磁性地层学是什么?关于磁性地层学的详细介绍

创闻科学2020-11-17 12:21:59

磁性地层学(magnetostratigraphy)也称古地磁地层学,是以地史期形成的地层为主要研究素材,以地层的磁性特征为主要研究任务的地层学分支学科。根据研究周期长短和磁性特征的不同,磁性地层学分为长期变化磁性地层学、极性磁性地层学、磁化率磁性地层学、古强度磁性地层学和岩石磁性地层学等子学科。现今广义的磁性地层学不仅仅只以岩石和沉积物的磁性特征作为研究对象,而是以磁极性地层学为主,辅以岩石地层学和生物地层学等学科的资料进行地层的对比与划分。狭义的磁性地层学特指磁极性地层学,其主要依据岩石和沉积物中载磁矿物所记录的非周期性极性倒转信息对地层进行对比和划分。

概述

岩石中记录天然剩磁(Natural Remanent Magnetization,简称NRM)的种类和成因的破解是磁极性地层学研究的关键点。天然剩磁可根据其形成环境分为热剩磁、沉积剩磁、化学剩磁、等温剩磁和粘滞剩磁等。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。与现在地磁场方向一致的极性为正向,方向相反的为反向,在整个地史中把正向和反向按先后顺序排列起来,即成地磁极性年表。从第四纪前推到新近纪后期(最近450万年间)的地磁场倒转表,按顺序已划出4个极性时:布容正向极性时、松山反向极性时、高斯正向极性时、吉尔伯特反向极性时。

研究原理

从地磁场起源的自激发电机理论推知,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。

岩石中记录天然剩磁(Natural Remanent Magnetization,简称NRM)的种类和成因的破解是磁极性地层学研究的关键点。天然剩磁可根据其形成环境分为热剩磁、沉积剩磁、化学剩磁、等温剩磁和粘滞剩磁等。火成岩是由高温的岩浆在冷却后形成的,岩浆中含有的少量载磁矿物冷却至其居里点或者奈尔温度点之下时,受当时古地磁场的磁化作用而定向排列,进而获得强度较大的热剩磁(Thermal Remanent Magnetization,简称TRM)。母岩或者沉积物在形成后,受到地球外力的主要影响破碎或分解为碎屑物,碎屑物中含有的磁性矿物小颗粒在水中下沉或下沉后处于岩石的含水小空隙中时,受到当时地球磁场的磁化作用而定向排列,锁定剩于磁化强度于沉积岩或者沉积物中,便形成了沉积剩磁(Depositional Remanent Magnetization,简称DRM)。处于自然状态下的磁性矿物,因地质和地理环境的变化而发生化学变化,造成其化学成分的改变,新形成的磁性矿物受当时地球磁场的磁化作用也可以定向排列而获得化学剩磁(Chemical Remanent Magnetization,简称CRM)。当磁性颗粒处于强磁场中时,比如:打雷闪电,一些矫顽力小的磁性颗粒的排列方向可转向强磁场的方向并与其平行排列,这时便会产生一种新的剩磁,称其为等温剩磁(Isothermal Remanent Magnetization,简称IRM)。磁性小颗粒在特定温度(如室温)条件下受稳定磁场作用获得的剩磁称之为粘滞剩磁(Viscous Remanent Magnetization,简称VRM)。此外,天然剩磁还包括压力剩磁等。

天然剩磁可分为原生剩磁(也称自然剩磁)和次生剩磁,原生剩磁特指岩石和沉积物在形成时期,包含于其中、可以如实地反映其形成时期地磁场信息的铁磁性矿物所记录的剩磁。次生剩磁包括了岩石和沉积物在形成之后叠加于其上的各种各样的剩磁组分。根据热剩磁和沉积剩磁的形成机理可知其属于原生剩磁,而化学剩磁是由地质环境的化学特征所决定的,可贯穿于岩石和沉积物形成的任何时期。因此,化学剩磁可以是原生剩磁,也可以成为次生剩磁。在自然状态下,粘滞剩磁和等温剩磁均为岩石形成后期的产物,毫无疑问为次生剩磁。

自然剩磁可靠方向的获取是磁性地层学研究的关键,而沉积岩中自然剩磁的主要携带者沉积剩磁在形成后往往会受到后期次生剩磁信号的干扰。因此,有效清洗掉不稳定的次生剩磁是磁性地层学研究的基本工作。磁清洗可以实现的基本前提是:原生剩磁的稳定性要大于次生剩磁。不同的剩磁组分具有不同的驰豫时间、矫顽力和解阻温度,科学家以此为依据,灵活地设计磁清洗方案,以实现对低稳定性次生剩磁组分的退磁。古地磁实验室普遍用到的退磁方法有交变退磁和热退磁。交变退磁能够实现的原理是:磁性驰豫时间越短的次生剩磁组分其剩磁矫顽力往往亦越小。交变退磁实验的操作方法:在零磁实验环境中施加一个交变的磁场于研究样品,矫顽力小于交变退磁场的磁性小颗粒的磁矩在此时会周期性的变动,直到交变磁场的峰值衰减到载磁矿物的矫顽力时,稳定程度小的磁性颗粒将会被锁定于两个相反的方向,造成剩磁的净贡献为零,实现退磁。热退磁是依据磁性驰豫较短的次生剩磁组分同样也具有相对较低的阻挡温度,实验的操作方法是在零磁场和隔氧环境中对古地磁样品分梯度加热,当样品加热至磁性颗粒的解阻温度时,其驰豫时间急剧缩短,在数百秒内将会重新随机的排列,此时低稳定性的次生剩磁小颗粒产生的净磁矩为零,进而实现退磁。另外,还有化学退磁和压力退磁等方式。

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。

地磁极性年表

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。1963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1~10万年、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(subchron)。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。

磁性地层单位

  确立磁性地层极性单位,是磁性地层工作的基本内容。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:①具有整体单一的极性方向的地层;②具有正向与负向交替变化的地层;③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。

磁性地层学根据《国际地层指南》要求,确立一套极性单位必须提供如下的资料:①提议的名称及其定义;②极性单位的种类和级别;③历史背景;④层型及其他参考标准;⑤极性单位在典型地点的描述与分布范围;⑥区域概貌;⑦与其他一些单位对比;⑧地质年龄;⑨根据钻孔资料所要确立的极性单位特征;⑩必要的参考文献。

地质时期中已公认的极性超时(或超带),按其时间由晚到早的顺序共有:KTQ-M,白垩纪-第三纪-第四纪混合极性超时(或超带);K-N,白垩纪正向极性超时(或超带);JK-M,侏罗纪-白垩纪混合极性超时(或超带);PTr-M二叠纪-三叠纪混合极性超时(或超带);CP-R,石炭纪-二叠纪负向极性超时(或超带);C-M,石炭纪混合极性超时(或超带)。