泥河湾盆地大长梁剖面河湖相沉积序列的细腰磁滞回线性质及其环境意义.docx

1、第27卷第6期2007年11月第四纪研究QUATERNARYSCIENCESVol.27,No.6November,2007文章编号1001-7410(2007)06-1072-09泥河湾盆地大长梁剖面河湖相沉积序列的腰磁滞回线性质及其环境意义*敖红刘彩彩邓成龙（中国科学院地政与地球物理研究所岩石圈演化国家重点实脸室.北京100029）摘要对华北泥河湾盆地大长梁剖面更新世河湖相沉积序列进行的多参数岩石磁学研究表明磁佚矿和赤铁矿是大长梁剖面最主要的磁性矿物。磁铁矿的粒度主要为准单畦和多畴，主要来自盆地周围侵蚀的碎屑矿物；赤铁矿主要为风成成因，来源于中国西北部的黄土高原或沙漠地区的化学风化作用产物

2、；某些沉积层中还含有主要由碎屑成因的粗颗粒磁铁矿经低温氧化形成的磁赤佚矿，该过程可能与泥河湾古湖的氧化环境演化密切相关。大长梁剖面的破滞回线大多具有细腰特征，细腰的明显程度主要由样品中磁铁矿和赤怏矿的相对贡献控制。因此，细腰磁滞网线可以用来衡量泥河湾河湖相沉积物中赤铁矿的相对含锹，并进而在一定程度上指示亚洲内陆干早/半干早地区化学风化作用的强弱以及相对温湿或冷干的气候环境变化。主楚词泥河湾盆地岩石破学环境磁学细腰磁滞回线中图分类号P3I8.4I文献标识码A第一作看简介：放红男25岁博士研究生岩石磴学与环境破学专业E-mail：ah©maiLiWca»国家自然科学基金项目（批

3、准号：40221402和40325011）和中国科学院知识创新工程项目（批准号：KZCX3.SW-150）资助2007-06-15收稿，2007-07-25收修改稿泥河湾盆地不但发育了典型的晚新生代河湖相地层，还保存了众多的早更新世旧石器遗址和哺乳动物化石（，'7Jo自Barbour报道并命名“泥河湾层”以来，泥河湾盆地新的发现层出不穷，成为研究中国北方第四纪地质与环境、新旧石器和早期人类演化的一个重点地区。近年来，高分辨率磁性地层学研究为该盆地古人类活动遗址和晚新生代地层划分对比提供了比较精确的年代框架（9'，91o然而，由于泥河湾河湖相地层的复杂性以及多种因素的控制，精细地

4、解释沉积物的岩石磁学性质，从而进一步探讨该地区第四纪环境变化等问题一直是泥河湾盆地研究的重点和难点之一。泥河湾盆地许多剖面的沉积物的磁滞回线都具有细腰特征!9>20）,但由于研究重点的不同以及问题的复杂性，例如磁性矿物的种类、粒度和含量的变化都能对磁滞性质产生重要影响，以前的研究大多都未对其进行精细地研究和分析。细腰磁滞回线）包含了丰富的岩石磁学和古环境信息，例如Deng等用细腰磁滞回线的变化特征来反映中国黄土/古土壤序列中成土作用的变化。结合其他岩石磁学参数对泥河湾河湖相沉积物的细腰磁滞回线进行详细的研究，不仅有利于更好地理解其岩石磁学记录，而且有助于进一步探讨其潜在的古环境意义。本文

5、对泥河湾盆地大长梁削面河湖相沉积物进行了详细的多参数岩石磁学研究，并着重对其细腰磁滞回线的成因和影响因素等进行了细致的分析，为深入探讨泥河湾河湖相沉积物中磁性矿物颗粒的搬运、沉积和转化与沉积环境、古气候变化之间的关系提供岩石磁学基础。1实验材料与方法本次研究的地点大长梁（又名仙台）剖面（40。13.126'N,114°39.623'E）位于泥河湾盆地东部边缘，与著名的小长梁剖面'槌相距约200m（图1）。大长梁剖面连续地记录了布容（Brunhes）正极性和松山（Matuyama）负极性时，哈拉米洛（Jaramillo）和奥杜韦（Olduvai）正极性亚时。这里

6、河湖相沉积序列厚64.5m,主要为湖滨相粉砂和粘土；上覆全新世土壤（S°）（0.4m）,末次冰期黄土（L,）（5.75m）和末次间冰期古土壤（S|）（2.3m）；下伏侏罗纪火山角砾岩。我们在剖面深度11-73m范围内以20-40cm间距共采取了196块定向样品用于磁性地层学研究。结合地层岩性，选择了20图I泥河湾盆地大长梁剖面位置图Fig.1SchematicmapoftheNihewanBasinandtheDachangliangsection图I泥河湾盆地大长梁剖面位置图Fig.1SchematicmapoftheNihewanBasinandtheDachangliangse

