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6讲 第七章 磁性地层学

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第七 磁性 地层学
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一 、 概念及定义二 、 磁性地层学的原理三 、 磁化率地层学四 、 极性磁性地层学五 、 长周期磁性地层学及视极移曲线磁性地层学六 、 现状与前景七 、 采样 、 制样 、 加工第七章 磁性地层学一 、 概念及定义• 磁性地层学 ( : 是根据岩石的磁学特征来进行地层划分和对比的地层学分支学科 。• 磁性地层学以岩石的 剩余磁 化强度 和 磁化率 的特征和变化作为基础 。 前者主要基于地球磁场的 极性倒转以及长期变化性质 ; 后者取决于来自于 气候异常或火山活动以及外星撞击 的区域性磁化率异常 。第七章 磁性地层学• 地磁场: 地球周围存在的受磁性物质作用的空间称为地磁场 。• 地磁场近似于一个由在地心放置的磁棒所产生的磁偶极子磁场 。• 磁南极 位于地理北极附近 ,磁北极 位于地理南极附近二 、 磁性地层学的原理1、 地球磁场的时空特征 ( 地磁场三要素 )二 、 磁性地层学的原理1、 地球磁场的时空特征 ( 地磁场三要素 )• 地磁场的三要素: 磁偏角 、 磁倾角 、 磁场强度 。① 磁偏角 : 是指磁子午线与地理子午线间的夹角 , 也就是磁场强度矢量的 水平投影 与正北方向的 夹角 。二 、 磁性地层学的原理1、 地球磁场的时空特征 ( 地磁场三要素 )② 磁倾角: 是 磁场强度矢量 与 水平面 间的夹角 , 通常以磁场强度矢量 指向下为 正值 ,指向上为 负值 。 在赤道为 00。 由磁赤道到磁北极磁倾角由 00变900。 在 北半球 磁场强度矢量指向下/上 ?二 、 磁性地层学的原理1、 地球磁场的时空特征 ( 地磁场三要素 )③ 磁场强度 ( 磁感应强度 ) : 是指磁场强度矢量的绝对值 , 地球平均为 50μt( 微特斯拉 ) , 在赤道附近最小 , 为 30μt。磁性地层学分支学科磁性地层学分为三类: ① 以周期约 10 2— 10 4 称 长期变化 磁性地层学; ② 以周期为 10 5— 10 7 称 极性 磁性地层学; ③ 以磁化率变化为依据的 磁化率 磁性地层学 。磁性地层学当中 , 极性磁性地层学 应用最广 。长期变化磁性地层学以及磁化率磁性地层学常辅助于极性磁性地层学在高分辨率地层划分与对比中发挥作用 。第七章 磁性地层学3、 磁化率及剩磁的概念磁化率 ( 化率是表示在 外磁场 中物质被磁化的难易程度 , 是一个重要的参数 。 铁磁质物质的磁化率随外磁场的大小而变化 。 具有下列规律 ,即 磁化强度 的关系: M=κ /H, κ 为磁化率 。第七章 磁性地层学磁性物质可分为三类,即 抗磁质、顺磁质 以及 铁磁质 。上述三类物质在 常温下受到外磁场作用时的磁化效果存在以下不同: 前者产生的磁矩与磁场相反,而后两者产生的磁矩与磁场相同;前两者产生的的磁矩较弱,而后者产生的磁矩较强;前两者的磁化过程是可逆的,而后者的磁化过程是不可逆的。第七章 磁性地层学剩磁 (自然界中,铁磁性矿物与抗磁性和顺磁性矿物不同,它具有一个重要的物理特性 — 磁滞现象 ,这说明铁磁性矿物的磁化强度 与自己过去磁状态的全部历史有密切关系。由于岩石是在天然状态下获得这种磁矢量,所以特定义为 天然剩余磁化强度。第七章 磁性地层学剩磁 (不同类别的岩石获得天然剩余磁性的方式是截然不同的。一般有以下几种剩磁方式: 热剩磁、沉积剩磁、化学剩磁、粘滞剩磁、等温剩磁 及 非粘滞剩磁 。