ธรณีแม่เหล็กโบราณ (บางครั้งเรียกว่าพาลีโอแมกเนติซึม ) คือการศึกษาเกี่ยวกับสนามแม่เหล็กโลก ในยุคก่อนประวัติศาสตร์ ที่บันทึกไว้ในหิน ตะกอน หรือวัสดุทางโบราณคดีนักธรณีฟิสิกส์ที่เชี่ยวชาญด้านธรณีแม่เหล็กโบราณเรียกว่านักธรณีแม่เหล็กโบราณ

แร่แม่เหล็กบางชนิดในหินสามารถบันทึกทิศทางและความเข้มของสนามแม่เหล็กโลกในช่วงเวลาที่หินเหล่านั้นก่อตัวขึ้น บันทึกนี้ให้ข้อมูลเกี่ยวกับพฤติกรรมของสนามแม่เหล็กโลกในอดีตและตำแหน่งของแผ่นเปลือกโลก ในอดีต บันทึกการกลับทิศของสนามแม่เหล็กโลกที่ถูกเก็บรักษาไว้ใน ลำดับชั้นหิน ภูเขาไฟและหินตะกอน ( ธรณีวิทยาแม่เหล็ก ) ให้มาตราเวลาที่ใช้เป็นเครื่องมือ ทางธรณีวิทยา

หลักฐานจากธรณีแม่เหล็กโบราณนำไปสู่การฟื้นฟู สมมติฐาน การเคลื่อนตัวของทวีปและการพัฒนาไปสู่ทฤษฎีแผ่นเปลือกโลกสมัยใหม่ เส้นทาง การเคลื่อนที่ของขั้วโลกที่ปรากฏให้เห็นเป็นหลักฐานทางธรณีฟิสิกส์ที่ชัดเจนครั้งแรกสำหรับการเคลื่อนตัวของทวีป ในขณะที่ความผิดปกติของสนามแม่เหล็ก ในทะเล ก็ให้หลักฐานเดียวกันสำหรับการขยายตัวของพื้นทะเลข้อมูลธรณีแม่เหล็กโบราณยังคงขยายประวัติศาสตร์ของแผ่นเปลือกโลกย้อนกลับไปในอดีต โดยจำกัดตำแหน่งและการเคลื่อนที่ในสมัยโบราณของทวีปและชิ้นส่วนของทวีป ( เทอร์เรน )

สาขาธรณีแม่เหล็กโบราณยังครอบคลุมถึงการวัดค่าเทียบเท่าของตัวอย่างจากวัตถุอื่นๆ ในระบบสุริยะ เช่นหินบนดวงจันทร์และอุกกาบาตซึ่งใช้ในการตรวจสอบสนามแม่เหล็กโบราณของวัตถุเหล่านั้นและทฤษฎีไดนาโม ธรณีแม่เหล็ก โบราณ อาศัยความก้าวหน้าในด้านแม่เหล็กของหินและมีความเกี่ยวพันกับ ธรณี แม่เหล็กชีวภาพ โครงสร้างแม่เหล็ก (ใช้เป็นตัวบ่งชี้ความเครียดในหินและดิน) และแม่เหล็ก สิ่งแวดล้อม

ตั้งแต่ศตวรรษที่ 18 มีการสังเกตว่าเข็มทิศเบี่ยงเบนไปใกล้กับหินที่ มีสนามแม่เหล็กแรงสูง ในปี 1797 อเล็กซานเดอร์ ฟอน ฮุมโบลต์ ได้ระบุว่า สนามแม่เหล็กนี้เกิดจากฟ้าผ่า (และฟ้าผ่ามักทำให้หินบนพื้นผิวมีสนามแม่เหล็ก) ^{[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]}การศึกษาทิศทางของสนามแม่เหล็กในหินในศตวรรษที่ 19 แสดงให้เห็นว่าลาวาบางชนิดในปัจจุบันมีสนามแม่เหล็กขนานกับสนามแม่เหล็กโลกในช่วงต้นศตวรรษที่ 20 ผลงานของเดวิดเบอร์นาร์ด บรุนเฮสและพอล หลุยส์ เมอร์แคนตันแสดงให้เห็นว่าหินหลายชนิดมีสนามแม่เหล็กตรงข้ามกับสนามแม่เหล็ก นักธรณีฟิสิกส์ชาวญี่ปุ่นโมโตโนริ มาตุยามะแสดงให้เห็นในช่วงปลายทศวรรษ 1920 ว่าสนามแม่เหล็กโลกกลับทิศทางในช่วงกลางยุค ควอเทอ ร์ นารี ซึ่งการกลับทิศทางนี้ปัจจุบันรู้จักกันในชื่อการกลับทิศทางของบรุนเฮส-มาตุยามะ^{[ 5 ] [ 6 ]}

