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PNAS: 地磁场古强度结果揭示中古生代弱偶极磁场期
2021-11-04 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  地球内部变化过程对了解地球演化历史至关重要。但由于地球深部物质保存困难,对早期(3亿年前)板块俯冲模式、地幔柱出现以及大型低剪切波速区稳定性等地球内部过程的认识缺乏约束。而古地磁记录特别是古地磁强度,可作为反映地球发电机启动、地球内核形成等早期地球深部过程的关键指标。显生宙存在数千万年不发生磁极倒转的超静磁期,这一过程被认为与地球深部的变化有关。目前古地磁结果显示地质时期可能存在三个超静磁期,分别是:白垩纪正极性超静磁期(CNS),石炭-二叠纪负极性超静磁期(PCRS)和奥陶纪负极性超静磁期(ORS)。古磁场强度结果显示:超静磁期,地磁场强度整体处于高值,而在超静磁期之前倒转相对频繁的时期,地磁场强度则整体较弱,二者交替出现,指示古地磁场可能存在受控于地幔对流等地球深部过程的2亿年的变化周期。Prévot et al.1990)最早提出中生代弱偶极磁场期(Mesozoic Dipole Low, MDL),指的是CNS之前地磁场强度整体处于低值的一段时期,之后得到越来越多的研究支持,一部分观点认为MDL开始于PCRS结束时,另一部分研究认为MDL可能只局限于1.7-1.5亿年。近期,西伯利亚古磁场强度研究发现在PCRS开始之前3500万年的泥盆纪存在类似的地磁场强度低值期,持续时间5000万年(Hawkins et al., 2019)。然而,目前对于泥盆-早石炭纪(PCRS开始之前1亿年)地磁场强度是否存在类似低值尚缺乏数据约束。 

  为了研究这一可能存在的弱磁场期的持续时间,英国利物浦大学古地磁研究团队与其合作者对位于苏格兰东海岸的Strathmore火山群(4.16 - 4.11亿年)和Kinghorn组(3.32 亿年)熔岩流开展详细的古磁场强度研究,结合古磁场方向、岩石磁学、岩相学和年代学研究,获得高质量的古磁场强度结果。Strathmore研究区共有6个采点获得古强度结果(图1),其中5个采点记录了较低的磁场强度,为5.6 - 46.2 ZAm2 (现代磁场全球平均强度80 ZAm2);Kinghorn研究区共有8个采点获得古强度结果(图2),所有采点记录的磁场强度都非常低,为9.6 - 27.0 ZAm2。本研究结果结合已有古强度结果指示中古生代可能存在类似于MDL的弱偶极磁场期,作者将其命名为MPDLMid-Paleozoic Dipole Low)。为了进一步讨论古生代地磁场强度变化,作者分析了数据库中5 - 2亿年古磁场强度数据,并根据古强度实验影响因素提出了古强度数据可靠性判断标准QPIQPI越大代表数据质量越高。图3展示了根据QPI值划分的古强度结果及地磁倒转频率随时间变化,整体趋势为PCRS之前(PRE)地磁场强度处于低值,进入超静磁期强度升高,超静磁期之后(POST)强度降低,变化趋势与地磁倒转频率大体反相关。进一步将数据按PREPCRSPOST三个时间段分组,并分别按不同QPI标准绘制箱形图(图4),结果更清楚地显示无论用哪种筛选标准,PCRS期间地磁场强度值都高于超静磁期之前和之后。 

1 Strathmore研究区代表性样品古强度结果(Hawkins et al., 2021)。横轴为样品实验室获得的热剩磁(TRM),纵轴为自然界获得的天然剩磁(NRM,黑色直线为用于计算古强度的拟合直线,拟合直线斜率乘以实验室外加场强(Hlab)即为样品记录的古强度值(Hanc)。k’为反映拟合线曲率的参数,值越小代表拟合线越接近直线,数据质量越好。图中插图为样品逐步退磁正交向量投影图,红色为垂直面投影,蓝色为水平面投影,反映样品记录的剩磁分量。古强度实验采用两种加热方法:传统古强度炉加热法(单位为℃)和微波加热法(单位Ws

2 Kinghorn研究区代表性样品古强度结果(Hawkins et al., 2021 

3 5-2亿年古磁场强度结果(彩色圆圈)及地磁倒转频率(蓝线曲线)随时间分布(Hawkins et al., 2021)。地磁场强度用虚(轴向)偶极矩/Virtual Axial Dipole Moment VADM)表示。不同QPI的强度数据用不同大小和颜色的圆圈表示,QPI越大,数据质量越高。(A)、(B)、(C)和(D)四条虚线分别代表现代磁场强度、CNSQPI33强度、侏罗纪地磁活跃期QPI33强度和侏罗纪地磁活跃期QPI30强度数据均值。(E)和(F)代表该时间地磁倒转频率可能达到的最大和最小值。PCRS代表二叠石炭纪负极性超静磁期,PREPOST分别代表PCRS之前和之后分组统计强度数据的时间段,MPDL代表中古生代弱偶极磁场期 

4 PREPCRSPOST三个时间段不同QPI强度数据箱形图。每个图中括号内数字表示各组古强度数据个数,盒子中间的红线表示强度数据中值,盒子上下边界分别表示25%75%边界,红色十字代表异常点。图F显示的是所有通过年龄、热转化、多畴磁颗粒等筛选标准的强度数据分布情况(Hawkins et al., 2021

  本研究系统分析了5-2亿年古磁场强度数据,发现MPDLMDL磁场强度值和持续时间都有一定的相似性,地磁场强度变化趋势整体表现为MPDL弱磁期、PCRS强磁期、MDL弱磁期、CNS强磁期交替出现,呈现2亿年变化周期,驱动机制可能与地幔柱(Olson and Amit, 2015; Amit and Olson, 2015)、板块俯冲(Hounslow et al., 2018)、真极移(Biggin et al., 2012)等地球动力过程相关。 

    

  主要参考文献 

  Hawkins L M A, Grappone J M, Sprain C J, et al. Intensity of the Earth's magnetic field: Evidence for a Mid-Paleozoic dipole low[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2021, 118(34). (原文链接) 

  Prévot M, Derder M E M, McWilliams M, et al. Intensity of the Earth's magnetic field: evidence for a Mesozoic dipole low[J]. Earth and Planetary Science Letters, 1990, 97(1-2): 129-139. 

  Hawkins L M A, Anwar T, Shcherbakova V V, et al. An exceptionally weak Devonian geomagnetic field recorded by the Viluy Traps, Siberia[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2019, 506: 134-145. 

  Olson P, Amit H. Mantle superplumes induce geomagnetic superchrons[J]. Frontiers in Earth Science, 2015, 3: 38. 

  Amit H, Olson P. Lower mantle superplume growth excites geomagnetic reversals[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2015, 414: 68-76.  

  Hounslow M W, Domeier M, Biggin A J. Subduction flux modulates the geomagnetic polarity reversal rate[J]. Tectonophysics, 2018, 742: 34-49. 

  Biggin A N, Steinberger B, Suttie A J N, et al. Possible links between long-term geomagnetic variations and whole-mantle convection processes[J]. Nature Geoscience, 2012, 5: 526–533. 

  (撰稿:蔡书慧/岩石圈室)

 
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