（地球探测与信息技术专业论文）山西襄汾更新世南寨剖面的磁性地层学研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 山西襄汾更新世南寨剖面的磁性地层学研究 文摘 丁村遗址是我国最重要的旧石器文化遗址之一，遗址位于山西襄 汾县丁村附近的汾河两岸。丁村人被确定为早期智人，文化时代为旧 石器时代中期，所属地质时代则被定为晚更新世早期“1 。 产出丁村人及相应石器的一套地层被命名为丁村组。丁村组地层 所属地质年代仍存有争议。学术界主要村有两种看法，其一认为该组 地层属于晚更新世早期，其- - n 认为属于中更新世“1 。 为了研究丁村组年代的年龄，本文对丁村附近区域的南寨剖面进 行了系统的磁性地层学研究。该剖面热退磁的结果表明整个剖面( 6 0 米) 全部为正极性。然而，如果假设南寨剖面与黄土高原上洛川标准 剖面有着相当的沉积速率，6 0 米不间断的沉积物将不仅包含整个布容 正极性期，还将覆盖部分松山负极性。结合该剖面的岩石磁学性质与 该区域其他剖面以及洛川剖面的对比，本文的解释是该剖面上部为正 常的黄土古土壤序列，而底部为再搬运沉积的黄土吉土壤。基于山西 地堑的构造运动背景，本文还提出了该区域的沉积模型，并建议了丁 村组的年代为晚更新世早期。 关键词：丁村组，磁性地层学，黄土古土壤，南寨剖面 ：奎璺墨三奎堂婴圭婴塑兰兰垡莘兰 m a g n e t o s t r a tlg r a p h ys t u d yo ft h e p l e is t o c e n en a n z h ais e c tio n ( xia n g f e n s h a n xi ) a b s t r a c t d i n g c u np a l e o l i t h i ca r t i f a c t sa r co m o f t h em o s ti m p o r l a n tp a l e o l i t h i ca r t i f a c t si n c h i n a t h ed i n g c u ns i t el o c a t e db yt h ef e nr i v e ri nx i a n g f e nc i t y , s h a m x i t h ef o s s i l h o m i n i d sw e r ed i a g n o s e da se a r l yh o m os a p i e n s w i t f lac u l t u r a la g eo f m i d d i e p a l e o l i t h i c 盈dg e o l o g i ca g eo f e a r l yl a t ep l e i s t o c e n 咀 t h es e t o f s e d i m e n t s t h a t y e l d e d d i n g c u n m a ba n d a s s o c i a t e d a r t i f a c t s i s n a m e da s d i n g c u nf o r m a t i o n 四i n g c u nf m ) t h e r ea r et w od i v e r g e n th y p o t h e s e s ：t h ea s s i g n m e n t t oe a r l yl a t ep l e i s t o c e n ea n dt h ea s s i g n m e n tt om i d d l ep l e i s t o c e n e ” i no r d e rt os t u d yt h ea g eo f t h ed i n g c u n f o r m a t i o n ，t h i sp a p e rm v e s t i g = et h e n a n z h a is e c t i o nn e a r b yd i n g c u nl o c a l i t y t h et h e r m a ld e m a g n e t i z a t i o nr e s u l t si n d i c a t e t h a tt h ew