地磁场的南、北极在地质历史时期发生了多次对调，称为地磁极性倒转。通常，地磁极性每百万年可倒转约3-5次，但倒转频率并不是一成不变的，有时快，可达每百万年10次甚至更多，而有时则很慢，表现为极性很少倒转或者几乎不倒转。例如，在白垩纪中期从大约121Ma到84Ma的近4000万年期间，地磁场几乎一直保持稳定的正极性期，被称为“白垩纪超长正极性期”或“白垩纪超静磁期”（Cretaceous Normal Superchron, CNS）（图1）。
模拟研究表明，极性倒转频繁时，地磁场强度低，而极性几乎不倒转时，地磁场强度高，且稳定。但这一理论推测尚未被岩石中记录的古地磁结果检验。由于火山岩仅可记录岩浆喷发时的古地磁场信息，而沉积岩可连续记录古地磁场变化，所以，白垩纪中期的沉积岩是记录CNS期间古地磁场强度相对强弱变化（即相对古强度，Relative Paleointensity, RPI）的重要载体。从沉积岩中获得相对古强度记录的难点在于其通常掩盖于环境变化引起的沉积岩的剩余磁化强度变化之中，需要经过细致的古地磁和岩石磁学分析，严格筛选，剔除环境变化因素的影响，才能够获得准确的相对古强度记录。
图1 过去1.5亿年以来地磁极性倒转频率随时间的变化（据Yoshimura,2022修改）
（黑色为正极性期，即古地磁场南、北极与现代地磁场南、北极一致；白色为反极性期）
太阳成集团tyc33455ccwww李永祥教授团队对国际大洋发现计划（IODP）369航次在澳大利亚南部海域U1512站位的上白垩统沉积岩岩心开展了相对古强度研究，检验CNS期间的古地磁场强度是否如模拟研究所预测的，表现为“高且稳定”的状态。逐步退磁结果显示，在外场为~20mT时，可清洗掉后期获得的次生剩磁。因此，样品的天然剩磁在20mT退磁之后保留下来的（即NRM20mT）是沉积时获得的原生剩磁。进一步，分析并剔除环境变化对NRM20mT的影响。首先，U1512站位上白垩统岩心的岩性均一，为粉砂质粘土岩。多个岩石磁学参数包括S-比值、等温剩磁获得曲线、低温磁学实验以及SEM观察等都指示磁铁矿为载磁矿物（图2a,b）。另外，载磁矿物粒度变化(图2c,d)会对重建相对古强度产生影响。根据表征磁性矿物粒度分布的参数—MDF的频率谱分布（图2d），从11207个层位的古地磁结果中筛选出磁性矿物粒度最相近的层位的古地磁数据用于相对古强度分析。再者，磁化率(x)随深度的变化（图2e）揭示了地层中磁性矿物含量的变化。为了剔除磁性矿物含量的影响，将筛选出的载磁矿物类型单一、粒度相似的4646个层位的NRM20mT数据用磁化率做归一化处理，建立了表征地磁场相对古强度（RPI）的指标，即NRM20mT/x。
图2 IODP U1512 站位岩心上白垩统地层载磁矿物种类(a, b)、粒度(c, d)、含量(e)分析
基于生物地层年代约束，获得了CNS晚期88-94 Ma几乎连续的相对古强度记录（图3a）。该RPI记录显示地磁场强度并不呈现为“高且稳定”的状态，而是表现为波动变化特征，而且，总体波动变化趋势与大西洋海底磁异常（MMA）数据的波动变化趋势一致，表明CNS晚期古地磁场强度不是稳定的，而是多变的。进一步分析，发现RPI强弱与其波动性大小呈正相关（图3b）。通过对U1512 RPI和大西洋MMA数据的分析，推测CNS期间的相对古强度变化（图3c）：CNS中期较强，而在CNS早期和晚期较弱，更进一步展示出整个CNS期间，尽管地磁场极性很稳定，但强度并不是 “高且稳定”的状态，而是动态变化的。相应的，CNS期间的地磁发电机行为也并不是以往认为的稳态，而是动态多变的。该研究结果对于理解古地磁场在极性超时期间的磁发电机行为及地球深部过程有重要意义。
图3 CNS期间的地磁场强度。（a）IODP U1512站位88-94Ma相对古强度（RPI）结果；（b）RPI强弱与其波动性（以标准差衡量）呈现为正相关；（c）推测的CNS期间的相对古强度
另外，前人以CNS期间仅有的2个时间控制点年龄为约束，基于大西洋洋壳匀速扩张的假定，通过内插，将CNS晚期大西洋海底磁异常（MMA）中的强度低异常Q1的时代确定为~92 Ma。本研究从IODP U1512站位获得的CNS晚期相对古强度（RPI）记录中也存在最低值“Q1”（图3a），对应于MMA数据中的Q1。由于U1512站位RPI的年代是基于9个钙质超微化石事件（首现或末现）建立的，其对Q1年代的约束更精确，为90.8 Ma。在此基础上，研究团队重建了大西洋非洲一侧的洋壳扩张模型（图4b,绿色）。该模型相较于前人重建的洋壳扩张模型（图4b黑色）更合理。这是因为该模型与最近获得的与大西洋非洲一侧洋壳相接的非洲板块(图4a)的运动学特征高度相似（图4b,绿色与红色），也进一步佐证了Q1的年龄为90.8 Ma的合理性。因此，研究团队提出，发生于CNS晚期90.8Ma的古地磁场强度低异常Q1可作为CNS期间一个重要的时间分界点或时间锚点，用于约束CNS期间地层的年代。
图4 基于本研究获得的Q1的年代（90.8Ma）修正的大西洋海底扩张模型（b，绿色）
上述研究成果近期发表于国际地学NI期刊JGR-Solid Earth（2024年4月15日在线）上。太阳成集团tyc33455ccwww博士生刘欣宇为论文第一作者，李永祥教授为通讯作者，合作者为美国路易斯安那大学Carl Richter教授。感谢国家自然科学基金委和中国IODP的资助。
论文信息：
Xinyu Liu, Yong-Xiang Li*, Carl Richter (2024). Salient changes of Earth's magnetic field toward the end of Cretaceous Normal Superchron (CNS). Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 129, e2023JB028104. https://doi.org/10.1029/2023JB028104
