第四章地球磁场翻转疑问
地球磁场翻转的观点和大陆漂移的理论形成于20世纪初，那时地球固定论还是地球科学的主流。大陆漂移的理论因动力机制不足而被冷落。与其相反，地球磁场翻转的观点，却因火成岩和沉积岩及洋脊感应剩磁场反向现象不断地被发现，而成为地球科学探讨的主流。
关于地球磁场逆转的观点我们前人并没有如此经历，也没有记载和生物例证。那么地球磁场逆转的观点是如何开始形成的呢？
§1地球磁场的翻转由来
在年法国科学家布容(B.Brunhes)考察司马夫中央山脉地区的火山岩时，意外地发现那里的岩石具有与当代磁场相反方向的磁性。之后，此类现象被发现得情况越来越多，对这方面的研究工作也就越来越深入。
二十多年后的年，松山基范对日本万年以来的火山岩石进行了类似的测量，竟然发现了许多反向的天然剩磁。异常的磁性都出现在一组较老的玄武岩中，而较年轻样品的磁性方向却都与现在地磁场一致。他突发奇想，大胆地提出地球的磁极曾经翻转过：在某些时期，地球的磁北极有可能曾经位于地理南极的附近，而磁南极则靠近地理的北极。
地磁极曾发生倒转的想法太异想天开了。没有多少科学家能相信松山的解释，连他的同胞也不例外。上田诚也当时还是一个刚出校门的地球物理学家。他不但排斥松山的荒诞想法，还试图为磁性倒转这一毋庸争辩的事实找出一种较可信的解释。根据他的实验研究，上田提出了一种可以自倒转现象。到年，他已证明在某些特殊情况下，可以用人工使岩石获得反向磁性。上田的实验很好，但没有解决根本的问题。布容和松山的样品火山岩磁性的确转向过，因此要不是这些岩石经历过上田的特殊处理，就是地球的磁极在某些历史时期确曾发生过度的倒转；因为，其时大家都得承认二者必居其一。
有一种方法可以检验这两种想法孰是孰非。如果松山的主张不谬，那么，反磁性的岩石都应当是在历史上的某个特定时期形成的，年龄应当接近。而其年龄又可以用放射性测年的方法确定。时至年，放射性测年技术已经取得了长足的进展。发表出来的相关年轻玄武岩可靠的纪年数据，证明了松山假定的可信性。所有反极性的玄武岩都是在新生代的上新世晚期和更新世早期形成的，其年龄数据集中在万年到70万年之间，可以说明在这段时间内确曾发生过地磁极的转向。为了纪念松山的贡献，后人把这一磁性地层期称为“松山反极性期”。松山期之后，地球的磁场一直保持极性的现状，称为“正极性期”，延续至今长达70万年，为了纪念布容，称其为“布容期”。
（一）关于物质的剩磁性质
磁性材料被磁化之后，还留有的剩余磁性，剩磁的强弱和方向随磁化时磁性的强弱和方向而定。剩磁(remanentmagnetism)是将铁磁体磁化到一定状态后再逐渐减小外磁场至零时，铁磁体内所保留的磁感应强度，其全称为剩余磁感应强度。
现代工业将剩磁广泛应用于制作永久磁铁。有时也应用剩磁理论制造铁磁材料时，使其剩磁尽量微小。剩磁机理是在外磁场撤消后，铁磁体内部的磁畴并未恢复到原来(未磁化)的混乱排列状态，导致的是剩磁。影响剩磁的因素有：(1)温度。剩磁随温度的上升而减弱，在一定的温度范围内可用剩磁的温度系数来表示。这种温度系数除与材料特性有关外，也与其形状尺寸有关。(2)机械冲击。受冲击会使剩磁减弱，甚至完全消失。原因是强烈的机械震动促使磁畴趋于混乱排列。(3)时效变化。热运行有使磁畴排列趋于混乱的趋势。特别是刚充磁的材料尚处于亚稳态时，剩磁衰退较快，直至过渡到稳态后才转为缓慢衰退。
矫顽力饱和磁滞回线称为矫顽力，是衡量退磁难易程度的物理量。在电流产生的磁场强度的激励下，铁磁材料会被磁化并以感应强度描述磁化程度。磁化后的铁心，若去除电流磁场的激励，铁磁性材料中的磁感应强度虽减小，但并不为零，这种现象称为铁磁材料具有剩磁特性。
铁磁材料的剩磁可通过施加适当的反向磁场，或对其施加高温或振动而减弱或甚至几乎完全消失。
（二）古地磁学
通过测定岩石和某些古器物的天然剩余磁性，分析它们的磁化历史，研究导致它们磁化的地磁场的特征的一门学科。其中以古器物（如古陶器和古砖瓦）为对象研究史前期地磁场特征的称为考古地磁学。
古地磁又称自然剩磁。各个地质时期的岩石常带有一定的磁性，指示其生成时期的磁极参数。统计研究古地磁可了解地球的长期变化，测定一个板块上的地极游移及一个地区的磁系的历史，并用以对比岩石形成的时代。对地史时期的地磁研究就是古地磁学。
古地磁学的研究始于19世纪中叶。德莱斯(A.Deles-se,)和梅洛尼（M.Melloni,）分别对岩石天然剩磁的方向进行了研究，发现这些近代熔岩是沿着地磁场方向磁化的。年福尔盖赖特（G.Folgheraiter）把这种研究扩展到测定古陶器和古砖的天然剩磁，也得到了相同的结果。年谢瓦利埃（R.Chevallier）通过研究埃特纳火山熔岩的剩磁变化，追溯了过去0年间地磁场的长期变化。达维德（P.David,）和布容最先从熔岩中发现了磁化方向与现代地磁场方向相反的岩石，为地磁场倒转学说提供了最早的依据。到了20世纪50年代，古地磁的研究不仅在古地磁场而且在构造地质学和地层学中都得到了广泛应用，并发展成为地磁学的一个重要分支，称为古地磁学。60年代以来，随着技术的进步和各种国际性研究项目的开展，古地磁学的研究得到了蓬勃的发展。
岩石通常含有多种矿物成分，其中或多或少含有一些铁磁性矿物，如火成岩。当岩浆温度降到其中所含的铁磁性矿物的居里点以下，这些矿物被当时当地的地磁场所磁化，从而使得岩石获得磁性。温度继续降到常温以后，一部分磁性被保留下来，成为岩石的剩余磁性，简称剩磁。这样的磁化过程叫热磁化，由此获得的剩余磁性叫热剩磁（简称TRM）。再如沉积岩，一部分磁性是由于组成岩石的磁性矿物碎屑在沉积过程中受到地磁场的作用形成定向排列而获得的，这种磁性叫碎屑剩磁（简称DRM）或沉积剩磁；另一部分磁性是在成岩过程中由于在常温下氧化等化学反应、相变或结晶增长等原因而获得的，其磁化方向也与地磁场密切相关，这部分磁性叫化学剩磁（简称CRM）。除上述3种主要的剩磁之外，还有等温剩磁（简称IRM），粘滞剩磁（简称VRM），压剩磁（简称PRM）等。这些剩磁也都与地磁场有关。岩石在形成时获得的剩磁叫原生剩磁。岩石生成以后，在漫长的地质年代中，由于某些原因再次被磁化而获得的剩磁叫次生剩磁。岩石的天然剩磁包括原生剩磁和次生剩磁两部分。古砖瓦、古陶器等也含有一些磁性矿物，在焙烧过程中也会获得热剩磁，这种热剩磁也与当时的地磁场有关。因此，不论岩石或古文物，都可以提供研究过去某个时期地磁场特征的有价值资料。
由于同一时期生成的岩石不管其处于地球上的哪一部分，它们所获得的磁性都是由当时的地磁场所决定的，彼此相关联，且具有全球的一致性。因此，可以通过各种古地磁参数，如偏角、倾角、古极位置和古纬度等的测定，推算出各岩石之间在时间、空间上的相互关系。如果这些岩石获得磁性以后，经历了某种地质事件，如构造运动等，就将引起它们的各种古地磁参数发生变化。通过对这些变化的分析，可以追溯它们所经历的地质事件。地磁场可以近似为一个置于地中心的偶极子磁场。地磁学的研究指出，近年来的实测记录表明，地磁极有围绕地理极做周期性运动的趋势，其运动的周期可能为～年。上新世以来的岩石剩余磁性的测量结果表明，在最近万年期间，地磁极是均匀分布在地理极四周的，其平均位置与现代地理极重合。因此，可以根据各个年代的岩石剩磁的测量结果，计算出古地磁极的位置，并用以代表地理轴极的位置。这就是说，地球偶极子的磁轴，假设与地球的转轴重合。这就是著名的轴向地心偶极子假说。它是古地磁学中的一个非常重要的基本假说。
在地球上任何地方，相同年代生成的岩石所获得的磁化的方向与当时当地的地磁场方向基本上是一致的。由这些磁化方向推算出的磁极位置就是当时的地磁极位置，而且所有岩石的磁化方向应该对应同一个磁极位置。如果某些岩石在磁化以后，地理位置发生了变化，如发生了地块的漂移，或在原地发生了水平面内的转动，那么保存在岩石内部的磁化方向也将随之改变其空间方位。因此，从磁化方向的易位可反推地块或地理位置的变动情况。
现代地磁场的记录不超过年，这在很大程度上限制了人们对地球基本磁场和长期变化规律的认识。地壳各处的岩石含有或多或少的各种磁性矿物，在冷却或沉积过程中被地磁场磁化，记录下岩石形成时期地磁场的方向和强度，其中一部分磁性稳定的岩石，在漫长的地质时期，完整地保留了这种记录。同理，古砖、古瓷器、炉灶等原始焙烧物在它冷却时也被当时的地磁场磁化，于是记录了人类历史时期的地磁场状况。这些珍贵资料扩大了人们对地磁场变化的认识。
岩石和原始焙烧物在其形成后的漫长时期，由于各种物理、化学作用，难免产生次生磁化。清除岩石的次生磁化，保留稳定的原生磁化，这项工作叫做磁清洗。由于古地磁场的方向和强度很难测定得很精确，所以，只有利用大量标本的测量结果进行统计，才可能取得较好的结果。
