单颗粒锆石古地磁研究揭示冥古宙地球发电机状态

地球磁场作为地球的基本物理场之一，对保护地球大气圈、生物圈免受太阳风等宇宙射线影响具有重要意义。地球磁场形成的原理和最初形成的时间是地球物理学研究的前沿科学问题。通过古地磁研究和地球物理模拟，地球发电机（Geodynamo）理论成为解释地球磁场产生和维持数十亿年的理论基础。该理论认为地球磁场是由于地球外核中导电流体（液态铁）的热对流以及地球自转的科里奥利力使对流流体发生偏转产生（Glatzmaier and Roberts，1995）。导电流体形成磁场的同时，会产生电磁感应，感应磁场对原磁场有补偿作用，从而形成可自维持的地球发电机和地球磁场。

对地球早期形成岩石和矿物的古地磁研究是确定地球磁场最初产生时间的有效手段。岩石作为磁性矿物（磁铁矿、赤铁矿、雌黄铁矿等）的载体是古地磁研究的主要对象，而精确定年的古老岩石则是反映地球早期磁场信息的最佳研究对象。目前最老的未变质岩石的古地磁结果来自南非 Barberton 绿岩带中 Onverwacht 群火山岩和沉积岩（3.45 Ga），其原生剩磁结果显示当时地磁场强度为现今的50%-70%，并记录了一次地球早期磁场的倒转现象，说明3.45 Ga时地球可能已经存在偶极磁场（Biggin et al., 2011）。对于地球更早期的地磁场状态和演化，由于缺乏有效的岩石记录，成为古地磁学研究的难点和亟待解决的科学问题。 

寻求新的含有磁性矿物的研究对象成为解决该问题的关键。锆石作为岩石中普遍存在的副矿物，具有稳定的地球化学性质和较高的封闭温度，使其在长期的地质历史时期较难受后期变质和热事件影响，因此已成为 U-Pb 年代学测试的主要载体。锆石内部的包裹体可能含有磁铁矿颗粒，其中单畴（粒径30-80 nm）和假单畴（粒径80 nm-25μm）磁铁矿颗粒可以记录锆石形成时的磁场信息。而且，由于锆石可以获得精确的年龄，其原生剩磁信息可以准确对应到地球早期各个时代，从而揭示地球早期磁场变化。

基于锆石的稳定性和可精确定年两个主要优点，美国罗切斯特大学 Tarduno 等人创造性地开展了锆石的古地磁研究，并应用于地球最古老岩石（西澳大利亚 Jack Hills 砾岩）中的碎屑锆石，获得了3.3-4.2 Ga地球磁场信息，据此认为地球发电机和地磁场开始于4.2 Ga（Tarduno et al., 2015）。

同期，Weiss et al.（2015）对 Jack Hills 砾岩本身和围岩的古地磁研究则显示 Jack Hills 地区岩石受到明显重磁化，重磁化可能由2.65 Ga的绿片岩相变质作用导致，因此，碎屑锆石不可能记录3.3 Ga之前的地磁场信息。

为进一步验证重磁化现象，Weiss et al.（2018）对 Jack Hills 砾岩中碎屑锆石进行古地磁研究，发现普遍存在于锆石表面及裂缝中的铁磁性矿物为大量次生赤铁矿而非原生磁铁矿，因此认为锆石所记录的地磁场信息为后期形成铁磁性矿物所携带，这些铁磁性矿物的形成年龄比锆石年轻几亿-十亿年，因而无法确定锆石形成时的地球发电机和磁场信息。 

上述争议显示锆石古地磁研究的难点在于如何确定锆石中磁铁矿包裹体的剩磁为原生剩磁，而非后期重磁化结果。为证明 Jack Hills 砾岩中碎屑锆石能够携带原生剩磁信息，Tarduno et al. （2020）在对4.1-4.0 Ga碎屑锆石进行详细的光学显微镜和扫描电镜观察、聚焦离子束分析、磁光克尔效应测量、透射式电子显微镜分析和Li同位素含量扫描的基础上，对其进行古地磁学研究。镜下分析显示锆石中磁铁矿包裹体有两种存在状态：

