地质地球所揭示体磁畴稳定性控制古地磁场强度测定结果的可信度

地磁场是地球生命的“保护伞”，阻挡了大量宇宙射线和太阳风高能粒子的侵袭。地磁场起源于地核流体的运动，作为矢量场，它包含方向和强度信息，其变化蕴含了地球内部运动的状态信息。地磁场古强度的演化是理解地球早期地核发电机和太阳系早期演化的重要线索。通过地质或考古样品的剩磁，可重建古地磁场的形态特征（例如偶极子场），然而古强度测定实验则较为复杂和困难。如何挑选合适的样品，以及如何评估古强度结果的准确度，一直以来是个难题。

岩石中磁性矿物的复杂性以及非单磁畴颗粒的剩磁与外磁场的非线性关系，是影响古强度数据可靠性的主要因素。因此，大量研究集中于岩石磁性特征和古强度的关联性，但以往的研究很少能够建立起成功的定量关系。

磁滞回线参数因为测量快速简单，常被用来进行古强度实验样品挑选和古强度结果的后期评估分析。中国科学院地质与地球物理研究所地球与行星物理重点实验室、古地磁与地质年代学实验室副研究员Greig Paterson、中科院院士潘永信与合作者，通过对含（钛）磁铁矿样品的磁滞回线参数（Bcr/Bc和Mrs/Ms）进行主成分分析，成功地构建了一个趋势参数（BDS，bulk domain stability）（图1），可以代表测试样品中载磁矿物的体磁畴稳定性。通过古强度数据的对比发现，该方法建立的BDS参数与Thellier法获得的强度结果准确性存在定量关系（图2），即低的磁畴稳定性因子表示古强度结果准确性更低。研究发现这种定量关系在地质和考古样品的古地磁中普遍存在，从而揭示了古强度实验数据准确性的物理机制，证明磁滞回线参数测量可作为定量标准来预筛选古强度样品以提高强度实验成功率，还可用于对古强度实验结果进行准确性评估分析。研究成果对最终回答地球发电机起源、地球固体内核形成、生命和磁场起源相互关系等重大科学问题具有重要意义。

上述研究成果发表于国际期刊《美国国家科学院院刊》（Paterson G A. Bulk magnetic domain stability controls paleointensity fidelity. PNAS, 2017, 114(50): 13120-13125）。

 

图1构建BDS参数的磁滞回线参数主成份分析

 

图2 BDS参数与古强度结果准确性关系图