地球的“古老指南針”—— 古地磁

相比於大自然的鬼斧神工，人類的歷史實在太過渺小！

如果我們跟您說，俄羅斯雅庫特地區的火山鑽石巖管，很有可能源於如今位於非洲西北海岸的馬德拉群島、迦納利群島和亞速爾群島上的火山活動，想必您一定會提出質疑，甚至會當場拿出一份世界地圖，因為肉眼可見，西伯利亞和非洲的西北海岸相距甚遠。

然而，這卻是事實！億萬年前，那裡就是西伯利亞克拉通（Craton，又稱古陸核）的所在地。

今天，地質與礦物學博士，ALROSA集團下屬地質研究機構（NIGP）首席科學家

康斯坦丁·康斯坦丁諾夫

（Konstantin Konstantinov），將為各位解釋地球的“古老指南針”—— 古地磁如何指向隱藏的鑽石礦床。

地球的遠古指南針 —— 古地磁

今天，有超過30個已知的金伯利岩田分佈在西伯利亞克拉通（Craton）。據測算，這些巖田的年齡為375-3。45億年，這意味著它們的金伯利岩體（不同於鑽石，後者可能更老）可追溯到泥盆紀晚期-石炭紀早期（D3-C1）。

為了提升地質勘探工作的效率，科學家們需要製作金伯利岩形成的地球動力學（研究地球大尺度運動或整體運動的各種力學過程、力源和介質的力學學科，是固體地球物理學的分支）模型，這可以幫助我們揭示鑽石礦場分佈背後的原因和模式。為此，我們必須首先重建西伯利亞克拉通（Craton）的古地理位置-即其在近四億年前的位置。

問題是，我們應該使用哪種地球物理技術？

誰都知道地球有磁場。簡而言之，它是位於行星中心並沿其旋轉軸定向的巨型磁棒（根據磁場的偶極子模型）。這意味著地理極和平均磁極的位置始終重合（請參見圖A）。磁場線向磁場最強的兩個磁極（北為N，南為S）延伸。

這種地磁場可以保護我們免受太陽輻射的傷害，同時，我們還可以基於磁場來判斷我們的方向（指南針就是這種原理下古人們智慧的結晶）。從學校的物理課上我們知道，在一個自由的、懸掛在一根不可拉伸的繩子上的環境中，羅盤指標與磁子午線D（赤緯）對齊，指向北極，它與地平線的傾角J（傾角）取決於地理緯度。在北極，指標將處於垂直位置，指向下方；在南極，指標將指向上方；在赤道，指標將保持在水平位置。古代旅行者便使用此規則來確定其位置以及地圖和路線。從遠古時代起，智慧的中國人就藉此發明了指南針。

今天，我們發現俄羅斯米爾尼地區（北緯φ= 62。5°，東經λ= 114。0°）與北地理（磁）極N之間的距離為：27。5°= 90°-62。5°。但在億萬年前卻不是這樣的：

研究西伯利亞克拉通（1）上陳舊的地質物體的磁性幫助我們找到了北磁極位移的證據。

若我們將古磁極隨時間變化而改變的座標連線起來，就可以重建其表面遷移的軌跡（見圖B）。這一軌跡為解決廣泛的地質應用學和地球物理挑戰以及尋找鑽石礦床提供了定量基礎。例如，寒武紀晚期的古磁極（可追溯到5億年前）位於澳大利亞南部。然而，根據磁場的偶極子模型，與大陸的遷移不同，這個極的遷移只是表面上的。因此，透過將地理極與晚寒武世時期的古磁極對比，我們將發現5億年前，西伯利亞克拉通曾經位於西半球，巴西東部。如今，西伯利亞克拉通曾位於赤道帶的事實已經被大量的古地磁、古生物、古氣候等研究所證實。

