地磁极性年代表是什么?关于地磁极性年代表的详细介绍

创闻科学2020-11-17 12:23:42

地磁极性年代表(又称全球磁极时间表,Global Polarity Timescale,GPTS),是根据地球磁场倒转具有全球性和同时性的特点,结合所研究的岩石同位素年龄测定数据,编制的磁场极性倒转的时间序列表。

磁性地层研究是对新生代乃至中生代沉积序列定年的重要方法之一,目前的磁性地层学不仅已成为不同海区、不同岩层及其沉积相的重要对比标志,而且已成为地磁极性年代及海洋地层划分对比的重要依据。科学家还将磁性地层学与生物地层学和年代学相结合。结合磁性地层年代学和其他年代学对生物演化事件进行年代标定,为揭示地史时期地球生态系统的演化过程提供了一把“时间的尺子”。

概述

由于地磁场的极性反转就将导致岩石的反向磁化,岩石中保留的原生剩余磁性方向指示着的是岩石形成时的地磁场方向。通过对大量研究的统计表明,晚近纪以来的岩石层中约有1/2是正向磁化的,另外1/2是反向磁化的,表明地球极性反转即磁北极转变为磁南极,磁南极转变为磁北极是反复发生的。这种反复发生的事件具有同时性和全球性的特点,也就是说,磁性转向是遍及全球的,并不受区域和环境的制约。因此习惯上,我们将与现在地磁场方向一致的极性定为正向,方向相反的定为反向,在整个地史中将正向和反向按先后顺序排列,就形成了地磁极性年表。

研究历史

按照地磁极性年表不同时期的发展特点,可将其发展大致归纳为3个阶段:

  1. 早期阶段:20世纪60年代末,主要基于火山岩剩磁测量和K/Ar测年建立了最近约5Ma以来的地磁极性年表;

  2. 中期阶段:20世纪60年代末到90年代初,基于大量海底磁异常条带相对宽度建立了中中生代以来完整的地磁极性年表;

  3. 现今阶段:20世纪90年代以来,基于天文学和古气候学研究对极性界限的轨道调谐,正在构建高精度的天文极性年表。

地磁倒转的发现和早期地磁极性年表

1906年,Brunhes在熔岩流及其烘烤层中发现一些样品的天然剩磁与现代地磁场方向相反,认为它们形成于倒转的地磁场中。1929年,Matuyama在研究日本和朝鲜的火山岩时,发现一组样品的剩磁方向与另一组相反,他认为在第四纪的某个时期地磁场方向与现在相反,之后逐步变化到现在的方向。1951年,Hospers在研究冰岛的玄武岩时发现一些样品为负极性,指出这些岩浆喷出时地磁场的方向与现今相反。早期的这些研究指示着地球磁场在地质历史时期曾经发生过极性倒转,但限于测年技术,当时并不能确切给出地磁场发生倒转的时间。

直到20世纪60年代初,Cox等通过测定熔岩流的剩磁,并结合K/Ar测年,研究了3.2Ma以来的地磁场转换序列,并建立了第1个地磁极性年表。次年,他们总结了新发表的64组有K/Ar测年的古地磁数据,进一步将该年表扩展到约4Ma。随着新数据的不断报道,该年表也随之完善,如Jaramillo、Kaena、Cochiti、Nunivak等极性亚时的相继发现。1969年,Cox根据150个测年可靠的数据将这一年表扩展到约4.5Ma。后,ankinen等基于354个测年可靠的数据修订了最近约5Ma以来的年表。由于当时K/Ar测年在5Ma时的误差可达25万年,因此,在没有更准确的测年手段之前,这一年表很难进一步发展。同时可以看出,这种年表的发展依赖于研究材料,即火山岩所能够覆盖的年代。

