《第四紀地質(zhì)學》緒論_第1頁
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文檔簡介

1、第四紀地質(zhì)學緒論第一頁,共73頁。第二頁,共73頁。緒論課程的性質(zhì)與任務課程的內(nèi)容課程學科發(fā)展概況課程的意義第三頁,共73頁。課程的性質(zhì)與任務1.第四紀地質(zhì)學(Quaternary Geology)是研究距今二三百萬年內(nèi)第四紀的沉積物、生物、氣候、地層、構(gòu)造運動和地殼發(fā)展歷史規(guī)律的學科。第四頁,共73頁。二課程的內(nèi)容1.第四紀研究的基本知識2.第四紀地球自然環(huán)境第五頁,共73頁。三課程學科發(fā)展概況1本課程國內(nèi)發(fā)展的主要歷史沿革2 本課程校內(nèi)發(fā)展的主要歷史沿革 第六頁,共73頁。劉東生:1917年11月24日生。天津市人。1942年西南聯(lián)合大學地質(zhì)系畢業(yè)。1949年南京大學生物系肄業(yè)(原中央大學

2、)。 中國科學院的地質(zhì)專家劉東生院士于2002年4月獲得世界環(huán)境科學最高榮譽、“環(huán)境科學的諾貝爾獎”泰勒獎。頒獎機構(gòu)發(fā)布的消息說,劉院士此殊榮是因為“在認識和應用陸地沉積物來理解全球環(huán)境變化方面作出了開創(chuàng)性的貢獻”。 第七頁,共73頁。 歲上下,探索的足跡仍遍布南極、北極和青藏高原等“地球三極”;年潛心研究,被譽為“黃土之父”;平息多年來的黃土成因之爭,建立了萬年來最完整的陸相古氣候記錄; 一輩子與黃土打交道,研究數(shù)百萬年前的古環(huán)境,是不是離今天太過遙遠?“其實,劉東生的研究成果一直同自然環(huán)境、人類生活息息相關(guān)。古環(huán)境的溫度、濕度、水文、植被等演變過程和周期規(guī)律,對認識今天以及未來環(huán)境和氣候具

3、有重要意義?!敝袊茖W院地質(zhì)與地球物理研究所所長丁仲禮研究員說,“比如,近年來我國沙塵暴頻繁發(fā)生,除了人為破壞地面植被等原因,是否與自然界周期性干旱氣候演變有關(guān)?這需要大跨度的自然歷史演變及其規(guī)律作為研究背景?!钡诎隧摚?3頁。四課程的意義1.理論意義 2.實際意義 第九頁,共73頁。(1)地震預報 (5)找 礦(2)環(huán)境地質(zhì) (6)地質(zhì)災害(3)工程地質(zhì) (7)建筑材料(4)水文地質(zhì)第十頁,共73頁。第十一頁,共73頁。地震能否預報?每次大地震后,地震預報成為公眾關(guān)注的焦點。但1997年美國Science雜志發(fā)表著名科學家(加州大學地球物理學教授、南加州地震中心科研部主任等)論文,斷言:“

4、地震根本無法預測”。應該打消可能會在幾小時、幾天或幾個月之前預測到地震的希望,從事這方面的研究也是“一件毫無希望的工作”??茖W家可以提供在一段長時間內(nèi)發(fā)生地震可能性的估計,供有關(guān)部門進行長期準備,如建造防震住宅、公路等。第十二頁,共73頁。今后30年最重要的十大科研課題 日本文部科學省最近公布的“技術(shù)預測調(diào)查”第一條 數(shù)日前預測是否發(fā)生里氏7級以上大地震的技術(shù) 引自:2001年8月3日北京出版的晨報第2版第十三頁,共73頁。1966年邢臺地震(級)后,李四光力排眾議,提出加強布署地震臺站監(jiān)測地殼內(nèi)部地應力分布狀態(tài),積極開展預報。1975年2月人類歷史上罕見地成功預報了7.3級的海城地震,事先9

