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PNAS: 單顆粒鋯石古地磁研究揭示冥古宙地球發電機狀態
2020-02-21 | 作者: | 【 】【打印】【關閉

  地球磁場作為地球的基本物理場之一,對保護地球大氣圈、生物圈免受太陽風等宇宙射線影響具有重要意義。地球磁場形成的原理和最初形成的時間是地球物理學研究的前沿科學問題。通過古地磁研究和地球物理模擬,地球發電機(Geodynamo)理論成為解釋地球磁場產生和維持數十億年的理論基礎。該理論認為地球磁場是由于地球外核中導電流體(液態鐵)的熱對流以及地球自轉的科里奧利力使對流流體發生偏轉產生(Glatzmaier and Roberts, 1995)。導電流體形成磁場的同時,會產生電磁感應,感應磁場對原磁場有補償作用,從而形成可自維持的地球發電機和地球磁場。 

  對地球早期形成巖石和礦物的古地磁研究是確定地球磁場最初產生時間的有效手段。巖石作為磁性礦物(磁鐵礦、赤鐵礦、雌黃鐵礦等)的載體是古地磁研究的主要對象,而精確定年的古老巖石則是反映地球早期磁場信息的最佳研究對象。目前最老的未變質巖石的古地磁結果來自南非Barberton綠巖帶中Onverwacht群火山巖和沉積巖(3.45 Ga),其原生剩磁結果顯示當時地磁場強度為現今的50%-70%,并記錄了一次地球早期磁場的倒轉現象,說明3.45 Ga時地球可能已經存在偶極磁場(Biggin et al., 2011)。對于地球更早期的地磁場狀態和演化,由于缺乏有效的巖石記錄,成為古地磁學研究的難點和亟待解決的科學問題。 

  尋求新的含有磁性礦物的研究對象成為解決該問題的關鍵。鋯石作為巖石中普遍存在的副礦物,具有穩定的地球化學性質和較高的封閉溫度,使其在長期的地質歷史時期較難受后期變質和熱事件影響,因此已成為U-Pb年代學測試的主要載體。鋯石內部的包裹體可能含有磁鐵礦顆粒,其中單疇(粒徑30-80 nm)和假單疇(粒徑80 nm-25μm)磁鐵礦顆??梢杂涗涗喪纬蓵r的磁場信息。而且,由于鋯石可以獲得精確的年齡,其原生剩磁信息可以準確對應到地球早期各個時代,從而揭示地球早期磁場變化。 

  基于鋯石的穩定性和可精確定年兩個主要優點,美國羅切斯特大學Tarduno等人創造性地開展了鋯石的古地磁研究,并應用于地球最古老巖石(西澳大利亞Jack Hills礫巖)中的碎屑鋯石,獲得了3.3-4.2 Ga地球磁場信息,據此認為地球發電機和地磁場開始于4.2 GaTarduno et al., 2015)。同期,Weiss et al. (2015)Jack Hills礫巖本身和圍巖的古地磁研究則顯示Jack Hills地區巖石受到明顯重磁化,重磁化可能由2.65 Ga的綠片巖相變質作用導致,因此,碎屑鋯石不可能記錄3.3 Ga之前的地磁場信息。為進一步驗證重磁化現象,Weiss et al. (2018)Jack Hills礫巖中碎屑鋯石進行古地磁研究,發現普遍存在于鋯石表面及裂縫中的鐵磁性礦物大量次生赤鐵礦而非原生磁鐵礦,因此認為鋯石所記錄的地磁場信息為后期形成鐵磁性礦物所攜帶,這些鐵磁性礦物的形成年齡比鋯石年輕幾億-十億年,因而無法確定鋯石形成時的地球發電機和磁場信息。 

