东南亚考古磁学研究结果揭示地磁场负异常

2021-03-31 地质与地球物理研究所

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　　地磁场是地球的基本物理场之一，起源于地球液态外核，能够反映地球内部结构和运动状态，同时环绕在地球周围，保护着地球宜居环境。研究地磁场变化规律在认识地球深部动力机制、地表过程和环境、现代地磁场特征和变化趋势等方面具有重要意义。大量不同时空分布的高质量观测数据是全面认识地磁场区域和全球变化特征的必要条件。近现代的卫星观测数据满足这一要求，但覆盖时间短。考古磁学可以把地磁场观测记录回溯至近几千年甚至全新世，在建立地磁场区域和全球模型方面具有重要贡献。然而，目前全球考古磁学数据分布不均，大部分数据集中在欧洲和中东地区，北半球低纬度地区和南半球数据稀少，制约了对地磁场形态特征和变化规律的准确认识。

　　东南亚地区正是上述全球数据匮乏区之一。中国科学院地质与地球物理研究所副研究员蔡书慧联合美国加州大学圣迭戈分校教授Lisa Tauxe、美国芝加哥伊利诺大学副教授Mitch Hendrickson、澳大利亚14C定年专家Quan Hua和柬埔寨考古项目组等，对位于东南亚柬埔寨北部的一处古代冶铁遗址（Tonle Bak）开展了考古磁学研究，获得了该地区首批地磁场全矢量数据。该研究改善了全球考古磁学数据结构，记录到地磁场负异常，为认识低纬度地区地磁场特征及核幔边界结构提供了新思路，并为今后相关区域考古磁学工作提出新方向。

　　Tonle Bak遗址位于吴哥窟古城以东～135 km（图1a），考古调查结果显示它所在的Phnom Dek地区或为吴哥王朝扩张时期很重要的铁金属供应地，在该地区发现了十几处冶铁遗址，论文采样区Tonle Bak遗址是其中一处（图1b）。研究对出土的3个冶炼窑址（Furnace1、Furnace2、Furnace3）和3个发掘沟堆积剖面（Trench1、Trench3、Trench4）系统采集了定向样品（窑底或窑壁固结烧土）、非定向样品（烧土、吹风管、炉渣）和碳屑（图2）。碳屑的14C定年结果将遗址年龄范围限定为公元1034-1391年。窑址定向样品记录的地磁场方向结果结合邻近地区已发表数据显示，地磁场方向在公元1200-1300年间发生突变（图3a），即使变化速率下限也高于该地区现代地磁场方向平均变化速率。同时，样品强度结果显示，公元1100-1300年地磁场强度存在不对称“V”形变化，最低值出现在公元1200-1300年（图3b），与方向结果对应。

　　Tarduno等在非洲南部的考古磁学研究发现类似的地磁异常，公元1300年左右地磁场方向突变伴随地磁场强度降低，研究区位于非洲下部低剪切速度地幔异常体（LLSVP）陡峭边界的正上方，因此，研究将这一磁异常归因于核幔边界处地形异常引起的磁通量溢出（magnetic flux expulsion）产生的反向涡流（reversal flux patch）。该研究获得的柬埔寨考古磁学结果与非洲南部结果非常相似，且两个研究区均位于全球模型预测的赤道附近地磁场负异常区（EGA，图4a），指示二者可能有相似的成因。对比EGA覆盖范围内其他地区地磁场强度结果，发现各个地区地磁场强度在公元1100-1400年都有降低的趋势，只是降低的幅度和最低值出现的时间存在差异（图4b-e），指示低纬度地区核幔边界处可能普遍存在磁通量溢出现象。

　　由于各个地区已有数据质量和数量不一致，目前对各地区磁异常形态特征尚未有足够准确的认识。它们是同时出现还是相互之间有传递关系？是否反映该区域核幔边界结构比较复杂？它们在时间上是否具有周期性？与现代地磁场的显著特征——南大西洋异常（SAA）有何关联？对认识现代地磁场变化趋势有何启示？回答上述问题，需要更多低纬度地区不同时间的高质量数据，也需要结合核幔边界结构和流体运动状态方面的相关模拟计算工作来解释其形成机制和变化规律。

　　相关研究成果发表在PNAS上，研究工作得到国家自然科学基金委员会、美国国家科学基金会、中科院人才项目和地质地球所重点部署项目等的资助。

　　论文链接 

　　图1.（a）研究区位置图。红色五角星为采样位置，绿色圆形为吴哥窟位置。其余符号为论文用到的已发表数据采点位置，详见图注。（b）采样遗址高程图。图中标明了论文采样的3个窑址和3个发掘沟位置

　　图2.（a）代表性窑址（F3）定向样品采样照片。图中字母代表定向样品采集位置；（b）代表性发掘沟（T1）非定向样品和碳屑采样照片。蓝色数字为非定向样品采集位置，旁边括号中为样品记录的古强度值，红色数字代表碳屑采集位置

　　图3.（a）地磁场方向结果。红色为本文新增结果，黑色为泰国已发表结果，蓝色虚线代表地磁场方向移动轨迹；（b）地磁场强度结果。红色五角星为论文新增结果，其余符号为已发表数据，详见图注。桔色、灰色和黄绿色实线分别为中国考古强度参考曲线和全球模型CALS10k.2和SHAWQ2k对采样位置预测结果

　　图4.（a）全球模型SHAWQ2k预测的公元1250年地表地磁场强度分布；（b-e）非洲、东亚-东南亚、南美和西南太平洋地区公元1000-1500年地磁场强度数据，数据来源详见图注

