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地磁場是地球的基本物理場之一，起源于地球液態(tài)外核，能夠反映地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)和運動狀態(tài)，同時環(huán)繞在地球周圍，保護著地球宜居環(huán)境。研究地磁場變化規(guī)律在認識地球深部動力機制、地表過程和環(huán)境、現(xiàn)代地磁場特征和變化趨勢等方面具有重要意義。大量不同時空分布的高質(zhì)量觀測數(shù)據(jù)是全面認識地磁場區(qū)域和全球變化特征的必要條件。近現(xiàn)代的衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)滿足這一要求，但覆蓋時間短?？脊糯艑W(xué)可以把地磁場觀測記錄回溯至近幾千年甚至全新世，在建立地磁場區(qū)域和全球模型方面具有重要貢獻。然而，目前全球考古磁學(xué)數(shù)據(jù)分布不均，大部分數(shù)據(jù)集中在歐洲和中東地區(qū)，北半球低緯度地區(qū)和南半球數(shù)據(jù)稀少，制約了對地磁場形態(tài)特征和變化規(guī)律的準確認識。

東南亞地區(qū)正是上述全球數(shù)據(jù)匱乏區(qū)之一。中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所副研究員蔡書慧聯(lián)合美國加州大學(xué)圣迭戈分校教授Lisa Tauxe、美國芝加哥伊利諾大學(xué)副教授Mitch Hendrickson、澳大利亞14C定年專家Quan Hua和柬埔寨考古項目組等，對位于東南亞柬埔寨北部的一處古代冶鐵遺址（Tonle Bak）開展了考古磁學(xué)研究，獲得了該地區(qū)首批地磁場全矢量數(shù)據(jù)。該研究改善了全球考古磁學(xué)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，記錄到地磁場負異常，為認識低緯度地區(qū)地磁場特征及核幔邊界結(jié)構(gòu)提供了新思路，并為今后相關(guān)區(qū)域考古磁學(xué)工作提出新方向。

Tonle Bak遺址位于吳哥窟古城以東～135 km（圖1a），考古調(diào)查結(jié)果顯示它所在的Phnom Dek地區(qū)或為吳哥王朝擴張時期很重要的鐵金屬供應(yīng)地，在該地區(qū)發(fā)現(xiàn)了十幾處冶鐵遺址，論文采樣區(qū)Tonle Bak遺址是其中一處（圖1b）。研究對出土的3個冶煉窯址（Furnace1、Furnace2、Furnace3）和3個發(fā)掘溝堆積剖面（Trench1、Trench3、Trench4）系統(tǒng)采集了定向樣品（窯底或窯壁固結(jié)燒土）、非定向樣品（燒土、吹風(fēng)管、爐渣）和碳屑（圖2）。碳屑的14C定年結(jié)果將遺址年齡范圍限定為公元1034-1391年。窯址定向樣品記錄的地磁場方向結(jié)果結(jié)合鄰近地區(qū)已發(fā)表數(shù)據(jù)顯示，地磁場方向在公元1200-1300年間發(fā)生突變（圖3a），即使變化速率下限也高于該地區(qū)現(xiàn)代地磁場方向平均變化速率。同時，樣品強度結(jié)果顯示，公元1100-1300年地磁場強度存在不對稱“V”形變化，最低值出現(xiàn)在公元1200-1300年（圖3b），與方向結(jié)果對應(yīng)。

Tarduno等在非洲南部的考古磁學(xué)研究發(fā)現(xiàn)類似的地磁異常，公元1300年左右地磁場方向突變伴隨地磁場強度降低，研究區(qū)位于非洲下部低剪切速度地幔異常體（LLSVP）陡峭邊界的正上方，因此，研究將這一磁異常歸因于核幔邊界處地形異常引起的磁通量溢出（magnetic flux expulsion）產(chǎn)生的反向渦流（reversal flux patch）。該研究獲得的柬埔寨考古磁學(xué)結(jié)果與非洲南部結(jié)果非常相似，且兩個研究區(qū)均位于全球模型預(yù)測的赤道附近地磁場負異常區(qū)（EGA，圖4a），指示二者可能有相似的成因。對比EGA覆蓋范圍內(nèi)其他地區(qū)地磁場強度結(jié)果，發(fā)現(xiàn)各個地區(qū)地磁場強度在公元1100-1400年都有降低的趨勢，只是降低的幅度和最低值出現(xiàn)的時間存在差異（圖4b-e），指示低緯度地區(qū)核幔邊界處可能普遍存在磁通量溢出現(xiàn)象。

由于各個地區(qū)已有數(shù)據(jù)質(zhì)量和數(shù)量不一致，目前對各地區(qū)磁異常形態(tài)特征尚未有足夠準確的認識。它們是同時出現(xiàn)還是相互之間有傳遞關(guān)系？是否反映該區(qū)域核幔邊界結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜？它們在時間上是否具有周期性？與現(xiàn)代地磁場的顯著特征——南大西洋異常（SAA）有何關(guān)聯(lián)？對認識現(xiàn)代地磁場變化趨勢有何啟示？回答上述問題，需要更多低緯度地區(qū)不同時間的高質(zhì)量數(shù)據(jù)，也需要結(jié)合核幔邊界結(jié)構(gòu)和流體運動狀態(tài)方面的相關(guān)模擬計算工作來解釋其形成機制和變化規(guī)律。

相關(guān)研究成果發(fā)表在PNAS上，研究工作得到國家自然科學(xué)基金委員會、美國國家科學(xué)基金會、中科院人才項目和地質(zhì)地球所重點部署項目等的資助。

圖1.（a）研究區(qū)位置圖。紅色五角星為采樣位置，綠色圓形為吳哥窟位置。其余符號為論文用到的已發(fā)表數(shù)據(jù)采點位置，詳見圖注。（b）采樣遺址高程圖。圖中標明了論文采樣的3個窯址和3個發(fā)掘溝位置

圖2.（a）代表性窯址（F3）定向樣品采樣照片。圖中字母代表定向樣品采集位置；（b）代表性發(fā)掘溝（T1）非定向樣品和碳屑采樣照片。藍色數(shù)字為非定向樣品采集位置，旁邊括號中為樣品記錄的古強度值，紅色數(shù)字代表碳屑采集位置

圖3.（a）地磁場方向結(jié)果。紅色為本文新增結(jié)果，黑色為泰國已發(fā)表結(jié)果，藍色虛線代表地磁場方向移動軌跡；（b）地磁場強度結(jié)果。紅色五角星為論文新增結(jié)果，其余符號為已發(fā)表數(shù)據(jù)，詳見圖注。桔色、灰色和黃綠色實線分別為中國考古強度參考曲線和全球模型CALS10k.2和SHAWQ2k對采樣位置預(yù)測結(jié)果

圖4.（a）全球模型SHAWQ2k預(yù)測的公元1250年地表地磁場強度分布；（b-e）非洲、東亞-東南亞、南美和西南太平洋地區(qū)公元1000-1500年地磁場強度數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源詳見圖注