NSR专访：古地磁学与Lisa Tauxe的无畏人生

NSR：您能否简要介绍一下古地磁学的发展历史？

Tauxe：人类很早就认识到地球磁场的存在。大约在公元300年前后，中国人制造出了最早的指南针。

1600年，英国学者William Gilbert出版了一本专著。他在书中汇总了当时所有关于地球磁场的资料，并提出了那句著名的论断：“地球本身就是一个大磁体。”（The Earth itself is a great magnet.）

到了19世纪末，人们开始设想，或许可以通过测量陶器或者火山熔岩流等经过高温烧制或冷却形成的物质，来研究古代地磁场。但直到20世纪初，真正的测量才陆续展开。出人意料的是，研究者发现地磁场方向并不总是指向北方，有时也会指向南方。当时人们百思不得其解，直到20世纪60年代，才证明地磁场确实发生过倒转。

从那以后，利用岩石中保存的古地磁信息进行年代测定，逐渐发展为一种科学方法。我在20世纪70年代末进入这一领域，最初就是利用地磁倒转为地质露头定年。此后几十年间，我亲眼见证了古地磁学不断拓展，成长为一门内容丰富、方向多元的学科。

仿古司南（摄影：蔡书慧）

NSR：您是如何进入古地磁学领域的？

Tauxe：我19岁还在读本科时，获得了一个前往巴基斯坦参加项目的机会。在巴基斯坦北部的西瓦利克地区，人们发现了大量距今约2000万至500万年的化石，并尝试利用地磁场方向为这些岩层定年。

当地露头由不同岩层交替组成：一层砂岩，一层含化石的粉砂质沉积，再一层砂岩，然后又是化石层。我的任务是判断其中的砂岩层能否作为一个统一的年代标志层来确定时间信息。幸运的是，我在一处露头中发现某层砂岩下方记录了一次地磁倒转。于是我沿着这层砂岩向外追踪，在不同位置反复采样、追踪这次倒转的记录，最终确认这些砂岩确实可以作为统一的时间标志层。

我还发现，针对这些剖面的原有的磁性地层学解释并不准确。我证明，只要把采样间距缩小，就可以识别出更多的磁性反转，从而修正过去的解释。那项工作成为了我的第一篇论文，也是我第一次真正为科学作出贡献。

此后，我开始不断追问：这些沉积物究竟是怎样被磁化的？这一过程需要多长时间？它能够达到怎样的时间分辨率？我们又该怎样利用这些岩石研究古代地磁场？直到今天，我仍然在思考同样的问题。我觉得它们有趣，便一直做了下来。

NSR：那么沉积物究竟如何被磁化，并记录下古地磁场信息的？

Tauxe：晶体中的磁性源于电子自旋。如果电子自旋方向完全随机，彼此就会抵消，材料不会表现出整体磁性。但在地磁场存在的条件下，当物质从高温冷却到我们所说的居里温度（对磁铁矿而言，居里温度约为580℃），电子自旋方向会产生轻微的定向偏好，材料就此被磁化。待它继续冷却到室温，这种磁化会被固定下来，并长期保存。

火成岩经风化破碎后，颗粒会沉积到河流、湖泊和海洋中——其中的磁性矿物也记录了当时的地磁场方向。因此，无论是熔岩流还是沉积物，都可能留下当时地磁场的记录：其方向与当时的地磁场方向一致，强度则与当时的地磁场强度成正比。

淡水与海洋环境中沉积剩磁的获得与锁定过程（图源：Tauxe等，《古地磁学基础》，图7.15；Tauxe and Yamazaki，2007）

NSR：在实际研究中，您是如何测定古地磁信息的？

Tauxe：为了从火山岩或考古样品中获取可靠的古地磁场强度，我通常采用一套包含多个步骤的方法。第一步，是筛选出符合理论要求的材料。按照理论，样品可以准确记录磁场历史，但这一点只对非常细小的颗粒成立，例如粒径约30纳米的颗粒。更大的颗粒内部会形成复杂磁畴，其行为并不遵循原始理论。因此，我首先要寻找细粒、单磁畴的材料，它们能够按照刚才描述的方式记录磁场。

