地磁場(chǎng)起源于地球外核流體運(yùn)動(dòng)，攜帶了地球內(nèi)部的重要信息，是認(rèn)識(shí)地球深部過程的窗口，其演化規(guī)律可以反映某些地球動(dòng)力學(xué)過程。生命在地磁環(huán)境中起源、進(jìn)化、繁衍，地磁場(chǎng)保護(hù)并影響著地球上的生命。因此研究地磁場(chǎng)的演化歷史對(duì)研究以上科學(xué)問題具有重要的指導(dǎo)意義。考古磁學(xué)通過對(duì)考古遺址出土的古遺存 (烘烤過的磚、瓦、瓷器、陶器、燒土、爐渣等）進(jìn)行磁學(xué)方面的研究來獲得全新世以來地磁場(chǎng)方向和強(qiáng)度百年或千年尺度的精細(xì)變化信息，在完善地磁場(chǎng)模型、探索地球動(dòng)力學(xué)過程、考古遺址定年和探討人類活動(dòng)與地球環(huán)境變化相關(guān)性等方面有重要意義。但是目前整個(gè)東亞地區(qū)考古磁學(xué)研究相對(duì)薄弱，中國的考古磁學(xué)工作主要集中在二十世紀(jì)八、九十年代，已發(fā)表的數(shù)據(jù)非常分散，致使對(duì)東亞地區(qū)全新世以來地磁場(chǎng)演化規(guī)律的認(rèn)識(shí)非常有限。中國特殊的地理位置和豐富的文化遺存使中國考古磁學(xué)對(duì)探索東亞地區(qū)甚至全球地磁場(chǎng)演化起著舉足輕重的作用。
中科院地質(zhì)地球所特提斯研究中心古地磁與年代學(xué)學(xué)科組蔡書慧博士后和合作導(dǎo)師朱日祥院士、鄧成龍研究員、秦華峰副研究員、潘永信研究員及美國合作導(dǎo)師Lisa Tauxe教授、山東大學(xué)靳桂云教授等共同合作，對(duì)采自山東、遼寧、吉林、浙江、河北等中國東部地區(qū)的考古樣品開展了詳細(xì)的古強(qiáng)度研究?？脊艠悠饭?/span>75塊，遺址類型包括窯址、居住遺址、墓葬等，樣品類型包括陶瓷碎片、磚、燒土、爐渣等，時(shí)代涵蓋從大汶口文化時(shí)期到元代的近六千年。他們通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膹?qiáng)度實(shí)驗(yàn)和嚴(yán)格的數(shù)據(jù)篩選，最終共獲得21個(gè)可靠古強(qiáng)度結(jié)果。新增結(jié)果記錄的地磁場(chǎng)強(qiáng)度值變化范圍為~15-~86 μT，對(duì)應(yīng)的地磁場(chǎng)虛偶極矩 (VADM) 變化范圍從~27-~166 ZAm2，與中國中心位置 (35 oN，105 oE) 現(xiàn)代地磁場(chǎng)強(qiáng)度 (~53 μT (97 ZAm2)) 相比，新結(jié)果記錄到的地磁場(chǎng)最低值只有現(xiàn)代場(chǎng)的三分之一，而最高值達(dá)現(xiàn)代場(chǎng)的1.5倍。結(jié)合東亞近幾年已發(fā)表數(shù)據(jù)，該研究建立了第一條東亞全新世地磁場(chǎng)強(qiáng)度變化參考曲線，可用于該區(qū)域考古定年(圖1)。研究結(jié)果記錄到的~2200 BCE-~1300 BCE之間地磁場(chǎng)強(qiáng)度從全新世范圍內(nèi)的極低值升高到極高值的極端變化，具有重要的地球動(dòng)力學(xué)指示意義。
圖1 (a) 該研究新增地磁場(chǎng)強(qiáng)度結(jié)果；(b) 新增結(jié)果虛偶極矩與已發(fā)表數(shù)據(jù)及全球地磁場(chǎng)模型預(yù)測(cè)對(duì)比圖，圖中綠色實(shí)線為本研究新建立的東亞地磁場(chǎng)強(qiáng)度參考曲線
此外，另一項(xiàng)研究對(duì)采自山東濟(jì)南大辛莊遺址、山東壽光雙王城遺址、河北隆化鮑家營遺址和四川金川劉家寨遺址的定向樣品開展了詳細(xì)的考古方向研究。參與實(shí)驗(yàn)的38塊定向樣品最終有22塊獲得了可靠的方向結(jié)果。研究新獲得的數(shù)據(jù)結(jié)合中國、日本、韓國等地區(qū)已發(fā)表數(shù)據(jù)揭示出近10 ka，東亞地區(qū)地磁場(chǎng)偏角和傾角變化范圍分別為30°W-20°E和30°-70°，西向和東向漂移同時(shí)存在，但以前者為主(圖2)。該研究新增結(jié)果是自20世紀(jì)90年代以來中國第一批考古方向數(shù)據(jù)，極大地補(bǔ)充了現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫，尤其是填補(bǔ)了3 ka之前部分時(shí)間段的空白。
圖2 東亞地區(qū)近10 ka地磁場(chǎng)方向變化圖，紅色五角星、紫色方形、藍(lán)色菱形和天藍(lán)色左三角為本研究新增數(shù)據(jù)
以上研究成果分別發(fā)表在國際著名期刊Proceedings of the National Academy of the Sciences of the United States of America(Cai et al. Archaeointensity results spanning the past 6 kiloyears from eastern China and implications for extreme behaviors of the geomagnetic field. Proceedings of the National Academy of the Sciences of the United States of America, 2017, 114: 39-44) 和國際知名地學(xué)期刊Geophysical Journal International (Cai et al. New archaeomagnetic direction results from China and their constraints on palaeosecular variation of the geomagnetic field in Eastern Asia. Geophysical Journal International, 2016, 207: 1332-1342) 上。
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Proceedings of the National Academy of the Sciences of the United States of America