古地磁方法的研究历程

现代地磁场的记录不到400年，极大地限制了人们对地球基本磁场及其长期变化规律的认识。地壳各处的岩石都或多或少含有各种磁性矿物，它们在冷却或沉积过程中被地磁场磁化，记录了岩石形成过程中地磁场的方向和强度，有些磁性稳定的岩石在漫长的地质时期完整地保留了这一记录。同理，古砖、古瓷、火炉等原始烘烤物在冷却时被当时的地磁场磁化，从而记录了人类历史上的地磁场。这些珍贵的资料拓展了人们对地磁场变化的认识。

在其形成后的漫长时期内，岩石和原始焙烧产物由于各种物理化学作用，必然会产生二次磁化。去除岩石的二次磁化，保留稳定的一次磁化，称为磁洗。由于古磁场的方向和强度很难精确测量，只有利用大量样本的测量结果才能得到较好的结果。

古地磁极移和大陆漂移

自20世纪50年代以来，大量研究结果表明，从同一大陆、同一地质年代的岩石样品中获得的古地磁极位置基本一致。然而，不同大陆、同一地质年代的岩石样品所获得的古地磁极位置往往是不同的。由同一大陆不同地质年代获得的古地磁极位连接起来的曲线称为极移曲线。这种极移只是一种表观现象，并不是真实的过程，所以这种极移曲线也叫表观极移曲线。实际上，视极移曲线反映了不同地质年代大陆位置的变化。不同的大陆运动是不同的，所以视极移曲线的形状和方向是不同的。由此可以追溯各大洲的运动历史以及它们之间的关系。古地磁极移首次为地壳水平运动提供了有力的证据，导致大陆漂移理论的复兴和板块构造理论的建立。这一成果引起了地质学家的极大关注，促进了古地磁的迅速发展。

海底扩张理论的验证

海底磁异常带研究

大陆岩石古地磁的极性反转

20世纪50年代以来对大陆岩石古地磁的研究结果表明，所研究的岩石有近一半是正磁化的(即磁化方向与现代地磁场相同)，另一半是反磁化的(即磁化方向与现代地磁场刚好相反)。这说明在漫长的地质历史中，地磁南北极的极性不是固定的，而是周期性反转的。在某些时期，地磁南北极的方向与现代一致，而在另一些时期则正好相反。因此，极性反转现象是地磁场演化的一个基本特征。通常，维持某一地磁极性的大阶段(相隔约654.38+0万年)称为极性期，每个极性期的短期转折时间称为极性事件。如果按照不同时期岩石的磁化方向排列地磁场转折的序列，用岩石同位素测年法测定每个极期和极事件的持续时间，就可以建立古地磁场转折的年度代表。如图9.8所示，地磁旋转4.5Ma的年代表是根据全球大量层状熔岩的古地磁数据建立的。

海底磁异常带及其成因发现于20世纪50年代后半期。其特点是大致平行于大洋中脊轴线延伸，正负异常交替排列，对称分布在大洋中脊两侧。单个磁异常条带带宽几公里到几十公里，不受地形影响纵向延伸数百公里，遇到海底断裂带时整体交错(图9.9)。一时间，人们对这条磁异常带的成因感到不解。有人认为是海底岩石磁性强弱不同造成的，但这种观点无法解释磁条带分布的规律性，也与当时获得的海底地质资料不符。1963年，英国学者Vain和Matthews将海底扩张假说与地磁场反转现象相结合，对海底磁异常带做出了非常成功的解释。他们认为，海底磁异常带不是海底岩石磁性强弱不同造成的，而是在地球磁场反转的背景下，海底不断再生扩张造成的(图9.10)。高温地幔物质沿着大洋中脊轴不断上涌冷凝，形成新的海底。当它冷却到居里温度时，新的海底玄武岩层将沿着当时的地磁场被磁化。随着海床的扩张，首先形成的海床向两侧移动，在中脊顶部继续形成新的海床。如果地磁场在某个时间转向，此时形成的海底玄武岩层就会被磁化成相反的方向。这样，只要地磁反复转动，海底不断重生扩张，必然会形成正反磁化交替、平行于海洋洋脊对称分布的磁化带。不断扩大的海底像录音磁带一样记录着地磁场转动的历史。正向磁化的海底条带由于加强了地磁场强度而形成正异常，反向磁化的海底条带由于抵消了部分地磁场强度而形成负异常。