当标本的产状(走向、倾向、倾角)已知时，由标本剩磁方向的测定可以得到标本产地的古地磁场的偏角和倾角。在偶极子场的假定下，由古偏角和古倾角即可确定古地磁极的地理位置。
20世纪50年代以来，大量的研究结果表明，由同一大陆、同一地质时代的岩石标本得出的古地磁极位置基本一致。但由不同大陆、同一地质年代的岩石标本得出的古地磁极位置却往往不同。由同一大陆不同地质年代所得到的古地磁极位置连成的曲线叫做极移曲线。这种极移只是一种表观现象，而不是真实的过程，因此这种极移曲线亦叫做视极移曲线。实际上视极移曲线反映了大陆在不同地质年代的位置发生了变动。不同的大陆运动情况不同，因此各自得出的视极移曲线的形状和取向也就不同。由此可以追溯各个大陆的运动历史和它们之间的相互关系。古地磁极移第一次为地壳水平运动提供了强有力的证据，从而导致了沉寂多年的大陆漂移学说的复活和板块大地构造学说的建立。这方面的成就引起了地学家的极大重视，也促进了古地磁学的迅速发展。
年，英国的地球物理学家，诺贝尔奖金获得者—布莱克特及其小组研究了英格兰地区的三叠纪（距今约2亿多年）红色砂岩的化石磁性后，发现了令人惊喜的结果。他们计算出的当时地磁极的位置竟然会偏离地球的地理极达30°之多；同时还测出了三叠纪英格兰地区的磁倾角约为34°，这与目前该地区的65°倾角相比，小了30°多。该地区当前与三叠纪的相对位置的巨大差异，只能用英格兰本身的移动来解释。这种解释与魏格纳当年提出的大陆漂移假说是那样地接近，这鼓舞着布莱克特继续深入探索大陆漂移之谜。
布莱克特等对古地磁研究成果的解释是基于轴向偶极子的假定的，并以古磁极的平均位置作为研究大陆运动的参照物。而以郎克恩为代表的另一批古地磁学家与其相反，他们把每一块大陆作为固定的参照物，用古地磁的研究方法去探索古地磁极移的情况。但是无情的事实迫使他们不得不放弃其最初的假定：大陆位置不变。经过多方探求，他们最后正式承认，只有魏格纳的大陆漂移学说能较为圆满地解释他们的成果。布莱克特与郎克恩两个古地磁研究小组从完全不同的出发点进行的研究，殊途同归，得到了几乎完全一致的结论：大陆板块发生过漂移。
板块学说的出现，无疑是近代地球科学的杰出成就和巨大进步，是地质科学的当之无愧的第二次革命。地质科学的第一次革命是槽台学说的提出。可以这样认为：我们正处在一个知识爆炸的时代，近四十多年来地质科学所积累的资料和取得的进展，超过了以往的任何一个年。一系列新思想新概念正在突破板块构造的模式并在解释板块学说无法说明的构造现象中获得了巨大的进展。这些新思想新概念汇成了一股巨大的潮流，正汹涌澎湃于全世界。
布容从法国熔岩中发现了磁化方向与现代地磁场方向相反的岩石。随后在其他地方也观测到同样的事实。60年代以前存在着岩石自发反向磁化和地磁场本身倒转两种观点的争论。随着反向磁化岩石的普遍发现和实验室工作的进展，到了60年代古地磁场倒转的观点已为人们普遍接受。地磁场转向给地磁场起源和核内动力学的理论提出了一个重要的约束条件。不过，解释岩石磁极反相还应该有其他的因素，因为地磁极的翻转不是真实的原因。
不同地质年代岩石的剩磁方向正负几乎各占一半，而且这种方向的颠倒在时间上具有很好的全球一致性。这种现象的唯一合理（不是唯一和合理的，我们在以后讨论）解释是地磁场曾多次发生过极性转向。与现代地磁场方向相同的叫正常极性，相反的叫倒转极性。这种观点由达维德和布容首先提出。年梅康通(P.L.Mercanton)又指出，如果地磁场确实发生过倒转，那么这种现象应在世界各地都能被发现。他研究了格陵兰、冰岛、北欧以及澳大利亚等地不同地质年代的岩石，进一步证实了地磁场倒转的事实。年松山研究了日本和中国东北的第四纪熔岩，也发现同样现象，并且发现反向磁化的熔岩总比正向磁化的熔岩年代要古老。他由此推断，第四纪早期地磁场方向与现代地磁场方向相反，到了第四纪后期二者方向才相同。60年代以后，随着深海钻探和海洋磁测的发展，发现大洋中脊两侧对称地排列着正、反极性相间的磁异常条带，这正是地磁场极性频繁倒转的证据。从此地磁场倒转的学说为人们普遍接受。
对岩石的化石磁性即古地磁的研究，提供了测定岩石年龄的手段。古地磁研究提供了岩石磁场方向及古磁极的位置。研究表明，有些岩石的磁化方向与它上下相邻的岩石恰好相反。在新的岩系中，岩石磁轴的指北极是指向磁北极方向，这些岩石称为具正极性。反之称为具反极性。具正极性的岩石是地球极性正常时期形成的，与现在大致相同。具反极性的岩石是在地球极性反向时期形成的。地球磁场反向的主要证据是，所有比69万年新的岩石标本都是正极性，而在69～89万年间则是反极性。对地球磁场反向期间形成的岩石磁化强度的研究表明，反向期间场强减少了十分之一，而且在反向期间磁极的位置发生缓慢的迁移。磁极的转换是在～0年间完成的。地磁年代表对恢复海洋盆地沉积物特别有效。在一个没有受扰乱的系列里，最上部的沉积物将是正常极性，而且正常和反向磁化沉积物间的界线是在69万年。
极性转向地层的研究不仅促进了地层学的发展，而且也为海底扩张学说的建立奠定了基础。古地磁测量还可以给出岩石产地的古纬度，这对于古气候的研究和某些矿产生成的古地理环境的探讨都有重要意义。
岩石中约有一半是正向磁化，另一半为反向磁化，提示地球磁场曾经反复转向，即是磁北极变为磁南极，磁南极变为磁北极。此后随着工作的不断深入，大多数地质学家和地球物理学家已相信地磁场的周期性转向是地球历史的一个基本特征。但是这种磁北极变为磁南极，磁南极变为磁北极的机制，就是最有权威的古地磁学方面的院士、学者也无法给我们说清楚它的原因，以及其中包涵的物理学意义和地质学意义。古地磁工作者于是就以古地磁极与现在的磁北极一致的状态，命名为正向期，以古地磁极与现在的磁北极不一致的状态，命名为反向期。很巧，二者之间都是度的大翻转现象。
（三）古地磁学研究的一般方法
1、标本采取和制样 可用手工或用轻便取样钻机取样。古地磁研究主要是测定岩石剩余磁化矢量的强度和方向，取样时必需精确定向，并要测定岩石产状（走向、倾向和倾角）。用磁罗盘定向，精度较低，尤其易受岩体等的磁性干扰。用太阳罗盘定向，精度较高，而且不受磁性干扰。取回定向标本再制成一定形状和大小的样品，供测量使用。
2、磁清洗 用恒定磁场退磁、交变磁场退磁、加热退磁、化学退磁以及低温处理等方法，把标本中的各种次生剩磁清除掉，把原生剩磁分离出来。磁清洗一般需要在零磁场空间中进行。
3、剩磁测量 常用无定向磁力仪、旋转磁力仪和超导磁力仪测量，在逐步进行磁清洗的过程中，测定样品的剩余磁化矢量的强度和方向，直至把原生剩磁分离出来为止。
4、数据处理 对于一个采样点来说，每块标本可以得出一个原生剩磁方向，若干块这样的标本可以求得一个平均的剩磁方向，由这个平均的剩磁方向可以求出一个古地磁极位置。该平均方向的可信度用一个圆锥体的半顶角的值来表示。这个圆锥体是以一个单位球的中心为顶点，该平均剩磁方向为中心轴，角为半顶角的圆锥，它要使95％的剩磁方向都落在此圆锥体内。
确立磁性地层极性单位，是磁性地层工作的基本内容。磁性地层极性单位的基本术语，是磁性地层极性带，其顶与底均以极性倒转面或极性倒转带为界线。通常，磁性地层极性单位有3种基本型式：(1)具有整体单一的极性方向的地层；(2)具有正向与负向交替变化的地层；(3)主要是正向或负向，其间又具有次一级的相反极性的地层。
在古地磁极的正、反向变化的原始资料中，常常没有太多的解析出正向和反向之间的过渡阶段，也就是所谓的低数值段。人们常把低数值段归入正向或者反向段是不合适的。对于古地磁极的所谓的正向期、反向期的真实物理意义或者地质学意义，谁也没有能够进行正确而可信的叙述。
（四）磁性地层学
依据古地磁学的理论和方法，进行地层学研究的学科，地层学的一个分支。也有人称为古地磁地层学。
当地球表面上一点磁场方向指向北时，则极行是正向的，磁针在北半球指向下，在南半球指向上；如果极性是负向的,则地球表面上一点的磁场方向指向南,其磁倾角的正负符号与前恰好相反。岩石中保留的原生剩余磁性方向，就是岩石形成时期地磁场方向。测得的结果表明：在过去漫长的地质时期中，地磁场极性倒转出现过多次；极性倒转的发生，具有同时性和全球性的特征。因此，可根据地层剖面中岩石剩余磁性的极性变化，对地层进行划分与对比，并获得古地磁极位置、古纬度等信息，以探讨地层形成的地理位置。
