古地磁学与环境学课件：第一章 绪论

古地磁学与环境学地球内部结构与地磁场

地球内部结构地震地震就像一盏明灯，可以照亮人类无法进入的地球内部.全球4级以上地震每年过万次通过观测地震波，就可以确定地球内部的结构怎么知道地球内部结构的？

CT技术如何了解地球内部发生了什么样的运动学和动力学过程？未知的地球内部：入地更比上天难目前大陆钻探最深记录12km,仅相当于地球半径的0.2％火山岩携带的深部地幔物质岩石地球化学示踪石榴石:>80km金刚石:>150km矿物相平衡实验相图尖晶石橄榄岩斜长石橄榄岩石榴石橄榄岩温度深度（km）压力（kb）金刚石稳定区→确定矿物在地球内部形成的深度

同位素定年

矿物中放射性同位素不断衰变，通过测量放射性同位素和其衰变产物的含量可以计算矿物形成年龄确定矿物在地球内部形成的时间尖晶石橄榄岩斜长石橄榄岩石榴石橄榄岩温度深度（km）压力（kp）地壳岩石圈软流圈150km4.6亿年华北克拉通金伯利岩中存在金刚石现今岩石圈地壳岩石圈地幔软流圈尖晶石橄榄岩斜长石橄榄岩石榴石橄榄岩温度深度（km）压力（kp）<80km1.0亿年以来地幔包体为橄榄岩指示岩石圈厚度<80km上天不易，入地更难怎么认识地球本身？地磁场起源于地球外核流体的运动认识地磁场认识地球演化富有挑战的科学问题如何了解地核的物质状态和动力学过程？地球外核流体运动－地磁场地磁场－从地表观测地磁场---从空间观测

地磁场－“从地球深部看”从核幔边界观测

延拓到地表

地磁场是地球最重要的物理场，中华民族最早认识到地球有磁场，于公元1世纪发明指南针公元10世纪－指南针－航海12世纪指南针传入欧洲公元8世纪－观测磁偏角

欧洲15世纪开始

Java600年前郑和7下西洋(from1405to1433)近代地磁学发展

1600年－Gilbert

-物理概念：磁化的球体WilliamGilbert1838年－Guass(地磁学概论)－数学分析地磁场是否随时间变化？1-中国人720-1280年至少对地磁偏角进行了9次观测2-1580年，英国人Borough在伦敦测得Dec=11.33-1622年，英国人Gunter测得Dec=6.0，

42年，两人的观测结果相差5.3，观测误差所致4-过12年，Gellibrand测得Dec=4.1，他认为这不是观测误差所致，而是地磁偏角在随时间变化地磁场起源的重要进展1-Normam(1576)首先发现了地磁倾角这一发现对认识地磁场的成因是至关重要的2-

在Normam之前，西方人认为地磁是上帝赋予人间的神灵，它位于地球的两极3-

Gilbert对地磁场进行了较系统的观测，发现地磁倾角是随地理纬度变化的.提出地球本身就是一个磁化的球体，这是根据观测结果对地磁成因作的第一次唯物主义的假定，即将地磁成因从神学转变为起源于地球本体.4-

Gilbert(1600)发表的《地磁学》一书是人类继发现地球是个球体之后对我们居住的星球最重要的认识，它比牛顿的引力理论早87年地磁场强度与高斯理论尽管人类从公元8世纪就开始观测地磁场方向，直到公元1799-1803年德国人Humboldt才认识到地磁场强度随地理纬度变化.随后，德国数学家Gauss(1838)发表了《地磁学概论》一书，第一次用数学的方法对地磁场进行了描述.基本地磁要素现代地磁场磁倾角分布非偶极子场分布地磁极、磁极、地磁赤道、磁赤道实际上，inclinedgeocentricdipole

表示了实际地磁场的～90%现今模拟偶极子最佳位置是偏离地球中心西北500公里(Pacificbasin)

Eccentricdipole.但偏心偶极子对实际地磁场的描述是不均匀的,误差0～20%nondipolefield长期变化（内源磁场99%—地核主磁场95%和地壳异常场4%—周期1年~10E5年）西向漂移（1600年~）

18世纪－300年观测－地磁场随时空变化

地球年龄大约45亿年

300年观测记录太短了！！！怎么办？

岩石的剩磁是否能记录它形成时地磁场的信息？

地磁场----歌唱家

岩石----录音机

古地磁学雏形与发展趋势雏形阶段Delesse(1849)方向岩石剩磁方向与地磁场相关

Folgerhaiter(1899)

