永磁鐵磁極倒轉實驗與地磁場鐵磁體假說探討

楊光忠 夏 瑞（中國凱里556000貴州省地礦局101地質隊）

?

永磁鐵磁極倒轉實驗與地磁場鐵磁體假說探討

楊光忠 夏 瑞
（中國凱里556000貴州省地礦局101地質隊）

摘要為了“佐證”地磁場的鐵磁體“假說”，通過對鐵磁體試件加熱退磁，在外加磁場作用下冷卻、重新磁化實驗，成功實現永磁鐵磁極性倒轉，結合鐵磁體居里點可隨壓強增大而提高的推理，認為地磁場的形成應由內地核鐵鎳物質的鐵磁性引起，并主要通過（下）地幔和液態外地核圈層對的對流變動對內地核溫壓條件的改變，實現地磁場從具磁性→退磁→恢復磁性進程的地磁場倒轉，通過進一步的高溫高壓模擬實驗，可望揭開地磁場的形成及倒轉之謎。

關鍵詞永磁鐵；磁極倒轉；實驗；地磁場；鐵磁體“假說”

E-mail：ygzh6701@163.com

本文收到日期：2015-08-20

0 引言

關于地磁場形成的研究，存在十多種假說或猜測，其中較重要的有鐵磁體假說、熱電假說和雙圓盤發電機假說。由于認為地球內部溫度高于鐵磁體的居里點而否認鐵磁體假說，熱電假說也因地球內部很難產生高達109A的電流（現今地磁場對電流強度的要求）而遭到質疑，而目前比較流行的雙圓盤發電機假說，由于假定條件較多，亦未被廣泛接受（劉本培等，2000）。

筆者曾試圖探討地球的構造原動力，通過圈層結構形成及壓力傳遞和溫度條件等綜合分析，認為地球磁場的成因（解釋）應為鐵磁體假說（楊光忠，2007）。李安生等（2007）認為，鐵磁體居里點應隨壓強增大而提高，地磁場應由內地核鐵鎳物質的鐵磁性引起。李安生等（2008）進一步認為，地球失磁的可能原因是內（地）核溫度升高，并提出地磁極性倒轉的前提是地球失磁。對此，筆者利用一般音響的紙盆式揚聲器圓環形釹鐵硼永久磁鐵作磁極性倒轉實驗，以此模擬和類比說明地磁場的倒轉過程，從另一角度來“佐證”地磁場的鐵磁體“假說”。

實驗表明，通過溫度改變即可成功實現永磁體磁極性倒轉，從而推演論證地磁場源于內地核鐵磁體的觀點，希望永磁鐵磁極性倒轉實驗能夠成為進一步探討地磁場鐵磁體觀點的實驗依據或努力方向。

1 地磁場鐵磁體假說

目前多認為地磁場起源于液核（即液態外地核）物質的運動，即雙圓盤發電機假說。地球物理學者在自激發電機理論和計算機數值模擬及實驗物理模擬方面取得一些進展（徐文耀，2005），但由于假定條件較多，未被廣泛接受（劉本培等，2000）。

由于地核基本上是由鐵磁體（鐵和鎳）所組成，地核的這種特有成分及其球狀對稱的形態（特征）構成鐵磁體假說的基本依據。按照鐵磁體假說，地核因其組成而自然成為一個磁化體，由此決定地球具有偶極特征的磁場（劉本培等，2000）。

鐵磁體假說是關于地磁場形成的最早觀點，易為大家接受。后來認為地球內部溫度太高（4 532℃），地核內的平均溫度遠遠超過任一種鐵磁性物質的居里點，鐵磁性體將在此溫度下轉變成順磁性體，從而喪失其磁性（劉本培等，2000）。受鐵磁體居里溫度的限制及鐵磁體“假說”“很難”解釋地磁場的倒轉問題等而基本被否認。

楊光忠（2007）和李安生等（2007，2008）認為，地球磁場的成因（解釋）應該就是鐵磁體“假說”，僅僅因為缺乏實驗依據及其他資料引證而遭到否認，這種認識本身也缺乏科學性。對此，本文試圖通過相關實驗，進一步探討地磁場的鐵磁體“假說”。

2 永磁鐵磁極倒轉簡易實驗

2.1 實驗材料

磁性材料類型很多，為了可能接近地球內部鐵鎳物質永久性鐵磁體的模擬，實驗使用市面上一般音響設備的紙盆式揚聲器圓環形釹鐵硼永久磁鐵。該磁鐵系應用粉末冶金工藝制造而成的一種鐵基永磁材料，具有堅硬、性脆、高抗退磁性等特點。