地磁极性年代表是磁性地层学研究的中心内容，又是进行磁性地层工作的标尺之一。年，A.V.考克斯首先把钾－氩同位素年龄测定法引入古地磁学研究中。年,他又综合编制出距今万年以来的地磁场极性倒转序列。当时，人们把数量级年的极性时间称为期,以过去曾经对地磁学研究有过贡献的学者名字来命名，如布容正向极性期、松山反向极性期、高斯正向极性期和吉伯反向极性期。在期之内,还有一些数量级可达到1～10万年、且与该期持相反极性的时间称为事件，它是以最早发现这种极性的岩石地点来命名的，例如松山反向极性期中的奥都威正向极性事件和留尼昂正向极性事件等。国际地层委员会为了推动磁性地层学的发展和确立磁性地层极性单位的术语，于年成立了地磁极性年代表分委员会，该分委员会第一次会议上正式地认可了上述地磁极性年代表。年,E.A.曼基南等根据新的钾－氩衰变常数校准值，对这个极性年代表作了修正，很快地被各国学者公认和运用。地质时期地磁极性年代表还只有从全新世延续到中侏罗世卡洛期。至于编制整个显生宙和前寒武纪的地磁极性年代表，仍缺少必需的地质资料。
确立磁性地层极性单位，是磁性地层工作的基本内容。磁性地层极性单位的基本术语，是磁性地层极性带，其顶与底均以极性倒转面或极性倒转带为界线。通常，磁性地层极性单位有3种基本型式：①具有整体单一的极性方向的地层；②具有正向与负向交替变化的地层；③主要是正向或负向，其间又具有次一级的相反极性的地层。依照它们在地层剖面中的范围和重要性，磁性地层极性单位可以分成不同的级别，如极性微带，极性亚带、极性带、极性超带和极性巨带等。
根据《国际地层指南》要求，确立一套极性单位必须提供如下的资料：①提议的名称及其定义；②极性单位的种类和级别；③历史背景；④层型及其他参考标准；⑤极性单位在典型地点的描述与分布范围;⑥区域概貌;⑦与其他一些单位对比；⑧地质年龄；⑨根据钻孔资料所要确立的极性单位特征；⑩必要的参考文献。
（五）地质年代的测定
岩石的磁参数确定之后，岩石的年代测定非常重要。岩石的生成年代是不同的，为确定标本的生成年代，我们必须知道地球的年代是怎么确定的。地球自原始太阳星云中的物质凝聚成一个行星至今用多少时间，是人们长期以来探求的问题，不同的世界观有不同的看法。
1、地球年龄的计算起点
神学家以[圣经]为依据，认为计算起点应为“耶稣基督”的降生日，即地球只经历了4千多年的历史。地质学家在批判荒谬的宗教观点的同时，提出了应以现代为计算起点，向史前的漫长岁月回朔。
2、地球年龄（绝对地质年代）的计算方法
A、剥蚀法
通过测定海水中某种成份的总量及其年输入量就可获得海水的年龄。测得Na+在海洋中的总量为1.22×g，因为输入海洋的Na+大多来自陆上岩石的风化剥蚀，因此，可通过推算岩石的年剥蚀量，计算出由江河输入海洋的Na+量每年不超过6.9×g,由此算得海洋的年龄为1.22×g/6.9×g=1.8×年(1.8亿年)。大洋钻探获得的化石记录的洋底年龄也为1.8亿年。由于实际的剥蚀速度取决于地表的坡度、降水量，温度及CO2的含量，还与岩石及土壤的类型等有关，影响因素很多，因此，现在一般已放弃这种计算方法。但是，从模糊概念及统计学意义上来讲，用此方法来推断某一时段的年龄，还是有一定的参考价值。
这种方法影响因素太多，计算误差大，只能粗略估计某地质时段所经历的时间，如计算海、湖的年龄。不能用于岩石年龄的测定。
B、放射性同位素方法
该方法是年英国物理学家卢福首先提出的，此方法的基本原理是：假设岩石形成时，含有一定量的具放射性的母体同位素，随时间的流逝，该母体同位素蜕变，其含量逐渐减少，蜕变后形成的子体同位素则逐渐增多，只要测定母体同位素与子体同位素之比，则该比值就可作为岩石形成以来的时间的尺度。可用作测定地质年代的同位素须具备2个基本条件：
（1）母体同位素在岩石中分布较普遍，并能测定其含量；
（2）起始子体同位素能在岩石中保存下来，并可测定其含量。
用以计算岩石的年龄的公式为：t＝ln(1＋D/N)/λ
λ为衰变常数；D为子体同位素含量；N为母体同位素含量。
目前用放射性同位素方法测得地球上最古老岩石的年龄为40～43亿年；对来自外星球的陨石及月岩的测定，获得的最大年龄为45～47亿年。据此，确定地球的年龄为至少有45亿年。
这是目前唯一的一种可测定岩石自形成至今的时间的方法，由其测出的岩石的年龄称绝对地质年龄。但是，它误差大，可信度不高。
3、相对地质年龄的确定
地质年代是多种地质事件在时间上的综合表现。它包含了两层含义：
（1）各种地质事件在时间上的先后顺序
（2）各种地质事件发生至今的时间
上述（1）就是相对地质年代的概念，（2）是绝对地质年代。
如何确定各地质事件在时间上的先后顺序？即如何确定相对地质年代？
常用方法有：地层层序律、生物层序律及切割律。
1、地层层序律
地层是指在一定地质时期内形成的层状堆积物或岩石。地层在垂向的迭置顺序，称为层序。层序律的含义是：
（1）、地层的原始状态是水平或近于水平的。
（2）、正常的状态是先形成的位于下方，后形成的位于上方，呈现下古上新的规律。在原始产出的地层具下老上新的层序规律，称为地层层序律或地层迭置原理。
由于地层形成后的地壳运动，可使地层倾斜或倒转（老地层位于新地层之上）。
在实际地质工作中，会经常遇到要判别地层的新老关系，判别的关键是确定地层的顶、底面。一般根据地层中的沉积建造及生物遗迹来判别。常用的判别标志有：
（1）泥裂是泥质的沉积物表层快速失水、变干、收缩形成，其中常被砂和其他物质充填，它总是上宽下尖，尖端指向地层底面。
（2）冲蚀（冲刷）构造是携带粗粒砂、砾的高速水流，流经较松软的细粒沉积物表面，在其上冲蚀出沟槽，并在沟槽中充填砂、砾的沉积构造。冲蚀（冲刷）构造总是出现在粗粒沉积层的底面，细粒沉积层的顶面，其沟槽底指向地层下方。
2、生物层序律
生物层序律包含了三个概念：（1）生物化石—埋葬在地层中的古代生物遗体和遗迹称为化石。它们是原在湖、海、河等环境中生长的各种生物死亡后，被沉积物掩埋，经长时期的固结成岩作用后形成的动物骨骼、甲壳、蛋、粪以及植物的根、径、叶等可形成化石；生物活动留下的足迹、爬迹、摄食痕迹、构筑的巢穴、钻凿的孔穴以及生物软体腐烂后留下的印摸等可形成遗迹化石；随科技的进步，目前已能在有生物埋葬的沉积物中提取生物基因，尽管没有留下遗体或遗迹，也可鉴别生物的种类，这就是新兴的基因化石。
生物的演化总是从简单到复杂，从低级到高级，所以含简单的低级的生物化石的地层时代老，含复杂的高级的生物化石的地层时代新。根据生物化石建立起来的层序关系称生物层序。生物界在不断的进化和发展，就某种生物而言，总是遵循从开始出现、大发展、最后灭绝，被其他新物种所取代的发展规律。因此，在不同时代的地层中有不同的生物化石组合，在同一时代的地层中有相同的生物化石组合。据此，可利用生物化石来划分地层层序，确定地层的相对年代。
生物层序律将上述生物化石在地层中出现的规律综合起来就可给物层序律下定义：生物层序律是在不同时期的地层中含有不同类型的化石组合，而在相同时间和相同地理环境下所形成的地层中含有相同类型的化石组合，以及地层年代越老所含生物化石较简单、较原始，而地层年代越新所含生物化石较复杂、较进步的层序规律。将生物层序律与地层层序律结合起来使用就可以系统地划分和对比分散在不同地点的地层，并确定它们的新老关系。
3、切割律
由沉积作用形成的地层可运用地层层序律和生物层序律来确定相对年代。但是，由岩浆冷凝而成的岩浆岩之间，既不存在先形成的在下，后形成的在上的规律，更没有化石存在。因此，岩浆岩与岩浆岩之间以及岩浆岩与地层之间的相对年代，不能用地层层序律或生物层序律。只能用先形成的被后形成的包裹以及后形成的侵入到先形成者中（即先形成者被后形成者切割）的关系来判断新老关系。上述侵入者年代新、被侵入者年代老，切割者新、被切割者老以及包裹者新、被包裹者老的顺序规律称为切割律。
历史地质学不仅仅是研究现在地壳表面所发生的各种地质作用，而且是研究地球历史的科学。有许多方法都可以用来决定地球过去的历史年代，常用例如：
(1)放射性元素定年：14C、U–Pb、U–Pb、Th–Pb、40K–40Ca、40K–40Ar、87Rb–87Sr、Re–Os、Lu–Hf等。
(2)指标化石：例如古生代的三叶虫、中生代的菊石等。
(3)磁性地层：例如地层中所含的磁性矿物会随当时的地球磁场排列。最明显的例子是在中洋脊两侧的玄武岩。
(4)核飞迹定年：例如在锆石中因U裂变而产生的痕迹数量会随年代而增加。
(5)其他定年方法
A、电子自旋共振；
B、热萤光定年；
C、氨基酸消旋作用；
D、已知年代的重大地质事件：如陨石撞击所产生的破陨石(Tectite)或火山爆发所散播出来的火山灰。
（六）地史学
从第一章里我们知道了地史的年代划分，它的由来是地史学给出的。地史学也叫“历史地质学”（Historicalgeology），是地质学的重要分支学科，与地磁密切相关。它主要研究岩石圈，即地壳和部分上地幔的发展历史及其规律性。其具体研究内容包括沉积（地层）发育史、生物演化和构造运动史。它来源于区域地质调查、填图和矿产普查勘探实践所积累的丰富资料，其研究成果又反过来指导这些工作。
