第七章 磁性地層學(xué)

1、J J L L M 02040 6080100120140 160180 02040 60 80100 120 140 10 6SI ( ) k 10 6SI ( ) k 0 段家坡藍(lán)田 10 5 M L9 L1 3 S10 S11 S12 S13 L1 2 L1 1 L1 0 S9 L9 L1 0 L1 1 L1 2 L1 3 S13 S12 S11 S10 S9 0 5 10 陽(yáng)郭 西岔灣 第七章第七章 磁性地層學(xué)磁性地層學(xué) 一，磁性地層學(xué)的定義 磁性地層學(xué)磁性地層學(xué)(Magnetic stratigraphy)：是：是 根據(jù)巖石的磁學(xué)特征來(lái)進(jìn)行地層劃分和對(duì)根據(jù)巖石的磁學(xué)特征來(lái)進(jìn)行地層劃分

2、和對(duì) 比的地層學(xué)的分支學(xué)科。比的地層學(xué)的分支學(xué)科。 以巖石的以巖石的剩余磁化強(qiáng)度剩余磁化強(qiáng)度和和磁化率磁化率的特征及的特征及 變化作為基礎(chǔ)。變化作為基礎(chǔ)。 剩余磁化強(qiáng)度剩余磁化強(qiáng)度：基于地球磁場(chǎng)的極性倒轉(zhuǎn)以及長(zhǎng)：基于地球磁場(chǎng)的極性倒轉(zhuǎn)以及長(zhǎng) 期變化性質(zhì)期變化性質(zhì) 磁化率磁化率：取決于來(lái)自氣候異?；蚧鹕交顒?dòng)以及外：取決于來(lái)自氣候異常或火山活動(dòng)以及外 星撞擊的區(qū)域性磁化率異常星撞擊的區(qū)域性磁化率異常 二，磁性地層學(xué)的原理 1，地球磁場(chǎng)的時(shí)空特征，地球磁場(chǎng)的時(shí)空特征 正北 磁子午線(xiàn) 正東 H X D O Z 下 T Y I 地地 磁磁 要要 素素 地磁場(chǎng)一直在變化之中，其變化周期有幾千地磁場(chǎng)一直在變

3、化之中，其變化周期有幾千 年的，也有幾十萬(wàn)年的，如果掌握了地磁場(chǎng)年的，也有幾十萬(wàn)年的，如果掌握了地磁場(chǎng) 隨時(shí)間變化的規(guī)律，反過(guò)來(lái)就能用來(lái)確定巖隨時(shí)間變化的規(guī)律，反過(guò)來(lái)就能用來(lái)確定巖 石的年齡。石的年齡。 磁性地層學(xué)所建立的地層與該地層形成時(shí)的磁性地層學(xué)所建立的地層與該地層形成時(shí)的 地磁場(chǎng)特征相對(duì)應(yīng)。由于地磁事件地磁場(chǎng)特征相對(duì)應(yīng)。由于地磁事件(即磁北極即磁北極 變成磁南極變成磁南極)具有良好的具有良好的控時(shí)性控時(shí)性、廣布性廣布性和和等等 時(shí)性時(shí)性，所以海洋中或大陸上的沉積巖所記錄，所以海洋中或大陸上的沉積巖所記錄 的地磁場(chǎng)倒轉(zhuǎn)信息所提供的等時(shí)線(xiàn)，在全球的地磁場(chǎng)倒轉(zhuǎn)信息所提供的等時(shí)線(xiàn)，在全球 范圍

