張 雷，羅 俊，郭懷軍，鄒 寧

(西北大學地質學系/大陸動力學國家重點實驗室，陜西 西安 710069)

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塔里木盆地化石層磁組構特征與古水流方向分析

張 雷，羅 俊，郭懷軍，鄒 寧

(西北大學地質學系/大陸動力學國家重點實驗室，陜西 西安 710069)

為探究微觀磁組構特征與宏觀沉積構造、長形生物化石特點等指標在恢復古水流向問題上的關聯(lián)性，對塔里木盆地塔南地區(qū)的257塊古地磁定向樣品進行了磁組構特征研究。發(fā)現(xiàn)全剖面樣品的磁化率最大軸赤平投影為南北方向，由于旱地沖積扇水動力較強，導致流水動力方向與磁化率最大軸方向垂直，指示古水流方向為東西向；而化石層圍巖樣品的磁化率主軸主要集中在90°方向，鑒于化石集中埋藏地區(qū)水動力急劇轉弱，磁化率最大軸方向與古流向一致，這與長形骨骼展布方位的統(tǒng)計結果70°～115°相吻合，均顯示自東向西，微觀磁組構與宏觀長形骨骼展布所指示的方向相一致。證實了在宏觀條件不可見時，對沉積物進行大樣品數(shù)量的磁組構分析可以便捷地承擔該地區(qū)的沉積動力學辨識工作，并為進一步拓展化石埋藏學統(tǒng)計研究提供了可靠的依據(jù)和手段。

塔里木盆地；磁組構特征；古水流；磁性顆粒；沉積動力

沉積動力方向的確定對于判定物源方向、指示沉積環(huán)境演變以及揭示礦床和儲層展布等有重要的意義。野外工作中常利用各種宏觀沉積構造指標如斷層和褶皺發(fā)育、地層傾伏方向、粒序層理(礫石和長形生物化石等的定向排列等指示沉積動力方向。除此之外，沉積巖自身的磁化率各向異性(Anisotropy of Magnetic Susceptibility, 簡稱AMS)也記錄了相關的信息，并在恢復古流向的應用中取得重大進展[1,2,3]。磁化率各向異性反映了巖石中磁性礦物顆粒的磁化率在各個方向上的差異，可以用一個三維二階的張量橢球體來進行表征[4]，并用Kmax、Kint、Kmin分別表示磁化率的最長軸、中間軸與最小軸，作為描述巖石磁組構的基本要素。

1 采樣與測試

塔里木盆地，塔里木盆地位于中國西北部的新疆，中國面積最大的內陸盆地。盆地處于天山和昆侖山、阿爾金山之間。東西長1 500 km，南北寬約600 km，面積達53萬 km2，海拔高度在800～1 300 m之間，地勢西高東低，盆地的中部是著名的塔克拉瑪干沙漠，邊緣為山麓、戈壁和綠洲(沖積平原)(圖1)。

本文所討論的化石層位于塔里木南緣，呈透鏡狀產(chǎn)出，出露面積約為8 m2左右，圍巖巖性為灰白色粉砂巖夾灰黃色細砂巖并含有少量泥礫。該化石層位所含化石主要是雷獸的股骨、脛骨等長形骨骼，保存比較完好，并有著良好的定向排布性，同時也含有小中型柱狀的腕骨以及細小的化石殘片，長骨(20 cm以上)約占整個化石層位的60%左右(圖2a)?？梢娫搶游粚俜N較為單一，并且是經(jīng)過搬運后再被密集埋藏的。一般認為，長形生物化石在弱流水動力作用下展布方向平行于古流向，且不規(guī)則骨骼其形狀較大的一端指向水流上游[5,6]。測量和統(tǒng)計長形骨骼的傾向和傾角并繪制成極點圖與頻率玫瑰圖(圖2b)，發(fā)現(xiàn)這些長骨化石傾角一般在10°～25°左右(基本50%的數(shù)據(jù)顯示)以70°～115°為展布優(yōu)勢方位，平均方向為97°，并且不規(guī)則長骨較大的一端多指向東。據(jù)此可以推斷出古水流大致方向為自東向西。

圖1 研究區(qū)地理位置

2 結果與分析

通過長形骨骼化石的展布得到古水流方向之后還需要運用磁組構的方法對其進行驗證與對比研究。因此，在野外對化石層圍巖以及塔南整體剖面均進行了定向手標本采樣。其中對化石層圍巖各個方向采集50塊手標本，以求能夠測量化石層周圍各個方向的圍巖磁組構對古水流向的響應(圖3)，最后在實驗室加工成定向測試樣品102塊；對塔里木南緣大致以30 cm的間距共采集手標本122塊，在實驗室加工成測試樣品257塊。全部樣品的AMS測試均在西北大學大陸動力學國家重點實驗室運用捷克AGICO公司生產(chǎn)的Kappabridge磁化率儀( KLY-4S，工作頻率875 Hz，測試精度2×10-8SI)進行測試。