  上述爭議顯示鋯石古地磁研究的難點在于如何確定鋯石中磁鐵礦包裹體的剩磁為原生剩磁,而非后期重磁化結果。為證明Jack Hills礫巖中碎屑鋯石能夠攜帶原生剩磁信息,Tarduno et al. (2020)在對4.1-4.0 Ga碎屑鋯石進行詳細的光學顯微鏡和掃描電鏡觀察、聚焦離子束分析、磁光克爾效應測量、透射式電子顯微鏡分析和Li同位素含量掃描的基礎上,對其進行古地磁學研究。鏡下分析顯示鋯石中磁鐵礦包裹體有兩種存在狀態:(1)存在于裂隙中和包含在晶體內(圖1);(2)磁鐵礦顆粒粒徑既包含單疇-假單疇顆粒,又包含多疇顆粒(圖1F)。鋯石7Li同位素面掃描得出其帶寬最小值為3.3μm,對應峰期變質溫度為475°C,低于磁鐵礦居里溫度(580℃),因此不能將原生剩磁完全重磁化。逐步退磁結果分離出低溫和高溫兩個剩磁分量(圖2A、圖2B),低溫分量在400℃以下獲得,可能代表2.65 Ga綠片巖相變質作用的重磁化結果,該剩磁分量可由多疇磁鐵礦顆粒攜帶。高溫分量(550-580℃)方向不同于低溫分量,剩磁由單疇-假單疇磁鐵礦攜帶,并通過微礫石檢驗(圖2C),因此判定該高溫分量代表原生剩磁,可反映鋯石形成時地磁場特征?;谝陨戏治?,Tarduno等人認為Jack Hills碎屑鋯石的高溫分量所攜帶的古地磁信息可用于討論地球冥古宙-古太古代地磁場變化、早期地核演化和地球發電機起源等問題。 

1 A-C.反射光下鋯石的表面特征,顯示鋯石包裹體位于鋯石晶體內部;D-E.不同點位X線衍射能譜分析,點位位于B中;F.磁鐵礦顆粒粒徑分布圖

2 Jack Hills碎屑鋯石古地磁結果。A-B.正交坐標系下逐步退磁結果,顯示低溫和高溫剩磁分量;C.高溫剩磁分量的微礫石檢驗,高溫剩磁方向分散分布,通過微礫石檢驗說明高溫剩磁是原生的;D.低溫剩磁方向投影顯示低溫分量與高溫分量不同,指示可能為后期重磁化過程中獲得

  該研究的主要意義在于兩點:1)揭示了冥古宙地球磁場信息(圖3),認為地球發電機開始于冥古宙。冥古宙-始太古代地磁場強度的顯著降低(圖3),可能反映液態外核降溫導致的熱對流減弱及核幔邊界的不均一性,并最終引發地磁場強度減弱。2)證明鋯石古地磁在研究地球早期磁場演化和地球發電機理論具有廣闊的前景。目前全球報道的>3.6 Ga的古地磁數據較少,而且主要來自西澳大利亞Jack Hills(圖3),而精細的刻畫地球早期磁場狀態和演化特征需要來自全球各板塊古老鋯石的古地磁信息。因此,冥古宙-古太古代鋯石的古地磁研究將成為古地磁研究的一個重要方向。 

3 Jack Hills碎屑鋯石古強度-年齡分布圖。紫色方塊和三角形為本研究新增結果,紫色菱形為100-Myr滑動平均。冥古宙-古太古代(4.2-3.3 Ga)地磁場強度為現今赤道地磁場強度的1.0-0.12    

    

主要參考文獻 

  Biggin A J, de Wit M J, Langereis C G, et al. Palaeomagnetism of Archaean rocks of the Onverwacht Group, Barberton Greenstone Belt (southern Africa): Evidence for a stable and potentially reversing geomagnetic field at ca. 3.5 Ga[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2011, 302(3-4): 314-328.鏈接 

  Glatzmaier G A, Roberts P H. A three-dimensional convective dynamo solution with rotating and finitely conducting inner core and mantle[J]. Physics of the Earth and Planetary Interiors, 1995, 91(1-3): 63-75.鏈接 

  Tarduno J A, Cottrell R D, Davis W J, et al. A Hadean to Paleoarchean geodynamo recorded by single zircon crystals[J]. Science, 2015, 349(6247): 521-524.鏈接 

  Tarduno J A, Cottrell R D, Bono R K, et al. Paleomagnetism indicates that primary magnetite in zircon records a strong Hadean geodynamo[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2020, 117(5): 2309-2318.鏈接 

  Weiss B P, Maloof A C, Tailby N, et al. Pervasive remagnetization of detrital zircon host rocks in the Jack Hills, Western Australia and implications for records of the early geodynamo[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2015, 430: 115-128.鏈接 

  Weiss B P, Fu R R, Einsle J F, et al. Secondary magnetic inclusions in detrital zircons from the Jack Hills, Western Australia, and implications for the origin of the geodynamo[J]. Geology, 2018, 46(5): 427-430.鏈接 

(撰稿:趙盼,蔡書慧/巖石圈)

 
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