4、內(nèi)相關(guān)。范圍內(nèi)相關(guān)。 2，磁性地層學(xué)分支學(xué)科，磁性地層學(xué)分支學(xué)科 以周期約以周期約102104a的地磁場(chǎng)長(zhǎng)期變化為的地磁場(chǎng)長(zhǎng)期變化為 依據(jù)，稱(chēng)長(zhǎng)期變化磁性地層學(xué)；依據(jù)，稱(chēng)長(zhǎng)期變化磁性地層學(xué)； 以周期為以周期為105107a的極性帶為依據(jù)，稱(chēng)的極性帶為依據(jù)，稱(chēng) 極性磁性地層學(xué)；（極性磁性地層學(xué)；（應(yīng)用最廣應(yīng)用最廣） 以磁化率變化為依據(jù)的磁化率磁性地層學(xué)。以磁化率變化為依據(jù)的磁化率磁性地層學(xué)。 3，磁化率及剩磁的概念，磁化率及剩磁的概念 1 1）磁化率：）磁化率： 表示在外磁場(chǎng)中物質(zhì)被磁化的難易程度，表示在外磁場(chǎng)中物質(zhì)被磁化的難易程度， 是一個(gè)重要的參數(shù)。是一個(gè)重要的參數(shù)。 鐵磁質(zhì)物質(zhì)的磁化率隨外

5、磁場(chǎng)的大小而變鐵磁質(zhì)物質(zhì)的磁化率隨外磁場(chǎng)的大小而變 化，即磁化強(qiáng)度化，即磁化強(qiáng)度M與磁場(chǎng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度H的關(guān)系為：的關(guān)系為： M=/H，為磁化率。為磁化率。 磁性物質(zhì)可分為三類(lèi)：抗磁質(zhì)、順磁質(zhì)、鐵磁質(zhì)磁性物質(zhì)可分為三類(lèi)：抗磁質(zhì)、順磁質(zhì)、鐵磁質(zhì) 三類(lèi)物質(zhì)在常溫下受到外磁場(chǎng)作用時(shí)的磁化效果存在不同：三類(lèi)物質(zhì)在常溫下受到外磁場(chǎng)作用時(shí)的磁化效果存在不同： 抗磁質(zhì)產(chǎn)生的磁矩與磁場(chǎng)相反，順磁質(zhì)和鐵磁質(zhì)產(chǎn)生的磁矩與磁場(chǎng)相同；抗磁質(zhì)產(chǎn)生的磁矩與磁場(chǎng)相反，順磁質(zhì)和鐵磁質(zhì)產(chǎn)生的磁矩與磁場(chǎng)相同； 抗磁質(zhì)、順磁質(zhì)產(chǎn)生的磁矩較弱，鐵磁質(zhì)產(chǎn)生的磁矩較強(qiáng)；抗磁質(zhì)、順磁質(zhì)產(chǎn)生的磁矩較弱，鐵磁質(zhì)產(chǎn)生的磁矩較強(qiáng)； 抗磁質(zhì)、順磁質(zhì)

6、的磁化過(guò)程是可逆的，鐵磁質(zhì)的磁化過(guò)程是不可逆的抗磁質(zhì)、順磁質(zhì)的磁化過(guò)程是可逆的，鐵磁質(zhì)的磁化過(guò)程是不可逆的 2 2）剩磁）剩磁 鐵磁性礦物具有的鐵磁性礦物具有的磁滯現(xiàn)象磁滯現(xiàn)象，說(shuō)明鐵磁性礦物的，說(shuō)明鐵磁性礦物的 磁化強(qiáng)度磁化強(qiáng)度J不僅與外磁場(chǎng)和溫度有關(guān)，還與自己不僅與外磁場(chǎng)和溫度有關(guān)，還與自己 過(guò)去磁狀態(tài)的全部歷史有密切關(guān)系。過(guò)去磁狀態(tài)的全部歷史有密切關(guān)系。 J磁化強(qiáng)度磁化強(qiáng)度 K磁化率磁化率 H磁場(chǎng)強(qiáng)度磁場(chǎng)強(qiáng)度 Jr正常剩余磁性或正常剩余磁化強(qiáng)度，即剩磁正常剩余磁性或正常剩余磁化強(qiáng)度，即剩磁 J = KH + Jr 由于巖石是在天然狀態(tài)下獲得這種磁矢量，由于巖石是在天然狀態(tài)下獲得這種磁矢量

