地球磁場(chǎng)倒轉(zhuǎn)到底有多快？洞穴石筍古地磁紀(jì)錄大解密

地球磁場(chǎng)阻擋著太陽風(fēng)對(duì)地球的吹襲，保護(hù)地球上的生靈與萬物。根據(jù)科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，在過去一百五十年地磁場(chǎng)已經(jīng)減少了百分之十到十五，若再持續(xù)削落，未來將有發(fā)生地磁倒轉(zhuǎn)的可能，造成磁爆，太陽風(fēng)直接侵襲地球，將會(huì)對(duì)衛(wèi)星通訊及自然生態(tài)，造成無法估計(jì)的損害。但地球磁場(chǎng)倒轉(zhuǎn)究竟會(huì)有多快？過程又是如何變化？從兩千年前人類發(fā)現(xiàn)地球具有磁性以來，直至今日這些問題依舊成謎。

本論文的通訊作者，臺(tái)灣大學(xué)地質(zhì)系沈川洲特聘教授，領(lǐng)導(dǎo)團(tuán)隊(duì)，測(cè)量華南地區(qū)洞穴石筍的超微量地磁訊號(hào)，並結(jié)合全球領(lǐng)先的精準(zhǔn)鈾釷定年關(guān)鍵技術(shù)，成功重建解析度精準(zhǔn)至僅幾十年，發(fā)生在十萬年前，歷時(shí)一萬六千年的珍貴地磁紀(jì)錄。

研究中最驚人的發(fā)現(xiàn)是，在九萬八千年前，地磁極最快可以在一百年內(nèi)發(fā)生一次倒轉(zhuǎn)。團(tuán)隊(duì)同時(shí)發(fā)現(xiàn)，在地球磁場(chǎng)非常微弱的十萬年前，地磁極呈數(shù)百年到幾千年不等的特殊重現(xiàn)性不對(duì)稱南北飄移，稱之為周氏震盪。本研究首次揭露的周氏震盪以及百年倒轉(zhuǎn)事件，完全顛覆了過去對(duì)地球磁場(chǎng)的認(rèn)知，是獨(dú)步全球的研究成果。這個(gè)重大發(fā)現(xiàn)，已在8月20日於國(guó)際頂尖期刊「美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊」 《Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America》發(fā)表。

地球磁場(chǎng)的重要功能：保護(hù)地球生物及電子通訊

地球磁場(chǎng)已存在幾十億年，可將太陽風(fēng)與帶電宇宙射線粒子偏轉(zhuǎn)遠(yuǎn)離地球，像一面隱形盾牌保護(hù)大氣層免於在高速帶電粒子撞擊下而消失，同時(shí)也阻隔生物受到有害的宇宙射線影響，是維持地球生物蓬勃發(fā)展的關(guān)鍵因素。假如將來發(fā)生了地球磁極快速倒轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，磁北極先從北半球高緯度地區(qū)飄向低緯度，然後再飄往南半球高緯度地區(qū)；過程中，當(dāng)磁極處?kù)兜途暥葧r(shí)，從太陽輻射出的高速帶電粒子流，將直接侵襲地球，破壞衛(wèi)星、航空、通訊與電力系統(tǒng)，可能導(dǎo)致網(wǎng)路癱瘓，全球股市與金融的失序，對(duì)於現(xiàn)代文明，將是一大衝擊。至於候鳥、鮭魚等許多具有感應(yīng)磁場(chǎng)能力的生物，可能會(huì)辨識(shí)錯(cuò)亂，進(jìn)而改變局部生態(tài)；大氣結(jié)構(gòu)與水文氣候也將可能會(huì)有所改變。

突破的關(guān)鍵：帶磁的石筍與精確定年技術(shù)

1920年代，科學(xué)家第一次在巖石中發(fā)現(xiàn)地磁倒轉(zhuǎn)事件。經(jīng)過百年研究以來，大家已經(jīng)都知道在過去地球歷史中，地球磁場(chǎng)會(huì)飄移，也會(huì)倒轉(zhuǎn)；但飄移的細(xì)微過程，以及地磁極倒轉(zhuǎn)的速度到底有多快，一直是科學(xué)界最艱鉅、難以回答的問題之一。其根本原因在於研究材料本身的限制與高解析定年的困難。

沈教授指出，火成巖、沉積巖與湖泊/海洋沉積物，是過去兩個(gè)世紀(jì)以來一直被廣泛利用來了解地磁紀(jì)錄與反轉(zhuǎn)事件時(shí)間的研究對(duì)象?；鸪蓭r具有強(qiáng)磁性且可以準(zhǔn)確定年，但很難有連續(xù)紀(jì)錄。沉積巖與湖泊/海洋沉積物中含有的磁性礦物可以告訴我們連續(xù)的古地磁紀(jì)錄，但是高解析的定年則較為困難，而且沉積物總是容易被攪動(dòng)混合，很難取得細(xì)緻的古地磁變化紀(jì)錄。

