简介：探索地球的奥秘

自地球诞生以来，其表面和内部一直在不断变化和演变。我们所看到的大陆和海洋的形成背后有哪些深刻的地质过程？雄伟独特的山脉、裂谷等自然景观是如何形成的？为什么会发生地震、火山爆发等自然现象？对这些问题的探索不仅挑战了科学家的想象力，也促使他们利用各种创新方法来分析这个星球的历史和现状。

从现代地球科学的角度来看，板块构造理论可以为我们认识这些地质活动提供基本框架。板块构造理论认为，地球表面的岩石地壳分为大板块和小板块，它们在地质时间尺度上相互相对运动。这种运动导致地球表面形成各种地质构造，例如山脉、洋中脊、地震带和火山带。板块的碰撞、分离和横向滑动引起地球表面的地形变化，形成大陆的隆起和下沉以及海洋的膨胀和收缩。这些地质过程不仅塑造了地球的地貌，还直接导致地震、火山爆发等自然灾害的发生。

如今，这一理论已得到科学界的普遍认可。然而，这一理论的原型——20世纪初的大陆漂移说，几十年来一直遭到抵制。正是古地磁学以其独特的研究方法和发现，有力地支持了大陆漂移说，为板块构造理论的建立提供了重要的地质证据和动力机制。

解释地质现象的板块运动的卡通插图

1. 古地磁学的起源与发展

人类对磁力（磁铁）的探索可以追溯到远古时代。中国和希腊是最早发现和利用磁铁的两个文明。在中国古代，它被称为“磁石”或“磁石”。据传说，磁铁是由一位名叫黄帝的部落首领首先发现的。磁铁因其具有吸引铁的能力而引起了古人的注意。公元前2世纪《吕氏春秋》年，对磁铁的吸铁特性有生动的描述，说“磁石吸引铁，或者说它吸引它”。西汉《器书《淮南子》中也有“磁石能吸铁，不能吸铜”的记载。

古希腊哲学家泰勒斯和亚里士多德也对磁铁进行了早期研究。泰勒斯相信磁铁有“灵魂”，因为它能移动铁。亚里士多德还在他的著作《物理学》 中提到了磁铁的吸铁特性。公元前4世纪，中国发明了“思南”，这是世界上最早的磁罗盘。它最初用于占卜和风水，但后来逐渐用于导航和地理定位。

司南恢复示意图

古地磁学作为一门研究地球历史上地磁场变化的科学，真正起源于19世纪，20世纪中叶发展并确立为一门学科。 19 世纪末，科学家注意到岩石中的磁性矿物，例如磁铁矿(Fe3O4) 和赤铁矿(Fe2O3)，在形成时记录了地球磁场的方向。这些矿物在高温下失去磁性，但在冷却时又恢复磁性，记录了当时地球的磁场。这是由于地核液体外核中铁和镍的运动，产生了地球自转磁场，类似于巨型磁铁。当火山岩或沉积岩形成时，它们记录了当时地球磁场的方向和强度。这种录音被称为“自然剩磁”。岩石冷却或沉积后，铁矿物颗粒在地磁场的影响下排列，记录当时磁场的方向。使用先进的磁性测量设备，科学家可以分析这些矿物的剩磁，以获得有关古代地磁场的信息。

地磁场图

2. 与板块构造理论的相关性

20世纪中叶，随着技术的进步和数据的积累，古地磁学迎来重要突破，为板块构造理论做出了巨大贡献。

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极移曲线

科学家们从地球各地不同时期采集岩石样本，利用磁力测量仪器测定其磁化方向。这些数据被记录并存储在全球数据库中，形成地球历史不同时期的古地磁图。通过比较和分析这些地图，科学家能够推断出过去地球磁场的分布，以及不同区域板块的相对位置。结果表明，不同大陆的古地磁极移曲线能够吻合，说明不同时期大陆的位置不同。这一证据进一步支持了大陆漂移假说。

