地球磁場倒轉之謎

曉尤

美國的好萊塢似乎每過一段時間就會推出一部科幻災難影片，其中有些電影鏡頭會讓科學家笑話，因為影片犯了許多科學錯誤；而有些鏡頭則讓科學家點頭稱是，認為確實言之有理。比如，有一部災難片就假想地球磁場崩潰后的場景。而真實的地球歷史上，確實多次出現磁場減弱甚至磁場發生倒轉的現象，在過去的1.6億年中，地球的磁場經常發生倒轉，地磁南極變成地磁北極，地磁北極變為地磁南極的事件頻繁發生。但地球磁場為什么會倒轉呢？直到今天，科學家們還沒有定論。

地下大雪崩

為了解釋地球磁場為什么會倒轉，美國的馬勒教授提出了一個假說，這個假說認為，地球磁場倒轉是地核與地幔邊界處的物質“大雪崩”造成的。

地球的地核分成內地核和外地核兩部分，內地核是固態的鐵芯（據猜測還含有鎳），如月球般大小；外地核則是液態的鐵，如火星般大小。地核之上的地幔層由密度很大的巖石組成，它和固態的鐵芯把液態的外地核夾在中間。在液態的外地核與巖石質的地幔之間是不規則的邊界面，也有地形的起伏，這和地球表面起伏不定的地貌類似。

多數地質學家認為，地球的磁場產生于外地核液態鐵的對流，液態的鐵流動起來，相當于電流的性質，而電流能夠產生磁場。馬勒則進一步認為，外地核的物質對流可能是由于鐵在內地核表面結晶所導致的。他分析，在地下5千公里深的地方，是內地核與外地核的交界處，在這里，外地核液態的鐵時時結晶為固態，在這個過程中，液態鐵里含有的一些密度輕的成分，比如氧、硫和硅，被釋放并上升到距離地面2 900公里深的核幔邊界處。核幔邊界處的溫度比內地核表面低1千攝氏度左右，因此那些輕的成分在核幔邊界冷卻，并濃縮成泥濘的沉積物。每1百萬年大概會堆積出幾十米厚的沉積層，這些沉積物向上“落”在地幔下表面不平坦的地形上。由于核幔邊界的地形起伏不定，有的地方比較陡峭，沉積物甚至會沿著斜坡滑動。在輕密度沉積物向上升的過程中，在沿途會使外地核的液態鐵向內地核的方向流動，碰到堅固的內核后，液態鐵流又會返回。科學家猜測，鐵流的往返運動使地球出現了磁場，在正常時期，磁場是穩定的。

沉積物的積累和滑落過程每時每刻都在發生，液態鐵流的往返運動同樣也是每時每刻都在發生，但是地球磁場的倒轉卻并不是那么頻繁的。因此馬勒猜測，地下鐵流和沉積物正常的上升和下落并不會強烈地改變地球磁場，只有那些劇烈的地下物質“大雪崩”，才會使地下發生翻天覆地的變化，地球磁場發生混亂，甚至出現磁場的倒轉。上涌的物質流還會加熱地核之上的地幔，讓一些巖漿奔涌到達地球表面，形成大面積的火山巖。

地磁倒轉的根本原因

馬勒相信，只有很少的事件能夠引發核幔邊界的沉積物大雪崩，比如，當一個小行星或彗星以傾斜的角度撞擊地球表面時，地下殼幔邊界處的沉積物質會被側向推移，厚重如山一般的沉積層劇烈振蕩，破壞了外地核液態鐵流的正常流動，攪動了地下世界，地球的磁場因此而發生倒轉。

小行星撞擊地球帶來的生物大災難是大家所熟知的，人們發現，伴隨著小行星的撞擊，地下巖漿會噴涌出來，形成面積廣大的玄武巖。撞擊是如何使地下物質以巖漿的形式噴出，形成玄武巖（火山巖的一種）覆蓋地球表面的呢？馬勒根據自己的假說認為，小行星或彗星撞擊地球后，核幔邊界處的沉積物被振蕩，熱的鐵流會在某些薄弱處與地幔接觸，迅速加熱地幔物質，產生的巖漿上升到地殼的縫隙處，噴涌上來形成大面積的玄武巖。