3 磁組構特征

磁組構的本質是巖石內部的磁性礦物顆粒在外力(如重力、擠壓應力、水流等)作用下發(fā)生的重結晶、變形或定向排列，可以反映磁性顆粒的演化、宏觀受力狀況等地質過程[4,6,7,8]。描述磁組構的基本要素是磁化率各向異性橢球體的長軸(Kmax)、中間軸(Kint)和短軸(Kmin)的磁化率大小[4,9]，此外常用的參數(shù)還有磁線理(L)、磁面理(F)以及各向異性度(P)等[10]。

磁面理反映沉積顆粒呈面狀分布的程度，磁線理反映沉積顆粒呈線狀排列的程度。近年來的研究認為沉積巖在形成過程中其磁性礦物顆粒的排布受重力影響最大，所以磁面理較磁線理發(fā)育，磁化率張量橢球以壓扁狀為主[11,12,13,14]；而在構造活動強烈的地區(qū)，受到擠壓應力的影響，磁線理會更為發(fā)育。通過化石層與全剖面的F-L圖(圖3)可以看出兩者都是磁面理較磁線理發(fā)育，因此可以推斷出該剖面古近紀以來沒有強烈的應力作用，很可能保持了初始磁化率各向異性，即流水動力是影響磁化率最大軸方位的最主要因素。

圖2 長形骨骼化石集群埋藏及展布位

圖3 磁組構磁線理—磁面理圖

紅色圓點為磁化率最大軸，綠色三角為磁化率最小軸,黑色箭頭表示古流向；(a),(b),(c)分別為化石層圍巖赤平投影圖、最大軸等勢線圖與頻率玫瑰圖、最小軸等勢線圖；(d),(e),(f)分別為全剖面赤平投影圖、最大軸等勢線圖與頻率玫瑰圖、最小軸等勢線圖

圖4 化石層與全剖面赤平投影與等勢線圖

當沉積面較平，水流速平穩(wěn)時，磁化率最大主軸的偏角方位(方位角)(D-Kmax)與沉積動力方向平行，而流速很快或顆粒較小時，D-Kmax可能與水流方向垂直[15,16]，而Kmin的疊瓦方向指示河流的下游方向[17]。通過特征值法分析并結合圖4可知，化石層圍巖磁化率長軸張量平均方位為109°，最小軸平均方位為294°，等勢線圖與玫瑰圖顯示長軸和最小軸的高密度峰值分別位于94°與274°，暗示了沉積動力來源的主要方向為E或SEE，又因為在骨骼化石大量沉積層位可以判斷出古水流速較緩，即磁化率各向異性長軸方向與沉積動力方向相同，因此通過磁組構方法測得的化石層周圍的古流向應為從E或SEE流向W或NWW；塔南總體剖面的磁化率各向異性長軸平均方位為6°與175°，等勢線圖也顯示了Kmax的高密度峰值出現(xiàn)在南北兩端。塔南剖面坡度較緩，巖性主要為泥巖與粉砂巖，但其處于河流上游，水動力較強且顆粒粒度較小，因此古水流方向應與kmax方向垂直。Kmin軸的張量平均方位為286°，等勢線圖的頻率峰值為277°，指示河流下游方向為西，即古流向為自東向西。

4 結語

借助于統(tǒng)計分析(圖5)，確定化石層圍巖與全剖面的大多數(shù)樣品(分別為85.4%和83.3%)的Kmax的統(tǒng)計信度位于95%置信橢圓內，磁組構方法所得到的古流向結果顯示出化石層區(qū)域的古流向與整體剖面的古流向基本一致。之所以張量分析所統(tǒng)計出的平均方向與等勢線圖所反映出的頻率峰值方向有所不同，是因為平均張量采用了幾何平均的算法，而等勢線圖則是運用算術平均的方法統(tǒng)計樣品方向的頻率大小。兩種統(tǒng)計方法的計算結果差異不是很大，都可以用來恢復沉積動力方向[17,18]。