地磁场图显示了极移曲线与各大陆位置的关系。曲线的匹配说明了大陆的运动。

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地磁反转

除了地球磁场随时间的明显运动之外，古代岩石还有另一个令人惊讶的磁性特性：它们的磁性方向会不时反转。例如，今天的指南针指针指向北方，但80万年前的指南针指北针指向南方。换句话说，每隔几千到几百万年，地球磁场就会完全翻转，因此从北极到南极的磁力线会改变方向，地球的磁极性也会发生变化。按照惯例，与当今磁北一致的岩石磁性被认为是“正的”，而那些指向南的则被认为是“反向的”。

1905年，法国物理学家Bernard Brunhes在分析法国奥弗涅火山时首次发现了反极性岩石。不过，这只是一个例子，没有人知道如何确认。后来，日本地球物理学家松山元典在日本和中国东北采集了玄武岩样本。通过研究不同地质时代岩石的磁性，他发现有些岩石记录的磁场方向与现代地磁场方向相反。这一发现表明，地球磁场在整个地质历史中经历了多次逆转。

20世纪50年代末和60年代初，古地磁学家艾伦·考克斯和理查德·多尔开始解决大时间尺度上的磁反转问题。他们走遍了世界各地，采集到了更加多样化的岩石样本。此时，测定岩石年龄的方法变得越来越准确。他们比较了大量岩石样本的年龄和磁性，以编制地磁极性年代表。他们的研究揭示了不同地质时期地球磁场的反转规律，为认识地球磁场的长期变化和地质年代的划分提供了重要依据，对大陆漂移和地质时代的发展起到了支撑作用。板块构造理论。

地磁极性年表

地球磁场反转是地球物理学中的一个重要现象。那么，是什么原因导致地球磁场反转呢？科学家们提出了几种假设。最流行的假设是地球磁场的反转可能与地球内部的流体动力学过程有关。地球的外核由液态铁和镍组成，这些液态金属的运动产生地磁场。当外核中的流动模式发生变化时，可能会导致地磁场发生翻转。计算机模拟表明，当外核的对流模式发生变化时，磁场可能会经历一段不稳定的时期，最终导致磁极反转。一些学者还认为，地磁场的反转可能与地球内部热量分布的变化有关。地球内部的热量主要来自放射性元素的衰变和地核冷却过程中释放的热量。当地球内部的热量分布发生变化时，可能会导致地核中的流体运动模式发生变化，从而引发地磁场的反转。还有一些假设认为，地磁场的反转可能与地外因素有关。例如，太阳活动周期、行星引力效应等都可能对地磁场产生影响。这些外部因素可能会通过改变地球内部的动态过程而引发地磁场的反转。

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地磁条纹和海底扩张

第二次世界大战后，海洋地质学迅速发展，科学家（Drummond Matthews 和Fred Vine 以及Lawrence Morley 等）在研究大西洋中脊附近的海底岩石时，发现了一种独特的磁带模式。这些条带成对对称分布，岩石的某些区域具有正磁极性（与现代地磁场的方向相同），而其他区域的岩石具有反磁极性（与现代地磁场的方向相反）。但洋脊完全由外观相似的玄武岩熔岩构成，因此岩石类型的差异无法解释磁异常带。这种磁异常平行排列的原因一直困扰着科学界。

磁条图案

哈里·赫斯是一位美国地质学家和海军军官，二战期间指挥一艘配备测深仪的运输船，这使他有机会收集大量海底地形数据。通过这些数据，赫斯发现了深海平原和洋中脊的存在。这些发现引起了他的浓厚兴趣，尤其是大洋中脊——，这是一个横跨全球的巨大海底山脉系统。这些海底特征引发赫斯思考地球表面形态的成因以及海底地壳的形成和演化。同时，此前的研究还发现，洋中脊附近的海底地壳年龄较年轻，而距离洋中脊越远，地壳年龄越老。于是他提出，大洋中脊是地幔岩浆在海底上升、冷却、凝固形成新洋壳的地方。新形成的洋壳从洋中脊两侧向外扩张，逐渐推开旧洋壳。

该船携带回声测深仪来探测海底状况

现代东南太平洋和大西洋地图

大洋中脊：从深海海底升起的一长串山脉。例如大西洋中部的浅蓝色格斯。深海海沟：发现于大陆或活跃火山链边缘附近的海洋中。例如，南美洲西部最深的蓝色。深渊平原：平坦的地区，尽管许多地区点缀着火山。例如，南美洲东南部持久的蓝色。当科学家第一次看到这些测深图时，他们想知道是什么形成了这些特征。

