8．4　古地磁場(chǎng)極性倒轉(zhuǎn)及其磁性地層學(xué)意義

地磁場(chǎng)極性倒轉(zhuǎn)是指其偶極子場(chǎng)極性互換的地球物理現(xiàn)象?，F(xiàn)代的地磁場(chǎng)，磁力線指向北，在南半球磁傾角為負(fù)、在北半球?yàn)檎?相反的極性狀態(tài)是磁力線指向南，在北半球磁傾角為負(fù)、在南半球?yàn)檎?圖8－9)。人們定義，現(xiàn)代的極性狀態(tài)是正常的(Normal polarity)，與其相反的極性狀態(tài)是倒轉(zhuǎn)的(Reverse polarity，有時(shí)譯作“反轉(zhuǎn)的”)。由于地磁場(chǎng)極性倒轉(zhuǎn)是通過古地磁方法發(fā)現(xiàn)的，所以是只對(duì)地心軸向偶極子模型而言的。正常極性狀態(tài)的時(shí)期，圖8－2中的地磁北極(實(shí)際上是物理學(xué)中具有“S極”性質(zhì)的磁極)和地理北極位置重合，地磁南極和地理南極重合;倒轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)，地磁北極和地理南極重合，地磁南極和地理北極重合(圖8－9)。兩個(gè)磁極的位置在大地坐標(biāo)系下是嚴(yán)格對(duì)跖的。

圖8－9　地磁場(chǎng)倒轉(zhuǎn)示意圖
中間圖為根據(jù)極性狀態(tài)建立的地磁場(chǎng)倒轉(zhuǎn)序列，該序列經(jīng)年齡標(biāo)定以后稱為地磁極性年表(GPTS)
(據(jù)Langereis et al．，2010)。地磁極性年表中黑色段為正極性，白色段為反極性

我們的祖先肯定經(jīng)歷過地磁場(chǎng)極性倒轉(zhuǎn)事件(參閱Zhu et al．，2003)，但沒有證據(jù)表明人類曾經(jīng)記載過或注意過自身曾經(jīng)歷過的這種事件?，F(xiàn)代人們通過古地磁的方法發(fā)現(xiàn)了過去的地磁極性倒轉(zhuǎn)事件，這方面的研究最早開始于20世紀(jì)初，至今約有百年的歷史了。1906年，法國(guó)科學(xué)家布容(Brunhes)觀測(cè)到一些年輕熔巖里的剩磁方向和現(xiàn)代地磁場(chǎng)方向大致相反，提出這些剩磁是地磁場(chǎng)倒轉(zhuǎn)的記錄(Langereis et al．，2010)。后來松山(Matuyama)在亞洲發(fā)現(xiàn)了更多這樣的現(xiàn)象，他也認(rèn)為這是地磁場(chǎng)極性倒轉(zhuǎn)的記錄(Matuyama，1929)。但直到20世紀(jì)50年代同位素測(cè)年方法發(fā)展起來以后才真正確定了這種剩磁具有地磁場(chǎng)倒轉(zhuǎn)成因的解釋。因?yàn)榫哂邢嗤瑯O性特征的剩磁出現(xiàn)在世界不同地區(qū)、相同年齡的熔巖中，也出現(xiàn)在地質(zhì)年齡可對(duì)比的正常沉積巖層位中。Khramov(1958)認(rèn)為這種剩磁特征應(yīng)該可以作為地層劃分對(duì)比的依據(jù)。

目前我們認(rèn)識(shí)到，地磁場(chǎng)極性倒轉(zhuǎn)是全球性的地磁場(chǎng)變化的一種基本屬性。對(duì)極性轉(zhuǎn)換界線附近大量的古地磁調(diào)查發(fā)現(xiàn)，地磁極性倒轉(zhuǎn)的過程是十分復(fù)雜的。有時(shí)伴隨有明顯的地磁場(chǎng)強(qiáng)度衰減，有時(shí)包含更頻繁的倒轉(zhuǎn)事件或大幅度的磁極漂移。但這些過程相對(duì)于多數(shù)沉積地質(zhì)過程和地層年代學(xué)而言是快速的，可以認(rèn)為是瞬時(shí)的。地磁場(chǎng)在某種極性狀態(tài)下停留的時(shí)間一般認(rèn)為是從萬年尺度到幾千萬年的尺度。但這個(gè)短尺度的下限不是十分肯定的，因?yàn)槭芏昃鹊南拗?，我們不容易將一個(gè)千年級(jí)別或更短的極性狀態(tài)進(jìn)行確切無疑的全球?qū)Ρ取?/p>

