張冬孟,程 鑫,衛(wèi)弼天,幸龍?jiān)?劉非凡,彭曉霞,鄧曉紅,邊紫薇,李 騰,蘭書琪,周亞楠,吳漢寧

(西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系/大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710069)

碎屑巖的磁化率各向異性(AMS)形成于成巖作用的早期,很大程度上取決于沉積顆粒的物理性質(zhì)和水動(dòng)力條件,如顆粒大小和形狀,水流的類型及其速度,以及沉積表面的形態(tài)和坡度等[1-3]?；诶碚?、實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)以及天然巖石樣本的研究,前人將原生沉積組構(gòu)分為水平組構(gòu)、流動(dòng)組構(gòu)、橫向(滾動(dòng))組構(gòu)[4-5]〔見(jiàn)圖1(a)、(b)、(c)〕。在靜水環(huán)境中,礦物顆粒主要受重力作用控制,其扁平面平行于沉積平面;橢球體的K1、K2軸在層面上散亂分布,沒(méi)有優(yōu)選方向,K3軸垂直于地層層面,表現(xiàn)為典型的水平組構(gòu)〔見(jiàn)圖1(a)〕。當(dāng)顆粒沉積于斜坡上或沉積過(guò)程中存在弱水流時(shí),代表礦物長(zhǎng)軸的K1軸相對(duì)聚集,并趨向于平行水流方向,此時(shí)形成流動(dòng)組構(gòu)〔見(jiàn)圖1(b)〕;若水流速度或斜坡坡度增大到足以引起顆粒發(fā)生滾動(dòng)時(shí),K1軸趨向于平行斜坡走向或垂直于水流方向,形成橫向組構(gòu)〔見(jiàn)圖1(c)〕。同時(shí),受水流和斜坡影響,礦物顆粒往往向上游呈疊瓦狀排列以降低質(zhì)心,從而保持最穩(wěn)定狀態(tài),此時(shí)K3軸從垂直方向上偏移,磁面理與層面間形成一定的夾角。因此,古水流方向或坡向可以從K1軸或K3軸的優(yōu)勢(shì)方位加以判斷。特別在疊瓦狀排列的沉積組構(gòu)中,顆粒的取向機(jī)制與沉積過(guò)程之間也具有密切的聯(lián)系[2,4]。目前,AMS被認(rèn)為是恢復(fù)古水流方向和分析沉積過(guò)程的有效工具,其可靠性已在不同時(shí)代、不同沉積環(huán)境的沉積巖中得到證實(shí)(如第四紀(jì)增生楔沉積物[6]、白堊紀(jì)或新生代的濁積巖[7-8]、中新世三角洲系統(tǒng)[9]、中生代陸相紅層[10]以及晚古生代冰川沉積物[11]等)。

當(dāng)沉積巖在同沉積階段或沉積以后受到區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力的作用,沉積組構(gòu)便可能被改造為次生的變形組構(gòu)〔見(jiàn)圖1(d)、(e)、(f)〕。自初始變形組構(gòu)到強(qiáng)劈理組構(gòu),隨著構(gòu)造應(yīng)力的不斷增大,K1軸趨向垂直應(yīng)力方向分布,K3軸則從垂直層面方向逐漸過(guò)渡為平行層面分布[12]。即使在野外露頭沒(méi)有觀察到顯著的構(gòu)造變形,微弱的構(gòu)造應(yīng)力也可能導(dǎo)致顆粒的垂直排列,從而掩蓋了AMS中有關(guān)沉積過(guò)程和古水流方向的信息[5,10]。

沉積巖古水流方向的確定可以幫助分析沉積物物源與古地貌特征。其中,物源分析對(duì)沉積盆地的大地構(gòu)造背景判別、古環(huán)境恢復(fù)等均具有重要意義[13]。滇東地區(qū)寒武系露頭廣泛出露,其中第三階的玉案山組不僅是澄江動(dòng)物群的主要產(chǎn)出層位,其底部的黑色頁(yè)巖也是該地區(qū)目前頁(yè)巖氣勘探的重點(diǎn)層位,恢復(fù)其古水流方向?qū)φJ(rèn)識(shí)古生物化石保存以及頁(yè)巖氣形成、富集機(jī)理具有基礎(chǔ)性意義。以往的研究表明,在滇東地區(qū),玉案山組的物源主要來(lái)自于西側(cè)的康滇古陸[14-15]。為了對(duì)物源模式加以驗(yàn)證,并探討這一時(shí)期的古水流方向的變化特征和巖石的沉積過(guò)程,本研究以朱家箐剖面和古蓮村剖面第三階沉積巖為例,開(kāi)展了系統(tǒng)的巖石磁學(xué)和AMS測(cè)試。