5、h組織居民撤離,盡管90%建筑物毀壞或嚴重受損,但無人員傷亡。1999年11月29日12時10分,遼寧海城市和岫巖縣發(fā)生5.6級地震,中午前數(shù)小時通知居民疏散,無人員傷亡。是又一次成功的短臨預報。第十四頁,共73頁。資源開發(fā)利用 發(fā)達國家為了環(huán)保,紛紛封閉礦井(煤 、鉛鋅等),停采國內(nèi)石油(美國)大量依靠進口(日本)。 中國作為最大的發(fā)展中國家當前面臨的嚴重能源和水資源問題,富鐵、銅、錳、鉻、貴金屬及磷、鉀鹽等礦產(chǎn)儲量嚴重不足。不能完全依靠進口。第十五頁,共73頁。中國化石能源潛力石油-估計潛力 900億噸,現(xiàn)已發(fā)現(xiàn) 200億噸。那里去 找整裝大油田?需要有基礎理論研究的重大突破! 先有陸相生

6、油理論,才能在1959年發(fā)現(xiàn)大慶油田。天然氣-是清潔、高熱能、低成本的城市環(huán)保能源。20世紀末伊克昭盟蘇里格( 儲量6000億m3)和新疆拜城克拉蘇特大型油氣田( 儲量2000億m3)的發(fā)現(xiàn),對于西部大開發(fā)決策進程起了重要作用。海底水化甲烷-一個很有前景的待開發(fā)研究領(lǐng)域。第十六頁,共73頁。 這種物質(zhì)沉睡于世界各地的海底, 推測儲藏量是已知天然氣、石油和煤炭蘊藏量的2-3倍。 南海海底已發(fā)現(xiàn)巨大的可燃冰帶,能源總量估計相當于中國石油總量的一半。 北大西洋著名的百慕大魔鬼三角區(qū)可能就是一個處于臨界狀態(tài)的可燃冰分布區(qū)。第十七頁,共73頁??缡兰o的南水北調(diào)工程東線、中線(丹江口北京)2010年前完成

7、,投資2000億元。西線(通天河黃河上游)2050年前完成, 3000億元。第十八頁,共73頁。第十九頁,共73頁。災害頻發(fā) 中國是世界上自然災害最嚴重的少數(shù)國家之一。 自然災害損失年均值:36% GNP(高于發(fā)達國家?guī)资? 平均每年: 旱災面積3.9億畝,水災面積1.6億畝 九十年代以來: 氣象、地震、旱澇、海洋、地質(zhì)、農(nóng)業(yè)和林業(yè)等七大自然災害日趨嚴重。第二十頁,共73頁。第二十一頁,共73頁。第四紀年代學一物理年代學方法二放射性同位素年代法三其他方法第二十二頁,共73頁。一物理年代學方法 概念:利用礦物巖石的物理性質(zhì)(如熱、電、磁性等)測定沉積物的年齡的方法。 種類:古地磁法、熱釋光(T

8、L)、光釋光(OSL)、電子自旋共振(ESR)、裂變徑跡法等。第二十三頁,共73頁。1 古地磁學方法概念:古地磁學方法是利用巖石天然剩余磁性的極性正反方向變化,與標準極性年表對比,間接測量巖石年齡的方法。第二十四頁,共73頁。實質(zhì):相對年代學和絕對年代學方法的結(jié)合運用古地磁數(shù)據(jù)建立極性時(世、期)和極性亞時(事件)的相對順序,再運用同位素(主要是KAr法)測定他們各自的年代,繼而建立統(tǒng)一的磁性年表。第二十五頁,共73頁。(1)基本原理A 過去地質(zhì)歷史時期與現(xiàn)代一樣,地球是一個地心軸偶極子磁場。B 含有鐵磁性礦物的巖石,在形成過程中受到地磁場的作用而被磁化,磁化方向與當時的磁場方向一致。 a.沉

9、積巖:沉積剩余磁性。 b.火成巖:居里點之下,稱為熱剩磁。居里點溫度一般在500650(表) C 不同時期磁場是變化的,因此保存在沉積物中的磁場特征也是變化的:變化包括磁極移動(106109年)和磁場倒轉(zhuǎn)(103-107)。第二十六頁,共73頁。載有剩磁的天然礦物的居里溫度礦物 組成 居里溫度()磁鐵礦Fe3O4 585赤鐵礦 Fe2O3 675磁赤鐵礦 Fe2O3 740磁黃鐵礦 Fe7O8 300 鐵 Fe 780 鎂鐵礦 MgFe2O4 440錳尖晶石 Mn Fe2O4 310針鐵礦 FeOOH 120鈦尖晶石 Fe2TiO4 -153 纖鐵礦 FeOOH -196鈦鐵礦 FeTiO3

