古地磁講課2-構造磁學

5古地磁技術與構造磁學

Appliedintectonics

一、古地磁樣品的采集與定向二、退磁技術與數(shù)據(jù)分析三、穩(wěn)定性檢驗(數(shù)據(jù)的可靠性)與數(shù)據(jù)統(tǒng)計四、古地磁在大地構造和古地理重建中的應用幾個概念的回顧地磁場在地表有規(guī)律分布地磁要素剩磁、鐵磁性巖石的天然剩余磁性熱剩磁（TRM）、化學剩磁（CRM）、碎屑剩磁（DRM）、等溫剩磁（IRM）等地磁場在地表有規(guī)律分布從地表觀測地磁場地磁要素剩磁Mr鐵磁性Ferromagnetism具有原子磁矩，原子磁矩之間有相互作用，原子磁矩與外場和熱能有相互作用

一般地說:上述四種通稱為鐵磁性嚴格地說:Ferromagnetism才是鐵磁性，地球上無Ferromagnetism

在古地磁(甚至磁學領域)人們認為的一些重要鐵磁性礦物，實際上主要是Ferrimagnetism（亞鐵磁性）CantedantiferromagnetismImperfect

bcd

none剩磁的熱行為：當溫度增加時，晶格會擴展，交換作用會變弱；高于每種晶體類型的特定溫度（居里溫度Curietemperature，Tc），相互作用的電子自旋行為會完全消失，物質就變成順磁性了。溫度

剩磁冷卻加熱Tc巖石的天然剩余磁性鐵磁性礦物（如磁鐵礦、鈦磁鐵礦、赤鐵礦等）具有一種重要的物理特性——磁滯現(xiàn)象，因此具有鐵磁性礦物的巖石，在遭受磁化后其磁化強度不僅與外磁場和溫度有關，還與它們磁狀態(tài)的全部歷史有關。把巖石在天然狀態(tài)下獲得的磁矢量，叫做巖石的天然剩余磁性，通常以NRM表示。一般來說，NRM不只包含一種成分，除巖石生成時的原生剩磁外，還有次生剩磁，次生剩磁可以掩蓋或改變原始剩磁。天然巖石剩磁NRM=原始NRM+次生NRM

物質中的剩余磁性類型天然剩磁（NRM）：巖石、沉積物和土壤等天然物質通過某些天然作用獲得的剩磁，特點是剩磁較弱但很穩(wěn)定，在強度上為各種類型的剩余磁化強度的總和熱剩磁（TRM）磁性礦物在天然磁場中從居里點以上的溫度冷卻下來獲得的剩余磁化強度化學剩磁（CRM）磁性礦物在居里溫度以下發(fā)生化學變化，當磁性顆粒生長到臨界體積（超順磁單疇與穩(wěn)定單疇的界線）時外磁場就被固定在該顆粒，從而獲得的剩余磁化強度碎屑剩磁（DRM）碎屑磁性顆粒（已獲得熱剩磁或化學剩磁）在介質中沉降時使自己的凈磁矩沿外場方向排列產生的剩余磁化強度弱場常溫或實驗室條件獲得的剩磁粘滯剩磁（VRM）樣品在新的外場作用下獲得的剩磁，與時間密切相關等溫剩磁（IRM）樣品在特定溫度（如室溫）條件下受穩(wěn)定磁場作用獲得的剩磁，剩磁的大小依賴于所加穩(wěn)定磁場強度非磁滯剩磁（ARM）在弱恒定磁場存在的情況下，使樣品經受強的并平衡地降低到零的各類交變磁場作用獲得的剩余磁化強度熱剩磁（TRM）