虽然远古人类就有关于地层、化石等方面的知识，但地史学学科体系的形成还是主要起源于18－19世纪欧洲的英、法、德、意等国，特别是英、法两国。
18世纪中期，法国的一些地质学家和生物学家调查了巴黎盆地的大量化石和地层，他们以特殊的沉积岩和生物化石划分了反映地理环境的海滨相带和深海相带的界线，对巴黎盆地地层层序作了系统研究。后来，又有学者系统研究了维拉雷山脉的地层和化石，提出存在着由老到新的五个层序，这些，成为用化石和沉积物的性质恢复过去环境的地史学的基本方法。
18世纪末、19世纪初，英国的史密斯调查研究了威尔士到泰唔士河广大地区的地层和化石，绘制了大面积地质图、地层剖面图、地层柱状图，用地名命名不同层序，如“伦敦粘土”、“里阿斯层”等。他又出版了专著《用生物化石鉴定地层》，从此奠定了地层学、地史学的基础。在他之后，地质学家们尝试以化石为基本依据，确定地质历史时期的大的时间单位和地层单位，先后建立了志留系和寒武系，又将二者间重复部分单独分出建立奥陶系，以及后来的泥盆系、石炭系和二叠系。“系”代表地层单位，相对应的时间单位是“纪”，于是就有了寒武纪、奥陶纪、志留纪、泥盆纪、石炭纪和二叠纪。
在“纪”的基础上，地质学家们发现还能区分出更大一些的时间单位和地层单位。早在18世纪中期，德国的地质学家莱曼和意大利的地质学家阿尔杜伊诺就提出将成层岩石分为“原始层”、“第二层”和“第三层”。18世纪后期德国地质学家维尔纳归纳了前人的工作，将地层划分为“原始层”、“过渡层”、“覆盖层”和“冲积层”，这些都是比“纪”更笼统、更粗略的大的地层单位的雏形。
到了19世纪中期，英国地质学家菲力普斯将寒武、奥陶、志留、泥盆、石炭、二叠几个系合并称为古生界；将三叠、侏罗、白垩三个系合并成为中生界；将第三系与第四系合并称为新生界，从而产生了第一个地层系统表或地质年代的顺序。更古老的地层单位是在美国产生的，地质学家洛根根据对北美大陆大量不含化石的古老结晶岩、片麻岩的研究，建立了“劳伦系”和“休伦系”。后来，地质学家丹纳称劳伦系为“太古界”；地质学家万海斯又称其上的休伦系为“元古界”。
地质历史上的太古界、元古界、古生界、中生界和新生界就是这样产生的，它们是地层单位，与它们相应的就有五个“代”（年代单位），每个“代”都包含着不同的“纪”，以古生物化石作为划分依据。一般说来，太古代和元古代只有很原始的、特征不清的生物；古生代具有古老的、多数现已绝灭的生物；中生代具有中等复杂程度的生物，并与现代生物有若干相似；新生代具有高等生物，并与现代生物大多类同。
地史学研究的主要内容：
①地层学和地质年代学。研究地壳表层岩石的形成年代、生物群的特征以及地层划分与对比。生物演化是古生物学研究的基本内容。地史中的生物演化着重于生物界在地球历史各阶段的盛衰和演替，特别是各生物门类自低级至高级逐步出现和演变衰亡的过程。当然，古生态的研究可以协助确定沉积环境，生物地层的研究一直是确定时代、进行对比的主要手段。自从30年代霍姆斯等测定地层岩石矿物的生成年龄以来，地质年龄测定与生物地层划分相结合，使地质年代表有了具体的年龄值。
②古地理学。研究地层的形成环境及不同环境的空间分布特征。整个地层学系统就是地球历史上沉积作用的物质记录。沉积物的性质反映了物质来源、沉积作用和形成环境的特征。沉积物的分布则反映了剥蚀区和沉积区的轮廓以及海陆分布的特征。把不同时期地层沉积和分布轮廓进行比较，就可得出古地理格局不断发展演变的概念，所以沉积发育史也就是古地理的发展史。
③历史大地构造学。根据地层的沉积类型、物质组分接触关系以及岩浆活动和构造变动等，推断其形成时的构造条件和这些构造条件在地质历史上的时空演变。沉积特征和古地理轮廓的变化实质上是地壳各区段构造运动的反映。构造运动一直是地史研究的重要内容。18世纪末，J.赫顿发现了地层间的不整合现象，并以造山或构造运动予以解释。从那时以来，人们通过地层的不整合关系认识了许多造山运动期和与之相伴生的岩浆侵入及变质作用。根据地层组成的组分和厚度不同，根据构造运动和岩浆活动的程度不同，人们逐步建立了构造活动程度的概念。大陆地区可分出构造上的活动区和稳定区，即传统的地槽区和地台区。两种地区的构造发展特征及其相互关系的研究，就是构造运动史。根据各区构造运动史的不同，将地壳各区段分为不同的构造单元，分出不同的构造阶段，就是历史大地构造分析。历史大地构造分析日益成为地史学研究的重要内容。
§2大洋底的感应剩磁
正当许多科学家们在实验室里忙于测定陆地岩石样品极性的时候，斯克里普斯（scripps）海洋研究所的科学家们却正在船上调查太平洋底的感应剩磁，当他们把测量的结果绘到图上时，发现了另一种奇怪的现象；调查区域内的感应剩磁场方向有与现在方向一致的，也有与现在磁场方向正好相反的，它们排列整齐，有规律地排列在大洋底。于是把与现在磁场方向一致的称“布容正向期”，把与现在磁场方向正好相反的称之为“松山反向期”。
20世纪50年代，海洋地球物理学的最重要成果就是发现了海底条带状磁异常，这无疑是一项重大科学发现。但随之而来的问题则是海洋地壳为什么会形成如此规模、如此规律的磁异常条带？为了解释那种奇异的现象，当时的学者们可谓绞尽脑汁，提出了各种不同的假想和模型，都遭到了否定。为了救急，学术界只好采用了英国剑桥大学大地测量和地球物理系的两位学者瓦因（F．J．Vine）和马修斯（O．H．Mathews）提出的解释模型。被认为最能够解释洋底增生的瓦因－马修斯模型，其实只是一种没有边际的猜想模式。瓦因和马修斯认为，海底磁异常条带不是由于海底岩石磁化强弱不均所引起的，而是由周期性古地磁极正、反向翻转引起熔岩（玄武岩）交替磁化产生的。也就是说，条带状磁异常是地球磁场正、反磁化系列在“传送带”上的水平投影。不过，在这里是一种延续思想基础上衍生出来的一种局限性思维。他根本没有说清楚海底条带状磁异常的形成机制，更不可能说明古地磁极为何会发生翻转，而是松山思想的翻版。
什么是海底扩张？同样根据现代对地球的许多新的研究结果，认识到地球在漫长的地质时期中，各个大洋海底中海岭口两侧岩石的剩余磁通密度都呈现对称的起伏分布，加拿大温哥华西南太平洋一处海岭口两侧岩石的剩余磁通随离开海岭距离不同而出现的变化，还标示出同距离相对应的年代，海岭口处喷发岩浆及其两旁对称的地磁场反向情况。许多的观测研究表明，其他海洋底的海岭口两侧岩石磁性也出现类似的情况。这些观测和理论分析说明了什么呢？简单说来，这表明由海岭口喷出的地球内部炽热的岩浆冷却时受到当时地球磁场的磁化后而留下保留下来的剩余磁化强度。随着海岭口内炽热岩浆的不断由喷出、冷却和磁化，原先喷出、冷却和磁化的岩石便被随后喷出、冷却和磁化的岩石推挤向海岭口的两侧。这一过程继续下去，便形成了现在所观测到的各大洋海底的海岭口两则的岩石剩磁情况。
在大洋洋中脊的裂谷位置，是地壳岩石连续性最薄弱的部位，可以肯定也会是应力最集中的部位。原有的裂谷如果愈合得好，岩浆沿着原先已经存在的、但尚未完全封闭的通道向地表喷溢，自然会形成全球可以对比的大规模火山作用。喷溢的玄武岩自然可以一次又一次的记录下，由于地球演化变动造就的地磁场的正向和反向变化。这些正向和反向的有规律变化的磁异常的同时性，使得它们完全可以在全球范围内逐一对比，并且具有全球都同等规模的统一性，这就形成了洋中脊两侧的条带状磁异常。
对于大洋中脊两侧的条带状磁异常，无论它的发生原因如何，对于地球地史的定年还是可信的。在自然科学的探讨过程当中，我们经常会遇到这样的情况，当我们使用一个不正确的假设或者是对问题不全面的解释来处理一些自然现象时，好多时候我们可以得到一个令人满意的结果。地球磁场的吉尔伯特假设就是这样，大洋中脊两侧的条带状磁异常对地史的定年，用来解释大洋是在扩张更是这样。
§3磁极倒翻疑问
众所周知，在地球上任何地方放一个小磁针，让其自由旋转，当其静止时，磁针的N极总指向地理北极，这是由于地球周围存在着一个磁场。地球强大的磁场是保护人类免于遭受外太空各种致命辐射的生存屏障。是地球磁场保护了地球所有生命的繁衍生息。如果地球磁场在逆转前有一个时期不存在磁场，那么将是地球生物的大灾难。尤其是高等物种都是经过上亿年的进化。显然依靠岩石的感应剩磁场反向现象，就给出结论是“地球磁场逆转”，此结论与生物学演化存在着极大的矛盾，岩石的感应剩磁场反向必定还存在另一种鲜为人知的原因。地球磁场是否真的能逆转确实令人值得怀疑。
