古地磁法

古地磁法

1. 基本原理

古地磁年代法(paleomagnetic chronology)是利用地球的磁性断定地层年代的方法。这种方法不是直接测得岩石的年龄，而是通过测量岩石天然剩余磁性的极性正反方向变化，与标准古地磁极性年表对比，间接获得岩石年龄的方法。因此，不能称古地磁测年，所获得的年龄只能称对比年龄。

图 14-1 地球地磁要素A—地理极、地磁极及地理轨道、地磁赤道(据袁学诚等，1991); B—地磁场要素(据岳乐平等，1996)

图 14-1 地球地磁要素A—地理极、地磁极及地理轨道、地磁赤道(据袁学诚等，1991); B—地磁场要素(据岳乐平等，1996)

地球是一均匀磁化球体，其磁场相当于放在地心的一个磁偶极子的磁场。磁偶极子的磁轴与地轴的交角为 11. 5°(图 14-1，A)。磁轴的延长线与地面相交于两点，分别称地磁北极(N 极，正极)和地磁南极(S 极，负极)。地壳中的岩石(磁性矿物)都受这个地磁场的影响而被磁化，磁化方向与当时地磁场方向一致，这样就把当时地磁场的特征记录下来了。现今只要我们利用岩石把当时的地磁场要素测量出来，就可恢复当时的地磁场特征。岩浆岩、沉积岩和变质岩中的磁性矿物都可以被磁化，但所有的磁性矿物只有低于居里点时(一般为 500 ～650℃)才能显示出磁性，而高于居里点时，磁性矿物都失去磁性。在岩浆冷凝结晶过程中，当岩浆温度降低到居里点时，岩浆中的一些磁性矿物就获得磁性，并受当时地磁场的影响而被磁化，当岩浆完全冷凝结晶成岩浆岩时，被磁化的矿物的排列方向就被固定下来，记录下当时地磁场的特征。沉积岩记录地磁场是在沉积过程中完成的，一些细小的磁性矿物在水介质中可以自由转动，当它们沉积到水介质底部时，受当时地磁场影响而定向排列(磁化)，后被沉积物覆压而被固定下来，这就记录了当时地磁场的特征。

地球上任何一点的总磁场强度(T)是一个矢量(图 14-1，B)，它可以分解为磁偏角(D)、磁倾角(I)、水平磁场强度(H)、东向水平磁场强度(Y)、北向水平磁场强度(X)和垂直磁场强度(Z)7 个变量，其中只要知道 X、Y、Z 或 H、D、Y 3 个矢量便可求出另外 3个。从标本中测得了天然剩余磁场要素，便获得了古地磁的基本资料。地磁要素(磁倾角、磁偏角)和磁极位置都随时间而变化。磁极位置的变化时间长而不显著，如距今两千多万年来(中新世以来)的火山岩剩磁的磁极位置总是绕地理极变化，中国第四纪以来的磁极位置都集中在北纬 80° ～90°范围内绕地轴游移。而地磁极性方向变化周期则为 0. 01 ～1Ma，所以极性变化更适合于第四纪沉积物年龄测量。古地磁极性的正反方向交替变化是古地磁历史的基本特征。正极性(正向磁化)是指岩石剩磁的极性方向与现代地球极性方向一致，其磁倾角为正值(北半球)，磁偏角接近于零。反极性(或磁极性颠倒)是指岩石剩磁的极性方向与现代地球极性方向相反，其磁倾角为负值，磁偏角接近 180°。在地球地磁极性正反变化历史中，以某种极性占优势、持续时间较长的时间单位，一般在 1Ma 左右，称为极性时(世、期); 极性时中短暂的(1 万年至十几万年)极性倒转时期，称为极性亚时(事件)。在极性时内有若干短时期极性方向变化的事件发生，反映出极性变化的大趋势与小变化之间的关系。

