古地磁场极性倒转及其磁性地层学意义

8．4　古地磁场极性倒转及其磁性地层学意义

地磁场极性倒转是指其偶极子场极性互换的地球物理现象。现代的地磁场，磁力线指向北，在南半球磁倾角为负、在北半球为正;相反的极性状态是磁力线指向南，在北半球磁倾角为负、在南半球为正(图8－9)。人们定义，现代的极性状态是正常的(Normal polarity)，与其相反的极性状态是倒转的(Reverse polarity，有时译作“反转的”)。由于地磁场极性倒转是通过古地磁方法发现的，所以是只对地心轴向偶极子模型而言的。正常极性状态的时期，图8－2中的地磁北极(实际上是物理学中具有“S极”性质的磁极)和地理北极位置重合，地磁南极和地理南极重合;倒转状态时，地磁北极和地理南极重合，地磁南极和地理北极重合(图8－9)。两个磁极的位置在大地坐标系下是严格对跖的。

图8－9　地磁场倒转示意图
中间图为根据极性状态建立的地磁场倒转序列，该序列经年龄标定以后称为地磁极性年表(GPTS)
(据Langereis et al．，2010)。地磁极性年表中黑色段为正极性，白色段为反极性

我们的祖先肯定经历过地磁场极性倒转事件(参阅Zhu et al．，2003)，但没有证据表明人类曾经记载过或注意过自身曾经历过的这种事件。现代人们通过古地磁的方法发现了过去的地磁极性倒转事件，这方面的研究最早开始于20世纪初，至今约有百年的历史了。1906年，法国科学家布容(Brunhes)观测到一些年轻熔岩里的剩磁方向和现代地磁场方向大致相反，提出这些剩磁是地磁场倒转的记录(Langereis et al．，2010)。后来松山(Matuyama)在亚洲发现了更多这样的现象，他也认为这是地磁场极性倒转的记录(Matuyama，1929)。但直到20世纪50年代同位素测年方法发展起来以后才真正确定了这种剩磁具有地磁场倒转成因的解释。因为具有相同极性特征的剩磁出现在世界不同地区、相同年龄的熔岩中，也出现在地质年龄可对比的正常沉积岩层位中。Khramov(1958)认为这种剩磁特征应该可以作为地层划分对比的依据。

目前我们认识到，地磁场极性倒转是全球性的地磁场变化的一种基本属性。对极性转换界线附近大量的古地磁调查发现，地磁极性倒转的过程是十分复杂的。有时伴随有明显的地磁场强度衰减，有时包含更频繁的倒转事件或大幅度的磁极漂移。但这些过程相对于多数沉积地质过程和地层年代学而言是快速的，可以认为是瞬时的。地磁场在某种极性状态下停留的时间一般认为是从万年尺度到几千万年的尺度。但这个短尺度的下限不是十分肯定的，因为受定年精度的限制，我们不容易将一个千年级别或更短的极性状态进行确切无疑的全球对比。

地磁极性倒转不是一种简单的周期性现象。一种极性状态持续时间的长短和它前面的极性状态持续的长短或极性状态变换的频率似乎没有关系。正是由于这个特征，记录在地层里的地磁极性序列如同黑白相间的条形码，构成了地层单元具有“指纹特征”的岩石磁学对比标志，这种标志一旦得到生物地层学或同位素年龄等信息的合适约束，事实上比简单的周期性信号更有用。

为了研究的方便，人们将一系列的倒转事件划分为不同时间级别的极性间隔。定义的时候，每一个极性间隔以某一种极性状态为主。国际地科联曾为磁性地层学推荐了一套专门的术语(Anonymous，1979)。从几十万年至几百万年的极性间隔称为“极性时”(polarity chron)，比极性时长出一个数量级或更长的极性间隔称为“极性超时”(polarity superchron)，比极性时短至一个数量级的极性间隔称为“极性亚时”(polarity subchron)。后来，在极性亚时之下又提出了“极性隐时”(polarity cryptochron)这一更小的极性间隔级别(例如，小于3万年的极性间隔，Cande＆Kent，1992)，有一些“隐时”是很确定的极性倒转事件(例如大约持续了1．2万年的Cobb Mountain事件;Ogg，2012)，也有一些在大洋磁异常中发现的，很难进行全球对比，只能算作“疑似极性倒转事件”。

有一类极性倒转事件发生在上述极性间隔的转换带里，表现为频率极高的一系列倒转，每一个倒转持续的时间可能在千年尺度，甚至更短，但只有特殊地质环境才能记录这些倒转，其研究属于地磁学一个比较专门的领域，进一步的了解可阅读Zhu＆Tschu(2001)的文章。地磁倒转还有一种规律被称作偏极性现象，是指对较长的地史时期(＞亿年)而言，地磁场常常以某一种极性状态为主，仅包含次要的(甚至完全不包含)相反的极性状态，真正由正向极性和反向极性同等或近似同等几率交替出现的时期并不多见。这种现象有一定的周期性(张世红，1998)，但其地史学和地球动力学意义尚不清楚。

地磁“漂移”(excursion)(图8－10)是指在极性间隔的内部，地心偶极子轴明显偏离地球旋转轴的一类地磁场变化事件，常常被认为是不成功的倒转，或超大规模的长期变。地磁漂移事件持续的时间一般在千年尺度。

极性间隔反映在地层里就是“磁极性地层间隔”。从低级到高级，对应的年代地层学单位主要有“极性亚时带(polarity subchronozone)，极性时带(polarity chronozone)和极性超时带(polarity superchronozone)。相应的岩性地层学术语为极性亚带(polarity subzone)、极性带(polarity zone)和极性超带(polarity superzone)。这些磁性地层学单位一般性的使用时可简称为磁性带(magnetozone)。

为了使用上的方便，正常极性状态的间隔可以简称为“正向极性”间隔，倒转极性状态的间隔可以称为“反向极性”间隔。