| 词条 | 地磁极性年表 |
| 释义 | § 简介 又称古地磁年表(paleomagnetie time scale)、磁性地层年表(magnetostratigraphic timescale)。根据地球磁场极性倒转具有全球性和同时性的特点,结合相应岩石的同位素年龄测定数据,编制成过去地磁场极性倒转的时间序列。利用该极性倒转的时间序列,比照所要研究地层中实测得到的正向、反向极性条带的分布情况,可以确定相应岩石的年龄和对比地层,起到“年表”的作用。由于不同地质时期地磁场的极性倒转所持续的时间有长有短,在一个长的以正向或反向极性为主的时期中,又有一些持续时间较短的极性倒转,因此又细分为一系列不同级次的地磁极性时间单位,如“极性巨时”、“极性超时”、“极性时”、“极性亚时”、“极性微时”等。目前比较系统、准确,又得到广泛公认并经常加以使用的是5百万年以来的地磁极性年表。该年表最初是由考克斯(A Cox)于1969年编制的,并得到第24届国际地质大会地层学委员会下设的地磁极性年表小组委员会推荐,作为标准年表使用了许多年。之后,该年表屡经修订,到20世纪70年代末期,由于采用了修正后的钾一氩同位素衰变常数,曼金宁(E A Mankinen)和道尔林普尔(G B Dalrymple)1979年对考克斯1969年编制的年表进行了重要的修订。最近,坎迪(s C Cande)和肯特(D V Kent)又对该年表中的一些年龄数据进行了进一步的修正(1995),使得这一年表更为准确和完善(见图)。该年表中包括4个极性时,它们自老而新分别为“吉尔伯特反向极性时”、“高斯正向极性时”、“松山反向极性时”和“布容正向极性时”。这些极性时都是以在地磁学研究领域中做出过重要贡献的科学家的名字命名的。在每个极性时中,又都有一些持续时间较短的极性倒转,称为“极性亚时”。如在以反向极性为主的“松山反向极性时”中,就有贾拉米洛、吉尔萨、奥尔都维等正向极性亚时,而它们则是以最早发现这一极性倒转现象的地名来命名的。 § 地磁极性年表发展的新动向 1、地磁极性年表和古地磁定年 古地磁学的研究表明，地磁场起源于地球内部，并在地质历史时期发生了多次导致，极性转换具有全球一致性和等时性。岩石的剩磁能一定程度的记录地质历史时期地磁场变化的信息，通过测量岩石的剩磁特征便可重建地磁场极性倒转序列，通过对极性倒转进行定年便可以恢复地磁场极性倒转历史，综合全球的研究资料便可建立标准古地磁极性年表。目前广泛应用的古地磁极性年表有：（1）CK95年表，是Cande和Kent在1995发表的年表【Cande and Kent, 1995，见参考文献1】,是根据他们1992年发表的CK92年表修订而来【Cande and Kent, 1992，见参考文献2】；(2)GTS04年表，是根据2004年出版的《A Geologic Time Scale 2004》一书的总结，其中包含新近纪天文极性年表【见参考文献3】 磁性地层学（magnetic stratigraphy or magnetostratigraphy）是研究古地磁场极性转换序列在地层或岩石中的记录的一门学科。它是古地磁学、岩石磁学和地层学的交叉学科，是古地磁学在地质学中的应用之一。古地磁定年的基本原理便是通过对比所研究地层的极性序列与标准地磁极性年表，从而获得所研究地层的年代，磁性地层可作为全球范围内地层定年和对比的工具。 2、地磁极性年表的发展历史 【以下内容见参考文献4】 按照不同时期的发展特点可将其发展大致归纳为3个阶段：（1）早期阶段：20世纪60年代初到60年代末，主要基于火山岩剩磁测量和K/Ar测年建立了最近约5 Ma以来的地磁极性年表；（2）中期阶段：20世纪60年代末到90年代初，基于大量海底磁异常条带相对宽度建立了中中生代以来完整的地磁极性年表；（3）现今阶段：20世纪90年代以来，基于极性界限的天文调谐结果，正在构建高精度的天文极性年表。 2.1 地磁极性倒转的发现与早期地磁极性年表 1906年，Brunhes在熔岩流和其烘烤层中发现一些样品的天然剩磁与现代地磁场方向相反，认为它们形成于倒转的地磁场中。1929年，Matuyama在研究日本和朝鲜的火山岩时，发现一组样品的剩磁方向与另一组相反，他认为在第四纪的某个时期地磁场方向与现在相反，之后逐步变化到现在的方向。1951年，Hospers在研究冰岛的玄武岩时发现一些样品为负极性，指出这些岩浆喷出时地磁场的方向与现今相反。