准确约束地磁场形态及其时空变化规律是理解地磁场产生与演化机制的重要基础，是地球科学发展规划提出的需要优先关注的核心科学问题之一。地磁场形态蕴含着关于地核演化过程和地球深部动力学机制的关键信息。同时，地磁场形态与磁层屏蔽宇宙辐射的效率息息相关，进而影响地球表面环境的宜居性。在古地理重建方面，地磁场形态为定量恢复板块古地理位置提供了重要依据，但这一应用的基本假设是地磁场长期保持稳定的地心轴向偶极子场形态（图1）。然而，学界对元古宙（距今约25-5亿年）时期地磁场形态存在争议。有研究提出，在元古宙中期，地磁场形态不满足地心轴向偶极子场模型，而是表现为正交四极子场；还有学者认为，该时期地磁场中含有显著的轴向四极子场或八极子场成分，占比高达近30%。这些非偶极子场成分如果存在，将对估算板块古地理位置造成显著影响，进而阻碍我们对板块运动以及板块间的构造作用的理解。

图1:（左）现代地磁场符合地心轴向偶极子场模型。（右）在地心轴向偶极子场模型下，板块古纬度与地磁倾角存在一一对应关系，据此可对板块古地理位置定量恢复。

为解决此争议，必赢242net龚政研究员与国际学者开展合作，创新性地采用Kent和Bingham球面统计方法，定量评估地磁极空间分布的集中度和椭度，为地磁场形态分析提供了新的统计工具。该方法弥补了传统单纯使用Fisher统计方法的局限性。同时，针对前人研究中处理非偶极子场时出现的数学不连续性问题，该研究提出了改进计算方程，确保了分析结果符合地磁场变化的物理规律。

图2:(A) 约12.7亿年劳伦大陆和波罗的大陆的古地理相对位置重建模型。黄色和绿色圆圈显示12.7亿年基性岩墙的采样点位置。(B, C) 不同轴向非偶极子场贡献下地磁极空间分布和球面统计。红色菱形代表地磁极的平均值，绿色菱形显示采样点位置的平均值。白色菱形显示地心轴向偶极子场情形，白色等值线为零假设（即非偶极子场与GAD场统计参数没有显著差异）的p值。

该研究筛选了从火成岩中获得的高质量可靠古地磁学结果，涵盖了从24.5到7.2亿年的多个关键时间段，结合基于地质证据构建的板块重建模型，对元古宙中期地磁场形态进行了定量约束（图2）。研究结果支持元古宙中期地磁场由地心轴向偶极子场所主导。通过定量分析发现，元古宙地磁场可能包含约10-15%的轴向八极子场成分，这一比例远低于此前研究提出的近30%的数值。该研究进一步对元古宙中期轴向八极子场可能造成的板块古地理位置估算偏差进行了评估（图3）。结果显示，约10-15%的轴向八极子场成分将导致古纬度估算产生约10°的浅化偏差，此偏差的程度虽然不足以解释元古宙雪球地球时期出现的低纬度冰川记录，但可以合理化某些元古宙蒸发岩记录的古纬度分布异常。

图3:由轴向八极子场成分变化引起的古纬度估算偏差

该研究为约束元古宙地磁场形态提供了定量化的解决方案。改进的统计方法不仅适用于元古宙研究，还可推广应用于其他地质时期。研究还指出，需要结合独立于古地磁学的地质证据构建古地理重建模型以扩大古地磁数据的空间分布范围，从而进一步提高对地磁场形态的约束精度，这对理解地核结构与成分演化、核幔物质能量交换模式以及地磁场变化的表层响应等科学问题具有重要参考价值。

该研究成果近期发表于国际地学自然指数（Nature Index）期刊《Earth and Planetary Science Letters》。龚政研究员为论文的第一兼通讯作者，合作作者包括耶鲁大学David Evans教授、哈佛大学Roger Fu教授以及普林斯顿大学徐昇博士。该研究得到地球深部探测与矿产资源勘查国家科技重大专项等项目的资助。

论文信息： Zheng Gong^*, David A.D. Evans, Roger R. Fu, and Sheng Xu. 2025. Reassessing the geocentric-axial-dipole (GAD) model for Proterozoic time with paleomagnetic directions from dike swarms. Earth and Planetary Science Letters.https://doi.org/10.1016/j.epsl.2025.119508.

图文：龚政

审核：陈天宇