩石磁性與今天的磁北方向一致時被稱為“正向”，那些指向南方的被認為是“反向”。

具有反極性的岩石最初是由法國物理學家貝爾納·布呂納(Bernard Brunhes)於1905年對法國奧弗涅火山進行分析時發現的。然而，這隻是個例，所以沒有人知道該怎麼證實。後來日本地球物理學家松山基范（Motonori Matuyama），收集了日本和中國東北地區的玄武岩樣品，通過對不同地質年代的岩石磁性研究，他發現某些岩石記錄的磁場方向與現代地磁場方向相反。這一發現表明，地球磁場在地質歷史上經歷了多次反轉。

在20世紀50年代末和60年代初，古地磁學家艾倫·考克斯(Allan Cox)和理查·德爾(Richard Doell)開始從大時間尺度上解決磁性反轉的問題，他們前往世界各地，採集了更多不同的岩石樣品。這時候岩石年齡的測定方法也越來越準確，他們將大量岩石樣品的年齡和磁性進行對應編製了地磁極性年表。他們的研究揭示了地球磁場在不同地質時期的倒轉規律，為理解地磁場的長期變化和地質年代的劃分提供了重要依據，並且對大陸漂移和板塊構造理論的發展起到了支撐作用。

地磁極性年表

地球磁場的翻轉是地球物理學中的一個重要現象，那麼，是什麼原因導致地球磁場發生翻轉呢？科學家們提出了幾種假說。最主流一種假說認為，地球磁場的翻轉可能與地球內部的流體動力學過程有關。地球的外核是由液態鐵和鎳組成的，這些液態金屬的運動會產生地磁場。當外核中的流動模式發生變化時，可能導致地磁場的翻轉。計算機類比表明，當外核中的對流模式改變時，磁場可能會經歷不穩定期，最終導致磁極反轉。也有一些學者認為，地磁場的翻轉可能與地球內部熱量分佈的變化有關。地球內部的熱量主要來自放射性元素的衰變和地核冷卻過程中釋放的熱量。當地球內部的熱量分佈發生變化時，可能導致地核中的流體運動模式改變，從而引發地磁場的翻轉。還有些假說認為，地磁場的翻轉可能與地外因素有關。例如，太陽活動週期、行星引力作用等都可能對地磁場產生影響。這些外部因素可能通過改變地球內部的動力學過程，進而引發地磁場的翻轉。

地磁條帶和海底擴張

第二次世界大戰結束後，海洋地質學迅速發展，科學家們（德拉蒙德·馬修斯（Drummond Matthews）和弗雷德·萬（Fred Vine）以及勞倫斯·莫利（Lawrence Morley）等）在研究大西洋中脊附近的海底岩石時，發現了一種明顯的磁性條帶模式。這些條帶呈現出成對的對稱分佈，其中一些區域的岩石具有正磁性極性（與現代地磁場方向相同），而另一些區域的岩石則具有反磁性極性（與現代地磁場方向相反）。但洋脊完全由外觀相似的玄武質熔岩構成，因此不能用岩石類型的差異解釋磁異常條帶。這種平行排列的磁異常條帶的成因讓科學界感到迷惑。

磁性條帶模式

哈裡·赫斯（Harry Hess）是美國的地質學家和海軍軍官，他在二戰期間曾指揮一艘裝有深度探測儀的運輸艦，這讓他有機會收集大量的海底地形數據。赫斯通過這些數據發現，了深海平原和大洋中脊的存在。這些發現引起了他的濃厚興趣，特別是大洋中脊——一條橫貫全球的巨大海底山脈系統。這些海底特徵讓赫斯開始思考地球表面形態的成因，以及海底地殼的生成和演化過程。同時以前的研究也發現海底地殼在大洋中脊附近較新，而離大洋中脊越遠的地方，地殼越古老。於是他提出，大洋中脊是地幔岩漿上升並在海底冷卻固結形成新洋殼的地方。新生成的洋殼從大洋中脊兩側向外擴展，逐漸推開舊洋殼。

艦艇攜帶回聲測深儀探測海底情況

東南太平洋和大西洋的現代地圖

大洋中脊：高聳於深海海底，形成一長串山脈。例如，大西洋中部的淺藍色嘎斯。深海海溝：發現於大陸邊緣或活火山鏈附近的海洋中。例如，南美洲西部最深的藍色。深海平原：平坦地區，儘管許多地區點綴著火山山脈。例如，南美洲東南部的持續藍色。當他們第一次觀察這些測深圖時，科學家們想知道是什麼形成了這些特徵。

海底在洋中脊處最年輕（紅色），隨著與海脊的距離逐漸變老（藍色）

一切都說的通了！這些地磁異常條帶的形成是由於地球磁場的週期性翻轉。地球的地磁場並非固定不變，而是經歷了數百萬年的時間尺度上的翻轉，即地磁極的正向和反向變化。當地磁極翻轉時，由於擴張新產生的海底岩石會記錄下當時的地磁場方向，形成具有不同磁性極性的條帶。地磁異常條帶的發現和分析為海底擴張理論提供了直接的證據，也為板塊構造理論提供了重要的地質證據。