[科普中國]-考古地磁學

概述

考古地磁學是利用歷史時期的文物（如陶瓷、磚等）在燒結(jié)時獲得的熱剩磁，研究古代地磁場及其長期變化。

中國考古地磁學研究始于20世紀60年代。首先進行了北京地區(qū)史期地磁場長期變化的研究，隨后對初唐時期西藏拉薩古磚記錄的地磁場記錄進行了測定。20世紀80年代，魏青云等開展了陜西、北京、洛陽等地區(qū)考古強度和地磁場傾角值變化的研究，獲得了我國過去6000年的地磁長期變曲線，發(fā)現(xiàn)中國與日本的曲線大體相似但存在相位延遲，而中國與英國的曲線則相差甚遠。另外，發(fā)現(xiàn)四川地區(qū)5000年以來地磁場強度的長期變化存在跨時1000余年的“M”型振蕩變化。對比發(fā)現(xiàn)洛陽、廣東和福建的數(shù)據(jù)，也存在同樣的變化。

遺憾的是，過去10多年中考古地磁學研究幾乎處于停滯狀態(tài)，應發(fā)揮中國的資源優(yōu)勢，開展深入系統(tǒng)的考古地磁學研究。2

總之，隨著國內(nèi)現(xiàn)代古地磁學實驗室數(shù)量的不斷增加，及各種現(xiàn)代測試技術(shù)的廣泛應用，如EDX、SEM、XRD、Ar—Ar測年等技術(shù)的引入，現(xiàn)代古地磁學的研究領域已遠非傳統(tǒng)古地磁學所局限的板塊構(gòu)造和地層劃分與對比等；我國古地磁學研究呈現(xiàn)出空間上的不斷拓寬（陸地一海洋一行星，宏觀的板塊運動一微觀磁疇結(jié)構(gòu)和磁細菌）、更加注重基礎理論（剩磁獲得機理和可靠性）和實驗過程研究。相信隨著更多實驗設備研制的投入、實驗室建設和充足的后備隊伍，學科會得到更健康的發(fā)展，未來一定會做。出更多原創(chuàng)性的工作。多學科之間的進一步交融，及時地吸納新的現(xiàn)代測試技術(shù)，使環(huán)境磁學、生物地磁學、地球與行星內(nèi)部動力學等成為學科新的生長點。3

基本原理地球具有磁 場，而且不是一個常數(shù)。四百多年前，人們通過對地磁場的直接觀測，對這個問題就已經(jīng)有所了解。而對它的變化作系統(tǒng)的科學觀測，則是從十九世紀三十年代才開始的。但是，對于了解地球磁場時間、空間上的變化規(guī)律，進而對地磁場的基本性質(zhì)和形態(tài)特征提出較為滿意的數(shù)學、物理模型，深入研究地球磁場的成因及地球的形成和演化歷史等問題來說，這種系統(tǒng)的科學觀測，迄今才不過一百多年，在時間上未免太短暫了。而古地磁的觀測和研究，作為一種手段，在一定程度上彌補了地磁場觀測歷史的不足，在地球科學中發(fā)揮著重要的作用。

古地磁學是地磁學的一個分支。古地磁研究表明，許多巖石具有穩(wěn)定的剩余磁性，且磁化方向與當時地磁 場方向一致。因此，這些巖石的剩余磁性，就是地磁場矢量的天然記錄。采集這些巖石的定向標本，通過實驗室的觀測和模擬，就可算出巖石磁化時地磁場矢量在采點的方向和強度數(shù)值。尋找不同年齡，不同地區(qū)的巖石標本， 就可將地磁場觀測時間幅度大大推前。

巖石天然剩磁種類很多，如熱剩磁、沉積剩磁、化學剩磁等等。所謂 “熱剩磁”就是巖石或粘土加熱溫度超過居里點（600-700℃），在小于100 微泰斯拉的弱磁場中（如地磁場就是這個數(shù)量級的弱磁場）冷卻時形成的。 如火山巖的熱剩磁就是由熾熱的巖漿在冷卻過程中受地磁場磁化而成的。

考古地磁學和古地磁學的基本原理相同。古地磁研究的時間幅度大，它追蹤地球形成以來地磁場的方向和強度的歷史，研究的對象是不同地質(zhì)時期的巖石。而考古地磁研究，從時間上說，限于更新世或全新世以來與人類活動有關的時期（包括史前期和歷史時期）；從研究對象來說，主要是經(jīng)考古發(fā)掘出來的各種經(jīng)過高溫燒結(jié)的人 類文化遺跡、遺物，如陶窯、燒灶、燒土和陶器等。因為粘土和巖石一樣，都含有鐵磁性礦物。根據(jù)巖石磁學中熱剩磁的理論，古代的陶窯、灶、居住面等，最后一次停燒，由居里溫度冷卻至自然溫度時，燒土中鐵磁性物質(zhì)的磁疇極性方向，隨冷卻過程，逐漸轉(zhuǎn)向地磁場極性方向。也就是說，地磁場被“凍結(jié)”在燒土的磁疇中了。這些古 代的窯、灶，如果以后沒有移動位置，就作為當時、當?shù)氐卮艌龅摹盎?，永久保留下來。

開展考古地磁研究，首先是從已知年代的窯、灶、燒土的水平面上采集定向標本，在實驗室測量其熱剩余磁 化強度分量X、Y、Z值，就可算出地磁場偏角和傾角。然后利用 THE LILER 逐步熱退磁方法，可求出地磁場總強度值。