其中以 沉积剩磁 和 热剩磁 在极性磁性地层学中使用较多。第七章 磁性地层学热剩磁( :概念: 在恒定磁场的作用下,岩石从 居里点 以上的温度逐渐冷却到居里点以下,在通过居里点附近(阻挡温度)时受磁化所获得的剩磁,称为热剩余磁性,即热剩磁。特点: 强度大,方向与外磁场方向一致,稳定性高和可加性等特点。一般来说, 火成岩 的剩磁即来源于热剩磁。第七章 磁性地层学沉积剩磁 (沉积岩在形成过程中,其中的铁磁质颗粒在水中沉积时,受当时的地磁场作用,沿地磁场方向定向排列;或这些磁性颗粒在沉积物的含水孔隙中转向地磁场方向,沉积物固结后,按地磁场方向保存下来的磁性,称为沉积剩余磁性,即沉积剩磁。其 稳定性较热剩磁小 。第七章 磁性地层学化学剩磁 ( 是指在地磁场中, 某些磁性物质在低于居里点稳定的条件下,经过相变过程(重结晶)或者化学过程(氧化还原)所获得的剩磁。粘滞剩磁 (: 是指岩石在长期的地磁场作用 和一定温度下所获得的 随时间逐渐增加 的剩磁 。其中前三种为 原生 剩磁,后一种为 次生 剩磁(需要退磁)。第七章 磁性地层学岩石次生剩磁的清洗(测试,逐步增幅交流磁场或加热退磁)注: 步增幅、退尽剩磁的意义。生剩磁的关系。三 、 磁化率地层学磁化率地层学 ( 是以磁化率变化为依据的磁性地层学 。由于磁化率与 古气候 、 地质事件 、 沉积物源及沉积物颗粒大小 ,尤其是古气候或地质事件有重要的联系 , 而古气候或地质事件的垂向变化在一定范围内是相同的 。所以 , 地层剖面中磁化率的垂向分布特征能反映这种古气候或地质事件的垂向变化 。因此 , 通过研究地层中磁化率的变化特征可以进行精确的地层划分 、 对比 。第七章 磁性地层学三 、 磁化率地层学磁化率地层学应用最好的是 第四纪地层 , 尤其是中国北方地区的黄土 — 古土壤层 。在黄土 — 古土壤序列中 , 代表不同古气候条件的黄土和古土壤有明显不同的磁化率值 , 因此 , 可以利用磁化率曲线来辨别黄土层和古土壤层 。即使是一些肉眼不易辨别的弱古土壤层也可以用磁化率曲线辨别 。第七章 磁性地层学古土壤: 显示了 高磁化率值 ; 黄土: 则显示了 低磁化率值 。在进行黄土磁化率地层划分时 , 将 磁化率低的一段黄土层 称作一级黄土地层单位 ( , 而将相对 磁化率高的一段古土壤层 称作一级古土壤地层单位 ( ;第七章 磁性地层学剖面m3024681050 70 90 110 130× 10— 6S I(k)磁化率曲线地层单位Ⅰ Ⅱ ⅢL 9213一级单位 黄土层 土壤层 二级单位 ) , 如 1或 1第七章 磁性地层学剖面m3024681050 70 90 110 130× 10— 6S I(k)磁化率曲线地层单位Ⅰ Ⅱ ⅢL 9213性地层学剖面m3024681050 70 90 110 130× 10— 6S I(k)磁化率曲线地层单位Ⅰ Ⅱ ⅢL 9213理 , 在一级黄土地层单位 二级单位 ) , 如在 在一级古土壤地层单位 二级单位 ) 此外 , 还有更次一级 ( 三级 ) 的地层单位如 七章 磁性地层学剖面m3024681050 70 90 110 130× 10— 6S I(k)磁化率曲线地层单位Ⅰ Ⅱ ⅢL 9213 20 4060 80 120 160 180 0 20 40 60 80 120× 10— 6S I( )k× 10— 6S I( )2L 11L 10L 9L 10L 11L 12岔湾第七章 磁性地层学四、极性磁性地层学极性磁性地层学 ( 的 基本原理:是地磁场的反转理论,其地层划分与对比基于地磁场极性的正向性和反向性。在地质历史时期,地球磁场的极性方向不是固定不变的,而具变化极为频繁的现象,它有时与现今的地磁场极性方向相同,称为 正向极性 ( 用 有时却与现今的地磁场截然相反,称为 反向极性 ( 第七章 磁性地层学四、极性磁性地层学但是在一定的地质时间里,地球磁场的极性是一定的,与现今磁场极性方向一致或相反。