h o l es e c t i o no n l yp o s s e s sn o r m a lp o l a r i t y h o w e v e rc o m p a r e 佃t h es t a n d a r d l u o c h a ns e c t i o n0 1 7 1t h ec h i n e s el o e s sp l a t e a u , t h en a n z h a is e c t i o n ( 6 0 m ) s h o u l dh a v e p a r to f t h em a t u y a m ar e v e r s a lp o l a r i t y t h i sp a p e re x p la i nt h e r e s u l t sa n ds u g g e s t st h a t t h e u p p e r p a r t o f t h es e c t i o n i s n o r m a l l o e s s p a l e o s o ls e r i e s , w h i l e t h e l o w e r p a r t i s r e d e p o s i t e dl o e s sa n dp a l e o s o l s o nt h eb a s eo f t h et e c t o n i cb a c k g r o u n d , t h i sp a p e r a l s o p r o p o s e al o c a ld e p o s i 廿n n a lm o d e l ，a n ds u g g e s tt h a tt h ea g eo f d i n g c u nf m b e l o n gt o t h ee a r l yl a t ep l e i s t o c e n e k e yw o r d s ：m a g n e t o s t r a t i g r a p h y , d i n g c u nf m ，l o e s s p a l e o s o l ，n a n z h a is e c t i o n 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 1m s 2 a m s 3 p 1 4p 2 5 p 3 6e 7 n r m 8d r m 9c r m 1 0 c h r m 1 1v r m 1 2d e c 1 3i n c 磁化率 磁化率各向异性 线理 各向异性 面理 磁化率椭球体 天然剩磁 沉积剩磁 化学剩磁 特征剩磁 粘滞剩磁 地磁偏角 地磁倾角 符号说明 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 i 丁村文化年龄问题 第一章前言 丁村遗址是我国最重要的旧石器文化遗址之一，遗址位于山西襄汾县丁村 附近的汾河两岸( 图卜1 ) 。丁村旧石器于i953 年发现，在l954 年作重 点发掘，发现人牙三枚( 发现于54 ：1o0 地点) ，旧石器二千零五件，哺 乳动物化石二十八种。1 976 年在54 ：loo 地点又发现一块小孩的右顶 骨化石。因发掘于丁村，故名丁村人。该遗址石器代表丁村文化。丁村人被确 定为早期智人，文化时代为旧石器时代中期，所属地质时代则被定为晚更新世 早期。 图1 - i 中国山西襄汾县丁村地图“3 2 太原理1 人学硕士研究生学位论文 产出丁村人及相应石器的一套地层被命名为丁村组。丁村组地层所属地质 年代仍存有争议，学术界主要村有两种看法，其一认为该组地层属于晚更新世 早期，其二则认为属于中更新世“3 。 在1 9 8 4 年5 1 ：1 0 0 号地点的进一步发掘当中，在丁村沙砾层之上发现一 侵蚀面( 圈卜2 ) 。陶富海，王益人“提出5 4 ：1 0 0 号点上部属于晚更新世 晚期，而侵蚀面一下则属于中更新世。陶富海，解向阳“3 强调陔侵蚀面在多处 地点对应，侵蚀面之下地层在不同地点可能年龄差距很大，然而上部年龄则可 以局限在1 0 0 ，0 0 0 2 0 0 ，0 0 0 年之间。 ； 除了根据地层关系，相关动物群，孢粉以及石器提供的信息v a , # f ”。