古地磁學

古地磁學的研究始於19世紀中葉。德萊斯(A.Deles-se,1849)和梅洛尼（M.Melloni,1853）分別對岩石天然剩磁的方向進行了研究，發現這些近代熔岩是沿着地磁場方向磁化的。1899年福爾蓋賴特（G.Folgheraiter）把這種研究擴展到測定古陶器和古磚的天然剩磁，也得到了相同的結果。1925年謝瓦利埃（R.Chevallier）通過研究埃特納火山熔岩的剩磁變化，追溯了過去2000年間地磁場的長期變化。達維德（P.David,1904）和布容(B.Brunhes,1906)最先從熔岩中發現了磁化方向與現代地磁場方向相反的岩石，為地磁場倒轉學説提供了最早的事實依據。到了20世紀50年代，古地磁的研究不僅在古地磁場而且在構造地質學和地層學中都得到了廣泛應用，並發展成為地磁學的一個重要分支，稱為古地磁學。60年代以來，隨着技術的進步和各種國際性研究項目的開展，古地磁學的研究得到了蓬勃的發展，並取得一些重大成果。

古地磁研究主要建立在下列兩個假設基礎上：

(1)岩石的原生剩磁方向與形成岩石時的地磁場方向一致，研究岩石的原生剩磁就能推測岩石形成時的地磁場方向。

(2)古地磁場是軸向地心偶極場。

實測記錄表明，地磁極有圍繞地理極作週期性運動的趨勢，其運動的週期可能為104～105年。上新世以來的岩石磁性的測量表明，在最近的500萬年期間，地磁極是均勻分佈在地理極四周的，其平均位置與現代地理極重合。

由於同一時期生成的岩石不管其處於地球上的哪一部分，它們所獲得的磁性都是由當時的地磁場所決定的，彼此相關聯，且具有全球一致性。因此，可以通過各種古地磁參數，如偏角、傾角、古極位置和古緯度等的測定，推算出各岩石之間在時間空間上的相互關係。如果這些岩石獲得磁性以後，經歷了某種地質事件，如構造運動等，就將引起它們的各種古地磁參數發生變化。通過對這些變化的分析，可以追溯它們所經歷的地質事件。地磁場可以近似為一個置於地心的偶極子磁場。地磁學的研究指出，近400年來的實測記錄表明,地磁極有圍繞地理極做週期性運動的趨勢,其運動的週期可能為104～105年。上新世以來的岩石剩餘磁性的測量結果表明,在最近500萬年期間，地磁極是均勻分佈在地理極四周的，其平均位置與現代地理極重合。因此，可以根據各個年代的岩石剩磁的測量結果,計算出古地磁極的位置,並用以代表地理極位置。這就是説，地心偶極子的磁軸與地球的轉軸重合。這就是著名的軸向地心偶極子假説。它是古地磁學中的一個非常重要的基本假説。

在地球上任何地方，相同年代生成的岩石所獲得的磁化的方向與當時當地的地磁場方向基本上是一致的。由這些磁化方向推算出的磁極位置就是當時的地磁極位置，而且所有岩石的磁化方向應該對應同一個磁極位置。如果某些岩石在磁化以後，地理位置發生了變化，如發生了地塊的漂移，或在原地發生了水平面內的轉動，那麼保存在岩石內部的磁化方向也將隨之改變其空間方位。因此，從磁化方向的易位可反推地塊或地理位置的變動。 　利用某地某個地質年代的岩石標本可以測定其剩磁方向，進而確定出這個年代該地的磁偏角D和磁傾角I。已知岩石標本產地的地理緯度嗘 和經度λ, 由下列球面三角公式可以算出相應的磁極位置,其中嗘p和λp分別為磁極的緯度和經度。

sin嗘p=sin嗘 cosθ'+cos嗘 sinθ'cos D

（-90°≤嗘p≤+90°）。

當cosθ'≥sin嗘 sin嗘p時，

λp=λ+β，

當cosθ'嗘 sin嗘p時,

λp=λ+180°-β，

式中β是磁極與標本產地的經度差，由

決定(-90°≤β≤+90°),θ'=90°-嗘 '為岩石標本產地的古地磁餘緯度，嗘 '為古地磁緯度。

在古地磁研究中，單個的巖體，例如單個的熔岩流，所保留的剩磁只反映地質史上瞬時的地磁場情況，因此，由單個巖體數據所算出的磁極叫虛地磁極 （簡稱VGP）。虛地磁極沿順時針方向繞地理極運動，週期約為 104年。因此，當用足夠的岩石標本，而且它們所代表的時間範圍超過104年時，則由它們的平均數據算出的磁極才叫古地磁極。古地磁極與地極是一致的。

