磁性地层学

磁性地层学（英语：Magnetostratigraphy），又称古地磁地层学（Paleomagnetic stratigraphy），是地层学的一个分支，是古地磁学在地层学中的具体应用。通过岩石天然剩余磁性（nature remnant magnetism）的测定，求出地磁场的极性变化来研究地层。与现在地磁场方向一致的极性为正向，方向相反的为反向，在整个地质史中把极性的正向和反向按先后顺序排列起来，即为地磁极性年表。磁性地层学常常用于确定沉积层序和火山层序的年代，火成岩具有磁性，反映其形成时地球磁场的方向，通过确定样本的天然剩余磁性，确定地层沉积时地球磁场的极性。这项科技通常用于确定缺乏化石或层状火成岩的地质年代。^[1]

原理

地球磁场一般被认为是地核中液态铁流动所造成的电流而产生，若液态铁流动方向改变就会导致地磁场极性发生逆转^[2]。岩石中保留的原生剩余磁性方向，就是岩石形成时期地磁场方向。在过去漫长的地质时期中地磁场极性倒转出现过多次；极性倒转的发生具有同时性和全球性的特征。可根据地层剖面中岩石剩余磁性的极性变化，对地层进行划分与对比，并获得古地磁极位置、古纬度等信息，以探讨地层形成的地理位置^[3][4]。

经过长期地质演变，在岩石中被保存的磁性被称为剩馀磁性（remnant magnetism），可分为化学剩余磁性^[5]，等温剩余磁性^[6]，粘滞剩余磁性^[7]，热剩余磁性^[8]，碎屑剩余磁性^[9]。

历史

20世纪初，Bernard Brunhes等地质学家首先发现一些火山岩所具磁性方向与地球磁场的方向相反。Motonori Matuyama在1920年代观察到具有反磁场的岩石都是年代旧的火山岩。就推论地球磁场方向随时间而变化。后来三十年中，在研究两极漂移（polar wondering）和大陆漂移（continental drift）时。累积了多数火山岩在冷却时保留的当时地球磁场的痕迹。根据火山岩临近地层的地质年代推测，大约每百万年就会发生一次地球磁场逆转^[10][11]。根据后续的放射性元素年代鉴定，Allan Cox和Richard Doell等人根据火山岩分析首次建立一个地球磁极时间表（Geomagnetic Polarity Time Scale，GPTS）^[12]。事后Neil Opdyke团队在深海岩芯中也发现同样的地球磁极逆转的格局^[13]。

新生代地磁极逆转变化

  正极(黑色)

  逆极(白色)

高分辨率磁性地层学

虽然火成岩石能提供信噪比高的热剩余磁性，加上准确的年代鉴定。但因火成岩在地球历史的活动是间歇性的，为建立连续性高分辨率磁性地层学必须依靠沉积物中的碎屑剩余磁性。碎屑剩余磁性的信噪比取决与沉积物颗粒大小和地球磁场的磁倾角。在两极深海域，磁倾角大，又远离大陆，所以沉积物颗粒小，加上深海海域，稀有地层被侵蚀，地层连续性较高无间断。因此早期古地磁地层学的研究都在两级深海采取样本。 例如Hays 和Opdyke在1967年就首次成功的建立了一个连续古地磁地层表。这个地层表是根据在南极海域所采集多个岩芯中，所含的更新世到上新世沉积物的古地磁资料，和放射虫化石对比校正后所建立的^[14]. 他们也同时发现大量放射虫化石物种在地磁逆转界面消失。这就导致后期研究古地磁对生物演化的影响^[15][16][17]. 后因测量仪器改进，古地磁地层的研究也被推广到低纬度深海沉积物^[18]. 至今碎屑剩余磁性的研究报告已盖偏全球深海海域。但深海海域的沉积物有一个年代下限^[19]。

非深海相磁性地层学

海陆相地层对比过去一直具有一些非确定性，因为作为对比的主要生物化石很少跨越不同的沉积环境。而高分辨率磁性地层学就能提供时间对比连线，跨越不同的沉积环境，综合研究区域性沉积环境及生物的演变。深海相磁性地层学建立后，科学家就往非深海相沉积物推进 ^[20]。

湖相沉积物是在陆壳上最佳的研究古地磁标本。但是因为水浅，磁性颗粒颗粒在水中沉降时间短，被地磁场方向定向排列不均一，因此磁信噪比低，但也有很多成功的实例^[21][22]. 至今从湖相沉积物中已建立了一段三叠纪的高分辨率古磁性地层学^[23]，

风成岩是科学家们另一个从非深海沉积物探索古地磁的尝试。因为颗粒在风中沉降时间更短，风成岩中的磁信噪比更低差。一般的研究只能从风成岩中的河湖相夹层获取古地磁资料。但都是短期非连续性记录。首次报导风成岩古地磁地层是安芷生等人（1977），在洛川黄土高原的研究，他们综合测出的古地磁，与陆相古生物资料，而建立全新世古地磁地层表^[24].

沿岸与浅海相沉积物的古地磁研究，也是对低磁信噪比的沉积物一项挑战。利用叠加多层剖面的采样。陈培心等人（1977，首次在台湾苗栗县出磺坑剖面综合古地磁和微古生物化石资料确定了全新世和更新世的界面^[25]。

前新生代磁性地层学

根据板块构造论，新岩石圈在海底中洋脊生成，而在隐没带消失^[26]。这也形成洋壳在地表的循环。 目前地球海面下最老的洋壳是在西太平洋，属白垩纪^[27]. 因此覆盖其上的海洋沉积物，不会老于白垩纪。为了延申高分辨率磁性地层学到中生代或古生代，必须在陆壳上研究非深海相沉积物的古磁性，或找寻被推挤到陆壳上的古洋壳。例如仰冲带或大陆碰撞带中，其古洋壳上常带有老的深海沉积物^[28][29]。例如在二叠纪^[30]， 石炭纪^[31]，及奥陶纪 ^[32]等的古生代磁性地层资料，均有被报道。