7、ction余块未经过系统退磁处理的散装样品进行岩石磁学研究。磁滞回线、等温剩磁（IRM）获得曲线及IRM15T（1.5T下获得的IRM）在直流场中的退磁曲线均采用美国普林斯顿仪器公司生产的MicroMag2900型变梯度磁力仪进行测量。Pike等如和Roberts等提出可以用一系列所谓的“一级反转曲线”（firstorderreversalcurve,简称FORC）来描述磁滞特征。测量FORC,就像大多数磁滞测最一样，先将样品饱和磁化，然后将磁场降低到某一磁场,后再将其进行饱和磁化，从H,到饱和磁场间的磁化曲线就是一条FORC（/.）,其上任意磁场对应的磁化强度就可表示成M（H.,%）。通过测

8、鼠不同/.值下的FORC,又可得到不同的融（比，/k）,将测得的所有M（H.,%）值对H,和乩求二阶导数就可得到M（H.,H。在（H.,%）平面上的分布，即FORC图。磁化率随温度变化（X-H曲线采用捷克Agico公司生产的KLY-3s型卡帕桥及其CS-3温度控制系统进行测量。所有样品的最高加热温度都为700T,为了防止样品加热时被氧化，整个实毁都在氨气环境中进行。用磁天平（VFTB）在1T的磁场下测量饱和磁化强度随温度变化（虬-丁）曲线。低温剩磁测度在MPMSXP-5型低温磁性测试系统上完成。先将样品在零场状态下从室温（300K）冷却到5K,然后使样品在5T的磁场下获得饱和等温剩磁（SIRM

9、）,然后测最其在升温到300K过程中的变化。以上所有的岩石磁学实验都在中国科学院地质与地球物理研究所古地磁与年代学实验室完成。2实验结果与分析2.1磁化率随温度的变化特征图2典型样品的破化率防温度变化曲线粗线代表加热曲线.细线代表冷却曲线Fig.2X-TcurvesoftypicalsamplesfromtheDachangliangsection.Thickandthinlinesrefertoheatingandcoolingcurves,respectively(a)DCL04829.5m8060如207?Etop<、z所有样品在加热到大约585X时，磁化率都急剧降低，显示了磁铁矿

10、的居里温度（图2）。某些样品的加热曲线在2503001间存在一个隆起（见图3典型样品的磁化强度随温度变化曲线粗线代表加热曲线，细线代表冷却曲线；外加破场为1TFig.3Afs-TcurvesoftypicalsamplesfromtheDachangliangsection.Thickandthinlinesrefertoheatingandcoolingcurves,respectively.TheappliedfieldisIT图3典型样品的磁化强度随温度变化曲线粗线代表加热曲线，细线代表冷却曲线；外加破场为1TFig.3Afs-Tcurvesoftypicalsamplesfromthe

11、Dachangliangsection.Thickandthinlinesrefertoheatingandcoolingcurves,respectively.TheappliedfieldisIT图2c）,可能与弱磁性矿物在加热过程中转化成了别的磁化率较高的成分（例如，磁铁矿）'"-日，或超细粒（如在超顺磁（SP）/单畴（SD）界限附近）的亚铁磁性颗粒在加热过程中的解阻有关19-，0）;其后在300-5003C间磁化率的降低主要是由于亚稳态的磁赤铁矿的分解引起的,303，o弱磁性的赤铁矿在X曲线上的特征通常会被强磁性的磁铁矿或磁赤铁矿的贡献所掩盖而变得很不明显，然而我们的

12、加热曲线在585-6803C间仍然可观测到磁化率存在若微弱的降低（见图2）,这表明了赤铁矿的存在。大长梁剖面的大多数样品在加热冷却后都显示了磁铁矿的特征并伴随着磁化率的极大升高（见图2）,这主要由含铁硅酸盐/粘土矿物在加热过程中转化成磁铁矿引起”网。2.2磁化强度随温度的变化特征与X-7'曲线的结果一致，在加热到约585勾时磁化强度的明显降低也显示了磁铁矿的存在（图3）。然而磁化强度在加热到约585P时并未减小到最低，直到约680Y才减小到最低，这明确揭示了赤铁矿的存在。2.3IRM获得曲线及其退磁特征为了进一步确定大长梁剖面河湖相沉积物所含的磁性矿物种类，尤其是进一步确定高矫顽力赤铁

13、矿的存在，图4给出了典型样品的IRM获得曲线以及IRML5T（1.5T下获得的IRM）在直流场中的退磁特征。随着外加磁场的增加，IRM迅速增加，在300mT时就达到了IRM15T的80%左右，反映了低矫顽力磁组分（主要是磁铁矿）的存在；而在3001500mT间的继续增加进一步证实了样品中高矫顽力磁组分（主要是赤铁矿）的存在。IRMzt的反向退磁曲线通常具有两个不同的斜率段，且通常要等外加反向场达到70mT以上才能被完全退掉，这也表明了样品中同时含有低矫顽力的磁铁矿和高矫顽力的赤铁矿两种磁成分。图4典塑样品的IRM获得曲线及其反向场退磁曲线Fig.4RMacquisitionandDCdemag

