東南亞考古磁學研究結果揭示地磁場負異常

發布時間：2021-03-31 11:14 原文鏈接：東南亞考古磁學研究結果揭示地磁場負異常

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　　地磁場是地球的基本物理場之一，起源于地球液態外核，能夠反映地球內部結構和運動狀態，同時環繞在地球周圍，保護著地球宜居環境。研究地磁場變化規律在認識地球深部動力機制、地表過程和環境、現代地磁場特征和變化趨勢等方面具有重要意義。大量不同時空分布的高質量觀測數據是全面認識地磁場區域和全球變化特征的必要條件。近現代的衛星觀測數據滿足這一要求，但覆蓋時間短。考古磁學可以把地磁場觀測記錄回溯至近幾千年甚至全新世，在建立地磁場區域和全球模型方面具有重要貢獻。然而，目前全球考古磁學數據分布不均，大部分數據集中在歐洲和中東地區，北半球低緯度地區和南半球數據稀少，制約了對地磁場形態特征和變化規律的準確認識。

　　東南亞地區正是上述全球數據匱乏區之一。中國科學院地質與地球物理研究所副研究員蔡書慧聯合美國加州大學圣迭戈分校教授Lisa Tauxe、美國芝加哥伊利諾大學副教授Mitch Hendrickson、澳大利亞¹⁴C定年專家Quan Hua和柬埔寨考古項目組等，對位于東南亞柬埔寨北部的一處古代冶鐵遺址（Tonle Bak）開展了考古磁學研究，獲得了該地區首批地磁場全矢量數據。該研究改善了全球考古磁學數據結構，記錄到地磁場負異常，為認識低緯度地區地磁場特征及核幔邊界結構提供了新思路，并為今后相關區域考古磁學工作提出新方向。

　　Tonle Bak遺址位于吳哥窟古城以東～135 km（圖1a），考古調查結果顯示它所在的Phnom Dek地區或為吳哥王朝擴張時期很重要的鐵金屬供應地，在該地區發現了十幾處冶鐵遺址，論文采樣區Tonle Bak遺址是其中一處（圖1b）。研究對出土的3個冶煉窯址（Furnace1、Furnace2、Furnace3）和3個發掘溝堆積剖面（Trench1、Trench3、Trench4）系統采集了定向樣品（窯底或窯壁固結燒土）、非定向樣品（燒土、吹風管、爐渣）和碳屑（圖2）。碳屑的¹⁴C定年結果將遺址年齡范圍限定為公元1034-1391年。窯址定向樣品記錄的地磁場方向結果結合鄰近地區已發表數據顯示，地磁場方向在公元1200-1300年間發生突變（圖3a），即使變化速率下限也高于該地區現代地磁場方向平均變化速率。同時，樣品強度結果顯示，公元1100-1300年地磁場強度存在不對稱“V”形變化，最低值出現在公元1200-1300年（圖3b），與方向結果對應。

　　Tarduno等在非洲南部的考古磁學研究發現類似的地磁異常，公元1300年左右地磁場方向突變伴隨地磁場強度降低，研究區位于非洲下部低剪切速度地幔異常體（LLSVP）陡峭邊界的正上方，因此，研究將這一磁異常歸因于核幔邊界處地形異常引起的磁通量溢出（magnetic flux expulsion）產生的反向渦流（reversal flux patch）。該研究獲得的柬埔寨考古磁學結果與非洲南部結果非常相似，且兩個研究區均位于全球模型預測的赤道附近地磁場負異常區（EGA，圖4a），指示二者可能有相似的成因。對比EGA覆蓋范圍內其他地區地磁場強度結果，發現各個地區地磁場強度在公元1100-1400年都有降低的趨勢，只是降低的幅度和最低值出現的時間存在差異（圖4b-e），指示低緯度地區核幔邊界處可能普遍存在磁通量溢出現象。

　　由于各個地區已有數據質量和數量不一致，目前對各地區磁異常形態特征尚未有足夠準確的認識。它們是同時出現還是相互之間有傳遞關系？是否反映該區域核幔邊界結構比較復雜？它們在時間上是否具有周期性？與現代地磁場的顯著特征——南大西洋異常（SAA）有何關聯？對認識現代地磁場變化趨勢有何啟示？回答上述問題，需要更多低緯度地區不同時間的高質量數據，也需要結合核幔邊界結構和流體運動狀態方面的相關模擬計算工作來解釋其形成機制和變化規律。

　　相關研究成果發表在PNAS上，研究工作得到國家自然科學基金委員會、美國國家科學基金會、中科院人才項目和地質地球所重點部署項目等的資助。

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