，其他 姨测年技术( 包括氨基酸测年法，铀系测年法和电子自旋测年法) 也被应用 到确定丁村文化年代问题上。然而这些测年方法得出的结果相差很大。8 0 年代 氨基酸测年得出丁村人的年龄大约是7 0 ，0 0 0 年“3 。陈铁梅等人。应用铀系测年 得出的结果在2 1 0 ，0 0 0 1 6 0 ，0 0 0 年之间。郑洪汉”。采用电子自旋测年法得出 的结果则在7 5 ，0 0 0 1 0 0 ，0 0 0 年之间。 在丁村组年龄问题上至今尚未得到最终结论，很显然需要更多的工作来研 究j 村组的确切年龄。 ，一 丁 9m 甜扣 l o 褥 鬻 _ i d 曲 刎瓣 8r c d s o l | * 梦 7s 豇t _ 6裂l 5专盯 掣e 垃 4c 1 j a 咄 c a l c a r 3 = c t a y ! o 0 i ：o ? _ a f 亩b m i n 量 率 1 s s 图卜23 4 ：】0 0 号点位地层“。见表2 - 1 分层描述。 f i g u r e 卜2s i m p l i n o ds t r a t i g r a p h yo fl o c a l i t y54 ：100 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 2 磁性地层学在中国早期人类测年中的应用 在中国发现了很多早更新世的古人类知旧石器遗址。其中有五个遗址得到 了较好的研究，包括中国北部的小长粱，东固头和工王陵以及中国南部的龙骨 坡和元谋。过去六十年来，古地磁测年法在这些遗址的测年当中取得了很大进 展。对于小长梁和东固头的年龄推断得到了广泛的认可。朱日样等人”。对中国 造更新世产出古人类化石地层的磁性地层学研究进行了总结( 图卜3 ) 。值得注 意的是，岩石层位学对于在中国南部黄土古土壤序列中的工王陵遗址的年代确 定给予了相当大的帮助。 中国黄土被划分为晚更新世的马兰黄土，中更新世的离石黄土和早更新世 的午城黄土。单个的黄土古土壤序列则由顶到底命名为：s 0 ，l 0 ，s l ，l 1 l 3 2 ， $ 3 3 ，l 3 34 3 。岩石层位学和岩石磁性地层学对中国黄士高原上的地层对应具有 很大帮助。 目e c r o ns “0g p t sh c m i r n 叩 f m y 吩 c l f o np a e o l l t h i cp 轴5 d “、噼j _ _ _ 0 j l i b e a g 龇鳟日g x i h 。u d l ， x m 锄h a 驴a n z 0 0 n 厶y u c “ 目卜3 中国古人奚遗址年代地层与标准极性年表对肛图“1 空心三角点的古地磁学研宄结 果相对实_ 三角点要不确定。 f i g ur e1 3d i a g r a m s h o w i n gt h ec ：t o i t os t r a t igr a p h yo fp a t 0 0 1 i t h - cs i t sr e a tb d t ot h eg e o a g n e t iop o l a r i t yt i m es c a t c -一_m、_，_1_1一1_m矗翟。： 太原理。1 火学硕士研究生学位论文 磁性地层学结合上岩石层位学和岩石磁性地层掌己被证实为更新是古人类 遗址测年的一项有力工具。然而对于年轻的遗址，磁性地层学就不那么有效 了。因为布容正向极性期间的极性漂移在黄土高原上很少有记载。 我们的研究队伍( 太原理工大学的苏朴教授，卑尔根大学的拉乌列教授以 及充两校学习的硕：t 研究生龚志红，刘平霍浚杰) 对丁村5 4 ：1 0 0 点周围剖 面以及类似的古文化遗址进行了长达8 年的磁性地层学研究而没有结论。丁村 沙砾层e 部的地层大约有2 0 米，其中发有发现任何极性漂移或者倒转。其磁化 率剖面对比洛1 l 的磁化率剖面( 中国黄土高原上的标准剖面) 并不具备显著的 可比特征。所以有必要在附近区域研究较长的剖面。 2 0 0 4 年，我们对7 9 ：0 2 号点附近的南寨剖面进行了初步研究。该剖面高 约6 0 米，距离r 村2 公旱。尽管浚剖面地层主要是似黄土古土壤沉积物，该剖 面明显有别于典型的黄土古土壤序列j 该剖面下部有一层灰绿色的粘土层，没 有发现在黄土高原上常见的碳酸钙结核，最近的野外观察发现了9 层薄沙层。 