早期的这些研究指示着地球磁场在地质历史时期曾经发生过极性倒转，但限于测年技术，当时并不能确切给出地磁场发生倒转的时间。 直到20世纪60年代初，Cox等通过测定熔岩流的剩磁，并结合K/Ar测年，研究了3.2 Ma以来的地磁场转换序列，并建立了第1个地磁极性年表。次年，他们总结了新发表的64组有K/Ar测年的古地磁数据，进一步将该年表扩展到约4 Ma。随着新数据的不断报道，该年表也随之完善，如Jaramillo、Kaena、Cochiti、Nunivak等极性亚时的相继发现。1969年，Cox根据150个测年可靠的数据将这一年表扩展到约4.5 Ma。后来，Mankinen和Dalrymple基于354个测年可靠的数据修订了最近约5 Ma以来的年表。由于当时K/Ar测年在5 Ma时的误差可达25万年，因此，在没有更准确的测年手段之前，这一年表很难进一步发展。同时可以看出，这种年表的发展依赖于研究材料，即火山岩所能够覆盖的年代。 2.2 基于海底磁异常条带相对宽度建立的地磁极性年表 20世纪50年代，由于机载磁力计（airborne magnetometer）的应用，使得大规模的海洋地磁勘测成为可能。Heezen等首次揭示了大西洋洋中脊附近的磁异常特征，并指出其与海底地形无关。随后，在其他大洋中也发现存在磁异常条带。1963年，Vine和Matthews结合当时的海底扩张学说和地磁场曾发生多次倒转的事实提出，由于海底扩张，新的洋壳在洋中脊处形成并获得与当时地磁场方向一致的剩磁（磁异常条带），随着海底扩张的进行，磁异常条带沿洋中脊向两侧分离并与洋中脊平行，同时关于洋中脊对称。这一假说很快得到海洋地磁勘测结果的证明：Heirtzler和Pichon及Heirtzler等的研究表明磁异常条带的确大致平行于洋中脊并在洋中脊两侧对称。Vine和Matthews的假说不仅合理地解释了海底磁异常条带的成因，也成为后来板块构造学说的重要证据。 上述研究提供了一种构建地磁极性年表的新思路：根据磁异常条带宽度序列建立地磁极性年表。1966年，Pitman和Heirtzler测量了从新西兰至智利南太平洋洋中脊的海底磁异常条带的宽度序列，根据Gauss正极性时底界的K/Ar年龄，计算得到海底扩张速率为4.5厘米/年，基于这一速率，他们推算了最近10 Ma以来的古地磁极性转换界限的年龄，建立了第一个基于海底磁异常条带相对宽度的古地磁极性年表。同年，Vine发表了北冰洋海底磁异常条带的勘测结果。1968年，Dickson等、Le Pichon和Heirtzler及Pitman等发表了在南大西洋、印度洋及太平洋的勘测结果。这些研究者基于南大西洋的勘测结果建立了最近约76 Ma以来的地磁极性年表（这里称为HDHPL68年表）。这一年表被后来的勘测结果[50-53]逐渐延伸到约170 Ma。 HDHPL68年表基于Gauss正极性时底界的K/Ar年龄，假设海底扩张速率恒定，依据磁异常条带的相对宽度推算了各个极性界限的年龄。这一年表第一次完整给出了晚白垩纪以来的地磁极性年表的基本框架，成为构建地磁极性年表的奠基之作。但基于海底磁异常条带相对宽度构建的地磁极性年表从一开始便至少存在以下三方面问题：（1）实际海底扩张速率并不稳定，因此依据磁异常条带宽度计算得到的极性界限的年代并不准确；（2）所依据的绝对年龄控制点存在误差，导致依据这些控制点内插或外推得到的极性界限年代也存在误差；（3）海底断层及板块旋转等因素也给磁异常条带宽度的确定带来困难。因此，后来针对HDHPL68年表的修订工作主要是围绕这几方面问题进行的。如Talwani等依据多条磁异常剖面对10 Ma以来的极性界限年代进行了修订；Blakely集成了北太平洋的14条勘测剖面，对7.3-22.7 Ma之间的年表进行了修订；Cande和Kristoffersen依据北大西洋的多条勘测剖面对磁异常29-34带进行了修订；Tarling和Mitchell依据一些新获得的K/Ar测年数据对HDHPL68年表进行了修订；LaBrecque等依据白垩纪/第三纪界限和高斯/吉尔伯特界限两个年龄控制点对HDHPL68年表进行了修订，同时，他们发现之前识别出的磁异常14带是测量噪声所致，修订时去掉了；Ness等采用新的K/Ar半衰期对年龄控制点进行了矫正，并修正了极性年表；Berggren等基于6个测年控制点，对118 Ma以来的地磁极性年表进行了修订；值得一提的是，1992年，Cande和Kent基于全球大洋多条磁异常剖面合成了一条综合的磁异常宽度序列，依据9个年龄控制点通过内插建立了118 Ma以来的地磁极性年表（这里称为CK92年表），迄今仍被广泛使用的CK95年表即是据此年表做了少量修订的升级版本。 