地球科學

洞見地磁倒轉乾坤

已有上萬年歷史的鐘乳石洞內,蘊藏了地球的秘密。過去地質記錄顯示,地磁極倒轉約需千年,現在科學家勇闖深黑岩洞,從含磁性礦物的稀有石筍中發現,地磁極曾在百年內快速倒轉!

撰文/沈川洲、周祐民、影像來源:沈川洲

地球科學

洞見地磁倒轉乾坤

已有上萬年歷史的鐘乳石洞內,蘊藏了地球的秘密。過去地質記錄顯示,地磁極倒轉約需千年,現在科學家勇闖深黑岩洞,從含磁性礦物的稀有石筍中發現,地磁極曾在百年內快速倒轉!

撰文/沈川洲、周祐民、影像來源:沈川洲


早在2000年前,人類就知道磁石可以指示南北方位;指南針的發明成就了跨洋航海,開拓新大陸,促使文明大躍進。然而到了16世紀,英國科學家吉伯特(William Gilbert)才首次有系統地研究地球磁場;20世紀初期,地磁學突然百家齊鳴、進展飛躍。


1920年代,科學家首次在岩石中發現地磁極倒轉事件。經過數十年研究,已知在地球歷史中,地磁曾漂移,甚至倒轉,但關於漂移的詳細過程、倒轉的速度和週期,百年來不明所以。主要是因為地表觀測資料僅有400年,衛星資料更是只有數十年,無法全面了解地磁漂移的趨勢與機制。2005年,《科學》期刊在125年紀念特刊中,即把地磁極倒轉的過程與機制列為125項未解的重大科學難題之一。


發現地層裡的烏龍倒轉


綜合數百年來的地質資料分析結果,學界普遍認為地磁極倒轉大約需要1000年或更久。近幾十年來,屢屢有地磁極快速倒轉的研究發表,但後來又發現資料錯誤。


例如現已退休的美國加州大學聖克魯茲分校榮譽教授寇伊(Robert Coe)在1995年的《自然》期刊發表一項令學界震驚的研究。該團隊在俄勒岡州的史汀斯山(Steens Mountain)熔岩流中發現1620萬年前的一次地磁極急速漂移記錄:10天內移動了緯度60度,也就是地磁極位置以平均時速25公里在地表移動,每天漂移600公里!但在20年後,2014年8月,原作者發現先前的研究結果其實是岩石標本受後來熱作用影響而重新磁化,形成偽地磁資料,也就是說,千萬年前的急速地磁極漂移事件並非事實。


無獨有偶,寇伊澄清後不久,義大利、巴西與美國組成的團隊在同年11月的《國際地球物理期刊》也發表了一項號稱改寫教科書的地磁快速變化研究。該團隊分析義大利中部湖泊沉積物的古地磁資料,並以放射性絕對定年法推估沉積物中火山灰層的沉積速率,發現了77萬年前距今最近一次的地磁極大倒轉,僅歷時95年或更短。但往後數年,數個團隊分別發現,這片湖泊沉積物是受到化學風化作用影響,導致標本重新磁化。


這些例子明白指出,適當的地質標本雖可記錄遠古地磁變化,但經歷千萬年的漫長歲月,原本訊號往往已變質失真,科學家容易解讀錯誤。迄今,對於地磁極能否在百年內快速倒轉?學界尚無直接證據,癥結在於地質材料本身的限制。而沉積在石灰岩洞裡的石筍,可以提供原始古地磁連續記錄,成為古地磁研究的新希望。


地磁遠征軍挑戰不可能任務


1979年古地磁學家首次使用石筍做為研究材料。但由於石筍成份主要是碳酸鹽類,磁性礦物含量稀少,再者,古地磁訊號微弱,強度大約是相同體積火成岩的百萬分之一到千萬分之一,儀器難以測得,即使重建記錄,解析度也相當粗糙,因此石筍很少應用於古地磁研究。近年來,磁學儀器的靈敏度和定年技術不斷提升,推動了石筍應用於古地磁學,然而,關鍵瓶頸仍是尋找到足夠的磁性礦物含量,這猶如大海撈針。