7、， 所以特定義為所以特定義為天然剩余磁化強(qiáng)度。天然剩余磁化強(qiáng)度。 不同類(lèi)別的巖石獲得天然剩余磁性的方式不同類(lèi)別的巖石獲得天然剩余磁性的方式 不同。一般有以下幾種剩磁方式：不同。一般有以下幾種剩磁方式： 熱剩磁熱剩磁、沉積剩磁沉積剩磁、化學(xué)剩磁、粘滯剩磁、化學(xué)剩磁、粘滯剩磁、 等溫剩磁及非粘滯剩磁等溫剩磁及非粘滯剩磁 熱剩磁熱剩磁(thermoremanentmagnetism)： 在恒定磁場(chǎng)的作用下，巖石從居里點(diǎn)以上的溫度在恒定磁場(chǎng)的作用下，巖石從居里點(diǎn)以上的溫度 逐漸冷卻到居里點(diǎn)以下，在通過(guò)居里點(diǎn)附近（阻逐漸冷卻到居里點(diǎn)以下，在通過(guò)居里點(diǎn)附近（阻 擋溫度）時(shí)受磁化所獲得的剩磁，稱(chēng)為熱剩余磁擋

8、溫度）時(shí)受磁化所獲得的剩磁，稱(chēng)為熱剩余磁 性，即熱剩磁。性，即熱剩磁。 熱剩磁具有強(qiáng)度大，方向與外磁場(chǎng)方向一致，很熱剩磁具有強(qiáng)度大，方向與外磁場(chǎng)方向一致，很 高的穩(wěn)定性和可加性的特點(diǎn)。高的穩(wěn)定性和可加性的特點(diǎn)。 一般來(lái)說(shuō)，一般來(lái)說(shuō)，火成巖火成巖的剩磁即來(lái)源于熱剩磁。的剩磁即來(lái)源于熱剩磁。 火山巖剩余磁性形成示意圖火山巖剩余磁性形成示意圖 沉積剩磁沉積剩磁(depositional remanent magnetism) ： 沉積巖在形成過(guò)程中，其中的鐵磁質(zhì)顆粒在水中沉積巖在形成過(guò)程中，其中的鐵磁質(zhì)顆粒在水中 沉積時(shí)，受當(dāng)時(shí)的地磁場(chǎng)作用，沿地磁場(chǎng)方向定沉積時(shí)，受當(dāng)時(shí)的地磁場(chǎng)作用，沿地磁場(chǎng)方向定

9、向排列，或者是這些磁性顆粒在沉積物的含水孔向排列，或者是這些磁性顆粒在沉積物的含水孔 隙中轉(zhuǎn)向地磁場(chǎng)方向，沉積物固結(jié)后，按地磁場(chǎng)隙中轉(zhuǎn)向地磁場(chǎng)方向，沉積物固結(jié)后，按地磁場(chǎng) 方向保存下來(lái)的磁性，稱(chēng)為沉積剩余磁性，即沉方向保存下來(lái)的磁性，稱(chēng)為沉積剩余磁性，即沉 積剩磁。積剩磁。 其穩(wěn)定性較熱剩磁小其穩(wěn)定性較熱剩磁小。 沉積巖中剩余磁場(chǎng)形成示意圖沉積巖中剩余磁場(chǎng)形成示意圖 化學(xué)剩磁化學(xué)剩磁(chemical remanent magnetism): 是指在地磁場(chǎng)中， 某些磁性物質(zhì)在低于居里點(diǎn)穩(wěn) 定的條件下，經(jīng)過(guò)相變過(guò)程（重結(jié)晶）或者化學(xué) 過(guò)程（氧化還原）所獲得的剩磁。 粘滯剩磁粘滯剩磁(viscou

10、s remanent magnetism) ： 是指巖石在長(zhǎng)期的地磁場(chǎng)作用下，隨著時(shí)間的推 移，其中原來(lái)定向排列的磁疇，弛豫到地磁場(chǎng)作 用方向，所形成的剩磁。 熱剩磁、沉積剩磁和化學(xué)剩磁三種為原生剩磁， 粘滯剩磁為次生剩磁 三，磁化率地層學(xué)三，磁化率地層學(xué) 概念概念：是以磁化率變化為依據(jù)的磁性地層學(xué)。是以磁化率變化為依據(jù)的磁性地層學(xué)。 應(yīng)用應(yīng)用： 磁化率與古氣候、地質(zhì)事件、沉積物物源及沉積物顆磁化率與古氣候、地質(zhì)事件、沉積物物源及沉積物顆 粒大小，尤其是古氣候或地質(zhì)事件有重要的聯(lián)系，而粒大小，尤其是古氣候或地質(zhì)事件有重要的聯(lián)系，而 古氣候或地質(zhì)事件的垂向變化在一定范圍內(nèi)是相同的，古氣候或地質(zhì)事