พีเอ็มเอส แบล็กเก็ตต์นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษได้สร้างแรงผลักดันสำคัญให้กับวิชาแม่เหล็กโบราณ โดยการประดิษฐ์เครื่องวัดสนาม แม่เหล็กแบบไร้ไฟฟ้าสถิตที่มีความไวสูง ในปี 1956 จุดประสงค์ของเขาคือเพื่อทดสอบทฤษฎีที่ว่าสนามแม่เหล็กโลกมีความสัมพันธ์กับ การหมุนของโลก ซึ่งเป็นทฤษฎีที่เขาปฏิเสธในที่สุด แต่เครื่องวัดสนามแม่เหล็กแบบไร้ไฟฟ้าสถิตกลับกลายเป็นเครื่องมือพื้นฐานของวิชาแม่เหล็กโบราณและนำไปสู่การฟื้นฟูทฤษฎีการเคลื่อนตัวของทวีป

อัลเฟรด เวเกเนอร์เสนอครั้งแรกในปี พ.ศ. 2458 ว่าทวีปต่างๆ เคยเชื่อมต่อกันมาก่อนและได้แยกออกจากกันในภายหลัง^{[ 7 ] [ 8 ]}แม้ว่าเขาจะนำเสนอหลักฐานแวดล้อมมากมาย แต่ทฤษฎีของเขากลับไม่ได้รับการยอมรับมากนักด้วยเหตุผลสองประการ: (1) ไม่ทราบกลไกการเคลื่อนตัวของทวีป และ (2) ไม่มีวิธีใดที่จะสร้างการเคลื่อนที่ของทวีปขึ้นมาใหม่เมื่อเวลาผ่านไปคีธ รันคอร์น^{[ 9 ]}และเอ็ดเวิร์ด เอ. เออร์วิง^{[ 10 ]}ได้สร้าง เส้นทาง การเคลื่อนที่ของขั้วโลกที่ปรากฏสำหรับยุโรปและอเมริกาเหนือ เส้นโค้งเหล่านี้แยกออกจากกัน แต่สามารถประนีประนอมกันได้หากสันนิษฐานว่าทวีปต่างๆ เคยสัมผัสกันเมื่อ 200 ล้านปีก่อน นี่เป็นหลักฐานทางธรณีฟิสิกส์ที่ชัดเจนครั้งแรกสำหรับการเคลื่อนตัวของทวีป จากนั้นในปี พ.ศ. 2506 มอร์ลีย์ ไวน์ และแมทธิวส์ได้แสดงให้เห็นว่าความผิดปกติของสนามแม่เหล็ก ในทะเล เป็นหลักฐานสำหรับการ ขยายตัวของพื้นทะเล

มีการศึกษาธรณีแม่เหล็กโบราณในหลายระดับ:

• การเปลี่ยนแปลงทางแม่เหล็กโลกในระยะยาวคือการเปลี่ยนแปลงในทิศทางและความเข้มของสนามแม่เหล็กโลกในระดับเล็กๆขั้วแม่เหล็กเหนือจะเคลื่อนที่อยู่ตลอดเวลาเมื่อเทียบกับแกนหมุนของโลก เนื่องจากสนามแม่เหล็กเป็นเวกเตอร์ การศึกษาการเปลี่ยนแปลงของสนามแม่เหล็กจึงทำได้โดยการวัดทิศทางในอดีตของค่าความเบี่ยงเบนแม่เหล็กและความเอียงแม่เหล็กและการวัดความเข้มในอดีต

• ธรณีวิทยาแม่เหล็กใช้ ประวัติการกลับ ขั้วของสนามแม่เหล็กโลกที่บันทึกไว้ในหินเพื่อกำหนดอายุของหินเหล่านั้นการกลับขั้วเกิดขึ้นในช่วงเวลาที่ไม่สม่ำเสมอตลอดประวัติศาสตร์ของโลกอายุและรูปแบบของการกลับขั้วเหล่านี้ทราบได้จากการศึกษาเขตการขยายตัวของพื้นทะเลและการหาอายุของหินภูเขาไฟ

