摘要：地磁翻轉(zhuǎn)成因涉及到地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、溫差熱電效應(yīng)、地球自轉(zhuǎn)機(jī)械發(fā)電、電磁感應(yīng)原理、巖石的居里溫度效應(yīng)、巖石的剩余磁場形成機(jī)制等相關(guān)科學(xué)知識(shí)。利用上述資料，通過逐步推理分析，形成了一套斷層內(nèi)的巖漿上侵磁化形成“巖脈強(qiáng)磁體”。巖脈強(qiáng)磁體產(chǎn)生的強(qiáng)磁場導(dǎo)致了洋中脊兩側(cè)的地磁場發(fā)生了翻轉(zhuǎn)。

關(guān)鍵詞：地磁翻轉(zhuǎn)；巖脈強(qiáng)磁體；磁場換向曲面；地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)；溫差熱電效應(yīng) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：P318 文章編號(hào)：1009-2374（2015）35-0038-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.35.019

1 概述

1968年，皮特曼（Pitman）在南太平洋上進(jìn)行了一次大規(guī)模的地磁測量，發(fā)現(xiàn)海底有很多海嶺、平頂山和洋中脊。在洋中脊的兩邊，磁場呈對稱性的正、負(fù)相間的條帶狀分布，磁等直線走向與洋中脊的中軸線平行，長度數(shù)百千米，寬度幾十千米。上述現(xiàn)象不僅在太平洋中大量存在，而且在大西洋、西北印度洋都同樣存在。

關(guān)于產(chǎn)生這種對稱性條帶狀分布磁異常的原因，英國的海洋學(xué)家費(fèi)雷特里克·瓦因和德拉蒙德馬修斯曾提出下面的解釋，他們認(rèn)為熔巖連續(xù)不斷地沿洋中脊中軸部涌出，它們在這里冷卻，并按照當(dāng)時(shí)的地磁場方向磁化。后有新的熔巖再次涌出，巖漿冷卻磁化，老的巖石被逐漸推到兩邊，因此在洋中脊兩側(cè)的巖石中留下了被地球磁場再磁化的記錄。由于海底在不同時(shí)期的磁化方向不同，生成了不同時(shí)期的剩余磁場，因此在洋中脊兩側(cè)就形成了正、反相間的剩余磁場；英國劍橋大學(xué)蘭康等人通過對歐洲大陸古地磁極的測量，發(fā)現(xiàn)地磁北極的位置也在發(fā)生變化，于是有人提出巖石磁場的正反轉(zhuǎn)向與地幔的轉(zhuǎn)向有關(guān)，若地幔流動(dòng)方向與地球自轉(zhuǎn)方向相反時(shí)，兩極地區(qū)就會(huì)形成一系列反向磁場，而這些反向磁場連成一片并持續(xù)發(fā)展下去，就會(huì)使地磁磁極顛倒翻轉(zhuǎn)；大多數(shù)科學(xué)家都相信地磁場是地球內(nèi)部液態(tài)鐵質(zhì)流體圍繞著地核中心旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的，因此有人認(rèn)為地球內(nèi)部的液態(tài)鐵流體發(fā)生某種變化時(shí)，就可能導(dǎo)致內(nèi)部流體流動(dòng)方向發(fā)生180度旋轉(zhuǎn)，從而使地磁場發(fā)生顛倒性反轉(zhuǎn)；還有一種觀點(diǎn)認(rèn)為太陽系穿過銀河中其他星系時(shí)，受到了某些強(qiáng)大磁場的影響導(dǎo)致了地球磁場發(fā)生翻轉(zhuǎn)。有的科學(xué)家使用條帶寬度推測，在過去的7600萬年中，地球磁場曾發(fā)生過171次反轉(zhuǎn)。地球是一個(gè)巨大的天體，有哪個(gè)強(qiáng)大的作用可使地球有規(guī)律的多次改變其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)而發(fā)生顛倒性翻轉(zhuǎn)哪？上述幾種觀點(diǎn)都存在一些問題。

