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南京大學(xué)教授李永祥團(tuán)隊(duì)與美國羅切斯特大學(xué)教授John Tarduno、中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所研究員彭善池以及首都師范大學(xué)教授楊振宇等合作，對(duì)浙江江山碓邊寒武紀(jì)“金釘子”剖面開展了詳細(xì)的古地磁研究，獲得了晚寒武世大約4.95億年前的地磁極性變化記錄，發(fā)現(xiàn)寒武紀(jì)地磁場(chǎng)極端異常，并揭示地球內(nèi)核生長(zhǎng)演化。7月31日，相關(guān)成果在線發(fā)表于《自然-通訊》。

地磁場(chǎng)是宜居地球環(huán)境的重要保障，地磁場(chǎng)變化對(duì)地球生命起源和演化有著重要影響。地磁場(chǎng)起源于地球液態(tài)外核流體的運(yùn)動(dòng)（即磁發(fā)電機(jī)）, 已有至少35億年歷史。在地質(zhì)歷史時(shí)期，長(zhǎng)時(shí)間尺度上，地磁場(chǎng)相當(dāng)于一個(gè)置于地心并與自轉(zhuǎn)軸平行的條形磁鐵所產(chǎn)生的偶極子場(chǎng)，即地心軸向偶極子場(chǎng)。

地球早期只有液態(tài)地核，通常認(rèn)為，地球固態(tài)內(nèi)核在新元古代晚期開始出現(xiàn)，之后繼續(xù)生長(zhǎng)，體積逐漸增大，直至達(dá)到現(xiàn)代地球內(nèi)核的尺寸。這一推斷的主要證據(jù)是，新元古代晚期地磁場(chǎng)極性頻繁倒轉(zhuǎn)，而且強(qiáng)度是現(xiàn)有記錄中最低的。這是由于固態(tài)內(nèi)核初始形成時(shí)，地核結(jié)構(gòu)發(fā)生了重大變化，從而擾動(dòng)了磁發(fā)電機(jī)，導(dǎo)致地磁場(chǎng)失穩(wěn)，表現(xiàn)為地磁極性頻繁倒轉(zhuǎn)和磁場(chǎng)強(qiáng)度減弱。但是，對(duì)于固態(tài)內(nèi)核初始形成之后，地磁場(chǎng)如何由失穩(wěn)狀態(tài)恢復(fù)到相對(duì)穩(wěn)態(tài)的演化過程及其對(duì)新元古晚期-寒武紀(jì)生物演化的影響并不清楚。

該研究表明，寒武紀(jì)地磁場(chǎng)變化表現(xiàn)為極性高頻倒轉(zhuǎn)期、短暫反極性期、罕見異常期和極性穩(wěn)定期。

對(duì)罕見異常期古地磁結(jié)果的進(jìn)一步分析顯示，磁極發(fā)生了快速擺動(dòng)，幅度可達(dá)~90°，持續(xù)時(shí)間為~8萬年。這說明磁極偏離了地球自轉(zhuǎn)軸，且偏離幅度巨大，達(dá)到接近赤道的極端狀態(tài)。這樣的磁極擺動(dòng)特征與地球慣量主軸互換導(dǎo)致的真極移特征非常相似。真極移是由地球質(zhì)量分布變化引起的整個(gè)地球固體外圈層相對(duì)于其內(nèi)部發(fā)生旋轉(zhuǎn)的行為，即地球自轉(zhuǎn)軸發(fā)生了改變。但是，由于地幔黏度很大，大幅度的真極移不可能發(fā)生得很快。因此，該研究新發(fā)現(xiàn)的磁極擺動(dòng)反映的應(yīng)該是地磁場(chǎng)的極端異常行為，而不是真極移。

結(jié)合最近研究發(fā)現(xiàn)的早寒武世地磁場(chǎng)強(qiáng)度比新元古代晚期增強(qiáng)的現(xiàn)象，研究人員認(rèn)為，地球固態(tài)內(nèi)核在新元古代晚期初始形成后，逐漸生長(zhǎng)增大，不過在寒武紀(jì)期間仍然較小，還沒有達(dá)到足以穩(wěn)定磁發(fā)電機(jī)行為的規(guī)模，這使得寒武紀(jì)地磁場(chǎng)不穩(wěn)定，表現(xiàn)為間斷式的地磁極性高頻倒轉(zhuǎn)和極端異常。

另外，前人研究認(rèn)為早寒武世期間曾發(fā)生了幅度達(dá)~90°的真極移，即慣性互換型真極移, 并提出它是導(dǎo)致寒武紀(jì)生命大爆發(fā)的一個(gè)重要原因。最新研究結(jié)果則提示，以往認(rèn)為的早寒武世慣性互換型真極移可能是假象，而反映的是寒武紀(jì)不穩(wěn)定的地磁場(chǎng)。換言之，寒武紀(jì)早期地球自轉(zhuǎn)狀態(tài)穩(wěn)定，早寒武世生命大爆發(fā)是環(huán)境-生物共演化的結(jié)果。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-023-40309-7

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