地球磁场时空变化与地球内部物理过程_朱日祥.pdf

3 关于改 革我国 地质 教育体制的几点 看法 我国地质教育体制是在长期计划经济条件 下 形成 的产物 随着社会 主义市场经济体制的 逐步建立和完 善 培养 出来 的学生已不能满足 时代的要求 有必要采取措施提高人才的培养 质量 为z 1 世纪人类社会的发展提供合格 的地 质学人 才 3 1 改 革单科性地 质类院校为综合性理 工科 院校 目前 培 养 出来 的学生基础不 扎实 不 宽广 其主 要原因是单 科性 地质类 院校 缺少这方面 的 基本 条件 难以使得学生得 到这方 面 的足够训 练 比如 现在全国大学英语 统考 单科 性地 质类院校 的通过率都不太高 而大部分综合性 大学 的地质系 其通过率达全 国先进水平 其 它方面 如 数学 物理 化学等基 础课程同样 存在这方面的问题 另一 方 面 综合性大学往 往 在科研 与 教学 中具有多学科 联合的优势 国 际上 很 少有 单科 性地质 类大 学 几 乎所 有 的 地质 学人 才都由综合性 大 学 或矿冶 学 院 培养 的 当然 将 单科 性地质 类 院校改 为综合 性大 学 要有长远规划 不要再搞更 大范围 的重 复 现 在有些 地质类院校办采矿 选 矿 和 冶金等专 业 在本系统看来这 不是 重复 但从全国来看 这又是 一种更 大 的重 复和浪 费 因为现 有 的采 选 冶专业类学校培养的大学生 和研究生数量 已能满 足了社 会 的需求 3 2 地质类校 系拉开档次办学 不同的校 系按师资力量及 办学条件侧 重培 养不同层 次 的学 生 跨 世纪 人才应有不同层 次 即有从 事地质生 产的 也有从事科学研究 对 于前者 要加强 基本技能的训 练 使他们能够 适 应 任何地质生产部门 的需要 对于后 者 应 有高深的理论 基 础与宽广 的专业知识 使他 们 能够 承担任何 大 的科研课题 3 3 尽快 对现行 专业 目录进行改造 并 制订 适 合 2 1 世纪的专业目录及 相应 的 教学计 划 按原来的专业目录 学校培养的人才与社 会 需求脱节 与2 1 世纪发 展的要求也 不相符 因此必 须对专业目录及 教学计划进行改革 特 别是要按前所述 拓宽专业 口径 打 下扎实基 础 对于 目前在市场经济条件下 如何促进学 科 的发 展与人 才 的培 养 作者 在 自己的实 际工 作 做了一些 尝试 并 在另 一 篇 文 章 中 作了介 绍 l j 在 此不再赘 述 参 考文献 戴塔根 粱 法安 中国地质教育 1994 3 53 56 地球磁场时空变化与地球内部物理过程 朱日祥 刘青松播永信 中国科学 院地球 物理 研究所 北 京 1 0 01 0 1 摘要 通过研究地质历史时期地磁场 的变化与地 慢对流 地慢柱的活动 全球热流变 化 真极移 气候演化 火山链 大 陆玄武岩 海洋磁异常以及 生物灭 绝等现象的相互关系 可以 了解地球内部的物理过程及演化史 当然 地球磁场变化与这些现象之间可能会存在着 某种滞后效应 这是有待于进一步加 以研究的问题 地球外核的流体运动产生磁场 同 时 核 慢之间的藕合影响着外核流体运动与D 朋层 的物理和化学状态 进而影响着地核发电机的状态 与能量供给 导致地球磁场的变化 同时从D 即层产生 的地慢柱 影响着地慢对流 地慢对流的 改变又影响着板块运动 对这 些问题的研究是 认识地球的关键 主题词 地磁场 地球 内部物理 白至 纪 一 71 一 近30年来 资源 环境和灾害 问题 向现代 地 球 科学 提 出了新 的挑 战 要求 地球科学不 仅 要 阐明地 球系统的整体行 为和各圈层 的演 化规 律 及其相互作用 还要提 出与各圈层 相互作用 的实际状 态和机制 对 地球 进行 整体性研究 是 现代地球 科学 发展 的 必然 趋势 地球 内部 物质 运 动 过程 制 约着地 球各圈层 包括岩 石 圈 大 气圈 水圈和生物圈以及地球内部各圈层 的藕 合和物质与能量 的交换 l 幻 地球内部各圈层 的 祸合决定着在 它周 围发生 的各种物理 现象必然 相互 联系 相 互制 约和相互作用 一幻 现代 地球科学 研究的范畴正从三 维空间向 四维 时空发展 更加重视 时间维的作用 最新 的地 震和高温高压 实 验手段已能 较好 地揭示 下 地慢 的三 维 结构 一闭 这有 助于探讨 