11、件的垂向變化在一定范圍內(nèi)是相同的， 地層剖面中磁化率的垂向分布特征能反映這種古氣候地層剖面中磁化率的垂向分布特征能反映這種古氣候 或地質(zhì)事件的垂向變化。因此，通過(guò)研究地層中磁化或地質(zhì)事件的垂向變化。因此，通過(guò)研究地層中磁化 率的變化特征可以進(jìn)行精確的地層劃分、對(duì)比。率的變化特征可以進(jìn)行精確的地層劃分、對(duì)比。 應(yīng)用最好的是第四紀(jì)地層，尤其是中國(guó)北方地區(qū)的黃應(yīng)用最好的是第四紀(jì)地層，尤其是中國(guó)北方地區(qū)的黃 土土-古土壤層；古土壤層； 在事件地層、層序地層及古環(huán)境分析中的應(yīng)用在事件地層、層序地層及古環(huán)境分析中的應(yīng)用 黃土剖面磁化率地層劃分與單位命名黃土剖面磁化率地層劃分與單位命名 J J L L M

12、02040 6080100120140 160180 02040 60 80100 120 140 10 6SI ( ) k 10 6SI ( ) k 0 段家坡藍(lán)田 10 5 M L9 L1 3 S10 S11 S12 S13 L1 2 L1 1 L1 0 S9 L9 L1 0 L1 1 L1 2 L1 3 S13 S12 S11 S10 S9 0 5 10 陽(yáng)郭 西岔灣 陽(yáng)郭剖面與藍(lán)田剖面磁化率曲線(xiàn)對(duì)比陽(yáng)郭剖面與藍(lán)田剖面磁化率曲線(xiàn)對(duì)比 四，磁極性地層學(xué)四，磁極性地層學(xué) 1 1，基本原理，基本原理： 地磁場(chǎng)的反轉(zhuǎn)理論，其地層劃分與對(duì)比基地磁場(chǎng)的反轉(zhuǎn)理論，其地層劃分與對(duì)比基 于地磁場(chǎng)的正向性和

13、反向性。于地磁場(chǎng)的正向性和反向性。 正向：正向：Normal,用用“N”表示表示 反向：反向：Reversal,用用“R”表示表示 2 2，重要特征，重要特征： 全球性、同時(shí)性、控時(shí)性全球性、同時(shí)性、控時(shí)性 3，磁極性地層單位，磁極性地層單位：是指在正常地層序列：是指在正常地層序列 中，以其磁極性基本一致而組合在一起，中，以其磁極性基本一致而組合在一起， 并以此區(qū)別于相鄰單位的巖石體。并以此區(qū)別于相鄰單位的巖石體。 通常由三種情況組成：通常由三種情況組成： (1) 整個(gè)單位為單一的極性整個(gè)單位為單一的極性 (2) 可由正向與負(fù)向的交替而成可由正向與負(fù)向的交替而成 (3) 是以正向極性為主又包含

14、了次要的負(fù)向是以正向極性為主又包含了次要的負(fù)向 極性，或以負(fù)向極性為主又包含了次要的極性，或以負(fù)向極性為主又包含了次要的 正向極性正向極性 磁極性地層單位地質(zhì)年代單位年代地層單位時(shí)間跨度等級(jí) 極性巨帶 極性超帶 極性帶 極性亞帶 極性微帶 巨時(shí) 超時(shí) 時(shí) 亞時(shí) 微時(shí) 巨時(shí)間帶 超時(shí)間帶 時(shí)間帶 亞時(shí)間帶 微時(shí)間帶 107108 106107 105106 104105 104 磁極性地層單位的等級(jí)及其時(shí)間跨度的劃分磁極性地層單位的等級(jí)及其時(shí)間跨度的劃分 極性帶是基本單位極性帶是基本單位，每個(gè)極性帶是以自身所特有的極性為基本，每個(gè)極性帶是以自身所特有的極性為基本 特征，其時(shí)空位置均以上限和下限來(lái)