需要進一步說明的是，選取該實驗材料，原因是：①該永磁鐵磁性最強；②容易獲取；③實驗簡易，主要著眼于常壓下通過加熱過熱退磁、冷卻再磁化等步驟，探討永磁鐵磁極性倒轉的簡易定性實驗。

2.2 基本原理

本實驗利用一般音響設備的圓環形釹鐵硼永久磁鐵，由于拆卸難度等原因，有的磁鐵試件有順磁片夾護，有的為“純粹”的磁鐵件。一塊用作試件，另一塊用作外加磁場。為了更具代表性和說服力，采購若干圓環形釹鐵硼永久磁鐵進行實驗。

實驗原理為：試件加熱至完全退磁（溫度高于其常壓下居里點），在降溫過程中施加一個與試件原磁場相反的具有相當強度的磁場使之重新磁化，利用地質羅盤檢驗其磁極性變化。

2.3 實驗過程及結果

由于時間和設備有限，只進行幾組實驗，并分為外加強磁場反磁化和天然地磁場反磁化實驗兩種情況。

2.3.1 外加強磁場反磁化實驗。

（1）試件Ⅰ實驗。試件為“純粹”的磁鐵件，在家用燃氣灶上加熱，由于沒有順磁片夾護，加熱至一定程度即破裂成幾塊，放棄進一步實驗。

（2）試件Ⅱ實驗1。試件有順磁片夾護，確定試件磁極方向后，在燃氣灶上加熱，加熱至一定程度時炸裂，但未改變原磁性，試件在順磁片夾護下繼續加熱至完全退磁，移出爐灶，放在一定磁強但磁性相反的磁鐵上方，試件在自然降溫至常溫過程中重新磁化，用羅盤磁針檢查其磁極性變化情況。冷卻后歷時147小時，時間間隔不等地進行15次試件磁極性變化檢查，結果表明：試件原磁北極變為新磁南極，原磁南極變成新磁北極（圖1），但試件的磁性明顯減弱。

圖1　強磁場反磁化磁極性倒轉實驗（a）給試件加熱至退磁；（b）降溫過程中外加磁場重新磁化；（c）反磁化磁極倒轉結果Fig.1 Experiments of reversal of magnetic polarity of strong magnetic fi eld reversal magnetization

（3）試件Ⅱ實驗2。在第1次反磁化實驗基礎上，以相同步驟，重新進行反磁化實驗，以查驗反復實驗磁極性變化情況。重新反磁化實驗冷卻后，歷時334小時，不定時進行7次試件磁極性變化檢查，結果表明：試件的新磁北極恢復為原磁南極，新磁南極恢復為原磁北極。

（4）試件Ⅲ實驗。試件有順磁片夾護，加熱未破裂，實驗過程相同，反磁化并冷卻至常溫后，歷時325小時，不定時進行7次試件磁極性變化檢查，變化結果與試件Ⅱ實驗1相同。

（5）試件Ⅳ實驗1。試件有順磁片夾護，加熱至一定程度炸裂。在順磁片夾護下繼續加熱使其退磁。在反磁化并自然冷卻至常溫后，歷時106小時，期間不定時進行7次試件磁極性變化檢查，變化結果與試件Ⅱ實驗1相同。

2.3.2 天然地磁場反磁化實驗。該實驗環境為：地點在北半球，地球磁力線傾斜。

（1）試件Ⅳ實驗2。在該試件第1次（強磁場反磁化）實驗基礎上，重新加熱使其退磁做天然地磁場作用下反磁化實驗，要求試件磁力線方向與地磁場相反，見圖2，檢驗試件在天然地磁場反磁化作用下試件的磁極性變化。

圖2　天然地磁場反磁化實驗磁極倒轉示意(a)試件加熱至退磁；(b)降溫過程中在外加磁場中重新磁化；(c)反磁化磁極倒轉結果Fig.2 Geomagnetic pole reversal of geomagnetic fi eld reversal experiments

在天然地磁場反磁化作用下，自然冷卻至常溫后，歷時230小時，期間不定時進行7次試件磁極性變化檢查，結果表明：試件在第1次實驗獲得的磁北極變為新磁南極，磁南極變為新磁北極。需要指出的是，由于反復實驗，試件重新磁化出現磁化不均勻，甚至表現出一定的磁極偏移現象。

（2）試件Ⅴ實驗1。試件為帶喇叭框架且有順磁片夾護的環形磁鐵，如圖2所示原理，加熱退磁后在天然地磁場條件下做反磁化實驗。在試件自然冷卻至常溫后，歷時65小時，期間不定時進行5次試件磁極性變化檢查，變化結果與試件Ⅱ實驗1相同。