由傾角I的平均值，根據公式可以算出岩石產地的古地理緯度嗘 ',簡稱古緯度。由古緯度嗘 '與緯度嗘之差就可以看出從岩石獲得剩磁以來,岩石標本產地的地理位置的變化。

①標本採取和制樣　可用手工或用輕便取樣鑽機取樣。古地磁研究主要是測定岩石剩餘磁化矢量的強度和方向，取樣時必需精確定向，並要測定岩石產狀（走向、傾向和傾角）。用磁羅盤定向，精度較低，尤其易受巖體等的磁性干擾。用太陽羅盤定向，精度較高，而且不受磁性干擾。取回定向標本再製成一定形狀和大小的樣品，供測量使用。

②磁清洗　用恆定磁場退磁、交變磁場退磁、加熱退磁、化學退磁以及低温處理等方法，把標本中的各種次生剩磁清除掉，把原生剩磁分離出來。磁清洗一般需要在零磁場空間中進行。

③剩磁測量　常用無定向磁力儀、旋轉磁力儀和超導磁力儀（見磁力儀）測量，在逐步進行磁清洗的過程中，測定樣品的剩餘磁化矢量的強度和方向，直至把原生剩磁分離出來為止。

④數據處理　對於一個採樣點來説，每塊標本可以得出一個原生剩磁方向，若干塊這樣的標本可以求得一個平均的剩磁方向，由這個平均的剩磁方向可以求出一個古地磁極位置。該平均方向的可信度用一個圓錐體的半頂角α 的值來表示。這個圓錐體是以一個單位球的中心為頂點，該平均剩磁方向為中心軸，α 角為半頂角的圓錐，它要使95%的剩磁方向都落在此圓錐體內。顯然，α 的值愈小，該平均方向的可信度就愈高，由其計算出的磁極位置的可信度也就愈高。

古地磁在生產生活中主要有如下應用：

1。關於古地磁極位置的研究促進了大陸漂移學説的發展。

20世紀50年代以後，大量的研究結果表明，由同一大陸、同一地質時代的岩石標本得出的古地磁極位置基本一致。但由不同大陸、同一地質年代的岩石標本得出的古地磁極位置卻往往不同。由同一大陸不同地質年代所得到的古地磁極位置連成的曲線叫做極移曲線。這種極移只是一種表觀現象，而不是真實的過程。據推斷，真實的過程可能是各大陸在地球上的相關位置在不同地質年代中發生了變動。不同的大陸運動情況不同，各自得出的極移曲線的形狀和走向也就不同。古地磁極移第一次為地殼水平運動提供了有力的證據，從而導致了沉寂多年的大陸漂移學説的復活和板塊大地構造學説的建立。

2．驗證海底擴張學説。

海底由地幔上湧物質冷凝而成。對流體不斷上湧，推着舊海底向兩側擴張，在海洋中脊形成新的海底。海底擴張假設得到古地磁的定量證實。

3．研究古緯度分佈規律。

用古地磁研究古緯度對找礦是有意義的。

例如，石油是古代有機物質轉化而成的，有機物質的生存與分佈與氣候條件，即與古緯度有關，研究油田的古緯度的分佈規律、對石油普查很有意義。

4．測定岩石或地下物質埋藏年齡。

(1)利用長期變化對比岩層的年代

(2)利用剩磁平均方向對比岩層年代

(3)利用極性反轉對比岩層年代

(4)利用視極移曲線對比岩層年代

5．研究構造運動。古地磁場是一個軸向地心偶極子場，可近似認為在緯度變化幾度範圍之內，磁傾角方向差別不大，如果在局部區域內，古地磁場方向出現明顯不一致，則可推斷髮生某種構造運動。

