(西北大學大陸動力學國家重點實驗室, 陜西 西安 710069)

運用磁化率各向異性方法來確定沉積動力方向綜述

焦晉

(西北大學大陸動力學國家重點實驗室, 陜西 西安 710069)

從磁化率各向異性特征被發(fā)現(xiàn)以來，眾多學者開始越來越多的運用這種方法來研究地質問題，特別是在構造地質學、沉積學以及第四紀環(huán)境等方面得到廣泛應用，本文集中總結闡述運用磁化率各項異性的方法來恢復沉積物沉積時的沉積動力最新研究成果、存在的爭議問題及新的研究方向，此外在研究沉積動力之前確定載磁礦物也是至關重要，確定磁性礦物的種類和粒徑是巖石磁學研究的基礎，因為不同的磁性礦物具有不同的意義的磁化率各項異性特征。

磁化率各項異性；沉積動力學；古水流；古風向；磁性礦物

環(huán)境磁學主要通過巖石磁學參數(shù)來研究磁性礦物的種類、含量以及粒度，進而研究古環(huán)境。磁化率各向異性(Anisotropy of Magnetic Susceptibility, 簡稱AMS)是指巖石中磁性礦物、顆?；蛘呔Ц竦亩ㄏ蛞约八麄兊慕M合，其物理實質是磁化強度隨方向變化的性質(許順山，1998)。磁化率在空間各個方向的大小可以用一個二階張量來描述，更加直觀的磁化率在幾何上用一個橢球體來表示(圖1)，該橢球體三個軸的大小和方向分別對應于二階張量的三個特征值和特征向量(Hrouda，1982)。沉積動力的研究對于物源方向以及沉積環(huán)境的研究具有重大意義，磁化率各向異性則是通過磁性礦物顆粒的形狀各向異性來判斷沉積動力方向。 自然界中沉積物顆粒多為不規(guī)則形狀，可以用三軸橢球(a)b)c)近似表示?？梢宰C明,沿a、b和c三軸方向的退磁系數(shù)分別為Na、Nb和Nc磁鐵礦型磁顆粒具有Nc≥Nb≥Na的關系,即沿顆粒長軸方向的退磁系數(shù)最小,沿短軸方向的退磁系數(shù)最大。人們觀測到的磁化率是視磁化率K。它與真磁化率Kin具有下列關系:

K。=Kin/(1+Ni·Kin)

其中Ni為i方向的退磁系數(shù)，同一磁性顆粒Kin為常數(shù)，由于Nc≥Nb≥Na,故有

Ka≥Kb≥Kc

即沿a、b和c方向的磁化率Ka,Kb和Kc分別為該磁顆粒磁化率橢球三主軸:長軸K1中軸K2和最小軸K3，所以

K1//a,K2//b,K3//c

這就證明磁化率三主軸可以代替形狀三主軸，通過微觀磁組構手段來研究沉積動力。眾多學者現(xiàn)在多集中于運用磁化率各向異性來恢復黃土高原沉積時的古風向以及沉積動力的古水流方向。

圖1 扁狀(a)和棒狀(b)兩種形態(tài)磁化率張量三維形態(tài)

2 區(qū)域地質背景

渭河盆地位于秦嶺造山帶的北部，是中朝板塊的構造斷陷。在新生代接受印度板塊的向北擠壓作用(Sun,2005)燕山運動后期，區(qū)域內的構造運動由擠壓轉為伸展運動，再加之華山-秦嶺斷裂運動的影響形成了現(xiàn)今渭河盆地最南端的界線。前人研究發(fā)現(xiàn)渭河盆地古近紀以來主要是內陸河湖相沉積。渭河盆地地層由老至新一次為紅河組、白鹿原組、冷水溝組、寇家村組、灞河組、藍田組以及黃土-古土壤，其中灞河組為河湖相沉積，藍田組為風塵沉積。我們分別在這兩個組進行磁組構樣品采樣，以間隔0.3 m的標準采樣，并在實驗室加工成邊長為2 cm的手標本。通過人工開挖出新鮮的采集面，采用指北定向方法采樣。理論上按照10 cm間距采集樣品，但實際采集樣品過程中部分地段(特別是剖面下部)因含砂礫石層或松散堆積層未能采集到樣品。在采樣面頂部標記出指北方向，然后再取出樣品包裝以防止樣品破壞，最后將采集到的樣品在室內用鋸條加工成2 cm×2 cm×2 cm的立方體。最終在灞河組加工得到樣品270塊，藍田組得到253塊(見圖2)。