馬勒用自己的“地下大雪崩假說”將地外星體撞擊和地下物質運動聯系了起來，描述了地磁倒轉時發生的一連串的事件：

小行星或彗星傾斜撞擊到地球上；

撞擊在地表引發了生物大絕滅；

撞擊攪亂了核幔邊界的沉積層，使地球磁場在幾千年中崩潰；

巖漿噴涌出地表，形成玄武巖；

撞擊甚至造成了地下物質上百萬年的振蕩；

最后，地球磁場緩慢地重建，地球磁極再次形成，發生了倒轉。

不過，有些學者質疑，引起恐龍滅絕的星體撞擊事件確實曾伴隨著印度德干高原大面積的玄武巖的出現，但是當時卻并沒有發生地磁的倒轉，這又該如何解釋呢？馬勒認為，原因很簡單，6 500萬年前的那次撞擊是一次直立撞擊。

造成恐龍絕滅的那顆星體撞到了中美洲尤卡坦半島上，形成了一個大型的撞擊坑。地質研究顯示，尤卡坦半島的大型撞擊坑確實是直立撞擊的產物。直立撞擊不會在地幔和地核邊界產生水平方向的分力，因此就無法造成那里的沉積物大雪崩，也就不會出現地磁倒轉。而傾斜撞擊則不同，一次大的傾斜撞擊將強烈地影響核幔邊界的沉積物狀態，引發地磁倒轉。

“預言”過去

利用自己的假說，馬勒居然“預言”了一個人們沒有注意到的遠古現象。

在地球磁場倒轉的歷史紀錄中，有一個被稱為“漫長沉寂”的時期，這個時期從距今1.2億年前開始，持續了3 500萬年，竟然一次地磁倒轉也沒有發生過。在這個時期結束后，地磁倒轉再次出現，而且又開始頻繁發生，就像正常的時候一樣。以前的科學家對這個反常的現象無法做出合理的解釋。

根據自己的假說，馬勒斷定，“漫長沉寂”說明地下沉積物不發生大雪崩，表明此前必定有一次劇烈的撞擊“消耗”了大量的沉積物。在沉積物大雪崩導致地磁倒轉后，由于沉積物的積累需要一定的時間，沒有聚集足夠的沉積物，即使發生星體撞擊地球的事件，也不可能再次引發大雪崩，導致長時間根本沒有地磁倒轉的情況。因此，在漫長正常時期開始前，應該有一次劇烈的撞擊事件，而且伴隨著撞擊事件，應該有巖漿涌出，形成大面積的玄武巖。然而，令他煩惱的是，他并沒有在地質資料中找到這樣的證據。

難道自己的假說錯了？馬勒把自己的困惑講給一位著名的地質學家阿瓦爾斯。阿瓦爾斯不是別人，正是首先提出恐龍絕滅由地外星體撞擊引起，并找到證據的地質學家。阿瓦爾斯告訴馬勒，他使用的玄武巖資料僅僅是大陸上的，因此并不完整。全球最大的玄武巖區域其實位于西太平洋洋底，正好形成于1.2億年前，和地球磁場倒轉的“漫長沉寂”時期開始的時間吻合。

這真是個出乎意料的好消息。馬勒很高興，因為他“預言”了這個過去的現象，雖然海底玄武巖很早之前就被別人發現了，但他此前并不知情。顯然，1.2億年前地球發生劇變，核幔邊界處的沉積物大雪崩，造成了地磁倒轉，此后的漫長時間里，沉積物雖然也在積累，但是量很少，無法形成使地磁再次倒轉的力量。這就是對“漫長沉寂”的合理解釋。

人類還不可能去地心旅行，要親眼看到地下的物質大雪崩，目前還不可能。不過面對地球磁場倒轉這個重大問題，馬勒覺得即使無法親眼目睹地下那壯觀的場面，自己也已經找到了正確的答案。