日本高知大學海洋核心國際研究所的山本裕二教授、法國國家科學研究中心·索邦大學的Baurila Sura博士、九州大學研究生院理學研究院的高橋太副教授、美國猶他大學的Lippert C. Peter副教授等人組成的國際研究團隊，通過對約4000萬年前深海沈積物中留存的古地磁性記錄進行高精度解析，成功識別出當時發生的兩次磁場反轉事件。分析結果顯示，這兩次反轉分別持續了約1.8萬年和約7萬年，遠遠超出了既往普遍認為的「磁場反轉約在1萬年內完成」的認知。相關研究成果已發表在《Communications Earth & Environment》上。
圖1 IODP Site U1408沉積物岩芯綜合層序數據
(a) 為古地磁極性層序、岩相以及掃描型螢光X射線（XRF）分析獲得的Ca/Fe比數據。在沉積物岩芯中呈現的週期性岩相變化中，深色部分對應黏土質沉積物，淺色部分對應碳酸鹽質沉積物。基於元素組成的岩相週期性（對應地軸傾斜角變化、約4萬年周期），在圖中以縱向虛線所示的約17.3萬年的相對長週期波動的作用下，形成束狀集合。該長週期是通過對高分辨率（2厘米間隔）獲取的XRF Ca/Fe比數據應用振幅調變（AM）法，並從其振幅光譜中檢測得出。圖中的譜線表示基於元素組成的岩相週期性，縱向箭頭所示的譜線分支，追蹤了約17.3萬年的長週期變動。
(b) 為研究區間的放大圖。除XRF Ca/Fe數據與色反射率L*數據外，同時還展示了應用高斯帶通濾波器（1.1±0.5cycles/m）後的濾波輸出，提取了基於元素組成的週期性。（供圖：高知大學，根據論文「Extraordinarily long duration of Eocene geomagnetic polarity reversals」中的Figure1改繪）
圖2 始新世中期兩次磁場反轉期間觀測到的地磁變化
(a) 地磁極性的變化。
(b) 虛擬地磁極（VGP）緯度的變化。細線為沉積物岩芯分析結果，粗線為解釋結果（黑：正常期；藍：前兆期；紅：主反轉期；綠：恢復期）。
(c) 地磁強度標么制（RPI）的變化。細線為沉積物岩芯分析結果，粗線為解釋結果（黑：正常期或過渡期；紅：強度極小期）。在磁場反轉前後可觀測到強度極小期。（供圖：高知大學，根據論文「Extraordinarily long duration of Eocene geomagnetic polarity reversals」中的Figure3改繪）
地磁場由地球內部液態金屬（鐵、鎳）的對流運動引發的電磁感應現象（地磁發電機效應）產生，據稱約在42億年前就已形成。這一磁場在地球歷史中持續變動，有時會反復發生南北極互換的磁場反轉。
根據近年來基於沉積物和火山岩記錄的研究，在過去的180萬年內的四次反轉中，估計方向變化完成需要約1000至12000年。此外，在記錄了78萬年前～1700萬年前以及1.8億年前兩個時期共七次地磁反轉的熔岩流層中，發現反轉過程由前兆期（約2500年）、主反轉期（約1000年）和恢復期（約2500年）三個階段構成，此前普遍認為反轉在1萬年左右完成。
然而，在地球歷史中，僅在最近的約1.7億年間就發生了約540次磁場反轉，而完成詳細解析的還不到其中的1%。
研究團隊對在西北大西洋洋脊附近、紐芬蘭近海實施的國際綜合海洋鑽探計畫（IODP）第342航次中，從鑽探站位U1408採集的始新世中期（約3840萬～4320萬年前）深海沈積物岩芯，進行了高精度古地磁分析。
U1408沉積物岩芯具有每千年約2.4厘米的相對較高的沉積速率，且通過化學、物理數據可觀測到清晰層相變化的連續沉積物。研究團隊將掃描型X射線螢光分析得到的元素組成（Ca/Fe）比，與地軸傾斜角變化及約17.3萬年周期的天文循環相關的沉積節律相結合，構建了高精度的年代模型。
針對厚度達8米的反轉區間，使用以2厘米間隔採集的單個樣品進行了磁性分析，排除了連續樣品可能出現的信號平滑化效應。結果證實，主要的磁性載體為生物成因微粒磁鐵礦，從而獲得了忠實記錄當時地磁的高質量數據集。通過古地磁方向變化計算虛擬地磁極（VGP）緯度變化，並結合地磁強度標么制（RPI）變化，清晰地確定了始新世的兩個磁場反轉區間。
通過對沉積物岩芯的詳細解析，研究團隊高精度復原了沉積物厚度50厘米與170厘米的兩個反轉區間。基於年代模型推算，兩次反轉的持續時間分別為1.8萬±3000年和7萬±6000年，大幅超過了此前認為的反轉約在1萬年時間尺度上完成的認知，而是極長期的反轉過程。特別是後半段的反轉，觀測到了前兆期→主反轉期→恢復期多次反復出現的複雜行為。
這種多階段行為在最近的反轉（約77萬年前，布容—松山反轉）中也曾有過報導，表明磁場反轉本身可能是多樣且複雜的現象。
最新數值模擬指出，反轉持續時間分佈範圍廣泛，長期化的情況也可能自然發生。研究團隊利用自主研發的地球發電機模型，對160次反轉事件進行了分析，結果證實反轉持續時間呈對數常態分布。將數值模擬結果換算為實際地球時間後發現，最長可持續約3.3萬～13萬年。
此次研究確定的兩次反轉均在這一範圍內，從理論上證實了這一現象完全可能發生。此外，沉積物岩芯與模型兩者都觀測到了反轉過程中出現前驅性方向變化以及多次「反轉未遂」的複雜磁場行為。
反轉持續時間的巨大差異反映了地球發電機本身固有的變動特性，是從實證上證明磁場反轉可能大幅超過1萬年、呈現長期化的重要成果。由於反轉持續時間存在緯度依賴性，因此當時的中高緯度地區可能出現比7萬年更持久的反轉狀態。
如果反轉狀態或地磁強度減弱期持續數萬年以上，來自太陽與宇宙的高能粒子將更容易抵達地表，可能對始新世地球表層環境乃至生物活動、地球化學循環產生影響。磁場減弱與環境變化的關聯性，是今後亟待驗證的重要科學課題。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Communications Earth & Environment
論文：Extraordinarily long duration of Eocene geomagnetic polarity reversals
DOI：10.1038/s43247-026-03205-8
