日本高知大学海洋核心国际研究所的山本裕二教授、法国国家科学研究中心·索邦大学的Baurila Sura博士、九州大学研究生院理学研究院的高桥太副教授、美国犹他大学的Lippert C. Peter副教授等人组成的国际研究团队，通过对约4000万年前深海沉积物中留存的古地磁记录进行高精度解析，成功识别出当时发生的两次磁场反转事件。分析结果显示，这两次反转分别持续了约1.8万年和约7万年，远远超出了既往普遍认为的“磁场反转约在1万年内完成”的认知。相关研究成果已发表在《Communications Earth & Environment》上。
图1 IODP Site U1408沉积物岩芯综合层序数据
(a) 为古地磁极性层序、岩相以及扫描型荧光X射线（XRF）分析获得的Ca/Fe比数据。在沉积物岩芯中呈现的周期性岩相变化中，深色部分对应黏土质沉积物，浅色部分对应碳酸盐质沉积物。基于元素组成的岩相周期性（对应地轴倾斜角变化、约4万年周期），在图中以纵向虚线所示的约17.3万年的相对长周期波动的作用下，形成束状集合。该长周期是通过对高分辨率（2厘米间隔）获取的XRF Ca/Fe比数据应用振幅调制（AM）法，并从其振幅光谱中检测得出。图中的谱线表示基于元素组成的岩相周期性，纵向箭头所示的谱线分支，追踪了约17.3万年的长周期变动。
(b) 为研究区间的放大图。除XRF Ca/Fe数据与色反射率L*数据外，同时还展示了应用高斯带通滤波器（1.1±0.5cycles/m）后的滤波输出，提取了基于元素组成的周期性。（供图：高知大学，根据论文“Extraordinarily long duration of Eocene geomagnetic polarity reversals”中的Figure1改绘）
图2 始新世中期两次磁场反转期间观测到的地磁变化
(a) 地磁极性的变化。
(b) 虚拟地磁极（VGP）纬度的变化。细线为沉积物岩芯分析结果，粗线为解释结果（黑：正常期；蓝：前兆期；红：主反转期；绿：恢复期）。
(c) 地磁强度相对值（RPI）的变化。细线为沉积物岩芯分析结果，粗线为解释结果（黑：正常期或过渡期；红：强度极小期）。在磁场反转前后可观测到强度极小期。（供图：高知大学，根据论文“Extraordinarily long duration of Eocene geomagnetic polarity reversals”中的Figure3改绘）
地球磁场由地球内部液态金属（铁、镍）的对流运动引发的电磁感应现象（地磁发电机效应）产生，据称约在42亿年前就已形成。这一磁场在地球历史中持续变动，有时会反复发生南北极互换的磁场反转。
根据近年来基于沉积物和火山岩记录的研究，在过去的180万年内的四次反转中，估计方向变化完成需要约1000至12000年。此外，在记录了78万年前～1700万年前以及1.8亿年前两个时期共七次地磁反转的熔岩流层中，发现反转过程由前兆期（约2500年）、主反转期（约1000年）和恢复期（约2500年）三个阶段构成，此前普遍认为反转在1万年左右完成。
然而，在地球历史中，仅在最近的约1.7亿年间就发生了约540次磁场反转，而完成详细解析的还不到其中的1%。
研究团队对在西北大西洋海岭附近、纽芬兰近海实施的国际综合大洋钻探计划（IODP）第342航次中，从钻探站位U1408采集的始新世中期（约3840万～4320万年前）深海沉积物岩芯，进行了高精度古地磁分析。
U1408沉积物岩芯具有每千年约2.4厘米的相对较高的沉积速率，且通过化学、物理数据可观测到清晰层相变化的连续沉积物。研究团队将扫描型X射线荧光分析得到的元素组成（Ca/Fe）比，与地轴倾斜角变化及约17.3万年周期的天文循环相关的沉积节律相结合，构建了高精度的年代模型。
针对厚度达8米的反转区间，使用以2厘米间隔采集的单个样品进行了磁性分析，排除了连续样品可能出现的信号平滑化效应。结果证实，主要的磁性载体为生物成因微粒磁铁矿，从而获得了忠实记录当时地磁的高质量数据集。通过古地磁方向变化计算虚拟地磁极（VGP）纬度变化，并结合地磁强度相对值（RPI）变化，清晰地确定了始新世的两个磁场反转区间。
通过对沉积物岩芯的详细解析，研究团队高精度复原了沉积物厚度50厘米与170厘米的两个反转区间。基于年代模型推算，两次反转的持续时间分别为1.8万±3000年和7万±6000年，大幅超过了此前认为的反转约在1万年时间尺度上完成的认知，而是极长期的反转过程。特别是后半段的反转，观测到了前兆期→主反转期→恢复期多次反复出现的复杂行为。
这种多阶段行为在最近的反转（约77万年前，布容—松山反转）中也曾有过报道，表明磁场反转本身可能是多样且复杂的现象。
最新数值模拟指出，反转持续时间分布范围广泛，长期化的情况也可能自然发生。研究团队利用自主研发的地球发电机模型，对160次反转事件进行了分析，结果证实反转持续时间呈对数正态分布。将数值模拟结果换算为实际地球时间后发现，最长可持续约3.3万～13万年。
此次研究确定的两次反转均在这一范围内，从理论上证实了这一现象完全可能发生。此外，沉积物岩芯与模型两者都观测到了反转过程中出现前驱性方向变化以及多次“反转未遂”的复杂磁场行为。
反转持续时间的巨大差异反映了地球发电机本身固有的变动特性，是从实证上证明磁场反转可能大幅超过1万年、呈现长期化的重要成果。由于反转持续时间存在纬度依赖性，因此当时的中高纬度地区可能出现比7万年更持久的反转状态。
如果反转状态或地磁强度减弱期持续数万年以上，来自太阳与宇宙的高能粒子将更容易抵达地表，可能对始新世地球表层环境乃至生物活动、地球化学循环产生影响。磁场减弱与环境变化的关联性，是今后亟待验证的重要科学课题。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Communications Earth & Environment
论文：Extraordinarily long duration of Eocene geomagnetic polarity reversals
DOI：10.1038/s43247-026-03205-8
