古老巖石裡的磁場，記錄著地球生命的起源，也有著我們生命的起始
從澳大利亞西部傑克山區地表裸露巖層中挖掘出來的微觀礦物質，因其帶有42億年前地球磁場的痕跡，因此一直都是地質學重點研究的對象。這幾乎和地球開始形成的時期相仿，並且比先前提出的地球磁場的起源時間早了將近10億年。
這個起源故事也許聽起來很有趣，但是一支由麻省理工學院領導的小組卻發現了截然相反的證據。發表在《科學進展》（Science Advances）中的一篇論文表明，該小組檢測了從同一裸露巖層中挖掘出的一個名為「鋯石」的同種晶體，他們得出的結論是，將採集到的鋯石晶體作為古代磁場的記錄體是不可靠的。
換句話來說，對地球磁場是否在35億年前就已經存在的問題，目前仍然沒有定論。
「現在沒有表明磁場在35億年前就已存在的充分證據。即使是真的，也很難從傑克山區的鋯石中找到答案」，來自麻省理工學院地球、大氣和行星科學系（EAPS）的研究生Caue Borlina說，「從一定程度上來說，這是個重要的發現結果，至少我們知道不該在哪些地方繼續尋找答案」。
Borlina是該論文的第一作者，其中還包括同樣來自麻省理工學院地球、大氣和行星科學系（EAPS）的Benjamin Weiss教授、首席研究員Eduardo Lima和Jahandar Ramezan研究員和來自劍橋大學、哈佛大學、加州大學洛杉磯分校、阿拉巴馬大學和普林斯頓大學的其他人。
這也激起了該領域的研究討論。
我們認為，地球磁場在地球宜居度方面扮演著重要角色。它不僅僅決定了我們指南針上標記的方向，更起到了偏轉太陽風的屏障作用。如若沒有磁場，我們的大氣層就會被太陽風侵蝕。
科學家們都知道如今地球的磁場是受這顆行星的液態鐵心的凝固所影響控制的。鐵心的冷卻和結晶電流會激發地心周圍的液態鐵，從而產生了強大的電流，進而產生放射延伸到宇宙空間的磁場。這種地球磁場也被稱為地球發電。
多種證據證明，地球的磁場已經存在了至少35億年。然而人們普遍認為，地心在10億年前開始凝固，這意味著磁場在早於10億年前就已經被某些機制所掌控。準確地確定磁場的形成時間可以幫助科學家弄清楚磁場在開始時是如何產生的。
Borlina說，「地球的磁場起源也可以弄清楚地球初期的生命形成的早期條件，地球的生命開始出現在地球產生後的第一個十億年裡，也就是在44億年到35億年間」
「不能相信鋯石」
科學家傳統上利用古老的巖石裡的物質來測定地球磁場變化的時間和頻率密集度。隨著巖石形成和冷卻，單個晶粒的電子可以向周圍磁場的方向移動。一旦巖石冷卻超過一定溫度，即居裡溫度，電子的運動方向就會固定在石頭上。科學家可以確定石頭裡原子的年齡，並使用標準磁強計測量他們的方向，從而估計地球磁場在給定時間點的強度和方向。
自從2001年，Weis和他的團隊一直在研究Jack 山脈的巖石和鋯石的磁化，他們挑戰性的目標是確定它們是否包含著地球磁場的原始老記錄。
「傑克山（Jack Hills）鋯石是古地磁學研究歷史中最脆弱的磁性物體之一。」外斯（Weiss）說，「更重要的是，這些鋯石包含了已知最古老的地球物質，這就意味著許多地質活動能夠重置它們的磁紀錄。」
在2015年，一個研究傑克山鋯石的獨立調查小組聲稱他們找到了證據。這個證據可以證明鋯石中的磁性物質可以追溯到42億年前——這也是證明地球的磁場在35億年前已經存在了的第一個證據。但是，該小組成員柏林納（Borlina）指出，團隊仍無法確認該磁性物質的準確形成時間，究竟是在42億年前鋯石晶體形成的過程之中還是形成以後。這個問題將會是他和他的團隊未來的研究目標。
在傑克山同一片露出地面的巖層，柏林納、外斯和他們同事還收集了一些巖石，並從這些樣品中提取了3,754個鋯石顆粒。而每個鋯石顆粒的長度大約在150微米——約等於人類頭髮的寬度。他們運用了標準的測定技術，檢測出每個鋯石顆粒的年齡，大約在10億到42億年的範圍之內。
通過排查，大約有250個鋯石晶體的年齡大於35億年。研究團隊把這些樣品進行獨立分析，企圖尋找有裂縫或第二種物質的跡象，如有些礦物可能會待晶體完全形成後沉積於晶體表面或內部，或者找到證據，證明自他們形成以來的幾十億年裡，他們明顯變熱了。在這250個鋯石之中，他們識別出只有三個鋯石相對純淨，沒有雜質，因此其中可能會包含有合適的磁記錄。
接著，研究團隊對這三個鋯石進行了更為詳細的實驗，為了搞清楚他們可能包含了哪些磁性物質。最終，他們在這三個鋯石中的兩個，發現了一種叫磁鐵礦的磁性礦石。該團隊還利用高解析度量子鑽石磁強計，觀察了兩顆鋯石的截面，為了確定每顆鋯石中磁鐵礦的位置。
研究人員發現磁鐵礦位於鋯石的裂縫或損壞帶上。Borlina說，這些裂縫是允許水和其他元素進入巖石的通道。這樣的裂縫可能讓二次磁鐵礦進入晶體，比鋯石最初形成時要晚得多。不管怎樣，Borlina說證據顯而易見：這些鋯石不能作為地球磁場的可靠記錄。
「鋯石測量記錄的地球磁場，這是我們不能相信的證據」Borlina說。「我們已經證明，在35億年前，我們還不知道地球磁場是什麼時候開始形成的。」
利物浦大學古地磁教授安迪·比金（Andy Biggin）沒有參與這項研究，他說：「對我來說，這些結果對傑克·希爾斯鋯石記錄35億年前古磁場強度的潛力產生了很大的懷疑。」 「也就是說，自2015年以來，這場辯論一直在激烈地進行，即古地磁相當於英國脫歐一樣，如果這是有關此事的定論，我會非常驚訝。我們幾乎不可能證明一種否定的觀點，無論是方法還是解釋都是不容置疑的。」
儘管有這些新的結果，韋斯強調，以前對這些鋯石的磁性分析仍然是非常有價值的。
韋斯說：「原始鋯石磁學研究的團隊在試圖解決這一極具挑戰性的問題時值得稱讚。」 「由於這兩個小組的所有努力工作的結果，我們現在更了解如何研究古代地質材料的磁性。我們現在可以開始將這一知識應用於其他礦物顆粒以及其他行星體的顆粒。」
這項研究得到了國家科學基金會的部分支持。
作者：Jennifer Chu
FY：Astronomical volunteer team
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