本文作者沈川洲在2001年返台,積極召募團隊執行一項「尚未行動就註定空手而歸」的任務。2004年,來自國內外各路英雄豪傑組成的地磁遠征軍,懷抱夢想,展開了漫長的全球洞穴探索行動。任務目標明確,也就是尋找含磁性礦物的石筍,然而目的地不明,因為根本不知道這種稀有石筍到底在世界何方。但可以肯定的是──沒有行動就沒有希望,唯有不斷追尋,夢想才有機會成真。


我們從東亞和太平洋啟程,搜尋足跡踏過中國各地、東北亞的日本、東南亞的越南、泰國、菲律賓,往南跨越赤道,最遠到達東帝汶;往西,從歐亞洲交界的土耳其為起點,遍尋南歐的地中海國家,包括義大利、摩洛哥、法國,再到臨大西洋的西班牙,轉向往北,深入中歐的奧地利、匈牙利、斯洛伐克;最後挺進北非,深入突尼西亞。


探索大半個地球,輾轉好幾個酷暑寒冬,翻越崇山峻嶺,終於在2011年,曙光乍現。團隊成員之一的中國福建師範大學地理科學學院教授姜修洋,在華南地區長期執行亞洲季風研究計畫,他在該年11月第三次探勘貴州三星洞時,採集了幾株石筍,回到實驗室切開一看,標本色澤並非一般碳酸鈣的白色,而是呈現深褐色,估計鐵含量應該不少。


本文另一位作者周祐民也是團隊成員,當時在台灣師範大學地球科學系擔任博士後研究員。2012年,周祐民帶了一些三星洞的小塊石筍標本到中國科學院地質與地球物理研究所磁學實驗室,與劉青松教授合作,測量後驚喜發現,雖然磁性非常微弱,強度僅是相同體積火成岩的百萬分之一,但已經可以使用最先進的儀器進行分析。隨後在新竹國家同步輻射研究中心利用高解析穿透式X射線顯微鏡,鑑定出這些碎屑磁性礦物主要為磁鐵礦,可記錄過去的地磁變化。


最後我們團隊選擇了一株長約一公尺、直徑約八公分的石筍標本(參見右頁〈岩石潛藏的真假玄機〉),在2013年進行初步地磁分析,之後隨即向國家科學委員會(現科技部)提出「歐亞氣候與地磁研究卓越領航計畫」子計畫。計畫審查時,審議委員都認為,此項任務艱鉅且測量技術受限,很可能以失敗收場,但因頗具創新與前瞻思維,我們幸運獲得補助。


專業、努力,成就好運


我們團隊自2014年8月在台北、貴州、北京展開研究工作:在貴州石灰岩洞進行地質調查;在台北使用領先世界的鈾釷定年技術,取得石筍不同沉積層的絕對年代;在北京中科院使用低溫超導測磁儀測量古地磁記錄。最後取得180筆古地磁資料以及70個定年點,前後總共歷時五年(2012~2017年)。


這項最初不被看好的研究,在團隊多年來的努力下,終獲成果。分析結果顯示,這株石筍的沉積年代在10萬7000~9萬1000年前,形成於地球磁場非常微弱的時段裡,對應現今地磁強度也正持續減弱,這株石筍的古地磁記錄可能反映出即將到來的變化。這個10萬年前的地磁記錄,史無前例呈現出地磁百年到千年尺度的週期變化,時間解析度達數十年,更令人驚訝的是,這株石筍還記錄了一次珍貴的百年地磁極快速倒轉過程(參見65頁圖)。這些研究成果,在去年8月發表於《美國國家科學院學報》(PNAS)。


