趣说地磁

马千里

指南针是中国古代四大发明之一，它之所以能指明南北，是因為地球磁场的存在。让我们走进地球磁场，探索它的奥秘吧！

地球磁场基本特征示意图地磁南北极不是一成不变的；地球磁场从何而来现在尚无定论

地球磁场的存在不仅为人类指引方向，更是生灵繁衍的重要保障。虽然地球磁场的强度低至0.5～0.6高斯，即5×10-5～6×10-5特斯拉（T）（高斯与特斯拉都是描述磁场强度的单位），约等于多数家用电器1米范围内磁场强度的1%，但其足以使地球生物免受太阳风（太阳发出的高速带电粒子流）和宇宙未知射线的侵害。

另外，地球磁场作为地球外部的天然屏障，起到了保障大气层稳定的作用。若地球的磁场强度不足以维系大气层的存在，那么极低的气压将会导致地球上液态水的逸散和蒸发，芸芸众生将不复存在。

中国是对磁现象认识最早的国家之一，先秦学术著作《管子》有“上有慈（通‘磁’）石者，下有铜金”的文字，这是关于磁现象的最早记载。

战国时期发明的指南针，作为中国科学史上的璀璨明珠，代表着中国古人对地球磁场的应用。

北宋科学家沈括不仅记录了指南针的制作方法，并在其著作《梦溪笔谈》中写道：“方家以磁石磨针锋，则能指南，然常偏东，不全南也。”这是对磁偏角的最早记载。

1492年，意大利探险家哥伦布第一次航行美洲时才发现磁偏角，比沈括晚了约400年。

多数金属矿产分布在地下深处，定位和开发需要进行大量的钻探工程。为了减少人力、物力的浪费，找矿时要优先圈定最有希望的区域，而这有赖于地球物理方法的帮助。

磁法勘探是地球物理勘探中最早应用的方法，利用磁异常（类似磁铁可以磁化铁一样，地球磁场可以磁化地壳内不同的矿物和地质体，形成磁异常）的原理可以指示地下不同岩石的分布。一般来说，不同的岩石具有不同的组成矿物，而不同矿物的磁性则取决于结晶程度和受地球基本磁场磁化的情况。通常，来自地球深部结晶的岩石，所含有的铁、锰、铬等元素的量越多，其具有的磁性越强。由此可见，磁法勘探对于找寻磁铁矿、铅锌矿、铜和镍等各种金属矿产独具威力。

早在17世纪，瑞典的矿工另辟蹊径，用罗盘指示地下的磁铁矿。在磁法勘探的后续发展历程中，各类磁力仪应运而生，开始在更多种类的金属矿产乃至油气勘探中大显身手。20世纪上半叶，中国开始在四川攀枝花等著名铁矿区应用磁法勘探，并在1949年后大规模普及。

值得一提的是，在上世纪50年代，科学家们开始将磁力仪迁移到飞机、钻井、轮船和潜艇中，真正意义上做到了“上天、入地、下海”，克服了地形因素，进一步提升了探测的空间和效率。

磁法勘探结合重力和电法等不同的地球物理方法，是一种重要的油气勘探思路。通过上述手段可以推测地下的地质构造特点，推测油气盆地的基底起伏、断裂和凹陷分布。在此基础上划分含油气区的构造单元，从而确定勘探的有利地带。因此，地磁勘探被视为窥探地下宝贵矿产、油气资源的重要窗口。

 可应用磁法勘探的金属矿产种类繁多

古地磁学是近30年来兴起的地磁学的重要分支。它的原理在于：岩石在成岩过程中会被同时期的地球磁场磁化，形成方向一致的岩石原生剩磁。通过测量现今保存的岩石乃至古物（例如古陶器）原生剩磁，可以分析地质历史乃至人类文明史时期的古地球磁场方向、强度和演变规律。

磁法勘探的分支示意图

古地磁学的建立，结合大洋地球物理探测的一系列成果，对于完善板块构造学说、回溯地球历史有着划时代的意义。

1912年，德国气象学家魏格纳提出了大陆漂移假说。遗憾的是，大陆漂移假说并未成为当时学术界的主流观点，也缺乏决定性证据的支持，在随后的数十年中沉寂下来。在20世纪60年代，关于古地磁的一系列研究给该假说带来了曙光。

首先是针对各大陆地质历史时期的古地磁研究表明，非洲、南美洲和澳大利亚等大陆在数亿年前是紧密相连的，它们在该时期形成的岩石记录具有一致的磁极移动方向。

其次，随着科技的进步，人们开始探索海洋世界。1960年，美国海洋地质学家赫斯提出了海底扩张假说——认为有一种对流运动迫使地球深部的物质自大洋中脊轴部涌出，并向外推移，越过海底，最后消失在大陆边缘的海沟中。

对大洋地形的地球物理勘测结果显示，洋底存在一系列的磁异常条带。这些条带沿着具有频繁岩浆活动的山岭（大洋中脊）平行对称分布，而且磁性正负相间。这一现象不仅反映了地球曾在过去的数千万年间发生过多次磁场倒转，而且成为海底扩张假说强有力的支撑。

上述的一系列研究有力地支持了大陆漂移假说，并在后期成为了板块构造理论的基石。

地球在过去的数亿年间经历“沧海桑田”的变迁

洋底磁异常条带分布和演化示意

（责任编辑 / 张丽静 美术编辑 / 周游）