公告/发布日期:2020/01/21

mile米乐m6官网 地球磁场在地球诞生后立即存在的可能性越来越大

-SQUID磁力显微镜对锆石晶体磁力分析的建议-

积分

  • 使用 SQUID 磁力显微镜等从地球诞生后立即形成的矿物中检测到的微弱的过去地磁场记录
  • 表明地球磁场可能已经存在超过 42 亿年
  • 使用 SQUID 磁力显微镜进行高灵敏度分析有望为恢复全球环境做出贡献

摘要

米乐m6官方网站[理事长中钵良二](以下简称“AIST”)地质信息研究部[田中雄一郎,研究主任] Hirokuni Oda,全球变化历史研究小组高级首席研究员,罗切斯特大学、利物浦大学、加拿大地质调查局、马尼托巴大学、美国海军研究所、加州大学圣克鲁斯分校、科廷大学、威斯康星大学密尔沃基分校、密歇根理工大学大约 42 亿年前地球磁场存在。

这一次,SQUID磁力显微镜8620_8647杰克·希尔斯地球诞生后锆石我们高度确信该晶体记录了当时地球的磁场。地球诞生后立即存在足够强的地磁场,是由于当时地球的内部结构造成的。地磁发电机,地球磁场太阳风造成的大气耗散这对地球大气层和生命的演化具有重要意义,因为它阻止了8950_9082|通过使用SQUID磁力显微镜对地质样本中记录的地球磁场进行高灵敏度分析,有望进一步恢复地球环境。该结果的详细内容将于近期发表在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上。

概览图
太阳风造成的大气耗散
左边是地球磁场产生之前,太阳风对大气的耗散非常强烈。右边,地球磁场产生后
地球磁场充当防护墙,抑制太阳风中带电粒子在大气中的消散。

发展的社会背景

地球诞生后的地球磁场强度对当时的地球内部结构和地磁发电机施加了约束。此外,地球磁场强度的变化对地球大气层和生命的演化具有重要影响,因为地球磁场可以防止太阳风造成的大气消散。

地球形成于大约 46 亿年前,地球上最古老的岩石在澳大利亚的杰克山发现。过去,人们利用在那里发现的年龄超过 40 亿年的锆石晶体对地球磁场强度进行了估计,但对其可靠性存在怀疑,因为人们怀疑锆石晶体形成后加热和蚀变的影响。

 

研究历史

AIST 旨在开发高灵敏度、高分辨率的磁成像技术,可以检测弱磁化的地质样本中的磁性,以恢复地球环境。低温超导超导量子干涉装置SQUID磁力显微镜的开发和应用(乌贼)。此次,我们使用SQUID磁力显微镜对发现了地球上最古老岩石的杰克山(图1)的锆石晶体进行了高灵敏度、高分辨率的磁成像,并结合其他尖端分析技术,估算了地球诞生后的地球磁场强度并验证了其可靠性。

这项研究得到了日本学术振兴会外国访问研究员(短期)(2017 年)“使用 SQUID 显微镜使用锆石单晶高度可靠地估计地球磁场强度”(罗切斯特大学 John Tarduno 教授)的支持。此外,分析中使用的SQUID磁显微镜是在日本学术振兴会科学研究补助金(A)(2013-2016年)“利用SQUID显微镜对行星古磁场进行先进研究”的支持下开发的。

图1
图 1 地图显示了西澳大利亚州杰克山 (Jack Hills) 的分析样本采集地(上图)和露头照片(下图)
(由罗切斯特大学 John Tarduno 教授提供)
 