图 14-2 第四纪和新近纪晚期古地磁极性年表(据 A. Cox，1969 及 Cande，1992，1995等资料综合)黑色为正极性; 白色为反极性

图 14-2 第四纪和新近纪晚期古地磁极性年表(据 A. Cox，1969 及 Cande，1992，1995等资料综合)黑色为正极性; 白色为反极性

古地磁极性年表是根据一系列的地层剖面古地磁极性事件的测量，并辅助了大量的 K-Ar 法测年数据，把不同时间尺度的极性变化事件编制成地球极性时间表。古地磁极性年表具有全球性，是全球古地磁极性对比的标准。目前用于第四纪研究的极性年表是在A. Cox 等 1969 年根据陆地和大洋已有的 140 多个数据拟订的 5MaB. P. 以来的地磁极性时间表基础上，再经许多研究者补充修正完成的一个第四纪古地磁极性年表(图 14-2)。

2. 应用条件和取样要求

由于古地磁学方法是通过与标准的古地磁极性年表对比而获得被研究地质体年龄的，而整个地球历史都具有磁场，因此该方法不受时间的限制，可以用于整个第四纪时期的年龄研究。虽然该方法不受时间的限制，但在实际应用过程中，还受很多条件的制约:①研究的第四纪地层要沉积连续，没有沉积间断，如果存在沉积间断可能会丢失极性事件，使对比结果出现错误; ②地层剖面要比较厚，太薄不宜进行古地磁年代学研究; ③剖面的沉积物粒度要比较细，以粘土、粉砂质粘土、粘土质粉砂最优，砾石和砂不利于该方法的使用; ④第四纪沉积地层未受到后期岩脉侵入的影响; ⑤通常需要其他测年方法的辅助。

古地磁取样要求比较严格。首先是在新鲜的地层剖面上取样，取样工具不能具有磁性，铁制工具禁用，通常用铜制工具或塑料制品; 其次是必须取定向样品，所取样品必须在样品盒上标明地层的产状和向上、向北的方向，如果在钻孔岩心中取样，则标明向上的方向即可，不可颠倒; 第三，每一取样层中同一高度取两个样，以测试备用; 第四，通常用 2cm ×2cm ×2cm 塑料盒取样，也有用圆柱状取样盒的，这取决于测试的仪器; 第五，在第四系松散层中取样，先清理出一个台面，在台面上划出正北和正东方向，然后将样品盒扣在层面上(盒子上的直线对准正北，小圆孔置于东侧)轻轻按下，取出样品; 第六，取样层垂直间距不大于 1m(或酌情放宽)，并在垂向上等间距连续取样。

样品送有关实验室用磁力仪或超导磁力仪测算出磁倾角(I)、磁偏角(D)等。根据前两项测算资料，尤其是利用反映明显的磁倾角制成极性柱，然后与标准极性年表对比可间接推断沉积物年龄; 若剖面上找到少量哺乳动物化石或有一些其他年代学数据，则效果更好。古地磁学方法在黄土、湖沼沉积物、大陆架和平原钻孔岩心研究中被广泛应用。

古地磁方法在应用过程中，将测试得到的古地磁极性柱与标准古地磁极性年表的对比是一个难点，常出现不同的学者对同一个古地磁极性柱对比的结果不同。因此，在古地磁极性柱对比过程中，对比点的确定是关键。在第四纪古地磁研究中，古地磁极性柱有两种情形: 一是获得的古地磁极性柱的结束时间为现今，如在大洋、现今湖泊中的沉积剖面属于这种情况，对这类的古地磁极性柱对比相对比较简单，如果所测试的剖面沉积连续，样品的密度也比较大，不存在极性事件的丢失，那么可以把现今(极性柱的顶)确定为对比点，可以逆时间与标准古地磁极性年表的极性事件依次对比; 另一种情况就比较复杂了，所获得的古地磁极性柱是不完整的，只有某个时段的古地磁极性柱，没有延续到现今，缺失上部的古地磁记录，如早更新世、中更新世地层的古地磁极性柱，这类的古地磁极性柱的对比很复杂，最为关键的问题是要根据化石、测年数据、古地磁极性柱的总体特征等确定对比点，然后才能向上(向年代新大方向)或向下(向年代老的方向)依次与标准古地磁极性年表对比(图 14-3)。

图 14-3 云南元谋盆地古地磁极性柱的对比(据程捷，2000)

图 14-3 云南元谋盆地古地磁极性柱的对比(据程捷，2000)