地球磁場或早于預期

中國科學報 2020-01-22

  據《科學》雜志報道,研究人員發現了更多證據,證明我們的星球在42億年前,即地球形成3.5億年后就有一個強大的磁場,這比之前認為的要早7.5億年。磁場會給地球套上保護罩,保護大氣層不被太陽的高能粒子穿透,還能幫助生命站穩腳跟。

  由于幾乎沒有保存的巖石可供研究,地質學家艱難地重建地球冥古宙時期——45.5億年前到40億年前的景象。但從澳大利亞西部杰克山30億年前的年輕巖石中,科學家可以找到零碎但有爭議的線索。這些巖石中含有一種叫做鋯石的堅硬礦物的微小晶體,它是從更古老的塊體——42億年前由冷卻巖漿形成的冥古宙巖石上脫落的。

  美國紐約羅徹斯特大學地球物理學家John Tarduno領導的一個國際研究團隊稱,這些晶體中還保存了古代地球磁場的證據。但并不是所有研究人員都相信這一結果,因為它把公認的地球磁場“生日”前推了7.5億年。“有許多研究小組試圖證明我們的發現是錯誤的,”Tarduno說,“這是科學的一部分。”

  2015年,Tarduno及同事在《科學》上首次報告了這一發現。巖石中大約有24顆鋯石,它們是一種含鐵礦物——磁鐵礦的微小顆粒,能有效地把每個晶體變成微型條狀磁鐵。研究人員發現,這些顆粒所含的磁場是一致的,只有當磁鐵礦冷卻且暴露在磁場中才會發生這種情況。

  Tarduno團隊說,磁化作用是42億年前留下的印記,當時原始的含有鋯石的巖石首次冷卻。然而在任何一刻,如果磁鐵礦顆粒變得足夠熱——超過約600攝氏度,它們將失去磁排列,并在再次冷卻時重新獲得新的磁排列。

  麻省理工學院地質學家Benjamin Weiss對Tarduno的說法提出質疑,“26億年前,可能就發生了這樣的一次加熱事件。”他說,“這些鋯石有著令人難以置信的漫長且未知的歷史。”

  在近日的美國《國家科學院院刊》上,Tarduno研究團隊收集了一系列新證據,證明磁化發生在冥古代而不是很久之后。鋯石晶體中有富含鋰離子的區域,被加熱時,這些區域會隨著時間的推移通過一種被稱為化學擴散的過程滲入相鄰區域。Tarduno和同事在3個鋯石晶體中測量了這些區域邊界的鋰濃度。在兩個晶體中,他們發現擴散的證據有限。Tarduno說,這說明它們在42億年歷史中,從未被加熱到600攝氏度以上——它們的磁性特征是原始的。“我認為這是一個了不起的發現。”

  更重要的是,在另一方面,顯示出加熱跡象的鋯石晶體是一個例外:它保留了異常微弱的磁信號。2015年,Tarduno和同事得出結論,這可能是42億年前奇怪變化的磁場的證據。但現在他認為,這顆特殊的鋯石似乎后來獲得了磁性,而在討論地球最早的磁場時,它保留的微弱信號可以忽略不計。Tarduno說,這表明在冥古代時期,地球實際上有一個磁場,其核心有一個和今天一樣強大的地磁發電機。

  洛杉磯加利福尼亞大學地質學家Mark Harrison并不信服這一新研究。因為鋰離子滲透過邊界需要高溫和很長的時間。如果加熱使鋯石的溫度超過600攝氏度,盡管只保存了1萬年(對地質學家而言,這是一瞬間),但卻足以重置鋯石的磁性而不擴散鋰。“我不認為這是確鑿的證據。”他說。

  麻省理工學院地質學家Claire Nichols未參與任何杰克山的研究,她表示,通過分析格陵蘭島的巖石可知,地球的磁場至少37億年前就存在了。“不同研究團隊正相互推動使用越來越先進的技術,這很好。”她評價道,“這給了我們最佳機會去理解關于地磁發電機的最早紀錄。”

責任編輯:王超

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