中国科学杂志社 2026-11-02 16:08:52
近日，中国科学院地质与地球物理研究所潘永信团队和南京大学沈树忠团队等在中−晚二叠世磁性地层方面取得重要进展。相关成果以“Geomagnetic instability as a potential deep-Earth forcing factor in the Permian environmental and biotic crisis”为题，发表在National Science Review（《国家科学评论》，NSR）。
该研究基于华南凤山剖面开展高分辨率磁性地层学研究，重建了约262.5–258.75 Ma的地磁极性序列。在该剖面共识别出29个磁极性带，倒转频率高达11次/百万年，与晚瓜德鲁普世生物危机、超大陆聚合及火山活动在时间上相关。这一研究不仅为中-晚二叠世之交的全球地层对比提供了新的磁性地层框架，也再次凸显了地球深部过程与表层宜居环境之间可能存在的长期耦合。
高分辨率的磁性地层记录匮乏
二叠纪是地球历史上环境与生物演化最为剧烈的时期之一，先后发生了晚瓜德鲁普世和二叠纪末两次重大生物灭绝事件。长期以来，科学家对这一时期地磁场行为的认识十分有限——尤其是晚瓜德鲁普世生物危机前后，因全球海退导致广泛沉积间断，高分辨率磁性地层记录几乎空白。地磁场在这一时期究竟是稳定还是异常活跃？它与同期的环境与生物危机之间是否存在关联？这些关键问题一直缺乏直接证据。
华南凤山剖面记录地磁场极性快速倒转
凤山剖面是瓜德鲁普统–乐平统界线（GLB）辅助标准界线层型剖面，也是全球范围内少有的完整保存GLB沉积记录的剖面之一，为弥补高分辨磁性地层记录不足提供了难得的窗口。研究团队在该剖面系统采集并分析了近900块古地磁定向样品，其中309块（35.3%）记录了稳定的剩磁信号并通过了原生性检验。基于这些样品，研究人员重建了约262.5–258.75 Ma之间的磁性地层序列，共识别出29个磁极性带，极性倒转频率高达约11次/百万年。全球对比表明，地磁场极性快速变化与同期超大陆聚合、火山活动、海平面变化及生物环境变化在时间上基本一致（图1）。
图1. 二叠纪重大地质和生物事件对比。（a）地磁场极性和强度变化；（b）主要的火山活动；（c）海平面变化及潘基亚超大陆聚合/裂解；（d）全球碳同位素变化；（e）生物多样性变化。EGME和EPME分别表示晚瓜德鲁普世和二叠纪末生物灭绝。
深部过程如何影响地球表层环境？
晚石炭世至中二叠世经历了漫长的基亚曼负极性超时（Kiaman Reversed Superchron, KRS，约318-265 Ma），地磁场长期稳定。KRS结束、Illawarra倒转（IR）开始后，地磁场极性倒转频率逐渐升高，并在约260 Ma前后达到峰值。研究提出，潘基亚（Pangea）超大陆聚合过程中俯冲下沉的冷板片可能在该时期到达下地幔甚至核幔边界，扰动下地幔热结构，增强核幔边界热通量的横向不均一性，从而影响地核发电机的稳定性，导致地磁场极性倒转变得异常频繁。
这一时期同时伴随着峨眉山大火成岩省活动、全球海平面处于低位，以及碳循环和生物多样性的显著波动。传统观点多将环境与生物危机归因于火山喷发和构造变化。新发现提示，地磁不稳定可能构成一个额外的深部强迫因素：地磁场极性频繁倒转期间可能伴随地磁场强度同步减弱，地磁场防护能力下降，导致更多宇宙射线与太阳风高能粒子进入高层大气，进而可能加剧臭氧损耗、增强地表紫外辐射。
不过，目前观测到的仍是时间上的相关性，因果关系尚未得到证实。例如，火山活动释放的卤代烃等物质本身就可能是臭氧损耗的重要驱动力。地磁效应究竟是“推波助澜”，还是同期发生的伴随现象，仍需进一步检验。
亮点：深部-表层耦合的新线索
该研究弥补了中-晚二叠世之交磁性地层记录的不足，为理解地球深部过程与表层宜居环境之间的长期耦合提供了新线索。地磁场极性倒转本身是地磁场演化的正常现象，其对生物圈的实际影响程度，仍是一个开放而重要的科学问题。
未来，结合更高分辨率的古地磁场极性和强度测定、全球多剖面对比以及地球动力学和生物环境响应模拟，有望更清晰地描绘这幅“深部-表层”联动图景。毕竟，地球的宜居性，从来不只是地球表层的故事。
作者与资助
中国科学院地质与地球物理研究所章敏博士为论文第一作者，中国科学院地质与地球物理研究所潘永信研究员和南京大学沈树忠教授为论文通讯作者。合作作者包括中国科学院地质与地球物理研究所朱日祥研究员、邓成龙研究员、秦华峰副研究员、卫弼天博士、石平原博士生、侯祎斐博士、祁锴贤博士，荷兰乌特勒支大学Wout Krijgsman教授，奥地利维也纳自然资源与生命科学大学Pavle Arsenović教授，中国科学院南京地质古生物研究所张华研究员、张以春研究员，中国矿业大学（徐州）袁东勋教授。
该研究受到国家自然科学基金（42388101和42293280）资助。
研究论文
https://doi.org/10.1093/nsr/nwag647
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发布时间：2026-11-02 15:41:18
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