三个重要的特征 :全球性 ,同时性 ,控时性 性地层学四、极性磁性地层学全球性 :是指地磁场倒转事件具有全球分布的特征。同时性 :是指同一地质时期的岩石中所记录的地磁场特征相同。控时性 :泛指极性转换变化的周期或持续时间。不同类型的地磁事件,其变化周期各异,即控时性不同。如地磁极性倒转的持续时间短的一般为 的可为 1七章 磁性地层学1、 磁极性地层单位磁极性地层单位: 是指在正常地层序列中 , 以其磁极性基本一致而组合在一起 , 并以此区别于相邻单位的岩石体 ( 据 《 中国地层指南 》 , 2001) 。磁极性地层单位极性特征有三种情况:( 1) 整个单位为 单一的极性 ;( 2) 可由 正向与负向的交替 组成;( 3) 以 正向极性为主 又包含了次要的负向极性 , 或者相反 。第七章 磁性地层学磁极性地层单位的等级及其时间跨度的划分 (据岳乐平等 , 1996)磁性地层极性单位地质年代等级年代地层单位等级时 间 跨 度 等列 ( 年 )极性巨带极性超带极性带极性亚带极性微带巨时超时时亚时微时巨时间带超时间带时间带亚时间带微时间带107— 108106— 107105— 106104— 105>104第七章 磁性地层学磁极性地层单位: 极性带 是基本单位 本 特征 , 其时空位置均以上限和下限来区分 , 这种界限被称为转换带 , 标志着两种相反极性符号的变化 。极性带的延续时间: 在 105— 106年 。 例如距今 基本上以反向为主 ,称其为 松山反向极性带 。磁极性地层柱状图中 , 正向极性带 ( 亚带或超带 ) 通常用 黑色 表示 , 而 反向极性带 ( 亚带或超带 ) 则用 白色 表示 。第七章 磁性地层学极性亚带 :一个极性带可包含一些次一级较短时间的 、 极性相反的极性亚带 , 其延续时间在 104— 105年 , 例如松山反向极性带中 , 包含着距今 正向 的 贾米拉 、 奥杜威 两个正向极性亚带 。极性超带 :它的跨的时间较长 , 在 106— 107年间 。 例如 K— N, 意思是白垩纪正常极性超带 。 982)根据现有成果综合编制地质时期中的极性超带 ( 图 7, 除 K— 还有 古近纪 、 新近纪 — 第四纪混合极性超带 ; 侏罗纪 — 白垩纪混合极性超带 ; 三叠纪混合极性超带和 C— 第七章 磁性地层学2、 地磁极性年表根据化石带和岩石的绝对年龄值建立地层层序后 , 确立各层序的地磁极性 , 列出 年龄 — 地层 — 地磁极性 对应的序列表 , 这种表称为地磁极性年表 。建立地质时期地磁极性年表是磁极性地层学研究的重要任务之一 。1969年 , 此后 , 随着 K— 加之国际地层规范有关术语的规定 , 一些新的地磁极性年表相继作出 。 1984) 作出了新生代晚期地磁极性年表 。第七章 磁性地层学地质时期偏极性超时→→→‘×’?年龄正向极性中间极性反向极性边界年龄极性时间极性事件K A r(Ma)( M a)拉尚布莱克?布容贾拉米洛松山奥杜威留尼沃卡伊纳马冒斯高斯哥奇帝努尼瓦克 吉尔伯特西达夫贾尔瑟维拉412671.. 0023 . 00.5 0. 54.5884444 5000003333333222224899 716111211005522247777.. 0 0....99.............844000 ...0 00 3新生代晚期地磁极性年代表3、 工作方法与实例由于极性倒转是全球范围的现象,所以 同一时代的岩石应具有相同的极性 ,为世界范围的地层对比奠定了基础。目前,基于地磁极性倒转的极性带在地层划分对比的应用中,以 新生代和中生代 效果较好。