古地磁気学

古地磁気学（古地磁気学とも呼ばれる）は、岩石、堆積物、考古学的資料に記録された先史時代の地球の磁場を研究する学問です。古地磁気学を専門とする地球物理学者は古地磁気学者と呼ばれます。

岩石中の特定の磁性鉱物は、その形成時の地球の磁場の方向と強度を記録することができます。この記録は、地磁気の過去の挙動と構造プレートの過去の場所に関する情報を提供します。火山岩と堆積岩の層序に保存された地磁気反転の記録(地磁気層序) は、地質年代学のツールとして使用される時間スケールを提供します。

古地磁気学の証拠は、大陸移動説の復活と、それが現代のプレートテクトニクス理論へと転換することにつながった。見かけ上の極移動経路は大陸移動の最初の明確な地球物理学的証拠となり、海洋磁気異常は海底拡大の証拠となった。古地磁気データは、大陸と大陸の断片 (テレーン)の古代の位置と動きを制限しながら、プレートテクトニクスの歴史を時間的に遡り続けている。

古地磁気学の分野には、月の岩石や隕石など、太陽系の他の天体からのサンプルの同等の測定も含まれており、それらの天体の古代の磁場やダイナモ理論を調査するために使用されています。古地磁気学は岩石磁気の発展に依存しており、生体磁気、磁性組織（岩石や土壌の歪み指標として使用）、環境磁気と重複しています。

18世紀には早くも、磁化された露頭の近くで方位磁針がずれていることが指摘されていた。 1797年、アレクサンダー・フォン・フンボルトはこの磁化の原因を落雷と考えた（落雷はしばしば地表の岩石を磁化する）。^{[2] [3] [4]} 19世紀の岩石の磁化方向の研究では、最近の溶岩の一部が地球の磁場と平行に磁化されていることが示された。20世紀初頭には、ダヴィッド、ベルナール・ブリュンヌ、ポール・ルイ・マーカントンによる研究で、多くの岩石が磁場と反平行に磁化されていることが示された。日本の地球物理学者松山基紀は1920年代後半に、地球の磁場が第四紀中期に逆転したことを示し、現在ではブリュンヌ・松山逆転と呼ばれている。^{[5] [3]}

イギリスの物理学者PMS ブラックエットは、 1956 年に高感度の無静磁力計を発明し、古地磁気学に大きな推進力を与えました。彼の目的は、地磁気が地球の自転に関連しているという彼の理論を検証することでしたが、彼は最終的にこの理論を否定しました。しかし、無静磁力計は古地磁気学の基本的なツールとなり、大陸移動説の復活につながりました。

アルフレッド・ウェゲナーは1915年に、大陸はかつてはつながっていたが、その後離れていくという説を初めて提唱した。^{[6] [7]}彼は状況証拠を豊富に提示したが、彼の理論は2つの理由からほとんど受け入れられなかった。(1)大陸移動のメカニズムが知られていなかった、(2)大陸の移動を時間とともに再現する方法がなかった。キース・ランコーン^[8]とエドワード・A・アーヴィング^{[9]は、ヨーロッパと北アメリカの}見かけの極移動経路を作成した。これらの曲線は分岐していたが、大陸が2億年前まで接触していたと仮定すれば調和することができた。これは大陸移動の最初の明確な地球物理学的証拠となった。その後1963年に、モーリー 、ヴァイン、マシューズは海洋磁気異常が海底拡大の証拠となることを示

古地磁気学はさまざまなスケールで研究されています。

• 地磁気の永年変化とは、地球の磁場の方向と強度の小規模な変化です。磁北極は、地球の自転軸に対して常に移動しています。磁気はベクトルであるため、磁場の変化は、磁気偏角と磁気傾斜の古方向測定と古強度測定によって研究されます。

• 地磁気層序学では、岩石に記録された地球の磁場の極性反転履歴を利用して、それらの岩石の年代を決定します。反転は地球の歴史を通じて不規則な間隔で発生しています。これらの反転の年代とパターンは、海底拡大帯の研究と火山岩の年代測定から知られています。

古地磁気学の研究は、磁鉄鉱などの鉄を含む鉱物が地球の磁場の過去の極性を記録している可能性があるため可能です。岩石の磁気シグネチャは、いくつかの異なるメカニズムによって記録できます。

玄武岩やその他の火成岩に含まれる鉄チタン酸化物鉱物は、岩石がそれらの鉱物のキュリー温度まで冷却されると、地球の磁場の方向を保存する可能性があります。スピネルグループの酸化鉄である磁鉄鉱のキュリー温度は約 580 °C (1,076 °F) ですが、ほとんどの玄武岩と斑れい岩は 900 °C (1,650 °F) 未満の温度で完全に結晶化します。したがって、鉱物粒子は地球の磁場と一致するように物理的に回転するのではなく、その磁場の方向を記録します。このように保存された記録は、熱残留磁化 (TRM) と呼ばれます。

火成岩が結晶化後に冷却すると複雑な酸化反応が起こることがあるため、地球の磁場の方向は必ずしも正確に記録されるわけではなく、また記録が必ずしも維持されるわけでもない。しかし、海洋地殻の玄武岩には記録が十分に保存されており、プレートテクトニクスに関連する海底拡大の理論の発展に重要な役割を果たしてきた。