圖2 研究區(qū)位置及采樣點

3 磁性礦物種類

磁性是物質的一個重要屬性，研究磁性礦物的種類是巖石磁學和環(huán)境磁學的基礎具有重要的意義。常見的辨別磁性礦物種類的方法主要有K-T曲線、J-T曲線、IRM曲線、三軸等溫剩磁、低溫分析、Day圖和磁滯回線的測量。由于古地磁學研究的樣品都是由多種磁性礦物組合而成，單憑單一的測量方法不能準確的測出磁性礦物的種類，因此在實際研究中要結合多種方法綜合運用。王斌等(2014)對渭河盆地進行每個0.2 m的間隔進行古地磁樣品采樣，并對其進行系統(tǒng)的退磁實驗，以50℃的間隔溫度退磁至600℃，以20℃間隔退至690℃(圖3)。在退磁試驗中發(fā)現(xiàn)當溫度加熱到580℃以后，剩磁組份將呈現(xiàn)穩(wěn)定的變化，該溫度點為磁鐵礦的居里溫度點，顯示該樣品中含有較多的磁鐵礦，當溫度持續(xù)升高至690℃還有部分組份發(fā)生變化，該溫度點是赤鐵礦的居里溫度點，顯示樣品中含有部分高矯頑力的赤鐵礦。由此可以看出渭河盆地古近紀地層中的磁性礦物種類主要是以磁鐵礦為主，部分含有赤鐵礦。

圖3 渭河盆地代表性樣品退磁結果(實心圓代表水平投影，空心圓代表垂直投影，據(jù)王斌等，2014)

4 磁化率各向異性

Ising et al(1942)第一次在發(fā)現(xiàn)了磁化率各項異性的特征，磁化率各向異性(AMS)技術從上個世紀八十年代開始應用于黃土-古土壤序列中，用來確定沉積古動力方向以及沉積過程中的應力分析。Heller et al(1987)第一次對洛川剖面的黃土進行了細化率各項異性的測量，發(fā)現(xiàn)黃土的磁組構有均一的分布，Liu et al(1988)進一步研究方向磁性礦物能夠來計算風成堆積物的后期的流水作用,Tarling and Hrouda(1993)重新研究了風力和古水流對磁性礦物排布和AMS方向的影響，指出AMS分布方向主要依賴于風力和古水流方向，換句話說就是沉積動力主要造成了磁化率各向異性特征。扁球狀的磁性礦物表明重力是主導沉積動力，線狀的磁性礦物平行于沉積物運輸方向。Grannar(1958)研究發(fā)現(xiàn)板狀磁性礦物沉積時受到風力和水流時其磁化率最小軸的疊瓦方向指示沉積動力前進方向，如果水流或者風力作用較強會使得磁性礦物發(fā)生翻轉，結果導致扁長磁性礦物的分布與沉積動力方向垂直。Lagroix and Banerjee(2000)對磁化率橢球體張量的研究中指出磁性礦物顆粒在沉積過程中會隨著古水流的方向而進行調整，而在成巖過程中磁顆粒會在磁組構中記錄下受力的方向,此外在黃土-古土壤中磁鐵礦和赤鐵礦的磁化率是其他磁性礦物的四倍，因此磁化率各向異性主要記錄磁鐵礦和赤鐵礦顆粒的磁線理。Zhu et al(2004)報道了在中國黃土中具有MS信號的載磁礦物主要有磁鐵礦、赤鐵礦和原生磁鐵礦三種磁性礦物。；Zhang et a1(2004)，Wassmer et a1(2010)運用AMS方法揭示各種重大沉積事件的特征。此外，Liu et al(2001)，Veloso et al(2007)，裴軍令等(2008)也運用磁化率各向異性的方法來恢復河流沉積物受到的構造應力和沉積動力方向。河湖相沉積物記錄了流體動力學信息和重大的沉積事件，研究河湖沉積磁化率各向異性的細小變化對于揭示這些事件的強度和頻率都有重大影響(Tu et a1．2012)，對于研究物源方向以及沉積環(huán)境具有重大意義。

磁化率各向異性也通過眾多的參數(shù)來評價沉積環(huán)境，用各向異性度P=K1/K3來表示磁性礦物中的優(yōu)勢定向程度，一塊樣品的P值越高說明該樣品的磁性礦物優(yōu)勢定向程度越高；磁線理度L=K1/K2，用來表示樣品中磁性顆粒線狀排列程度；磁面理度F=K2/K3，表示磁性顆粒面狀排列程度；扁率E=(K2×K2)/K3，當E>1時磁化率橢球體為壓扁型，當E<1時磁化率橢球體為拉長型。近年來運用磁化率各向異性方法來研究各大領域的相關問題(表1)。

表1 磁化率各向異性與沉積環(huán)境研究

5 結語

磁化率各項異性作為一種新的研究沉積環(huán)境的微觀方法，由于其高效快捷描述沉積物中磁性礦物的特征，被廣泛使用，尤其在恢復沉積動力中被廣泛應用，目前爭議最多的就是其可靠性，因此在后來的研究中應將宏觀的而沉積動力指標如化石、礫石排布與微觀磁組構結合起來。

[1]裴軍令, 孫知明, 李海兵,等. 青藏高原西北緣晚新生代沉積巖古流向的磁化率各向異性確定及其構造意義. 巖石學報. 2008.24(7): 1613-1620.

