地磁场是保护地球免受太阳风侵袭的重要屏障，也是连接地球深部动力学过程与地表环境演化的重要纽带。目前认为在足够长的时间尺度上，地磁场主要表现为“地心轴向偶极子场”（Geocentric Axial Dipole，GAD）形态，即类似一个位于地球中心、并与地球自转轴平行的巨大条形磁铁所产生的磁场。这种相对稳定的磁场结构不仅塑造了现代地球磁环境，也是古地磁学重建古大陆位置和板块运动历史的重要理论基础。
然而，真实的地磁场并非完全由偶极子场构成。现代观测表明，在偶极子场占主导的同时，还存在一定比例的四极子场、八极子场等高阶多极子成分。这些非偶极子成分变化更快，会使地磁场结构更加复杂，并可能影响对宇宙辐射的屏蔽能力。长期以来，古地磁学者一直试图利用岩石携带的地磁记录追溯地磁场在深时尺度上的演化历史。但受限于数据条件和研究方法，绝大多数研究主要利用磁倾角信息来探讨轴向偶极子和多极子场的贡献，而古地磁方向中的另一半关键信息——磁偏角——尚未得到充分利用。
那么，早期地球是否曾拥有复杂的磁场结构？地磁场又是如何演化为以偶极子场为主导的状态？这一过程是否与地核的结构与能量演化历史有关？这些问题不仅关系到地核发电机的演化，也与地球宜居环境的形成和维持密切相关。
图1研究区地质简图及古地磁数据分布
针对上述科学问题，南京大学龚政研究员及其合作者对波罗的大陆（Baltica）约14.6亿年前的火成岩开展了高精度古地磁学和年代学研究，并结合独立地质证据约束的大陆古地理位置重建模型，对元古宙中期地磁场结构进行了定量分析。研究突破以往主要依赖磁倾角信息的传统方法，同时综合利用古地磁方向中的磁倾角和磁偏角信息，通过比较不同大陆同时代视极移曲线（Apparent Polar Wander Path, APWP）的匹配程度，评估不同地磁场模型与观测数据之间的吻合度。
研究结果显示，约14.6亿年前的地磁场包含约20%–25%的轴向八极子场成分。这一非偶极子贡献能够显著改善波罗的大陆与劳伦大陆（Laurentia）视极移曲线之间的不匹配现象，表明当时的地磁场并非简单的偶极子场，而是具有明显更复杂的空间结构。
进一步分析发现，在约14亿至11亿年前期间，地磁场偶极子主导程度的下降与古地磁场强度减弱基本同步，暗示高阶多极子成分可能在控制地磁场强度变化过程中发挥重要作用。研究进一步提出，元古宙中期复杂的地磁场结构可能与Nuna超大陆时期核幔边界热流分布的变化有关，反映了地球深部动力学过程对地核发电机行为的重要影响。
图2不同轴向四极子(G2)和八极子(G3)成分条件下，波罗的大陆与劳伦大陆古地磁极之间的角度差变化
该研究为认识元古宙中期地磁场结构提供了新的定量证据，深化了对地球磁场长期演化规律的理解，也为探索地核发电机机制、地球内核演化历史，以及深部过程与地表宜居环境之间的联系提供了新的视角。
相关成果近日发表于Earth and Planetary Science Letters。南京大学龚政研究员为论文第一作者和通讯作者，合作作者包括耶鲁大学David A. D. Evans教授、Luleå University of Technology的Sten-Åke Elming教授以及南京大学李永祥教授。研究获得南京大学科研启动经费等项目资助。
论文信息
Gong, Z.*, Evans, D. A. D., Elming, S.-Å. & Li, Y. X. (2026).Evaluating the dipolarity of the mid-Proterozoic geomagnetic field. Earth and Planetary Science Letters, 690,120172. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0012821X26003535.
图文：龚政
审核：曾罡