洞穴石筍可以被精確定年，生長(zhǎng)時(shí)磁性礦物嵌埋在石筍中不被擾動(dòng)，是提供連續(xù)原始古地磁紀(jì)錄的理想材料。雖然石筍在1979年第一次被用於古地磁研究，但由於石筍的成份幾乎全是碳酸鹽類，即使有磁性礦物存在，其含量還是非常少，古地磁訊號(hào)微弱，大概僅有相同體積火成巖中百萬分之一的強(qiáng)度，所以極難被測(cè)量?？v使重建了古地磁紀(jì)錄，解析度都很粗糙；於是往後的三十年，石筍很少再被應(yīng)用於古地磁研究。

近年來，由於定年技術(shù)的躍進(jìn)以及磁學(xué)儀器測(cè)量靈敏度的不斷提升，在2012年後，石筍又再次被應(yīng)用於古地磁研究?？v使如此，但仍碰上關(guān)鍵瓶頸─含有足夠磁性礦物的石筍非常稀少，合適的研究材料猶如大海撈針，難以尋得。

沈教授表示，能夠完成不可能的任務(wù)，獲得突破性的成果，實(shí)屬不易。他自2001年返國(guó)服務(wù)，就有這個(gè)科學(xué)目標(biāo)；在過去十幾年間，他帶領(lǐng)兩岸科學(xué)家，遍尋各大洲，以及中國(guó)大陸叢山峻嶺。團(tuán)隊(duì)從找到具有磁性的石筍到成果發(fā)表，總共花了八年時(shí)間。

與沈教授長(zhǎng)期合作的福建師範(fàn)大學(xué)姜修洋教授，自2010年開始對(duì)華南貴州進(jìn)行系統(tǒng)性調(diào)查，次年11月第三次探勘三星洞時(shí)，終於採(cǎi)到了含有磁鐵礦、長(zhǎng)一公尺、直徑約八公分的石筍標(biāo)本。

第一作者南方科技大學(xué)海洋科學(xué)與工程系周祐民助理教授，2012臺(tái)大博士班畢業(yè)，自2014年起以博士後研究員身分，加入沈教授的研究室，使用臺(tái)大地質(zhì)系領(lǐng)先世界的鈾釷定年技術(shù)，還有北京中科院的低溫超導(dǎo)測(cè)磁儀，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。本研究還與新竹國(guó)家同步輻射研究中心合作，利用高解析電子顯微鏡，鑑定石筍中磁性礦物。所有分析工作，前前後後共花了四年時(shí)間；最後取得180個(gè)古地磁資料以及70個(gè)定年點(diǎn)，成功重建了發(fā)生在十萬年前，具有史無前例的數(shù)十年精緻解析度，前後共一萬六千年的珍貴地磁紀(jì)錄。

獨(dú)步全球的研究成果：周氐震盪與百年地磁倒轉(zhuǎn)

研究發(fā)現(xiàn)，在十萬年前地球磁場(chǎng)很弱而且非常不穩(wěn)定，石筍資料顯示出不斷重複發(fā)生、相似性極高的不對(duì)稱性地磁極南北飄移模式與週期。這種特殊的周氏震盪模式，地磁極首先從正向 (現(xiàn)今地磁的南北方向) 經(jīng)一百到幾百年，就快速倒轉(zhuǎn)到反向，隨後馬上反彈，但並非轉(zhuǎn)回完全正向，而是先轉(zhuǎn)回到中低緯度區(qū)域，然後再歷經(jīng)數(shù)百年到數(shù)千年才慢慢轉(zhuǎn)回高緯度的原正向位置。這種周氏震盪現(xiàn)象，其發(fā)生機(jī)制目前尚不清楚，但團(tuán)隊(duì)相信應(yīng)該與地球內(nèi)部動(dòng)力產(chǎn)生地球磁場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)作用有關(guān)。研究中更驚人的發(fā)現(xiàn)是在九萬八千年前，地磁極僅需86-202年之間的時(shí)間，即可以從正向 (現(xiàn)今地球磁場(chǎng)的南北方向)，快速地完全倒轉(zhuǎn)到反向。以前科學(xué)界普遍認(rèn)知，磁極完全倒轉(zhuǎn)應(yīng)該需要一千年甚至更長(zhǎng)時(shí)間，但此革新的研究告訴我們，磁極可能在百年內(nèi)倒轉(zhuǎn)，遠(yuǎn)比過去所估計(jì)的速度還快上10倍。

資助單位與研究團(tuán)隊(duì)：這項(xiàng)重大科學(xué)成果是由科技部卓越領(lǐng)航計(jì)畫、教育部深耕計(jì)畫、臺(tái)大前瞻領(lǐng)航計(jì)畫、與永續(xù)地球尖端科學(xué)研究中心共同資助，臺(tái)灣大學(xué)地質(zhì)科學(xué)系沈川洲特聘教授領(lǐng)導(dǎo)完成，主要合作單位包含南方科技大學(xué)、國(guó)家同步輻射中心、福州師範(fàn)大學(xué)、健行科技大學(xué)、中科院地質(zhì)所與澳洲國(guó)立大學(xué)等等。

全文請(qǐng)參閱8月20日「美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊」 《Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America》: August 2018, 201720404; DOI: 10.1073/pnas.1720404115. Multidecadally resolved polarity oscillations during a geomagnetic excursion。

文章參見 http://www.pnas.org/content/early/2018/08/14/1720404115。