地 慢对流 的动力 学 机 制以及 下 地 慢 底部D 层 的结 构及 其物 理和化学 过程 l s 然而 地展和高温高压实 验 方 法 无 法 提供地 球 深部随时 间演化 的信息 而对 地球 磁 场演化 史 的研究正好可以弥补地 展 和高温高 压实验方 法 的不足 地 球磁 场是地球 表面 最为 重要 的物 理场之一 其变化 反映了外 核 的对 流以及 核慢边 界 CMB 演化过程 它 的产生主 要受 控于 由液态铁 组成的外核磁 流体 力 学 过程 地 慢 的运动 状态会影 响外 核磁 流体 的运 动状 态 进而 影响地 球磁 场的变化 6 J 因 此 由地 球磁 场的变化可了解地 球 内部物理 过 程 包括 外核 的流体运动 下地峡的结构及核 慢边 界的祸合状态 古地 磁学是了解地球演化历史的有效手段 之 一 古老岩 石圈 板块 相对于地球旋转轴的运 动可通过古地 磁方 法 确定 s 古地 磁学为解 开 地球圈层 间 即岩 石 圈 地慢和地核之 间 的演 化和相互作用 提供了定 量 的依据 此外 地 球 本 身作为一 个天体 在其 演化 过程 中必 然遵 循 宇宙 的演化 规律 重 大天体事件会 影响地球的 内部运动 状 态及地 表气候 变迁 与生 物演化 同 时地 球 内部运动 过程 的变化 包 括天体事件 的 影 响和地 球 本身固有 的变 化 会影响到地表与 空间磁 场 的变化 进 而也 影响 到气 候 的变 迁 使 稳定同 位素 放射性同位素 的 含 量 发 生变 一 72 一 化 l l s j 因此 地球 磁场与 地质 重 大天体事件 气 候与生物演 化的相关性 可以拓宽 对地 球演化 的理解 是固体地 球科 学的前 沿课题之 一 地球 磁场是矢 量场 强度 是其最重要的要 素之一 地球 磁场强度 变化 与地球 内部 过程之 间的相关 性研 究是近年 来固体地球 科学 关注的 热 点之一 1 6 但由于地球 磁 场古强度测 定所涉 及 的 理 论和实验比古 方向 的 测 定要复杂的 多 l t l a j 以往 的 古 地 磁 研 究 仅局限于方 向变 化 而对 地球磁场强度变化特 征 的研究还十分 薄 弱 l 尤其对 地 球磁场 绝对强度的研究 更显 不 足 国内在此方面 的研究几 乎还是 空 白 使 人们难以全面认 识 地 史 时期地球 磁 场 的变 化 也 阻碍了利用地 球 磁场变 化 探索地球 内部物理 过程 随 着最 近几年 实验技 术和理论的完 善 获 取可靠 的地史 时期地 球磁场绝对 强度 数据 时机 已经成熟 因此对 地球磁 场绝 对强度的研究不 仅具 有重要意 义 而且成 为可能 近年来 地 球 磁场古强度 研究已成为国际地球科学界的研 究热点之 一 海洋磁异常研究 表 明 16 0 M a 以来全 球洋 壳磁化强度 的分布有 一定规律 O 2 0 Ma中随 年 龄 增 加 磁 异 常降低 年 龄 老于3 0M a 的洋 壳 磁化强 度增 加并 持续至白里 纪 z 0 川 对 老 洋壳磁异常高的解释更 是 纷争不 一 如果老洋 壳 磁 化强由地 球 磁 场 增高引起 那么3 0M a B P 以前地球磁场强度应 比现在的高 但目前 极其缺乏3 0M a 之前 的地球磁场古 强 度数 据 无法 对上述假设加以验证 对距 今124M a 83MaB P 的白蟹纪 正 极性 超时 CN S 期间的地球磁场强度的研究具 有特殊 的意义 在此 期间地球磁 场方 向稳定 但 全球 火山活动强烈 洋壳增生 速率最高 黑色 页岩和石油分布量最大 古海平面和温度处于 高峰 等全球 性事件发 生卿 川 同时 生物还经 历 了从最繁盛到白呈 纪末期的灭绝事件等 这 些全球 性 事件无 疑 与地球内部物理过 程密切 相 关 一些学者主 要基于海底火山岩高磁化强度 白蟹纪 提 出在CNS期 间磁 场 强度比现今要 高 2 另 一 些学者则认 为在CNS期间地区磁 场强度比现今要低 z s 川 前者 认为核 慢作用处 于高能态 后者认 为是 低能 态 这两 种模型的 主 要缺陷是 没 有 地球 磁场古强度 数 据 的验证 因此还 很难 判断 那一 种模型是 正确 的 也许两 者都不 正确 可以肯定 研 究C NS期 间地 球磁 场强度变化 是探索地球内部物 理过程的关键和 突破 口 由此 