磁性礦物在天然磁場中從居里點以上的溫度冷卻下來獲得的剩余磁化強度。巖漿巖在形成過程中，從高溫的巖漿逐漸地冷卻。在尚未完全結晶之前，其中的鐵磁性礦物組分當溫度冷卻到接近于它們的居里點(一般是在700－500℃)或再低時，因為受到當?shù)禺敃r地磁場的作用而平行于地磁場的方向被磁化，直至礦物繼續(xù)冷卻到通常的溫度，礦物仍在繼續(xù)磁化并保留著當時所獲得的磁性。這種磁化過程叫熱剩余磁化，按照此種方式產生的天然剩余磁性叫熱剩磁。當外磁場較弱時，熱剩磁的方向不僅與外場平行，而且它的大小與場強成正比。

地磁場中，巖石樣品如果在低于居里溫度條件下冷卻時，從溫度t1冷卻到t2

過程中得到的熱剩磁就稱為部分熱剩磁（PTRM）。若巖石在磁場中經過各個溫度區(qū)間冷卻，則在各個溫度區(qū)間所獲得的熱剩余磁性彼此無關，這稱為部分熱剩余磁性定律。PTRM的總和等于從居里點冷卻到室溫過程中所獲得的總的熱剩余磁性TRM（即TRM＝∑PTRM）。然而，剩余磁性最大變化發(fā)生在接近于居里點的溫度區(qū)域，這個開始突變的溫度點叫阻擋溫度。在阻擋溫度以下，熱剩余磁性自發(fā)衰減的弛豫時間很快地增加。熱剩磁的強度較大而且較穩(wěn)定，在溫度變化的情況下，如果對鐵磁性物質也引用磁化率這個概念的話，那么磁化率是隨溫度而變化的，不是一個常數(shù)。當溫度接近居里點時，磁化率急劇下降到零。如果巖石含有多種鐵磁性物質，那么巖石就有多個居里點。磁性馳豫—Magneticrelaxation超順磁—Superparamagnetism阻擋溫度—Blockingtemperature

Mt=M0e–t/τ

τ=feE1/E2=fexp(vHcJs/2kT)化學剩磁（CRM）

磁性礦物在居里溫度以下發(fā)生化學變化，當磁性顆粒生長到臨界體積（超順磁單疇與穩(wěn)定單疇的界線）時外磁場就被固定在該顆粒，從而獲得的剩余磁化強度。一些沉積巖含有化學作用形成的鐵質礦物，它們在巖石中有些呈氧化鐵膠結物，有的以薄膜形式包在非鐵磁性碎屑顆粒的外圍，還有的以氧化鐵的微小塵埃形式雜亂散布。在沉積形成過程中，它們均按照地磁場的方向磁化，這種磁化產生的剩余磁性就是化學剩磁。潮熱氣候條件下生成的陸相紅色巖層和含赤鐵礦的石灰?guī)r及紅色泥灰?guī)r，都是化學剩磁的重要巖石類型。其強度和穩(wěn)定性都可同熱剩磁相比。

碎屑剩磁（DRM）

碎屑磁性顆粒（已獲得熱剩磁或化學剩磁）在介質中沉降時使自己的凈磁矩沿外場方向排列產生的剩余磁化強度。母巖碎屑中具有磁鐵礦和赤鐵礦等鐵磁性礦物，它們經風化作用而變成極微小的碎屑質點，在成巖作用過程中，受當時當?shù)氐卮艌龅淖饔?，這些磁性顆粒便平行于地磁場的方向作定向排列而沉積下來，這種磁化叫碎屑磁化。按照碎屑磁化方式，在成巖、石化階段后保存下來的這種天然剩余磁性就叫做碎屑剩磁。

等溫剩磁（IRM）

樣品在特定溫度（如室溫）條件下受穩(wěn)定磁場作用獲得的剩磁，剩磁的大小依賴于所加穩(wěn)定磁場強度。在遠低于居里點的恒定溫度下，巖石受到較強外磁場的磁化而獲得的剩磁，等溫剩磁與熱剩磁相比，強度較強，穩(wěn)定性較差。在自然界中，無論是沉積巖還是巖漿巖，都能夠附帶地獲得等溫剩磁。它是在正常溫度條件下經受到地磁場的長期作用而產生的剩磁。