磁极性地层学工作的具体步骤是:( 1)首先测定已知相对、绝对年龄岩层的磁性方向,作出剖面磁倾角变化图;( 2)根据标准地磁极性年代表,进行极性带的划分。以 正磁倾角为主的地段,划为正向极性带 ,否则划为负向极性带。正向、负向交错出现,则划为混合极性带;3、 工作方法与实例( 3)检查极性带的划分是否正确, 检验方法: 堆积物埋藏深度 /地磁极性年代指示的时间 ==沉积物沉积时的速度 。若沉积速率基本保持不变,说明极性带的划分基本正确;( 4)不同剖面的极性带划分出后,要进行不同剖面之间的极性带对比,确定各剖面之间的地层对比关系。第七章 磁性地层学 2000)北美东部晚三叠世古纬度及磁性地层对比 ( 据 2000)(D、 C、 N、 H、 F:剖面名; c、 含煤沉积; s、 盐类沉积; e、 风成沉积 )例 2 陕西黄土地层的磁极性地层对比二道沟剖面、拉芨盖剖面磁极性变化与标准磁极性柱的对比(据方小敏等, 2002)贵德羚羊例 3 青藏高原东北缘晚新生代哺乳动物时代的确定例 3 青藏高原东北缘晚新生代哺乳动物时代的确定贵德羚羊 ( , 该地层的准确时代一直是一个争论的问题 。图中第一 、 二和三化石层中均有 贵德羚羊 ( 出 , 第三化石层中产有中国北方普遍发现的 中国互棱齿象( 通过极性年龄的对比可以确定贵德羚羊的生活年代为 即 上新世初期 ;中国互棱齿象 出现时代一直悬而未决 , 极性年龄柱中可以看出其出现的时间为 属早上新世晚期 。第七章 磁性地层学第七章 磁性地层学五、长周期磁性地层学及视极移曲线磁性地层学(一)长周期磁性地层学1.长周期磁性变化的特征地球基本磁场随时间发生的缓慢变化称为地磁长期变化。地磁长期变化具有全球的统一特征,一般认为它是来源于地核内部或核幔边界。利用地磁长期变化(及偏移)来代替古生物划分方法,在那些 缺乏化石的地层中开展地层划分 ,具有重要意义。英国斯凯岛上 斯托尔与基朗两地新近纪熔岩层位对比 ( 据 1978)第七章 磁性地层学地磁长期变化特征在各类型岩石中不尽相同。( 1)沉积岩时代老的沉积岩 很少保留沉积时地磁场特征 。但对于经历了 快速成岩作用的灰岩,可以保留长期变化的特征 。( 2)岩浆岩岩浆岩可以 较好地记录长期变化特征 ,因此,可以利用长期变化特征确定岩浆岩形成的年龄。( 3)变质岩由于变质岩形成过程中的 受热及化学活性流体的迁移 ,而使得变质岩的剩磁 以化学剩磁为主 。只有在一些 特殊条件下 经受单一热变质作用的变质岩 才能有可能保留长期变化 的记录,才能用于计算变质岩冷却的年龄。第七章 磁性地层学(二 )利用视极移轨迹进行地层对比由于地球表面不同板块(大陆)是在不断地运动的(漂移),尽管地理轴基本上是固定的,而每一板块的古地磁极位置却是随时间的变化而变化。把这种同一板块的古磁极位置连续的位移曲线称为 极移轨迹(漂移轨迹) 。因此,每一个板块只有唯一的一条代表它的相对于地理轴运动的极移轨迹。确定极移轨迹所选择的古地磁极位置样品要遵循下列原则:( 1) 同一板块上至少要在 5个分开的地点取样 , 以便有助于消除长期变化及其它地磁干扰的影响;( 2) 所采集的样品要能够比较容易通过各种 退磁方法来确定及分离出原生的稳定剩磁成分 ;( 3) 样品的磁化强度年龄要能根据其它方法测定;( 4) 所有采样点应位于 同一板块 , 它们之间未发生过相对运动 。第七章 磁性地层学第七章 磁性地层学(二 )、利用视极移轨迹进行地层对比因此,可以根据不同板块的极移曲线的 移动方向 来进行地层对比和大地构造演化研究。如果两个板块的极移 曲线 是 相同 的,那么就意味着两个板块是相连 的。如果两条曲线 相交 , 则意味着板块的 碰撞 。 