地球内核初始形成后晚寒武世地磁场失稳

（化石网cnfossil.com）据内生金属实验室：7月31日，《自然-通讯》（Nature Communications）在线刊登南京大学内生金属矿床成因机制国家重点实验室李永祥教授课题组与美国罗彻斯特大学John Tarduno教授、中国科学院南京地质古生物研究所彭善池研究员以及首都师范大学杨振宇教授等的合作研究论文《地球内核初始形成后晚寒武世地磁场失稳》（Late Cambrian geomagnetic instability after the onset of inner core nucleation）。该研究发现了寒武纪地磁场极端异常的不稳定状态，表明地球固态内核生长至寒武纪时，其半径仍然较小，还不足以使磁发电机保持稳定。

地磁场是人类共同家园—宜居地球环境的重要保障。它抵御着太阳风对大气圈的侵蚀，阻挡着高能宇宙射线到达地表，从而保护着地球上的生物。因此，地磁场的变化对地球生命起源和演化有着重要影响。地磁场起源于地球液态外核流体的运动(即磁发电机), 已有至少35亿年历史。在地质历史时期，长时间尺度上，地磁场相当于一个置于地心并与自转轴平行的条形磁铁所产生的偶极子场，即地心轴向偶极子场（Geocentric Axial Dipole, GAD）。地球早期只有液态地核，其固态内核是在后来演化过程中才形成的。通常认为，地球固态内核在新元古代晚期开始出现，之后继续生长，体积逐渐增大，直至达到现代地球内核的尺寸。固态内核于新元古代晚期初始出现的主要证据是，新元古代晚期地磁场极性频繁倒转，而且强度是现有记录中最低的。这是由于固态内核初始形成时，地核结构发生了重大变化，从而扰动了磁发电机，导致地磁场失稳，表现为地磁极性频繁倒转和磁场强度减弱。但是，对于固态内核初始形成之后，地磁场如何由失稳状态恢复到相对稳态的演化过程及其对新元古晚期-寒武纪生物演化的影响并不清楚。

针对上述问题，科研人员对浙江江山碓边寒武纪“金钉子”剖面开展了详细的古地磁研究，获得了晚寒武世大约4.95亿年前的地磁极性变化记录（图1）。结果表明，这一时期的地磁场变化表现为：极性高频倒转期（I），短暂的反极性期（II），罕见的异常期（III）和极性稳定期（IV）。对罕见异常期（III）的古地磁结果进一步分析发现，磁极发生了快速摆动，幅度可达~90°（图2），持续时间为~8万年。这说明，磁极偏离了地球自转轴，为非地心轴向偶极子场 (non-GAD), 且偏离幅度巨大，达到接近赤道的极端状态。这样的磁极摆动特征与地球惯量主轴互换导致的真极移（Inertial Interchange True Polar Wander, IITPW）特征非常相似。真极移是由地球质量分布变化引起的整个地球固体外圈层相对于其内部发生旋转的行为，即地球自转轴发生了改变。由于地幔粘度很大，大幅度的真极移不可能发生得很快。因此，该研究新发现的持续时间仅为~8万年而幅度接近极限~90°的磁极摆动反映的应该是地磁场的极端异常行为，而不是真极移。

图1古地磁结果揭示晚寒武世地磁场变化 

图2异常期III期间~90°的快速磁极摆动

结合最近研究发现的早寒武世地磁场强度比新元古代晚期增强的现象，科研人员认为，地球固态内核在新元古代晚期初始形成后，逐渐生长增大，不过在寒武纪期间仍然较小，还没有达到足以稳定磁发电机行为的规模，这使得寒武纪地磁场不稳定，表现为间断式的地磁极性高频倒转和极端异常（图3）。以晚新元古代作为固态内核初始出现的时间，利用地球热演化模型估算，结果显示，固态内核在寒武纪晚期半径仅为其现在半径的~35-40%。

图3（a）寒武纪内核较小，地磁场不稳定；    （b）内核生长增大，地磁场趋于稳定

另外，前人研究认为早寒武世期间曾发生了幅度达~90°的真极移，即惯性互换型真极移（IITPW）, 并提出它是导致寒武纪生命大爆发的一个重要原因。该假说认为真极移引起了大陆纬度位置的巨大变化，同时伴随着海平面的显著升降，进而显著影响生物赖以栖息的地表环境。而且，气候带和生态系统的重组使得部分生物演进加速。最新研究结果的一个重要启示在于：以往认为的早寒武世惯性互换型真极移可能是假象，而反映的是寒武纪不稳定的地磁场。也就是说，寒武纪早期地球自转状态稳定，早寒武世生命大爆发是环境-生物共演化的结果。

论文第一/通讯作者为南京大学内生金属矿床成因机制国家重点实验室李永祥教授。共同参与研究工作的还有杨爱华副教授、焦文军博士、以及研究生刘欣宇、许石华等。该研究得到国家自然科学基金委的资助，并得到浙江江山地质公园管理处的大力支持。（原标题：Nature Commun.: 发现寒武纪地磁场极端异常，揭示地球内核生长演化）