探索地磁場時空演化的奧秘——記中國科學院地質與地球物理研究所古地磁與年代學實驗室研究團隊

本刊記者 朱剛剛

地磁場是地球最重要的物理場之一，它起源于地球外核磁流體運動，因此，地磁場演化蘊含著豐富的地球內部動力學信息；其次，記錄在巖石和沉積物中的古地磁信息還可以用來研究地球板塊的運動歷史。20世紀初科學家發現了地磁極性倒轉行為，為隨后板塊構造理論和全球古海洋學的發展奠定了基礎。此外，地磁場可以有效地屏蔽宇宙射線，保護地球生命，在地球生命演化歷程中起著至關重要的作用。隨著科學技術的發展，通過與其它學科交叉結合，地磁學的研究領域不斷擴展。目前古地磁學的研究范疇已經從傳統的板塊構造和地磁場強度演化研究，拓寬到巖石磁學、環境磁學、理論磁學、生物磁學、海洋磁學以及環境污染等多個研究領域，顯出很強的生命力和創造力。

在近年來新一輪的學科發展中，中國科學院古地磁與年代學實驗室(PGL)研究團隊獲得基金委創新研究群體以及中科院創新團隊項目資助，立足學科前沿，在古地磁學與年代學以及相關研究的領域取得了豐碩的成果。

科學利器：建設國際一流的實驗室

古地磁學是一門集成野外與實驗觀測以及理論模擬的綜合學科，而實驗室平臺建設是學科發展的前提與依托，尤其是PGL科研領域的發展與實驗平臺建設密切相關。在過去十幾年中，PGL的平臺建設發生了質的飛躍，研究領域不斷拓寬。

PGL的前身是中國科學院原地球物理研究所的“古地磁實驗室”，其研究內容主要涉及古地磁的傳統領域。中國科學院地球物理研究所與地質研究所合并之后，PGL增加了巖石磁學實驗、地磁場古強度測定、同位素定年、生物地磁學和稀有氣體等實驗研究平臺，成為國際上僅有的能開展古地磁、環境磁學、年代學和稀有氣體示蹤地球深部過程的綜合性實驗室，大大拓展了傳統古地磁的研究領域。

目前PGL的研究方向有地磁場演化與地球內部動力學、板塊運動學、綜合地質年代學、生物地磁學、巖石磁學與環境磁學以及稀有氣體研究等領域。研究的介質從地球各種巖石，到行星隕石，大到行星尺度，小到微生物體內的納米級磁性顆粒。PGL實驗室綜合平臺的建設極大地促進了不同學科的交叉與研究成果的產出。

和諧團隊：人才梯隊建設與學科互補的優勢

自實驗室創建以來，PGL研究團隊吸收了來自地球物理學、地質學、地球化學、生物學、地理學與物理學等多個學科的人才，為開展學科交叉研究提供了基礎與保障。該團隊擁有研究員5名，副研究員4名（包括1名英國學者），開發技術員1名，研究梯隊與研究內容相輔相成。目前，研究團隊成員劉青松研究員側重于基礎巖石磁學、沉積物復雜磁性機理以及海洋磁學的研究；潘永信研究員從事地磁場與地球內部動力學以及生物地磁學方面研究；鄧成龍研究員的研究重點在于沉積盆地定年和中、新生代陸地生物群年代學及其沉積環境背景演變；王非研究員的研究特色是氬-氬年代學與熱年代學及其在地學中的應用，目前正在拓展建立U-Th/He低溫熱年代學實驗平臺；賀懷宇副研究員的研究側重地幔稀有氣體同位素組成，為大陸巖石圈地幔性質等重大基礎地質問題提供了有效的研究方法；田蘭香副研究員主要從事生物地磁學研究；秦華峰副研究員和Paterson副研究員主要從事地磁場古強度研究和儀器研發。