可见 白里纪以来地 球磁 场强度变化 规律 研究 特别是CNS期 间强度 变化 的特殊性 是研究地 球深部 物理 状态和过程 地 慢和地 核 演化以及 核握祸合研究中关键问题之一 是 探 索地球磁场发 电机模型 和极性倒转机制的重 要 途径 同时 研 究地球 磁场强 度 随时间 的变化 将 有 助于从 全 球 地 学观 的高度上认识地 慢对 流 地 慢柱的活动 全球 热流 变化 岩石 圈裂 解和漂 移 真 极移 火山链 大陆玄 武岩 环 境 演化和生物 大量灭绝等现象与联 系 地 球科 学综合研究 表 明 环太平 洋区存在 着 多种 异常现象 是认识 地球 内部物理过 程 的 重 要区域 基于上述原因 美国成立了专 门机 构来研究东太 平洋 沿岸 的各种地质 地球 物理 和地球化学问题 现今对东太平洋沿岸和太平 洋海域地球磁场强度的研究较之其西 海岸 要深 化 得多 为了认 识 发生在环太 平洋域 的各 种地 质 地 球物理和地 球化 学特征 其西海岸 地球 磁场强度 的研究更 具有 重大意 义 中国东 部属 于西太 平 洋沿岸 利用该区广 泛发育的火山岩 深人 系统地研究白圣纪以来地球磁场强度 时空 变化 特 征及其与地球 内部 物理过程的相关性 是 我国固体地 球科 学鱼待开展的研究领域 最近3 0年来 地 球科学工作者已建立 了大 约一亿年以来地球 磁 场极 性倒转序列 并且利 用不同 的统 计模型研 究了地球磁 场极性 倒转 的 频率 但对 极性转换期间 地球磁场变化 规律 知 之甚少 因此 有 关地球磁场极性倒转仍是当 代地磁学研究的最 主要内容之 一 s j 特别是极 性转换 期间地球磁场时空变 化特征与地 球起源 和下地慢结 构等理 论 问题 直 接相关 是 当前地 磁学科 的前 沿课题 之一 早 在本世纪6 0年代就 开始研 究极性 转换 期 间地球磁 场 的形 态 但 由 于极 性转 换通常是 发 生 在几 千 年 的时 间 尺度 加 上古地 磁测量技 术 的限 制 这 一研 究 进展很 缓慢 直到8 0 年代 由于古地磁测量 技术的进 一步发展 极 性转 换期 间地球磁 场强 度 研究 成 为地磁 学家争论 的热点之一 如 果在极性转换期间 只有非偶极 子场存 在的话 虚地 磁极会随意散布在所有的经度上 然 而有 些研 究成 果表 明 可 能 存在 着一 些 优越 的子午 带 极性 转换 期间 虚地 磁极的轨迹就 落 在这些带内 然而也有一 些学者得 出 相反 的结 论 我们利 用黄 土沉 积物 对极 性转换期间磁场 变 化进 行了较为 深人 研究 得 出一些 有 意义 的 结 果 在 极 性 转换 期 间 磁场 的 强 度 要 下降 50写以上 一次 完整 的倒 转实际上 是 由多次 快 速 倒转 构成 快 速倒 转在1 0 0 年 的时间尺度 上 就 可完成 有时 表现 为一 突变过程 因而也 就 谈不上虚地 磁极 的转换轨 迹 此外 在极性转 换 期 间地球 磁场强度 的衰 减预 示着强度的变化 是 引起 磁极倒转 的必要因素 现今 地 球磁 场主 要为偶极子场 磁场强度 的衰减主要是 由偶极 子衰减引起的 我们知道日食期间太阳 的光度 变弱 在这 种弱 光 的背景 下 有机会发现在正 常时期 被太阳的强光 所掩 盖 的各种 现 象 类似 于日食现象 极性转换 期 间偶 极子 场 的衰减 提 供了研究 非 偶极 子场变化 规律的 良好机会 根 据地 震学和矿物物理研究结 果 核 慢界 面是一个 热 学 力 学 化 学以及 电磁 学 相互作 用很 复杂 的区域 地核 中处于熔 融态 的Fe可 能 与地慢中的硅 酸盐 反应 其结果 形成物质结构 和物 理化学特征都极为复杂的D l l 层卿 它的特 点是 上界 面的起伏很大 且有明显 的横 向不均 匀性 一 些学 者认为地 慢柱 是从D l 层 上升 到岩 石 圈底部 然后 在那里 出现 岩浆上升现象 在 地面形 成热点 z S 发生在D l l层 的 热和化学作用 影响着 地 慢对流 地 慢柱 的形成 长期 变化 地 磁极 性倒 转 核 一 慢角 动量 的交 换 重力长波 的 变化以及地 球化 学演 化 了解外 核与下地慢过 渡带 的热和化学 结构 对于 研究 发 生在其周 围 的 动力学 过程 是很 重要 的 我们认 为 D 即层 