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地磁會倒轉!

地磁會倒轉!
  - 地球磁場並不是巨大的棒狀磁鐵,而且磁極會隨著時間漂移。
地球磁場並不是巨大的棒狀磁鐵,而且磁極會隨著時間漂移。

自古以來,人類就對天然磁石的神奇力量大感驚奇(現在已知它是磁鐵礦)。早在公元前六世紀,希臘哲學家泰利斯(Thales of Miletus)就描述過這種奇特的石頭會互相吸引,並且可以吸引小鐵塊。公元前四世紀的《鬼谷子》也曾提到磁石。公元前二世紀的《呂氏春秋》記載:「慈石(當時的寫法)召鐵,或引之也。」撰寫於公元20~100年間的《論衡》則寫道:「磁石引針。」12世紀,中國航海家已懂得把一片磁石放在軟木上浮於水面,製作成簡易的指南針。1190年,尼坎姆(William of Neckham)就提到天然磁石指南針,代表這類指南針不僅在當時的中國相當普遍,歐洲也經常使用。


磁石和磁性

究竟是什麼神秘力量使得磁石會自動指向南北並且吸引其他磁石或鐵塊?關於這樣的猜測持續了許多世紀。事實上,磁性(magnetism)這個詞原本和現在所知的磁鐵毫無關聯,而是用來描述各種可遠距作用的不明力量。即使是現在,我們仍常提到「動物磁性」或某些人具有「磁性」。但1600年,英國自然哲學家兼醫師吉爾伯特(William Gilbert)發表以拉丁文(當時學者的通用語言)撰寫的書籍《論磁石》(De Magnete),綜合了當時關於磁性和磁鐵的所有知識。他的著作被視為現代電磁知識的濫觴,正確提出棒狀磁鐵周圍有看不見的場,可吸引其他磁性物質。只要在磁鐵周圍撒上鐵屑,就能看見磁場。此外,他還斷定地球一定是個大磁鐵,如此就能解釋天然磁石為什麼永遠指向北。事實上,他遠遠超越時代,指出地球內部有一大塊鐵。許久之後,地震學和重力及隕石的研究才證實他的說法無誤。

吉爾伯特還正確指出地球繞著軸心旋轉,同時暗示自己支持哥白尼的太陽中心說(最初發表於1543年),但是當時這個想法在大多數基督教國家仍被視為異端。直到20年之後,伽利略才率先提出太陽中心說的證據,宗教法庭則威脅他若不收回就要施以酷刑。吉爾伯特指出,星辰「固定」在圓頂天空(當時普遍如此認為)的想法荒謬可笑,行星在圓頂外的天球上運行的說法同樣無稽。他了解星辰是光點,來自距離我們極遠的光源。他還研究了靜電的性質,甚至以拉丁文electrum發明電子(electron)這個詞,意思是「像琥珀一樣」,因為用布料摩擦琥珀可以產生靜電。

吉爾伯特在著作發表後三年,就因為罹患腺鼠疫而喪命,沒機會看到著作的後續發展。但其後數個世紀,天然磁石的概念以及理解電力的重大突破,成為科學界的頂尖研究領域。19世紀初葉,法拉第(Michael Faraday)進行多項實驗,證實地球磁場的特性以及磁場與電場間的關係。1860年代,馬克士威(James Clerk Maxwell)精妙地以數學解釋法拉第的實驗結果,統一了電與磁。

地球磁場從何而來一直是個謎,因此也有許多迷思。早期哲學家和自然學家猜測磁場來自天上,因為可透過空氣測量它,但找不出明確來源。希臘羅馬時代認為,磁場來自位於北方的高大磁山。希臘羅馬哲學家兼天文學家托勒密(Claudius Ptolemaeus of Alexandria,以周轉圓解釋地心說的軌道問題著稱)說,婆羅洲附近有座島嶼磁性極強,會吸引船上的鐵釘,使得船動彈不得。在《一千零一夜》中著名的阿拉丁和水手辛巴達故事中,有一座磁性極強的山會吸走船上的鐵釘,使得船解體沉沒。著名地圖製作者麥卡托(Mercator)在地圖上北極的位置畫了一座鐵山,但這無法解釋北極和磁北極位置差距造成的磁方向差異,所以他在地圖最上端畫了兩座鐵山。

