趣說地磁

馬千里

指南針是中國古代四大發明之一，它之所以能指明南北，是因為地球磁場的存在。讓我們走進地球磁場，探索它的奧秘吧！

地球磁場基本特征示意圖地磁南北極不是一成不變的；地球磁場從何而來現在尚無定論

地球磁場的存在不僅為人類指引方向，更是生靈繁衍的重要保障。雖然地球磁場的強度低至0.5～0.6高斯，即5×10-5～6×10-5特斯拉（T）（高斯與特斯拉都是描述磁場強度的單位），約等于多數家用電器1米范圍內磁場強度的1%，但其足以使地球生物免受太陽風（太陽發出的高速帶電粒子流）和宇宙未知射線的侵害。

另外，地球磁場作為地球外部的天然屏障，起到了保障大氣層穩定的作用。若地球的磁場強度不足以維系大氣層的存在，那么極低的氣壓將會導致地球上液態水的逸散和蒸發，蕓蕓眾生將不復存在。

中國是對磁現象認識最早的國家之一，先秦學術著作《管子》有“上有慈（通‘磁’）石者，下有銅金”的文字，這是關于磁現象的最早記載。

戰國時期發明的指南針，作為中國科學史上的璀璨明珠，代表著中國古人對地球磁場的應用。

北宋科學家沈括不僅記錄了指南針的制作方法，并在其著作《夢溪筆談》中寫道：“方家以磁石磨針鋒，則能指南，然常偏東，不全南也。”這是對磁偏角的最早記載。

1492年，意大利探險家哥倫布第一次航行美洲時才發現磁偏角，比沈括晚了約400年。

多數金屬礦產分布在地下深處，定位和開發需要進行大量的鉆探工程。為了減少人力、物力的浪費，找礦時要優先圈定最有希望的區域，而這有賴于地球物理方法的幫助。

磁法勘探是地球物理勘探中最早應用的方法，利用磁異常（類似磁鐵可以磁化鐵一樣，地球磁場可以磁化地殼內不同的礦物和地質體，形成磁異常）的原理可以指示地下不同巖石的分布。一般來說，不同的巖石具有不同的組成礦物，而不同礦物的磁性則取決于結晶程度和受地球基本磁場磁化的情況。通常，來自地球深部結晶的巖石，所含有的鐵、錳、鉻等元素的量越多，其具有的磁性越強。由此可見，磁法勘探對于找尋磁鐵礦、鉛鋅礦、銅和鎳等各種金屬礦產獨具威力。

早在17世紀，瑞典的礦工另辟蹊徑，用羅盤指示地下的磁鐵礦。在磁法勘探的后續發展歷程中，各類磁力儀應運而生，開始在更多種類的金屬礦產乃至油氣勘探中大顯身手。20世紀上半葉，中國開始在四川攀枝花等著名鐵礦區應用磁法勘探，并在1949年后大規模普及。

值得一提的是，在上世紀50年代，科學家們開始將磁力儀遷移到飛機、鉆井、輪船和潛艇中，真正意義上做到了“上天、入地、下海”，克服了地形因素，進一步提升了探測的空間和效率。

磁法勘探結合重力和電法等不同的地球物理方法，是一種重要的油氣勘探思路。通過上述手段可以推測地下的地質構造特點，推測油氣盆地的基底起伏、斷裂和凹陷分布。在此基礎上劃分含油氣區的構造單元，從而確定勘探的有利地帶。因此，地磁勘探被視為窺探地下寶貴礦產、油氣資源的重要窗口。

?可應用磁法勘探的金屬礦產種類繁多

古地磁學是近30年來興起的地磁學的重要分支。它的原理在于：巖石在成巖過程中會被同時期的地球磁場磁化，形成方向一致的巖石原生剩磁。通過測量現今保存的巖石乃至古物（例如古陶器）原生剩磁，可以分析地質歷史乃至人類文明史時期的古地球磁場方向、強度和演變規律。

磁法勘探的分支示意圖

古地磁學的建立，結合大洋地球物理探測的一系列成果，對于完善板塊構造學說、回溯地球歷史有著劃時代的意義。

1912年，德國氣象學家魏格納提出了大陸漂移假說。遺憾的是，大陸漂移假說并未成為當時學術界的主流觀點，也缺乏決定性證據的支持，在隨后的數十年中沉寂下來。在20世紀60年代，關于古地磁的一系列研究給該假說帶來了曙光。

首先是針對各大陸地質歷史時期的古地磁研究表明，非洲、南美洲和澳大利亞等大陸在數億年前是緊密相連的，它們在該時期形成的巖石記錄具有一致的磁極移動方向。

其次，隨著科技的進步，人們開始探索海洋世界。1960年，美國海洋地質學家赫斯提出了海底擴張假說——認為有一種對流運動迫使地球深部的物質自大洋中脊軸部涌出，并向外推移，越過海底，最后消失在大陸邊緣的海溝中。

對大洋地形的地球物理勘測結果顯示，洋底存在一系列的磁異常條帶。這些條帶沿著具有頻繁巖漿活動的山嶺（大洋中脊）平行對稱分布，而且磁性正負相間。這一現象不僅反映了地球曾在過去的數千萬年間發生過多次磁場倒轉，而且成為海底擴張假說強有力的支撐。

上述的一系列研究有力地支持了大陸漂移假說，并在后期成為了板塊構造理論的基石。

地球在過去的數億年間經歷“滄海桑田”的變遷

洋底磁異常條帶分布和演化示意

（責任編輯 / 張麗靜 美術編輯 / 周游）