粘滯剩磁（VRM）

樣品在新的外場作用下獲得的剩磁，與時間密切相關。在常溫下，弱的外磁場中，在幾百萬年的時間內，由于巖石中磁性礦物的磁疇受到規(guī)則的熱攪動而產生的剩磁。粘滯剩磁同等溫剩磁相比，較強也較穩(wěn)定。非磁滯剩磁（ARM）

巖石同時受到交變磁場和恒定磁場的作用，當交變場逐漸減少到零時所獲得的剩磁。壓剩磁（PRM）

巖石在受到外磁場作用的同時又受到機械應力的作用而獲得的剩磁。（壓電石英？）一、古地磁樣品的采集與定向研究目的不同，采樣方法和要求也不同采樣間隔地磁場非偶極子長期變化~105年構造磁學－古地磁數(shù)據(jù)覆蓋時間間隔需不小于105年(Time-averagedpaleomagneticfield)采樣點樣品標本采樣工具－汽油鉆、電鉆等汽油鉆電鉆老將出馬古地磁采樣特種兵小分隊就在羊圈里安營扎寨吧，這里避風！昨夜下了場雪2007年的第一場雪？這才八月，顯然下得早了些。駐地唯一的水源下了場雪，山還是那山，井還是那井……準備早餐午餐:吃個冷饅頭也幸福！陷車了，怎么辦？第二天又陷車了，怎么辦？一挖二推三加油，使勁唄！勝利的喜悅鉆樣壓水取樣記錄采樣要求：年齡，巖性，分布，新鮮，穩(wěn)定性檢驗通常表面風化可引起：磁鐵礦－赤鐵礦/鐵的氫氧化物，導致由磁鐵礦攜帶的NRM遭到破壞、形成次生CRM地形高點－Lighting-IRMThesamplesmustbeorientedbeforetheyareremoved.樣品的定向FromTauxeFromTauxeFromTauxe手標本采樣方法Iflargelocalmagneticanomalies,asuncompassorientationisrequiredFromTauxe定向器－－定向精度：~0.5o反傾向方位角傾角1（頂面水平時D=0O）傾角2（頂面水平時D=90O）二、退磁技術與數(shù)據(jù)分析Rocksbecomemagnetizedinavarietyofways.Bothigneousandsedimentaryrockscanbeaffectedbychemicalchange,therebyacquiringasecondarymagnetization.為什么要退磁處理？熱退磁技術

磁性馳豫—MagneticrelaxationMt=M0e-t/ττ=feE1/E2=fevHcJs/2kTNRM18oC75oC100150250350400500550650600670updownEThermaldemagnetization

熱退磁低溫分量和高溫分量（Kirschvink主分量分析法）低溫分量和高溫分量（Kirschvink主分量分析法）交變AF退磁技術Hc<=HAFAF退磁——兩分量磁場(mT)TwocomponentsThreecomponents單個樣品實驗數(shù)據(jù)分析如何從一系列實驗數(shù)據(jù)獲得“原生剩磁”(實際是ChR)？ChRKirschvink,J.L.(1980),‘Theleast-squareslineandplaneandtheanalysisofpaleomagneticdata’,Geophys.Jour.Roy.Astron.Soc.62,699–718.主向量分析三、穩(wěn)定性檢驗(數(shù)據(jù)的可靠性)與數(shù)據(jù)統(tǒng)計褶皺檢驗(foldtestorbedding-tilttest)100%unfolding50%unfolding礫石檢驗(conglomeratetest)倒轉檢驗(reversaltest)烘烤檢驗(bakedcontacttest)侵入巖剩磁方向圍巖剩磁方向1－Foldtest，bakedcontacttest

通過了這兩種檢驗，僅說明是在褶皺或火成巖侵入之前獲得的剩磁，而并不能說明ChRM就是Primary剩磁；但沒有通過這兩種檢驗，則說明ChRM肯定不是Primary剩磁！2－Reversaltest

