火星陨石里的磁场线索：QDM 如何读懂微米级古地磁记录

2026-06-29 12:22:35, CIQTEK 国仪量子技术（合肥）股份有限公司

看似完整的岩石样品，在微观尺度下其实成分杂乱、结构不均，只有一小部分铁磁矿物颗粒，默默留存着远古地磁的印记。传统古地磁实验，只能读懂整块岩石留下的 “地磁档案”；而量子钻石显微镜（Quantum Diamond Microscope，QDM）技术更进一步，帮我们找到档案真正的记录者 —— 单颗矿物颗粒。凭借出色的空间分辨率与检测灵敏度，这项技术让古地磁研究正式深入到微米微观世界。

一块火星陨石提出的问题

1996 年，火星陨石 ALH84001 进入公众视野。它形成于约 40 亿年前，被认为保存了火星早期地壳的信息。对行星科学家来说，它最吸引人的地方之一，是其中可能残留着远古火星磁场的线索。

如果这些磁记录足够可靠，我们就能借此追问一个更大的问题：早期火星是否曾经拥有类似地球的全球磁场？

传统实验已经证明，ALH84001 中存在稳定的剩余磁化。但问题也随之而来：这些信号来自 40 亿年前形成的原始矿物，还是来自后期地质过程中重新生成的磁性矿物？

传统磁力仪可以测量样品整体的磁化方向和强度，却很难指出这些信号具体来自哪些矿物颗粒。换句话说，我们读到了“结果”，但还要确认“记录者”。

这正是量子钻石显微镜开始发挥作用的地方。它不仅能看见磁场，还能把磁场和显微结构对应起来，帮助研究人员判断哪些颗粒真正携带了古地磁信息。

古地磁到底在读什么？

地球磁场来源于液态外核中导电铁镍流体的运动，这一机制通常被称为地球发电机（Geodynamo）。当岩浆冷却成火山岩时，其中的磁性矿物会在穿过居里温度的过程中沿当时的地磁场方向排列，并把这个方向保存下来，形成热剩磁（TRM）。

沉积岩中的磁性颗粒，也可能在沉积和压实过程中记录当时的磁场方向，形成沉积剩磁（DRM）。因此，一块岩石有时就像一份“磁场档案”，记录着它形成时所处的地磁环境。

古地磁学要做的，就是从这些磁记录中恢复过去的地磁场方向和强度。它不仅能帮助我们理解地球内部动力学、地磁倒转和大陆漂移，也能用于研究火星、月球和陨石等太阳系样品的早期演化。

传统方法为什么还不够？

现代古地磁实验中，超导磁力仪（SQUID Magnetometer）是非常重要的标准设备。它能测量极其微弱的磁矩信号，配合交流退磁或热退磁实验，可以逐步剥离后期磁化成分，并通过主成分分析提取稳定方向。

岩石取样 → 剩余磁化测量 → 退磁实验 → 方向分析 → 古地磁重建

这套方法已经发展数十年，并支撑了大量古地磁数据库。但它有一个天然限制：测到的是整块样品的总磁矩。

一个容易被忽略的问题，如果样品里同时有原生磁化、热事件造成的再磁化、化学反应形成的次生磁化，以及风化带来的磁化改变，传统仪器看到的往往是这些信号叠加后的“平均答案”。

对于理想样品，这个平均答案通常足够有用。但真实岩石往往不那么“干净”。不同矿物颗粒可能在不同地质事件中获得磁化，方向也可能并不一致。此时，研究人员真正关心的问题就变成了：实验结果到底来自原始古地磁记录，还是来自后期改造？

典型例子：蛇纹石化再磁化

蛇纹石化是古地磁研究中很有代表性的再磁化场景。当地幔橄榄岩等超基性岩与海水或其他含水流体反应时，橄榄石、辉石等原生矿物会发生水化，并常伴随新的磁铁矿生成。这一过程可以简化理解为：橄榄石等铁镁硅酸盐矿物 + 水 → 蛇纹石 + 磁铁矿等次生矿物。

这些新生成的磁铁矿可能在形成过程中获得化学剩磁，记录蛇纹石化发生时的地磁场，而不一定是岩石最初形成时的磁场。因此，一块样品中可能同时保留原始磁化和后期再磁化信号。传统磁力仪只能测到二者叠加后的总磁矩；如果两类磁化方向不同，结果就可能偏离真正的古地磁方向。QDM 的价值在于，它能把磁场分布“摊开”成图像，帮助研究人员区分不同磁源的位置和行为。