第二步，是制定一套实验室实验方案。我们需要判断样品是否确实足够细、是否遵循理论，以及其磁化过程是否可重复。具体要进行三组实验：先在零磁场中分步加热并测量；然后在某一强度的磁场中加热并测量；最后，再在同一磁场中再加热一次。前两组实验告诉我们它是否遵循理论，第三组则告诉我们它是否可重复。我们把这一步称为“实证校验”（ground truthing），而实际过程会比我描述的还要复杂。

完成这些准备后，才进入下一步：采集样品并开展实验。

按照以上步骤，我们可能获得精度不错的结果。但随之而来的问题是不确定性：究竟需要多少样品，才能得到可靠的平均值？结果的不确定性又该如何衡量？这个问题，我花了大量时间去钻研。

我和我最近的一位博士生Brendan Cych一起研究了这个不确定性问题。他是一位非常聪明的年轻人，现在正在法国做博士后。他在博士论文中拓展出一种贝叶斯方法，名为BiCEP（Bias Corrected Estimation of Paleointensity，古强度偏差校正估计）。即使样品并不完美，这一方法也能给出可靠估计和合理的不确定度区间，其结果可以与理想样品所得结果相媲美。

Thellier方法古地磁场强度实验原理：天然剩磁（NRM）的热退磁、部分热剩磁（pTRM）的获得，以及相应的古强度结果（Arai）图（图源：Tauxe，《古地磁学基础》，图10.3）

NSR：每一项研究都需要所有这些步骤吗？

Tauxe：是的，所以工作量很大。一般而言，每个项目至少需要两个星期的野外采样——有时会更久，我在南极的采样历时好几个月。回到实验室后，每个样品的单次测量大约需要一小时。如果有50个样品，仅获得完整数据就要大约三个星期。之后还要分析数据、撰写论文。一项研究从开始到完成需要大约一年时间。

NSR：目前地磁场强度测量能够达到怎样的精度？

Tauxe：这是一个好问题，也是领域内争论很多的问题。地磁场强度取决于所处位置。北京附近大约是50微特斯拉（μT），一般越往北靠近北极越强，越往南靠近赤道越弱。现在，如果研究的是一层单一熔岩流，我们可以把不确定度控制在正负4 μT左右；但面对更复杂的样品，不确定度可能至少要增加一倍。

NSR：这样的精度足以解决科学问题吗？

Tauxe：这取决于你要解决的是什么问题。对于许多问题，现有精度已经足够好了。比如，我们可以判断磁场已经存在了多久；可以知道约3000年前，以色列地区的地磁场强度曾达到今天的两倍，甚至更高；可以知道4万年前磁场要弱得多，而每当磁场方向由北转向南时，它的强度都会先跌入低谷，再重新回升。这些我都有把握。但如果有人问，当时的磁场强度究竟是50 μT还是54 μT，以目前的能力，还无法作出这样的区分。

NSR：从黎凡特样品中发现“地磁脉冲”是一项重大突破。您第一次看到这些脉冲变化时，立刻就相信了吗？

Tauxe：这个故事的开始是以色列的一位朋友请我从以色列和约旦的冶金炉渣中恢复古磁场强度。那些地区有数千年的炼铜历史，炉渣堆积如山。我们的分析显示，约3000年前那一带的地磁场非常强，但那还不是所谓的“脉冲”（spike）。

后来，有一位名叫Erez Ben-Yosef的研究生来到我的实验室。他的导师其实是一位考古学家。我们一起前往约旦的一处考古遗址，对炉渣堆进行采样。一天晚上，我们在他的考古学导师家中吃晚饭，同时分析数据。我忽然发现：“天哪，你们看，这里的磁场不仅非常强，而且在这个露头中变化得极快，短时间内迅速升高又迅速降低。”这就是我们后来所说的地磁强度脉冲事件。