（1）存在于裂隙中和包含在晶体内（图1）；

（2）磁铁矿颗粒粒径既包含单畴-假单畴颗粒，又包含多畴颗粒（图1F）。

锆石7Li同位素面扫描得出其带宽最小值为3.3μm，对应峰期变质温度为475°C，低于磁铁矿居里温度（580℃），因此不能将原生剩磁完全重磁化。逐步退磁结果分离出低温和高温两个剩磁分量（图2A、图2B），低温分量在400℃以下获得，可能代表2.65 Ga绿片岩相变质作用的重磁化结果，该剩磁分量可由多畴磁铁矿颗粒携带。高温分量（550-580℃）方向不同于低温分量，剩磁由单畴-假单畴磁铁矿携带，并通过微砾石检验（图2C），因此判定该高温分量代表原生剩磁，可反映锆石形成时地磁场特征。

基于以上分析，Tarduno等人认为 Jack Hills 碎屑锆石的高温分量所携带的古地磁信息可用于讨论地球冥古宙-古太古代地磁场变化、早期地核演化和地球发电机起源等问题。

 图1 A-C.反射光下锆石的表面特征，显示锆石包裹体位于锆石晶体内部；D-E.不同点位X线衍射能谱分析，点位位于B中；F.磁铁矿颗粒粒径分布图

图2 Jack Hills碎屑锆石古地磁结果。A-B.正交坐标系下逐步退磁结果，显示低温和高温剩磁分量；C.高温剩磁分量的微砾石检验，高温剩磁方向分散分布，通过微砾石检验说明高温剩磁是原生的；D.低温剩磁方向投影显示低温分量与高温分量不同，指示可能为后期重磁化过程中获得

该研究的主要意义在于两点：

（1）揭示了冥古宙地球磁场信息（图3），认为地球发电机开始于冥古宙。冥古宙-始太古代地磁场强度的显著降低（图3），可能反映液态外核降温导致的热对流减弱及核幔边界的不均一性，并最终引发地磁场强度减弱。

（2）证明锆石古地磁在研究地球早期磁场演化和地球发电机理论具有广阔的前景。目前全球报道的>3.6 Ga的古地磁数据较少，而且主要来自西澳大利亚 Jack Hills（图3），而精细的刻画地球早期磁场状态和演化特征需要来自全球各板块古老锆石的古地磁信息。

因此，冥古宙-古太古代锆石的古地磁研究将成为古地磁研究的一个重要方向。 

图3 Jack Hills碎屑锆石古强度-年龄分布图。紫色方块和三角形为本研究新增结果，紫色菱形为100-Myr滑动平均。冥古宙-古太古代（4.2-3.3 Ga）地磁场强度为现今赤道地磁场强度的1.0-0.12倍　

参考文献：

1.Biggin A J, de Wit M J, Langereis C G, et al. Palaeomagnetism of Archaean rocks of the Onverwacht Group, Barberton Greenstone Belt (southern Africa): Evidence for a stable and potentially reversing geomagnetic field at ca. 3.5 Ga[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2011, 302(3-4): 314-328.

2.Glatzmaier G A, Roberts P H. A three-dimensional convective dynamo solution with rotating and finitely conducting inner core and mantle[J]. Physics of the Earth and Planetary Interiors, 1995, 91(1-3): 63-75.

3.Tarduno J A, Cottrell R D, Davis W J, et al. A Hadean to Paleoarchean geodynamo recorded by single zircon crystals[J]. Science, 2015, 349(6247): 521-524.

4.Tarduno J A, Cottrell R D, Bono R K, et al. Paleomagnetism indicates that primary magnetite in zircon records a strong Hadean geodynamo[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2020, 117(5): 2309-2318.

5.Weiss B P, Maloof A C, Tailby N, et al. Pervasive remagnetization of detrital zircon host rocks in the Jack Hills, Western Australia and implications for records of the early geodynamo[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2015, 430: 115-128.

6.Weiss B P, Fu R R, Einsle J F, et al. Secondary magnetic inclusions in detrital zircons from the Jack Hills, Western Australia, and implications for the origin of the geodynamo[J]. Geology, 2018, 46(5): 427-430.