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

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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

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. 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１6５Ma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1６5Mａ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