研究内容

这一次,我们使用了来自杰克山(图 2,左)的锆石晶体,这里发现了地球上最古老的岩石。为了确保地磁场强度估算的可靠性,AIST的CO2利用激光加热装置将弱磁化的锆石晶体及其周围的石英加热至61微米特斯拉磁场中加热至575°C当使用 AIST 的 SQUID 磁力显微镜(图 2,右)分析该样品时,锆石被磁化,但石英未被磁化。这证实了锆石晶体周围的石英不含有可检测到的磁性矿物,并且锆石晶体含有足够量的磁性矿物(磁铁矿)。另外,罗切斯特大学小直径超导岩石磁力计和二氧化碳2利用激光加热装置,可在565-580℃下分离出一颗石英中含有的多个锆石晶体自然剩磁的方向时,它显示了不同的方向。这表明,在该温度下记录的锆石晶体中保留的地球磁场并未受到265亿年前杰克山岩石经历的变质作用所产生的热量的影响。

图 2
图2 锆石晶体照片(左)(罗切斯特大学John Tarduno教授提供)和SQUID磁力显微镜照片(右)
 

使用锆石晶体估算地磁场强度的优点是可以估算每个粒子的地磁场强度和年龄。罗切斯特大学小直径超导岩石磁力计和CO2使用激光加热装置的锆石晶体绝对古地磁强度被估计。此外,对于可以可靠估计磁场强度的锆石晶体,铀/铅测年估算方法估计年龄此次推算的地磁场强度中,来自约41亿年前的锆石晶体的数据被高度可靠地证明了其磁场强度与现在的地磁场接近。此外,此前对约42亿年前样本的研究数据显示,地球磁场的强度是现在地球磁场强度的一半以上。这些发现表明地球磁场可能在大约 42 亿年前就已存在。这对地球大气层和生命的演化具有重要意义,因为它对当时地球的内部结构和地磁发电机施加了限制,并且地球磁场阻止了太阳风造成的大气消散。

 