采集已知年代的，未曾移動過的窯、灶及居住面燒土的定向標本，可得到地磁場方向和強度的全部數(shù)據(jù)。 古磚，由于燒制時，總是沿長邊豎放，可求出傾角和總強度數(shù)據(jù)。瓦片、陶片、移動過的燒土也可求出燒制年代的 總強度值。各類標本采集的數(shù)量越多，時間越長，范圍越大，對古地磁場的模擬就越逼真。4

考古地磁學和長期變化追溯到長期變化有直接記載（1540年）前的時期，我們可以研究年代已知的考古遺跡。陶器及更有研究價值的陶窯中的磚塊，具有熱剩磁。由窯灰的含量可以估計出這些材料燒結(jié)的最后日期。剩磁可用通常的古地磁技術(shù)測出，但受到一些條件限制：樣品外形可能粗笨，而且在某些情況下，不允許進行破壞性試驗。這些材料的測量構(gòu)成古地磁學的專門分支，叫考古地磁學。

法國的G．Folgerhaiter開拓了這項工作，現(xiàn)在，英、美、蘇、捷、日諸國都有詳細研究的課題。

要測定的是過去地磁場的兩個有一定關連的量：磁場的方向和大小。M，J．Aitken和他的同事測定的英國磁場方向如右圖（a）（b）所示。

在右圖（a）中，逐點繪出了由年代可靠的窯磚測得的傾角和偏角資料，由此可看出這些測量的不確定程度。右圖（b）綜合了傾角和偏角資料，用Bauer圖示法給出倫敦長期變化的分布。盡管圖上的時間不連續(xù)，但這些資料足以打消長期變化有簡單周期的想法。早期的古地磁資料對周期性也有過懷疑（Den-ham，1074），而且，古地磁強度測量表明，長期變化包含偶極場和非偶極場的一級變化。

利用J．G．Koenigsberger首先提出的并由Thelller等（1959）詳細研究的方法，把烘烤過的粘土（罐、窯，磚等）的NRM與同一樣品在實驗室獲得的TRM比較， 可以得出古磁場強度。由于偶極場和非偶極場重疊，一個地區(qū)的強度測量不能唯一地表示偶極場的強度。但從相隔較遠的地區(qū)得到的強度資料表明，過去2000年的趨勢是相互一致的（如右圖（c）所示）。

在捷克斯洛伐克的時間更長的強度變化如右圖（d）所示。圖上所示的總變化量超過2倍，而現(xiàn)代非偶極場只有總強度的20%，所以幾乎肯定，右圖（d）的變化代表偶極場的變化。

考古地磁學資料表明，很難把地磁場的長期變化區(qū)別為偶極場和非偶極場的變化。雖然有理由認為，偶極場的變化較緩慢，可是長期變化包括了偶極場和非偶極場的變化，并非只有非偶極場的變化。這未必是指非偶極場的西向漂移不存在，或它甚至不是地核運動性質(zhì)的主要指標，而只意味著，西向漂移不應看成對發(fā)電機機制理論很有約束的地磁場的特征。

從右圖（d）看來，偶極場主要變化的時間常數(shù)是幾千年，這與其它證據(jù)，特別與磁場倒轉(zhuǎn)的證據(jù)符合。磁場倒轉(zhuǎn)可看作偶極場變化的極端情形。偶極場變化的時間常數(shù)還與地核中非持續(xù)電流的衰減時間常數(shù)同一數(shù)量級。5

相關名詞古地磁學古地磁學是研究地質(zhì)時期地球磁場的性質(zhì)，變化及其與地球發(fā)展過程中各種現(xiàn)象之間關系的學科。它的研究內(nèi)容和應用范圍主要包括三個方面：

①地磁學方面，是通過對各個地質(zhì)年代古地磁資料的研究，了解地滋場的演變歷史和規(guī)律，為地磁場起源的理論和長期變化的機制提供資料依據(jù)；

②巖石磁學方面， 研究巖石和礦物在地磁場中的各種磁化過程、剩余磁化強度的特征和它們與地磁場、巖石結(jié)構(gòu)和所處的外界條件（如溫度、壓力等）的關系，以及巖石和功‘物的磁穩(wěn)定性，從而為古地磁學的研究和磁法勘探成果的解釋提供理論依據(jù)；

⑧在地質(zhì)學上應用方面的研究，通過對不同地質(zhì)年代巖石磁性的研究，可進行地層對比，尤其對缺少化石的沉積巖和火成巖具有更重要的意義。適過同一時代的地層各部分巖石剩余磁化強度方向的對比，可以探討巖石的構(gòu)造變動情況，為解決某些地質(zhì)構(gòu)造問題提供論據(jù)。

此外，地質(zhì)年代中地磁極運動的資料，對研究氣候恃的變遷、緯度的變化等古氣候、古地理問題具有重要的意義。古地磁學是本世紀五十年代以夾新興的一門學科，發(fā)展較快。近幾年來，根據(jù)海洋磁測和古地磁場倒轉(zhuǎn)資料對海底擴張的研究，有力地推動了板塊構(gòu)造學說的發(fā)展，從而引起了對古地磁學的普遍重視。1

地磁學地磁學是地球物理學的一個分支學科，它主要研究的是地磁場隨空間的分布和隨時間的變化規(guī)律以及地磁場的成分、起源和應用。地磁學的基本內(nèi)容包括：地磁測量、地球基本磁場及長期變化、巖石磁性與古地磁學、地磁場起源、地球變化磁場及其成因理論、電磁感應與地球內(nèi)部電導率等。其中有關變化磁場的規(guī)律和成因、日地相關現(xiàn)象以及電離層和磁層物理的研究，已成為空間物理的主要組成部分。6