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1、 磁磁性性地地层层学学的的研研究究 中国地质大学长城学院 地球科学与资源系 地质学 赵博楠摘摘 要要 磁性地层学（ magnetostratigraphy）是地层学的一个分支学科，是古地磁学 在地层学中的具体应用。通过岩石天然剩余磁性的测定，求出地磁场的极性变化 来研究地层。 它是在地层学和年代学的基础上，通过研究火山岩和沉积岩层序中 所记录的地磁场和岩石单元磁场特征的一系列磁极性变化，而逐步建立起来的一 种新的地层研究方法。 磁性地层学是一门介于地磁学与地层学之间的边缘学科。 一个磁性地层极性单位称为磁性地层极性带，以极性反转面或极性过渡带作为 界线。磁性地层单位又可分为不同的级别。这一新兴
2、学科已得到迅速发展，经过 进一步深入研究，定能在地层学研究中发挥重要作用。关关键键词词 磁性地层； 极性； 岩石； 矿床ABSTRACTMagnetostratigraphy is a branch discipline of stratigraphy, is the ancient land in the specific application of magnetism stratigraphy. Through the determination of residual magnetic rock natural, let out the polarity of the magnetic
3、 field changes to study formation. It is in the stratigraphy and chronology, and on the basis of study of volcanic and depositional strata through recorded in order of magnetic field and rock unit a series of magnetic polarity characteristics of magnetic field changes, and has been gradually establi
4、shed a new formation research methods.Magnetic stratigraphy is a land between magnetism and stratigraphy of between edge discipline. A magnetic polarity unit is called magnetic formation strata with polarity, polarity reversal surface or polarity transitional zone as boundaries. Magnetic stratigraph
5、ic units and can be divided into different levels. This new discipline has been rapid development, after further research, it can in stratigraphy play an important role.Key words：Magnetic formation; Polarity; Rock; deposits磁磁性性地地层层学学 - - 物物理理基基础础 从地磁场起源的自激发电机理论推知， 磁性地层学 地核中流动着的电流逆向时，就会导致地磁场极性发生倒转。当地
6、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。磁磁性性地地层层学学 - - 地地磁磁极极性性年年代代表表 它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。196
7、3 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。1969 年,他又综合编制出距今450 万年以来的地磁场极性倒转序列。当时，人们把数 量级 106 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110 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1972 年成立了地磁极性年代
8、 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。 1979 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。此外，由于期和事件之类术语存在一些弊 病，现今的 国际地层指南 (1979)中将它们废弃，并建议把期 (epoch)改 用时 (chron)、事件 (event)改用亚时 (sub-chron)。迄今，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，仍缺少必需的资料。磁磁性性地地层层学学 - - 磁磁性性地地层层的的极极性性单单位位 确立磁性地层极性单