我也不确定自己当时是否马上“相信”了。那时我们根本不知道磁场能变化得多快。那么，作为科学家我们该怎么办？答案是：重复验证。

我们的第一篇论文发表于2008年。后来，我们在约旦河另一侧的以色列找到另一处相似材料的露头。我与Erez以及新加入实验室的博士后Ron Shaar再次采样，并发现了同样的脉冲。这样，我们就在两个不同地点、同一年代重复出了这一现象。

Erez和Ron回到以色列后仍然继续研究这个问题。后来Ron发现，在几百年间，出现的不只是一个脉冲，而是四个。这说明，地磁场的变化速度可以非常快。

公元前第一个千年黎凡特地区的地磁场强度脉冲变化（图源：Shaar等，2022，JGR: Solid Earth，图6a）

NSR：您是如何逐步说服其他研究者接受这一发现的？

Tauxe：起初人们非常怀疑，因为欧洲没有发现类似脉冲事件。但也许，我们只是尚未找到。

如今，我们已经在许多不同露头中多次重复验证了这一现象，其中也包括来自中国的样品。但在以色列到中国之间，我们仍然缺少一些地区的数据。遗憾的是，目前无法前往伊朗开展工作。这个方向已经引起广泛兴趣，也发表了许多论文。现在我确信它是真的，我想大多数人也相信了。

NSR：能否请您举一两个近期的工作例子，谈谈古地磁学是如何被用来解决真实科学问题的？

Tauxe：古地磁数据的一项重要用途，是为古生物记录建立时间标尺。三年前，我与俄勒冈州立大学的研究生Samantha Cargill一同参加了一次前往格陵兰边缘海域的科学考察。这个项目旨在研究冰盖演化，我们借助美国的科学钻探船来获取海底岩芯——这艘船现在已经退役了，而中国建造了一艘新船。通常人们会利用岩芯中的微体化石来进行定年，但在这次的岩芯中，一颗微体化石都没有。

于是Sami和我尝试利用地磁记录为岩芯定年。我们做了大量工作，甚至打破了这个领域的记录：我们对所有这些100至200米长的岩芯，按5厘米间隔取样测量。我们从中识别出几次地磁倒转，由此得到三个年代锚点；又依据记录中的相对古强度变化，大胆建立了一套完整的岩芯时间标尺。我们已经尽其所能。我不敢说它究竟有多精确，但我认为整体上是合理的。这项工作尚未正式发表，不过应该很快会面世。

我正在进行的另一项研究，是与同事一起回答这样一个问题：地磁场南北不对称的状态究竟持续了多久？如果像Gilbert所说，地球本身是一个巨大的磁体，那么地磁场理应南北对称。但事实上，北半球的磁场平均比南半球更强；在相应的高纬度地区，北半球可以比南半球强约10 μT。

那么，这种状态已经持续了多久？2022年，我和学生Brendan Cych启动了一个项目，试图追溯过去500万年的情况。我手中已有来自南极的样品，之后我们又前往新西兰、澳大利亚、夏威夷、冰岛、以色列等地，收集来自世界各地、覆盖过去约400万年的样品。令人惊讶的是，我们发现，过去约500万年间，北半球的地磁场似乎一直更强。

项目仍在继续，结果也尚未发表。但我相信，它会帮助我们甄别关于这种不对称性成因的不同假说。一种观点认为，不对称性与地球深部磁场强度有关，因此当整体磁场变弱时，不对称应当消失；另一种观点则认为，它源于地核和地幔边界上的大型异常团块，因此应该长期存在。我们的结果相当清楚地表明，即使在整体地磁场较弱的时期，这种不对称依然存在。

NSR：当前古地磁学领域面临哪些主要挑战？您对未来几年的发展有何期待？

Tauxe：我至今仍非常感兴趣的一个重要方向是：从物理学角度看，岩石究竟是如何被磁化的？目前，利物浦和爱丁堡的一支团队已经能够利用超级计算机模拟这一过程。他们可以对含复杂磁畴的岩石进行细节程度极高的模拟，这在十年前都是不可想象的。该团队的两位核心成员曾是我的博士后，能看着这支队伍成长，我深感自豪。