综上所述，这一时期地磁极性年表的发展呈现出绝对测年和海底磁异常勘测相互结合、互为补充的特点。伴随磁异常勘测资料的增加和测年技术的改进，特别是20世纪90年代高精度的40Ar/39Ar测年的应用，使地磁极性年表的精度有了很大提高。但是，对于高分辨率的地层学和古气候学研究来说，目前广泛使用的CK95年表仍存在以下问题：（1）40Ar/39Ar测年结果并不能覆盖每一个极性转换界限，绝大部分极性转换界限的年代仍依赖磁异常条带的相对宽度内插获得；（2）所依据的年代控制点本身存在较大的误差，如CK92和CK95所用的控制点23.8 Ma（渐新世/中新世界限年代）存在±1 Ma的误差。因此，亟待建立更加精准的地磁极性年表。 2.3 米兰科维奇理论与天文极性年表的发展 描述地球绕太阳运行的轨道要素有3个：偏心率、地轴斜率和岁差。它们分别具有约10万年、4.1万年和约2万年的主要周期。轨道的缓慢变化引起地球表面接受太阳辐射量在纬度分布和季节分配上发生变化，导致地球气候的周期变化。20世纪初，米兰科维奇（Milankovitch）计算了这3个轨道要素对地球接受的太阳辐射总量、特别是对纬度分配的控制，提出第四纪冰期成因的天文假说。他进一步计算了过去60万年以来的太阳辐射，认为北纬65°的太阳辐射变化是导致第四纪冰期旋回的主因。1976年，Hays等[18]首次将深海氧同位素记录与太阳辐射变化进行对比，证明了地质记录中的气候变化旋回受地球轨道控制，确立了米兰科维奇天文气候理论。 由于气候变化受轨道参数周期性变化控制，而轨道参数的变化历史可通过精确的天文计算获得，这意味着可通过对地质记录中的气候变化旋回进行轨道调谐，从而获得精确的地层年代标尺。这是一种独立的地层定年方法，与磁性地层研究相结合就可用于精确标定古地磁极性转换界限的年代，建立天文极性年表。1982年，Johnson首次将V28-238和V28-239孔的氧同位素记录与太阳辐射的计算值进行对比，得到布容/松山界限年龄为790±5 ka，这一结果与后来的40Ar/39Ar测年结果十分接近，但在当时并没有引起重视，而当时的K/Ar测年结果为730 ka。20世纪90年代初，Shackleton等对ODP677孔高分辨率的氧同位素记录进行了轨道调谐，并给出了2.6 Ma以来的几个主要古地磁界限年龄。这些年龄与随后地中海的研究结果十分接近，同年，Hilgen依据地中海腐泥层的记录将天文极性年表拓展到5.23 Ma。很快，一些极性转换界限的年龄被高精度的40Ar/39Ar测年所确认。Wilson利用新方法计算的海底扩张速率也证实了5.23 Ma以来的天文极性年表的合理性。 2.4 新近纪天文极性年表的建立 最近5.23 Ma以来天文极性年表的成功建立，使人们意识到这一方法对于构建高精度的地磁极性年表具有重要意义。应当指出，自CK92年表开始，地磁极性年表中就吸纳了部分天文调谐的结果，而CK95年表则直接应用了5.23 Ma以来的天文调谐结果。随后的20年见证了天文极性年表的迅速发展。如Shackleton等依据ODP 138航次多个孔位的沉积物密度记录对最近约6 Ma以来的古地磁界限进行了天文计算；Hilgen等依据地中海地区的多个平行剖面将天文极性年表延伸到约9.7 Ma；Kent和Olsen利用404 ka的偏心率长周期对內瓦克盆地晚三叠纪-早侏罗纪的陆相记录进行了轨道调谐，获得了202-233 Ma之间的极性转换界限年龄；Shackleton等依据ODP 929孔和DSDP 522孔的记录对C6Bn-C7n（约21.8-24.1 Ma）之间的极性转换界限年龄进行了天文计算，将之前的渐新世/中新世界限（C6Cn.2n的下界）年龄由23.8 Ma修订为约23 Ma；Pälike等依据ODP 1052孔的记录对C16n.1n-C18n.2n（约35.2-39.9 Ma）的极性转换界限年龄进行了天文计算；Abdul Aziz等依据西班牙卡拉塔尤德盆地的陆相记录对C5n.2n-C5AAn（约10.5-13 Ma）之间极性转换界限年龄进行了天文计算。