1 地質(zhì)背景與采樣

滇東地區(qū)位于揚(yáng)子克拉通的西南緣〔見(jiàn)圖2(a)〕。寒武紀(jì)早期,此區(qū)位于新元古代形成的克拉通內(nèi)斷陷盆地(川滇拗陷)的南段[16-17],其西側(cè)為康滇古陸,東南側(cè)為牛首山古陸,構(gòu)成一南北向延伸的狹長(zhǎng)海灣盆地[18],基本繼承了晚震旦世的海陸格局[19]。這一時(shí)期,滇東地區(qū)的構(gòu)造活動(dòng)性趨向于穩(wěn)定克拉通,表現(xiàn)為地殼差異運(yùn)動(dòng)弱,巖漿活動(dòng)不明顯[20]?？档峁抨懽詴x寧造山運(yùn)動(dòng)到晚三疊世,長(zhǎng)期處于隆起狀態(tài)[21],在寒武紀(jì)早期,自古陸向東,海水逐漸加深,大部分地區(qū)處于濱岸陸棚環(huán)境[22]。盆地被多條南北向的深大斷裂切割,自西向東依次為易門斷裂、普渡河斷裂和小江斷裂[21]〔見(jiàn)圖2(b)〕。斷裂使海底地形呈向東傾斜的階梯狀緩坡[18,20],古陸與海洋的分布則控制著寒武系的沉積體系和展布規(guī)律[23-25]。

圖2 滇東地區(qū)大地構(gòu)造簡(jiǎn)圖(據(jù)文獻(xiàn)[24-25]修改)

滇東地區(qū),寒武系第一階到第四階(幸運(yùn)階到都勻階)地層自下而上劃分為6個(gè)組:朱家箐組、石巖頭組、玉案山組、紅井哨組、烏龍?bào)浣M以及山邑村組[26]。玉案山組和烏龍?bào)浣M分別對(duì)應(yīng)澄江動(dòng)物群和關(guān)山動(dòng)物群的保存層位[27],具有良好的生物地層約束[28-30]。根據(jù)云南昆明曲靖地區(qū)的實(shí)測(cè)剖面[31],選取會(huì)澤大海鄉(xiāng)朱家箐剖面(108.23°E,26.25°N)與昆明滇池西古蓮村剖面(106.65°E,24.9°N)開(kāi)展古地磁采樣工作〔見(jiàn)圖3(a)、(b)〕。朱家箐剖面和古蓮村剖面分別為西傾、東傾的連續(xù)單斜(見(jiàn)圖4)。研究的目標(biāo)層為寒武系第二階的石巖頭組、第三階的玉案山組和紅井哨組。在兩個(gè)剖面中,3個(gè)組之間均為整合接觸。朱家箐剖面石巖頭組主要為含磷泥質(zhì)或白云質(zhì)石英砂巖、粉砂質(zhì)白云巖及泥質(zhì)粉砂巖,沉積環(huán)境為陸棚沉積[31]。玉案山組主要為黑色頁(yè)巖、粉砂巖以及少量細(xì)砂巖,巖性的變化記錄了頻繁的海平面升降,其沉積環(huán)境以陸棚沉積為主[31]。紅井哨組主要為紫紅色(粉砂質(zhì))頁(yè)巖、雜色砂巖以及塊狀石英砂巖,其沉積環(huán)境主要為濱岸或淺水陸棚環(huán)境[23]。

圖3 采樣區(qū)地質(zhì)簡(jiǎn)圖

圖4 野外露頭照片以及采樣剖面地層柱狀圖

據(jù)地層風(fēng)化程度和植被覆蓋情況,在朱家箐剖面和古蓮村剖面分別采集15個(gè)采點(diǎn)(94塊鉆樣)和27個(gè)采點(diǎn)(225塊鉆樣),每個(gè)采點(diǎn)至少采集6塊樣品。由于頁(yè)巖段巖層破碎,取樣難度較大,多數(shù)樣品為細(xì)砂巖和粉砂巖。粉砂巖及頁(yè)巖樣品基本采集自玉案山組,細(xì)砂巖樣品則多來(lái)自于石巖頭組和紅井哨組。采樣工具為手持水冷式汽油鉆機(jī),采樣過(guò)程中使用磁羅盤和太陽(yáng)羅盤定向。全部樣品在實(shí)驗(yàn)前被加工為2.54 cm×2.2 cm的圓柱形標(biāo)準(zhǔn)古地磁樣品。

