42亿年前的线索揭示了地球磁场的起源

该可视化显示了地球或磁层周围的磁场。麻省理工学院的一项新研究发现，地球磁场的起源仍然是个谜。

超过35亿年前的磁场的存在仍存在争议。

从西澳大利亚的杰克·希尔斯（Jack Hills）古代露头挖掘出的微观矿物一直是地质研究的热点，因为它们似乎可以追溯到42亿年前地球磁场的踪迹。这比以前认为产生磁场的时间要早​​十亿年，几乎可以追溯到行星本身形成的时间。

但是，尽管这个起源故事可能令人着迷，但由MIT领导的团队现在发现了相反的证据。在今天发表在《科学进展》上的一篇论文中，研究小组检查了从同一露头出土的相同类型的称为锆石的晶体，并得出结论认为，他们收集的锆石不能可靠地用作古代磁场的记录器。

换句话说，对于地球磁场是否存在早于35亿年前尚无定论。

麻省理工学院的研究生Caue Borlina说：“在35亿年前，还没有可靠的磁场证据，即使有磁场，也很难在Jack Hills锆石中找到它的证据。”地球，大气与行星科学系（EAPS）。“从某种意义上说，这是一个重要的结果，因为我们知道不再寻找什么。”

Borlina是该论文的第一作者，其中还包括EAPS教授Benjamin Weiss，麻省理工学院首席研究科学家Eduardo Lima和Jachanar Ramezan以及剑桥大学，哈佛大学，加利福尼亚大学洛杉矶分校和阿拉巴马州和普林斯顿大学。

一片田野，激起

人们认为，地球磁场在使地球宜居方面起着重要作用。磁场不仅可以确定指南针的方向，还可以起到一定的屏蔽作用，使太阳风偏转，否则可能会吞噬大气。

科学家们知道，如今，地球的磁场是由行星的液态铁芯凝固而产生的。铁心的冷却和结晶会搅动周围的铁水，产生强大的电流，产生的磁场会延伸到太空。该磁场被称为大地发电机。

多条证据表明，地球磁场至少存在于35亿年前。但是，人们认为行星的核心仅在10亿年前就开始凝固，这意味着磁场必须早于10亿年前就已经由其他某种机制驱动了。准确确定何时形成磁场可以帮助科学家弄清楚产生该磁场的原因。

博利纳（Borlina）说，地球磁场的起源也可能阐明了地球最早的生命形式扎根的早期条件。

博利纳说：“在地球的前十亿年中，即在四十四亿至三十五亿年之间，生命正在出现。”“当时您是否拥有磁场，对地球生命所处的环境都会产生不同的影响。这就是我们工作的动力。”

“不信任锆石”

传统上，科学家使用古代岩石中的矿物来确定地球磁场的方向和强度。随着岩石的形成和冷却，单个晶粒内的电子可以在周围磁场的方向上移动。可以说，一旦岩石冷却到某个特定温度（称为居里温度），电子的方向就会固定在石头上。科学家可以确定他们的年龄，并使用标准磁力计测量其方向，以估算给定时间点地球磁场的强度和方向。

自2001年以来，Weiss和他的小组一直在研究Jack Hills岩石和锆石的磁化强度，其具有挑战性的目标是确定它们是否包含地球磁场的古老记录。

魏斯说：“杰克希尔斯锆石是古磁学史上研究的一些最弱磁性的物体。”“此外，这些锆石包括最古老的已知地球物质，这意味着有许多地质事件可能会重置其磁记录。”

2015年，另一个也开始研究杰克·希尔斯锆石的研究小组认为，他们在锆石中发现了磁性材料的证据，其历史可以追溯到42亿年前-这是地球磁场可能存在于35亿年前的第一个证据。几年前。

但是Borlina指出，研究小组并未确认他们检测到的磁性材料是否真正形成于42亿年前的锆石晶体形成期间或之后，这是他和他的研究小组为新论文所追求的目标。

Borlina，Weiss和他们的同事从同一Jack Hills露头收集了岩石，并从这些样品中提取了3754颗锆石颗粒，每颗长约150微米，大约相当于人的头发的宽度。他们使用标准的测年技术确定了每种锆石的年龄，年龄范围从10亿到42亿年不等。

大约250个晶体的年龄超过35亿年。研究小组对这些样品进行了隔离和成像，以寻找裂纹或次要材料的迹象，例如晶体完全形成后可能沉积在晶体上或内部的矿物，并寻找证据表明在过去的几十亿年中它们被显着加热了。成立至今已有数年。在这250个样品中，他们只鉴定了3个相对不含此类杂质的锆石，因此可以包含合适的磁记录。

然后，研究小组对这三个锆石进行了详细的实验，以确定它们可能包含哪种磁性材料。他们最终确定在三个锆石中的两个中存在一种称为磁铁矿的磁性矿物。研究小组使用高分辨率的量子金刚石磁力计，观察了两个锆石中每个锆石的横截面，以绘制出每个晶体中磁铁矿的位置。

他们发现磁铁矿沿着锆石内部的裂缝或损坏区域分布。博利纳说，这种裂缝是允许水和其他元素进入岩石内部的通道。这样的裂纹可能使次级磁铁矿进入锆石中的时间比锆石最初形成时要晚得多。无论哪种方式，Borlina都说证据很明确：这些锆石不能用作地球磁场的可靠记录器。

博利纳说：“这证明我们不相信这些锆石的测量结果能记录地球的磁场。”“我们已经证明，在35亿年前之前，我们仍然不知道地球磁场何时开始。”

利物浦大学古磁学教授安迪·比金（Andy Biggin）说：“对我而言，这些结果使人们对杰克·希尔斯锆石忠实记录35亿年前古磁场强度的潜力产生了极大怀疑。”在研究中。“也就是说，自2015年以来，这场辩论一直在激烈进行，就像相当于英国脱欧的古磁一样。如果这是此事的最后决定，我将感到非常惊讶。证明否定几乎是不可能的，方法和解释都毫无疑问。”

尽管有这些新的结果，Weiss强调指出，以前对这些锆石的磁性分析仍具有很高的价值。

魏斯说：“报告原始锆石磁性研究的团队因试图解决这一极具挑战性的问题而应受到赞扬。”“由于两个小组的所有工作，我们现在更好地了解了如何研究古代地质材料的磁性。我们现在可以开始将此知识应用于其他矿物质和其他行星体的谷物。”

参考：CauêS. Borlina，Benjamin P. Weiss，Eduardo A. Lima，Fengzai Tang，Richard JM Taylor，Joshua F. Einsle，Richard J. Harrison，Roger R. Fu和伊丽莎白贝尔（A. Bell），埃伦·亚历山大（Ellen W.Alexander），希瑟·M·柯克帕特里克（Heather M.Kirkpatrick），马修·M·维利奇（Matthew M.Wielicki），马克·哈里森（T.Mark Harrison），贾汉达尔·拉梅萨尼（Jahandar Ramezani）和亚当·C·马洛夫（Adam C.Maloof），2020年4月8日，科学进展。
10.1126 / sciadv.aav9634

这项研究得到了美国国家科学基金会的部分支持。