基于海底磁异常条带建立的地磁极性年表

20世纪50年代,由于机载磁力计(airborne magnetometer)的应用,使得大规模的海洋地磁勘测成为可能。Heezen等首次揭示了大西洋洋中脊附近的磁异常特征,并指出其与海底地形无关。随后,在其他大洋中也发现存在磁异常条带。1963年,Vine等结合当时的海底扩张学说和地磁场曾发生多次倒转的事实提出,由于海底扩张,新的洋壳在洋中脊处形成并获得与当时地磁场方向一致的剩磁(磁异常条带),随着海底扩张的进行,磁异常条带沿洋中脊向两侧分离并与洋中脊平行,同时关于洋中脊对称。这一假说很快得到海洋

地磁勘测结果的证明:Heirtzler等及Heirtzler等的研究表明磁异常条带的确大致平行于洋中脊并在洋中脊两侧对称。Vine等的假说不仅合理地解释了海底磁异常条带的成因,也成为后来板块构造学说的重要证据。

上述研究提供了一种构建地磁极性年表的新思路:根据磁异常条带宽度序列建立地磁极性年表。1966年,Pitman等测量了从新西兰至智利南太平洋洋中脊的海底磁异常条带的宽度序列,根据Gauss正极性时底界的K/Ar年龄,计算得到海底扩张速率为4.5cm/a,基于这一速率,他们推算了最近10Ma以来的古地磁极性转换界限的年龄,建立了第一个基于海底磁异常条带相对宽度的古地磁极性年表。同年,Vine发表了北冰洋海底磁异常条带的勘测结果。1968年,Dickson等、LePichon等及Pitman等发表了在南大西洋、印度洋及太平洋的勘测结果。这些研究者基于南大西洋的勘测结果建立了最近约76Ma以来的地磁极性年表(这里称为HDHPL68年表。这一年表被后来的勘测结果逐渐延伸到约170Ma。

DHPL68年表基于Gauss正极性时底界的K/Ar年龄,假设海底扩张速率恒定,依据磁异常条带的相对宽度推算了各个极性界限的年龄。这一年表第一次完整给出了晚白垩纪以来的地磁极性年表的基本框架,成为构建地磁极性年表的奠基之作。

米兰科维奇理论与天文极性年表的发展

描述地球绕太阳运行的轨道要素有3个:偏心率、地轴斜率和岁差。它们分别具有约10万年、4.1万年和约2万年的主要周期。轨道的缓慢变化引起地球表面接受太阳辐射量在纬度分布和季节分配上发生变化,导致地球气候的周期变化。20世纪初,ilankovitch计算了这3个轨道要素对地球接受的太阳辐射总量、特别是对纬度分配的控制,提出第四纪冰期成因的天文假说。他进一步计算了过去60万年以来的太阳辐射,认为65°N的太阳辐射变化是导致第四纪冰期旋回的主因。1976年,Hays等首次将深海氧同位素记录与太阳辐射变化进行对比,证明了地质记录中的气候变化旋回受地球轨道控制,确立了米兰科维奇天文气候理论。

由于气候变化受轨道参数周期性变化控制,而轨道参数的变化历史可通过精确的天文计算获得,意味着可通过对地质记录中的气候变化旋回进行轨道调谐,从而获得精确的地层年代标尺。这是一种独立的地层定年方法,与磁性地层研究相结合就可用于精确标定古地磁极性转换界限的年代,建立天文极性年表。1982年,Johnson首次将V28-238和V28-239孔的氧同位素记录与太阳辐射的计算值进行对比,得到布容/松山界限年龄为(790±5)ka,一结果与后来的40Ar/39Ar测年结果十分接近,但在当时并没有引起重视,而当时的K/Ar测年结果为730ka。20世纪90年代初,Shackleton等对ODP677孔高分辨率的氧同位素记录进行了轨道调谐,并给出了2.6Ma以来的几个主要古地磁界限年龄。这些年龄与随后地中海的研究结果十分接近,同年,Hilgen依据地中海腐泥层的记录将天文极性年表拓展到5.23Ma。很快,一些极性转换界限的年龄被高精度的40Ar/39Ar测年所确认。Wilson利用新方法计算的海底扩张速率也证实了5.23Ma以来的天文极性年表的合理性。

