地层学作业

地层学基础与前沿读书报告——磁性地层学原理及应用

磁性地层学原理及相关应用

摘要：磁性地层学是通过岩石的磁性学特征来进行地层划分和对比的地层学分支学科其基础是岩石的剩余磁化强度和磁化率的特征及变化。本次读书报告主要内容是对磁性地层学的基本理论的认识，以及作为其中两个分支的磁化率地层学和磁极性地层学的理解和应用举例。地层剖面中磁化率的垂直分布能反映古气候或地质事件的垂直变化，可以精确划分与对比地层；磁性地层学具有全球性、同时性和控时性三大优势。

关键词：磁性地层学、磁化率地层学、磁极性地层学

磁性地层学是地层学中的一个分支，它是通过演示的磁性学特征来进行地层划分和对比的。其基础是岩石的剩余磁化强度和磁化率的特征及变化。前者主要基于地球磁场的极性倒转以及长期变化的性质，后者是根据气候异常或火山运动以及外星撞击等的区域性磁化率异常。磁性地层学一般可以分为三类：1、以磁化率变化为依据的磁化率地层学。2、以周期为105—107a的极性带为依据的磁极性地层学。3、以102—104a为周期的地磁场长期变化为依据的长期变化磁性地层学。

一、磁性地层学的基本原理及任务

首先是地球磁场的描述，即磁场强度T。矢量T，具有大小和方向，它在地球表面的不同地点是不相同的。所以用T的各个分量来进行描述。以

地面观测点O为原点，取直角坐标系，X轴沿地理子午线

的方向（即正北方向），Y轴沿纬度圈的方向（即正东方向），

Z轴为垂直方向，以向下为正。T在水平面XOY上的投影称

水平分量H。T所在的垂直平面HOZ为磁子午面，磁子午

面与X轴的夹角D就是磁偏角，东偏为正，0~360 O顺时针

计算。T与水平面的夹角为I称磁倾角，T指向下，I为正，

反之为负。以左（图1）所示，磁偏角D，磁倾角I，水平

分量H以及X、Y、Z分量，统称为地磁要素。在地磁学中

还有一个重要的概念是剩磁，而我们研究岩石在天然状态

下获得的这种剩磁叫天然剩余磁化强度，其主要有热剩磁、

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。图1 地磁要素

磁性地层学的任务就是通过其磁性学的特征（其本质为地磁要素），来为地质作用、地质过程和地质产物建立时间坐标，并且为地层的对比划分、古环境的演化、全球性质的重大地质事件对比等服务。

二、磁化率地层学

2.1磁化率地层学的原理

磁化率地层学以磁化率变化为依据的磁性地层学。其原理是岩石磁化率与古环境变化、地质事件、沉积物物源及颗粒大小有重要的联系，而地质事件在的垂向变化在一定横向范围

内是相同的，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。其主要应用是根据磁化率的变化特征进行地层的精确划分、对比以及恢复古气候以及指示古环境的变迁。

2.2磁化率地层学在地层划分上的应用

磁化率地层学应用最好的是第四纪地层，特别是黄土—古土壤层。因为气候条件的不同在黄土、古土壤中会产生明显不同的磁化率，所以可以利用两者的磁化率曲线来科学的辨别黄土层和古土壤层，即使是一些表面上不易辨别的弱古土壤层。而黄土成壤作用的强弱是造成黄土剖面磁化率值高低的主要原因。古黄土壤由粘化层、淋滤层和淀积层组成。古土壤层为黄土堆积间断时期的风化成土层，因此其磁化率相对黄土层较高。在黄土磁化率地层划分的时候，就是将磁化率第的一段黄土层作为一级黄土层（L1），将相对磁化率高的古土壤层作为一级古土壤层（S1），二级单位划分如上。以黄土剖面磁化率地层划分与单位命名（岳乐平等）为例，将该段地层划分为三个等级。

图2黄土剖面磁化率地层划分与单位命名

（据岳乐平等，1996）S：古土壤层，L：黄土

2.3磁化率地层学在地层对比及指示古环境意义上的应用

以长江中下游地区镇江大港黄土剖面为例。盖剖面由于黄土层多已发生不同程度的弱成土作用，使古土壤层与母质黄土层之间呈过渡关系，野外分序划界较为困难。根据剖面和钻孔样品的沉积结构、沉积特征、颜色和磁化率特征等可将该剖面自上而下分为8个古土壤层：S0~S7，7个黄土层：L1~L7，以及现代土壤和残积层等17个层次。所以可划分古土壤层（S0~S6）与下伏黄土层（L1~L7）构成一个地质单元，磁化率曲线如下图2。我们可以观察到磁化率曲线中的每一个旋回中,波峰段对应着古土壤层，波谷段对应着黄土层。在同一个旋回中，古土壤与下伏黄土之间磁化率值的变化为渐变关系，而在相邻的旋回之间，即黄土与下伏古土壤层之间呈突变关系。黄土层L1和L2中局部或全部磁化率值较偏高，表示成土作用较强。然而各个相对应的厚度不一致，其主要原因是受东亚古季风强度的变化以及不同剖面周围地形的控制和影响。大港剖面磁化率曲线的波动旋回很好地对应了黄土-古土壤风尘堆积序列，记录着该区约0.7MaB.P.以来7次大的气候冷暖振荡，而同期的北方洛川剖面也存在着7次气候旋回，皖南宣城向阳剖面磁化率曲线研究则表明约0.8MaB.P.以来存在8次大的气候旋

图3大港剖面磁化率曲线与深海同位素曲线、洛川、宣城、李家岗、老虎山等剖面的比较

回。以上反映了长江中下游地区下蜀黄土剖面与北方的黄土-古土壤序列剖面具有一致性，两个地区中更新世以来可能经历了基本同步的气候冷暖变迁。在大港地层剖面中，其中S1的S1a、S1b、S1c与深海氧同位素第五阶段的5a、5c、5e相对应。另外长江中下游地区各剖面磁化率曲线旋回振荡的幅度比北方黄土区明显要小(图3)，反映出长江中下游地区气候冷暖旋回变化的幅度要比北方黄土区小得多。

三、磁极性地层学

3.1磁极性地层学的原理

磁极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，且变化极为频繁的现象，它与现今的地磁场极性方向相同，称为正向的极性（用N表示）；与现今的地磁场相反时，称为反向（用R表示）。但是在一定的地质时间里，地球磁场的极性是一定的。磁极性地层学三个重要的特征：a.全球性，是指地磁场倒转事件具有全球分布的特征；B.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；C.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。由于以上性质，磁极性地层学在磁性地层学中的应用最为广泛。但是由于其无法实现更为精细时间尺度的对比，因此常常需要长期变化磁性地层学以及磁化率地层学的相辅助。

3.2磁极性地层学研究的一般过程以及注意点

其一般过程分为采样、进行相关古地磁实验和实验结果的分析。在采集过程中，要注意保证原生新鲜沉积物的出露，且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。若要取得可靠地结果须确定剖面自沉积形成以来是否受到过明显的物理干扰。所以应根据具体情况是否采取岩石磁学方法检验沉积稳定性。若磁化率椭球是压扁装，则表明沉积物是具有正常的沉积组构，保持了原生沉积形态，具备了磁性地层学的基本条件。