该论文中所展示的南寨古地磁学结果只具有正相极性。然而，如果南寨剖 面具有与洛川剖面相当的沉积速率，6 0 米连续的沉积物除了整个布容正极性以 外，还应当包含部分松山负极性。 本论文将对有关南寨i ，面的所有研究结果及其年代进j 。讨论，蓟在该】：苎_ 域 的构造地质状况的基础之上提出一襄汾拙区第四纪的区域沉积模型。 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章地质背景 丁村位于中国山西襄汾汾河东岸。地处汾河盆地的下游部分临汾盆地。汾 河是黄河的三大支流之一，在运城河津汇入黄河。汾河盆地位于黄土高原末 部，气候温和，年平均降水量在4 5 0 毫米左右。1 。大部分的降水量是由温暖潮 湿的夏季风带来，寒冷干燥的冬季风则导致集中的沙尘暴和黄土沉积。该区域 一般都有厚层的黄土沉积。 该区域地震活动频繁。临汾龠地有两次大规模的地震得到了史料记载 1 3 0 3 年的临汾地震和1 6 9 5 年的洪桐地震，规模都大于8 级“。 山西地堑由大同盆地，太原盆地以及临汾盆地组成。扮河切割下游两个贫 地( 太原贫地和临汾盆地) ，形成5 级河谷阶地。盆地内部分充满了河流相， 湖相沉积物，第四纪黄土在该区域也有沉积。丁村5 4 ：1 0 0 号点位( 图1 2 ) 的 地层在袁21 中描述。 羹錾i w m 眨l m w 一 型m * 一 - w 口# l ：= m 。 同2 - 1 中国黄土高原东商：之缘简要地图1 。丁科i 轰i , i 点_ i 于皓汾盆地之中 f i g 。e2 - 。s i m p l i f i e dn l a p 。f ：as t pnm a r g i no fc ，p 太原理 人学硕k 研究生学位论文 图2 - 2 中国北部晚新生代板块旋转示意国“。， f ig u r e2 - 2s i m o l i f ib dm a po fl a t ec o n u z o i 。d e f o r m a t io i l a n dbl o c kr o t a t i o nsi n f l o r t hc h i n a 袁2 - i5 4 ：l00 点位地层描述 t a b l e2 - 1 d es c r i p t i o no ft h es t r a t aa tl o c al i t y5 4 ：l0 0 地层岩性描述 9 冯兰黄土 ， 8微红色土壤，缺乏碳酸钙结核，有别于当地离石黄土。 7灰白色沙质粘土 6沙砾层，有粗沙和小砾石组成。底部肯大量从第五层剥离的粘土碎屑。 5 焚绿邑沙质粘上，含钙质丰富，发育水平层理。该层项部为侵蚀面。 4 斧足动物化石层：交错层理发育。合有大量厚壳斧足动物。 3黄绿色粘土，钙质胶结致密，交错层理发育。 2 凝结层：磨同度相对较高的钙结核和砾石。 1 砂柑：狄黄色粗沙，中度跤结，底部不。j 见。 7 查堕望三查堂堡主竺墨生鲎笪堡奎一 图2 - 3 南寨剖面附近的79 ：0 2 点位地层剖面t 3 ，t 4 ：河谷阶地“i 。 f i g u r e2 - 3 t h es t r a t as e c t i o no fl o c a l i t v7 9 ：0 2 n e a rn a n z b a i s e c t i o n 、 表227 9 ：0 2 号点位地层岩性描述 t a b l e 2 - 2d e s c f ip t i o n ft h es tr a t aa tt h el o c a l i t y7 9 ：0 2 地层岩性描述 1 2 红色故上壤，禽少量碳酸钙结核( 2 5 m 】 1 1 灰绿色沙质粘土( t m ) 1 0 黄色沙质粘上，中上部含曲层律砾石( 1 79 m ) 9 浅红色粘土( 3 m ) 8棕色土壤f 2 4 m ) 7 棕红色粘土f 2 2 m ) 6 灰色粗沙层，底部青3 - 5 c m 的钙质腔结层。该层出上石器。( 4 m ) 5沙质粘l 层，水平层雹发育f 1 07 m 1 4 扶黄色细沙层( 2 2 m ) 3 灰棕色沙质粘上居( i1m ) 灰绿色沙砾层，交错层理旋育。还发现有沙土镜和粘土球。砾石位于该层f 2 步，主要由磨目的碳酸钙结核，砂岩以及燧石组成。( 7 m ) 1 扶黄色粗砂岩( p l 见i r a ，不见底1 在7 9 ：0 2 号点位附近，岩性r 分不同( 图2 - 3 ) 。