地磁極性年表

又稱古地磁年表(paleomagnetie time scale)、磁性地層年表(magnetostratigraphic timescale)。根據地球磁場極性倒轉具有全球性和同時性的特點，結合相應岩石的同位素年齡測定數據，編製成過去地磁場極性倒轉的時間序列。利用該極性倒轉的時間序列，比照所要研究地層中實測得到的正向、反向極性條帶的分佈情況，可以確定相應岩石的年齡和對比地層，起到“年表”的作用。由於不同地質時期地磁場的極性倒轉所持續的時間有長有短，在一個長的以正向或反向極性為主的時期中，又有一些持續時間較短的極性倒轉，因此又細分為一系列不同級次的地磁極性時間單位，如“極性巨時”、“極性超時”、“極性時”、“極性亞時”、“極性微時”等。目前比較系統、準確，又得到廣泛公認並經常加以使用的是5百萬年以來的地磁極性年表。該年表最初是由考克斯(A Cox)於1969年編製的，並得到第24屆國際地質大會地層學委員會下設的地磁極性年表小組委員會推薦，作為標準年表使用了許多年。之後，該年表屢經修訂，到20世紀70年代末期，由於採用了修正後的鉀一氬同位素衰變常數，曼金寧(E A Mankinen)和道爾林普爾(G B Dalrymple)1979年對考克斯1969年編製的年表進行了重要的修訂。最近，坎迪(s C Cande)和肯特(D V Kent)又對該年表中的一些年齡數據進行了進一步的修正(1995),使得這一年表更為準確和完善(見圖)。該年表中包括4個極性時，它們自老而新分別為“吉爾伯特反向極性時”、“高斯正向極性時”、“松山反向極性時”和“布容正向極性時”。這些極性時都是以在地磁學研究領域中做出過重要貢獻的科學家的名字命名的。在每個極性時中，又都有一些持續時間較短的極性倒轉，稱為“極性亞時”。如在以反向極性為主的“松山反向極性時”中，就有賈拉米洛、吉爾薩、奧爾都維等正向極性亞時，而它們則是以最早發現這一極性倒轉現象的地名來命名的。

1、地磁極性年表和古地磁定年

古地磁學的研究表明，地磁場起源於地球內部，並在地質歷史時期發生了多次導致，極性轉換具有全球一致性和等時性。岩石的剩磁能一定程度的記錄地質歷史時期地磁場變化的信息，通過測量岩石的剩磁特徵便可重建地磁場極性倒轉序列，通過對極性倒轉進行定年便可以恢復地磁場極性倒轉歷史，綜合全球的研究資料便可建立標準古地磁極性年表。目前廣泛應用的古地磁極性年表有：（1）CK95年表，是Cande和Kent在1995發表的年表【Cande and Kent, 1995，見參考文獻1】,是根據他們1992年發表的CK92年表修訂而來【Cande and Kent, 1992，見參考文獻2】；(2)GTS04年表，是根據2004年出版的《A Geologic Time Scale 2004》一書的總結，其中包含新近紀天文極性年表【見參考文獻3】

磁性地層學（magnetic stratigraphy or magnetostratigraphy）是研究古地磁場極性轉換序列在地層或岩石中的記錄的一門學科。它是古地磁學、岩石磁學和地層學的交叉學科，是古地磁學在地質學中的應用之一。古地磁定年的基本原理便是通過對比所研究地層的極性序列與標準地磁極性年表，從而獲得所研究地層的年代，磁性地層可作為全球範圍內地層定年和對比的工具。

2、地磁極性年表的發展歷史

【以下內容見參考文獻4】

按照不同時期的發展特點可將其發展大致歸納為3個階段：（1）早期階段：20世紀60年代初到60年代末，主要基於火山岩剩磁測量和K/Ar測年建立了最近約5 Ma以來的地磁極性年表；（2）中期階段：20世紀60年代末到90年代初，基於大量海底磁異常條帶相對寬度建立了中中生代以來完整的地磁極性年表；（3）現今階段：20世紀90年代以來，基於極性界限的天文調諧結果，正在構建高精度的天文極性年表。

2.1 地磁極性倒轉的發現與早期地磁極性年表

1906年，Brunhes在熔岩流和其烘烤層中發現一些樣品的天然剩磁與現代地磁場方向相反，認為它們形成於倒轉的地磁場中。1929年，Matuyama在研究日本和朝鮮的火山岩時，發現一組樣品的剩磁方向與另一組相反，他認為在第四紀的某個時期地磁場方向與現在相反，之後逐步變化到現在的方向。1951年，Hospers在研究冰島的玄武岩時發現一些樣品為負極性，指出這些岩漿噴出時地磁場的方向與現今相反。早期的這些研究指示著地球磁場在地質歷史時期曾經發生過極性倒轉，但限於測年技術，當時並不能確切給出地磁場發生倒轉的時間。