2 實(shí)驗(yàn)方法與原理

2.1 巖石磁學(xué)

巖石磁學(xué)實(shí)驗(yàn)用于分析樣品中載磁礦物的類型和相對(duì)含量等信息,從而確定磁化率各向異性的主要貢獻(xiàn)者。本研究主要開(kāi)展的巖石磁學(xué)實(shí)驗(yàn)包括磁滯回線、磁化率隨溫度變化曲線、等溫剩磁(IRM)獲得、反場(chǎng)退磁曲線以及三軸等溫?zé)嵬舜徘€實(shí)驗(yàn)。磁滯回線在中國(guó)科學(xué)院地球環(huán)境研究所測(cè)量,其他實(shí)驗(yàn)在西北大學(xué)大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。數(shù)據(jù)處理軟件包括HystLab程序[32]、AGCIO系列的Safyr 6、Anisoft 5、Cureval 8和Rema 6等。

磁滯回線的形狀、閉合區(qū)間等特征反映了磁性礦物的類型、粒徑以及磁疇等信息[33]。本實(shí)驗(yàn)測(cè)量?jī)x器為Micromag 3900型震動(dòng)磁力儀,測(cè)量時(shí)最大外場(chǎng)為±1.0 T。

磁化率隨溫度變化曲線記錄了礦物在加熱和冷卻過(guò)程中的轉(zhuǎn)化特征,根據(jù)曲線的變化趨勢(shì),可以識(shí)別磁性礦物的種類、粒徑,以加熱過(guò)程中的礦物相的轉(zhuǎn)變[34]。該實(shí)驗(yàn)的測(cè)量?jī)x器為MFK2 型卡帕橋,測(cè)試過(guò)程的外場(chǎng)為200 A/m,頻率976 Hz,加熱和冷卻速率約為11.5 ℃/min,最高加熱溫度約為700 ℃。為避免加熱過(guò)程中的氧化反應(yīng),實(shí)驗(yàn)在氬氣環(huán)境中進(jìn)行。

等溫剩磁(IRM)獲得及反場(chǎng)退磁曲線是樣品中所有磁性礦物共同作用的結(jié)果,根據(jù)不同外場(chǎng)下IRM的飽和狀態(tài)可以判斷樣品中主要的磁性礦物類型[35]。本研究首先使用JR-6A旋轉(zhuǎn)磁力計(jì)測(cè)量樣品的天然剩磁,隨后使用ASC IM-10-30脈沖磁力儀沿樣品z軸逐步施加不斷增大的直流場(chǎng)(最大值2.5 T),然后沿相反方向施加外場(chǎng),并在每次加場(chǎng)后測(cè)量剩磁的大小,直到樣品剩磁為零。此外,基于單一矯頑力組分的磁性礦物服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布這一假設(shè),可以進(jìn)行遵循累計(jì)對(duì)數(shù)高斯模型(CLG)的矯頑力譜擬合[36-38],從而定量識(shí)別各個(gè)組分的矯頑力分布范圍和相對(duì)貢獻(xiàn)。

三軸等溫剩磁熱退磁曲線依據(jù)磁性礦物矯頑力和解阻溫度的差異判斷其類型[39]。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,首先沿樣品的z、y、x軸依次施加2.5,0.4,0.12 T的外磁場(chǎng),使樣品中不同矯頑力的磁性礦物在3個(gè)方向分別磁化,隨后使用TD-48熱退磁爐對(duì)樣品進(jìn)行逐步熱退磁,每次熱退磁后進(jìn)行測(cè)量。低溫段加熱間隔為50～80 ℃,高溫段加熱間隔為20～30 ℃。