反向磁性都出现在一组较老的玄武岩中，而较年轻样品的磁性方向却都与现代地磁场方向一致，当时“大陆漂移”处于低谷，而“地球固定论”盛行，没有别的更好方法解释火成岩和沉积岩感应剩磁场的反向现象，于是松山断言“地球磁场逆转”。当时虽然遭到多数权威人士的反对，但苦于没有其它的方法给出解释火成岩和沉积岩感应剩磁场的反向现象，虽都不甘心，但是眼见为实也就只好给予默认。
如今大陆漂移漂移的理论因地磁研究而再沐浴春风。是地磁研究证明了大陆漂移的真实存在。但反过来讲，也是大陆漂移制造了火成岩和沉积岩感应剩磁场的反向现象，它们之间可相互证明？
地球磁极变化的现象里，最不可思议的一幕是“磁极倒转”事件。在地球演化史中，“磁极转向”事件经常发生。仅在近万年里，就可以分出四个磁场极性不同的时期。有两次和现在基本一样的“正向期”，有两次和现在正好相反的“反向期”。而且，在每一个磁性时期里，有时还会发生短暂的磁极转向现象事件。特别是短暂的磁极转向现象用“磁极倒转”解释，让人无法理解。
地磁场的这种磁极变化，同样存在于更古老的年代里。从大约6亿年前的前寒武纪末期，到约5.4亿年前的中寒武纪，是反向磁性为主的时期；从中寒武纪到约3.8亿年前的中泥盆纪，是正向磁性为主的时期；中泥盆纪到约0.7亿年前的白垩纪末，还是以正向极性为主；白垩纪末至今，则是以反向极性为主。如果把地球的历史缩短成一天，在这期间你会发现手上的指南针像疯了似的乱转。对地球来说这样的乱转，应该说是不容易发生的。因为地球磁场翻转对地球来说是一件很大的事，无论地磁场的形成原因如何，地球都要做本质上的改变。这种本质的改变不可能经常发生，玄武岩正反向的磁性改变应该有更为简单的解释方案。
§4地磁场颠倒使地球生物面临巨大灾难
许靖华等数学者认为地磁极曾经发生倒转的想法太异想天开，但没能解决自然界岩石反向磁性问题。布容和松山的样品火山岩磁性的确转向过。于是松山给的结论，地球的磁极在某些历史时期确曾发生过度的大倒转。
年朗康做了关于岩石磁性测年的报告，在朗康报告之后不到十年的时间里，多数地质学家因找不到另外的解释方法，他们的想法也发生了度的大转弯。于是松山“荒诞不经”的臆想竟然成了岩石反向磁性问题解释的主流。
我们知道地球磁场起源于地球内部，布容和松山的样品来源于地壳表面。用地球表面的现象来解释地球深处的活动未免有些离奇。大陆漂移已成爲主流，其实大陆漂移也只是一个表面现象，其本质在于地壳和地幔的演化进化运动的机理。
在地磁场发生反向直至新的磁极稳定之前，地球磁场的强度会持续减弱。但是地球磁场的反向也不是同一时间内就完成的。在赤道地区这个过程较快，而在接近极地的高纬度地区则需要较长的时间。
没有人知道地球磁场的颠倒究竟会对地球生命产生怎样的影响，但是很多人会想到世界末日。在两极翻转的过程中，今天地球生命的很多方面都会发生颠倒和混乱。那时，赖以保护人类免受太阳高能粒子强烈辐射的地球磁场将会完全消失，地球将整个暴露在各种致命的宇宙射线下；并且会加热大气层上层，引起全球气候改变；此外还会使地球上所有的迁徙性动物失去定向能力。
地球磁极翻转“看起来是随机发生的，”两次翻转的最短间隔在00至年之间，最长可能是0万年。所引发的地球磁力混乱可能对人类造成一定程度的影响。
北极与南极磁场发生颠倒的过程即为磁极颠倒。这一现象导致的最坏结果将让地球磁场的磁力为零高斯(高斯为磁感应单位)。地球上可能引发一系列的混乱事件。在现代人类历史中，还没有此类现象发生时的场景记载。零磁力的后果，会对地球和太阳的磁极颠倒将会引起电子故障，鸟类迁徙时也会迷路。如果当地球磁力为零时，所造成的后果就更为严重。
地球零磁力下的所有动物，包括人类的免疫系统将大为降低；地球的外壳会发生更多的火山喷发，地震，泥石流等现象；地球磁气圈将被减弱，来自太阳的宇宙辐射就会增大，最终可能对人类造成辐射灾难；地球的重力也会发生变化。
如果所有的零磁力推测都同时发生，那么，只有居住在地球外壳深部地带的有机体能够不受影响。届时，人类躲避灾难的方法就是躲到地壳以下，或者搬去其它星球上居住。零磁力的结果有些骇人听闻，地球两极颠倒会使地球磁力不稳，并且变弱，但不会使磁力为零。地球的磁场形式非常复杂，而且时有爆发。
保留在岩石中的记录表明，地磁场通常是微弱、游移不定的，然后再以“偏移”的方式进行自身重建，这种情形通常比完全爆发的情形多出大约10倍。在最近的5万年中，磁场强度大大低于现在的磁场强度的情况曾多次发生过，但却没有发生磁极反转。两磁极很容易受到损害，但离崩溃还远着呢。
地球磁场平均每50万年翻转一次，而最近一次的翻转发生在78万年前。由于一百多年来磁场不断减弱，人们不禁担心，地球磁场的又一次“大变脸”是否即将来临？生物将受强紫外线辐射，此过程中，保护人类免受强烈紫外线辐射的地球磁场将会完全消失，这就将造成极其严重的后果。
许多依靠鉴别地球南北极而迁徙的动物将会“乱了方寸”。几万年来，蜜蜂、鸽子、鲸、鲑鱼、红龟、津巴布韦鼹鼠等动物一直依赖先天性的本能在磁场的指引下秋移春返，一旦磁场消失，它们的命运很难预测。而对于人类来说，最致命的打击莫过于直接暴露在强烈的紫外线辐射之下。届时，皮肤癌等各种灾难都将降临。
也有专家称出现这种现象是不可能的。专家们指出“这种情况出现的几率不大”，并称“磁场倒置现象很少出现”。“磁极倒转”是灾难逼近，还是杞人忧“地”？当然，你我都没有经历过这种“倒转”。事实上，自从有人类以来还未出现过地球磁极倒转。
平时，这些宇宙射线在太空中就被地球磁场吞没了。然而地球两极倒转过程中一旦地球磁场消失，这些太阳粒子风暴将会猛击地球大气层，对地球气候和人类命运产生致命的影响。这一天如果真的到来，一些低轨道人造卫星也将完全暴露在太阳电磁风暴的吹打中，不久就会被完全摧毁。有的科学家甚至因此怀疑，地球磁极倒转曾是古人类文明覆灭的原因。
磁场的变化经常呈波浪形，并且通常需要漫长的时间，所以现在还不能判断这是地球磁极要倒转的信号。毕竟我们现在只知道地磁正在减弱。至于地磁到底会不会倒转，要持续多长时间，能造成什么影响，都还是讨论中的事。
在过去的万年中，地球的磁极极性，倒转了度。如地球在45亿年历史中，南北磁极已互换极性（南北极反向）达多次。地球磁场反转的剧变过程，对人类和生物有巨大影响。
为什么会发生磁极的倒转呢？地球发生这种“翻筋斗”的现象，考古磁学测定得到了证实。科学家深入地研究了深海底部古岩石的剩磁现象，结合沉积岩中的古生物化石的研究，发现在地磁场倒转期间，有若干古生物灭绝现象。如在万年前的一次地磁场倒转期间，所考察的8种古生物由6种灭绝；在约万年前的一次地磁场倒转过程中，所调查的7种生物全部灭绝；在约8万年前的一次地磁场倒转过程中，也有若干生物消亡。为什么在地磁场倒转过程中一些生物会灭绝呢？目前科学家有两种看法：一是认为地磁场倒转过程中，地球磁场的强度会显著的降低，因此地球表面会受到强烈的宇宙射线的辐射，引起一些古生物的辐照死亡或辐照灾变；另一种看法是地磁场倒转期间，地磁场的强度显著降低时，会引起全世界气候的剧烈变化，一些生物因不能适应气候的长期剧变而绝种。
在两极翻转的过程中，今天地球生命的很多方面都会发生颠倒和混乱。那时，赖以保护人类免受太阳高能粒子强烈辐射的地球磁场将会完全消失，地球将整个暴露在各种致命的宇宙射线下；并且会加热大气层上层，引起全球气候改变；损坏所有位于地球近地轨道上的导航和通讯卫星；此外还会使地球上所有的迁徙性动物失去定向能力。
不过，科学家们利用最新的卫星观测数据已经发现，地球的主要磁场自从年首次测量以来已经减弱了10%。这个消退速度比在失去能量的情况下磁场自然消退的速度还要快20倍。德国马普研究所地磁专家克里斯坦森表示，根据计算，即使失去能量，磁极也要经过10万年才会自行消失。目前观测到的地球主要磁场强度快速减退，意味着一种新的磁性在产生的同时，也在破坏着原来的极性。
新的反向通量带还在不断形成，新的反向通量带正在北美洲东海岸和南极下面的地心——地幔边界形成。而更重要的是，原先已有的反向通量带已经变大并向两极略微移动了。这些反向通量带的增加、扩张和向两极移动可以说明过去发现的磁极衰减的现象。
地球是一个巨大的弱磁体，地磁场是生物生存的一个重要环境因素，其强度和方向都处在不断的变化之中。科学家根据最新的研究表明，地磁场翻转对生物的生存影响是特别的巨大的，但是，这种现象却从来都没有发生过。所以担心由于地磁场翻转会对生物造成伤害的科学家们，是没有必要再担心下去了，因为地磁场就没有翻转过。关于地磁场翻转的研究结论也都是假设，它们也不可能发生。
§5地球磁场即将反转？
如果有一天地球上的南极变成了北极，指南针指向北方，鸟类和其他对磁场敏感的动物将怎样辨别方向？这不是科幻小说的奇思妙想，据科学美国人报道，最新的研究成果显示，地球的磁极已经显露出向相反方向移动的征兆，科学家们认为，地球磁场也许即将反转。