直到20世紀中葉,地質學家推斷地球的核心是高密度的鐵鎳合金,才確定地球磁場的真實成因。地核的溫度超過4000℃,核心不可能是永久的棒狀磁鐵(固體棒狀磁鐵只要超過650℃就會失去磁性)。1946年,艾爾沙瑟爾(Walter Elsasser)首先提出,液態鐵在地核中運動,可能會產生我們觀察到的地球磁場。接下來,物理學家布拉德(Edward Bullard)首先運用地球物理流體動力學,提出地球磁場和地核運動的數學模型。

在那之後,艾爾沙瑟爾、布拉德和許多科學家的地球物理流體模型,說明了地核外層液態鐵鎳合金內部的「發電機」如何運作。水力發電廠的發電機會讓導電線圈圍繞磁鐵旋轉,如此產生電力。「地球發電機」也會帶動導電的鐵鎳合金屬在地球磁場中旋轉,如此產生電流。這些電流再經過龐大的回饋循環,產生更強的磁場、更強的電流,如此不斷循環下去。這個過程的實際數學計算細節相當複雜,不過,是唯一符合地球磁場已知性質的解釋。


兩極漂移

19世紀中葉,科學家發明了簡易裝置來偵測岩石等固態樣本內的磁場。這些裝置越來越精密,1930年代出現能偵測潛水艇磁性特徵的高精密度磁力計。1940年代,磁通量閘門磁力計可偵測岩石樣本中更微弱的磁場。

1948年,美國華盛頓卡內基研究所地球磁性組的強生(Ellis Johnson)、墨菲(Thomas Murphy)和托瑞森(Oscar Torreson)發表極具影響力的論文〈地球磁場的史前史〉(Pre-history of the Earth's Magnetic Field)。這篇論文分析一處冰河湖泊古代沉積層的磁性指向,證實不僅熔岩和火山岩可能擁有強烈磁訊號,沉積物同樣也有。他們一層層列出1萬7000~1萬1000年前地球磁場的變化。這篇論文促使科學家開始研究地球古代磁場(古地磁學)。研究古地磁學的科學家被稱為「古魔術師」,因為古地磁解決了許多有趣又具挑戰性的地質問題。

這項研究吸引了傑出物理學家布萊克特(Patrick Blackett),他以霧室觀察宇宙射線的研究,獲得1948年諾貝爾物理獎。布萊克特1897年生於倫敦,一次世界大戰時在英國皇家海軍服役,在數場戰役中存活下來,並且改良了大炮和其他海軍裝備。戰爭結束後,他轉往英國劍橋大學著名的卡文迪什實驗室鑽研物理,擔任放射性研究先驅拉塞福(Ernest Rutherford)的助手。布萊克特和拉塞福開發出霧室,後來還發現反物質。1947年布萊克特開發出偵測地球磁場用的磁力計,希望藉以了解電磁與重力(另一種基本作用力)的關聯。這次嘗試沒有成功,但他開發的磁力計越來越精良,同時蒐集了許多古代岩石的古地磁學資料。朗孔(Keith Runcorn)是布萊克特在劍橋大學時所收的學生,後來開拓出全新的古地磁學領域:研究數百萬年來記錄於大陸磁性岩石中的兩極位置。朗孔後來轉往英國新堡大學,開始進行龐大的古地磁學計畫,訓練出爾文(Ted Irving)、柯林森(D. W. Collinson)、克瑞爾(Ken Creer)、歐戴克(Neil Opdyke)等著名科學家以及許多著名古地磁學者(我也曾是歐戴克的學生,所以我可說是拉塞福、布萊克特、朗孔的嫡傳學生)。

朗孔跟學生和同事開始盡可能蒐集不同大陸、不同年代、不同種類岩石的古地磁方向。1950年代中期,資料庫已相當龐大,某些型態開始顯現出來。他們發現的第一點是:每塊大陸相對於磁北極的位置都在隨著時間而改變。分析年代相近岩石的磁極,就會發現全都指向現代磁北極。但如果觀察的是某一大陸年代越古老的岩石,記錄在古老岩石中的古代磁北極,則會距離現代磁北極越遠。從任一大陸來看,可以把磁極指向畫成一條曲線,呈現出磁北極相對於此大陸的移動;這種現象稱為兩極漂移(polar wander)。