2 地磁反轉(zhuǎn)分析

洋中脊兩邊地磁翻轉(zhuǎn)是巖石的剩余磁性形成的，它與地磁場的成因和變化有關(guān)。《中國高新技術(shù)企業(yè)》2015年8月中（總第338期）中有一篇關(guān)于《地磁場成因新論》的文章，該文講述了地磁場的成因有以下過程：地核、地幔、地殼間的熱傳遞產(chǎn)生了熱電壓和熱電場（這一現(xiàn)象叫熱電效應(yīng)，也叫“湯姆遜效應(yīng)”）；熱電壓和熱電場使負(fù)電荷定向移動(dòng)并聚集在地殼巖石下部的某個(gè)部位，形成負(fù)電子聚集層，地核內(nèi)部的金屬原子因熱電壓和熱電場作用失去電子，形成正點(diǎn)空穴聚集區(qū)；地殼部位的負(fù)電荷（和地核內(nèi)部的正電空穴）隨地球旋轉(zhuǎn)形成運(yùn)移電流地殼運(yùn)移電流（和地核運(yùn)移電流）；運(yùn)移電流產(chǎn)生感應(yīng)磁場；地殼部位的感應(yīng)磁場將冷卻的巖漿磁化，從而使巖漿冷卻成巖石的過程中帶上剩余磁場；地殼巖石的剩余磁場疊加形成了強(qiáng)大的地磁場。

地球演化了四十多億年，發(fā)生了無數(shù)次大大小小的地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，地殼的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)形成了斷層，地幔中的巖漿就會(huì)沿?cái)鄬由锨诌M(jìn)入到斷層中。由于巖漿具有一定的導(dǎo)電能力，地核與地殼間溫差產(chǎn)生的熱電子就會(huì)隨巖漿通道進(jìn)入到斷層內(nèi)。隨著溫度降低，巖漿冷卻形成結(jié)晶的巖石，巖漿先形成斷層頂部結(jié)晶層。結(jié)晶的巖石阻擋了熱電子向地面運(yùn)移，這時(shí)電子就在結(jié)晶的巖漿巖下部形成高密度的負(fù)電荷富集區(qū)（見圖1）。充斥在斷層內(nèi)巖漿中頂端的高密度負(fù)電荷隨地球旋轉(zhuǎn)，在斷層巖漿頂端處形成了隨地球轉(zhuǎn)動(dòng)的強(qiáng)運(yùn)移電流I1'。斷層中頂端處的強(qiáng)運(yùn)移電流I1'的流向與地球的轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反。

負(fù)電子隨地球轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)形成的是一組垂直于地球轉(zhuǎn)軸平面的環(huán)形運(yùn)移電流，這些運(yùn)移電流就產(chǎn)生了南北走向的感應(yīng)磁場。強(qiáng)運(yùn)移電流I1'內(nèi)側(cè)的感應(yīng)磁場B1'的方向由北向南，I1'面外側(cè)的感應(yīng)磁場B1'方向是由南向北。隨著時(shí)間的推移，斷層內(nèi)的基性巖漿就會(huì)漸漸冷卻，在層里不斷增深下移，這樣在強(qiáng)感應(yīng)磁場B1'的作用下，位于運(yùn)移電流I1'面外側(cè)的巖漿在冷卻過程中就帶上了強(qiáng)大的剩余磁場，并逐漸累積形成了巖脈強(qiáng)磁體。巖脈強(qiáng)磁體的北端是N極，南端是S。巖脈強(qiáng)磁體就像一個(gè)獨(dú)立的巨長的條形磁鐵鑲嵌在斷層內(nèi)部，在巖脈強(qiáng)磁體內(nèi)部磁場方向由南向北，在巖脈強(qiáng)磁體外圍的磁場則是由北向南。在巖脈強(qiáng)磁體上部和東西面的圍巖內(nèi)，磁場方向由北向南，其磁場方向與地球磁場方向相反。在這個(gè)反向強(qiáng)磁場的作用下，一定范圍內(nèi)的周圍巖石就會(huì)被磁化帶上反向剩余磁場。這樣就形成了“向北—向南（反向）—向北”模式的磁異常翻轉(zhuǎn)。地球上所有的斷層區(qū)都會(huì)通過這種方式形成巖脈強(qiáng)磁體，形成“向北—向南（反向）—向北”有序的磁異常翻轉(zhuǎn)。