海底在洋中脊（红色）处最年轻，随着距洋中脊（蓝色）的距离而变老

一切都有道理！这些地磁异常带是由于地球磁场的周期性反转而形成的。地球的地磁场不是固定的，而是在数百万年的时间尺度上发生翻转，即地磁极的正负变化。当地磁极翻转时，由于膨胀而新产生的海底岩石会记录当时地磁场的方向，形成不同磁极性的条带。地磁异常带的发现和分析为海底扩张理论提供了直接证据，为板块构造理论提供了重要的地质证据。

大洋中脊扩张导致板块运动

3、展望

综上所述，古地磁学作为地球科学的一个重要分支，为板块构造理论的形成和发展提供了不可或缺的证据和理论支撑。通过古地磁数据的收集、分析和解释，科学家揭示了地球演化的复杂性和多样性，为我们深入了解地球的历史和未来提供了坚实的基础。

未来，随着技术的不断进步，古地磁学的研究将会更加精细和全面。例如，先进的磁测量设备和数据分析方法将帮助科学家更准确地解释岩石中的古磁记录。此外，地磁场反转的研究也将不断深入。科学家希望通过实验室模拟、地质记录、计算机模拟等多种手段揭示地磁场反转的机制和影响。

此外，古地磁学的研究将不再局限于地球。科学家们已经开始研究月球、火星和其他天体的磁场。这些研究不仅可以帮助我们了解这些天体的内部结构和演化历史，也为探索宇宙中其他行星系统提供重要参考。

综上所述，古地磁学作为一门充满活力和前景的科学，将继续在揭示地球和其他行星的演化历史中发挥重要作用。通过不断的研究和探索，我们将对地球的过去、现在和未来有更深入的认识，为人类的可持续发展提供科学依据。

不代表中国科学院物理研究所立场

用户评论

有一种中毒叫上瘾成咆哮i

哇，这个比喻真是太形象了！每次想到地球就像一个巨大的磁盘，就能感受到我们人类历史长河中那些珍贵的记忆碎片。

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青瓷清茶倾城歌

文章写得很有深度，让我对地球有了新的认识。记忆碎片，听起来好美，好像在讲述一个古老的故事。

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封锁感觉

太有创意了，把地球比喻成磁盘，让人一下子就联想到那些无法磨灭的历史瞬间。

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爱到伤肺i

地球上的记忆碎片，每一个都承载着不同的故事，不禁让人感叹生命的伟大。

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回忆未来

这篇文章让我想起了小时候听过的那些传说，仿佛地球真的是一个巨大的磁盘，记录着我们的根。

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你身上有刺，别扎我

记忆碎片，原来我们每个人都是地球上的一个小小片段，太有哲理了！

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灵魂摆渡人

这篇文章让我想起了那些逝去的亲人，他们的记忆碎片仿佛就在地球的磁盘中闪烁。

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来自火星球的我

没想到地球还能这样比喻，太新颖了！感觉我对地球有了新的敬畏之心。

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请在乎我１秒

记忆碎片，每个国家、每个民族都有自己的故事，这篇文章让我感受到了世界的多样性。

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短发

地球上的记忆碎片，就像是时间的见证，见证了人类的发展与变迁。

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◆残留德花瓣

文章中的比喻太贴切了，让我仿佛看到了地球上的每一块记忆碎片在闪闪发光。

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軨倾词

这个比喻让我对地球有了更深的认识，感觉人类与地球之间有着千丝万缕的联系。

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夏至离别

记忆碎片，听起来好温馨，让人不禁想到那些美好的时光。

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揉乱头发

地球上的记忆碎片，每一个都值得我们细细品味，感悟生命的意义。

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自繩自縛

这篇文章让我想起了那些古老的文明，它们在地球的磁盘中留下了深深的痕迹。

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陌颜幽梦

记忆碎片，仿佛是一幅幅画卷，让我们领略到世界的美好。

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那伤。眞美

地球上的记忆碎片，让我看到了人类文明的传承与发展。

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烬陌袅

这个比喻太棒了！感觉地球就像是一部庞大的历史书，记录着我们每一个人的故事。

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