地质学家发现具有地球磁场最古老证据的岩石

发布时间：2024-05-22 16:55:07 栏目：精选知识

导读 麻省理工学院和牛津大学的地质学家在格陵兰岛发现了古老的岩石，其中蕴藏着地球早期磁场最古老的遗迹。这些岩石似乎异常原始，数十亿年来一...

麻省理工学院和牛津大学的地质学家在格陵兰岛发现了古老的岩石，其中蕴藏着地球早期磁场最古老的遗迹。



这些岩石似乎异常原始，数十亿年来一直保留着其特性。研究人员确定，这些岩石大约有 37 亿年的历史，并且保留了强度至少为 15 微特斯拉的磁场特征。古代磁场的大小与今天地球的磁场相似。

这些开放获取的发现 发表在 《地球物理研究杂志》上，代表了地球周围磁场的一些最早的证据。这些结果可能会将地球磁场的年龄延长数亿年，并可能揭示地球上生命诞生的早期条件。

“理论上，磁场是我们认为地球是一颗真正独特的宜居星球的原因之一，”前麻省理工学院博士后、现牛津大学行星过程地质学副教授克莱尔·尼科尔斯 (Claire Nichols) 表示。“人们认为，我们的磁场可以保护我们免受太空有害辐射的侵袭，还有助于我们拥有长期稳定的海洋和大气层。”

先前的研究已经证明地球上存在至少 35 亿年磁场的证据。这项新研究将磁场的寿命再延长了 2 亿年。

“这很重要，因为我们认为那时生命正在出现，”麻省理工学院地球、大气和行星科学系 (EAPS) 行星科学罗伯特·R·施罗克 (Robert R. Shrock) 教授本杰明·韦斯 (Benjamin Weiss) 说。 “如果地球磁场早在几亿年前就存在，它可能在使地球适宜居住方面发挥关键作用。”

尼科尔斯和韦斯是这项新研究的共同作者，其中还包括麻省理工学院的克雷格·马丁和雅典娜·埃斯特、普林斯顿大学的亚当·马卢夫，以及来自塔夫茨大学和科罗拉多大学博尔德分校等机构的其他同事。

缓慢的搅动

如今，地球的磁场由其熔化的铁芯提供动力，铁芯在自发电的“发电机”中缓慢地搅动电流。由此产生的磁场像保护性气泡一样向外延伸并围绕地球。科学家怀疑，在进化的早期，地球能够孕育生命，部分原因是早期的磁场足够强大，足以保留维持生命的大气层，同时保护地球免受太阳辐射的破坏。

尽管有证据表明这种磁屏蔽的存在时间可以追溯到大约 35 亿年前，但这种磁屏蔽究竟有多早出现、有多坚固仍有争议。

尼科尔斯说：“我们想看看是否可以将这一记录追溯到 35 亿年前，并确定早期磁场的强度。”

2018 年，当时在韦斯实验室工作的博士后尼科尔斯和她的团队出发前往 伊苏阿表壳带探险，这是格陵兰岛西南部一条 20 英里长的裸露岩层，周围环绕着高耸的冰盖。在那里，科学家们发现了地球上保存最古老的岩石，人们对这些岩石进行了广泛的研究，希望能解答有关地球古代状况的一系列科学问题。

对于尼科尔斯和韦斯来说，他们的目标是找到在岩石最初形成时仍然具有地球磁场特征的岩石。岩石经过数百万年的形成，沉积物和矿物质颗粒不断积累，并随着时间的推移逐渐堆积并埋藏在随后的沉积物中。矿床中的任何磁性矿物(例如氧化铁)在形成时都会受到地球磁场的牵引。这种集体方向和磁场的印记保留在岩石中。

然而，如果岩石随后经历极端的热或水事件，例如热液活动或板块构造，这些事件可以加压并压碎这些沉积物，那么这种保存下来的磁场可能会被扰乱并完全消除。因此，确定古代岩石中磁场的年龄一直是一个备受争议的研究领域。

为了获得自最初沉积以来保存完好、未发生改变的岩石，研究小组从伊苏阿表壳带的岩层中采集了样本，这是一个只有直升机才能到达的偏远地区。

“距离首都约 150 公里，你可以乘直升飞机到达，直接到达冰盖，”尼科尔斯说。 “在这里，您基本上拥有世界上最古老的岩石，周围环绕着冰河时代的戏剧性表现。这真是一个非常壮观的地方。”

动态历史

研究小组带回了麻省理工学院的带状铁质构造的完整岩石样本——这种岩石类型看起来就像富含铁和富含二氧化硅的条纹。在这些岩石中发现的氧化铁矿物可以充当微小的磁铁，根据任何外部磁场进行定向。考虑到它们的成分，研究人员怀疑这些岩石最初是在大约 25 亿年前大气中氧气含量上升之前的原始海洋中形成的。

“当大气中没有氧气时，铁不容易氧化，因此它在海洋中溶解，直到达到临界浓度，然后沉淀出来，”尼科尔斯解释道。 “所以，这基本上是铁从海洋中倾盆而下并沉积在海底的结果。”

“它们非常美丽、奇特，看起来与当今地球上形成的任何东西都不一样，”韦斯补充道。

之前的研究使用铀铅测年法来确定这些岩石样本中铁氧化物的年龄。铀与铅 (U-Pb) 的比率使科学家能够估计岩石的年龄。这项分析发现，一些磁化矿物的年龄可能约为 37 亿年。麻省理工学院的团队与伦斯勒理工学院的研究人员合作，在去年发表的一篇论文中表明，U-Pb 年龄也可以确定这些矿物中磁记录的年龄。

然后，研究人员着手确定古代岩石是否保存了远古时期的磁场，以及该磁场的强度。

“我们认为最好的样本具有非常古老的特征，然后我们在实验室中逐步消磁。我们应用已知强度的实验室磁场，并逐步对岩石进行重新磁化，因此您可以将退磁梯度与实验室磁化强度梯度进行比较。这个梯度告诉你古代磁场有多强，”尼科尔斯解释道。

通过这一仔细的重磁化过程，研究小组得出结论，这些岩石可能蕴藏着一个 37 亿年前的古老磁场，其强度至少为 15 微特斯拉。如今，地球磁场强度约为 30 微特斯拉。

“强度只有一半，但数量级相同，”尼科尔斯说。 “事实上，它的强度与今天的磁场相似，这意味着驱动地球磁场的任何东西在数十亿年的时间里并没有发生巨大的变化。”

研究小组的实验还表明，尽管经历了两次后续的热事件，岩石仍然保留了古老的磁场。任何极端的热事件，例如地下构造震动或热液喷发，都可能加热并消除岩石的磁场。但研究小组发现，样本中的铁可能在 37 亿年前的一些初始极端热事件中定向排列，然后结晶。大约28亿年前，然后在15亿年前，岩石可能已经被重新加热，但没有达到会扰乱其磁化强度的极端温度。

研究结果还引发了关于古代地球如何为如此强大的磁场提供动力的问题。虽然今天的磁场是由固态铁内核的结晶提供动力的，但人们认为内核在地球演化的早期尚未形成。