10、-218第二十七頁,共73頁。 正極性:指巖石剩磁的極性方向與現(xiàn)代地球極性方 向相同,其磁傾角為正值,磁偏角接近0度。 反極性:是指巖石剩磁的極性方向與現(xiàn)代地球極性方向相反,其磁傾角為負值,磁偏角接近180度。 極性時(世、期):指以某種極性占優(yōu)勢、持續(xù)時間較長的時間單位,一般在100萬年左右。 極性亞時(事件):極性時中短暫的(1萬年-十幾萬年)極性倒轉(zhuǎn)時期。第二十八頁,共73頁。(2)古地磁極性年表(A.Cox) 古地磁極性年表是根據(jù)一系列主要用K-Ar法測定年齡的不同時間尺度的極性變化事件編制的地磁極性時間表。 目前用于第四紀研究的極性年表是A.Cox 等1969年根據(jù)陸地和大洋已有的1

11、40多個數(shù) 據(jù)擬定的5MaB.P.以來的地磁極性時間表, 后經(jīng)許多研究者補充修正,綜合成表。第二十九頁,共73頁。用于第四紀的古地磁極性年表 據(jù)A.Cox,1 9 6 9等資料綜合 黑色為正極性;白色為反極性第三十頁,共73頁。 (3)測年范圍及應用條件無時間限制,整個第四紀都可以。剖面沉積連續(xù)、厚度巨大的細粒沉積層。 (4) 應用情況方法成熟,廣泛應用。 第三十一頁,共73頁。巖石必須含有鐵磁性物質(zhì),但后期巖脈穿插的巖石樣品不行。取定向標本:產(chǎn)狀要素法、自然方位法采樣間距及大?。洪g距1m,大小2cm*2cm*2cm。 (5) 采樣要求第三十二頁,共73頁。古地磁方法綜述綜上所述,一些巖石中固

12、有的這種剩余磁性是揭示過去地球磁場歷史的信息,類似于化石一樣地能保存到現(xiàn)在。我們通過分析巖石中的天然剩余磁性,可以了解巖石形成時的地磁極性。通過其它同位素測年確定每次地磁場變化的年代,建立古地磁極性年表,以此為標準,將研究區(qū)巖石磁性的變化與之對比,從而可以確沉積物的年代。古地磁法的不足之處在于:退磁困難;難以判斷不同層位相同極性所屬時代.第三十三頁,共73頁。古地磁對比圖河北平原肅寧縣東官亭村厚達500m的第四紀沉積物的古地磁極性變化(據(jù)李素珍,1976)1.亞砂土;2.亞粘土;3.砂層;4正向極性;5.反向極性;6.正向傾角;7. 反向傾角第三十四頁,共73頁。2 熱釋光(TL)、光釋光(O

13、SL)、電子自旋共振(ESR)法這是基本原理相似而測試對象及方法不同的3種年代學方法。基本原理:三種方法不同之處在于:TD是通過不同的激活手段(加熱、光照、加磁場)使其釋放出來的。TDIDADt=第三十五頁,共73頁。(1)熱釋光(Thermoluminescence)A.基本原理非金屬絕緣礦物 發(fā)光 (釋放儲 存的輻射能量)發(fā)光強度吸收的輻射能量時間(t)發(fā)光強度時間(t)熱發(fā)光現(xiàn)象可分為二個階段:貯集階段、發(fā)光階段(圖)計算公式加熱至紅外溫度A=PD第三十六頁,共73頁。第三十七頁,共73頁。B.基本假設條件a、所測樣品經(jīng)歷了一次徹底的“零化”(熱)事件,重新啟動時間鐘。b、被測樣品具有足

14、夠高的熱穩(wěn)定性.c、樣品經(jīng)過“零化”事件后,必須埋藏在鈾、釷和鉀封閉體系或動態(tài)平衡環(huán)境中,輻射計量率為常數(shù)。第三十八頁,共73頁。C 測量對象及測年范圍a.對象受熱樣品:古陶片、古磚瓦、古窯壁、烤過的燧石石器、方解石脈、斷層泥等。充分暴露的樣品:黃土、沙漠砂、沙丘砂、海岸沙丘砂。b.測年范圍 決定于樣品的環(huán)境計量率和被測礦物。 一般在1.0Ma以內(nèi)。當環(huán)境計量率為1Gy/Ka時,石英可測1K 年-10萬年或50萬年;鉀長石可測2K 年-50萬年。 不同樣品的熱發(fā)光年齡的計時起點不同:年齡值是最后一次光照曬后埋藏之日起至測量之日所經(jīng)歷的時間。第三十九頁,共73頁。D.取樣注意事項a. 注意避光:

15、開挖新鮮露頭,樣品要及時用黑布或不透光的容器包裝,避免陽光照射。b. 采集埋藏穩(wěn)定、巖性均一的細粒部分的樣品,對于陶瓷樣品同時采取周圍的土樣,保證得出準確的環(huán)境劑量。C. 少樣品水分的丟失,含水狀態(tài)對計算環(huán)境劑量率有影響。d.斷層樣品的采?。鹤钚乱淮位顒拥臄鄬幽?,并同時取斷層兩盤的的圍巖樣,供校準環(huán)境劑量。e.樣品量:除陶瓷樣品外,其它樣品需200-250克。第四十頁,共73頁。(2)光釋光(OSL)法光釋光法(Optically Stimulated Luminescence)是1985年由D.J Huntley等提出和建立的一種新的第四紀沉積物年齡測定方法。它是在熱釋光基礎上建立起來的,近

16、年來獲得迅猛發(fā)展。不少專家認為,光釋光法進一步發(fā)展可能成為一種可與14C法媲美的第四紀測年方法。我國是1990年由中科院地質(zhì)所盧演儔開始做工作,1994年建立實驗室。第四十一頁,共73頁。光釋光法與熱釋光法不同之處在于: 被測礦物由于輻射儲存的電離輻射能是通過不同波段的光波激發(fā)釋放的。 利用不同的光源可獲得不同碎屑礦物的OSL信號,可進行單礦物測年。 不存在困擾沉積物TL測年的殘留TL水平問題。因為OSL信號只與光敏陷電子有關(guān)。 可用于曾在搬運、沉積過程中短暫暴露于日光下的沉積物年齡的測定。 取樣時必須絕對避光,用黑雨傘或黑布避光取樣。(2) 光 釋 光 法 (OSL)第四十二頁,共73頁。(

17、)電子自旋共振(ESR)法原理 順磁中心非金屬絕緣礦物 游離電子 雜質(zhì)心 躍移 ESR累積信號 () Si-O鍵斷裂 自由電子中心ESR累積信號吸收的輻射能量時間(t)ESR累積信號時間(t)t=應用條件與熱發(fā)光法相同,但樣品可以重復利用。輻射磁場TD-IDAD第四十三頁,共73頁。第四十四頁,共73頁。()電子自旋共振(ESR)法測試對象沉積和淀積形成的樣品:碳酸鹽類、磷酸巖類(牙齒、動物骨頭)、硫酸鹽類、硅酸鹽類樣品。受熱樣品:火山物質(zhì)、古代人們燒烤過的材料。受壓力作用的樣品:斷層活動影響的樣品。經(jīng)過太陽照射的樣品:測年范圍視不同樣品和環(huán)境劑量率大小而定,一般可以測距今幾百年到幾百萬年時間

18、段的年齡。第四十五頁,共73頁。()電子自旋共振(ESR)法樣品的采集量A.石筍、石膏、鈣華等樣品及牙齒、動物骨頭等生物化石:克。B. 含石英顆粒(松散沉積物)樣品的采集量視待測樣品中石英含量而定,一般需要克。第四十六頁,共73頁。裂變徑跡法(Fission Track)(1)基本原理238U 原子核碎片 絕緣礦物損傷 痕跡裂變徑跡密度tt的計算法:(公式,備注)可以利用徑跡密度和長度的變化特征,恢復樣品的受熱歷史,因此該方法廣泛應用于古地溫及構(gòu)造熱史、抬升速率方面的研究。裂變第四十七頁,共73頁。(2)測量對象磷灰石、鋯石、榍石、云母、火山玻璃、隕石等。對沉積巖來說,則為代表巖石形成以來的自