该剖面甍5 5 米厚，岩胜 在表2 - 2 中描述。 在中国黄土高原上，与黄土比较起来，古土壤具有较深的颜色和较高的磁 化率。在野外，黄土和古土壤从颜色上可以很容易的区分出来。遗憾的是，南 寨剖面的岩性资料在野外并没有做详细地记录。 根据在野外对岩性的初步观察以及磁化率和频率磁化率记录，南柴剖面地 层可以划分为4 层。( 见图4 - 1 ) 第四层：黄土古土壤 8 太原理工大学硕七研究生学位论文 第三层：再沉积的黄土和古土壤 第二层：狄绿色粘土 第一层：底部是沙砾层，可能暗示该层沉积物为河流相沉积物，或者再沉 积黄土。 该区域的沉积历史复杂，地层没有一致性。汾河的形成以及导致河谷阶地 形成的构造活动历史并不是十分清楚。除了正常的河流沉积之外，第四纪的黄 十沉积和古士壤的发展演化也需要考虑在内。 。胡小猛等人提出在早中更新世期间汾河盆地内存在古湖泊，河流系统。如 果事实如此，第四纪黄土不仅会在该区域正常沉积，还会在湖泊中沉积，并被 河流重新搬运沉积。在7 9 ：0 2 号点位第二层沙砾层中出现有碳酸钙结核和粘士 球，可能是上游黄士古土壤遭受河流侵蚀的残余物。这些观察的重要性有待进 一步的研究。 9 太原理工大学硕士研究生学 ! ! ) ：沦文 3 1 南寨剖面 第三章野外工作 南寨剖曲位于南寨村附近，距离丁村大约2 公里( 图1 1 ，图3 1 ，图3 2 ) 。该剖面大约6 0 米高。底部是沙砾层，偶见磨圆性极差之漂石。沙砾层顶 部9 米以上有一层l 米左右后的灰绿色粘土层。黄土和古土壤在该剖面上也有 发现，但是区别不明显。之后的野外观察在该剖面中还发现了9 层薄沙层。 图31 南寨剖面周迫环境照片。白色虚线指示黄土峭壁之后的南寨剖面。 f i g u r o3 - 1p c t u r es h o w i n gt h er e l a t i o a s h i pb e t w e e n t h on a n z h a iv ia g ea n dl o c a t i o no fn a n z h a i s e c t i o n 1 0 太原理工大、硕士研究生学位论文 3 2 样品收集和准备 每隔3 0 c m 在剖面上清理一水平层面并采集两个样品做古地磁研究之用。 样品由72 c m 3 圆柱形的塑料盒采集。塑料盒直接由大拇指垂直按入水平层面， 并使用罗盘保证塑料盒上的方位标示指北。 该剖面共采集1 9 7 个样品，其中1 2 5 个自然干燥后被小心取出并标泣样品 号以及方位。 图3 2 南寨剖面的正面照片剖面底部沙砾层以及采样路线郝在图e e 标出 f i g u r e3 2f r 0 1 ：tv i e wo ft h en a n z h a is e c t i o n 太原理工人学硕士研究生学位论文 4 1 磁化率 第四章方法与实验结果 磁化率( m s ) 是古地磁学和岩石磁学研究当中一个基本的参数。其被定义为 感应磁化强度( 3 r s o ) 与外在磁场强度( h ) 的比值。体积磁化率被赋予国 际标准单位( s i ) ，物质磁化率( x ) 的单位则是r f l 3 k g - 1 。 磁化率的测定主要应用了巴廷顿一m s 2 系列和卡珀桥一2 仪器。前者的精度在 1 0 s i ，后者的精度则在1o _ 8 s i 。 m s 2 e 被采用测定南寨剖面的表面磁化率，m s 2 b 则被用来测样品的频率 磁化率。k l y 一2 也被采用测定单个样品在两个不同温度下的磁化率。 单畴，假单畴，多畴磁洼颗粒的磁化羞与测试磁场的频率无关。然而由r 超顺磁性颗粒( s p ) 的预驰时间很短，在高频磁场下其磁化率值要低于低频磁场 下的测定值。这样一来，s p 颗粒就成为频率磁化率的主要来源。 s u n “，l i u 等，d ：q 的研究显示古上壤中较高的频率磁化率，胃且磁化率和 剩磁在低温f 以及c b d 处理之后有着显著变化，这些结果表明s p 颗粒在古土 壤中的丰度显著增加。这些s p 颗粒的可能是在古土壤的成土过程中形成”“，也 可能来源于古土壤形成时期中丰富的降水“5 “1 。 虽然古土壤中的频率磁化率普遍高于黄土，但是也有研究指出黄土也有相 当高的频率磁化率1 6 ”1 。 