另一个有趣的方向，是潘永信教授在北京开展的工作。他们正在研究磁场对生物体的影响。他昨天告诉我，如果把大鼠置于零磁场环境一个月，用他的话说，它们会“变笨”，连最简单的任务也无法完成；重新暴露在磁场中一段时间后，这种状态又可以恢复。这一发现很重要，因为如果未来把人类送往几乎没有磁场的月球，我们当然不希望宇航员的认知能力受到影响。而我们古地磁学家也常常在磁屏蔽室中工作，那里的磁场虽然不是零，却也相当微弱。

此外，还有许多问题等待回答。地球拥有磁场已经多久了？看起来，自最古老的岩石形成以来，地磁场就一直存在，但在地球漫长生命史中，它究竟经历了怎样的演化？强度是否发生过巨大变化？是否曾在某些时期衰减到零？这些正是我一直在做、也将继续做下去的事。

NSR：我们对地磁场产生和演化机制的理解到了什么程度？

Tauxe：这个问题很难，而且并非我的专长。我们已经知道，地壳具有一定磁性，但并不强。进入地幔深处后，磁场基本消失。再往下到达地心，地核主要由铁构成，还含有少量镍和其他元素。地核的外核是熔融的，最中心的内核则是固态的。液态外核不断上下对流，而地球又在持续自转。这种对流会形成所谓的“泰勒柱”，这正是地磁场的来源。

要详细描述这一机制，需要超级计算机同时求解七个非线性方程。问题复杂到远远超出我的能力，也许甚至超出了现有超级计算机的能力。

NSR：这是否意味着，我们距离预测地球磁场的演化还很遥远？

Tauxe：我认为我们永远也做不到精确预测，因为这个系统是非线性的、混沌的。它不仅极为困难，或许在理论上就是不可能的。

NSR：您认为在不远的将来，磁场会发生大的变化吗？比如又一次倒转？

Tauxe：我打个赌，未来500年内不会发生地磁倒转。目前地磁场确实在减弱，我的一些同事认为这是下一次倒转的前兆，但我不这么看。因为磁场本来就有起有伏，而当前的场强仍是历史平均水平的两倍。过去80万年间，磁场起起落落，但只有一次，大约在4万年前，曾经“试图”倒转，但最终也没能成功。

不过地磁场减弱可能影响我们的基础设施。如果它变得过低，对太阳辐射和宇宙射线的屏蔽作用就会减弱，尤其是在发生日冕物质抛射时，而这类事件最近刚刚发生过。我们的卫星与电网都可能受到冲击。

示意图：地球磁层使太阳风中的高能粒子发生偏转（赵宇航借助 ChatGPT〔GPT-5.6 Sol，OpenAI〕生成）

NSR：当地磁场真正发生倒转时，会出现什么情况？它会怎样影响人类或动物？

Tauxe：这是一个很有意思的问题。答案是：对动物的影响可能很小。

早年有一种说法，认为恐龙是因地磁倒转而灭绝的，但那不是真的。恐龙灭绝恰好发生在两次倒转之间，因此那场大灭绝并非磁场倒转所致，真正导致恐龙灭绝的是小行星撞击。

不过，人们始终在反复讨论，地磁倒转是否以某种方式促成过某些灭绝事件。一些中国科学家提出，在一次持续很久的反向极性期结束时，曾发生与极低磁场有关的灭绝事件。我的一些朋友则认为，约4万年前那次倒转尝试与尼安德特人的灭绝有关。这并非完全没有可能，但我说不准。

NSR：我们知道您一直支持“开放科学”。在推动数据和知识共享的过程中，您遇到过哪些挑战？

Tauxe：确实有挑战。我们创建了MagIC（Magnetics Information Consortium，磁学信息联合体）数据库。作为美国地球物理学会（AGU）出版委员会主席，我提出过这样一项要求：在AGU期刊上发表论文的所有作者，都必须把数据存入一个可发现、可获取、可互操作、可复用的永久数据库，将原始数据公之于众。