上述推论不仅合理地解释了海底磁异常带的成因，而且与大陆岩石和深海沉积物的古地磁研究结果不谋而合。20世纪60年代中期，有学者将洋脊两侧海底的正负磁异常带与大陆岩石古地磁研究获得的地磁场转折年代表进行对比，发现海底正负磁异常的排列完全可以与地磁场转折年代表中的正负段进行对比，磁条带的宽度也与地磁场转折年代表转向中极的时间成正比。与此同时，海底沉积物岩芯的弱剩磁研究也取得了重要成果。在沉积岩芯中，正反磁化剖面交替出现。正反磁化剖面的厚度可以与代表正极性周期和负极性周期的地磁场转折年的时间长度进行对比，也可以与海底的正负磁异常带进行对比(见图9.10)。这三种独立的磁测数据服从统一的变化规律，充分证明了它们是在地磁场频繁反演的统一背景下形成的(有人称之为“三位一体”)。这不仅表明了上述海底磁条成因的正确性，也为海底扩张理论获得了决定性的证据。

深海钻探成就

深海钻探开始于1968。几年间，著名的深海钻探船“格罗马挑战者”号在世界各大洋进行了广泛的钻探和取样，取得了丰硕的成果。深海钻探证实，从海脊到两侧的深海沉积物从无到有，从薄到厚，从少到多，底部沉积物的年龄越来越老，这与海底磁异常带预测的年龄非常吻合。深海钻探采集的最古老沉积物的年龄不超过1.7亿年(晚侏罗世)。因此，深海钻探的结果令人信服地证实了海底扩张的理论。

转换故障的发现

洋脊被一系列横向断层切割，断层长度可达数千公里，断层两侧洋脊明显交错，交错距离可达数百至数千公里。断裂带大部分都变成了深沟，从海底地貌图上可以看得很清楚。这条大规模的横向断层早在20世纪50年代就被发现，一度被认为是一般的平移断层，用来证明地壳存在大规模的水平运动。然而，它的实际意义远不止于此。1965年，加拿大学者威尔逊(1965)指出，这条穿越中脊的断裂带不是一般的平移断层，而是由中脊轴线向两侧海底扩张而形成的特殊断层。威尔逊称之为转换断层。

转换断层具有不同于一般平移断层的特征(图9.11)。第一，如果是平移断层，随着时间的推移，断层两边的山脊会越来越远；但是，如果是转换断层，虽然中脊轴两侧的海底继续扩张，但断层两侧的洋中脊之间的距离并不一定增加。其次，如果是平移断层，错动发生在整个断层线上；对于转换断层，相互错动只发生在两侧中脊轴之间的地段(BC段)。在该段以外的断裂带上，断层两侧的海底扩张和运动方向一致，没有相互错动。第三，转换断层中相互错动段的错动方向正好与平移断层中洋脊错动的方向相反，这是转换断层与平移断层最重要的区别。

这条沿海底的转换断层记录了频繁的地震活动，这显然是由断层两侧岩石的相对错动造成的。调查表明，几乎所有的地震活动都集中在交错的山脊之间的断层段，其余的一般没有地震。此外，对海底断裂带地震的分析证明，断层错动的方向与转换断层所要求的方向完全一致。这证明变压器故障确实存在。转换断层是由大洋中脊的海底扩张引起的，转换断层的错动方向也是海底扩张的方向，转换断层的发现和验证为海底扩张理论提供了又一有力依据。