地磁翻转原因新论

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摘要：地磁翻转成因涉及到地质构造运动、温差热电效应、地球自转机械发电、电磁感应原理、岩石的居里温度效应、岩石的剩余磁场形成机制等相关科学知识。利用上述资料，通过逐步推理分析，形成了一套断层内的岩浆上侵磁化形成“岩脉强磁体”。岩脉强磁体产生的强磁场导致了洋中脊两侧的地磁场发生了翻转。

关键词：地磁翻转；岩脉强磁体；磁场换向曲面；地质构造运动；温差热电效应 文献标识码：A

中图分类号：P318 文章编号：1009-2374（2015）35-0038-02 DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2015.35.019

1 概述

1968年，皮特曼（Pitman）在南太平洋上进行了一次大规模的地磁测量，发现海底有很多海岭、平顶山和洋中脊。在洋中脊的两边，磁场呈对称性的正、负相间的条带状分布，磁等直线走向与洋中脊的中轴线平行，长度数百千米，宽度几十千米。上述现象不仅在太平洋中大量存在，而且在大西洋、西北印度洋都同样存在。

关于产生这种对称性条带状分布磁异常的原因，英国的海洋学家费雷特里克・瓦因和德拉蒙德马修斯曾提出下面的解释，他们认为熔岩连续不断地沿洋中脊中轴部涌出，它们在这里冷却，并按照当时的地磁场方向磁化。后有新的熔岩再次涌出，岩浆冷却磁化，老的岩石被逐渐推到两边，因此在洋中脊两侧的岩石中留下了被地球磁场再磁化的记录。由于海底在不同时期的磁化方向不同，生成了不同时期的剩余磁场，因此在洋中脊两侧就形成了正、反相间的剩余磁场；英国剑桥大学兰康等人通过对欧洲大陆古地磁极的测量，发现地磁北极的位置也在发生变化，于是有人提出岩石磁场的正反转向与地幔的转向有关，若地幔流动方向与地球自转方向相反时，两极地区就会形成一系列反向磁场，而这些反向磁场连成一片并持续发展下去，就会使地磁磁极颠倒翻转；大多数科学家都相信地磁场是地球内部液态铁质流体围绕着地核中心旋转产生的，因此有人认为地球内部的液态铁流体发生某种变化时，就可能导致内部流体流动方向发生180度旋转，从而使地磁场发生颠倒性反转；还有一种观点认为太阳系穿过银河中其他星系时，受到了某些强大磁场的影响导致了地球磁场发生翻转。有的科学家使用条带宽度推测，在过去的7600万年中，地球磁场曾发生过171次反转。地球是一个巨大的天体，有哪个强大的作用可使地球有规律的多次改变其运动状态而发生颠倒性翻转哪？上述几种观点都存在一些问题。

2 地磁反转分析

洋中脊两边地磁翻转是岩石的剩余磁性形成的，它与地磁场的成因和变化有关。《中国高新技术企业》2015年8月中（总第338期）中有一篇关于《地磁场成因新论》的文章，该文讲述了地磁场的成因有以下过程：地核、地幔、地壳间的热传递产生了热电压和热电场（这一现象叫热电效应，也叫“汤姆逊效应”）；热电压和热电场使负电荷定向移动并聚集在地壳岩石下部的某个部位，形成负电子聚集层，地核内部的金属原子因热电压和热电场作用失去电子，形成正点空穴聚集区；地壳部位的负电荷（和地核内部的正电空穴）随地球旋转形成运移电流地壳运移电流（和地核运移电流）；运移电流产生感应磁场；地壳部位的感应磁场将冷却的岩浆磁化，从而使岩浆冷却成岩石的过程中带上剩余磁场；地壳岩石的剩余磁场叠加形成了强大的地磁场。

地球演化了四十多亿年，发生了无数次大大小小的地质构造运动，地壳的构造运动形成了断层，地幔中的岩浆就会沿断层上侵进入到断层中。由于岩浆具有一定的导电能力，地核与地壳间温差产生的热电子就会随岩浆通道进入到断层内。随着温度降低，岩浆冷却形成结晶的岩石，岩浆先形成断层顶部结晶层。结晶的岩石阻挡了热电子向地面运移，这时电子就在结晶的岩浆岩下部形成高密度的负电荷富集区（见图1）。充斥在断层内岩浆中顶端的高密度负电荷随地球旋转，在断层岩浆顶端处形成了随地球转动的强运移电流I1'。断层中顶端处的强运移电流I1'的流向与地球的转动方向相反。