(a)化石層圍巖磁線理統(tǒng)計信度 (b)全剖面線理統(tǒng)計信度

化石層長形骨骼化石的集中展布方向為70°～115°(圖2)，古流向整體為自東向西，這與化石層圍巖的磁組構結果(Kmax平均方位為109°)基本一致。此外，在化石層圍巖赤平投影與等勢線圖中還可以發(fā)現(xiàn)在平均方向為150°、184°以及252°處都有較低的高密度值分布，這也與少部分展布方向為255°～280°及160°～180°長形化石的統(tǒng)計頻次相吻合。這一方面說明了磁化率最大軸對動力方向的敏感性及磁組構方法的精確性，另一方面也說明了微觀磁組構與宏觀古流向指示標志是相互關聯(lián)的并具有很好的一致性。該化石層位于剖面上部，剖面在這里坡度變低，水深與流速驟減，極有可能是以漫流沉積為主的扇緣沉積亞相。旱地扇常只發(fā)育一個主體的辮狀河道，河道寬而淺，流向復雜，這就解釋了長形骨骼化石與沉積磁組構在指示古流向時會顯示出一個主流向和其他幾個副流向的原因。

塔南整體剖面的磁組構赤平投影圖比較復雜，原因是整體剖面所含的組分比較多。剖面上部為沖積扇相，磁化率最大軸方位集中在90°附近，古流向為自西向東，因此在剖面的中部和下部，磁化率最大軸投影在南北方位最為集中。之所以出現(xiàn)對稱雙峰的投影，一方面是因為此時的磁組構數(shù)據(jù)包含了剖面所有的樣本，反映的是剖面河道整體的變遷情況，并非是局部的古流向。塔南地層中含有大量的硅化木化石，分布范圍極廣，而硅化木是典型的河床亞相指相化石，據(jù)此可以推斷出塔南剖面中下部沉積相為河床亞相，并且河道遷移較為頻繁。在采樣過程中，常見呈透鏡狀的細砂巖嵌于周圍的紅色泥質粉砂巖之中,這也是河道多次往復遷移的證據(jù)；另一方面，河道的延展方向為東西向，落差相對較大，所以出現(xiàn)磁化率最大軸集中在南北方位的原因可能是水動力條件較強造成的沉積顆粒翻滾。

除長形骨骼化石定向排布以外，磁組構與交錯層理、礫石定向排布等宏觀方法所指示的古水流向也顯示一致。在青海門源盆地大通河支流一級階地發(fā)現(xiàn)一處同時具有板狀交錯層理和疊瓦狀礫石排布的剖面。經(jīng)過統(tǒng)計，交錯層理的前積紋層傾向平均為130°，礫石疊瓦面的產(chǎn)狀約為120°∠13°，據(jù)此判斷河流上游方向為SEE。而在AMS赤平投影中，磁化率最大軸Kmax高密度值為NNE和SSW雙峰，且傾角均值達到23°；磁化率最小軸Kmin傾角很小，平均僅為64°，且其偏角的平均方向為294°，這說明了河流上游水流速度很快，形成的交錯層理使沉積面變得起伏，磁顆粒發(fā)生滾動，使得Kmax軸與流水方向垂直，此時Kmax不能準確的指示古流向。而Kmin軸傾伏位的去向能夠穩(wěn)定的指示河流下游方向，因此可以判斷河流是自SEE流向NWW的，與交錯層理和礫石定向排布所指示的流向相吻合，說明了微觀磁組構與宏觀標志指示沉積動力來源方向具有一致性，而磁組構具有可進行大規(guī)模采樣分析的優(yōu)點，隨采集樣品增多，數(shù)據(jù)誤差減小，統(tǒng)計方向精度提高。

磁化率最大軸與最小軸的方位分布均對沉積動力來源方向具有良好的敏感性，磁組構與宏觀沉積構造在指示沉積動力方向上存在一致性，在塔南剖面及化石層、大通河谷以及涇河階地均得到了驗證。磁組構方法不受地形地貌限制，分辨率高，并且能夠量化搬運介質的運動過程，是辨析沉積動力方向及恢復古地貌行之有效的微觀指標。但在對磁組構進行分析的同時，還要明確動力強弱造成的磁化率最大軸統(tǒng)計方向的變化。磁化率各向異性最大軸統(tǒng)計方向依據(jù)動力強弱存在(1)與動力方向垂直的雙峰雙向分布特征和(2)與動力方向來源一致的單峰單向分布特征。而磁化率各向異性最小軸統(tǒng)計方向則大多具有可判斷動力前進方向的單峰單向特點。

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2017-02-15

張雷(1990-)，男，遼寧朝陽人，在讀碩士研究生，主攻方向：固體地球物理學。

P539.3

B

1004-1184(2017)02-0228-03