研究發現,10萬年前地球磁場微弱且不穩定,不斷發生相似性高、為期數百到數千年的不對稱性地磁極南北漂移模式。我們團隊稱此現象為「周氏振盪」(Chou Oscillation),除了是以第一作者周祐民姓氏為名,沈川洲的英文譯名中剛好也有Chou這個字。


我們重建的地磁記錄可分為前半段的10萬7000~10萬1000年前(PB1)以及後半段的9萬9000~9萬1000年前(PB2)。在地球磁場逐漸減弱的PB1期間,振盪週期較短,達幾百年,磁北極漂移的軌跡都在北半球;在PB2期間,地球磁場從谷底反彈增強後,振盪週期卻延長到1000~2000年,且振幅變大,磁北極漂移的軌跡分佈在南北半球間。


本研究是科學史上首次揭露地磁漂移的細節。首先,地磁極僅在百年到數百年間就從正向(現今地磁的南北方向)快速倒轉到反向;隨後立即反彈,但並非完全轉回正向,而是先轉到中低緯度區域,歷經數百到數千年才慢慢轉回高緯度的原正向位置。值得一提的是,9萬8000年前,地磁極僅需144±58年,即可從正向完全倒轉到反向。我們的研究顯示,地磁極倒轉可以比過去估計的1000年快上10倍。


地磁漂移的可能衝擊


地球磁場可使太陽風(從太陽輻射出的高速帶電粒子流)與帶電宇宙射線粒子偏轉、遠離地球,像一面隱形盾牌保護大氣層免於受高速帶電粒子直接撞擊,同時阻隔生物受有害射線影響,是維持地球生物蓬勃發展重要的一環。


假如未來發生了地磁極在百年內快速倒轉,磁北極會先從北半球高緯度地區漂向低緯度,再漂往南半球高緯度地區。而我們團隊的研究顯示,在PB2期間,地磁極曾在9萬8000~9萬6000年以及9萬5000~9萬2000年前滯留在低緯區長達1000~2000年。假如未來發生這種情況,雖然熱帶與亞熱帶地區的夜晚會很漂亮,極光滿天;但太陽風可長驅直入,穿過大氣層直擊地表,全球大氣結構與水文氣候都將改變。除了衝擊現代文明,生物圈也將大受影響,候鳥、鮭魚等許多具感應磁場能力並仰賴地磁引導遷徙的生物,可能因此方向錯亂,找不到回家的路、飛不到該去的地方,生態系統將產生劇變。


周氏振盪與地磁極百年倒轉的研究掀開了地磁漂移過程的神秘面紗,此研究成果是了解地磁極為何會倒轉的重要一步,但許多新的問題也接踵而來。


首先,目前貴州三星洞的石筍資料是唯一的高精密地磁記錄,需要有更多石筍記錄來佐證其分析結果。再者,雖然已知地磁漂移與地球內部動力產生地球磁場的驅動作用有關,但真正機制有待釐清。而首次發現的不對稱性周氏振盪在地球歷史中是普遍存在,還是僅發生在10萬年前的一個特例?地磁極百年倒轉是最快的速度,還是有更快速的倒轉事件存在呢?


最後,現代地磁記錄顯示,自1990年代以來磁北極從北緯70°的加拿大努納武特(Nunavut)一直往北漂,今年已來到北極附近,共漂移了約2160公里,平均每年漂移74公里,假如這樣的模式持續不變,預期50年後磁北極將會越過地理北極,南移到北緯55°的西伯利亞貝加爾湖(Lake Baikal)。我們團隊的高解析石筍記錄顯示,這種漂移在地球歷史上是常態;但現代觀測結果是否也暗示著,現今地磁極持續往特定方向移動預告了下一次地磁極倒轉即將發生?


本團隊的研究成果開啟了全新的未知領域,相信許多地球科學家會陸續投入相關研究,我們這群地磁遠征軍也會勇往直前、繼續努力。