许多人确实把数据存了进去，但他们也抱怨、甚至抵触，因为要正确填写所有原始数据实在太复杂。我们的实验本就复杂，需要记录的东西太多：测量是何时做的、场强是多少、磁场方向如何，等等。于是数据表的列数越来越多，而每当有人仔细查阅数据，又会指出：“你们还漏了这一项。”于是我们只好再增加一列，系统也随之变得更加复杂。

过去几十年里，这一直是一个不断迭代的过程。为了帮助研究者把数据完整存入数据库，我们需要极大的耐心，也需要不断鼓励他们。但一旦数据进入数据库，真正实现了可发现、可获取、可互操作、可重用，人们也开始非常愉快地反复使用这些数据。我认为，现在大家对这一理念已经越来越接受了。

NSR：您如何看待开放出版，包括预印本、开放获取出版和开放同行评议？

Tauxe：开放同行评议是一个很值得讨论的问题。我自己审稿时通常会署名，但并非每一次都如此。我会考虑：如果作者不知道审稿人是我，他们会不会更愿意认真听取意见？有时，如果他们知道是我，可能会想“她当然会这么说”，于是反而不愿接受。因此，尽管我认为开放同行评议有其优势，但我不希望被强制要求在所有情况下公开身份。

至于预印本，我认为在所有人都清楚预印本文章并非经过同行评议的最终版本的前提下，它是非常有用的，能够让研究结果迅速进入公共讨论。我知道医学界用得很多，我们地球科学界也越来越普遍。

开放获取出版如今已经成为主流，真正的问题是谁来付费？图书馆，还是作者？AGU 期刊发表一篇论文，向作者收取约3000美元。多数科学家或许能够承担，但如果研究者来自非洲、没有研究经费，又该怎么办？期刊运行需要成本，工作人员也需要获得报酬。因此收费是合理的，但价格必须处在研究者能够承受的范围内。

NSR：您是美国人，却在瑞士读的高中。这段经历是怎样发生的？

Tauxe：我父亲是一名医生。他的一位患者的孩子就读于瑞士的一所学校，这是一所坐落于山顶的小型学校，名叫 École d'Humanité。我14岁那年，父亲带全家到欧洲旅行，我们参观了这所学校，也和那里的教师交谈。我母亲非常喜欢它，认为那是一所了不起的学校。

16岁时，我们全家从明尼苏达搬到美国南部的阿拉巴马州。当地社会很保守，学校条件也不太好；那里有一所很不错的男校，却不招女生。母亲担心我会惹麻烦，因为我这个人嘴快，想到什么就会说出来。于是父母决定把我送到瑞士的那所学校。

那是一所非常棒的学校。学校规模很小，像一个紧密的共同体，没有分数，也给予我极大的自由，让我可以学习真正感兴趣的内容。我在那里度过了两年，那种环境对我而言再合适不过。

NSR：在科研生涯中，您是否亲身遭遇过与性别或出身有关的障碍？

Tauxe：当然遇到过。20世纪90年代初，我与一位研究火山的学者Hubert结婚。他非常可爱，也一直支持我。我们两人早在1983年就一起进入Scripps海洋研究所。起初我获得了一个研究职位，他是博士后；后来他也得到研究职位，而我成为教授。

在他开始寻求正式教职时，我们有些担心。那时，另一所大学向我们同时提供了两份教授职位，而且那所学校正位于我父母居住的城市。那段时间，我们先后生育了两个年幼的儿子，所以如果搬过去，生活上会很方便。

于是我去找Scripps的院长，说：“我们现在有两份教授职位的邀请。我们应该接受，还是Hubert会在这里得到晋升，让我们能够留下？”他说：“Hubert没有问题，他的材料已经走到最后阶段，很快就会通过。”我问：“能不能把这句话写下来？”他说：“你为什么不相信我呢？”于是我便相信了。