地磁極性倒轉(zhuǎn)不是一種簡(jiǎn)單的周期性現(xiàn)象。一種極性狀態(tài)持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短和它前面的極性狀態(tài)持續(xù)的長(zhǎng)短或極性狀態(tài)變換的頻率似乎沒有關(guān)系。正是由于這個(gè)特征，記錄在地層里的地磁極性序列如同黑白相間的條形碼，構(gòu)成了地層單元具有“指紋特征”的巖石磁學(xué)對(duì)比標(biāo)志，這種標(biāo)志一旦得到生物地層學(xué)或同位素年齡等信息的合適約束，事實(shí)上比簡(jiǎn)單的周期性信號(hào)更有用。

為了研究的方便，人們將一系列的倒轉(zhuǎn)事件劃分為不同時(shí)間級(jí)別的極性間隔。定義的時(shí)候，每一個(gè)極性間隔以某一種極性狀態(tài)為主。國(guó)際地科聯(lián)曾為磁性地層學(xué)推薦了一套專門的術(shù)語(Anonymous，1979)。從幾十萬年至幾百萬年的極性間隔稱為“極性時(shí)”(polarity chron)，比極性時(shí)長(zhǎng)出一個(gè)數(shù)量級(jí)或更長(zhǎng)的極性間隔稱為“極性超時(shí)”(polarity superchron)，比極性時(shí)短至一個(gè)數(shù)量級(jí)的極性間隔稱為“極性亞時(shí)”(polarity subchron)。后來，在極性亞時(shí)之下又提出了“極性隱時(shí)”(polarity cryptochron)這一更小的極性間隔級(jí)別(例如，小于3萬年的極性間隔，Cande＆Kent，1992)，有一些“隱時(shí)”是很確定的極性倒轉(zhuǎn)事件(例如大約持續(xù)了1．2萬年的Cobb Mountain事件;Ogg，2012)，也有一些在大洋磁異常中發(fā)現(xiàn)的，很難進(jìn)行全球?qū)Ρ龋荒芩阕鳌耙伤茦O性倒轉(zhuǎn)事件”。

有一類極性倒轉(zhuǎn)事件發(fā)生在上述極性間隔的轉(zhuǎn)換帶里，表現(xiàn)為頻率極高的一系列倒轉(zhuǎn)，每一個(gè)倒轉(zhuǎn)持續(xù)的時(shí)間可能在千年尺度，甚至更短，但只有特殊地質(zhì)環(huán)境才能記錄這些倒轉(zhuǎn)，其研究屬于地磁學(xué)一個(gè)比較專門的領(lǐng)域，進(jìn)一步的了解可閱讀Zhu＆Tschu(2001)的文章。地磁倒轉(zhuǎn)還有一種規(guī)律被稱作偏極性現(xiàn)象，是指對(duì)較長(zhǎng)的地史時(shí)期(＞億年)而言，地磁場(chǎng)常常以某一種極性狀態(tài)為主，僅包含次要的(甚至完全不包含)相反的極性狀態(tài)，真正由正向極性和反向極性同等或近似同等幾率交替出現(xiàn)的時(shí)期并不多見。這種現(xiàn)象有一定的周期性(張世紅，1998)，但其地史學(xué)和地球動(dòng)力學(xué)意義尚不清楚。

地磁“漂移”(excursion)(圖8－10)是指在極性間隔的內(nèi)部，地心偶極子軸明顯偏離地球旋轉(zhuǎn)軸的一類地磁場(chǎng)變化事件，常常被認(rèn)為是不成功的倒轉(zhuǎn)，或超大規(guī)模的長(zhǎng)期變。地磁漂移事件持續(xù)的時(shí)間一般在千年尺度。

極性間隔反映在地層里就是“磁極性地層間隔”。從低級(jí)到高級(jí)，對(duì)應(yīng)的年代地層學(xué)單位主要有“極性亞時(shí)帶(polarity subchronozone)，極性時(shí)帶(polarity chronozone)和極性超時(shí)帶(polarity superchronozone)。相應(yīng)的巖性地層學(xué)術(shù)語為極性亞帶(polarity subzone)、極性帶(polarity zone)和極性超帶(polarity superzone)。這些磁性地層學(xué)單位一般性的使用時(shí)可簡(jiǎn)稱為磁性帶(magnetozone)。

為了使用上的方便，正常極性狀態(tài)的間隔可以簡(jiǎn)稱為“正向極性”間隔，倒轉(zhuǎn)極性狀態(tài)的間隔可以稱為“反向極性”間隔。