[2]王斌，鄭洪波，何忠，等.基于磁性地層的渭河盆地灞河組研究.高校地質學報.2014.20(3)：415-424.

[3]許順山，陳柏林.應用巖石磁性組構研究動力變形作用.地球學報.1998.19(1)：19-24.

[4]張睿, 岳樂平, 弓虎軍,等. 黃土高原風成沉積物磁化率各向異性研究. 第四紀研究. 2012.32(4): 719-726.

[5]Grannar.Magnetic measurements on Swedish varved sediments.Arkiv,F,Geofysik.1958.3,1-40.

[6]Heller F,Beat M,Wang J.Magnetization and Sedimentary History of Loess in central Loess Plateau of China,In:Liu T S(Ed),Aspects of Loess Research.China Ocean Press.Beijing.1987.PP.147-163.

[7]Hrouda F. Magnetic anisotropy of rocks and its application in geology and geophysics. Geophysical Surveys. 1982. 5(1)：37-82.

[8]Lagroix F, Borradaile G J. Magnetic fabric interpretation complicated by inclusions in mafic silicates. Tectonophysics. 2000. 325(3)：207-225.

[9]Liu X M,Xu T,Liu T.The Chinese loess in Xifeng.Ⅱ.A study of anisotropy of magnetic susceptibility of loess from Xifeng.Geophys.J.Int.1988.92,349-353.

[10]Liu B，Saito Y，Toshitsugu Y，et al．Paleocurrent analysis for the Late Pleistocene—Holocene incised—valley fill of the Yangtze delta，China by using anisotropy of magnetic susceptibility data．Mar．Geol. 2001.176：175-189.

[11]Tarling D H,Hrouda F.The Magnetic Anisotropy of Rocks.London:Chapman&Hall,1993.1-28.

[12]Veloso E，Anma R，Ota T et al．Paleocurrent patterns of the sedimentary sequence of the Taitao Ophiolite constrained by anisotropy of magnetic susceptibility and paleomagnetic analyses．Sedimentary Geology．2007.201:446-460.

[13]Wassmer,P_，Schneider,J．L．，F(xiàn)onfrege，A．V，Lavigne，F(xiàn)．，and Paris，R．Use of anisotropy of magnetic susceptibility (AMS)in the study of tsunami deposits：Application to the 2004 deposits on the eastern coast of Banda Aceh，North Sumatra．Indonesia．Marine Geology．2010.275：255-272．

[14]Zhu R,Liu Q,Pan Y,Deng C,Zhang R,Wang X.No apparent lock-in depth of the Laschamp geomagnetic excursion:evidence from the Malan loess.Sci.China,Ser.D.Earth Sci.2006.49,960-967.

[15]羅俊，張雷，鄒寧等,渭河流域滯留沉積物的磁化率各向異性特征及水動力方向研究.地下水.2017(1).180-182.

Usingthemethodofanisotropicmagneticsusceptibilitytodeterminethedirectionofsedimentarydynamicreview

JIAOJin

(State Key Laboratory of continental dynamics, Northwestern University, Shaanxi, Xi’an,710069)

According to the standard of small scale division of Upper Paleozoic in Sulige gas field, based on the characteristics of the small layers in the study area,according to the lithology and electrical characteristics of each layer and the sedimentary environment of the study area, the detailed comparison and division of the Shan 1st member and He formation 8th member, the division of study area stratum is more reasonable and meticulous, it lays the foundation for the research and analysis of the reservoir in the study area. According to the result of small layer division, the stratum of study area has the following characteristics, the average height of Shan 1st member is 51.2 m, The thickness of the three stratum in the Shan 1st member is about 16 m, the average height of He formation 8th member is 71.4 m. From the comparison section of skeleton, Whether it is East-West or north-south direction, the thickness of Shan 1st member and He formation 8th member are relatively stable, just in Local well point, because of the large proportion of sandstone and the existence of differential compaction, There are some differences in formation thickness.

Sulige gas field；Upper Paleozoic；Stratigraphic division；thickness of stratum

P539.3

A

1004-1184(2017)06-0116-03

2017-08-14

焦晉(1991-)，男，甘肅慶陽人，在讀碩士研究生，主攻方向：固體地球物理。