若對另一塊大陸也畫出相同曲線(參見此頁圖),狀況就會變得複雜。同樣地,年代較近岩石的磁極指向非常接近現代磁北極,但年代越古老岩石的磁北極會離北極越遠。若以所有資料畫出曲線,得出的會是另一條兩極漂移曲線,與前一塊大陸的曲線不同。第三塊大陸的資料也會有相同問題。年代較近岩石的磁極指向現代磁北極,但是年代較古老的岩石形成的兩極漂移曲線,會與其他大陸的曲線不同。

如此浮現一個困境:假設大陸未曾移動(1950年代地質學家大多這樣認為),則各大陸的兩極漂移曲線不盡相同,最後卻都落在同一位置(也就是現代磁北極),就顯得有點奇怪。這表示地質史上曾有許多個磁北極,但是最後恰好集中在現在的磁北極。

但如果大陸可以移動呢?如果把大陸轉回以往的原始位置,所有「兩極漂移」曲線將完全相合;換句話說,磁北極在地質史上一直沒有離地球的自轉北極很遠,但記錄磁極指向磁北極的古代岩石卻有相對運動,形成兩極漂移曲線。

這是強而有力的大陸漂移證據,許多發表於1950年代中期。但主流地質學家還無法接受,也無法拋棄長久以來的大陸固定假設。他們大多認為古地磁學這個領域太新,古地磁資料的陷阱太多(包括已知的和當時未知的),難以確定是否能確實證明大陸曾經移動。因此,知道這類研究的地質學家都採取「等著瞧」的態度。


地球磁場多次反轉

除了地球磁場會隨著時間而移動,古代岩石還有一個令人驚奇的磁性:磁極指向每隔一段時間就會反轉一次。舉例來說,現在的指南針指向北方,但80萬年前,指南針的北方卻是指向南方;換言之,地球磁場每隔幾千到幾百萬年就會完全反轉,由北極到南極的磁場線會改變方向,地球磁場的極性也會改變。岩石磁極方向與現在的磁北方向相符者,通常稱為「正向」,指向南的則稱為極性「反向」。
法國物理學家布容尼斯(Bernard Brunhes)於1905年分析法國奧維涅的火山,首先發現具反向極性的岩石。這項發現對證實1770年代的火成論相當重要。然而,這只是單一觀察結果,沒人知道該怎麼解釋。直到1929年才有人更進一步研究。日本地質學家松山基範蒐集日本和滿州國各地100多件玄武岩樣本,發現它們只指向兩個方向,分別是現代磁北極和反轉180度(反向極性)。他把岩石依年代排列,發現反向極性的岩石大致屬於同一年代,其他年代的岩石則都是正向極性。1933年,瑞士地球物理學家兼北極探險家麥坎頓(Paul Mercanton)也記錄過反向火山岩和火山岩入侵而形成的黏土,指出這些岩石的極性有正有反,或許可用於測試韋格納的大陸漂移假說。

然而其後25年,地球物理學家沒有投入反向極性的研究,轉而專注於研究其他主題,包括兩極漂移理論,原因之一在於受到日本一種名為榛名英安岩的特性所誤導。1951年分析這種岩石,發現它的極性具有自我反向的怪異特徵,一開始分析時是某一方向,加熱後變成另一方向,而且每次分析時都會改變方向。這種奇怪的岩石使得許多科學家不敢斷定某種岩石具有反向極性,因為還不確定這些磁方向是岩石形成時的主要方向,它們有可能全都像榛名英安岩一樣。這個問題讓古地磁學家許多年不敢研究這個問題。

後來到1950年代晚期和1960年代初期,三位科學家決定大規模研究地磁反轉問題,包括美國史丹佛大學兩位古地磁學家柯克斯(Allan Cox)和杜爾(Richard Doell),及改良鉀-氬定年法的先驅、年輕的加州大學柏克萊分校地球化學家達勒普爾(G. Brent Dalrymple)。達勒普爾在加州大學柏克萊分校拿到博士學位後不久,就取得美國地質調查所(USGS)的工作。這個工作在門洛公園,跟史丹佛大學在同一條路上。柯克斯、杜爾和達勒普爾想檢視兩種關於極性反向岩石的解釋:如果古老岩石的反向是單一樣本自我反轉的問題,那麼分析世界各地同一年代的岩石,應該會有許多種極性。然而,如果整個地球磁場曾反轉的瘋狂想法是真的,那麼世界各地同一年代的岩石,應該都有相同的正向或反向極性。