15、區(qū)分，這種界線(xiàn)被稱(chēng)為轉(zhuǎn)特征，其時(shí)空位置均以上限和下限來(lái)區(qū)分，這種界線(xiàn)被稱(chēng)為轉(zhuǎn) 換帶，標(biāo)志著兩種相反極性符號(hào)的變化。換帶，標(biāo)志著兩種相反極性符號(hào)的變化。 磁極性地層柱狀圖中，磁極性地層柱狀圖中，正向極性帶（亞帶或超帶）通常用黑色正向極性帶（亞帶或超帶）通常用黑色 表示，反向極性帶（亞帶或超帶）則用白色表示。表示，反向極性帶（亞帶或超帶）則用白色表示。 4，地磁極性年表，地磁極性年表 根據(jù)化石帶和巖石的絕根據(jù)化石帶和巖石的絕 對(duì)年齡值建立地層層序?qū)δ挲g值建立地層層序 后，確立各層序的地磁后，確立各層序的地磁 極性，列出年齡極性，列出年齡地地 層層地磁極性對(duì)應(yīng)的序地磁極性對(duì)應(yīng)的序 列表，這種表稱(chēng)為地

16、磁列表，這種表稱(chēng)為地磁 極性年表。極性年表。 最近最近5Ma以來(lái)地磁極性年代表以來(lái)地磁極性年代表 （據(jù)（據(jù)W.B.Harland，1982） 5，工作方法與實(shí)例，工作方法與實(shí)例 磁極性地層學(xué)工作的具體步驟是磁極性地層學(xué)工作的具體步驟是 （1 1）首先測(cè)定已知相對(duì)、絕對(duì)年齡巖層的磁性方向，作）首先測(cè)定已知相對(duì)、絕對(duì)年齡巖層的磁性方向，作 出剖面磁傾角變化圖；出剖面磁傾角變化圖； （2 2）根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)地磁極性年代表，進(jìn)行極性帶的劃分。以）根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)地磁極性年代表，進(jìn)行極性帶的劃分。以 正磁傾角為主的地段，劃為正向極性帶，否則劃為負(fù)向正磁傾角為主的地段，劃為正向極性帶，否則劃為負(fù)向 極性帶。正向、負(fù)向交

17、錯(cuò)出現(xiàn)，則劃為混合極性帶；極性帶。正向、負(fù)向交錯(cuò)出現(xiàn)，則劃為混合極性帶； （3 3）檢查極性帶的劃分是否正確，檢驗(yàn)方法：堆積物埋）檢查極性帶的劃分是否正確，檢驗(yàn)方法：堆積物埋 藏深度藏深度/ /地磁極性年代指示的時(shí)間地磁極性年代指示的時(shí)間= =沉積物沉積時(shí)的速度。沉積物沉積時(shí)的速度。 若沉積速率基本保持不變，說(shuō)明極性帶的劃分基本正確；若沉積速率基本保持不變，說(shuō)明極性帶的劃分基本正確； （4 4）不同剖面的極性帶劃分出后，要進(jìn)行不同剖面之間）不同剖面的極性帶劃分出后，要進(jìn)行不同剖面之間 的極性帶對(duì)比，確定各剖面之間的地層對(duì)比關(guān)系。的極性帶對(duì)比，確定各剖面之間的地層對(duì)比關(guān)系。 Fundy盆地和 盆