4 1 1 南寨剖面磁化率和频率磁化率 图4 - 1 中显示了南寨剖面的磁化率和频率磁化率结果。根据磁化率曲线 以及野外的实地观察，陔剖面地层可以被划分为四个u n i t 。 u n i tt ：底部。些样品含沙，频率磁化率很低( 4 ) ，上部频率磁化率升 高。可能是古土壤。 u n i t 2 ：磁化率值极低，只有本剖面磁化率最高值的5 ，频率磁化率也非 常低，表明该层磁性颗粒含量少，很有可能是湖相沉积物。 u n i t3 ：磁化率和频率磁化率益线的变化十分频繁，难以区分黄土和古土 壤。 u n i t4 古土壤和黄土可以区分出来。古上壤对应较高的磁化率和频率磁化 率，而黄- h j 对应较低的磁化率和频率磁化率。 1 2 太原i 里下火学硕+ 研究生学位论文 图4 + 2 是低频磁化率和频率磁化率的关系图。图中显示较高的磁化率一般 对应了较高的频率磁化率。但是仍有两组少量的数据点不在大趋势中。 引 1 0 o m s 2 e ( 10 4 s 1 )m s 2 b ( 10 1 m 3 k g 1 ) f d 01 0 02 0 03 0 00 8 0 1 6 02 4 00 481 2 l j j 1 l l jl j 上l l j _ jl j j l l j s o i f - 一二蔓一 之 旁 u n i t k 二 季霉气 e j = d 兰静 建 u n i t 墨 争 u n i t 芦 警i rj _ u nl t 目因l o e s s 口r e d e p o s i t e di o e esa n dd a fj o s o i l s ? f - 1p a l e o s o l 豳l a c u s t r i n es e d i rl e n t s 图4 - 1 南寨剖面的磁化率厦频率磁化率曲线图。结合野外观测，告c 面被划分为四部分 f i g u r e4 - it h em sa n df d ) 6p r o ll l eo ft h en a n z h a is e c t i o n d 3 2 1 一e 一口m ci面盘oeo扛兰9m工 奎矍垄三苎；堂堡主堑壅兰堂垡堡苎 一 掌 叠 1 5 1 0 5 0 04 08 01 2 0t 6 02 0 0 2 4 0 k l f ( 1 0 - 5 s i ) 图4 - 2 一寨剖面样品低频磁化率和频率磁化率关乎图。两鲤异常数据由红线圈当 f i g ur e4 - 2t h er e l a t o ns h ipb e t w e e nt 1 1 。1 0 wf r e q u e n c ym s a n d f d o fs a m p l esf r o mn a n z h a is e c t i o i l 41 2 室温和低温下的磁化率 单个样品的磁化率由其所含有的铁磁性，反磁性和顺磁性矿物和超肟随颗 粒( s p ) 共同决定。这四种类型的矿物颗粒的磁化率随着温度有着不同的变 亿。随着温度的变化，其中反磁性矿物磁化率保持不变：而顺磁性矿物则根据 居里定律来变化；铁磁性矿物中磁铁矿的磁化率可能在冷却到1 2 0 k 时降低 8 0 ，但是也可能保持不变。 s p 颗粒在室温下有很高的磁化率，但是经过液氮冷却到7 7 k，部分s p 颗粒“j 能越过单畴颗粒的界限，磁化率从而因此下降很多。 南寨样品的磁化率不仅在室温下被测定，其中8 5 个样品还在液氮中冷却 2 0 分钟，并在低温下( 7 7 k ) 也测定其磁化率值。对于室温下磁化率和低温磁 化率的调查可能揭示出南寨样品中四种不同磁性矿物颗粒对磁化率的不同的贡 献。 图4 3 昆示了低温下磁化率和室温下磁化率的兰系图。两个温度下的磁化 率有着良好的线性关系，其比率为o6 1 。 1 4 太原理t 大学硕士研究生学位论 对于反磁性矿物，该比率应为1 ：对于顺磁性矿物该比率应该为 m s 2 7 3 k m s 7 7 k 约等于38 3 。对于多畴及似单畴磁铁矿物颗粒，该比率可能为 l ，或者略大于0 2 ( 如果存在v e r w e y 转换) 。 图4 4 中显示高磁化率样品具有较低的比率，说明其中s p 颗粒占主要地 位。 一 图4 - 5 是南寨剖面中等参数随着深度的变化曲线。 o c ，) 0 o y k 苫 2 0 0 1 6 0 1 2 0 8 0 4 0 0 05 0 1 0