　　地磁场是地球的基本物理场之一，起源于地球液态外核，能够反映地球内部结构和运动状态，同时环绕在地球周围，保护着地球宜居环境。研究地磁场变化规律在认识地球深部动力机制、地表过程和环境、现代地磁场特征和变化趋势等方面具有重要意义。大量不同时空分布的高质量观测数据是全面认识地磁场区域和全球变化特征的必要条件。近现代的卫星观测数据满足这一要求，但覆盖时间短。考古磁学可以把地磁场观测记录回溯至近几千年甚至全新世，在建立地磁场区域和全球模型方面具有重要贡献。然而，目前全球考古磁学数据分布不均，大部分数据集中在欧洲和中东地区，北半球低纬度地区和南半球数据稀少，制约了对地磁场形态特征和变化规律的准确认识。
　　东南亚地区正是上述全球数据匮乏区之一。中国科学院地质与地球物理研究所副研究员蔡书慧联合美国加州大学圣迭戈分校教授Lisa Tauxe、美国芝加哥伊利诺大学副教授Mitch Hendrickson、澳大利亚14C定年专家Quan Hua和柬埔寨考古项目组等，对位于东南亚柬埔寨北部的一处古代冶铁遗址（Tonle Bak）开展了考古磁学研究，获得了该地区首批地磁场全矢量数据。该研究改善了全球考古磁学数据结构，记录到地磁场负异常，为认识低纬度地区地磁场特征及核幔边界结构提供了新思路，并为今后相关区域考古磁学工作提出新方向。
　　Tonle Bak遗址位于吴哥窟古城以东～135 km（图1a），考古调查结果显示它所在的Phnom Dek地区或为吴哥王朝扩张时期很重要的铁金属供应地，在该地区发现了十几处冶铁遗址，论文采样区Tonle Bak遗址是其中一处（图1b）。研究对出土的3个冶炼窑址（Furnace1、Furnace2、Furnace3）和3个发掘沟堆积剖面（Trench1、Trench3、Trench4）系统采集了定向样品（窑底或窑壁固结烧土）、非定向样品（烧土、吹风管、炉渣）和碳屑（图2）。碳屑的14C定年结果将遗址年龄范围限定为公元1034-1391年。窑址定向样品记录的地磁场方向结果结合邻近地区已发表数据显示，地磁场方向在公元1200-1300年间发生突变（图3a），即使变化速率下限也高于该地区现代地磁场方向平均变化速率。同时，样品强度结果显示，公元1100-1300年地磁场强度存在不对称“V”形变化，最低值出现在公元1200-1300年（图3b），与方向结果对应。
　　Tarduno等在非洲南部的考古磁学研究发现类似的地磁异常，公元1300年左右地磁场方向突变伴随地磁场强度降低，研究区位于非洲下部低剪切速度地幔异常体（LLSVP）陡峭边界的正上方，因此，研究将这一磁异常归因于核幔边界处地形异常引起的磁通量溢出（magnetic flux expulsion）产生的反向涡流（reversal flux patch）。该研究获得的柬埔寨考古磁学结果与非洲南部结果非常相似，且两个研究区均位于全球模型预测的赤道附近地磁场负异常区（EGA，图4a），指示二者可能有相似的成因。对比EGA覆盖范围内其他地区地磁场强度结果，发现各个地区地磁场强度在公元1100-1400年都有降低的趋势，只是降低的幅度和最低值出现的时间存在差异（图4b-e），指示低纬度地区核幔边界处可能普遍存在磁通量溢出现象。
　　由于各个地区已有数据质量和数量不一致，目前对各地区磁异常形态特征尚未有足够准确的认识。它们是同时出现还是相互之间有传递关系？是否反映该区域核幔边界结构比较复杂？它们在时间上是否具有周期性？与现代地磁场的显著特征——南大西洋异常（SAA）有何关联？对认识现代地磁场变化趋势有何启示？回答上述问题，需要更多低纬度地区不同时间的高质量数据，也需要结合核幔边界结构和流体运动状态方面的相关模拟计算工作来解释其形成机制和变化规律。
　　相关研究成果发表在PNAS上，研究工作得到国家自然科学基金委员会、美国国家科学基金会、中科院人才项目和地质地球所重点部署项目等的资助。
　　论文链接 
　　图1.（a）研究区位置图。红色五角星为采样位置，绿色圆形为吴哥窟位置。其余符号为论文用到的已发表数据采点位置，详见图注。（b）采样遗址高程图。图中标明了论文采样的3个窑址和3个发掘沟位置
　　图2.（a）代表性窑址（F3）定向样品采样照片。图中字母代表定向样品采集位置；（b）代表性发掘沟（T1）非定向样品和碳屑采样照片。蓝色数字为非定向样品采集位置，旁边括号中为样品记录的古强度值，红色数字代表碳屑采集位置
　　图3.（a）地磁场方向结果。红色为本文新增结果，黑色为泰国已发表结果，蓝色虚线代表地磁场方向移动轨迹；（b）地磁场强度结果。红色五角星为论文新增结果，其余符号为已发表数据，详见图注。桔色、灰色和黄绿色实线分别为中国考古强度参考曲线和全球模型CALS10k.2和SHAWQ2k对采样位置预测结果
　　图4.（a）全球模型SHAWQ2k预测的公元1250年地表地磁场强度分布；（b-e）非洲、东亚-东南亚、南美和西南太平洋地区公元1000-1500年地磁场强度数据，数据来源详见图注
　　

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