（3）試件Ⅴ實驗2。在該試件第1次實驗基礎上，重復做天然地磁場條件下再反磁化實驗。可能由于天然地磁場的場強較弱或常壓等問題，磁性變化不明顯，且試件的磁場強度更為微弱。

（4）試件Ⅵ實驗。試件有順磁片夾護，加熱退磁后自然冷卻至常溫，歷時254小時，期間不定時進行5次試件磁極性變化檢查，變化結果與試件Ⅱ實驗1相同。

2.4 永磁鐵磁極倒轉實驗意義

本次做6組試件9次實驗。其中，1組（次）放棄，2組4次（1組反復實驗）做強磁場反磁化實驗，1組2次分別做強磁場反磁化實驗和天然地磁場反磁化實驗，3組4次（1組反復實驗）做天然地磁場反磁化實驗，除1組（次）試件磁性微弱未表現明顯磁極性變化外，其他實驗均成功實現永久磁鐵的磁極性倒轉，即（常壓下）只要溫度條件改變，永磁鐵的磁極性即可輕易實現倒轉，而不需要磁體本身作180°的翻轉。實驗雖簡易，但在某種程度上可以模擬說明地磁場的倒轉問題，便于理解地磁場源于內地核鐵鎳物質鐵磁性及其地磁極倒轉不需要固體內地核作180°翻轉等問題，可作為地磁場鐵磁體“假說”的初步實驗依據，通過進一步的高溫高壓模擬，或許能揭示地磁場的形成及倒轉之謎，實驗具有重要意義。

3 地磁場構成及倒轉簡析

3.1 地磁場構成

據《地球科學導論》（劉本培等，2000），地球圈層按結構及物性差異，自上而下分為地殼、巖石圈地幔、軟流圈、（下）地幔、液態外地核和固態內地核等圈層。其中，內地核為剛性很高的固態鐵鎳物質組成，其物質組成特征正是地磁場鐵磁體假說的基礎。

固體地球內部存在巖石圈—軟流圈、（下）地幔—液態外地核兩個固體/流塑圈層對。巖石圈/軟流圈圈層對共同構成對流運動，導致海底擴張、大陸漂移及碰撞造山等板塊構造、巖漿活動和變質作用及成礦等一系列重大地質響應。（下）地幔/液態外地核圈層對，在結構特征上與巖石圈/軟流圈圈層對類似，理應存在相類似的深層對流構造運（變）動，并因此導致地幔柱，尤其是起源于核幔邊界的超級地幔柱構造，或因地幔柱、超級地幔柱的作用而引起（下）地幔/液態外地核圈層的對流變動，并因此通過溫壓條件調整影響內地核鐵鎳物質的磁性改變，進而導致地磁場倒轉。

地球圈層的形成，可以這樣簡單理解和敘述：早期熔融狀態的地球因混溶輕重物質的重力分異而構成成分分層，在地球整體變冷進程中，由表及里逐漸變冷，使表層首先冷凝成固態地殼。進一步的冷凝收縮，凝固了的圈閉地殼勢必形成架空態勢，使其下的圈層處于“相對低壓高溫”條件而延緩凝固速度，形成至今仍為“高度塑性”的軟流圈；盡管軟流圈之下溫度高，但來自地殼及外部圈層的部分壓力和軟流圈的壓力，以及厚大的（下）地幔自重壓力作用，（下）地幔則處于“相對高壓低溫”條件而凝固成（相對）固體圈層；由于厚大的固態（下）地幔的強大架空庇護作用，使得地核的上半部分因承受來自上部的壓力相對較小，溫度又“相對較高”而呈完全熔融的液體狀態；受來自液態外地核及上部各圈層的壓力，以及內地核自身重力作用，內地核鐵鎳物質熔點應顯著高于其所處溫壓條件而呈現剛性的固體狀態。

壓力條件不僅可以使內地核鐵鎳物質的熔點顯著提高，理論上也應提高鐵磁體磁性的居里點（溫度），使處于“相對高壓低溫”條件下的內地核鐵鎳物質具有鐵磁性而構成地磁場。李安生等（2007）認為，地球內核鐵鎳物質所受壓強增大，使晶格間距變小，電子云重疊增大，交換能增加，從而使居里溫度增高，保守估計，假如每增大1 000個大氣壓，居里點增加1℃，內地核壓力條件將使內地核居里點超過內地核的溫度條件，內地核完全或部分成為鐵磁體，在某些條件作用下磁化而構成地球偶極磁場的根源。

