地磁场是地球的“隐形保护盾”。它由地球深部液态外核的运动产生，延伸至太空，有效抵御着来自太阳和宇宙空间的高能带电粒子对地球大气圈、水圈和生物圈的剥蚀。如果地磁场大幅减弱，磁层会随之收缩，更多高能粒子可能进入地球大气，并通过复杂的大气化学反应影响臭氧层，进而危及生物生存环境。因此，科学界提出了一个颇具吸引力的假说：地质历史上的大生物灭绝事件，是否与地磁场异常减弱相关？
约2.60—2.52亿年前的晚二叠世正是检验这一假说的关键时期。这一时期先后发生了瓜德鲁普世末和二叠纪末两次重大生物灭绝事件，且这两次事件均与峨眉山和西伯利亚大火成岩省的大规模岩浆活动在时间上高度吻合。已有研究还发现了臭氧层破坏和紫外线增强的证据。那么，当时的地球磁场是否也曾严重衰弱，甚至成为这场远古生物大灭绝的推手？
回答这一问题并不容易。火成岩在形成时可以记录当时的地磁场信息，但经过数亿年的地质作用，这些岩石以及其中的载磁矿物与磁信号可能被改造。更棘手的是，传统古强度研究使用的全岩火山岩样品，易受到地磁场长期变化影响，且常含有大颗粒的多磁畴磁铁矿，背离古强度确定的单磁畴理论基础，导致古强度值难以准确测定。目前，已报道的晚二叠世古强度结果差异达一个数量级，这使当时地磁场究竟是强是弱长期存在争议。
图1 峨眉大火成岩省白马层状辉长岩年代确定与热历史重建
针对这一科学问题，中国科学院青藏高原研究所大陆碰撞隆升及影响团队黄文涛研究员等对峨眉山大火成岩省攀枝花白马矿区层状辉长岩为突破口，开展了系列研究。年代学研究表明，该白马辉长岩体的形成年龄为2.6亿年前，在侵位后的200万年内冷却至220度，600万年内冷却至160度，随后继续缓慢冷却，无后期热扰动（图1）。古地磁学分析显示，其全岩样品记录了稳定剩磁，结合岩体冷却历史、样品新鲜无后期交代特征，以及全岩特征剩磁方向与贵州织金地区峨眉大火成岩省熔岩古地磁数据共同通过褶皱检验，研究团队确定该辉长岩保留着2.6亿年前岩体形成时记录到的古地磁场信息，并据此限定岩体侵位时的古纬度约为北纬3.2度（图2）。
图2 峨眉大火成岩省白马层状辉长岩全岩古地磁学研究
为精准获取古强度数据，研究团队从白马辉长岩中分离出了载磁矿物为单磁畴（钛）磁铁矿的斜长石颗粒，这些斜长石是古地磁场强度测试的理想材料。其中的（钛）磁铁矿呈针状，宽度小于200纳米，为岩浆冷却过程中高温出熔的产物（图3），记录着原生热剩磁。实验采用了目前古地磁场强度测试最为准确的Thellier-Coe方法，基于二氧化碳激光进行快速加热，
图3 峨眉大火成岩省白马层状辉长岩中斜长石颗粒的磁滞和扫描电镜结果
并采用严格标准筛选数据，排除被氧化的样品。最终，从134颗斜长石单矿物中，获得22个高质量古地磁场强度数据（图4）。经过冷却速率校正，数据显示，2.6亿年前，攀枝花地区古地磁场强度为15.9±2.9μT。结合古纬度结果和辉长岩冷却时间，研究团队计算出该时期的时间平均地磁场偶极矩为4.1±0.7x1022Am2。该结果指示，2.6亿年前的古地磁场强度为现代地磁场的约51%（图5）。也就是说，晚二叠世的地磁场，相对于石炭纪-二叠纪反极性超静磁期确实已经显著减弱，但远没有达到接近“崩溃”的程度。按照这一磁场强度估算，当时的磁层顶距离地心约为7.9个地球半径，而现代约为10.7个地球半径。这意味着，尽管当时的地球“磁保护罩”缩小了，却依然有较为强劲的防护能力。
图4 峨眉大火成岩省白马层状辉长岩中斜长石颗粒的古强度测试结果
这一结果对理解晚二叠世生物危机具有重要意义。已有大气模型中，地磁场导致显著臭氧损耗和紫外线增强的情景通常需要磁场大幅降低，甚至假设地磁场完全消失。而本研究获得的时间平均磁场仍约为现代的一半。因此，研究结果并不支持“极弱地磁场导致磁层近乎崩溃，并由此成为晚二叠世环境恶化和生物灭绝主要驱动力”假说。相比之下，大规模火山活动释放的卤素等挥发分及其引发的大气化学变化，仍是解释臭氧破坏的重要机制。
此外，本研究的成果还提供了观察地球更深处核幔演化的窗口。研究结果显示，在持续数千万年的二叠纪-石炭纪反极性超静磁期结束后，地磁偶极矩可能在约500万年内由约8.9x1022Am2下降至约4.1x1022Am2。鉴于地磁场由地核发电机产生，且地核向外散失的热量受地幔动力过程影响，因此，二叠纪末期地磁场强度的快速下降为探索核幔之间相互作用机制，以及地磁场强度与磁极倒转频率长期演化规律，提供了重要约束。
图5 过去4亿年来地磁场强度、倒转频率和极性变化
上述研究成果以“Late Permian core-surface-magnetosphere conditions revealed by single crystal paleointensities from the Emeishan large igneous province”为题于9月8日在线发表。中国科学院青藏高原研究所黄文涛研究员为论文第一和通讯作者，丁林院士、美国罗切斯特大学John A. Tarduno教授、首都师范大学杨振宇教授、佛罗里达州立大学Richard k. Bono博士、成都理工大学唐文斌研究员、中山大学田云涛教授等为共同作者。本研究得到国家重点研发计划“地球系统与全球变化”青年科学家项目、青藏高原地球系统卓越研究群体延续项目、第二次青藏高原综合科学考察研究项目等资助。