可几个月后，委员会把他的材料弄丢了，只好重新建档，事情也换了另一位负责人。新负责人她自己没有孩子，并且认为我选择成为全系第一位母亲，实在是犯傻。我当时已经拥有终身教职，她无法解雇我，于是解雇了Hubert。

我们只好重新寻找工作。Hubert在荷兰得到了一份很好的职位。那里也有一个古地磁实验室，由一位年事已高、即将退休的学者主持。我们想，也许等他退休后，我可以接手那个职位——当时我的科研进展相当不错。

就这样我们去了荷兰，在那里待了四年。我们在那里抚养年幼的孩子，我也学会了荷兰语。在实验室技术员帮助下，我在那里亲自设计并建造了磁屏蔽室，它的残余磁场是当时全世界最低的。可那位教授退休后，实验室却被交给了我以前的一名博士后，而我什么也没有得到。他们甚至取消了我独立申请经费和招收学生的资格。

我去问院长为什么。他对我说：“Lisa，你不需要工作，你丈夫可以养你。”我问：“那我要怎样申请研究经费？”他说：“你可以写好申请书，然后让新的实验室主任，也就是你从前的博士后，以他的名义提交。”我当时只能说：“哦，天哪。”

回家后，我对丈夫说：“看来在这个国家，我只剩三种工作可选：卖淫、贩毒，或者做一个酗酒的家庭主妇。你觉得哪一种最适合我？”要知道，当时在荷兰只有约3%的母亲拥有全职工作，现在也许已经好些了。那纯粹是性别歧视，与我的能力毫无关系。

最终，我们得以回到Scripps，并在那里完成各自的职业生涯。但确实，我的科研道路曾经绕了一段弯路，而且这段弯路显然是由性别造成的。

NSR：在与中国科学家合作的过程中，有什么特别难忘的经历吗？

Tauxe：我第一次来北京是在2007年，北京奥运会的前一年。从那以后，我每隔几年都会来到中国。

第二次来北京大约是在2010年。我在中国科学院地质与地球物理研究所（IGGCAS）作了一场报告，介绍当时刚刚发现的地磁强度脉冲。报告最后，我说：中国和以色列一样，拥有丰富的古代考古遗址，因此很适合开展考古地磁学研究。20世纪80年代初，IGGCAS的魏青云教授曾发表过一些相关论文，但后来没有人继续推进这个方向。

报告结束后，一位身材娇小的年轻女士走到我面前。她看着我说：“这正是我想做的事情！”我至今忘不了她脸上灿烂的笑容。她就是蔡书慧，当时还是一名研究生。后来，朱日祥教授很慷慨地把她送到我的实验室学习一年，从事中国考古地磁学研究。她让这个方向重新焕发了生机。之后，她又在我的实验室做了三年博士后，如今回到IGGCAS，已经成长为一名成熟的科学家。我们一起经历过许多难忘的事情，也建立了长期的友谊与合作。现在，我已经开始与她的研究生合作了。

NSR：您对中国古地磁学的发展有何建议？

Tauxe：中国有好几个非常优秀的团队，包括朱日祥教授和潘永信教授在IGGCAS的团队、刘青松教授在深圳的团队，以及北京大学黄宝春教授和常燎教授的团队。这些研究者工作非常勤奋，也有很多很好的想法。

古地磁学是一门相对较小的学科，但它正在世界许多地区蓬勃发展，不仅在中国和欧洲，在墨西哥、巴西等地也同样如此。

NSR：您认为，要成为一名优秀的地球科学研究者，最重要的品质是什么？

Tauxe：我认为有三点。第一是好奇心。你需要对事物产生疑问，并提出自己的想法或假说。第二，是愿意为实现这些想法付出艰苦劳动。第三，也许是最重要的一点，是坚持。面对困难时，不要放弃；坚持下去，另辟蹊径。我在学生身上寻找的，正是这三种品质。

【本文是NSR Interview文章“A life in paleomagnetism: an interview with Lisa Tauxe”的中文版本。英文原文：https://doi.org/10.1093/nsr/nwag554】

作者感谢IGGCAS蔡书慧研究员促成本次访谈，并帮助审阅中文版。