古地磁學(xué)勘探發(fā)現(xiàn)，時(shí)代較老的巖石，有些剩余磁的磁化方向和現(xiàn)在的磁化方向相反。這種反方向起初解釋以為是偶然現(xiàn)象，但是后來經(jīng)過多項(xiàng)觀測證明是一個(gè)相當(dāng)普遍的問題。加藤（Y.Kato）等人發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)離巖脈部分的地層A呈正向磁化，巖脈B和與巖脈臨近并被巖脈烘烤過的一部分地層C則是反向磁化（見圖2）。加藤（Y.Kato）等人認(rèn)為出現(xiàn)磁性反轉(zhuǎn)的原因，肯定是“地層A形成時(shí)的磁場是正向的，當(dāng)巖脈B入侵后，地磁場是反向的，因此使巖脈B和地層C獲得了反向磁場”，這是加藤（Y.Kato）等人的推斷和解釋。加藤（Y.Kato）等人的發(fā)現(xiàn)和推斷正好為上述“巖脈強(qiáng)磁體”的分析和推論提供了有力的證據(jù)。

通過上面的推理和論述，便可以形成下面的觀點(diǎn)：一是巖漿入侵，周圍圍巖溫度高于居里溫度時(shí)磁性受到破壞。在溫度冷卻到居里溫度以下時(shí)，入侵巖漿和周圍圍巖同時(shí)獲得運(yùn)移電流I1'產(chǎn)生的感應(yīng)磁場的磁化，因此帶上正向剩余磁性，形成正向巖脈強(qiáng)磁體；二是巖脈強(qiáng)磁體外上部的老巖層和東西巖層內(nèi)產(chǎn)生了反方向強(qiáng)磁場；三是遠(yuǎn)離斷層巖漿外圍的圍巖沒有受到巖漿的破壞，保留了原始地層的向南正向的地磁場。這樣每一條有巖漿入侵的斷層都可以形成以斷層為軸心的一組“向北—向南（反向）—向北”三條對稱相間的地磁翻轉(zhuǎn)帶。洋中脊是一條大隆起，也是一個(gè)斷裂帶，由多個(gè)斷層構(gòu)成，中央是一條主斷層，兩翼有多條翼斷層。巖漿沿多條斷層入侵，因此形成了多條巖脈強(qiáng)磁體。多條巖脈強(qiáng)磁體產(chǎn)生了多條與斷層對應(yīng)的地磁翻轉(zhuǎn)帶（見圖3）。

3 推論

關(guān)于地磁場翻轉(zhuǎn)的成因，文中提出了下述觀點(diǎn)：地球半徑方向上的熱傳遞產(chǎn)生了巖漿的熱電效應(yīng)，從而產(chǎn)生了大量的熱電荷；熱電荷隨斷層內(nèi)巖漿上侵，在冷卻過程中形成了巖漿尖端處的負(fù)電荷富集區(qū)；富集區(qū)內(nèi)的負(fù)電荷隨地球旋轉(zhuǎn)，形成了強(qiáng)大的斷層運(yùn)移電流；斷層運(yùn)移電流產(chǎn)生了強(qiáng)大的感應(yīng)磁場；強(qiáng)感應(yīng)磁場使上侵的巖漿在冷卻過程中磁化，形成了斷層內(nèi)的巖脈強(qiáng)磁體；巖脈強(qiáng)磁體外部的磁場形成了強(qiáng)大的反向地磁場，因此就在洋中脊兩側(cè)形成了對稱性的、正/反相間的地磁場。這就是地磁場發(fā)生反轉(zhuǎn)的本質(zhì)原因。

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[4] 彭壽斌.地磁場成因新論[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2015，（23）.

作者簡介：彭壽斌（1963-），男，山東東營人，中國石化勝利油田有限公司孤東采油廠工藝研究所高級工程師，研究方向：石油地質(zhì)勘探與開發(fā)工藝和原子物理、地球物理、天文物理等。

（責(zé)任編輯：陳 潔）