PGL團隊的貢獻充分地得到國際同行的認可。目前，潘永信研究員任國際地球深部研究（SEDI）咨詢委員以及國際知名地球物理雜志的編委；劉青松研究員任國際地磁學與高空物理學協會（IAGA）巖石磁學工作組主席。

PGL目前已經逐漸發展成為一個多學科交叉的聯合實驗大平臺。在未來的5年中，PGL將組建兩個相互聯系的學科組：古地磁與年代學學科組以及地磁學與內部動力學學科組。各個分支方向的學術帶頭人在和諧的科研氣氛，側重各自重點，同時圍繞地球與行星磁場演化核心主題聯合攻關。

前沿理念：開放、創新、育人、快樂科研

如果說先進的儀器是基礎，高素質的團隊是源動力，那么前沿的理念便是整個實驗室團隊的靈魂與核心，是引領實驗室的發展方向，培養創新人才，推動前沿學科發展的關鍵所在。PGL在發展歷程中，始終秉承開放、創新和育人的前沿理念，在經驗中積累，在積累中前行。

古語說“流水不腐，戶樞不蠹”，PGL的第一個重要理念就是“開放”。實驗室每天24小時，全年運轉，其中有三分之一的時間開放給國內外的研究人員進行相關研究。進入實驗室所有科研人員自己親自做實驗，并負責值班期間實驗室的衛生與安全。實驗室有完善的儀器預約、由學生當研究助理并操作培訓的管理體系。

在PGL的開放體系下，這里成為了來自各地科研工作者思想交流的場所。PGL研究團隊定期舉辦各種層次的會議，從團隊內部例行的周會，到3年一次的地球行星內部國際研討會（BEPIS），幫助團隊內部及國內外團隊之間的交流討論。在PGL，最大的感觸就是國際化的研究氛圍，這里有來自世界各地優秀科研工作者的身影。目前PGL團隊已經創建了中-法生物礦化與納米結構聯合實驗室（LIA_BioMNSL）和中-法季風-海洋-氣候聯合實驗室(LIA_MONOCL)，分別在生物礦化、生物地磁學，以及海洋地質與地球物理學方面開展卓有成效的國際合作。這種開放化的管理體系不僅極大地促進了科研人員之間思維的碰撞和新思想的產生，而且成為不同國度和不同領域研究人員之間的紐帶。實驗室已成功舉辦了兩屆地球與行星內部國際研討會和第2屆趨磁細菌與生物礦化國際研討會。

圖1 PGL團隊的研究內容。

PGL的第二個理念就是堅持創新。PGL團隊在不同學科知識體系的交叉下，把握學科交叉機遇，開辟了生物地磁學研究新方向，拓寬了古地磁學的傳統研究領域。先進的設備和實驗手段是保持實驗室長久站在研究領域前沿的基礎，也是推動整個領域發展的客觀條件。針對實驗研究的需求，實驗室已經成功研發古地磁領域新一代熱退磁爐，目前正在積極開發變頻磁化率儀、自動磁化率儀等。此外，通過建立新的生物磁學、礦物磁學、稀有氣體等技術平臺，保證實驗室在技術創新方面的優勢地位。

圖2 PGL團隊的代表性研究成果總結(按照時間演化排序)。（a）巖石磁學研究；（b）生物磁學與應用研究；（c）地磁極性倒轉過程研究；（d）泥河灣盆磁性地層學研究；（e）西藏地區構造磁學研究；(f)白堊紀超靜磁前期火山巖記錄的地磁場古強度變化。

實驗室發展的目標之一是培養一流科學家。PGL的育人理念分為兩部分：育才和育德。科學研究與教學活動相結合，是PGL主要的育才理念。在科學研究方面，鼓勵學生在實踐中學習，創造寬松自由的學術環境，提供高水平的交流平臺和合作機會。PGL團隊最具特色的育才理念是培養學生對儀器的了解，每臺儀器都有學生做儀器助理，負責日常的儀器監控和維護。在此過程中，學生不僅加深了對儀器原理的了解，也培養了作為實驗室成員的責任心。PGL團隊也為其他機構研究工作者提供培訓，比如PGL開設的“古地磁與年代學及地質應用”培訓班，除了為學員提供高質量的課程外，也提供給了一個共同交流的平臺。