การศึกษาเกี่ยวกับสนามแม่เหล็กโบราณเป็นไปได้เพราะ แร่ที่มีธาตุ เหล็กเช่นแมกเนไทต์อาจบันทึกขั้วแม่เหล็กโลกในอดีตได้ ร่องรอยแม่เหล็กในหินสามารถบันทึกได้ด้วยกลไกหลายวิธี

แร่เหล็ก-ไทเทเนียมออกไซด์ในหินบะซอลต์และหินอัคนี ชนิดอื่นๆ อาจช่วยรักษาทิศทางของสนามแม่เหล็กโลกไว้ได้ เมื่อหินเย็นตัวลงผ่านอุณหภูมิคิวรีของแร่เหล่านั้น อุณหภูมิคิวรีของแมกเนไทต์ ซึ่งเป็นเหล็กออกไซด์ในกลุ่มสปิเนลอยู่ที่ประมาณ 580 องศาเซลเซียส (1,076 องศาฟาเรนไฮต์) ในขณะที่หินบะซอลต์และหินแกบโบร ส่วนใหญ่ จะตกผลึกอย่างสมบูรณ์ที่อุณหภูมิต่ำกว่า 900 องศาเซลเซียส (1,650 องศาฟาเรนไฮต์) ดังนั้น เม็ดแร่จึงไม่ได้หมุนเพื่อจัดเรียงตัวให้ตรงกับสนามแม่เหล็กโลก แต่พวกมันอาจบันทึกทิศทางของสนามนั้นไว้ได้ บันทึกที่ถูกเก็บรักษาไว้เช่นนี้เรียกว่า การคงสภาพแม่เหล็กเนื่องจากความร้อน (Thermoremanent Magnetization หรือ TRM)

เนื่องจากปฏิกิริยาออกซิเดชัน ที่ซับซ้อน อาจเกิดขึ้นขณะที่หินอัคนีเย็นตัวลงหลังจากการตกผลึก ทิศทางของสนามแม่เหล็กโลกจึงไม่ได้ถูกบันทึกไว้อย่างแม่นยำเสมอไป และบันทึกนั้นก็ไม่จำเป็นต้องคงอยู่ตลอดไป อย่างไรก็ตาม บันทึกดังกล่าวได้รับการเก็บรักษาไว้ได้ดีพอในหินบะซอลต์ของเปลือกโลกใต้มหาสมุทรซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการพัฒนาทฤษฎีการขยายตัวของพื้นทะเลที่เกี่ยวข้องกับธรณีแปรสัณฐาน

TRM ยังสามารถบันทึกได้ในเตาเผาเครื่องปั้นดินเผา เตาผิง และอาคารดินเผาที่ถูกเผาไหม้ สาขาวิชาที่อิงจากการศึกษาการเกิดสนามแม่เหล็กตกค้างจากความร้อนในวัสดุทางโบราณคดีเรียกว่าการหาอายุด้วยสนามแม่เหล็กโบราณ [ ^{11 ] แม้ว่า}ชาวเมารีในนิวซีแลนด์ จะไม่ทำเครื่องปั้นดินเผา แต่เตาอบไอน้ำหรือ ฮังกีที่มีอายุ 700 ถึง 800 ปีของพวกเขาก็มีวัสดุสนามแม่เหล็กโบราณที่เพียงพอ^{[ 12 ]}

ในกระบวนการที่แตกต่างอย่างสิ้นเชิง เม็ดแม่เหล็กในตะกอนอาจเรียงตัวตามสนามแม่เหล็กในระหว่างหรือหลังจากการสะสมตัวไม่นาน ซึ่งเรียกว่าการเกิดสนามแม่เหล็กตกค้างจากตะกอนหากสนามแม่เหล็กเกิดขึ้นในขณะที่เม็ดแม่เหล็กสะสมตัว ผลลัพธ์ที่ได้คือการเกิดสนามแม่เหล็กตกค้างจากตะกอนจากการสะสมตัว หากเกิดขึ้นหลังจากการสะสมตัวไม่นาน จะเรียกว่าการเกิดสนามแม่เหล็กตกค้างจากตะกอนจากการสะสมตัว^{[ 13 ]}