极移曲线可以适用 欧洲及北美大陆 寒武纪以来 的磁性迁移曲线依据北美视极移轨迹确定蒙特瑞根碱性岩体的时代(a)黑圆点表示碱性岩体剩余磁性方向的分布 ; (b) × 号代表采集点的古地磁地 (据 1978)美国亚拉巴马州志留纪红山建造中赤铁矿形成时代的确定 (据 1984) 六、现状和前景 磁性地层学现在已经是地层学研究的重要组成部分,特别是 5推动第四纪地层学和地质年代学研究方面,起到了划时代的积极作用。磁性地层学已成为 评价和研究 地质时期中各个地质界线问题的深浅程度方面所必需的一项重要内容。 它 填补了 沉积地层与火成岩系之间 ,以及 陆相地层与海相地层之间 不可逾越的鸿沟,使得它们彼此之间的地质年代划分和对比成为可能。甚至可以进行岩体间更大范围的地层学和年代学的研究。第七章 磁性地层学磁性地层学 不足之处 。首先,它还 不能单独 用来确定地层 绝对年代 ;其次,它能测出地层的极性符号,但要准确确定这种极性符号的时间,依然需要 借助同位素年龄数据或古生物地层的资料 进行多学科的综合研究,才能真正发挥它的作用。第七章 磁性地层学七、采样、制样、加工(了解)第七章 磁性地层学采点附近应无明显断裂以及强烈褶皱等构造活动、无严重风化变质以及岩体侵入现象、无垮塌滑坡以及地层产状不明情况。尽量选择那些粒度为 μm量级、质地坚硬的岩层。每层最低布置 2个样品,而剖面垂向上的样品间隔则应小于可能存在的、有意义的磁极倒转的时间跨度。布样采样手提钻机 一般为汽油摩托钻、高压水泵冷却;样品定向器可直读样品产状。手标本采样使用三足直读罗盘测量样品产状。两种样品均要在样品上及时画出其走向或倾向的方向并测量地层产状。采点选择及器无定向磁力仪的核心 , 即磁系 , 由两个磁矩相等的磁棒 、 无磁性的金属杆以及无磁性的悬丝构成 , 其中 , 金属杆将磁棒彼此平行而方向相反地连在一起 ,而悬丝则将前两者垂直吊起 。 由于两个磁棒的磁矩大小相等而方向相反 , 所以其磁系的宏观磁矩为零 。如果将一具有剩磁的样品置于上述磁系的某一磁棒附近 , 则磁系由于两磁棒所受磁力矩的不同而发生偏转 , 此偏转的程度以及方向将对应于样品的剩磁大小和方向 。无定向磁力仪旋转磁力仪是利用具有剩磁的样品在旋转时所形成的磁场可在线圈内产生感生电动势的原理制成的,测试感生电动势的振幅以及相位便可判断测试样品的剩磁大小以及方向。测试时,样品和参考磁铁旋转频率一致,并分别在信号线圈和参考线圈内产生同频率的感生电动势。我们可以经过电子线路的衰减器和移相器将两信号调整至振幅相同而相位相反,即实现混合信号为零。此时,电子线路的衰减量以及移相量即对应着测试样品剩磁的大小和方向。 有些物质在接近绝对温度零度时 , 即临界温度时 , 电阻会突然变为零 ,该物质称之为超导体 。在弱剩磁测试样品的情况下 , 前述磁力仪将无能为力 , 但由于超导磁力仪的核心超导体所具备的零电阻原因 , 其接受弱感生电动势的能力远高于其他仪器 , 因此利用超导磁力仪可实现弱剩磁样品的测试 。超导磁力仪全磁屏蔽实验室交变退磁仪利用逐步增加人工减幅交流磁场的初始振幅实现对剩磁的退磁目的,通常初始振幅的变化范围是 0退磁仪利用逐步升高温度的方法实现对剩磁的退磁目的,通常退磁温度的变化范围是 0。热退磁仪必须具备升温、恒温以及降温控制功能,恒温时间和冷却时间一般控制为 20分钟和 30分钟。为避免退磁过程当中可能产生的次生磁化,退磁仪器均配备玻莫合金屏蔽措施,其屏蔽装置一般东西向放置。验极性倒转检验极性倒转检验利用的是,未受到次生磁化影响的一对互为反向的剩磁必呈 180° ,而受到次生磁化影响时这一状况将要遭到破坏。极性倒转检验褶皱检验褶皱检验利用的是,未受到次生磁化影响的剩磁在倾斜校正前发散、在倾斜校正后会聚。反之,剩磁在倾斜校正前会聚、在倾斜校正后发散 。合格不合格褶皱检验
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