负电子随地球转动时形成的是一组垂直于地球转轴平面的环形运移电流，这些运移电流就产生了南北走向的感应磁场。强运移电流I1'内侧的感应磁场B1'的方向由北向南，I1'面外侧的感应磁场B1'方向是由南向北。随着时间的推移，断层内的基性岩浆就会渐渐冷却，在层里不断增深下移，这样在强感应磁场B1'的作用下，位于运移电流I1'面外侧的岩浆在冷却过程中就带上了强大的剩余磁场，并逐渐累积形成了岩脉强磁体。岩脉强磁体的北端是N极，南端是S。岩脉强磁体就像一个独立的巨长的条形磁铁镶嵌在断层内部，在岩脉强磁体内部磁场方向由南向北，在岩脉强磁体的磁场则是由北向南。在岩脉强磁体上部和东西面的围岩内，磁场方向由北向南，其磁场方向与地球磁场方向相反。在这个反向强磁场的作用下，一定范围内的周围岩石就会被磁化带上反向剩余磁场。这样就形成了“向北―向南（反向）―向北”模式的磁异常翻转。地球上所有的断层区都会通过这种方式形成岩脉强磁体，形成“向北―向南（反向）―向北”有序的磁异常翻转。

古地磁学勘探发现，时代较老的岩石，有些剩余磁的磁化方向和现在的磁化方向相反。这种反方向起初解释以为是偶然现象，但是后来经过多项观测证明是一个相当普遍的问题。加藤（Y.Kato）等人发现远离岩脉部分的地层A呈正向磁化，岩脉B和与岩脉临近并被岩脉烘烤过的一部分地层C则是反向磁化（见图2）。加藤（Y.Kato）等人认为出现磁性反转的原因，肯定是“地层A形成时的磁场是正向的，当岩脉B入侵后，地磁场是反向的，因此使岩脉B和地层C获得了反向磁场”，这是加藤（Y.Kato）等人的推断和解释。加藤（Y.Kato）等人的发现和推断正好为上述“岩脉强磁体”的分析和推论提供了有力的证据。

通过上面的推理和论述，便可以形成下面的观点：一是岩浆入侵，周围围岩温度高于居里温度时磁性受到破坏。在温度冷却到居里温度以下时，入侵岩浆和周围围岩同时获得运移电流I1'产生的感应磁场的磁化，因此带上正向剩余磁性，形成正向岩脉强磁体；二是岩脉强磁体外上部的老岩层和东西岩层内产生了反方向强磁场；三是远离断层岩浆的围岩没有受到岩浆的破坏，保留了原始地层的向南正向的地磁场。这样每一条有岩浆入侵的断层都可以形成以断层为轴心的一组“向北―向南（反向）―向北”三条对称相间的地磁翻转带。洋中脊是一条大隆起，也是一个断裂带，由多个断层构成，中央是一条主断层，两翼有多条翼断层。岩浆沿多条断层入侵，因此形成了多条岩脉强磁体。多条岩脉强磁体产生了多条与断层对应的地磁翻转带（见图3）。

3 推论

关于地磁场翻转的成因，文中提出了下述观点：地球半径方向上的热传递产生了岩浆的热电效应，从而产生了大量的热电荷；热电荷随断层内岩浆上侵，在冷却过程中形成了岩浆尖端处的负电荷富集区；富集区内的负电荷随地球旋转，形成了强大的断层运移电流；断层运移电流产生了强大的感应磁场；强感应磁场使上侵的岩浆在冷却过程中磁化，形成了断层内的岩脉强磁体；岩脉强磁体外部的磁场形成了强大的反向地磁场，因此就在洋中脊两侧形成了对称性的、正/反相间的地磁场。这就是地磁场发生反转的本质原因。

参考文献

[1] 吴顺和.石油地球物理勘探（上册）[M].北京：石油工业出版社，1996.

[2] 导淦.物理学[M].北京：高等教育出版社，1993.

[3] 管守锐，赵澄林.岩浆岩及变质岩简明教程[M].北京：石油大学出版社，1991.

[4] 彭寿斌.地磁场成因新论[J].中国高新技术企业，2015，（23）.

作者简介：彭寿斌（1963-），男，山东东营人，中国石化胜利油田有限公司孤东采油厂工艺研究所高级工程师，研究方向：石油地质勘探与开发工艺和原子物理、地球物理、天文物理等。