Dinarès-Turell等依据西班牙的海相记录，对C27n-C29n（约61-64.7 Ma）的极性年表进行了天文计算。 2004年，Lourens等依据当时的天文调谐结果，并结合新的轨道计算结果，对新近纪以来的天文极性年表进行了总结。新近纪天文极性年表被Ogg和Smith修订的84 Ma以来的地磁极性年表所采纳，Raffi等应用这些新的年代框架重新标定了25 Ma以来海洋生物事件的年代。需要指出的是，新近纪天文极性年表在13 Ma之前的大部分极性界限年代是依据海底磁异常条带相对宽度计算得到，仍有待进一步完善。 3、天文极性年表的发展现状 近年来，地球轨道变化历史的天文计算取得新的进展，为新生代乃至更久远的地质记录的天文调谐提供了依据。同时，随着新生代地层学研究的不断精细化和研究材料的不断丰富，特别是大洋钻探和地中海地区高分辨率地层学的研究，为新生代天文极性年表的构建提供了重要记录。另一方面，同位素测年和天文调谐的相互校准促进了40Ar/39Ar测年技术的进步，这也进一步推动了天文极性年表的发展。 根据近年来的研究进展，图1和表1总结了新生代以来的天文极性年表，并将其与CK95年表进行了对比。值得指出的是，对于新获得的极性界限的天文年龄，一部分已被最近的40Ar/39Ar测年所证实。从图1和表1中可以看出：（1）新生代大部分古地磁极性界限已有了天文调谐年龄；（2）不同研究者给出的同一界限的天文年龄存在一定差异，特别是在研究程度相对较低的古近纪；（3）与CK95年表相比，某些极性界限的天文年龄与之相差可达1 Ma以上。这些现象一方面表明虽然近年来天文极性年表得到快速发展，使许多极性界限的年龄较CK95年表更加精确，但同时也表明目前的年表仍存在一些问题，有待进一步完善。这些问题可具体归纳为如下三方面： （1）天文调谐的精度有待进一步提高。目前天文极性年表的调谐精度受如下一些因素影响：①部分段落由于研究材料相对较少，研究程度较低，有时不同研究者给出的同一极性界限的天文年龄存在较大差别；②天文调谐过程本身可能导致一定误差，如在年龄控制点之间进行内插及设定地质记录与轨道变化之间的相位差时均可能导致一定误差；③目前的天文计算结果在40-50 Ma以来误差较小，而之前的计算结果本身也存在一定误差。 （2）年代覆盖范围有待进一步延伸。由于目前所涉及的研究材料仍相对较少，研究程度相对较低，已获得的天文调谐结果并未覆盖新生代所有极性转换界限，而对于新生代之前的天文极性年表涉及更少。另一方面，轨道调谐所依赖的轨道变化历史也有待进一步延伸。 （3）各极性界限的天文年龄有待更精确的测年结果检验。这里需要指出，在通过轨道调谐建立地层年代标尺并构建天文地磁极性年表时，往往因缺乏绝对定年而存在一定的不确定性。由于沉积记录中普遍缺乏可供直接测年的材料，目前的天文极性年表中只有少部分极性界限有直接的同位素测年结果，这些测年结果本身有时也存在较大误差。因此，精确测年是目前构建和应用高精度天文极性年表的最大难点。 参考文献 【1】Cande S C, Kent D V. A new geomagnetic polarity time scale for the late Cretaceous and Cenozoic. Journal of Geophysical Research, 1992, 97: 13917-13951. 【2】Cande S C, Kent D V. Revised calibration of the geomagnetic polarity timescale for the Late Cretaceous and Cenozoic. Journal of Geophysical Research, 1995, 100: 6093-6095. 【3】Gradstein F M, Ogg J G, Smith A G, eds. A Geologic Time Scale 2004. Cambridge: Cambridge University Press, 2004: 409-440. 【4】肖国桥, 詹涛, 葛俊逸. 地磁极性年表的发展回顾. 地球科学进展, 2010, 25(4): 365-373 |
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