测量了考古遗址的剩磁

地磁倒转David(1904)-----火山岩

Brunhes(1906)--火山岩

Matuyama(1929)-火山岩－时代形成阶段

Runcorn(1955)---沉积物剩磁

Cox(1963)-火山岩剩磁＋年代学

大陆漂移极性年表古地磁学为什么会在20世纪60年代发展？

学科发展的需求－－20世纪初大陆漂移海底扩张大陆漂移板块构造

古地磁学研究领域与发展趋势

1-大陆漂移+古地理再造

2-海底扩张

3-磁性地层

4-地磁极性倒转与地磁成因

5-地磁场与行星内部动力学

6-环境磁学

7-生物磁学Wegener1-大陆漂移地图的启示

非洲南美大陆漂移的古地磁证据

大陆漂移2.5亿年后海陆分布今天海陆分布2.5亿年前海陆分布2-海洋磁异常海底扩张过程同位素定年与海洋磁异常相结合165Ma以来地磁极性倒转序列

3-磁性地层--研究岩石单元的磁特征

1-磁极性地层

Magneticpolaritystratigraphy2-岩石磁性地层

Rockmagneticstratigraphy3-古强度磁性地层

Paleointensitymagneticstratigraphy4-地磁场长期变磁性地层

SVmagneticstratigraphy

磁极性地层＋磁化率Heller&Liu,Nature,1982磁极性地层＋岩石磁学Zhuetal.,Nature20044-地磁极性倒转与地磁成因

现在地磁场78万年前的地磁场

地磁极Zhuetal.,EPSL,1994地磁极性转换中国黄土记录M/B

极性转换过程南大西洋记录M/B

极性转换过程通过比较前人从理论地磁得出的核幔界面流体运动速度和从地震学得出的下地幔结构.发现地磁极变化路径与下地幔地震波高速区相对应,这表明地磁极性倒转不仅与外核流体运动相关，还受控于下地幔结构的变化

俯冲到660km冷物质聚积增加至临界值，导致上下地幔分层对流状态被破坏，冷物质被带到核幔界面，改变了外核流体运动状态，导致强度逐渐增加和地磁极性倒转频率逐渐降低－超静磁带发生.

Zhuetal.,20045-地磁场与行星内部动力学地磁强度与倒转频率为何相关？地幔柱/热点？HotspotWilsonMorgan’smantleplumeconcept(1972)地球动力学地球外核流体的运动是以小规模对流为主Layetal_1998NatureTooHotExterior

toocoldTooCold水星金星地球火星木星土星天王星海王星冥王星地球是太阳系最具活力的星球，重要原因是地球有液态的外核.产生了一系列地球动力学过程太阳水星金星地球火星木星土星天王星海王星冥王星太阳太阳系其他星球是否有磁场？

磁场－行星动力学行为的重要判据Dynamo~300nTNoFieldNosolidinnercoreDynamo~50000nT无发动机过程产生的磁场，但在南半球有200nT剩磁.说明火星曾有Dynamo,为什么火星的Dynamo这样快就停止了？Dynamo~50000nTDynamo~2000nTDynamo~2000nTDynamo~2000nTHardtosay黄土高原秦岭山地沙漠冬季风环流夏季风环流西风环流中国大陆黄土记录了地磁场和环境信息6-环境磁学01402803.04.25.40.20.40.60.81.01.21.41.61.82.02.22.42.6BM_JOMG_53791111719212315132729313335372539414345515347495557596163656971736775777981838589919587931011031046636CMCompositebenthicoxygenisotoperecordV19-30/ODP677/ODP846Age(myr)MagneticPolarity97990RedclayWeaksoilPaleomagneticpolarityMagneticsusceptibility(c10-8m3kg-1)中国黄土与海洋氧同位素对比黄土-古土壤序列+三趾马红土8Ma以来环境变化的连续完整记录80100120140160150100503530253540302502040608020002004006008000-2-1012S0S1L2S2L3S3L4S4L5S5-1S5-3L6S6L7S7S8L9S9-1234567891011121314151617181920211S9-1S10S12-1L13S14S15S16S19S23L24S25S26L27S27S30S31L32S32L33地层序列深度(m)磁化率(SI)风化强度(%)年代(Ka)SPECMAP(OPDB)18地层序列深度(m)磁化率(SI)风化强度(%)第四纪黄土-古土壤序列（0-2.6Ma)S321020030405060306090120L33深度(m)磁化率(SI)地层序列晚第三纪三趾马红土（2.6-8Ma)黄土高原高龄？2200万年郭正堂等－2002，Nature2200万年黄土堆积的出现，指示了亚洲内陆荒漠的存在，表明青藏