古地磁學是地球物理學的一個重要分支，它研究過去地質時期透過自然殘餘磁化儲存下來的磁場。古地磁是指岩石像硬碟一樣記錄地球物理資訊的自然能力。

怎麼樣，您發現什麼了嗎？

幾乎所有岩石，包括砂岩，玄武岩，金伯利岩等，都含有磁性礦物（如磁鐵礦，赤鐵礦，黃鐵礦等）。當它們形成時（透過岩漿冷卻，顆粒沉降或其它地質過程），其中的磁性礦物沿著現有的磁極排列，就像羅盤針一樣分佈開來。換句話說，在形成過程中，岩石記錄了它們的古地理座標，就像電腦硬碟中儲存的系統資訊一般，這種類似磁針的特性可用於計算古磁極的座標。我們使用特殊的磁力計和消磁裝置來測量，並部署計算機程式來解讀古磁資料。

以下為金伯利岩形成時期西伯利亞克拉通古磁資料的動力學解釋

（泥盆紀晚期–石炭紀早期）

圖A

A

– 西伯利亞克拉通的當前（黃色）和古地形（綠色）位置。將計算出的古磁極（PN）與北方地理極對齊（N）根據磁場的偶極子模型重建克拉通

B

– 從寒武紀晚期到三疊紀，西伯利亞克拉通的古磁極似乎是遷移軌跡。500，480 。。。 百萬年前

這也就回答了本文初始的那個問題，為什麼如今非洲板塊的火山活動，卻遷移到了如今西伯利亞克拉通地區。

藉助專用於重建古磁場的特殊裝置和計算機程式，科學家們準確地確定了西伯利亞克拉通火山鑽石管形成時的位置。當時，它位於當今非洲海岸的西北部，毗鄰直布羅陀海峽。

根據研究，那時西伯利亞克拉通越過三個“熱點”，後來形成了現代火山島的鏈條：馬德拉島，迦納利群島和亞速爾群島。這些熱點是由於在2900 km深的岩心—幔邊界處發生熱傳遞而形成的。它們可能是形成火山管所需能量的來源。

這些在西伯利亞岩石圈燃燒的熱點可能留下以下“印記”或軌跡：Alakit-Kuoisky，Mirninsky和Okinsky，它們現在包含了金伯利岩田。

這個假設在其出現後的10年中得到了證實，2007年在Oka軌道的東北段發現了一個新的金伯利岩田，名為Hompu-Mayskoye，2015年在Mirny軌道上發現了Syuldyukarskoye巖田。

俄羅斯科學院西伯利亞分院的地殼研究所已獲得許可，目前正在位於西伯利亞克拉通南部Mirninsky軌道西南段的Biryusinsko-Chunsky地區進行鑽石勘探。如果這種金伯利岩形成的地球動力學模型是正確的，則對主要鑽石礦床的搜尋應集中在這些軌道內。所謂的熱點地區也可以證明富含鐵，碳氫化合物和其他礦產資源。

圖B

C

– 泥盆紀晚期（D3）和石炭紀早期（C1）的西伯利亞克拉通古磁重建。C –迦納利群島，M –馬德拉群島，A –亞速爾群島

D

– 舊的，新的和假定的（分別以藍色，紅色/綠色和黃色表示）金伯利岩場相對於計算出的熱點軌跡的位置

關於作者：

康斯坦丁·康斯坦丁諾夫（KONSTANTIN KONSTANTINOV），地質學和礦物學博士，岩石物理學，磁性礦物學，古磁性學以及物理，地質和數學建模專家。自1986年從伊爾庫茨克職業技術學院的地質勘探學院畢業後，他一直在開發區域和地方的動態物理和地質模型，以發現礦床（例如鑽石，金，複雜礦石，銀碳酸鹽）。他已被授權和共同授權了200多個研究論文，其中包括：俄羅斯和外國期刊釋出的40篇文章，1本小說，2本指南。他也是俄羅斯聯邦總統補助金的持有人，以及薩哈（雅庫特）共和國首長補助金的持有人，還曾獲得俄羅斯自然資源部頒發的礦產勘探獎。

自然，是最神秘莫測，也最鬼斧神工的存在，一如我們所見到的璀璨的鑽石，人與自然的關係，值得我們用一生去維繫。