矿物可以记录过去磁场的方向。科学家利用这一点，发现在地球45亿年的历史中，地磁的方向已经在南北方向反复变化了数百次。然而，地球的磁极在最近的78万年中都没有发生反转，这段磁极稳定的时期相对于通常25万年1次的反转频率要长了很多。
印度媒体曾经爆出一大惊人新闻：年，地球与太阳的磁极将同时颠倒，这可能将引发混乱—零磁力危机威胁地球，这个颠倒过程将在地球生物圈中引发一系列的灾难。
印度方面的报道称，得到这一结论的是印度的一组天体和物理学家。他们与一些计算机科学家共同研究、以计算机模拟而发现这样一个结果。
科学家们是利用这样的原理和方法来了解古地磁变化的情况：岩浆在从高温冷却到低温的过程中，会被周围的地磁场磁化，从而留下当时的磁力线方向的证据。测定这些被磁化的岩石的年龄和它的磁化情况，就可以知道那个时代地磁场的方向和强度。将各个时间段留下的岩石反映的证据，依据时间的前后顺序排开，就知道了不同年代地磁场的方向和强弱是不一样的。
海底等处的沉积岩中记载了这些信息，如同录音机把当时的情形记录下来一样。可惜的是，由于岩石记载的地磁倒向没有固定的周期，尽管我们可以比较精确地测定上次倒向发生的时间，却无法据此推断它下一次何时来临。而且，现在科学家还不能肯定，地磁倒转来临之前会有怎样的征兆。
尽管人们目前还不能预测下次地磁倒转的时间，科学家还是建议大家不必要对此担心。对于上次地磁倒转对地面环境和生物究竟造成了多大的影响，迄今没有明确的结论。因此，下一次究竟会发生怎么样的事情，现在也没有办法下定论。但依据以往测定的古地磁数据，有一点可以肯定，就是倒转的过程中几乎不可能出现零磁力的状况，只存在磁力变小的可能。
人类还不可能去地心旅行，要亲眼看到地下的物质及磁场的变化，目前还不可能的。不过面对地球磁场倒转这个重大问题，即使无法亲眼目睹地下那壮观的场面，自己也应该能找到了正确的答案。
“磁极倒转”和“地磁消失”，一直是公众知之甚少但是又非常吸引眼球的话题。媒体偶尔的“预言”式报道，还会引起部分读者的恐慌心理。比如前些时候，有报道指俄罗斯的科学家说0年后地磁消失，地球将临大难等。真实情况是怎样的呢？
形象地说，地球磁场类似一个条形磁铁，存在两个极，南磁极和北磁极。由于历史的原因，我们称地理北极附近的地磁极为地磁南极，称地理南极附近的地磁极为地磁北极，现代科学观测表明，这两个磁极每年都在一定范围内移动。而所谓地磁倒转是指原来的地磁北极变成地磁南极，而地磁南极变成地磁北极。不过，这些都是猜测。
由于目前地磁学界还未能建立可被验证为真实、准确的关于地磁场起源的数学物理模型，因此还没有一个理论能准确描述地磁倒转的原因。地球从地表往下，分为地壳、地幔和地核三部分，地核又分为固态的内核与液态的外核两部分。大多数地磁学者认为液态外核的受热对流及由此产生的平流等磁流体动力学过程产生了地磁场，相当于一部超级“地核发电机”。而自然的推论是：该磁流体动力学活动模式的改变导致了地磁倒转。任何一个长期研究地学的科学家都说不好其中真正的原因。
总有人预测多少多少年后磁极会倒转或者地磁会消失，这种预测靠不靠谱？
从年至今的地磁观测记录看，地磁场的能量确实是在不断减弱。但是不能因此就简单推论出今后地磁场会持续减弱至地磁倒转，因为年至今地磁场能量减弱的过程并不是持续稳定的，有些年减小的速度大，有些年减小的速度小，有些年份甚至出现略微上升的“反弹”。因此今后地磁场是否持续减弱，尚有待时间检验。简单预测0年后地磁会消失，是缺乏充足的科学依据的。
磁极倒转是否世界的末日，在磁极倒转的问题上，普通公众最关心的可能是：如果人类真要面对磁极倒转，是否就一定是灭顶之灾？
不过，地磁场的存在却是地球生物体系存在必不可少的屏障。我们知道宇宙空间存在着高能离子射线，这对地球生物体系的产生和繁衍是巨大的威胁。我们还知道带电粒子在磁场中运动时会受到磁场的作用力而发生偏转。在目前的地磁场形态下，宇宙空间的高能离子射线（以太阳喷射出的带电粒子为主）接近地球时，由于地磁场的作用而被隔离在高空，很少能抵达地面，从而避免了对地球生物体系—包括人类—造成伤害。
与公众理解的条形磁铁那样简单的磁性不同，地球磁场的磁性其实复杂得多。科学家们现在已经根据卫星观测结果，绘制出了地球磁场的主要分布图。其中一个重要的发现是，地球的磁场并不是均匀分布的。地球的大部分磁场仅源于地壳之下——地幔边界四个宽广的区域。他们发现，磁极磁场的大部分强度主要来源于北美洲、西伯利亚和南极洲沿海之下。
不仅如此，在详细绘制出地球磁场分布图之后，科学家们还发现了存在磁场反向通量的地域。其中最大的一块位于南半球，非洲南端以下向西一直延伸到南美洲南端。在这些存在磁场反向通量的区域，地磁的磁性与通常相反。例如，南半球大部分区域磁性的指向是由内而外，而在这些存在磁场反向通量区域，磁性是由外向内指向。
为了进一步研究反向通量带是怎样发展以及它们将如何导致下一次极性反向的开始，经过一年多的时间，模拟了地磁场30万年的演变。结果发现，反向通量带往往在磁性反向前出现。当地磁场偶极场的强度减弱的时候，反向就开始了。
地球磁场倒转是一种地质事件，是一个以万年作为时间尺度的过程。而每两次倒转之间更要经过几十万年到上百万年的间隔,依据已经研究得到的结果，这个周期还非常不固定。“太阳的磁极倒转发生周期为22年，那是科学界在几十年以前就已经知道的。‘年地磁倒转’这样的结论，只可能由那些业余‘科学家’得出，主流的科学界根本不会去理会这种所谓的‘研究结论’。”
在两极翻转的过程中，今天地球生命的很多方面都会发生颠倒和混乱。那时，赖以保护人类免受太阳高能粒子强烈辐射的地球磁场将会完全消失，地球将整个暴露在各种致命的宇宙射线下；并且会加热大气层上层，引起全球气候改变；损坏所有位于地球近地轨道上的导航和通讯卫星；此外还会使地球上所有的迁徙性动物失去定向能力。所以，地球磁场的倒转是不可能发生的，地球的历史告诉我们地球从来就没有过这样的经历。
§6地球磁场翻转的原因
在地球45亿年的生命史中，地磁的方向已经在南北方向上反复转向了好几百次。地球的磁场并非亘古不变，它的南北磁极曾经对换过位置，即地磁的北极变化成地磁的南极，而地磁的南极变成了地磁的北极，这就是所谓的“磁极倒转”。
人们在世界各地记录当地的地磁场方向和强度；后来科学家们又发现在火山熔岩和大陆与海底的地质沉积物当中，能够找到更加久远的历史上的地磁记录。所有这些数据都告诉我们，地球磁场的空间分布非常复杂，反映了它的产生机制也非常复杂，决不是可以简单地想象为由一根南北向的磁铁棒所发出的；而地磁场的方向与强度在漫长的历史当中随着时间而发生的变迁，这里充满了未解之谜。
地球为什么有磁场？磁场又为什么会反转?近来对于地球内部的相关研究，指北针当然指向北方。数千年以来，水手依靠地球磁场来导航；而鸟类和其他对磁场敏感的动物已经应用这个方法有更长一段时间了。地球的磁极应该一直是都指向现在的方向。
地球物理学家知道，地球磁场变化的原因主要来源于地球地表之下。现在的这些科学家都没有依据地认为，地球像太阳系里的其他某些天体一样，是通过一个内部的发电机来产生自己的磁场。从原理上，地球“发电机”和普通发电机一样工作，即由其运动部份的动能产生电流和磁场。发电机的运动部份是旋转的线圈；行星或恒星内部运动部分则发生在可导电的流体部分。在地心，有着6倍于月球体积的巨大钢铁融流海洋，构成了所谓的地球发电机（geodynamo）机制。
直到最近，科学家还主要依靠简化的理论来解释地球发电机和它的磁性秘密。然而这样的发电机能形成发电能力的可能性，几乎是微乎其微的。就在在过去十多年里，研究地磁的人们想尽一切办法用新的方法来研究地球发电机的详细工作机制：人造卫星可以提供地球表面地磁场的清晰图像；同时，人们正在超级计算机上模拟地球发电机和在实验室里建立物理模型来解释这些轨道观测结果。这些工作对于过去磁极反转如何发生，未能提出可以令人信服的解释，并对如何反转的可能还是一片茫然。
为探讨地磁成因的可能性，我们还是再仔细认识“地磁发电机”理论。在上世纪四十年代，物理学界就公认：三个基本条件对产生任何的行星磁场是必需的，并且自那以后的其他发现都是建立在这一共识之上。第一个条件是：要有大量的导电流体─地球地心的外核是富含铁的流体。这个临界层包裹着一个几乎纯铁的固态地心内核，深埋在厚重的地幔和较薄地大陆、海洋地壳之下。距离地表的深度约千米。地壳和地幔重量带来的极大负荷，造成了地核内的平均压力是地表压力的万倍。此外，地心的温度也同样极端─大约为摄氏0度，和太阳表面的温度相近。
