洞穴石筍古地磁紀錄 百年內就可能完成地球磁場倒轉

新網記者麻念台台北特稿
2018/8/22 下午 07:51:54 / 科技新知

　台灣大學跨國團隊今日發表重大研究突破，發現地磁倒轉可能在100年內完成。地球磁場阻擋著太陽風對地球的吹襲，保護地球上的生靈與萬物。根據科學研究發現，在過去150年地磁場已經減少了10至15%，若再持續削落，未來將有發生地磁倒轉的可能，造成磁爆，太陽風直接侵襲地球，將會對衛星通訊及自然生態，造成無法估計的損害。

在英國牛津的台大地質系特聘教授沈川洲以視訊連線方式宣布研究成果。(歸鴻亭攝影)

　在英國牛津的台大地質系特聘教授沈川洲以視訊連線方式宣布研究成果。他說，地球磁場已存在幾十億年，可將太陽風與帶電宇宙射線粒子偏轉遠離地球，如一面隱形盾牌保護大氣層免受破壞，同時也阻隔生物不受宇宙射線影響，是維持地球生命發展的關鍵因素。科學家發現，地球磁場在過去150年已減弱10到15%，若再持續減弱，未來可能發生地磁倒轉。

　石筍是喀斯特地形的一種自然現象，為地下水從洞穴頂端固定滴落在某個位置所形成的尖錐體，石筍內含有微米碎屑磁鐵礦顆粒，在生長過程中會記錄下當時的地磁方向。沈川洲說明，他領導的團隊測量華南地區洞穴石筍的超微量地磁訊號，並結合全球領先的精準鈾釷定年關鍵技術，成功重建解析度精準至僅幾十年，發生在10萬年前，歷時1萬6千年的珍貴地磁紀錄，因此發現在地球磁場非常微弱的10萬年前，地磁極呈數百年到幾千年不等的特殊重現性不對稱南北飄移，稱之為周氏震盪。

台灣大學跨國團隊今日發表重大研究突破，發現地磁倒轉可能在100年內完成。(歸鴻亭攝影)

　他指出，以前科學界普遍認知，磁極完全倒轉應該需要1千年甚至更長時間，但新的研究顯示，磁極可能在百年內完成倒轉，遠比過去所估計的速度還快上10倍。研究中發現，9萬8千年前，地磁極僅需86到202年，就可從現今地球磁場的南北方向完全倒轉。

　沈川洲介紹，火成岩、沉積岩與湖泊/海洋沉積物，是過去兩個世紀以來一直被廣泛利用來了解地磁紀錄與反轉事件時間的研究對象。火成岩具有強磁性且可以準確定年，但很難有連續紀錄。沉積岩與湖泊/海洋沉積物中含有的磁性礦物可以告訴我們連續的古地磁紀錄，但是高解析的定年則較為困難，而且沉積物總是容易被攪動混合，很難取得細緻的古地磁變化紀錄。洞穴石筍可以被精確定年，生長時磁性礦物嵌埋在石筍中不被擾動，是提供連續原始古地磁紀錄的理想材料。

台大地質系兼任教授李德貴(右)說明沈川洲的研究成果。(歸鴻亭攝影)

　雖然石筍在1979年首次被用於古地磁研究，但由於石筍的成份幾乎全是碳酸鹽類，即使有磁性礦物存在，其含量還是非常少，古地磁訊號微弱，大概僅有相同體積火成岩中百萬分之一的強度，所以極難被測量。縱使重建了古地磁紀錄，解析度都很粗糙；於是往後的30年，石筍很少再被應用於古地磁研究。近年來，由於定年技術的躍進以及磁學儀器測量靈敏度的不斷提升，在2012年後，石筍又再次被應用於古地磁研究，但仍碰上關鍵瓶頸，即含有足夠磁性礦物的石筍非常稀少，合適的研究材料猶如大海撈針，難以尋得。

　台大地質系兼任教授李德貴解釋，沈川洲自2001年返國服務，就有這個科學目標；在過去十幾年間，他帶領兩岸科學家，遍尋各大洲，以及中國大陸叢山峻嶺。團隊從找到具有磁性的石筍到成果發表，總共花了8年時間，最後取得180個古地磁資料以及70個定年點，成功重建了發生在10萬年前，具有史無前例的數十年精緻解析度，前後共1萬6千年的珍貴地磁紀錄。

(A) 利用華南石筍重建介於9萬8千到9萬6千年前的一個歷時兩千兩百年典型周氏震盪週期。地磁極從正向 (現今地磁的南北方向) 僅需86-202年之間，就快速倒轉到反向，隨後馬上反彈到中緯度區域；再歷經兩千年，才慢慢轉回高緯度的原正向位置。(B) 計算出來的九萬八千年的地磁極快速倒轉飄移路徑，大約自現在磁北極的位置，向南漂移百年後，倒轉到接近南極的地點。(台灣大學提供)

　研究發現，在10萬年前地球磁場很弱而且非常不穩定，石筍資料顯示出不斷重複發生、相似性極高的不對稱性地磁極南北飄移模式與週期。這種特殊的周氏震盪模式，地磁極首先從正向 (現今地磁的南北方向) 經一百到幾百年，就快速倒轉到反向，隨後馬上反彈，但並非轉回完全正向，而是先轉回到中低緯度區域，然後再歷經數百年到數千年才慢慢轉回高緯度的原正向位置。這種周氏震盪現象，其發生機制目前尚不清楚，但團隊相信應該與地球內部動力產生地球磁場的驅動作用有關。

　而研究中更驚人的發現是在9萬8千年前，地磁極僅需86至202年之間的時間，即可以從正向快速地完全倒轉到反向。以前科學界普遍認知，磁極完全倒轉應該需要1千年甚至更長時間，但此革新的研究告訴我們，磁極可能在百年內倒轉，遠比過去所估計的速度還快上10倍。

　這個重大發現已在8月20日於國際期刊《美國國家科學院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, PNAS)發表。