互动科普

地磁场的方向并不是始终不变，经过一段长时间，地磁场会发生反转，改变为与原来相反的方向。现在，指北针的N极是指向北方，然而在远古的一个时期，它曾经是指向南方。地球的磁北极（指北针指示的北）和磁南极的位置也会随时间而变化，分别在地理北极和地理南极（为自转轴与两侧地表的相交点）的周围作旋转运动。

地磁场发生反转虽然没有固定的周期，但是在最近约1000万年中的反复反转，大致是每20万年反转一次。那么，科学家是如何知道地磁场在过去的方向呢？

岩石中遗留有古代地磁场的记录

地球的岩石大多含有具有磁性的矿物（磁铁矿等磁性矿物）。这些磁性矿物在岩石处于高温状态时没有磁性，在岩石冷却下来以后才会显示出磁体的性质。这时，岩石中那些小磁体的取向会变得与地磁场的方向一致。岩石冷却以后，岩石中小磁体的取向被固定下来，即使地磁场方向改变，也不会变化。岩石具有的这种磁性叫做“残余磁化”。

换句话说，从高温状态冷却下来的岩石记录有当时地磁场的信息。因此，调查岩浆等凝固所形成的岩石的残余磁化和有关岩石的形成年代，就可以推定过去的地磁场的方向和大小。

这样的岩石是在地上和海底由涌出的岩浆冷却后形成的。在火山和洋中脊（海底涌出岩浆形成板块的地点）这些地点附近就有大量这样的岩石，通过调查这些岩石的磁性，就可以推定过去地磁场的方向。

过去地磁场的记录为大陆漂移说提供了有力证据

事实上，调查这种岩石的磁性为魏格纳的“大陆漂移说”提供了有力的证据，并促成了“板块构造学”的建立。

在20世纪50年代，科学家通过调查欧洲大陆和美洲大陆在各个时代所形成的岩石来推定过去的地磁场的方向，并以此来推测地磁极在各个时代应该在什么位置。结果表明，从这两个大陆采集到的岩石所指示的地磁极的位置在不同的时代各不相同。对这个结果的最好解释是这两个大陆在移动，因而这两个大陆岩石的残余磁化所指示的地磁极的位置发生了偏移。这一发现导致了大陆漂移说的复活。

另一方面，在20世纪60年代又出现了一种叫做“海洋底扩张说”的理论。按照这种理论，在各大洋的洋中脊正在形成新的海底，不断地向两侧扩张。根据大陆上的岩石所发现的过去地磁场曾经多次发生过反转的事实，再加上发现了以洋中脊为中心，左右两侧的海底岩石对称地存在着条带状的磁性分布，综合起来，这就是提出海洋扩张说的依据。

于是，大陆漂移说进一步发展，终于形成了已经是现在地球物理学基础的板块构造学。

推定过去地磁的方法

在火山和洋中脊等地点，岩石被加热到高温，其中矿物粒子作为小磁体的取向是混乱的，作随机变化。随着岩石冷却，这些小磁体的取向不再随机变化，而是在一定程度上与地磁场的方向一致，被固定下来。换句话说，岩石在由热变冷时将地磁场的方向记录了下来。调查这种岩石的磁性就可以知道过去地磁变化的历史。

在洋中脊地点，以洋中脊为中心，两侧岩石对称地排列着磁性方向相反的条带。这被认为是板块在洋中脊生成，向左右两侧扩张的证据。这意味着，左右两侧离洋中脊越远的岩石，形成年代越古老，能够反映它形成年代的地磁场的情况。

（本文发表于《科学世界》2011年1期）