6。證實地磁倒轉的存在。

從岩石磁性測量發現的另一個關於古地磁場特徵的事實是地磁極性倒轉。古地磁極移和地磁極性倒轉是古地磁學的兩大研究成果。

岩石通常含有多種礦物成分，其中或多或少含有一些鐵磁性礦物，如火成岩。當岩漿温度降到其中所含的鐵磁性礦物的居里點(見岩石磁性)以下，這些礦物被當時當地的地磁場所磁化，從而使得岩石獲得磁性。温度繼續降到常温以後，一部分磁性被保留下來，成為岩石的剩餘磁性，簡稱剩磁。這樣的磁化過程叫熱磁化，由此獲得的剩餘磁性叫熱剩磁（簡稱TRM）。再如沉積岩,一部分磁性是由於組成岩石的磁性礦物碎屑在沉積過程中受到地磁場的作用形成定向排列而獲得的,這種磁性叫碎屑剩磁（簡稱DRM）或沉積剩磁；另一部分磁性是在成巖過程中由於在常温下氧化等化學反應、相變或結晶增長等原因而獲得的，其磁化方向也與地磁場密切相關,這部分磁性叫化學剩磁（簡稱CRM）。除上述3種主要的剩磁之外，還有等温剩磁（簡稱IRM），粘滯剩磁（簡稱VRM），壓剩磁（簡稱PRM）等。這些剩磁也都與地磁場有關。岩石在形成時獲得的剩磁叫原生剩磁。岩石生成以後，在漫長的地質年代中，由於某些原因再被磁化而獲得的剩磁叫次生剩磁。岩石的天然剩磁包括原生剩磁和次生剩磁兩部分。古磚瓦、古陶器等也含有一些磁性礦物,在焙燒過程中也會獲得熱剩磁,這種熱剩磁也與當時的地磁場有關。因此，不論岩石或古物，都可以提供研究過去某個時期地磁場特徵的有用資料。

20世紀50年代以來，大量的研究結果表明，由同一大陸、同一地質時代的岩石標本得出的古地磁極位置基本一致。但由不同大陸、同一地質年代的岩石標本得出的古地磁極位置卻往往不同。由同一大陸不同地質年代所得到的古地磁極位置連成的曲線叫做極移曲線。這種極移只是一種表觀現象，而不是真實的過程，因此這種極移曲線亦叫做視極移曲線。實際上視極移曲線反映了大陸在不同地質年代的位置發生了變動。不同的大陸運動情況不同，因此各自得出的視極移曲線的形狀和取向也就不同。由此可以追溯各個大陸的運動歷史和它們之間的相互關係。古地磁極移第一次為地殼水平運動提供了強有力的證據，從而導致了沉寂多年的大陸漂移學説的復活和板塊大地構造學説的建立。這方面的成就引起了地學家的極大重視，也促進了古地磁學的迅速發展。

研究結果表明，不同地質年代岩石的剩磁方向正負幾乎各佔一半，而且這種方向的顛倒在時間上具有很好的全球一致性。與現代地磁場方向相同的叫正常極性，相反的叫倒轉極性。這種觀點由達維德和布容首先提出。1926年梅康通 (P.L.Mercanton)又指出，如果地磁場確實發生過倒轉，那麼這種現象應在世界各地都能被發現。他研究了格陵蘭、冰島、北歐以及澳大利亞等地不同地質年代的岩石，進一步證實了地磁場倒轉的事實。1929年松山研究了日本和中國東北的第四紀熔岩，也發現同樣現象，並且發現反向磁化的熔岩總比正向磁化的熔岩年代要老。他由此推斷,第四紀早期地磁場方向與現代地磁場方向相反,到了第四紀後期二者方向才相同。60年代以後，隨着深海鑽探和海洋磁測的發展，發現大洋中脊兩側對稱地排列着正、反極性相間的磁異常條帶，這正是地磁場極性頻繁倒轉的證據。從此地磁場倒轉的學説為人們普遍接受。

把地磁場極性倒轉按照地層的時序配以同位素年齡數據,構成地磁極性的年代序列,叫做地磁極性年表。利用這種極性年表，不僅可以推算出地層的形成年代和地層所經歷的某些地質事件的年代，而且在解決地層的劃分和地層的遠距離對比方面也卓有成效。因此,地磁極性年表已成為研究地層學問題的一個強有力的工具。1927年在蒙特利爾舉行的第24屆國際地質學大會上正式確立了（地層學中）一個新的分支學科，即磁性地層學，並且統一了不同時間尺度的地磁極性轉變的名稱。持續時間為105～106年的極性轉變叫做極性期或極性時;持續時間為104～105年的叫極性事件或極性亞時。1969年,考克斯（A.V.Cox）綜合了古地磁和同位素年齡的資料,編制了 450萬年以來的地磁極性年表。這個年表後經曼基南(E.A.Mankinen)等人的進一步修訂，已被公認為標準年表。後來根據海底磁異常又推算出8000萬年以來的年表。1971年麥克爾希尼(M.W.McElhinny)和巴里克(P.J.Burek)給出了從二疊紀到第三紀的古地磁極性地層序列。寒武紀至二疊紀的年表很不精確,比寒武紀更老的年代，尚無足夠的資料以編制年表。 　極性倒轉地層的研究不僅促進了地層學的發展，而且也為海底擴張學説的建立奠定了基礎。古地磁測量還可以給出岩石產地的古緯度，這對於古氣候的研究和某些礦產生成的古地理環境的探討都有重要意義。