18、地和Newark盆地磁性地層對(duì)比圖盆地磁性地層對(duì)比圖 D R D C C -3 -2 -1 C -4 0 1 2 3 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 R 1. 8 1.9 S S S S S S 10 9 8 7 6 4 3 2 1 230 225 220 215 210 205 200 35 36 3738 39 40 41 424344 45 ？ （現(xiàn)在緯度） （古緯度 ） 上 三 疊 統(tǒng) 下 侏 羅 統(tǒng) 卡 尼 階 諾 利 階 瑞 替 階 赫 唐 階 北美東部晚三疊世古緯度及磁性地層對(duì)比（據(jù)北美東部晚三疊世古緯度及磁性地層對(duì)比（據(jù) Kent and Olsen, 200

19、0） (DR、D、C、N、H、F：剖面名；：剖面名；c、含煤沉積；、含煤沉積； s、鹽類(lèi)沉積；、鹽類(lèi)沉積； e、風(fēng)成沉積、風(fēng)成沉積) 西峰 洛川 陜縣 Liu.X.M Yue.L.P Yue.L.P Yue.L.P 1 70 150 130 m m 100 o 120 135 M G M G 135 M G 120 S S S S 120 S S m 100 o o 100 m S S S S S M G o R 藍(lán)田 陜西黃土地層的磁極性地層對(duì)比陜西黃土地層的磁極性地層對(duì)比 拉芨蓋 剖面 標(biāo) 準(zhǔn) 極 性柱 二道溝 剖面 R1 N 1 R2 N2 R3 N3 R4 N4 R5 N5 R6 N6

20、 3A 3A 3 斯維拉 西 杜夫 3 科奇帝 努尼瓦克 2A 吉 爾 伯 特 期 馬 莫斯 凱納 高 斯 期 松 山 期 2A 2 年代 /MB 2 3 4 5 6 N 1 R1 N 2 R 2 N3 哺乳動(dòng)物化石層位 二道溝剖面、拉芨蓋剖二道溝剖面、拉芨蓋剖 面磁極性變化與標(biāo)準(zhǔn)磁面磁極性變化與標(biāo)準(zhǔn)磁 極性柱的對(duì)比（據(jù)方小極性柱的對(duì)比（據(jù)方小 敏等，敏等，2002） 五，長(zhǎng)周期磁極性地層學(xué)和視磁極五，長(zhǎng)周期磁極性地層學(xué)和視磁極 漂移曲線(xiàn)磁極性地層學(xué)漂移曲線(xiàn)磁極性地層學(xué) 1，長(zhǎng)周期磁極性地層學(xué)，長(zhǎng)周期磁極性地層學(xué) 在快速沉積或噴出的巖石中可以記錄幾千年為在快速沉積或噴出的巖石中可以記錄幾千年為

21、 周期的地磁長(zhǎng)期變化，不同時(shí)期的長(zhǎng)期變化特周期的地磁長(zhǎng)期變化，不同時(shí)期的長(zhǎng)期變化特 征不同。征不同。 在缺乏化石的地區(qū)，利用長(zhǎng)期變化來(lái)進(jìn)行地層在缺乏化石的地區(qū)，利用長(zhǎng)期變化來(lái)進(jìn)行地層 的劃分對(duì)比具有重要的意義。的劃分對(duì)比具有重要的意義。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9 2 0 2 1 2 2 傾 角 （）+偏 角 層序 英國(guó)斯凱島上斯托爾與基朗兩地新近紀(jì)熔巖層位對(duì)比英國(guó)斯凱島上斯托爾與基朗兩地新近紀(jì)熔巖層位對(duì)比 （據(jù)（據(jù)Tarling ,1978） 2，視磁極漂移曲線(xiàn)磁極性地層學(xué)，視磁極漂移曲線(xiàn)磁極性地層學(xué) 同一時(shí)代磁化的巖層都具有相同的古磁極位置。同一時(shí)代磁化的巖層都具有相同的古磁極位置。 任何時(shí)代巖層的剩磁矢量均可用于計(jì)算它們形成任何時(shí)代巖層的剩磁矢量均可用于計(jì)算它們形成 的古地磁位置。的古地磁位置。 但由于地球表面的不同地區(qū)（或不同板塊）正在但由于地球表面的不同地區(qū)（或不同板塊）正在 相互運(yùn)動(dòng)，所以盡管地理軸基本上是固定的，而相互運(yùn)動(dòng)，所以盡管地理軸基