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Nature Geoscience:从埃迪卡拉纪超低地磁场强度推断出年轻的内核形成时间

文章来源:地3楼 422会议室  |  发布时间:2019-04-08  |  【打印】 【关闭

  

       地球内核的形成是地球演化的重大事件。自1936年地震学研究发现地球的固态内核以来,内核的形成时间一直备受关注。内核形成与地球热历史密切相关,数值模拟实验给出了不同的地核热导率,导致通过计算得出内核形成时间为25-5亿年前。在内核形成初期,由于地核中流体的对流机制发生了改变,地磁场也相应发生变化,因此地磁场变化是约束内核形成时间的一个有效途径。英国利物浦大学Biggin et al.(2015)使用质量标准QPI对前寒武纪的地磁场古强度数据进行了严格的筛选,通过对这些高质量数据的时序分析发现,15-10亿年前地磁场强度和变化范围均明显增大,认为这是内核出现的迹象,是外核冷却的熔铁导致固态铁开始“冻结”的时间。然而,这一研究受到其他学者质疑,他们认为作者所用的部分古强度值高的数据对应的样品包含粘滞性剩磁,可能会高估古地磁场强度,若剔除这一影响,则看不出明显的增高趋势,不能指示固态内核开始形成。

  最近,美国罗彻斯特大学Tarduno的研究团队在Nature Geoscience上发表最新研究成果,他们对加拿大魁北克省东部5.65亿年前形成的埃迪卡拉纪镁铁质层状侵入体中的斜长石和斜辉石单晶体进行了古地磁学研究,观测到了超低的地磁场古强度值和较高的倒转频率,结合数值模拟,他们推断在前寒武纪晚期,地球发电机几乎接近崩溃,但由于此时地球内核开始生长,使地核发电机重新获得了能量。

  他们用Thellier-Coe方法测量了样品中单晶硅酸盐记录的古地磁场强度,经过冷却速率和剩磁各向异性校正,获得古地磁强度平均值为3.0 ± 1.2 μT,对应的偶极矩约为0.7×1022 Am2, 比现今的地磁场强度小十倍以上。这些数值非常低,与数值模拟预测内核形成初期地磁场偶极子处于弱状态的结果相吻合;数值高于不存在地核发电机时完全由太阳风产生的磁场强度,表明此时地核发电机是存在的,但处于一种异常状态。他们还在Sept-Iles长石中亚厘米级范围内观测到了近反向的地磁场方向,暗示着在5.65亿年前有较高的地磁极倒转频率(图1)。

 

图1 使用Thellier-Coe方法测量Sept-?les斜长石(a-c)、斜辉石(d-f)中的单晶硅酸盐记录的古地磁场强度。其中,NRM代表天然剩磁,TRM代表热剩磁,右上角插图为退磁矢量投影图,表示样品记录的古地磁场方向(Bono et al., 2019)

  假如地核发电机在固态内核形成前需要0-100 MW K-1的熵增率,其中0代表弱发电机状态,100 MW K-1代表强发电机状态,那么在5.65亿年前的地球成核时期,热导率应为86-118 W mK-1(图2黑色竖线与点虚线和短虚线形成的范围)。研究表明,在过去2亿年,地磁场强度与其反转频率大致呈反相关。白垩纪超静磁带(CNS)期间(1.25-0.83 亿年),地磁场强度增强,反转频率变低,长期保持为正极性。而在1.65-1.55亿年前,地磁场强度较弱,倒转频繁发生(Tarduno and Cottrell,2005;Tarduno, 2009)。因此,5.65亿年前超低的磁场强度可能标志着与地幔对流相关的地核发电机2亿年周期的开始;他们假设随着年轻内核的生长,核幔边界的热通量将保持恒定,并且与现今通过地震学观测获得的数据一致,那么应有15 TW的热对流进入地幔,从而降低了地幔的冷却速率。

 

图2 地磁场强度变化和内核生长。上图中蓝色大方块为单晶古强度,灰色大方块为全岩古强度,灰色小圆圈为显生宙虚偶极矩值,蓝色小方块为从单晶颗粒获得的虚偶极矩,紫色多边形为本研究获得单晶古强度平均值。上图显示5.65亿年之前地磁场强度整体为下降趋势,5.65亿年达到最低,之后开始升高,因此5.65亿年左右是地磁场强度开始增强的转折点,指示此时内核开始形成。下图为根据热导率获得内核形成模式年龄,图中点虚线和短虚线分别对应假设核幔边界热流不变条件下弱和强发电机状态。红色和黑色竖线分别代表发电机不稳定时期和Sept Iles侵入体年龄,表明本文观测到的5.65亿年地磁场强度超低值与数值模拟预测的地球发电机不稳定时期相吻合(Bono et al., 2019)  

  有趣的是,埃迪卡拉纪超低的地磁场强度可能与这一特殊时期的地球生命活动有某种联系。如此低的地磁场强度使地球磁层顶的高度长期仅为4-5个地球半径大小(Tarduno et al., 2010),Meert et al. (2016) 认为在埃迪卡拉纪,偶极子场强度减弱导致臭氧层破坏和氧气逃逸,从而使浅海环境中UV-B辐射增强,可能与埃迪卡拉纪末期生物灭绝事件有关。也有研究表示寒武纪时期地磁场的增强抵御了太阳风对生命的伤害,可能是促进生命大爆发的重要原因(Doglioni et al., 2016)。

  主要参考文献

  1. Biggin A J, Piispa E J, Pesonen L J, et al. Palaeomagnetic field intensity variations suggest Mesoproterozoic inner-core nucleation[J]. Nature, 2015, 526(7572): 245-248.(原文链接

  2. Bono R K, Tarduno J A, Nimmo F, et al. Young inner core inferred from Ediacaran ultra-low geomagnetic field intensity[J]. Nature Geoscience, 2019, 12(2): 143-147.(原文链接

  3. Doglioni C, Pignatti J, Coleman M. Why did life develop on the surface of the Earth in the Cambrian[J]. Geoscience Frontiers, 2016, 7(6), 865-873.(原文链接

  4. Meert J G, Levashova N M, Bazhenov M L, et al. Rapid changes of magnetic field polarity in the late Ediacaran: linking the Cambrian evolutionary radiation and increased UV-B radiation[J]. Gondwana Research, 2016, 34: 149-157.(原文链接

  5. Tarduno J A, Cottrell R D. Dipole strength and variation of the time‐averaged reversing and nonreversing geodynamo based on Thellier analyses of single plagioclase crystals[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2005, 110(B11).(原文链接

  6. Tarduno J A. Geodynamo history preserved in single silicate crystals: Origins and long-term mantle control[J]. Elements, 2009, 5(4): 217-222.(原文链接

  7. Tarduno J A, Cottrell R D, Watkeys M K, et al. Geodynamo, solar wind, and magnetopause 3.4 to 3.45 billion years ago[J]. Science, 2010, 327(5970): 1238-1240.(原文链接)   

  (撰稿:何况/地星室,蔡书慧/岩石圈室)

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