地球磁场的起源仍然是个谜

在澳大利亚西部杰克山的一个古老的露头中挖掘出的微观矿物一直是地质学研究的重点，因为它们似乎带有地球磁场的痕迹，可以追溯到42亿年前。这比之前认为的磁场起源的时间早了近10亿年，几乎可以追溯到行星本身形成的时间。

尽管这个起源故事可能很有趣，但麻省理工学院领导的研究小组现在发现了与之相反的证据。在今天发表于《科学进展》(Science Advances)杂志上的一篇论文中，研究小组检测了同一种被称为锆石的晶体，这些锆石都是从同一处露岩层中开采出来的。他们得出的结论是，他们采集到的锆石作为古代磁场的记录者是不可靠的。

换句话说，关于地球磁场是否早于35亿年前就存在，目前尚无定论。

“没有坚实的证据的一个磁场前35亿年前,即使有一个领域,这将是非常困难的找到证据表明杰克山的锆石,“说Caue Borlina,地球在麻省理工学院的一名研究生,大气和行星科学(eap)。“从某种意义上说，这是一个重要的结果，因为我们知道不应该再去寻找什么。”

Borlina是这篇论文的第一作者，包括EAPS教授Benjamin Weiss、首席研究科学家Eduardo Lima和麻省理工学院的研究科学家Jahandar Ramezan，以及来自剑桥大学、哈佛大学、加州大学洛杉矶分校、阿拉巴马大学和普林斯顿大学的其他人。

一片田野，被搅动了

地球磁场被认为在使地球适宜居住方面起着重要作用。磁场不仅决定了我们指南针的方向，它还起着某种屏蔽的作用，使太阳风偏转，否则太阳风可能会侵蚀大气层。

科学家们知道，今天地球的磁场是由地球液态铁核的凝固提供动力的。核心的冷却和结晶搅动了周围的液态铁，产生了强大的电流，产生了延伸到太空的磁场。这种磁场被称为地球发电机。

多项证据表明，地球磁场至少在35亿年前就存在了。然而，这颗行星的核心被认为是在10亿年前开始凝固的，这意味着磁场一定是在10亿年前由其他机制驱动的。准确地确定磁场形成的时间可以帮助科学家们弄清楚到底是什么产生了磁场。

Borlina说，地球磁场的起源也可以解释地球最初的生命形式形成的早期条件。

“在地球最初的10亿年里，在44亿年到35亿年之间，生命开始出现，”Borlina说。“那时是否有磁场对地球上生命出现的环境有着不同的影响。这就是我们工作的动力。”

“不能信任锆石”

科学家们传统上用古代岩石中的矿物来确定地球磁场的方向和强度。当岩石形成并冷却时，单个颗粒中的电子会向周围磁场的方向移动。一旦岩石冷却到一定的温度，也就是居里温度，电子的方向就确定下来了。科学家们可以确定它们的年龄，并使用标准的磁力仪来测量它们的方向，从而估计在某一特定时间点地球磁场的强度和方向。

自2001年以来，Weiss和他的团队一直在研究杰克山岩石和锆石颗粒的磁化强度，其挑战性的目标是确定它们是否包含地球磁场的古老记录。 

“杰克山锆石是古地磁史上研究的磁性最弱的物体之一，”韦斯说。“此外，这些锆石包含了已知的最古老的地球物质，这意味着有许多地质事件可能会重置它们的磁性记录。”

2015年,一个独立的研究小组也开始学习杰克山的锆石辩称,他们发现的证据在锆石磁性材料,他们可以追溯到42亿年的历史——第一个证据表明地球磁场可能存在前35亿年前。

但是博利纳指出，他们并没有确认他们所检测到的磁性物质是否真的在42亿年前锆石晶体形成期间或之后形成——他和他的团队在他们的新论文中提出了这一目标。

Borlina, Weiss和他们的同事从杰克山的岩石中提取了3754颗锆石颗粒，每颗大约150微米长，大约是人类头发的宽度。利用标准的年代测定技术，他们测定了每颗锆石颗粒的年龄，范围从10亿年到42亿年不等。

大约250颗水晶的年龄超过35亿年。团队孤立和成像这些样本,寻找裂缝或辅助材料的迹象,如矿物晶体内可能沉积在或已经完全成形后,和寻找证据,他们明显激烈他们成立了过去几十亿年了。在这250颗锆石中，他们发现只有3颗锆石相对没有杂质，因此可能含有合适的磁记录。

随后，研究小组对这三种锆石进行了详细的实验，以确定它们可能含有何种磁性物质。他们最终确定，在三种锆石中，有两种存在一种叫做磁铁矿的磁性矿物。利用高分辨率量子钻石磁强计，研究小组观察了两颗锆石的截面，以确定每颗锆石中磁铁矿的位置。

他们在锆石的裂缝或破损区域发现了磁铁矿。Borlina说，这些裂缝是让水和其他元素进入岩石内部的通道。这些裂纹可能会让二次磁铁矿进入晶体，而这些二次磁铁矿在锆石最初形成时就已经在晶体中了。无论如何，Borlina说证据很明显:这些锆石不能作为地球磁场的可靠记录器。

“这是证据，我们不能相信这些锆石测量记录的地球磁场，”博利纳说。“我们已经证明，在35亿年前，我们仍然不知道地球磁场是什么时候开始的。”

“对我来说，这些结果让我对杰克·希尔斯锆石的潜力产生了极大的怀疑，因为它们无法准确记录35亿年前的古地磁强度，”利物浦大学(University of Liverpool)的古地磁学教授安迪·比金(Andy Biggin)说，他没有参与这项研究。话虽如此，自2015年以来，这场辩论就一直在激烈进行，就像古地磁领域的英国退欧一样。如果这是关于这件事的最后结论，我会感到非常惊讶。否定的证明几乎是不可能的，无论是方法还是解释都是毫无疑问的。”

尽管有这些新的结果，Weiss强调，以前对这些锆石的磁性分析仍然是非常有价值的。

“报告原始锆石磁研究的团队在试图解决这个极具挑战性的问题上值得称赞，”Weiss说。“由于这两个小组的所有工作，我们现在更了解如何研究古代地质材料的磁性。我们现在可以开始将这一知识应用到其他矿物颗粒和其他行星体的颗粒上。”

这项研究部分得到了NASA的支持。