直到20世紀60年代初，Cox等通過測定熔岩流的剩磁，並結合K/Ar測年，研究了3.2 Ma以來的地磁場轉換序列，並建立了第1個地磁極性年表。次年，他們總結了新發表的64組有K/Ar測年的古地磁數據，進一步將該年表擴展到約4 Ma。隨著新數據的不斷報道，該年表也隨之完善，如Jaramillo、Kaena、Cochiti、Nunivak等極性亞時的相繼發現。1969年，Cox根據150個測年可靠的數據將這一年表擴展到約4.5 Ma。後來，Mankinen和Dalrymple基於354個測年可靠的數據修訂了最近約5 Ma以來的年表。由於當時K/Ar測年在5 Ma時的誤差可達25萬年，因此，在沒有更準確的測年手段之前，這一年表很難進一步發展。同時可以看出，這種年表的發展依賴於研究材料，即火山岩所能夠覆蓋的年代。

2.2 基於海底磁異常條帶相對寬度建立的地磁極性年表

20世紀50年代，由於機載磁力計（airborne magnetometer）的應用，使得大規模的海洋地磁勘測成為可能。Heezen等首次揭示了大西洋洋中脊附近的磁異常特徵，並指出其與海底地形無關。隨後，在其他大洋中也發現存在磁異常條帶。1963年，Vine和Matthews結合當時的海底擴張學說和地磁場曾發生多次倒轉的事實提出，由於海底擴張，新的洋殼在洋中脊處形成並獲得與當時地磁場方向一致的剩磁（磁異常條帶），隨著海底擴張的進行，磁異常條帶沿洋中脊向兩側分離並與洋中脊平行，同時關於洋中脊對稱。這一假說很快得到海洋地磁勘測結果的證明：Heirtzler和Pichon及Heirtzler等的研究表明磁異常條帶的確大致平行於洋中脊並在洋中脊兩側對稱。Vine和Matthews的假說不僅合理地解釋了海底磁異常條帶的成因，也成為後來板塊構造學說的重要證據。

上述研究提供了一種構建地磁極性年表的新思路：根據磁異常條帶寬度序列建立地磁極性年表。1966年，Pitman和Heirtzler測量了從紐西蘭至智利南太平洋洋中脊的海底磁異常條帶的寬度序列，根據Gauss正極性時底界的K/Ar年齡，計算得到海底擴張速率為4.5厘米/年，基於這一速率，他們推算了最近10 Ma以來的古地磁極性轉換界限的年齡，建立了第一個基於海底磁異常條帶相對寬度的古地磁極性年表。同年，Vine發表了北冰洋海底磁異常條帶的勘測結果。1968年，Dickson等、Le Pichon和Heirtzler及Pitman等發表了在南大西洋、印度洋及太平洋的勘測結果。這些研究者基於南大西洋的勘測結果建立了最近約76 Ma以來的地磁極性年表（這裡稱為HDHPL68年表）。這一年表被後來的勘測結果[50-53]逐漸延伸到約170 Ma。

HDHPL68年表基於Gauss正極性時底界的K/Ar年齡，假設海底擴張速率恆定，依據磁異常條帶的相對寬度推算了各個極性界限的年齡。這一年表第一次完整給出了晚白堊紀以來的地磁極性年表的基本框架，成為構建地磁極性年表的奠基之作。但基於海底磁異常條帶相對寬度構建的地磁極性年表從一開始便至少存在以下三方面問題：（1）實際海底擴張速率並不穩定，因此依據磁異常條帶寬度計算得到的極性界限的年代並不準確；（2）所依據的絕對年齡控制點存在誤差，導致依據這些控制點內插或外推得到的極性界限年代也存在誤差；（3）海底斷層及板塊旋轉等因素也給磁異常條帶寬度的確定帶來困難。因此，後來針對HDHPL68年表的修訂工作主要是圍繞這幾方面問題進行的。如Talwani等依據多條磁異常剖面對10 Ma以來的極性界限年代進行了修訂；Blakely集成了北太平洋的14條勘測剖面，對7.3-22.7 Ma之間的年表進行了修訂；Cande和Kristoffersen依據北大西洋的多條勘測剖面對磁異常29-34帶進行了修訂；Tarling和Mitchell依據一些新獲得的K/Ar測年數據對HDHPL68年表進行了修訂；LaBrecque等依據白堊紀/第三紀界限和高斯/吉爾伯特界限兩個年齡控制點對HDHPL68年表進行了修訂，同時，他們發現之前識別出的磁異常14帶是測量雜訊所致，修訂時去掉了；Ness等採用新的K/Ar半衰期對年齡控制點進行了矯正，並修正了極性年表；Berggren等基於6個測年控制點，對118 Ma以來的地磁極性年表進行了修訂；值得一提的是，1992年，Cande和Kent基於全球大洋多條磁異常剖面合成了一條綜合的磁異常寬度序列，依據9個年齡控制點通過內插建立了118 Ma以來的地磁極性年表（這裡稱為CK92年表），迄今仍被廣泛使用的CK95年表即是據此年表做了少量修訂的升級版本。