在育德方面，PGL制定了明確的規章制度規范和監督學生的實驗態度和行為。育德育才，方能育人。正是由于堅持自己的育才理念，PGL團隊才能堅實邁出每一步，擁有今天的發展。迄今為止，PGL為古地磁學及相關地學領域培養了大量的優秀青年人才，成為名副其實的科研與教育基地，實驗室已經畢業研究生50余人，其中有8人獲得教授/研究員職位、10人獲得副教授/副研究員職位、7人獲得國家杰出青年科學基金資助、3人獲得中科院青年科學家獎。

人才培養是實驗室持續發展的動力源泉，實驗室為青年人才的成長和科研提供了緊張而又有張力的環境，并且這股年輕的力量也充分發揮了他們的能動性。為了加強學生們的凝聚力，實驗室非常注重實驗室文化和體育建設，營造健康快樂的工作學習氛圍，在實驗室上下形成了良好的精神面貌。他們擁有自己的民族樂隊、足球聯盟、籃球團體、攀巖小隊。極具特色的咖啡角更是成為實驗室成員休閑、聊天、分享新聞的天地。PGL推出了自己的學術生活雜志“PGL Letters”，展示出了實驗室的精神面貌。這種時尚氣息使PGL團隊充滿快樂與激情，大大改善了實驗室的科研創新氛圍，促進了團隊的建設與發展。

地磁場演化：穿鑿時空的鑰匙

古地磁信息是穿鑿時空的一把鑰匙，其研究涉及多重領域，可以從磁性物理學研究跨越到地質學應用研究。古地磁信息的載體是磁性礦物，我們可以從如下多個角度去研究：1)自然介質中所含磁性在地磁場中會定向排列，從而記錄地質歷史時期的地磁場信息。樣品攜帶的剩磁我們稱之為天然剩磁。在實驗室中，對天然剩磁進行退磁，可以獲得地磁場的方向和強度信息；2)磁性礦物作為一類特殊的礦物，它的生成、運移、沉積以及后期改造與各種地質環境過程相關，從而樣品的磁性可以被有效地用來研究地質歷史時期中相關的氣候與環境演化過程; 3)磁性礦物的磁性變化機理研究。通過綜合計算機模擬與先進的巖石磁學方法，研究模式磁性礦物（包括實驗室合成的標準磁性礦物以及磁細菌體內外合成的磁性礦物）的磁性與控制因素，為判別古地磁信息可靠性、正確解譯環境磁學信息以及研究生物礦化與生物醫學等提供基礎。

在地質歷史時期中，地磁場并非一成不變，而是在不同的時間尺度上變化。地磁極性曾發生過頻繁的倒轉，但其倒轉過程和機制并不清楚。為了解釋這個謎底，在上世紀末期，我們對中國黃土-古土壤序列開展了高分辨率的古地磁研究。結果表明，發生在78萬年的最后一次地磁極性倒轉(松山-布容倒轉)持續了幾千年的時間，一個完整的地磁極性轉換包含了多次快速倒轉過程，同時伴生著地磁場強度的大幅度降低。如果把在轉換過程中的地磁極投影在地球上，會進一步發現地磁極的運動軌跡不僅存在環太平洋分布的特征，而且還常常在一些特定的地點(如澳大利亞)聚集成簇，暗示著倒轉過程與地球內部結構密切相關。這些發現極大地加深我們極性倒轉這一神秘現象的理解。

