考古地球历史，揭开地球磁场形成的神秘面纱

古老岩石里的磁场，记录着地球生命的起源，也有着我们生命的起始

从澳大利亚西部杰克山区地表裸露岩层中挖掘出来的微观矿物质，因其带有42亿年前地球磁场的痕迹，因此一直都是地质学重点研究的对象。这几乎和地球开始形成的时期相仿，并且比先前提出的地球磁场的起源时间早了将近10亿年。

这个起源故事也许听起来很有趣，但是一支由麻省理工学院领导的小组却发现了截然相反的证据。发表在《科学进展》（Science Advances）中的一篇论文表明，该小组检测了从同一裸露岩层中挖掘出的一个名为“锆石”的同种晶体，他们得出的结论是，将采集到的锆石晶体作为古代磁场的记录体是不可靠的。

       

     

换句话来说，对地球磁场是否在35亿年前就已经存在的问题，目前仍然没有定论。

“现在没有表明磁场在35亿年前就已存在的充分证据。即使是真的，也很难从杰克山区的锆石中找到答案”，来自麻省理工学院地球、大气和行星科学系（EAPS）的研究生Caue Borlina说，“从一定程度上来说，这是个重要的发现结果，至少我们知道不该在哪些地方继续寻找答案”。

Borlina是该论文的第一作者，其中还包括同样来自麻省理工学院地球、大气和行星科学系（EAPS）的Benjamin Weiss教授、首席研究员Eduardo Lima和Jahandar Ramezan研究员和来自剑桥大学、哈佛大学、加州大学洛杉矶分校、阿拉巴马大学和普林斯顿大学的其他人。

       

     

这也激起了该领域的研究讨论。

我们认为，地球磁场在地球宜居度方面扮演着重要角色。它不仅仅决定了我们指南针上标记的方向，更起到了偏转太阳风的屏障作用。如若没有磁场，我们的大气层就会被太阳风侵蚀。

       

     

科学家们都知道如今地球的磁场是受这颗行星的液态铁心的凝固所影响控制的。铁心的冷却和结晶电流会激发地心周围的液态铁，从而产生了强大的电流，进而产生放射延伸到宇宙空间的磁场。这种地球磁场也被称为地球发电。

多种证据证明，地球的磁场已经存在了至少35亿年。然而人们普遍认为，地心在10亿年前开始凝固，这意味着磁场在早于10亿年前就已经被某些机制所掌控。准确地确定磁场的形成时间可以帮助科学家弄清楚磁场在开始时是如何产生的。

             

Borlina说，“地球的磁场起源也可以弄清楚地球初期的生命形成的早期条件，地球的生命开始出现在地球产生后的第一个十亿年里，也就是在44亿年到35亿年间”

“不能相信锆石”

科学家传统上利用古老的岩石里的物质来测定地球磁场变化的时间和频率密集度。随着岩石形成和冷却，单个晶粒的电子可以向周围磁场的方向移动。一旦岩石冷却超过一定温度，即居里温度，电子的运动方向就会固定在石头上。科学家可以确定石头里原子的年龄，并使用标准磁强计测量他们的方向，从而估计地球磁场在给定时间点的强度和方向。

自从2001年，Weis和他的团队一直在研究Jack 山脉的岩石和锆石的磁化，他们挑战性的目标是确定它们是否包含着地球磁场的原始老记录。

       

     

“杰克山（Jack Hills）锆石是古地磁学研究历史中最脆弱的磁性物体之一。”外斯（Weiss）说，“更重要的是，这些锆石包含了已知最古老的地球物质，这就意味着许多地质活动能够重置它们的磁纪录。”

在2015年，一个研究杰克山锆石的独立调查小组声称他们找到了证据。这个证据可以证明锆石中的磁性物质可以追溯到42亿年前——这也是证明地球的磁场在35亿年前已经存在了的第一个证据。但是，该小组成员柏林纳（Borlina）指出，团队仍无法确认该磁性物质的准确形成时间，究竟是在42亿年前锆石晶体形成的过程之中还是形成以后。这个问题将会是他和他的团队未来的研究目标。

       

     

在杰克山同一片露出地面的岩层，柏林纳、外斯和他们同事还收集了一些岩石，并从这些样品中提取了3,754个锆石颗粒。而每个锆石颗粒的长度大约在150微米——约等于人类头发的宽度。他们运用了标准的测定技术，检测出每个锆石颗粒的年龄，大约在10亿到42亿年的范围之内。

通过排查，大约有250个锆石晶体的年龄大于35亿年。研究团队把这些样品进行独立分析，企图寻找有裂缝或第二种物质的迹象，如有些矿物可能会待晶体完全形成后沉积于晶体表面或内部，或者找到证据，证明自他们形成以来的几十亿年里，他们明显变热了。在这250个锆石之中，他们识别出只有三个锆石相对纯净，没有杂质，因此其中可能会包含有合适的磁记录。

       

     

接着，研究团队对这三个锆石进行了更为详细的实验，为了搞清楚他们可能包含了哪些磁性物质。最终，他们在这三个锆石中的两个，发现了一种叫磁铁矿的磁性矿石。该团队还利用高分辨率量子钻石磁强计，观察了两颗锆石的截面，为了确定每颗锆石中磁铁矿的位置。

研究人员发现磁铁矿位于锆石的裂缝或损坏带上。Borlina说，这些裂缝是允许水和其他元素进入岩石的通道。这样的裂缝可能让二次磁铁矿进入晶体，比锆石最初形成时要晚得多。不管怎样，Borlina说证据显而易见：这些锆石不能作为地球磁场的可靠记录。

“锆石测量记录的地球磁场，这是我们不能相信的证据”Borlina说。“我们已经证明，在35亿年前，我们还不知道地球磁场是什么时候开始形成的。”

       

     

利物浦大学古地磁教授安迪·比金（Andy Biggin）没有参与这项研究，他说：“对我来说，这些结果对杰克·希尔斯锆石记录35亿年前古磁场强度的潜力产生了很大的怀疑。” “也就是说，自2015年以来，这场辩论一直在激烈地进行，即古地磁相当于英国脱欧一样，如果这是有关此事的定论，我会非常惊讶。我们几乎不可能证明一种否定的观点，无论是方法还是解释都是不容置疑的。”

       

     

尽管有这些新的结果，韦斯强调，以前对这些锆石的磁性分析仍然是非常有价值的。

韦斯说：“原始锆石磁学研究的团队在试图解决这一极具挑战性的问题时值得称赞。” “由于这两个小组的所有努力工作的结果，我们现在更了解如何研究古代地质材料的磁性。我们现在可以开始将这一知识应用于其他矿物颗粒以及其他行星体的颗粒。”

这项研究得到了国家科学基金会的部分支持。

作者：Jennifer Chu