新近纪天文极性年表的建立

最近5.23Ma以来天文极性年表的成功建立,人们意识到这一方法对于构建高精度的地磁极性年表具有重要意义。应当指出,自CK92年表开始,磁极性年表中就吸纳了部分天文调谐的结果,而CK95年表则直接应用了5.23Ma以来的天文调谐结果。随后的20年见证了天文极性年表的迅速发展。如Shackleton等依据ODP138航次多个孔位的沉积物密度记录对最近约6Ma以来的古地磁界限进行了天文计算;Hilgen等依据地中海地区的多个平行剖面将天文极性年表延伸到约9.7Ma;Kent等利用404ka的偏心率长周期对內瓦克盆地晚三叠纪—早侏罗纪的陆相记录进行了轨道调谐,获得了202~233Ma之间的极性转换界限年龄;Shackleton等依据ODP929孔和DSDP522孔的记录对C6Bn~C7n(约21.8~24.1Ma)之间的极性转换界限年龄进行了天文计算,将之前的渐新世/中新世界限(C6Cn.2n的下界)年龄由23.8Ma修订为约23Ma;Pälike等依据ODP1052孔的记录对C16n.1n~C18n.2n(约35.2~39.9Ma)的极性转换界限年龄进行了天文计算;AbdulAziz等依据西班牙卡拉塔尤德盆地的陆相记录对C5n.2n~C5AAn(约10.5~13Ma)之间极性转换界限年龄进行了天文计算。Dinarès-Turell等依据西班牙的海相记录,对C27n~C29n(约61~64.7Ma)的极性年表进行了天文计算。

2004年,Lourens等依据当时的天文调谐结果,并结合新的轨道计算结果,对新近纪以来的天文极性年表进行了总结。新近纪天文极性年表被Ogg等修订的84Ma以来的地磁极性年表所采纳,Raffi等应用这些新的年代框架重新标定了25Ma以来海洋生物事件的年代。需要指出的是,新近纪天文极性年表在13Ma之前的大部分极性界限年代是依据海底磁异常条带相对宽度计算得到,仍有待进一步完善。

应用领域

自20世纪60年代第一张地磁极性年表问世以来,地磁极性年表覆盖的时间范围和精度得到迅速发展,磁性地层定年已成为目前新生代乃至中生代沉积序列建立时间标尺的主要方法之一。磁性地层定年的应用大大推动了地层学、古生物学、同位素年代学、古气候学、古人类学等领域的研究。

随着研究不断推进,下一代高精度的天文极性年表有望推进如下领域的研究:

  1. 放射性测年技术的改进。天文极性年表的年龄与放射性定年结果有时存在一定的系统偏差,这为火山岩的放射性定年和沉积物的天文定年的相互校准提供了契机,目前已有研究正朝这一方向努力。

  2. 地层学研究。天文极性年表将为生物地层、岩石地层、层序地层、旋回地层、气候地层等方面的研究提供更为精确的时间标尺。

  3. 海底扩张速率的研究。在CK92和CK95年表中,古地磁极性界限的年龄多是基于海底扩张速率稳定的假设,依据磁异常条带的相对宽度序列内插获得。精确的天文极性年表将还原各大洋海底扩张历史的真实面目。

  4. 古气候学研究。天文极性年表将为气候事件发生的年代、持续时间、空间对比、气候周期等研究提供更为精确的时间标尺,这对于气候变化机制的认识至关重要。

  5. 极性倒转与地球轨道变化的关系研究。地磁极性倒转及倒转频次与地球轨道变化之间关系的研究对于认识地磁场变化的动力机制有重要意义,这些问题的研究已取得重要进展,但仍有待进一步深入,高精度的天文极性年表是解决这些问题的关键。