对博茨瓦纳古元古代岩脉的古地磁研究

《Journal of African Earth Sciences》：Palaeomagnetic investigation of Palaeoproterozoic dykes from Botswana

　　古地磁学研究显示早元古代（2500-1500 Ma）博茨瓦纳地区地磁偶极矩为2.4×1022Am2，支持该时期存在地磁偶极低模型。通过热退磁和 alternating field demagnetization 方法分析三个地质单元。

　　
该研究聚焦于非洲博茨瓦纳地区晚前寒武纪火山岩体的古地磁学调查，旨在通过多年龄样本的系统分析，揭示地核内核形成（ICN）前后的古地磁场演化特征。研究团队采集了三个不同地质年代的火山岩样本：Moshaneng Complex gabbros（2054±2百万年）、Moshaneng辉石岩脉（1927±1.5百万年）以及Pilanesberg辉石岩脉（1347±97百万年），覆盖了前寒武纪约1600万年的时间跨度。通过综合矢量磁化率分析和虚拟偶极矩计算，研究揭示了该时期地磁场强度与极性结构的重要规律。

研究首先建立了系统的古地磁采样方法。在Moshaneng Complex（占地约15 km2的复杂岩体）采集了22个定向岩芯样本，重点分析其中磁铁矿和钛铁矿为主的矿物组合。辉石岩脉样本则来自两个不同产状：MD1区以浅层侵入辉石岩脉为主，MD4区则发育深部贯入的辉绿岩脉。Pilanesberg地区样本来自两个不同构造单元的辉石岩脉，年龄跨度达700百万年。所有样本均经过详细的矿物学预处理，包括磁铁矿分离和化学提纯，确保后续磁化率测试的准确性。

在古地磁方向分析方面，研究采用复合退磁技术（热退磁+交流退磁）处理样本。对于Moshaneng Complex的基性岩体，发现其磁化率具有显著各向异性，通过多次热退磁（200-600℃）逐步剥离次生磁化，最终提取出原生磁化强度。值得注意的是，在MD4辉石岩脉中，热退磁处理可完全消除次生磁化干扰，获得清晰的正弦曲线，这为后续虚拟偶极矩计算提供了可靠基础。而Pilanesberg样本由于年龄较新（1347百万年），其磁化率受后期构造改造影响较大，仅能获得低置信度的极性数据。

关于地磁场强度研究，团队创新性地采用三维矢量磁化率分析技术。通过测量样品在0.1-10 T梯度磁场下的磁化率变化，结合热退磁曲线的拐点分析，成功提取出四个关键样本的原生磁化强度。其中，MD4辉石岩脉的矢量磁化率显示典型偶极场特征，其虚拟偶极矩（VDM）计算值达到2.4×1022 Am2，这与前寒武纪低偶极场模型高度吻合。特别需要指出的是，该VDM值与西伯利亚地台1500百万年样本的磁化强度存在显著统计学差异（p<0.05），这为区分不同构造单元的地磁场演化提供了新证据。

在讨论地磁场形态时，研究发现三个关键规律：其一，前寒武纪样品的磁化率各向异性系数（AFAC）普遍低于现代地磁场（AFAC≈3.2），表明当时地磁场偶极分量占主导地位；其二，通过计算VDM的极性分布，发现南部半球样本存在显著极性不对称现象，这与Landeau等（2017）提出的弱场多极子模型预测一致；其三，年龄相关性分析显示，1927百万年的MD4样本VDM值（2.4×1022 Am2）与2054百万年的MC样本VDM值（1.8×1022 Am2）存在统计学相关性（R2=0.87），表明在ICN事件前存在持续约300百万年的低强度偶极场阶段。

该研究在方法论上取得重要突破：1）首次在南部半球前寒武纪样本中成功提取完整矢量磁化率数据；2）建立跨年龄段的VDM标准化流程，解决了不同地质年代样本可比性问题；3）创新性结合热退磁曲线形态与矢量磁化率参数，显著提高了古地磁强度计算的精度。这些方法改进使得能更可靠地检测ICN事件可能引发的磁场突变，研究团队通过统计不同年龄段的VDM值，发现地磁场强度在1.5-2.0 Ga期间呈现周期性波动，这与地球深部热流变化模型（Frost等，2022）预测的1.2 Ga磁场增强事件形成呼应。

在理论意义方面，研究结果为ICN年龄的争议提供了新的约束条件。当前学界对ICN年龄存在显著分歧，从早于3 Ga到晚于1 Ga不等。本研究通过前寒武纪低纬度样本（北纬20°-25°）的磁化率分析，发现地磁场偶极矩在2.0 Ga后呈现加速增长趋势（年均增长率达1.2%），这与Driscoll和Davies（2023）提出的地核热流速率变化模型相吻合。特别是MD4样本的VDM值（2.4×1022 Am2）与Shcherbakova等（2025）在科拉超基性岩体获得的2.1×1022 Am2值高度接近，这为支持ICN发生在1.5 Ga前的观点提供了关键证据。

该研究在数据获取方面取得显著进展，累计分析样本达161个（平均每个样本5.7个重复测量），其中成功提取VDM值的样本数达到三个（MC、MD4、PDR），显著高于现有前寒武纪研究（全球平均每个地质年代仅0.8个有效VDM值）。这种高密度数据为构建前寒武纪地磁场强度演化曲线奠定了基础，研究团队通过插值法发现，地磁场强度在2.8 Ga至1.5 Ga期间存在系统性低估，这可能与当时火山活动频繁导致磁矿物退磁有关。

在应用价值方面，该成果为行星科学中的地磁场演化研究提供了重要参考。通过对比博茨瓦纳样本与西伯利亚地台样本的VDM值差异（前者2.4×1022 Am2 vs 后者1.8×1022 Am2），研究证实了地磁场形态受大陆构造活动控制的理论。特别值得注意的是，Pilanesberg地区样本的年龄误差高达97百万年，这促使研究团队开发出基于矿物热稳定性的误差校正模型，将年龄不确定度从±15%降至±8%，显著提高了地质年代学的可靠性。

该研究还存在若干待完善之处：首先，样本的地理分布相对集中，未能充分覆盖全球前寒武纪构造单元；其次，对地幔对流对古地磁场方向的影响分析不足；最后，磁矿物含量与磁化率的非线性关系尚未完全建立。研究建议后续工作应加强样本的全球代表性，同时开发多尺度磁矿物分析技术，以更精确地分离原生磁化与次生磁化成分。

总体而言，该研究通过创新性的矢量磁化率分析方法，填补了南部半球前寒武纪古地磁场研究的空白，其揭示的低偶极场持续期与ICN事件的时间窗口形成重要关联，为地球内部动力学研究提供了关键地质证据。特别是VDM值的统计规律与地核热流模型的高度吻合，使得该成果在行星科学领域具有重要理论价值。