通過了倒轉檢驗，說明剩磁記錄了某一地質歷史時期不同地磁極性的信息。沒有通過倒轉檢驗，則說明正、反極性至少有一ChRM為Seconday剩磁。whereistheanglebetweentheunitvectorandthetruedirectionandisaprecisionparameter

Fisher分布(Fisher,1953)——球面上的正態(tài)分布

獲得有地質意義的平均磁化方向：一組參加統(tǒng)計的剩磁矢量在單位球體上具有Fisher分布數(shù)據(jù)的統(tǒng)計與檢驗RNComputingameandirection

Fisher分布數(shù)據(jù)的統(tǒng)計與檢驗Dispersionestimatesk——precisonparameter平均方向與真方向的夾角影響古地磁數(shù)據(jù)準確度的主要因素

1.儀器精度等

2.樣品定向

3.地層產狀的測量

4.退磁是否完全

5.剩磁獲得過程的不確定性

6.是否消除了地磁場長期變化

7.是否受到雷擊的影響一致性檢驗方向的比較：N:I=51.7D=345.2a95=5.4R:I=-51.0,D=163.0,a95=3.6,Devi.=2一致性檢驗隨機性檢驗：N=7,R=1.52,Rc=4.1895%一致性檢驗精度參數(shù)的比較：N=5,kb=5.17,ka=21.51,ka/kb=4.16F[2(N-1),2(N-1)]=3.4495%如何從實驗數(shù)據(jù)計算

PaleomagneticPole?參考Butler書121-122頁如何從實驗數(shù)據(jù)計算PaleomagneticPole

如果己知樣品產地的緯度和經度平均磁偏角D，磁傾角I，那么虛地磁極(VGP)的位置即地理緯度和經度由下列方程組決定：方向到古地磁極的轉換

如何判斷古地磁極是否可靠？

1地層年代－誤差15Myr2至少6個采樣點、每個采樣點至少6塊獨立定向標本，每個采樣點的95小于10度(新生代)或15度(中生代)3必須有退磁處理的數(shù)據(jù)

4必須通過褶皺或倒轉檢驗

5選擇穩(wěn)定地塊的古地磁極

6相近時代正負極性必須共扼

7古地磁極與現(xiàn)今地磁極不重合古地磁基本假設——軸向地心偶極子磁場tanI=2tan地磁極－Geomagneticpole79oN,289oEVGP－spotrecordingPaleomagneticPole－Time-averagedpaleomagneticfield一系列古地磁極構成視極移曲線Time-averagedpaleomagneticfield：

我們還無法確定消除地磁場長期變和非偶極子所需的時間段，但可以肯定在400年－5Ma之間幾個基本概念4－古地磁在大地構造和古地理重建中的應用早古生代早期（寒武－奧陶紀）華北與揚子等中國主要地塊均位于南半球中低緯度地區(qū)，且均與東岡瓦納大陸相毗鄰或屬于其一部分.寒武紀華北與揚子為兩個相互獨立的塊體，運動以平移為主，旋轉運動為輔.NCB和YZB顯生宙以來古緯度和磁偏角變化NCB和TRM顯生宙以來古緯度和磁偏角變化YZB和TRM顯生宙以來古緯度和磁偏角變化揚子與華北塊體在印支期的對接過程是先東后西的閉合模式，東部的對接發(fā)生在晚二疊世，西部閉合時代為晚三疊世.西部對接－東部應力釋放－俯沖陸殼部分折返侏羅-白堊紀蒙古－鄂霍次克海通過由西向東的逆時針旋轉封閉印支期中央造山帶的碰撞是由華北和揚子地塊通過由東向西剪刀式順時針旋轉封閉實現(xiàn)的早三疊世中國東部地塊陸內旋轉模型示意圖青藏高原及鄰區(qū)大地構造簡圖Topographicmap

withatectoniccrosssectionfromIndiatoGobidesert

青藏高原大地構造演化示意圖玉門部分樣品的巖石磁學實驗Magneticmineralogicalstudiesanddemagnetizationcurves.a:isothermalremanentmagnetization;b:magnetichysteresiscurves,c:thermomagneticexperiments.d:orthogonalvectorplots(thermaldemagnetizations).