的化 一 73 一 学 变化 导致了D 即层 内铁 的 富集 并使其内电导 率显著 增加 约1沪 s m 正是 这种高导层 产生 的对流引起 极性 转换 期间地球 磁场 方 向的快速 变化 时间尺度可达1 0 2 年 以及 地 磁漂移现象 的发 生 这 个 问题具有重 要 的理论意义 是推 动发 电 机理论 研究的关键点之一 H id e 19 67 首先研究了核 一 慢相互作用对 地核运动和 地磁场的影响卿 他考虑 了三种最 基 本 的藕合机制 1 形 态藕全 top ogr aphi c c o叩l i n g 它起源于克 里 奥利 力 其作用是 使流 体运动速度出现沿 旋转 轴的梯度 变化 这 就是 最 著 名 的 pro udm an一Taylor 定 理 核 一 慢 边 界 CMB 的Bum ps会使沿旋转轴 的梯度变化 增 加 因此这 种祸合与地核内流体运动 密切相关 2 电磁藕合 它要求下 地 慢下部 的 电导率是有 限值 如 果 在下地 慢下部存在一个厚度 约30 0 km 的特殊区域 在其 内电 导率 10 Sm 一 那么就足以解 释日长的 变化 但是为了解释 大 尺 度 现象 就要 求 更高些 而富含铁 的D 即层 可能会 满足 这一要求 3 热祸合 它起源于核 一慢流 动性 的不 同 地核 内流体运 动为地 慢对 流 提 供了一个等温的下边界条 件 因此从地核 到 地慢的热 流存在 横 向变 化 地核 内流体运动的 输热过程可以补偿地 慢 对CMB施 加 的横向变 化 之外S ehlo essin 和Jaeobs 1980 研 究T核 一幢之 间 的化 学 相互 作用 s 0 这些辆合机制产 生 的影响是相似的 要区分它们是极为困难的 地 球 磁场长期变化研究为核 一 慢边 界 相互作用 提供了重 要 的证据t s l J 即地表磁场 的变 化与核 一慢 边 界 流体运动状 态 之间存 在 着 很 好的相关 性 诸 如 美国西海岸 附近地磁长期 变 化的稳 定区 南 大西 洋和印度 洋区域地磁长期 变化的 活 跃区都与CMB流体运动状态密 切相 关 基 于对 现代地球磁场的反演结果 地 磁长 期变化 主要起因于D 即层 和 地 球 外 核 表 面 流体 的运动 状态 根 据地球 磁场变化特征 有些 现象在几 百年一直 保持不 变 而有 的地磁 特征则 快速 变 化 与下 地慢速 度不均匀 性的对应关 系 这表 明 地慢通过热 祸合过程来控制外核 内流体的 运动 进 而影响地球磁场的变化 参考 文献 1H ays JD an dPitm an W C I L ithopheri e Platemotion s e a lev elehan朗s ande1imatiea n de c olO g i ealeon s equ en e e s N ature 1973 246 18 22 2A hre ns TJ Je a nf o z R Prite ho c k一ompr es s io n i s e ntropie releas eandeomPosition o f the E a rth s e o r e JG eophys R e s 1 987 92 10363 103 75 3 C o u rti llot V a nd JB e s s e M agn etie fi el dreversals polarw a n der a nde ore一ma ntle eoupling 段i e nee 1987 23 7 1 14 0 1 147 4Low rie w a nd Ke ntD A rev i sed m agn etie 卯l a ritytimes cale fo r the Cretateo u san dCai no oie PhilisT rans RSo c Lo n do n Se rA 1982 306 129 1 36 5 G ubbins D G e omagnetie polarityr e v e rs a ls a eon n eetio nw iths e eu l arvariatio na ndeore一ma ntle i ntera etion R e v G eo Phys 199 4 32 61 83 6 01so nP