柯克斯、杜爾和達勒普爾前往世界各地,盡可能取得各種岩石露頭樣本。這些岩石露頭大多是年代較近的熔岩流,只能以鉀-氬法定年,但也很容易強烈而穩定磁化。後續10年,他們分析數百個岩石和數千件樣本,由達勒普爾以鉀-氬法確定年代,柯克斯和杜爾進行古地磁分析。1960年代初期,他們開始看出某種型態。地球上年代最近的岩石(78萬年以內)的極性全都是正向。但樣本年代越古老,正向和反向極性陸續浮現。年代介於250萬~78萬年前的岩石大多是反向極性,但有少數正向事件夾雜在長期反向磁場之中。年代介於340萬~250萬年前的岩石大多是正向極性,500萬~340萬年前則有正向也有反向。地球磁場極性變化的徵兆顯然遍佈全球,而且每種可分析的岩石無論位於何處都有。此外,這也不是榛名英安岩這類怪異岩石造成的問題。

他們的研究持續整個1960年代,在過去1000萬年中發現越來越多次或長或短的極性事件。此時,澳洲國立大學坎培拉分校的地質年代學家麥道高(Ian McDougall)和古地磁學家塔林(Don Tarling)與卡麥隆(Francois Chamalaun)也研究同一問題,並試圖取樣及分析各種岩石。這樣的競爭促使他們加快腳步。1960年代末,這兩個實驗室確立了現在的地磁極性時間表。如果能找出岩石中的磁訊號型態,就可比對地質史上的地磁反轉史,從而正確判定其年代。

這是地質學上的重大突破,柯克斯、杜爾和朗孔因此獲得地質學及地球物理學界的最高榮譽維特森獎。這個突破也創造出研究陸地與深海沉積物磁場反轉的新學科,同時提供適用於全世界的高精確度定年方法(我在研究生涯中曾取得經費補助的研究,大多採用這種磁地層學方法)。但柯克斯、杜爾和達勒普爾從沒想過,這些資料竟然還解開海床擴張和板塊構造學說的秘密。


海床上的磁力條紋

二次世界大戰後海洋地質學開始發展,研究人員盡可能蒐集不同資料,但不清楚可能發現什麼、也不明白其意義。每艘駛出斯克里普斯、拉蒙或伍茲赫爾等研究機構、前往世界各大洋的調查船,定期蒐集海床深度、海底以下的各層地質,以及各種深度的海水溫度、鹽度和化學組成等資料。只要可能,就會用活塞岩心取樣器深入海底,取得積累數百萬年的沉積物樣本。

這些船上還配備了外形類似魚雷的質子進動磁力計。這種儀器原本用途是在二次世界大戰期間偵測潛艇,原理是船艦的鋼鐵外殼磁性極強。戰爭結束後,許多海洋研究機構接收剩餘的船隻和磁力計,用於研究海洋地質。這類儀器通常拖在船隻後方,持續讀取偵測到的磁場。

1940年代晚期和1950年代初期,科學界已蒐集大量海床磁力資料。把這些資料由舊電腦檔案轉換、分析和繪圖後,結果看來不像是毫無意義的雜訊,反而像是奇怪的圖形。這些資料點畫在地圖上形成巨大條紋,代表船隻航行時偵測到的各種磁強度。這些條紋稱為磁力異常,原因是測量數據與我們平常感受到的背景磁場值異常不同。在某些例子中,測量數據高於地球環境的背景值,稱為正異常;但在其他例子中,磁力計偵測到的磁場低於平均磁場,此時稱為負異常。

地質學家不確定該怎麼解釋這些條紋。它是交錯的不同種類岩石帶?還是磁性強弱交錯的岩石?1950年代晚期,斯克里普斯研究院地球物理學家梅森(R. G. Mason)和拉福(A. D. Raff)畫出阿拉斯加、加拿大卑詩省、美國華盛頓州和俄勒岡州外海太平洋海床的資料圖形,但圖形相當複雜難解,看不出是何種因素形成這種平行磁力條紋。

本文摘錄自《改寫地球史的25種石頭故事》第21章〈天然磁石〉。
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