9、位，是磁性地层工作的基本内容。 磁性地层学 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： 具有整体单一的极 性方向的地层； 具有正向与负向交替变化的地层；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。岩岩石石磁磁性性地地层层学学方方法法和和应应用用 岩石的磁性特征 (尤其是剩余磁性 )是地球物理参数参数中唯一能够测量及评 价地球过去磁场分布状态的参数。1853 年， MM
10、ellon i 发现了岩石中的磁性矿物所具有的剩余磁性是一种类似于化石作用的磁性，它记录了岩石形成时期的地球磁场特征，也就是过去地磁 场历史保存在岩石中的“录音机 ” 。1906 年， BBrunes 报道了一些火山熔岩 的剩余磁性方向存在与现今地磁场方向完全相反的信息。同一个地磁事件具有全球分布的特征，即在全世界不同地方，年龄相同的岩石， 它们记录的古地磁场特征基本相同。这是因为它们形成时受到同一个地磁场磁化 的结果。地区不同而年龄相同岩石记录的地磁事件的变化特征基本相同。不同类 型的地磁事件，它们的变化周期各异。地磁长期变化周期可以小于1000 年， 地磁极性带的变化周期约为103-107
11、 年，而地磁倒转的持续时间矩的一般为 0.1-0.5Ma，长的可为 0.5-1Ma这些特征奠定了磁性地层学的理论基础。 然而，古地磁学正式发展成为一门独立的地球学科，是在20 世纪的 50 年 代， 1957 年 ANKhramov 首次在原苏联某些沉积岩层中应用古地磁方法，鉴 别地层之间的相互关系及讨论古地磁学在地层划分中的意义。迄今为止所研究过的岩石中有近50%的剩余磁性方向与感应磁化强度方向相 反。它们之中除了一部分由自发反向磁化造成的以外，其余大都反映了岩石形成 时地磁场方向与现代地磁场方向相反的这一重要特征。地磁场倒转的原因目前尚 不清楚。但在最近的75Ma，存在一系列稳定磁化时期(
12、正向的和反向的 )。这 种时期持续时间大约为0.1-1Ma。在这些稳定磁化的期间内存在多次磁场急速倒 转的磁化期，其时间长约10 万年。这就为磁性地层学研究奠定了基础。 地磁场一直在变化之中，其变化周期有几千年的，也有几十万年的，如果掌握 了地磁场随时间变化的规律，反过来就能用来确定岩石的年龄。尤其在那些缺少 化石或不能进行绝对年龄测定的岩层，磁性地层学方法更能起到重要作用。 磁性地层学所建立的地层与该地层形成时的地磁场特征相对应。由于地球磁场的 极性在过去地质时期中反复倒转(即磁北极变成磁南极)，而且极性转换持续的 时间短则只有数千年(良好的控时性 )，而且又是全球范围内同时发生(良好的 广
13、布性和等时性 )。因此，海洋中或大陆上的沉积岩所记录的地磁场倒转信息所 提供的等时线，在全球范围内相关。对不同时代地层的古地磁磁性研究已经证实，在整个地质历史中，不但地磁极的 位置可以围绕地理极发生一定范围内的移动，而且地球磁场的方向曾发生过 180o 的倒转。即现在磁北极曾变为磁南极，磁南极变为磁北极。而且这种磁极性 倒转 (magnetic polarity reversal; polarity reversal)曾发生过多次。 MWMcElhinny 和 Merrill 对过去 5Ma 地磁场长期变化的分布特征进行了 评述，认为长期变化的周期大致从数百年至数千年及数万年之间，这说明长期变
14、 化具有较好的控时性。一些较短期的地磁偏移能够提供更为局部的信息，它们可 以非常有效地用于地方性的地层划分。这种具有相同长期变化特征的局部区域的面积可介于105-108km2 之间。当 有绝对年龄控制时，长期变化还可以用于地层的绝对划分，否则只能用于地层的相对划分。利用视极移轨迹确定美国亚拉巴马州志留纪红山建造的克林顿型赤铁 矿床形成的时代。地质研究认为，该铁矿形成的时代属于中志留世与早二叠世之 间。根据矿体的磁化强度计算得到的古极位置为38oN、132oE，将它与北美古 生代克拉通的视极移轨迹进行对比，确定它的形成年代为晚石炭世。中国黄土研究早期主要使用磁化率来区分黄土和古土壤 ,其后愈多的
15、磁学 参数通过表征磁性矿物的类型和颗粒尺寸为磁性矿物成因研究提供重要依据 ,而 这正是了解第四纪气候变化以及古土壤发生学的基础。在北美 ,类似的研究 后来延伸到古生代的黄土剖面。在海洋地质学研究领域 ,磁化率等磁性参数 测量是初始报告的一种基础性数据。引入磁性矿物通量 ()的概念进行 “黑箱式 ”的数据 处理 ,可了解碳酸钙生产速率。这种研究方式扩大了磁性参数的用途。早期的磁 化率测量主要在发现事件层方面发挥了突出的作用 ,如火山物质和冰水沉积等 ,现 在它已能广泛用于描述正常沉积的趋势性变化。在华南古生代稳定的较浅水的碳 酸盐台地环境 ,已有研究表明磁化率变化与相对海平面升降有关 ,但相关关 系是复杂的 ,而且目前对这些现象只是一些客观的描述而已 ,到理论解释还 有很长的距离。上述用于研究的许多磁参数都是标量 ,其大小并不能直接用于 不同盆地或全球的对比。但是就这些物理量描述问题的准确性和普遍性而言 ,用 于揭示剖面上地层岩石类型的细微变化却不失其灵敏和高分辨特点。参考文献参考文献地质年代表,地质出版社，北京，1987。W.B.哈兰德等著，袁相国、姬再良、刘椿译地学前缘2000 年第 02 期科学通报中文版 2009 年第 54 卷 22 期中国科学 D 辑: 地球科学 1997 27 戴诚达