玉門部分樣品的退磁實驗玉門樣品的剩磁平均方向統(tǒng)計及褶皺檢驗Equal-areastereographicplotofsite-meandirectionsbefore(a)andafter(b)beddingcorrectionswiththeir95%confidencecircle.TheSouthandNorthChina(plusMongolia)blocksandtheSiberianCratonhavenotundergoneverysignificantinternaldeformationsincetheCretaceous,andhavenotbeenverysignificantlymodifiedbytheIndia-Asiacollision.N-SmotionbetweenTibetandSiberiaasoccuringintheQilianShan,whichhasclearlybeen,forthelast20Maofthecollision,thenorthernmargininwhichanincreasingfractionoftheIndia-Asiacollisionisbeingabsorbed.示例：鄂爾多斯塊體的旋轉（吳漢寧等，1992）古地磁研究表明，鄂爾多斯盆地白堊紀以來有22度的順時針旋轉；相對剛性的塊體的旋轉，致使鄂爾多斯塊體周邊產生一系列的拉張盆地：例如北邊的銀川盆地，河套盆地；南邊的汾渭盆地等——盆地成因；在擠壓區(qū)形成山體抬升：如六盤山；二級構造單元間的調整產生走滑斷層（如離石斷裂）。NNN’NN’限制邊界的情況不限制邊界的情況拉張區(qū)擠壓區(qū)擠壓區(qū)走滑斷層走滑斷層:例如離石斷裂剛性塊體的旋轉在周邊產生的作用從盆地看青藏高原演化1－元謀盆地開始沉積的時代是4.9Ma2－元謀盆地從4.9-1.4Ma發(fā)生了12度的順時針旋轉，這一旋轉與紅河、鮮水河－小江斷裂的走滑運動相關古地理重建晚前寒武，隨著1100Ma形成的Rodinia超大陸解體，全球進入“IceHouse”主要參考文獻KerrRA,SCIENCE287:(5459),1734-1736,2000.KerrRA,SCIENCE288:(5470),1316,2000.JenkinsGS,SCIENCE288:(5468),975-976,2000.VincentWFetal.,SCIENCE287:(5462),2421,2000.RunnegarB,NATURE405:(6785),403-404,2000.HydeWTetal.,NATURE405:(6785),425-429,2000.寒武紀，生物大爆炸，岡瓦納大陸（neartheSouthPole）形成奧陶紀，古生代大洋將Laurentia,Baltica,Siberia和Gondwana分隔.

奧陶紀末可能是地球歷史中最寒冷的時期，這時，岡瓦納大陸大部均被冰層所覆蓋！勞倫古陸與Baltica碰撞，古太平洋北支封閉消亡；

珊瑚礁擴散，陸地植物開始在大陸上生長！泥盆紀，早古生代大洋消亡，形成了pre-Pangea，淡水魚從南半球遷移到北美和歐洲隨著古生代大洋的消亡，古歐美和岡瓦納開始碰撞，形成了Appalachian造山帶北美和歐洲大陸與南岡瓦納大陸碰撞，形成了西Pangea二疊紀，西Pangea出現(xiàn)大面積的沙漠，爬行動物南北相互遷移；

99%生命在大滅絕事件中消失，標志古生代的結束Pangea超大陸的形成，使得陸地動物可以在南北極間遷移，在二疊－三疊生物大滅絕后生命重新開始向多樣性發(fā)展；暖水動物在Tethys發(fā)育南亞、中亞形成，一個寬闊的Tethys將南北大陸分隔，盡管Pangea還是完好的，但已經可以聽到大陸解體的隆隆腳步聲！

Pangea大陸開始解體，中大西洋重新將北美和非洲分開，同時東西岡瓦納開始分離到晚白堊，南大西洋張開，印度開始與Madagascar分離，向歐亞大陸運動由于遠離冰期和人