地磁极性与地质事件的对应关系

图12.6是按徐道一等（1983）提供的太阳系三分量速度值，以200～210 Ma、90～100 Ma、40～50 Ma年的银河周期反映的7亿年来，地磁极性状态与地质事件耦合关系示意图。图内下方的三个年代学数据，上为银河年周期各特征点（近银心、远银心和极性转折点）的时间；中为按现今太阳所在位置（即θ＝20°或在银道面上方往银北极运行的7/9路径位置点）后推的不同周期的时代数据；下为地质时代界线。图上方为大致所对应正负极等状态和重要地质构造旋回。所见7亿年来，地磁场大体已经历过四次的正极性为主和三次负极性为主的极性更迭。四次正极性为主期，大致分别在700～575 Ma（震旦纪）、475～375 Ma（奥陶纪—早泥盆世）、275～175 Ma（二叠纪—早侏罗世）、75 Ma至今。它们大致可对应“Rodinia”大陆裂解，早古生代洋脊活动（古亚洲洋、北祁连洋，原特提斯洋和北秦岭洋），晚古生代-中生代的大陆裂谷和现今三洋（太平洋、大西洋和印度洋）的扩张事件。而反极性期大致分别在575～475 Ma（晚震旦世—寒武纪）、375～275 Ma（中晚泥盆世—早二叠世）、175～75 Ma（中侏罗世—白垩纪），可分别对应加里东、华力西和印支-燕山构造旋回，而7亿年前的负极性期大致相当于晋宁构造旋回。

图中标注的各特征点，与Steiner（1967）按引力函数（G）值推测的特征点有所不同（图10.3）。照与地质年代表的对应关系，Steiner标注的远银心点和近银心点，恰处在笔者按银河周年反演的极性转折点位置。其中的远银心点，对应于银北极转折点，近银心点与银南极极性转折点相吻合。而Steiner的两个特征又恰与笔者的远近银心点相对应。出现这种差异的原因，可能是引力函数因子项的关系。按采用公式

磁性地质学与“场论”在金属成矿学中的应用

式中：M_g为银河系质量；R为太阳系距银心的距离；v_R为太阳系在R处的圆速度。

图12.6 700Ma来地球随太阳系在银道面上下旋进式轨道运行示意图

标注的年代数据：上为银河系周期特征和时间，中为按现今太阳位置后推的时代数据，下为地质年代分界

显然，引力函数G值，除R项外，太阳系运动的圆速度也是个重要的因子项。在这方面，Царегралский（1963）曾推测过，当太阳从远银心点向近银心点运动时，太阳的运动速度加快，当太阳从近银心点向远银心点运动时，太阳的速度减慢。这种速率快慢关系也涉及太阳的圆速度大小变化。对照Сташков（1977）统计的地质年代表中各纪延续时间，长度最大的寒武纪、石炭纪和白垩纪恰好是处在近银心点的反极性期的路径上，为太阳系运动速率最慢时期。而地质时间较短的志留纪和三叠纪又恰处在正极性期的远银心点运动速度加快的运程上。因此，Steiner的由G值所确定的远、近银心点和特征点还有需甄别之处。而且如果Steiner推定的远、近银心点恰是银河系南北极性转折点位置的话，那么R因子项并不是主要变量因素，因为两极性转折点同银心距离并无多大差别，而主要应取决于v_R速度的变化。

事实上，按照Steiner提供的古地磁主要极性阶段划分图示（图10.3、图11.1），在统计的北半球正极性百分比值与所对应的地质年代（图10.3、图12.4）比较，两个正极性百分比较高峰（点），恰和银北极极性转折点或与Сташков（1977）的两个地质年代相对较短的志留纪和三叠纪相对应；亦是地球自转速率最大位置。而曲线谷区对应的石炭-二叠纪应是银南极极性转折点，是地质年代相对较长和旋转速率较慢的负极性期位置。因此，Steiner的G值大小还应与太阳和地球本身旋转速度

张世红（1998）统计过显生宙地磁场偏极性趋势与地球自转速率变化的关系（图12.7），虽然所见地球自转速率从600 Ma至今有逐渐变缓的趋势，但与偏极性状态的关系，那些以正极性状态为主时期，仍然自转速率相对较快，如志留纪、三叠纪和白垩纪，自转速率相对较慢的石炭纪和二叠纪则相对处在一种以负极为主的偏极性状态。这也说明地球自转速率的快慢还与地球所处象限的偏极性状态程度密切相关，也同 Сташков（1977）统计得出的各地层年代表的时间尺度基本相一致。即G值的大小还决定于地球自转速率因子项。