QDM 怎么把磁场“拍成图”？

QDM 的核心是一块含有大量 NV 色心（Nitrogen-Vacancy Center）的金刚石。激光照射 NV 色心并施加微波时，NV 色心的共振频率会受到局部磁场影响。通过记录荧光信号变化，研究人员可以获得样品表面的二维磁场图像。与 SQUID 输出一个总磁矩值不同，QDM 输出的是一张磁场图。图像中的每一个异常信号，都可能对应一个具体的磁性颗粒或一组磁性颗粒。

火星陨石里的磁场线索1.png

QDM 结构示意图

在火星陨石中找到真正的“记录者”

在火星陨石 ALH84001 的研究中，研究人员利用 QDM 将磁场图像与透反射光图像、矿物学信息结合，定位到保存古磁记录的铁硫化物颗粒¹。

这类结果的意义并不是简单地“测到磁场”，而是从矿物学层面验证了磁信号的来源。对于解释火星早期是否存在长期、甚至可能发生反转的发电机磁场，这种证据链更有说服力。

火星陨石 ALH84001 的光学图像与 QDM 磁场叠加图，QDM 可将磁异常与具体矿物颗粒位置对应起来。

区分原生磁化和后期再磁化

在蛇纹石化再磁化研究中，QDM 可以帮助研究人员比较不同区域、不同颗粒的退磁行为。中国科学院南京地质古生物研究所等团队利用 QDM 揭示了新生成磁铁矿与原始载磁矿物在空间上的差异，并量化了蛇绿岩演化过程中由蛇纹石化引发的历时性再磁化²。

简单说，QDM 让研究人员不再只看一条整体退磁曲线，而是可以追踪样品中不同磁性颗粒的响应差异。哪些区域保存了原始记录，哪些区域记录了后期地质事件，就有了更直观的判断依据。

QDM 数据与整体退磁数据对比，可揭示不同磁性区域的退磁行为。

从“验证来源”到“恢复方向”

更进一步，QDM 近年来开始被用于直接恢复古地磁方向。基本思路是：先测量样品表面的磁场图像，再通过磁场反演计算磁源的磁矩方向，最后统计多个颗粒的结果，得到样品整体的古地磁方向。

随着全矢量反演、Euler 反演和非线性反演等方法的发展，研究人员已经能够从复杂磁场图像中提取多个磁源的方向信息³。已有实验表明，QDM 恢复得到的方向与传统自然剩磁（NRM）分析结果具有良好一致性。

火星陨石里的磁场线索5.png

QDM 可获得样品表面不同方向的磁场分量，并为进一步反演磁矩方向提供数据基础。

这意味着，QDM 正在从“辅助验证工具”逐渐发展为古地磁方向分析的新手段。它不只是告诉我们磁场在哪里，还开始帮助我们判断磁矩指向哪里。

QDM 会取代 SQUID 吗？

不会。更准确地说，它们是互补关系。

未来更常见的工作方式，很可能是 SQUID + QDM 联合分析：SQUID 给出标准古地磁结果，QDM 解释这些结果来自哪些矿物颗粒，并进一步判断其可靠性和形成机制。

古地磁进入微米时代

古地磁学的发展，本质上是不断提高观测分辨率和方向恢复能力的过程。过去，我们主要测量整块岩石的总磁矩；现在，QDM 让研究人员有机会直接观察微米尺度矿物颗粒的磁化状态。

对古地磁研究来说，QDM 的价值不只在于“看见磁场”。它能帮助我们识别载磁矿物、验证古地磁方向的可靠性，并开始从磁场图像中恢复磁矩方向。

过去，我们知道岩石记录了什么；后来，我们知道是谁记录了这些信息；如今，我们正在尝试从单颗粒磁记录中恢复远古磁场方向。

从总磁矩到单颗粒磁矩，从整体方向到颗粒方向，QDM 正在推动古地磁学迈向一个新的观测尺度。

参考资料

1. Steele, S. C. et al. Paleomagnetic evidence for a long-lived, potentially reversing martian dynamo at ~3.9 Ga. Sci. Adv. 9, eade9071 (2023).

2. Qi, L. et al. Quantifying Serpentinization‐Driven Remagnetization From Ridge Axis to Subduction Zone Using Quantum Diamond Microscopy. J. Geophys. Res. Solid Earth 130, e2025JB031606 (2025).

3. Glenn, D. R. et al. Micrometer‐scale magnetic imaging of geological samples using a quantum diamond microscope. Geochem. Geophys. Geosystems 18, 3254–3267 (2017).