未来计划

未来,我们计划提高SQUID磁力显微镜的灵敏度和分辨率,并利用锆石晶体和其他地质样品进行分析,这将进一步用于恢复全球环境。


术语解释

◆地球磁场
当前地球的磁场近似于一个磁铁(磁偶极子),其北极就是南极,因为罗盘的北极指向北方。实际上,近似磁偶极子的轴与地球自转轴略有偏移,并且其位置每年都在变化。还已知地球磁场的极性在过去曾多次反转,并且已知在大约77万年之前,地球磁场的极性与现在的极性相反。法国的伯纳德·布伦赫斯和日本的松山元典发现地球磁场的极性颠倒了。[返回来源]
◆SQUID磁力显微镜
一种使用微小检测线圈和SQUID元件作为磁传感器,在微观尺度上绘制非常接近样品表面的弱表面磁场分布的装置。有两种类型:一种类型可以通过将样品放置在与磁传感器相同的低温真空容器中并将其靠近来进行高分辨率测量,另一种类型可以在室温和压力下测量样品。它用于无损检测以分析半导体和超导材料,并检查机械零件的裂纹。[返回来源]
◆杰克·希尔斯
2014 年,经证实,地球上最古老的岩石存在于澳大利亚西部的杰克山。杰克山岩石中最古老的锆石晶体距今约 44 亿年,即太阳系诞生后约 16 亿年。[返回来源]
◆锆石
日本名称为Fushinko(风信子)矿石。一种硅酸盐矿物,化学成分为 ZrSiO4。它以微小晶体的形式广泛存在于火成岩中。它是一种抗风化和蚀变的矿物,广泛存在于砂岩等沉积岩中。它是地球上最古老的矿物(大约有 44 亿年的历史),是在澳大利亚的杰克山发现的。它富含铀而贫铅,使其成为铀-铅法放射性测年的重要目标矿物。无色透明的用作装饰首饰。[返回来源]
◆地磁发电机
地球从外部看具有分层结构:地壳、地幔和地核。核心由外核心和内核心组成,外核心为液体,内核心为主要由铁组成的固体导电材料。地球磁场被认为是作为发电机(发电机)来维持的,其中电流和磁场动态相互作用,而外核中的液态铁引起对流运动。这些复杂的物理现象已被大型计算机模拟,甚至地磁反转等现象也被再现。[返回来源]
◆太阳风造成的大气耗散
由高温带电粒子(等离子体)组成的太阳风不断地从太阳流出并到达地球,但今天地球的磁场(磁层)阻止这些带电粒子进入地球表面。当地球磁场不存在或弱时,高速带电粒子进入地球大气层,导致氧气和氮气等大气分子在被吹入太空时迅速消失。这称为大气耗散。这被认为是目前缺乏强磁场的火星大气压力较低的原因之一。由于大气耗散的程度根据大气分子的类型而变化,因此地球大气的成分也受到过去和现在大气耗散条件的影响。[返回来源]
◆低温超导
当金属等物质的温度降低时,它会变成超导(电阻为零)。此时的温度称为转变温度,转变温度低于液氮温度的一般称为低温超导体。铌和铅长期以来被称为低温超导体。反之,转变温度高于液氮温度的材料一般称为高温超导体。[返回来源]
◆超导量子干涉装置(SQUID)
一种基于量子效应的磁传感元件,在超导状态下工作,用于测量弱磁场。有在液氦温度下运行的低温超导 SQUID 和在液氮温度下运行的高温超导 SQUID。[返回来源]
◆特斯拉(T)
磁场单位(磁通密度)。以科学家尼古拉·特斯拉的名字命名。特斯拉的千分之一是 mT(毫特斯拉),百万分之一是 µT(微特斯拉),十亿分之一是 nT(纳特斯拉)。目前日本附近的地磁场略低于 50 µT(微特斯拉)。用于医疗目的的 MRI 通常使用 1T 或以上的强磁场。[返回来源]
◆小直径超导岩石磁力计
由于岩石的磁性较弱,因此将使用采用 SQUID 传感器的超导岩石磁力计对其进行分析。目前世界各地使用的大多数超导岩石磁力计都适合测量相对较大的样品,例如1英寸直径的岩石样品。罗彻斯特大学拥有的小直径超导岩石磁力计的测量空间直径为64毫米,检测线圈与样品之间的距离较近,使得可以高灵敏度地测量直径小于1毫米的微小样品,例如锆石晶体。[返回来源]
◆自然剩磁
地质构造和岩石中含有的磁性矿物记录了沉积和岩石冷却过程中的地球磁场。这是自然剩磁。就火成岩而言,其中所含的磁性矿物低于居里温度(例如磁铁矿 Fe3O4)的情况下为585°C,将此时地球磁场的方向记录为自然剩磁。实际记录磁场的温度低于居里温度,并且该温度根据磁性矿物的颗粒尺寸而变化。在较高温度下记录的自然剩余磁化强度长期稳定,并且不易受到后续加热引起的变质作用。[返回来源]
◆绝对古地磁强度
通过分析地质样品(主要是火山岩)和考古文物等样品(磁性矿物)在地磁场冷却过程中获得的磁化强度来估算过去的地磁场强度。其基本原理是在实验室无磁场的情况下恒温加热样品来测量损失的磁化强度,然后测量在实验室磁场中相同温度下加热样品所获得的磁化强度。假设磁场强度与获得的磁化强度之间存在比例关系,则根据失去的磁化强度与获得的磁化强度的比率来估计过去的地磁场强度。从地质时期来看,地球磁场的强度波动很大。[返回来源]
◆铀/铅测年法
铀-铅测年是一种利用铀(一种天然存在的放射性物质)衰变并最终转化为铅的事实来估计样品形成时间的方法。铀的量减少一半所需的时间(半衰期)由同位素决定。铀238(约45亿年)和铀235(约7亿年)的半衰期特别长;铀238 变为铅206,铀235 变为铅207。例如,锆石在形成晶体时会选择性地吸收铀,但几乎不吸收铅,因此可以通过分析上述四种同位素来估算其年龄。[返回来源]


联系我们

查询表