在地質歷史時期中，發生了很多次的極性倒轉行為，我們把1百萬年發生的地磁極性倒轉次數定義為地磁極性倒頻率。在白堊紀中期的121-83百萬年間，地磁場極性沒發生倒轉，看上去非常平靜，這一現象被稱之為白堊紀正極性超時(CNS)，或白堊紀超靜磁期。對于形成CNS的機制在國際上一直存在爭議，其核心問題在于CNS期間地球磁場的強度到底是高還是低。我國東部分布著大量的白堊紀火山巖，它是記錄地磁場信息的最有效的介質之一。PGL團隊通過深入研究這些火山巖記錄的古地磁場信息，揭示出了在CNS之前地磁場地磁強度在升高，與地磁極性倒轉頻率的降低呈負相關關系；而在CNS期間地磁古強度并非單一的高或者低，而是在一個較高的值附近波動，這些研究發現為揭示CNS發生機制提供了重要的約束，具有重要地球內部動力學意義。

地磁極性倒轉具有全球統一性，把過去165百萬年以來所有的地磁極性倒轉時間排在一起，可以建立一個全球標準的地磁極性年表(GPTS)。如果把沉積物記錄的地磁極性序列與GPTS相對比，就能獲得沉積物序列的年代框架，這個研究方向稱之為磁極性地層學。比如，中國北方著名的泥河灣盆地發育了良好的晚新生代河湖相地層，并且其中包含有豐富的哺乳動物化石和舊石器遺址，是研究中國北方第四紀環境、舊石器考古和早期人類演化的一個關鍵地區。然而由于這套沉積物中缺乏適合進行同位素精確定年的材料，致使該盆地內諸多舊石器地點的年代問題一直存在爭議。PGL團隊首先深入研究了泥河灣盆地復雜沉積物記錄弱剩磁的機理和研發了新的實驗方法，在此基礎上，綜合巖石地層學和生物地層學研究，建立了該盆地的磁性地層年代框架，厘定了泥河灣動物群的時代，并在國際上首次確定了爭論已久的小長梁、馬圈溝等著名舊石器遺址的年代，建立了泥河灣地區早期人類活動年代序列，為早期人類演化研究提供了新思路。

近些年，PGL的研究思路在于逐步拓寬其研究領域，在中國黃土的磁性機理、生物磁學及應用、化學合成磁性材料的性質研究、氬氬熱年代學以及稀有氣體在地幔演化與比較行星學領域應用方面也取得了矚目的成績。地磁場影響生物圈是地球深部制約地球淺層環境和宜居性的重要形式之一，根據科學發展趨勢，PGL團隊率先開展了地磁場對動物到微生物影響的學科交叉研究，在動物地磁導航、微生物趨磁性和礦化、以及生物磁性納米顆粒應用方面做出了一系列創新性成果。

展望未來，PGL團隊將繼續堅持現有的實驗室（實驗室網站：http://www.paleomag.net/）管理與人才培養理念，面向學科前沿，繼續拓寬研究思路，走出國門，以全球視野關注地球科學重大問題，為進一步推動學科發展而努力。古地磁場研究方面，進一步結合理論模擬與實驗觀測，探索自地球形成以來地磁場的演化歷史及其內部動力學過程。構造磁學方面，將關注重要構造單元的運動歷史，為古大陸再造、古地理重建提供有力的運動學約束。年代學方面，將古地磁學與同位素年代學有機結合，為重要地質事件提供堅實的年代學制約。在巖石磁學方面，將結合微磁模擬與先進的巖石磁學技術，系統地厘定自然界中不同磁性礦物間的復雜磁性機理及相互轉換關系；環境磁學方面，綜合海陸記錄，關注全球粉塵運輸與大氣演化模式。惰性氣體研究方面，將不僅關注地幔演化，并跳出地球的圈層，從比較行星學角度看地球演化的獨特性。總之，PGL團隊通過集成多學科的優勢，希望為研究地球的長期演化提供一把真正穿鑿時空的鑰匙。