綜上所述，這一時期地磁極性年表的發展呈現出絕對測年和海底磁異常勘測相互結合、互為補充的特點。伴隨磁異常勘測資料的增加和測年技術的改進，特別是20世紀90年代高精度的40Ar/39Ar測年的應用，使地磁極性年表的精度有了很大提高。但是，對於高解析度的地層學和古氣候學研究來說，目前廣泛使用的CK95年表仍存在以下問題：（1）40Ar/39Ar測年結果並不能覆蓋每一個極性轉換界限，絕大部分極性轉換界限的年代仍依賴磁異常條帶的相對寬度內插獲得；（2）所依據的年代控制點本身存在較大的誤差，如CK92和CK95所用的控制點23.8 Ma（漸新世/中新世界限年代）存在±1 Ma的誤差。因此，亟待建立更加精準的地磁極性年表。

2.3 米蘭科維奇理論與天文極性年表的發展

描述地球繞太陽運行的軌道要素有3個：偏心率、地軸斜率和歲差。它們分別具有約10萬年、4.1萬年和約2萬年的主要周期。軌道的緩慢變化引起地球表面接受太陽輻射量在緯度分佈和季節分配上發生變化，導致地球氣候的周期變化。20世紀初，米蘭科維奇（Milankovitch）計算了這3個軌道要素對地球接受的太陽輻射總量、特別是對緯度分配的控制，提出第四紀冰期成因的天文假說。他進一步計算了過去60萬年以來的太陽輻射，認為北緯65°的太陽輻射變化是導致第四紀冰期旋迴的主因。1976年，Hays等[18]首次將深海氧同位素記錄與太陽輻射變化進行對比，證明了地質記錄中的氣候變化旋迴受地球軌道控制，確立了米蘭科維奇天文氣候理論。

由於氣候變化受軌道參數周期性變化控制，而軌道參數的變化歷史可通過精確的天文計算獲得，這意味著可通過對地質記錄中的氣候變化旋迴進行軌道調諧，從而獲得精確的地層年代標尺。這是一種獨立的地層定年方法，與磁性地層研究相結合就可用於精確標定古地磁極性轉換界限的年代，建立天文極性年表。1982年，Johnson首次將V28-238和V28-239孔的氧同位素記錄與太陽輻射的計算值進行對比，得到布容/松山界限年齡為790±5 ka，這一結果與後來的40Ar/39Ar測年結果十分接近，但在當時並沒有引起重視，而當時的K/Ar測年結果為730 ka。20世紀90年代初，Shackleton等對ODP677孔高解析度的氧同位素記錄進行了軌道調諧，並給出了2.6 Ma以來的幾個主要古地磁界限年齡。這些年齡與隨後地中海的研究結果十分接近，同年，Hilgen依據地中海腐泥層的記錄將天文極性年表拓展到5.23 Ma。很快，一些極性轉換界限的年齡被高精度的40Ar/39Ar測年所確認。Wilson利用新方法計算的海底擴張速率也證實了5.23 Ma以來的天文極性年表的合理性。

2.4 新近紀天文極性年表的建立

最近5.23 Ma以來天文極性年表的成功建立，使人們意識到這一方法對於構建高精度的地磁極性年表具有重要意義。應當指出，自CK92年表開始，地磁極性年表中就吸納了部分天文調諧的結果，而CK95年表則直接應用了5.23 Ma以來的天文調諧結果。隨後的20年見證了天文極性年表的迅速發展。如Shackleton等依據ODP 138航次多個孔位的沉積物密度記錄對最近約6 Ma以來的古地磁界限進行了天文計算；Hilgen等依據地中海地區的多個平行剖面將天文極性年表延伸到約9.7 Ma；Kent和Olsen利用404 ka的偏心率長周期對內瓦克盆地晚三疊紀-早侏羅紀的陸相記錄進行了軌道調諧，獲得了202-233 Ma之間的極性轉換界限年齡；Shackleton等依據ODP 929孔和DSDP 522孔的記錄對C6Bn-C7n（約21.8-24.1 Ma）之間的極性轉換界限年齡進行了天文計算，將之前的漸新世/中新世界限（C6Cn.2n的下界）年齡由23.8 Ma修訂為約23 Ma；Pälike等依據ODP 1052孔的記錄對C16n.1n-C18n.2n（約35.2-39.9 Ma）的極性轉換界限年齡進行了天文計算；Abdul Aziz等依據西班牙卡拉塔尤德盆地的陸相記錄對C5n.2n-C5AAn（約10.5-13 Ma）之間極性轉換界限年齡進行了天文計算。Dinarès-Turell等依據西班牙的海相記錄，對C27n-C29n（約61-64.7 Ma）的極性年表進行了天文計算。