这些极端的环境条件，构成了行星发电机的第二要件：驱动流体运动的能量来源。驱动地球发电机的能量，部份是热能，部份是化学能——两者都在地心深处造成浮力。就像一锅在火炉上熬着的汤一样，地心的底部比顶部热（地心的高温是地球形成时截留在地球中心的热能）。这意味着地心底部较热的、密度较低的铁趋向于上升，就像热汤里的水滴。当这些流体到达地心顶部时，会由于碰到上覆的地幔而丧失部份热量。于是液态铁会冷却、密度变得比周围的介质高，从而下沉。这个通过流体的上升和下降来自下而上传递热量的过程称为热对流。
热量从地心上部的外核逸出也会导致地心固态内核体积的膨胀，产生两种另外的浮力来源来驱动对流。当液体的铁在固态内核的外部凝固成晶体时，潜在的热量——结晶热会作为副产品被释放出来。这些热量有助于增强热浮力。此外，密度较低的化合物（如硫化铁和氧化铁）被内核的结晶体排出并穿过外核上升，也会加强对流。
行星要产生自维持的磁场，还需要第三个条件：旋转。地球的自转通过科里奥效应（Corioliseffect）使地心内上升的流体偏转，就像我们在气象卫星影像上看到的洋流和热带风暴被科里奥效应扭曲成熟悉的漩涡状一样。在地心中，科里奥力（Coriolisforces）使上涌的流体偏转，沿着螺旋形的轨迹上升，仿佛沿着松弛弹簧的螺旋状金属线运动。
地球有着一个富含铁的液态地心能够导电、有足够的能量驱动对流、有科里奥力使对流的流体偏转，这些是地球发电机能够维持它本身数十亿年的主要原因。但科学家需要更多证据来回答磁场的形成和为什么随着时间的推移会改变极性等令人迷惑的问题。
专家们认为，地球磁场来自地球深处的地心部分。固体的地心四周是处在熔解状的铁和镍液体。地心在金属液中的运动，产生了电流，形成了地球磁场。而该磁场屏蔽了宇宙射线，主要是太阳风暴对地球的袭击，保护了地球生命的延续。科学家发现，火山岩浆凝固时，其中的铁总是按磁场方向排列。专家把这一现象称为地球动力学，地球磁场是由地球动力支配的，他们根据这一理论发展的电脑模拟系统发现，地心周围的液体物质，总是处在不稳定状态，以非常缓慢的速度转动，一般大约每年移动一度。然而在受到某种干扰时，这个速度会变得越来越快，使原有的磁场偏离极地越来越远，最后发生南北极互换的现象。
大家都知道地球磁极要随着时间流逝而变换，南极变北极，北极变南极。而且两次变换之间的时间间隔不等，平均为25万年。此前的一次变换发生在75万年前，因此他们预料，不久还会发生新的两极变换。这样就产生了一个问题：地球磁极变换会不会使地球磁场短时间消失，从而失去了防止宇宙带电粒子到达地球的能力，引起一些科幻电影所描述的严重自然灾害呢？
为了进一步研究反向通量带是怎样发展的，以及它们是如何导致下次极性反转开始的，研究人员在超级计算机上和实验室里模拟了地球发电机。其后，针对数十万年的模拟已经证明对流确实可以在地心─地幔边界上产生反向通量带，模拟结果和在人造卫星图像上发现的反向通量带类似。这些反向通量带往往在自然磁极反转前出现，这在一些模拟中能够再现。
这些理论模型和地球实际发电机的符合程度怎样？事实是没有人确切知道。还没有计算机发电机模型能够模拟存在于行星内部的较宽频谱的紊流，这主要是因为目前的大型并行超级计算机还不能胜任三维环境下采用现实物理参数来精确模拟磁场紊流的任务。在地心中扭曲磁场的最小紊流漩涡发生的尺度或许是数米到数十米，远小于在目前的超级计算机上现有的全球地球发电机模型能够处理的尺度。这意味着所有的地球发电机三维计算机模型迄今为止只能模拟简化的、大尺度的层状对流流体，类似于灼热的矿物油在油灯内的上升情况。
为了在层流模型中得到近似紊流的效果，研究人员对流体核的某些属性使用了不切实际的大数值，这些流体核在现实世界中是如此之小，以至于很难用数值方法来解决。为了在计算机模型里模拟真正的紊流，研究人员必须借助于二维视图。关键是二维流体不能维持发电机工作。这些模型还说明了目前地球发电机模拟出的层流和地心中存在的紊流相比还是过于平稳和简单。
可能最显著的不同是流体穿过地心时的上升路线。在简化的层对流模拟中，大的流体柱从地心的底部一直延伸到顶部。另一方面，在二维紊流模型中对流可以由多个小流体柱和靠近地心上下边界的漩涡标识并和中间区域的主要对流相互作用。
流体模式的这种不同，对地球磁场的结构和发生各种变化的时间有很大的影响。这是为什么研究人员坚持不懈地研发下一代三维模型的原因。也许十年后的某一天，计算机处理速度的进步将使模拟紊流发电机成为可能。在那以前，我们希望从现在进行的实验室发电机实验中获取更多的了解。
增进对地球发电机了解的一个好方法把计算机发电机模型（缺乏紊流）和实验室发电机模型（缺乏对流）作比较。科学家在年首次展示了实验室范围发电机的可能性，但是离成功还有很长的路。实验室装置和实际行星的内核在大小方面的巨大不同是一个至关重要的因素。一个能够自维持的流体发电机需要一个和维数无关的参数，称之为磁雷诺数（magneticReynoldsnumber），应超过一个最小值，大致为10。
地球地心的磁雷诺数很大，可能大约为，这主要是因为地球的线尺寸很大（地心的半径大约是千米）。简单外推就是，用体积很小的流体产生一个很大的磁雷诺数是极端困难的，除非高速移动这一流体。
几个世纪以来，在实验室流体发电机里产生连续磁场的梦想，有的研究团队独立地实现了在大量的液钠里自己产生磁场（采用液钠是因为钠具有高导电性和低熔点）。他们找到了在1～2米长的螺旋型管道系统中获得高速流体的方法，从而得到大约为10的临界磁雷诺数。
这些实验结果证实了理论，让我们可以估计什么时候应用发电机理论于地球和其他行星。目前世界范围内的许多研究团队正在紧张地发展下一代实验室发电机。为了更好地模拟地球的几何形状，这些实验将在大型球状容器中搅动液钠，直径最大的达3米。
人们在世界各地记录当地的地磁场方向和强度；后来科学家们又发现在火山熔岩和大陆与海底的地质沉积物当中，能够找到更加久远的历史上的地磁记录。所有这些数据都告诉我们，地球磁场的空间分布非常复杂，反映了它的产生机制也非常复杂，决不是可以简单地想象为由一根南北向的磁铁棒所发出的；而地磁场的方向与强度在漫长的历史当中随着时间而发生的变迁，也是充满了未解之谜。
磁现象的电本质来做解释，认为按照物理学研究的结果，高温、高压中的物质，其原子的核外电子会被加速而向外逃逸。所以，地核在K的高温和万个大气压的环境中会有大量的电子逃逸出来，地幔间会形成负电层。按照麦克斯韦的电磁理论：电动生磁，磁动生电。所以，要形成地球南北极式的磁场，必然需要形成旋转的电场，磁场由此而生。
真的太难了，用地磁发电机理论来解释地球磁场成因。就好像用一个融化了的大铁球，你使它旋转起来就要让它发电！在我们人造的发电机里，我们要把磁路和电路都要理顺，它才能产生出电流来。没有任何电路的一个球形导体，它就是有电，也只是一个放电体。地核的旋转不可能形成像地球磁场这样庞大磁场来。更何况还要它经常地翻转。使岩浆可以流动的能量产生不出地球磁场来，它太小了。
§7地球磁场翻转的疑问所在
地球磁场保护了地球生命的繁衍生息。“地球磁场逆转”学说认为，地磁场逆转前先有一个磁场消失的过程，因为磁场逆转是度无过渡逆转（无其它旋转度数过渡的剩磁现象）。地磁场消失了，生物就失去了保护，生物将如何生存繁衍？
地球磁场如果消失一年，地球表面生物将所剩无几。如果消失两年，地球上的水都会很快被烤干了。生物学家说，地球上从来不会出现这样的事情，水也没被烤干。地球物理学认为，“地球磁场逆转”在地球诞生以来都发生过几百次了。地球磁场逆转是否真的发生过？除了剩磁的证明，其它就再也找不到地球历史的记载，生物史也没有过这种经历过程。并且至今谁也没有找到它的理论模型和磁场逆转的形成机制。
我们还是要问，问题的本质是出在哪里呢？生物学的演化出问题？是不大可能，生物都是经过演化过来的实际存在。我们还是来检查地球物理学的古地磁学里面的问题所在吧。
“地球磁场逆转”问题起源于，法国地球物理学家布容在年研究法国中部玄武岩流的天然剩磁时，发现存在地磁反相现象，但是他没有给出解释。是松山基范于年，对日本万年以来的火山岩进行测量，也发现了反向的天然剩磁，他突发奇想，大胆提出地球的磁极曾经倒转过，可是当时没有人会相信他的说法。20世纪50年代，海洋地球物理学的最重要成果海底条带状磁异常，这一项重大科学发现让地球磁场逆转理论产生了极大的世界影响。科学界就认为地球磁场逆转应该就是这种解释了，因为从空间看，如果磁场源在地球的核心，那就再也找不到其他的解释方案了。
这样这种武断的方法，被认定的理论解释是没有不出问题的，我们再看布容的研究成果：“大多数样品的磁性与预测结果相符，但有些样品的磁性却是反常的，因此布容吃了一惊。这些岩石里小磁铁的指北极不是指北，而是指南；向上翘而不是向下倾。也就是说，它的定向与现代磁场正好相反。”还有就是这种反相整好翻转度。归纳出以下二点：
1、考察的样品显示，地磁场转相大多刚好都是度