图12.7 显生宙偏极性趋势与地球自转速率变化的关系（据张世红，1998）

a—显生宙偏极性状态曲线；b—偏极性趋势显示正极性比率增加；c—显生宙地球自转速率变化曲线；d—地球自转速率变化趋势，总体变慢

再一方面，图12.6标注的地磁极性状态与地质事件旋回周期的时间尺度，它们几乎与前述秦祁昆造山系地史演化过程中的重要构造-岩浆和成矿峰期时间表相扣合。新元古代（震旦纪）大陆裂谷。早古生代的北祁连，原特提斯和北秦岭三洋的开启和扩张，泥盆纪早中期的大量壳幔岩浆作用事件，二叠-三叠纪的广泛大陆裂谷体制。大多都是发生在太阳系从银南极往银北极的远银心点运程上，是地磁场和银河系磁场的正向耦合期。地磁场增强而呈现正向极性为主的时期。而晚震旦世—寒武纪（575～475 Ma）、晚泥盆世—石炭纪和中晚侏罗世—白垩纪（175～75 Ma）以三大造山旋回的构造热事件为标志。其中，加里东旋回在秦祁昆造山带可以高压变质带产出为典型特征，华力西旋回是北祁连、原特提斯和北秦岭三洋消亡闭合和碰撞造山的重要地史事件，中晚侏罗世—白垩纪的燕山旋回（部分可包括印支旋回），在秦祁昆造山带中主要表现为陆内增生过程相关的构造-岩浆作用。很显然，这三大造山旋回都是处在太阳系从银北极向银南极的近银心点运程上，与银河系磁场呈一种反向叠加关系，地磁场减弱而处在一种负极性为主的极性状态。

除此之外，所见秦祁昆造山系的几个主要成矿峰期时段，即奥陶纪、泥盆纪、三叠纪或中新生代，同样可和图示的地磁场正向极性期的时间周期相对应。这就进一步表明，图12.6推演的天文周期时间尺度和地磁极性状态及地质事件类型与秦祁昆造山系地质实际是基本一致的。而且，也揭示了地磁场的不同极性状态是控制不同地质事件发生的主要原因。具体说，大陆裂谷、洋盆开启、岩浆活动和强烈的成矿作用是地磁场正向极性状态演化过程的一些标志性事件，而造山-构造热事件是反向极性演化过程的典型响应。这也同徐道一等（1983）、Carin（1971）、Mаксимов（1977）、Царегралкий（1964）提出的冰期、生物灭绝、海退事件的时间也大体相近。因而，由图12.6说明，反演的天文周期的时间尺度（200～210 Ma、90～100 Ma、40～50 Ma）是与地质实际资料相近的。而且还可证明，银河系的磁场的场向，银北极为负极，银南极为正极。

E.E.Milanovsky（1997）依据构造变动、岩浆活动、地磁极倒转，以及海平面升降方面的资料，曾提出过地球在其历史中曾发生膨胀和收缩变化的认识。指出地球在膨胀和收缩期均有各种表现。构造海平面升降在地球收缩期形成海退，在膨胀期形成海侵。换言之，处于正极性为主期的地球，不但自速率加快，处于一种膨胀性伸展动力学背景，而且，还以大陆裂解、海侵、洋脊活动（扩张）、岩浆侵入和强烈的成矿作用这样一些突出地质事作为其标志。相反，处于反极性为主期收缩性地球，不但旋转速率变慢、气候变冷、冰期、生物灭绝、海平面降低海退，而且还以收缩挤压造山、热变质事件为重要动力学环境。另一方面，从磁场叠加关系看，处于与银河系磁场正向耦合期和膨胀期的地球，明显是一种磁场强度增强的磁盛状态。而收缩期与银河系磁场呈反向叠加关系的地球则表现为一种磁场强度减弱的磁性萎缩过程，甚至强度减弱至零而发生极性倒转。在此可推论，膨胀性磁盛期的地球应更有利于液态环流、重力分流、热对流、离子迁移和地幔柱等一系列过程的发生和加强，也有利磁介质物质的激化，从而形成广泛的岩浆作用和成矿作用系列周期性事件。而磁性萎缩期的地球，不但气候变冷、冰期、生物灭绝，而且岩浆作用和成矿作用减弱。由此看来，地史上发生的一切地质事件明显是与地磁场的极性状态变化有直接的因果关系。或许这才是各种地球事件真正的地球动力学基础。