a n d H agee VL G eomagnetie polarityr ev e rs als tr ansitio n fi e1dstrueturea n d eo nv e c tio n in theoute r eore J G eO P hy s R e s 1990 95 4609 4620 7 Zh u RX LajC M a z ud A TheMatuyam a一Br un hes an dUp洋rJa r am i1lo transition s r e eorded in a lo es ss e etionat W einan n orth 一een tr alC hina E a rth Pl a n et S ciL ett 1994 125 143 158 8K n ittl e E J e a nloz R M eltin g eu r v eof Mg Fe 510 pe ro v skiteto 96Gpa e v i de n ee fo r a struetu raltransitio n i n low er m antle m elts G eO Phys R eo L ett 1989a 1 6 421 424 9K n it tl e E Je a n lo z R Sim u l atingthe eore 一m a ntle bo un d a ry an expe ri me ntalstudyo f highpr es s ur e reaetio ns b e twe en 5 11玉 eatea nd liquid i ron G eophys R es Lett 1989b 16 609 612 10K nittle E J e an lo zR Thehig h pr es s u re phas ediagram o fFe o 0 apos s ibleeonstitute ofthe E a rth 5outer c o re JG eO Phy s R es 1990 一 74 一 1 1 O 内 二月 且 14 O舀 b J 二1盖 17 吕 O 甘 1二 且 20 21 22 M o ntager JP C a n s eismo f吃ytel l us anythinga切uteon v e c tio n in themantl e Re v Ge ophy s 19 94 32 1 15 1 37 S uWJ et al O n the s c al e ofma ntle he te ogeneity PhysE arth Pl anet ln ter 1992 74 29 54 ZhuRX a nd Ts c huK K Prelim in a ry study o n the re latio nshiP b e tw een D 即 laye r a ndthegeomagnetiePo far ity tr an成tio n Chin es e JG e叩hys 1995 38 2 195 202 朱日祥 金增信 余志伟 宇宙射线通t和气候变迁与地球磁场强度的关系 第四纪研究 1991 2 123 129 J aeo bs JA R eve rs a l s o f the E a rth 5 m agnetic fiel d C a mbridgeU ni钾rs ity Pr es s 19 94 Pr e v ot M a nd MPe r rin Inte n sity ofthege omagnetie field sine e Pree ambrianfr omThel lier tyP e pale o i ntensity da taand inf e r e n e比 o n thethermal histo ryofthee o r e G e 即h JI 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outs JGR 19 96 PiekT and L T a uxe G eo m agn eticpaleo inre n sitie s d u ring the Creta e e o u s n o rm alsu 砂 re