2004年，Lourens等依據當時的天文調諧結果，並結合新的軌道計算結果，對新近紀以來的天文極性年表進行了總結。新近紀天文極性年表被Ogg和Smith修訂的84 Ma以來的地磁極性年表所採納，Raffi等應用這些新的年代框架重新標定了25 Ma以來海洋生物事件的年代。需要指出的是，新近紀天文極性年表在13 Ma之前的大部分極性界限年代是依據海底磁異常條帶相對寬度計算得到，仍有待進一步完善。

3、天文極性年表的發展現狀

近年來，地球軌道變化歷史的天文計算取得新的進展，為新生代乃至更久遠的地質記錄的天文調諧提供了依據。同時，隨著新生代地層學研究的不斷精細化和研究材料的不斷豐富，特別是大洋鑽探和地中海地區高解析度地層學的研究，為新生代天文極性年表的構建提供了重要記錄。另一方面，同位素測年和天文調諧的相互校準促進了40Ar/39Ar測年技術的進步，這也進一步推動了天文極性年表的發展。

根據近年來的研究進展，圖1和表1總結了新生代以來的天文極性年表，並將其與CK95年表進行了對比。值得指出的是，對於新獲得的極性界限的天文年齡，一部分已被最近的40Ar/39Ar測年所證實。從圖1和表1中可以看出：（1）新生代大部分古地磁極性界限已有了天文調諧年齡；（2）不同研究者給出的同一界限的天文年齡存在一定差異，特別是在研究程度相對較低的古近紀；（3）與CK95年表相比，某些極性界限的天文年齡與之相差可達1 Ma以上。這些現象一方面表明雖然近年來天文極性年表得到快速發展，使許多極性界限的年齡較CK95年表更加精確，但同時也表明目前的年表仍存在一些問題，有待進一步完善。這些問題可具體歸納為如下三方面：

（1）天文調諧的精度有待進一步提高。目前天文極性年表的調諧精度受如下一些因素影響：①部分段落由於研究材料相對較少，研究程度較低，有時不同研究者給出的同一極性界限的天文年齡存在較大差別；②天文調諧過程本身可能導致一定誤差，如在年齡控制點之間進行內插及設定地質記錄與軌道變化之間的相位差時均可能導致一定誤差；③目前的天文計算結果在40-50 Ma以來誤差較小，而之前的計算結果本身也存在一定誤差。

（2）年代覆蓋範圍有待進一步延伸。由於目前所涉及的研究材料仍相對較少，研究程度相對較低，已獲得的天文調諧結果並未覆蓋新生代所有極性轉換界限，而對於新生代之前的天文極性年表涉及更少。另一方面，軌道調諧所依賴的軌道變化歷史也有待進一步延伸。

（3）各極性界限的天文年齡有待更精確的測年結果檢驗。這裡需要指出，在通過軌道調諧建立地層年代標尺並構建天文地磁極性年表時，往往因缺乏絕對定年而存在一定的不確定性。由於沉積記錄中普遍缺乏可供直接測年的材料，目前的天文極性年表中只有少部分極性界限有直接的同位素測年結果，這些測年結果本身有時也存在較大誤差。因此，精確測年是目前構建和應用高精度天文極性年表的最大難點。

參考文獻

【1】Cande S C, Kent D V. A new geomagnetic polarity time scale for the late cretaceous and Cenozoic. Journal of Geophysical Research, 1992, 97: 13917-13951.

【2】Cande S C, Kent D V. Revised calibration of the geomagnetic polarity timescale for the Late Cretaceous and Cenozoic. Journal of Geophysical Research, 1995, 100: 6093-6095.

【3】Gradstein F M, Ogg J G, Smith A G, eds. A Geologic Time Scale 2004. Cambridge: Cambridge University Press, 2004: 409-440.

【4】肖國橋, 詹濤, 葛俊逸. 地磁極性年表的發展回顧. 地球科學進展, 2010, 25(4): 365-373