2.2 磁化率各向異性

AMS的測(cè)量?jī)x器為MFK2型卡帕橋,交變場(chǎng)為200 A/m,頻率為976 Hz。AMS由對(duì)稱的二階張量表示,該張量可以轉(zhuǎn)化為一個(gè)磁化率橢球體。橢球體的3個(gè)主軸平行于張量的特征向量,分別稱為最大軸(K1)、中間軸(K2)和最小軸(K3)。測(cè)試結(jié)果可以用3個(gè)主軸的方向、大小,以及它們的組合來(lái)表示[1,40]。本研究主要使用了以下參數(shù):平均磁化率(km)、磁線理(L)、磁面理(F)、校正后的各向異性度(Pj)、形狀參數(shù)(T)、q因子(q)和疊瓦角(β)。參數(shù)的具體方程見(jiàn)表1。在這些參數(shù)中,q因子和疊瓦角β[2]對(duì)分析沉積巖沉積過(guò)程十分有用。前者反映了沉積巖中磁線理和磁面理的相對(duì)強(qiáng)度,后者為磁面理偏離水平面的角度,即K3軸傾角的余角。此外,統(tǒng)計(jì)參數(shù)F12和F23被分別用于評(píng)價(jià)單個(gè)樣品磁線理和磁面理的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。一般來(lái)說(shuō),F>4表示滿足統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著水平[41]。誤差半角Eij(i,j=1,2,3)能夠量化主軸方向的不確定性區(qū)域。E12表示K1軸和K2軸組成的平面內(nèi)K1軸和K2軸的不確定性范圍,E13和E23同理[42]。換句話說(shuō),單個(gè)樣品K1軸方向的不確定性面積由E12和E13共同定義,K3軸方向的不確定性面積則由E13和E23共同定義。誤差半角Eij等于22.5°時(shí)置信比為1,小于22.5°時(shí)對(duì)應(yīng)主軸具有統(tǒng)計(jì)意義。因此,這兩個(gè)參數(shù)常用來(lái)進(jìn)行AMS數(shù)據(jù)的評(píng)估和篩選工作[5,9,43-45]。

表1 AMS采點(diǎn)平均結(jié)果

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 磁性礦物類型及磁化率的載體

AMS測(cè)試表明,所有樣品的體積磁化率均位于30～300 μSI,采點(diǎn)平均體積磁化率在35.0～218.3 μSI(見(jiàn)表1),這是典型的由順磁性主導(dǎo)的細(xì)粒碎屑巖的磁化率范圍[3,46-47]。

代表性樣品的磁滯回線如圖5所示。順磁校正前,曲線以近直線或極窄的回路穿過(guò)原點(diǎn),并在高場(chǎng)時(shí)保持線性變化,表現(xiàn)出較弱的磁滯現(xiàn)象和較小的曲率;順磁校正后,樣品的磁化強(qiáng)度顯著降低,說(shuō)明樣品中順磁性礦物占主導(dǎo),在室溫下表現(xiàn)為順磁性特征[7,9,11]。對(duì)于樣品Z0603、Z0802、Z1303和G1906〔見(jiàn)圖5(a)、(c)、(f)〕,曲線呈細(xì)高狀,回路極窄且在約300 mT閉合,表明磁性礦物較為單一,主要為低矯頑力的磁鐵礦,應(yīng)該代表了超順磁或多疇顆粒的存在。對(duì)于樣品G0804〔見(jiàn)圖5(d)〕,曲線呈蜂腰狀,表明存在低矯頑力的磁鐵礦,應(yīng)為單疇和超順磁顆粒的混合物,但磁化強(qiáng)度在500 mT以后才達(dá)到飽和,說(shuō)明同時(shí)存在高矯頑力礦物(如赤鐵礦[48])。樣品G1106〔見(jiàn)圖5(e)〕的曲線呈鵝頸狀,并在500 mT以后閉合,表明其同時(shí)含有低矯頑力和高矯頑力磁性礦物[49]。