这里给人留下的印象，“正好相反”的解释，常会让人有不确定的想法。李四光先生对这一点非常在意，认为把它解释成地球磁场逆转是过于牵强了（为此很是影响了他的威望）。比如，现在是正向磁场，经过几千年或者上万年磁场反转作用之后，它还是一度不差地落在度原来的磁场上，是有些让人不可思议。
2、磁场翻转后，磁倾角是“向上翘而不是向下倾”。
我们应该熟悉德国数学家高斯关于地球磁场的理论，将地球视为一个具有偶极子磁场强度的球体，用数学推导出的磁极，称为地球的虚地磁南北极。地球的磁场，我们现在只能测量地表以上的磁场参量；地表磁场满足高斯的磁势球谐分析的计算。
布容研究的是法国中部的玄武岩，依据高斯定理计算，它们都和现在一样是向下倾斜的。如果是磁场正常发生的逆转变化，为度反向磁场，小磁铁的北极不指向北，而是指向了南。但是，高斯理论计算出的小磁铁还是应该向下倾的，而决不可以向上翘。
根据现在对反磁性岩石的统计，纬度在30度以上的反磁性玄武岩的磁倾角基本上都是上翘的。它们和正向磁性岩石的磁倾角相差都非常大。度反向磁性，接近90度的磁倾角差，仅仅用简单的磁极翻转过程来给出解释，显然是不合理的。
高斯对地面上任一点的磁势进行球谐分析，只要是地磁场表面的点，怎么着也分析不出一个能向上翘的磁场点呀！如果地球磁场翻转了，那么它也要给出一个地磁场图，用高斯球谐函数标定出一个翻转过的地磁场图，你会发现你得到的是一个和地球圆弧不一样的反地球圆弧的反极性的磁场图。地磁场翻转，地球也要翻转？这里地球的翻转并不是南北极的对调，而是地球的表面不是向内包地球，是一种地球的表面去包裹整个宇宙的翻转，真是难以想象！
§8地球磁场不用翻转
在第三章我们得到过结论：
地球外壳带有电荷，雷电现象说明了电荷在地球赤道附近的电量最大，随着纬度的增加，电量越来越小。地壳中的电与地磁场相关。雷电现象和地壳带电相互印证。
长期以来我们对地球磁场的全部理解，都是把视线盯在了地球的内部——地核上，由来已久的偏执理念使我们失去了对地球磁场的认知。地球的内核和外核如果可以产生磁场的话，那么这个磁场是不能穿越地幔而反映到地球表面上来的。因为地核的能量所产生的磁场，不能穿越地幔的磁阻，来到地球的表面。而且地球之外的各种能量也不可能穿越地幔，作用到地核上去产生磁场。
地壳和水圈组成的地球表面圈层有电流运行，这是不争的事实。之前的许多科学研究都发现有地电流的存在，只是我们无法实际测量到它的全部踪迹，所以没有人研究它在全球实际的分布和运行情况。地球物理学的地电学和地磁学虽然是放在一起教学，可是并没有人理会它们之间的关系。
我们首先讨论地壳与水圈之中电流运行的情况：地壳（包括水圈）电流在赤道上形成一个闭合回路，在赤道附近的电流最大，随着纬度的增加，电流量越来越小；最大电流的深度，在海洋里一般是海洋底下几百米处；陆地上可能是在地表下0米处。依据电流的流动有最短路径效应（电阻最小原理）和地电阻的梯度分布，在地层断面上的中心电流层是个向地心逐渐变弱的梯度电流层；中心电流层随着地质电阻的变化而变化的；而且还是一个上下起伏的波动电导层。
还是用地球物理学理念给予说明：依据电磁学，磁力线都是闭合的。正向和反向的磁力线在地球上都是存在着的；现在地表以上的或者是电流层之上运行的磁力线我们把它称作“正磁力线”，或者叫做“地表磁力线”。它和另外的磁力线闭合，另外的磁力线是我们检测不到的“地球内磁力线”或是在中心电流层之下产生的叫做“负磁力线”。地下磁力线是必然存在的，如果不存在，地磁场就不能闭合了。
在导电层上面形成的地质元素，我们检测它的剩磁时，它的表现就是“正极性期”地质表达；近期在导电层下面形成的岩石就是“松山反极性期”岩石磁表达。地下水等环境的改变使地层电导层上升或者下降，布容得到的玄武岩剩磁的反向，就是在电导层提升起来的环境下生成的，这种的解释就显得十分合理了。特别是对“向上翘而不是向下倾”玄武岩岩石的解释。“反极性期”岩石磁表达反映的是“地下磁力线”当年磁场的地球内磁力线的实际情况，对它们的反相推演还可以揭开地球演化过程的许多秘密。
“地下磁力线”我们原来都认为是不可见的，因为地核发电机原理让我们知道，它们都发生在地核里面，我们无法进行检测研究。现在我们可以知道，“反极性期”岩石磁表达是在“地导电层下磁力线”中生成的。改变了思想方法，我们就会发现许多有趣的事情。用地表主电流层下形成岩石的理论解释岩石剩磁的反相问题，许多问题都可以迎刃而解。
在地壳上的导电层的提升和下沉，都与地质的变动有关。布容研究的，磁倾角是“向上翘而不是向下倾”的疑问，用电流层下形成岩石的理论解释，显得非常贴切。地磁场逆转度疑难的解释，变得很相容。因为地球地壳状态变化，使地壳的电阻改变了，电流层提升了，在电流层之下形成的剩磁正好是度反相。也容易让人理解了。
所以说，地球磁场的磁极不用翻转，地磁场就更不用消失了，所有生物的磁规律都不用改变。
虽然地球磁场没有实际反转，为了便于学术研究的连续性。我们还是使用“正极性期”和“反极性期”原来的称呼，因为它们也是地表实测的正极性和反极性的实际表现。它们对地球史的定义还是具有不可替代的价值，因为放射性测年和地磁极性翻转定年相比，放射性测年太粗糙了。只不过原理改变了，有许多细节要重新考虑，由此给出地质演化说明，将会更为贴切。
§9天然磁石生成疑问
我们有好多未知的疑问需要解决，有些疑问都是非常常见的和很简单就可以想到的，只是因为没办法给出解释，所以大家都视而不见。
我们知道，中国人早就使用指南针来确定地理位置了，很多历史记载都有磁石的存在，还有的文献上把它记为慈石，中国人用它来制造指南针或者治病。
人工永久磁石是十九世纪才被做出来的。0多年来，人类用以制作指南针的磁石都是取自于自然形成的天然磁石。天然磁石又是怎么自然形成的呢？
我们知道地磁场现在的最大磁场强度是0.7高斯，地球自生成已来，在正磁力线上最大的磁场强度也不会超过2高斯。天然磁石（一种四氧化三铁矿石）的磁场强度许多都在20高斯以上，有的都能超过50高斯。以现在的理念，地球上都找不到2高斯以上的磁场，磁石的永久剩磁是从哪里来的呢？依据剩磁理论，在没有强于磁石场强的强磁场是得不到磁石这样的场强的。
之前的解决办法：第一说，外来的陨星落地后的陨铁，具有强磁性。根据居里温度，陨星进入大气后温度很高，不会再带有磁性。第二说，强雷电击中四氧化三铁，使其具有强磁场。雷击时温度可以很高，但是在冷却时强磁场已经不存在了，所以雷击四氧化三铁也不可能形成强磁场的磁石。
只有四氧化三铁成矿时，它是在强磁场中冷却的，四氧化三铁才能成为强磁场的磁石。
如果是在地壳电流层以下，冷却四氧化三铁液就可能生成磁石。第一，因为我们知道地幔的主要成分是二氧化硅，二氧化硅是逆磁性材料。地电流层周围形成的地磁场，在电流层之下的生成的“负磁力线”，有二氧化硅阻抗，很难向地幔深层内扩张。第二，四氧化三铁是铁磁性材料，依据磁理论它有聚磁的功能。如果四氧化三铁液体在地电流层以下冷却的时候，它在的位置离电流层很近，那么它将得到一个很高的磁场冷却环境。只是强磁石得到的磁性都是反极性的。
还有一件事必须注意，是电流层以下的磁通量一般要小于电流层之上的磁通量。它的衰减是地幔二氧化硅逆磁性材料造成的。
地磁场的能量是由磁力线，也就是接触太阳风的磁层磁力线传入的，它们直接从两极或不远的地区引入地壳。有时形成几块（大约是四块）强的磁力线族。
本章重点概要
（一）剩磁是将铁磁体磁化到一定状态后再逐渐减小外磁场至零时，铁磁体内所保留的磁感应强度，其全称为剩余磁感应强度。
（二）地质材料发现了反向天然剩磁。松山基范突发奇想，大胆提出地球的磁极曾经倒转过：在某些时期，地球的磁北极曾位于地理南极附近，而磁南极则靠近地理的北极。
（三）海洋地球物理学的最重要成果海底条带状磁异常，这一项重大发现让地球磁场逆转理论产生了影响。科学界就认为地球磁场逆转应该就是这种解释了，因为再也找不到其他的解释方案了。
（四）地壳电流在赤道上形成一个闭合回路，在赤道附近的电流最大，随着纬度的增加，电流量越来越小；在地层断面上的中心电流层是个向地心变弱的梯度电流层；中心电流层随着地质电阻的变化而变化的；而且是一个上下起伏的波动电导层。
（五）虽然地球磁场没有实际反转，为了便于学术的连续性。我们还是使用“正极性期”和“反极性期”原来的称呼，因为它们也是地表实测的正极性和反极性的实际表现。
（六）地磁场的能量是由磁力线，也就是接触太阳风的磁层磁力线传入的，它们直接从两极或不远的地区引入地壳。有时形成几块（大约是四块）强的磁力线族。
（七）地电流层周围形成的地磁场，四氧化三铁是铁磁性材料，依据磁理论它有聚磁的功能。如果四氧化三铁液体在地幔以下冷却的时候，它在的位置如果离电流层很近，那么它将得到一个很高的磁场冷却环境。