ในกระบวนการที่สาม เม็ดแม่เหล็กจะเติบโตในระหว่างปฏิกิริยาเคมีและบันทึกทิศทางของสนามแม่เหล็กในขณะที่ก่อตัวขึ้น กล่าวกันว่าสนามนี้ถูกบันทึกโดยการเหนี่ยวนำแม่เหล็กตกค้างทางเคมี (CRM) รูปแบบทั่วไปพบได้ในแร่ฮีมาไทต์ ซึ่ง เป็นออกไซด์ของเหล็กอีกชนิดหนึ่งฮีมาไทต์เกิดขึ้นจากปฏิกิริยาออกซิเดชันทางเคมีของแร่ธาตุอื่นๆ ในหิน รวมถึงแมกเนไทต์ชั้นหินสีแดงซึ่ง เป็นหินตะกอน แบบคลาสติก (เช่นหินทราย ) มีสีแดงเนื่องจากฮีมาไทต์ที่เกิดขึ้นในระหว่างกระบวนการไดอะเจเน ซิสของตะกอน สัญญาณ CRM ในชั้นหินสีแดงมีประโยชน์มาก และเป็นเป้าหมายทั่วไปในการศึกษาแม่เหล็กธรณีวิทยา^{[ 14 ]}

การคงสภาพแม่เหล็กที่เกิดขึ้นที่อุณหภูมิคงที่เรียกว่าการคงสภาพแม่เหล็กแบบไอโซเทอร์มอล (IRM) การคงสภาพแม่เหล็กประเภทนี้ไม่มีประโยชน์สำหรับการศึกษาแม่เหล็กโบราณ แต่สามารถเกิดขึ้นได้จากการถูกฟ้าผ่าการคงสภาพแม่เหล็กที่เกิดจากฟ้าผ่าสามารถแยกแยะได้จากความเข้มสูงและการเปลี่ยนแปลงทิศทางอย่างรวดเร็วในระดับเซนติเมตร^{[ 15 ] [ 14 ]}

โดยทั่วไปแล้ว IRM มักเกิดขึ้นในแกนเจาะเนื่องจากสนามแม่เหล็กของกระบอกเหล็กที่ใช้เจาะแกน สิ่งปนเปื้อนนี้มักจะขนานกับกระบอก และส่วนใหญ่สามารถกำจัดได้โดยการให้ความร้อนสูงถึงประมาณ 400 °C หรือการลดอำนาจแม่เหล็กในสนามแม่เหล็กสลับขนาดเล็ก ในห้องปฏิบัติการ IRM จะถูกเหนี่ยวนำโดยการใช้สนามแม่เหล็กที่มีความแรงต่าง ๆ และถูกนำไปใช้ในหลาย ๆ ด้านของแม่เหล็กหิน

การคงสภาพแม่เหล็กแบบหนืดคือการคงสภาพแม่เหล็กที่เกิดขึ้นใน วัสดุ เฟอร์โรแมกเนติก เมื่อได้ รับอิทธิพลจากสนามแม่เหล็กเป็นระยะเวลาหนึ่ง ในหิน การคงสภาพแม่เหล็กนี้มักจะเรียงตัวไปในทิศทางของสนามแม่เหล็กโลกในปัจจุบัน สัดส่วนของการคงสภาพแม่เหล็กโดยรวมของหินที่เป็นการคงสภาพแม่เหล็กแบบหนืดนั้นขึ้นอยู่กับองค์ประกอบทางแร่แม่เหล็กของหินนั้น

หินที่เก่าแก่ที่สุดบนพื้นมหาสมุทรมีอายุ 200 ล้านปี ซึ่งถือว่าอายุน้อยมากเมื่อเทียบกับหินที่เก่าแก่ที่สุดบนทวีปซึ่งมีอายุ 3.8 พันล้านปี เพื่อรวบรวมข้อมูลทางธรณีแม่เหล็กโบราณที่มีอายุมากกว่า 200 ล้านปี นักวิทยาศาสตร์จึงหันไปใช้ตัวอย่างที่มีแร่แมกเนไทต์บนบกเพื่อสร้างภาพจำลองทิศทางสนามแม่เหล็กโบราณของโลก นักธรณีแม่เหล็กโบราณ เช่นเดียวกับนักธรณีวิทยาหลายคน มักจะเลือกศึกษาพื้นที่หินโผล่ เพราะชั้นหินเหล่านั้นจะปรากฏให้เห็น และทางตัดถนนก็เป็นแหล่งหินโผล่ที่สะดวกและสร้างขึ้นโดยมนุษย์

"และทุกหนทุกแห่ง ตลอดครึ่งไมล์ของ [ทางตัดถนน] นี้ มีรูเล็กๆ ที่เจาะอย่างเป็นระเบียบ... ดูเหมือนจะเป็นโรงแรมฮิลตันสำหรับนกกระจิบและนกนางแอ่นสีม่วง" ^{[ 16 ]}

การสุ่มตัวอย่างมีเป้าหมายหลักสองประการ:

1. ดึงตัวอย่างที่มีทิศทางที่ถูกต้อง และ
2. ลดความไม่แน่นอนทางสถิติ

วิธีหนึ่งที่จะบรรลุเป้าหมายแรกคือการใช้สว่านเจาะหินที่มีหัวเจาะแบบเกลียวพร้อมดอกสว่านเพชร สว่านจะเจาะเป็นช่องทรงกระบอกรอบๆ หิน จากนั้นจึงใส่ท่อที่มีเข็มทิศและเครื่องวัดความเอียง เข้าไปในช่องนี้ อุปกรณ์เหล่านี้จะให้ทิศทาง ก่อนที่จะนำอุปกรณ์นี้ออก จะมีการขีดเครื่องหมายไว้บนตัวอย่าง หลังจากที่ตัวอย่างแตกออกแล้ว สามารถขยายเครื่องหมายให้ชัดเจนยิ่งขึ้นได้^{[ 17 ]}

หลักฐานทางธรณีแม่เหล็กโบราณทั้งการกลับทิศทางและการเคลื่อนที่ของขั้วโลกมีบทบาทสำคัญในการตรวจสอบทฤษฎีการเคลื่อนตัวของทวีปและธรณีแปรสัณฐานในช่วงทศวรรษ 1960 และ 1970 การประยุกต์ใช้หลักฐานทางธรณีแม่เหล็กโบราณบางประการเพื่อสร้างประวัติศาสตร์ของภูมิประเทศ ขึ้น ใหม่ยังคงก่อให้เกิดข้อโต้แย้ง หลักฐานทางธรณีแม่เหล็กโบราณยังถูกนำมาใช้ในการจำกัดอายุที่เป็นไปได้ของหินและกระบวนการต่างๆ และในการสร้างประวัติศาสตร์การเปลี่ยนแปลงรูปร่างของบางส่วนของเปลือกโลกขึ้นใหม่^{[ 4 ]}

การลำดับชั้นแม่เหล็กแบบย้อนกลับมักใช้เพื่อประมาณอายุของแหล่งที่มีฟอสซิลและซากมนุษย์^{[ 18 ]}ในทางกลับกัน สำหรับฟอสซิลที่มีอายุที่ทราบแล้ว ข้อมูลทางธรณีแม่เหล็กโบราณสามารถกำหนดละติจูดที่ฟอสซิลถูกวางลงได้ละติจูดโบราณ ดังกล่าว ให้ข้อมูลเกี่ยวกับสภาพแวดล้อมทางธรณีวิทยาในขณะที่มีการวางตัว การศึกษาทางธรณีแม่เหล็กโบราณจะรวมกับ วิธีการ ทางธรณีวิทยาเพื่อกำหนดอายุที่แน่นอนสำหรับหินที่มีบันทึกแม่เหล็ก สำหรับหินอัคนีเช่น หิน บะซอลต์วิธีการที่ใช้กันทั่วไป ได้แก่ธรณีวิทยาอายุ แบบโพแทสเซียม-อาร์กอนและอาร์กอน-อาร์กอน

• ธรณีฟิสิกส์  – ฟิสิกส์ของโลกและบริเวณโดยรอบ
• เคมีแม่เหล็ก  – การศึกษาคุณสมบัติทางแม่เหล็กของสารประกอบทางเคมี
• ธรณีวิทยาภูมิอากาศโบราณ  – การศึกษาการเปลี่ยนแปลงของสภาพภูมิอากาศในสมัยโบราณ
• การสร้างภาพแผ่นเปลือกโลกขึ้นใหม่  – กระบวนการสร้างภาพตำแหน่งของแผ่นเปลือกโลกในอดีตทางธรณีวิทยา
• แม่เหล็กของหิน  – การศึกษาคุณสมบัติทางแม่เหล็กในหิน

วิกิบุ๊คเรื่องธรณีวิทยาประวัติศาสตร์มีหน้าหนึ่งที่กล่าวถึงหัวข้อ: การหาอายุโดยใช้สนามแม่เหล็กโบราณ

• ข้อมูลพื้นฐานเกี่ยวกับธรณีแม่เหล็กและธรณีแม่เหล็กโบราณ
• ข้อมูลธรณีแม่เหล็กจาก NGDC / WDC Boulder
• แม่เหล็กโลกอันยิ่งใหญ่
• ฐานข้อมูลธรณีแม่เหล็กโบราณที่สถาบันสมุทรศาสตร์สคริปส์ (MagIC)