地质学家发现的岩石具有迄今为止最古老的地球磁场证据

麻省理工学院（MIT）和牛津大学（Oxford University）的地质学家在格陵兰岛发现了古老的岩石，这些岩石承载着地球早期磁场最古老的遗迹。

这些岩石看起来非常原始，保存了数十亿年的特性。研究人员确定，这些岩石大约有37亿年的历史，并保留了强度至少为15微特斯拉的磁场特征。古代磁场的大小与今天的地球磁场相似。

今天发表在《 地球物理研究杂志》（Journal of Geophysical Research）上的开放获取发现代表了地球周围磁场的一些最早证据。这些结果可能会将地球磁场的年龄延长数亿年，并可能揭示地球的早期条件，这些条件有助于生命得以生存。

“从理论上讲，磁场是我们认为地球作为宜居行星真正独特的原因之一，”前麻省理工学院博士后克莱尔·尼科尔斯（Claire Nichols）说，他现在是牛津大学行星过程地质学副教授。“人们认为我们的磁场可以保护我们免受来自太空的有害辐射，还可以帮助我们拥有可以长期稳定的海洋和大气层。

先前的研究表明，地球上的磁场至少有35亿年的历史。这项新研究将磁场的寿命又延长了2亿年。

“这很重要，因为那是我们认为生命正在出现的时候，”麻省理工学院地球、大气和行星科学系（EAPS）行星科学教授本杰明·R·施洛克（Benjamin Weiss）说。“如果地球的磁场早了大约几亿年，它可能在使地球宜居方面发挥关键作用。

Nichols和Weiss是这项新研究的合著者，该研究还包括麻省理工学院的Craig Martin和Athena Eyster，普林斯顿大学的Adam Maloof，以及来自塔夫茨大学和科罗拉多大学博尔德分校等机构的其他同事。

缓慢的搅动

今天，地球的磁场由其熔融的铁核提供动力，铁水核在自生“发电机”中缓慢搅动电流。由此产生的磁场像保护泡一样向外延伸到地球周围。科学家们怀疑，在进化的早期，地球能够孕育生命，部分原因是早期的磁场足够强大，可以保持维持生命的大气层，同时保护地球免受破坏性的太阳辐射。

这种磁屏蔽究竟有多早和坚固还有待商榷，尽管有证据表明它的存在可以追溯到大约 35 亿年前。

“我们想看看我们是否可以将这个记录追溯到35亿年以上，并确定这个早期领域的强度，”尼科尔斯说。

2018 年，作为当时在 Weiss 实验室工作的博士后，Nichols 和她的团队开始了对 Isua Supracrustal Belt 的探险，这是格陵兰岛西南部被高耸的冰盖包围的 20 英里长的裸露岩层。在那里，科学家们发现了地球上保存最完好的最古老的岩石，这些岩石已被广泛研究，希望能够回答有关地球古代状况的一系列科学问题。

对于Nichols和Weiss来说，目标是找到岩石最初形成时仍然具有地球磁场特征的岩石。岩石的形成经历了数百万年，因为沉积物和矿物的颗粒会积聚，并随着时间的推移逐渐堆积和掩埋在随后的沉积物中。沉积物中的任何磁性矿物（例如氧化铁）在形成时都会受到地球磁场的拉力。这种集体方向和磁场的印记保存在岩石中。

然而，如果岩石随后经历极端的热或水事件，如热液活动或板块构造，这些事件可以加压和压碎这些沉积物，那么这种保存下来的磁场可能会被打乱并完全抹去。因此，确定古代岩石中磁场的年龄一直是一个备受争议的研究领域。

为了找到自最初沉积以来有望保存下来且未被改变的岩石，该团队从伊苏阿地壳上带的岩层中取样，这是一个只有直升机才能到达的偏远地区。

“它距离首都大约150公里，你会被直升机送进去，正好靠在冰盖上，”尼科尔斯说。“在这里，你基本上拥有世界上最古老的岩石，周围环绕着冰河时代的戏剧性表达。这是一个非常壮观的地方。

动态历史记录

该团队带着带状铁层的整个岩石样本返回麻省理工学院 – 一种岩石类型，表现为富含铁和富含二氧化硅的岩石条纹。在这些岩石中发现的氧化铁矿物可以充当微小的磁铁，与任何外部磁场一起定向。鉴于它们的组成，研究人员怀疑这些岩石最初是在大约25亿年前大气中氧气上升之前在原始海洋中形成的。

“当大气中没有氧气时，铁不容易氧化，所以它在海洋中处于溶液中，直到达到临界浓度，当它沉淀出来时，”尼科尔斯解释说。“所以，这基本上是铁从海洋中下雨并沉积在海底的结果。

“它们是非常美丽、奇怪的岩石，看起来不像今天在地球上形成的任何东西，”Weiss补充道。

以前的研究使用铀铅测年法来确定这些岩石样品中氧化铁的年龄。铀与铅（U-Pb）的比例为科学家提供了岩石年龄的估计。这项分析发现，一些磁化矿物可能大约有37亿年的历史。麻省理工学院的团队与伦斯勒理工学院的研究人员合作，在去年发表的一篇论文中表明，U-Pb年龄也与这些矿物的磁记录年龄有关。

然后，研究人员开始确定古代岩石是否保留了那么远的磁场，以及该磁场可能有多强。

“我们认为最好的样品具有非常古老的特征，然后我们在实验室中分步退磁。我们应用一个我们知道强度的实验室磁场，然后逐步对岩石进行再磁化，因此您可以将退磁梯度与实验室磁化梯度进行比较。这个梯度告诉你古代的田野有多强，“尼科尔斯解释道。

通过这种谨慎的再磁化过程，研究小组得出结论，这些岩石可能拥有37亿年前的古老磁场，其震级至少为15微特斯拉。今天，地球的磁场测量值约为 30 微特斯拉。

“这是力量的一半，但数量级相同，”尼科尔斯说。“事实上，它的强度与今天的磁场相似，这意味着驱动地球磁场的任何东西在数十亿年的功率上都没有发生巨大变化。

该团队的实验还表明，尽管经历了两次随后的热事件，但这些岩石仍保留了古老的领域。任何极端的热事件，如地下的构造震动或热液喷发，都可能升温并抹去岩石的磁场。但研究小组发现，他们样本中的铁可能在37亿年前的某个初始极端热事件中定向，然后结晶。大约 28 亿年前，然后在 15 亿年前，岩石可能已经重新加热，但没有达到会扰乱其磁化的极端温度。

“该团队研究的岩石在我们星球上漫长的地质旅程中经历了相当多的经历，”奥斯陆大学的行星科学研究员Annique van der Boon说，他没有参与这项研究。“作者在限制哪些地质事件在不同时间影响了岩石方面做了很多工作。

“该团队花时间对这些复杂的岩石进行了非常彻底的研究，这些岩石不会轻易放弃它们的秘密，”利物浦大学地磁学教授安迪·比金说，他没有参与这项研究。“这些新结果告诉我们，地球磁场在37亿年前还活着。知道它在那里并且很强，对早期地球环境有重大的边界限制。

这些结果还提出了一个问题，即古代地球如何能够为如此强大的磁场提供动力。虽然今天的磁场是由固体铁内核的结晶驱动的，但人们认为内核在行星演化的早期还没有形成。

“似乎当时产生磁场的证据与我们今天拥有的动力源不同，”Weiss说。“我们关心地球，因为这里有生命，但它也是了解其他类地行星的试金石。这表明整个银河系的行星可能有很多方式为磁场提供动力，这对于其他地方的宜居性问题很重要。

这项研究在一定程度上得到了西蒙斯基金会的支持。