地磁翻轉原因新論

摘要：地磁翻轉成因涉及到地質構造運動、溫差熱電效應、地球自轉機械發電、電磁感應原理、巖石的居里溫度效應、巖石的剩余磁場形成機制等相關科學知識。利用上述資料，通過逐步推理分析，形成了一套斷層內的巖漿上侵磁化形成“巖脈強磁體”。巖脈強磁體產生的強磁場導致了洋中脊兩側的地磁場發生了翻轉。

關鍵詞：地磁翻轉；巖脈強磁體；磁場換向曲面；地質構造運動；溫差熱電效應 文獻標識碼：A

中圖分類號：P318 文章編號：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）在南太平洋上進行了一次大規模的地磁測量，發現海底有很多海嶺、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，長度數百千米，寬度幾十千米。上述現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。

關于產生這種對稱性條帶狀分布磁異常的原因，英國的海洋學家費雷特里克·瓦因和德拉蒙德馬修斯曾提出下面的解釋，他們認為熔巖連續不斷地沿洋中脊中軸部涌出，它們在這里冷卻，并按照當時的地磁場方向磁化。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。由于海底在不同時期的磁化方向不同，生成了不同時期的剩余磁場，因此在洋中脊兩側就形成了正、反相間的剩余磁場；英國劍橋大學蘭康等人通過對歐洲大陸古地磁極的測量，發現地磁北極的位置也在發生變化，于是有人提出巖石磁場的正反轉向與地幔的轉向有關，若地幔流動方向與地球自轉方向相反時，兩極地區就會形成一系列反向磁場，而這些反向磁場連成一片并持續發展下去，就會使地磁磁極顛倒翻轉；大多數科學家都相信地磁場是地球內部液態鐵質流體圍繞著地核中心旋轉產生的，因此有人認為地球內部的液態鐵流體發生某種變化時，就可能導致內部流體流動方向發生180度旋轉，從而使地磁場發生顛倒性反轉；還有一種觀點認為太陽系穿過銀河中其他星系時，受到了某些強大磁場的影響導致了地球磁場發生翻轉。有的科學家使用條帶寬度推測，在過去的7600萬年中，地球磁場曾發生過171次反轉。地球是一個巨大的天體，有哪個強大的作用可使地球有規律的多次改變其運動狀態而發生顛倒性翻轉哪？上述幾種觀點都存在一些問題。

2 地磁反轉分析

洋中脊兩邊地磁翻轉是巖石的剩余磁性形成的，它與地磁場的成因和變化有關。《中國高新技術企業》2015年8月中（總第338期）中有一篇關于《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、地殼間的熱傳遞產生了熱電壓和熱電場（這一現象叫熱電效應，也叫“湯姆遜效應”）；熱電壓和熱電場使負電荷定向移動并聚集在地殼巖石下部的某個部位，形成負電子聚集層，地核內部的金屬原子因熱電壓和熱電場作用失去電子，形成正點空穴聚集區；地殼部位的負電荷（和地核內部的正電空穴）隨地球旋轉形成運移電流地殼運移電流（和地核運移電流）；運移電流產生感應磁場；地殼部位的感應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大的地磁場。

地球演化了四十多億年，發生了無數次大大小小的地質構造運動，地殼的構造運動形成了斷層，地幔中的巖漿就會沿斷層上侵進入到斷層中。由于巖漿具有一定的導電能力，地核與地殼間溫差產生的熱電子就會隨巖漿通道進入到斷層內。隨著溫度降低，巖漿冷卻形成結晶的巖石，巖漿先形成斷層頂部結晶層。結晶的巖石阻擋了熱電子向地面運移，這時電子就在結晶的巖漿巖下部形成高密度的負電荷富集區（見圖1）。充斥在斷層內巖漿中頂端的高密度負電荷隨地球旋轉，在斷層巖漿頂端處形成了隨地球轉動的強運移電流I1'。斷層中頂端處的強運移電流I1'的流向與地球的轉動方向相反。

負電子隨地球轉動時形成的是一組垂直于地球轉軸平面的環形運移電流，這些運移電流就產生了南北走向的感應磁場。強運移電流I1'內側的感應磁場B1'的方向由北向南，I1'面外側的感應磁場B1'方向是由南向北。隨著時間的推移，斷層內的基性巖漿就會漸漸冷卻，在層里不斷增深下移，這樣在強感應磁場B1'的作用下，位于運移電流I1'面外側的巖漿在冷卻過程中就帶上了強大的剩余磁場，并逐漸累積形成了巖脈強磁體。巖脈強磁體的北端是N極，南端是S。巖脈強磁體就像一個獨立的巨長的條形磁鐵鑲嵌在斷層內部，在巖脈強磁體內部磁場方向由南向北，在巖脈強磁體外圍的磁場則是由北向南。在巖脈強磁體上部和東西面的圍巖內，磁場方向由北向南，其磁場方向與地球磁場方向相反。在這個反向強磁場的作用下，一定范圍內的周圍巖石就會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。地球上所有的斷層區都會通過這種方式形成巖脈強磁體，形成“向北—向南（反向）—向北”有序的磁異常翻轉。

古地磁學勘探發現，時代較老的巖石，有些剩余磁的磁化方向和現在的磁化方向相反。這種反方向起初解釋以為是偶然現象，但是后來經過多項觀測證明是一個相當普遍的問題。加藤（Y.Kato）等人發現遠離巖脈部分的地層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）等人認為出現磁性反轉的原因，肯定是“地層A形成時的磁場是正向的，當巖脈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）等人的發現和推斷正好為上述“巖脈強磁體”的分析和推論提供了有力的證據。

通過上面的推理和論述，便可以形成下面的觀點：一是巖漿入侵，周圍圍巖溫度高于居里溫度時磁性受到破壞。在溫度冷卻到居里溫度以下時，入侵巖漿和周圍圍巖同時獲得運移電流I1'產生的感應磁場的磁化，因此帶上正向剩余磁性，形成正向巖脈強磁體；二是巖脈強磁體外上部的老巖層和東西巖層內產生了反方向強磁場；三是遠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帶。洋中脊是一條大隆起，也是一個斷裂帶，由多個斷層構成，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磁體。多條巖脈強磁體產生了多條與斷層對應的地磁翻轉帶（見圖3）。

3 推論

關于地磁場翻轉的成因，文中提出了下述觀點：地球半徑方向上的熱傳遞產生了巖漿的熱電效應，從而產生了大量的熱電荷；熱電荷隨斷層內巖漿上侵，在冷卻過程中形成了巖漿尖端處的負電荷富集區；富集區內的負電荷隨地球旋轉，形成了強大的斷層運移電流；斷層運移電流產生了強大的感應磁場；強感應磁場使上侵的巖漿在冷卻過程中磁化，形成了斷層內的巖脈強磁體；巖脈強磁體外部的磁場形成了強大的反向地磁場，因此就在洋中脊兩側形成了對稱性的、正/反相間的地磁場。這就是地磁場發生反轉的本質原因。

參考文獻

[1] 吳順和.石油地球物理勘探（上冊）[M].北京：石油工業出版社，1996.

[2] 導淦.物理學[M].北京：高等教育出版社，1993.

[3] 管守銳，趙澄林.巖漿巖及變質巖簡明教程[M].北京：石油大學出版社，1991.

[4] 彭壽斌.地磁場成因新論[J].中國高新技術企業，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：石油地質勘探與開發工藝和原子物理、地球物理、天文物理等。

（責任編輯：陳 潔）