圖5 朱家箐剖面(a～c)和古蓮村剖面(d～f)樣品磁滯回線

k-t曲線顯示(見(jiàn)圖6), 所有樣品在加熱過(guò)程中均保持較低的磁化率值(0～4×10-6), 并具有相似的曲線變化趨勢(shì)。 在260～300 ℃存在一個(gè)“谷”。 在此溫度之前, 磁化率的線性衰減表明樣品中存在豐富的順磁性礦物[9,50]。 在480 ～ 500 ℃, 磁化率達(dá)到峰值, 并在580 ℃以前迅速降低, 表明樣品中可能含有磁鐵礦。 冷卻曲線高于升溫曲線, 說(shuō)明在加熱過(guò)程中形成了新的強(qiáng)磁性礦物, 可能代表了受熱不穩(wěn)定的含鐵硅酸鹽礦物、 黏土礦物或鐵硫化物轉(zhuǎn)化為新的磁鐵礦。 600～700 ℃, 升降曲線基本可逆, 未觀測(cè)到磁化率的顯著衰減。 究其原因, 一方面, 樣品中可能含有赤鐵礦, 但赤鐵礦對(duì)磁化率的貢獻(xiàn)被磁鐵礦掩蓋; 另一方面,低磁化率導(dǎo)致的背景噪音可能影響了測(cè)量結(jié)果。

圖6 朱家箐剖面(a～c)和古蓮村剖面(d～f)樣品磁化率隨溫度變化曲線

IRM曲線顯示,樣品Z0603和Z1301〔見(jiàn)圖7(a)、(b)〕的剩磁強(qiáng)度在120 mT的外場(chǎng)下迅速達(dá)到飽和狀態(tài)的80%以上,并在300 mT左右基本飽和,剩磁矯頑力在40～60 mT,表明載磁礦物以低矯頑力磁性礦物為主。矯頑力譜擬合出兩個(gè)分量,分量1的平均矯頑力為46.8～55.0 mT,對(duì)IRM貢獻(xiàn)高達(dá)86%～91%,分量2的平均矯頑力為478.6～501.2 mT,但對(duì)IRM的貢獻(xiàn)較小。三軸曲線同樣表明,低矯頑力組分具有最高的剩磁強(qiáng)度,580 ～ 610 ℃的最大解封溫度表明磁鐵礦和(或)磁赤鐵礦的存在。

圖7 朱家箐剖面(a～b)和古蓮村剖面(c～d)樣品IRM曲線、IRM分解曲線以及三軸IRM熱退磁曲線

對(duì)于樣品G0102和G1608〔見(jiàn)圖7(c)、(d)〕,在120 mT之前,IRM獲得曲線同樣迅速升高,但在2.5 T時(shí)仍未飽和,說(shuō)明樣品中同時(shí)存在低矯頑力和高矯頑力的磁性礦物。矯頑力譜擬合得到了3個(gè)分量。其中,分量1的平均矯頑力為47.9～52.5 mT,分量2的平均矯頑力為426.6～446.7 mT,與前兩個(gè)樣品一致〔見(jiàn)圖7(a)、(b)〕,分量3的平均矯頑力為1 862.1～1 905.5 mT。 三軸曲線中,低矯頑力組分在580 ℃基本解阻, 代表樣品中的磁鐵礦, 中、 高矯頑力組分的最大解阻溫度為680 ℃, 說(shuō)明樣品中含有赤鐵礦, 120 ℃之前剩磁強(qiáng)度的明顯衰減說(shuō)明還存在少量的針鐵礦。

綜上所述,體積磁化率測(cè)量、磁滯回線以及磁化率隨溫度變化曲線的測(cè)試結(jié)果均表明,樣品中含有大量的順磁性礦物,對(duì)磁化率具有重要貢獻(xiàn)。樣品中的(廣義)強(qiáng)磁性礦物包括磁鐵礦(磁赤鐵礦)、赤鐵礦以及少量針鐵礦,但對(duì)磁化率的貢獻(xiàn)較小。

3.2 磁化率各向異性

對(duì)朱家箐剖面的94塊樣品和古蓮村剖面的225塊樣品進(jìn)行了AMS測(cè)試。絕大多數(shù)樣品的AMS橢球體為扁圓型(T>0),說(shuō)明磁面理普遍發(fā)育;校正后的各向異性度基本小于1.05,與未變形的碎屑巖特征一致〔見(jiàn)圖8(a)〕[1,51]。各向異性度與磁面理呈顯著的正相關(guān),而與磁線理幾乎無(wú)關(guān)〔見(jiàn)圖8(b)、(c)〕,表明AMS主要受控于磁面理的發(fā)育程度。結(jié)合巖石磁學(xué)結(jié)果,認(rèn)為AMS主要反應(yīng)了樣品中順磁性礦物的排列特征,磁面理的發(fā)育應(yīng)與樣品中的層狀硅酸鹽礦物有關(guān)[5,7,9]。