TRMは陶器 窯、炉、焼かれた日干しレンガの建物にも記録される。考古学的資料の熱残留磁化の研究に基づく学問は考古磁気年代測定法と呼ばれる。^[10]ニュージーランドのマオリ族は陶器を作りませんが、700～800年前の蒸気炉、つまりハンギからは十分な考古磁気資料が得られます。^[11]

全く異なるプロセスでは、堆積物中の磁性粒子が堆積中または堆積直後に磁場と整列することがあります。これは堆積残留磁化として知られています。粒子が堆積するときに磁化が獲得された場合、その結果は堆積性堆積残留磁化です。堆積後すぐに磁化が獲得された場合、それは堆積後堆積残留磁化です。^[12]

3 つ目のプロセスでは、磁性粒子が化学反応中に成長し、形成時の磁場の方向を記録します。この磁場は化学的残留磁化(CRM) によって記録されると言われています。一般的な形態は、別の酸化鉄である鉱物ヘマタイトによって保持されます。ヘマタイトは、磁鉄鉱を含む岩石内の他の鉱物の化学酸化反応によって形成されます。赤色層、砕屑性堆積岩 (砂岩など) が赤色なのは、堆積続成作用中に形成されたヘマタイトが原因です。赤色層の CRM の特徴は非常に有用であり、磁気層序研究の一般的な対象となっています。^[13]

一定の温度で得られる残留磁化は等温残留磁化（IRM）と呼ばれる。この種の残留磁化は古地磁気学には役立たないが、落雷の結果として得られることがある。落雷によって生じる残留磁化は、その強度の高さと数センチメートルのスケールでの方向の急激な変化によって区別できる。^{[14] [13]}

IRM は、多くの場合、鋼鉄コアバレルの磁場によってドリルコアに誘導されます。この汚染物質は一般にバレルと平行であり、そのほとんどは、約 400 °C まで加熱するか、小さな交流磁場で消磁することで除去できます。実験室では、さまざまな強度の磁場を適用することで IRM が誘導され、岩石磁気のさまざまな目的で使用されます。

粘性残留磁化は、一定期間磁場の影響を受けた強磁性材料によって得られる残留磁化です。岩石では、この残留磁化は通常、現代の地磁気の方向に整列します。岩石の全体的な磁化のうち粘性残留磁化の割合は、磁性鉱物学に依存します。

海底にある最も古い岩石は 2 億年前のものです。これは、38 億年前の最も古い大陸の岩石と比べると非常に若いものです。2 億年前より古い古地磁気データを収集するために、科学者は陸上の磁鉄鉱を含むサンプルを採取して、地球の古代の磁場の向きを再構築します。古地磁気学者は、多くの地質学者と同様に、岩石の層が露出しているため、露頭に惹かれます。道路の切り込みは、人工的に露頭を見つけるのに便利です。

「そして、この半マイルの[道路掘削]沿いのいたるところに、小さくてきれいに掘られた穴がたくさんある...ミソサザイやムラサキツバメのヒルトンのようだ。」^[15]

サンプリングの主な目的は 2 つあります。

1. 正確な方向でサンプルを取得し、
2. 統計的な不確実性を軽減します。

最初の目標を達成する方法の 1 つは、ダイヤモンド ビットを先端に取り付けた岩石コアリング ドリルを使用することです。ドリルは岩石の周囲に円筒形の空間を切り出します。この空間にコンパスと傾斜計を取り付けたパイプを挿入します。これらによって方向がわかります。この装置を取り外す前に、サンプルにマークを付けます。サンプルを切断した後、マークを鮮明にするために拡大することができます。^[16]

逆転と極移動の古地磁気証拠は、1960年代と1970年代に大陸移動とプレートテクトニクスの理論を検証するのに役立ちました。古地磁気証拠をテレーンの歴史を再構築するために適用したいくつかの事例は、論争を引き起こし続けています。古地磁気証拠は、岩石やプロセスの可能な年代を制限したり、地殻の一部の変形履歴を再構築したりするためにも使用されます。^[4]

逆転磁気層序学は、化石や人類の化石が発見された遺跡の年代を推定するのによく使われます。^[17]逆に、化石の年代が分かっている場合、古地磁気データから化石が堆積した緯度を特定することができます。このような古緯度は、堆積当時の地質環境に関する情報を提供します。古地磁気研究は地質年代学的手法と組み合わせて、磁気記録が保存されている岩石の絶対年代を決定します。玄武岩などの火成岩の場合、一般的に使われる手法には、カリウム-アルゴン地質年代学やアルゴン-アルゴン地質年代学などがあります。

• 地球物理学 – 地球とその周辺の物理学
• 磁気化学 – 化合物の磁気特性の研究
• 古気候学 – 古代の気候の変化の研究
• プレート再構築 – 地質学上の過去のプレートの位置を再構築するプロセス
• 岩石磁性 - 岩石の磁性の研究

ウィキブック歴史地質学には、古地磁気年代測定に関するページがあります。

• 地磁気と古地磁気の背景資料
• NGDC / WDC ボルダーからの古地磁気データ
• 偉大な磁石、地球
• スクリップス海洋研究所の古地磁気データベース (MagIC)