19、生礦物(磷灰石等)。(3)測年范圍:幾百年幾百萬年,尤宜用于測MaBP以來的樣品。 裂變徑跡法(Fission Track)第四十八頁,共73頁。(4)取樣注意事項巖石新鮮礦物結(jié)晶程度高,不含或少含雜質(zhì)。樣品量確保足以遴選出幾十個或更多的測試礦物顆粒,要求選單礦物顆,送巖石樣品一般需Kg。 裂變徑跡法(Fission Track)第四十九頁,共73頁。二放射性同位素年代法基本原理利用礦物和巖石中含有微量放射性同位素的自行衰變計算年齡的一大類方法。計算公式: N=N0e t= ln D=N0(1-et) 分類:按照放射性同位素來源不同,可分為3類:1、宇宙成因同位素法(14C法)、2、非宇宙成因

20、同位素法:K-Ar法、U系法3、人工核放射性沉降法。-t1N0 N第五十頁,共73頁。1 14C法(1)基本原理放射性碳的形成與衰變(圖)14C的半衰期: 5730a(或5568a)14C的衰變常數(shù): 1.2 10-4 a計算公式: I=I0e-t t=log(I/I0)18.5 103 (a)第五十一頁,共73頁。基本假設條件a.近幾萬年來宇宙射線強度不變;b.在交換庫中14C處于動態(tài)平衡, 14C含量一定;c.樣品被埋藏后處于封閉體系, 無14C的加入, 14C按衰變規(guī)律自然減少。第五十二頁,共73頁。第五十三頁,共73頁。(2)測量對象和測量時限測量時限:可精確測定五萬年以來的含碳樣品的

21、年齡。(時限的計算)測量對象:所有含碳物質(zhì)和水。(3)取樣要求注意事項a. 不要采集受污染的樣品;避開污染源b. 不要讓樣品受污染:防止標簽和包裝袋污染樣品采集量(表)(4)對14C法的評價精度最高、用途最廣、方法最成熟的第四紀年代學方法。第五十四頁,共73頁。14C樣品采集量木炭 3090g干燥木頭 60g 和其他植物遺體干燥泥炭、古樹根 150300g草、皮、毛、蹄、鹿和其他動物的角 5002200g火燒骨 2200g貝殼 2200g對于年齡大于36000年或有特殊較高要求的樣品,樣品的采集量應為要求量的2倍。 第五十五頁,共73頁。2 K-Ar法(1)基本原理(圖)(2)基本假設條件(非

22、宇宙成因放射性同位素法都相同)放射性元素的半衰期準確知道 t=0時,無放射成因的40Ar, 即40Ar/ 36Ar為大氣比值 t時段內(nèi), K與Ar處于一個封閉體系。(3)測量對象單礦物:長石、云母、角閃石、海綠石(含鉀礦物)全巖類:玄武巖、輝綠巖、粗面巖等(4)測年范圍:10萬年10億年(Q3以前)第五十六頁,共73頁。(5)取樣要求 樣品有一定的地質(zhì)意義;有良好的保護環(huán)境,樣品無蝕變;粘土樣品應選取細粒部分(2u或1u),并作X光衍射和電子顯微鏡分析,判斷是否1MD伊利石。5 0.5-2 1第五十八頁,共73頁。3 鈾系法(鈾系不平 衡法)(1)基本原理238U、235 U、232Th 非平

23、衡狀態(tài) 平衡狀態(tài)衰變過程服從 N=N0e-t , t=ln 放射性積累:t=0時:231Pa.230Th=0,238U有一定的含量 t時段內(nèi): 238U衰變引起231Pa.230Th積累 230Th/234U、 231Pa/235U比值的變化放射性衰減: t=0時:234U、230U、230Th、231Pa過剩, t時段內(nèi):上述同位素作為母核衰變 234U/238U、 226Ra/230Th、230Th/232Th、231Pa/230Th比值的變化。因此有兩種方法:中間產(chǎn)物積累法、中間產(chǎn)物衰減法。同位素分餾效應物理、化學、生物作用衰變t1N0N第五十九頁,共73頁。3 鈾系法(鈾系不平衡法)(2)假設條件: 母體和子體的半衰期應準確知道(表)。 在時間為零的初始點,系統(tǒng)中用于測年的子體同位素放射性為零或可忽略不計或已知。 系統(tǒng)一旦形成,必須封閉,即不再獲得或丟失子、母體核素,只有這樣,系統(tǒng)的放射性平衡才能回復。第六十頁,共73頁。3 鈾系法(鈾系不平衡法)230Th-234U法(釷-鈾法)利用沉積物中母核238U放射性衰變系列中234U過剩和238U及234U/238U與230Th/234U放射性不

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