圖8 AMS參數(shù)關(guān)系圖解

為篩選出具有統(tǒng)計(jì)意義磁面理的樣品,對(duì)單個(gè)樣品的統(tǒng)計(jì)參數(shù)F23和誤差半角E13、E23進(jìn)行分析。E13、E23與磁面理呈反比關(guān)系,當(dāng)磁面理較弱時(shí),部分樣品的K3軸的不確定性范圍增大〔見(jiàn)圖8(d)、(e)〕,說(shuō)明發(fā)育較弱的磁面理可能會(huì)受到更明顯的測(cè)量誤差影響[43-44]。在樣品的水平中,E23大于E13,對(duì)K3軸的不確定性約束更強(qiáng)。為方便起見(jiàn),僅考慮兩個(gè)參數(shù)中較大的一個(gè)。結(jié)果表明,在朱家箐剖面和古蓮村剖面分別有75個(gè)(79.8%)和176個(gè)(78.2%)樣品具有較高的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(F23>4),同時(shí)K3軸具有較小的不確定性范圍(E23<22.5°;〔見(jiàn)圖8(f)〕)。

將F23<4和E23>22.5°的樣品排除后〔見(jiàn)圖8(f)中陰影區(qū)域〕,剩余樣品的AMS主軸按采點(diǎn)繪制于下半球投影圖中。結(jié)果表明,在兩個(gè)剖面中,AMS主軸的分布方向和聚集程度存在顯著差異。在朱家箐剖面(見(jiàn)圖9),K1軸和K2軸在層面上相對(duì)聚集,表現(xiàn)出明確的磁線理。除采點(diǎn)Z08以外,磁線理幾乎平行于近南北向的地層走向。同時(shí),部分采點(diǎn)的K3軸在近東西方向上呈輕微的帶狀分布。而在古蓮村剖面中(見(jiàn)圖10),多數(shù)采點(diǎn)的K1軸和K2軸在投影網(wǎng)邊緣呈寬帶狀分布,磁線理較為分散;少數(shù)采點(diǎn)具有較為明確的磁線理,但與層面走向沒(méi)有明確的對(duì)應(yīng)關(guān)系。所有采點(diǎn)的K3軸均以高角度分布在垂直軸的一側(cè),呈拉長(zhǎng)狀或云集狀,對(duì)應(yīng)于近平行于地層的磁面理,反映了明顯的疊瓦狀結(jié)構(gòu)。

注:Z01-Z07為紅井哨組,Z08為玉案山組,Z09-Z15為石巖頭組

注:G01-G15為紅井哨組,G16-G27為玉案山組

雖然兩個(gè)剖面的AMS參數(shù)沒(méi)有顯著差異,但結(jié)合主軸分布特征與及其與地層走向的關(guān)系,認(rèn)為朱家箐剖面的樣品在沉積后受到了輕微的構(gòu)造應(yīng)力作用,導(dǎo)致礦物顆粒發(fā)生了重新定向,整體反應(yīng)了初始變形組構(gòu),而古蓮村剖面的樣品基本保留了原生的沉積組構(gòu)。

4 討論

由于朱家箐剖面未能保留原生的沉積組構(gòu),后期的構(gòu)造變形很可能掩蓋了有關(guān)古水流方向和沉積過(guò)程的信息,因此僅討論古蓮村剖面的數(shù)據(jù)。在古蓮村剖面,所有采點(diǎn)均呈明顯的疊瓦狀結(jié)構(gòu),根據(jù)K1軸和K3軸的對(duì)應(yīng)關(guān)系,將其劃分為流動(dòng)組構(gòu)和橫向組構(gòu)。巖石磁學(xué)結(jié)果表明,樣品在室溫下主要表現(xiàn)為順磁性特征,因此,古蓮村剖面的樣品AMS數(shù)據(jù)主要反映了樣品中順磁性礦物的排列特征和首選方向,并可以用于沉積過(guò)程的分析[9,11]。