總之，地球的磁場，應源于地球內地核鐵鎳物質的磁性，即最早提出的鐵磁體“假說”。

3.2 地磁極倒轉

前已述及，巖石圈／軟流圈圈層對的對流導致板塊構造等一系列重大地質構造運動，結構特征類似的（下）地幔／液態外地核圈層對，理應存在類似的由各種原因導致的對流構造變動，導致地幔柱，尤其是起源于核幔邊界的超級地幔柱構造作用，或因地幔柱、超級地幔柱（Senshu H et al，2009；轉引自滕吉文等，2014）的作用而引起對流運（變）動及其相應地質響應等。

與巖石圈／軟流圈圈層對構成的對流運動類似，（下）地幔/液態外地核圈層對也應周期性地處于對流構造運（變）動，并可簡單理解為（下）地幔固體圈層的破裂、架空態勢的失衡、對流變動、板片下戳及其對液態外地核及內地核施加的極高壓力作用，使內地核壓力條件提高，其鐵鎳物質鐵磁性居里點提高而具磁性，由此構成地磁場。隨（下）地幔圈層架空態勢的重新建立，內地核壓力條件降低溫度相對提高而逐漸退磁。在（下）地幔和液態外地核圈層對的新一輪對流構造變動進程中，內地核壓力條件提高，在地殼等上部圈層被原地磁場磁化形成的（外部）磁場作用下重新磁化，內地核的各單元磁體（場）沿該外部磁場重新定向分布，并逐漸加強而形成新的極性相反的地磁場，從而實現地磁場的倒轉，見圖3。圖3中，粗線外圈表示巖石圈磁性體，N、S分別為磁場北、南極，帶箭頭細線為磁力線；粗線內圈表示內地核鐵磁體，其中的小圓環代表內地核單元磁體，n、s分別為其磁北、南極。

圖3　地磁場倒轉形成機理（據楊光忠，2007，修改）（a）地磁場重新磁化過程；（b）地磁場重新磁化結果Fig.3 Formation mechanism of reversal of geomagnetic fi eld

4 結束語

常壓下有限簡易實驗表明，通過加熱退磁，冷卻過程中反磁場磁化，可以實現永磁體磁極性的倒轉。基于實驗基礎，結合李安生等（2007）關于鐵磁體居里點應隨壓強增大而提高的推理等，綜合認為，地磁場的形成應為內地核鐵鎳物質的鐵磁性引起，主要通過（下）地幔／液態外地核圈層對的對流變動對內地核溫壓條件的改變，實現地磁場從具磁性→退磁→恢復磁性進程的地磁場倒轉。通過進一步的高溫高壓模擬實驗，或可揭開地磁場的形成及其倒轉之謎。

參考文獻

李安生，賈拴穩. 地球磁場的成因與居里點隨壓強變化的推測[J]. 地球物理學進展，2007，22（2）：443-445.

李安生，李國棟. 地球失磁與地磁場極性倒轉的探討[J]. 地震地磁觀測與研究，2008，29（6）：27-31.

劉本培，蔡運龍. 地球科學導論[M]. 北京：高等教育出版社，2000：76-77，67-70.

滕吉文，宋鵬漢,毛慧慧.當代大陸內部物理學與動力學研究的導向和科學問題[J].中國地質，2014，41（3）：675-697.

徐文耀. 地球發電機過程的實驗室模擬研究[J]. 地球物理學進展，2005，20（3）：698-704.

楊光忠. 試論地球的構造動力[J]. 貴州地質，2007，24（1）：78-84.

About permanent magnet magnetic pole reversal experiments and geomagnetic fi eld ferromagnetic hypothesis

Yang Guangzhong and Xia Rui
(101 Geology Brigade， Bureau of Geology and Mineral Exploration and Development of Guizhou Province，Kaili 556000， China)

Abstract

In order to evidence the ferromagnetic hypothesis of geomagnetic field， by the experiment in which ferromagnetic specimen is heated for demagnetization and then cooled in an applied magnetic field for re-magnetization， the polarity reversal of the permanent ferromagnetic is successfully achieved. Combining the inference that ferromagnetic Curie point temperature can increase with pressure raising， it is thought that the geomagnetic fi eld is formed by ferromagnetic of inner core nick-iron material， and reversed under by the change of temperature and pressure of inner core， which is in turn caused mainly by the convection change in lower mantle and the liquid outer core circles， realizing the reversal procedure of geomagnetic fi eld from magnetic to demagnetizing to re-magnetizing. Through further high temperature and high pressure simulation experiments， the mystery of the formation and reversal of the geomagnetic fi eld is expected to be uncovered.

Key words：permanent magnet，reversal of magnetic pole，experiments，geomagnetic field，ferromagnetic hypothesis

doi:10. 3969/j. issn. 1003-3246. 2016. 01. 008

作者簡介：楊光忠（1967—），男，苗族，貴州凱里人，研究員，主要從事地質找礦勘查研究工作。