Taira[2]通過(guò)對(duì)來(lái)自現(xiàn)代河流、風(fēng)成沙丘和海灘環(huán)境的天然沉積物的AMS研究,認(rèn)識(shí)到了顆粒取向機(jī)制和沉積過(guò)程之間的密切聯(lián)系,描述了由重力(gravity)、水流(current)、顆粒碰撞(grain collision)和黏性流體中的懸浮顆粒(viscous suspension)4種機(jī)制形成的顆粒取向特征,并通過(guò)形狀因子q和疊瓦角β加以區(qū)分。Novak等在此基礎(chǔ)上新增了高q值區(qū)域,即變形/擾動(dòng)(deformation/disturbance)機(jī)制和高β值區(qū)域,即傾斜(ttilting)機(jī)制,進(jìn)一步解釋4個(gè)沉積區(qū)域之外的樣品[6]。

q-β圖解(見(jiàn)圖11)顯示了古蓮村剖面的樣品及其采點(diǎn)平均值。盡管單個(gè)樣品較為分散,但基本分布于重力-顆粒碰撞區(qū)域之間,q值小于0.7,β值基本小于35°,再次證明古蓮村剖面保留了原生的沉積組構(gòu)[4]。采點(diǎn)平均值的分布具有良好的一致性,基本位于水流區(qū)域附近。一般而言,越接近三軸型(q值相對(duì)較大)的采點(diǎn),磁面理與層面夾角越大(β值增大),表明沉積過(guò)程中水動(dòng)力條件的變化。顆粒較細(xì)的粉砂巖和頁(yè)巖來(lái)自于玉案山組的砂頁(yè)巖互層段,位于q-β圖解中的水流區(qū)域或水流與重力的重疊區(qū)域,說(shuō)明沉積時(shí)受到了兩者的共同作用[6]。在玉案山組,AMS基本為流動(dòng)組構(gòu)(見(jiàn)圖10),代表了平緩斜坡上的弱水流沉積?；趯?duì)泥質(zhì)和砂質(zhì)顆粒的估計(jì),水流速度一般為0.1～1 cm/s[3]。細(xì)砂巖樣品基本來(lái)自于紅井哨組中的砂巖層位,位于流體區(qū)域或流體和“黏性懸浮”的重疊區(qū)域,表明顆粒沉積時(shí)主要受水流作用控制,相對(duì)于玉案山組具有更強(qiáng)的水流條件。在紅井哨組樣品中,除流動(dòng)組構(gòu)外,還可以觀察到部分采點(diǎn)的橫向組構(gòu)(如G05、G07、G12等)。橫向組構(gòu)代表了較強(qiáng)的水流條件,壓扁狀或拉長(zhǎng)狀顆粒沿剖面發(fā)生滾動(dòng)或翻轉(zhuǎn),K1軸旋轉(zhuǎn)至平行水流方向。產(chǎn)生橫向組構(gòu)的水流速度一般大于1 cm/s[3]。從沉積相來(lái)看,自玉案山組到紅井哨組,海水逐漸變淺,由陸棚沉積逐漸過(guò)渡為濱海沉積[23,52-53]。因此,橫向組構(gòu)也可能反應(yīng)了紅井哨組時(shí)期頻繁的波浪和潮汐的作用[54]。沉積物粒度由玉案山組的泥質(zhì)、粉砂為主過(guò)渡到紅井哨組的細(xì)砂為主,表明沉積時(shí)受到的水流作用變強(qiáng)。因此,沉積相的解釋和AMS具有較好的一致性。值得注意的是,單憑q-β圖解還不足以進(jìn)一步區(qū)分沉積過(guò)程,原因是,一方面多數(shù)樣品所在的區(qū)域存在顯著重合,另一方面還需要與詳細(xì)的指向沉積構(gòu)造加以對(duì)比。但是,古蓮村剖面結(jié)果表明,q-β圖解在識(shí)別沉積過(guò)程方面具有較大的潛力。

圖11 形狀因子q和疊瓦角β關(guān)系圖

圖12顯示了古蓮村剖面紅井哨組和玉案山組各個(gè)采點(diǎn)的主軸平均方向以及K3軸和K1軸傾向的玫瑰花圖。在玉案山組,K3軸和K1軸均表明SW—NE的古水流方向。在紅井哨組,K3軸的平均傾向沒(méi)有明顯變化,但K1軸則發(fā)生了約45°的逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),這一差異歸因于紅井哨組中大量的橫向組構(gòu)。因?yàn)樵跈M向組構(gòu)中,K1軸往往代表了垂直于水流的方向。此外,盡管AMS主要反映了樣品中順磁性礦物的特征,但樣品中存在磁鐵礦、赤鐵礦以及針鐵礦等(廣義)強(qiáng)磁性礦物,這些礦物會(huì)對(duì)磁線理的方向產(chǎn)生影響。對(duì)具有形狀各向異性的礦物(如磁鐵礦、磁赤鐵礦),磁線理通常平行于顆粒的長(zhǎng)軸方向;對(duì)具有磁晶各向異性的礦物,如赤鐵礦或?qū)訝罟杷猁}礦物(如黑云母、白云母、綠泥石等),K3軸垂直于晶面,K1軸則可以位于晶面內(nèi)的任意方向;當(dāng)層狀硅酸鹽礦物中存在鐵的包裹體,K1軸也可能指向鐵包裹體的分布位置[55-57]。因此,在低場(chǎng)AMS測(cè)試中,樣品的K1軸可能代表某些礦物的交叉線理,而不總是水流中顆粒排列的可靠指標(biāo)[11]。但在疊瓦狀結(jié)構(gòu)中,K3軸的傾角反應(yīng)了礦物沉積時(shí)的晶面靜止角,其傾向則反應(yīng)了古水流的方向,相對(duì)于K1軸更加穩(wěn)定[4,5,11]。因此,在古蓮村剖面,玉案山組至紅井哨組疊瓦狀構(gòu)造的K3軸優(yōu)勢(shì)方位可以更好地代表古水流方向。研究結(jié)果表明,在寒武系第三階玉案山組至紅井哨組沉積的數(shù)百萬(wàn)年內(nèi),古水流方向均為SW—NE向,沒(méi)有發(fā)生較大的物源轉(zhuǎn)變。

圖12 采點(diǎn)水平下AMS主軸分布圖以及K3和K1軸傾向的玫瑰花圖

巖相古地理圖表明,滇東地區(qū)在寒武紀(jì)早期處于西高東低的古地理格局,這一時(shí)期康滇古陸的剝蝕強(qiáng)度加大,向近海提供大量物源,出現(xiàn)大面積碎屑巖淺海沉積環(huán)境[52]。自康滇古陸向東,海水逐漸加深,地層厚度逐漸增大,淺水碎屑巖的含量逐漸減少[58-59]。在古蓮村剖面以南不遠(yuǎn)的晉寧梅樹(shù)村剖面,指向沉積構(gòu)造的統(tǒng)計(jì)結(jié)果同樣支持玉案山組SW—NE向的古水流方向[60]。地球化學(xué)研究同樣顯示,玉案山組的物源應(yīng)來(lái)自于西側(cè)康滇古陸的中元古界基底[14-15]。此外,滇東地區(qū)紅井哨組和玉案山組的地層厚度等值線圖表明,其沉積中心位于古蓮村剖面北東方向的曲靖一帶,自昆明向曲靖方向,地層逐漸增厚[23,31,61]。因此,來(lái)自沉積學(xué)和地球化學(xué)的證據(jù)支持AMS的結(jié)果。

5 結(jié)論

1) 朱家箐剖面的載磁礦物以磁鐵礦為主,同時(shí)含有少量的赤鐵礦。古蓮村剖面樣品的載磁礦物除磁鐵礦外,還含有赤鐵礦以及少量的針鐵礦。

2) 朱家箐剖面受到了輕微的后期構(gòu)造影響,AMS主要為初始變形組構(gòu)。古蓮村剖面保留了原生的沉積組構(gòu),根據(jù)主軸的分布特征,可以識(shí)別出流動(dòng)疊瓦組構(gòu)和橫向疊瓦組構(gòu)。橫向組構(gòu)僅出現(xiàn)在紅井哨組,表明相對(duì)較強(qiáng)的水動(dòng)力環(huán)境。q-β圖解所推斷的沉積過(guò)程與沉積相的結(jié)果基本一致,進(jìn)一步表明古蓮村剖面AMS的原生性。盡管缺少剖面上指向沉積構(gòu)造的佐證,但無(wú)法否認(rèn)q-β圖解在區(qū)分沉積過(guò)程方面的潛力。

3) 當(dāng)疊瓦狀橫向組構(gòu)存在時(shí),K1軸不再平行于古水流方向,而K3軸是良好的替代指標(biāo)。自玉案山組到紅井哨組沉積的數(shù)百萬(wàn)年間,研究區(qū)古水流方向沒(méi)有發(fā)生明顯的變化,均為SE—NE向,這一結(jié)果與區(qū)域上沉積學(xué)和地球化學(xué)研究的結(jié)果相一致。