14、netizationcurvesforsamplesoftheDachangliangsection2.4FORC图FORC图能非常有效的判别磁性矿物矫顽力和粒径的分布以及各种磁相互作用等,24125>3JoSD磁性颗粒通常会在FORC图上沿=0轴产生同中心闭合等值线；MD（多畴）和SP颗粒都不会产生闭合的等值线，而在He=0轴有较大的垂直分布。但SP颗粒引起的垂直分布通常小于lOmT,且较陡;而MD颗粒引起的垂直分布通常大于30mT,且相对较缓商。PSD（假单畴）颗粒的FORC图同时具有SD和MD的特征，中间的等值线闭合（像SD），外面图5典邸样品的FORC图Allderivedwit

15、hasmoothingfactorof4平滑因子(smoothingfactor)邯为4Fig.5FORCdiagramforDCL048(a),DCL103(b),andDCLI77(c).的等值线不闭合伴随着在/=0轴上有较大的垂直分布（像MD）3。大长梁制面的大多数样品在FORC图上都有较高的矫顽力分布，尤其是DCL048和DCL103.其最大矫顽力都超过120mT（图5a和5b）,这一特征与前面实验和1RM获得曲线）显示样品中有赤铁矿存在是一致的。大多数样品的FORC图都没有明显地揭示SD或SP磁性颗粒的特征（见图5）,表明SD或SP亚铁磁性颗粒在大长梁河湖相沉积序列中含量:较低。另外

16、，大长梁沉积物的频率磁化率（&%）通常小于5%,也表明SP的磁性颗粒含量较低。DCL177在/"lOmT处显示了少鼠的几条沿比=0轴的同中心闭合曲线（见图5c）,这可能意味着样品中有少量的SD磁铁矿。但总体上来说，大长梁剖面的样品在FORC图中的性质基本由类似PSD或MD的磁铁矿主导，主要表现为不闭合的沿Hc=0轴有较大垂直分布的等值线。2.5细腰磁滞回线大长梁河湖相沉积序列的磁滞回线基本上都显示了顺磁性矿物的贡献,并且大多磁滞回线都具有细腰特征。图6给出了一些典型样品的磁滞回线。具有明显细腰特征的磁滞回线在500mT以前基本都没完全闭合,这表明样品中同时含有高矫顽力和低矫顽

17、力的磁成分：2，22：o例如.DCL048的细腰特征最明显（见图6a）,其在外加磁场高达800mTF还未闭合，指示了大址高矫顽力磁成分。而当细腰特征变得越来越不明显时，开始闭合的场强也逐渐减小。例如，DCL177（见图6h）的细腰特征已经不是很明显了，其磁滞回线在500mT左右就闭合了，而DCL002（见图6i）完全不具有细腰特征了，其磁滞回线在250mT左右就闭合了，这表明样品中主要含有低矫顽力的磁成分，高矫顽力成分的含量非常低。2.6低温磁性测某些磁性矿物的磁性在低温卜具有非常明显的特征（例如磁铁矿在120K左右出现的Verwey转变），而且低温磁性测址过程没有磁性矿物化学成分的变化，因而

18、可以准确地鉴别某些磁性矿物的存在"。样品在120K附近出现的Verwey转变进一步证明了磁铁矿的存在（图7）。Verwey转变在dM/dT曲线上.更为明显。DCL177的Verwey转变不如DCL103明显.这可能由于样品中磁铁矿的含量相对较小或表面部分氧化形成的磁赤铁矿减弱了磁铁矿的Verwey转变的。前者的解释与DCLI77具有较高的室温磁化率（见图2c）和磁化强度（见图3c）以及较高的，听丁比值（见图6e和6h.分析见后文）相矛盾°所以后者的解释相对合理些，这与X-7'加热曲线在300Y左右出现的反映磁赤铁矿存在的隆起（见图2c）也能形成很好的对应°

19、SIRM在从5K升温到50K时急剧减小，这可能是SP的磁性颗粒在低温卜的解阻）或非常细小的铁磁性颗粒的磁相互作用或表面效应（surfaceeffects）引起的。而FORC图表明矿物的磁性由较粗的类似PSD或MD的磁铁矿主导。因此，少量的SP或极细的铁磁性颗粒都不足以引起S1RM在50K以F能如此大幅度的减小。从而我们认为这一特征主要由顺磁性的含铁硅酸盐在低温下解阻引起的®，这与磁滞回线显示出的样品具有较高的高场磁化率的特征是一致的。3讨论3.1磁性矿物X-T曲线（见图2KM.-T曲线（见图3）JRM10-(b)DCL017at17.7mMJMO230.5-S5=075S*产0660

20、05-05-1H/mT05-05-10H/mT10(c)DCL100at49.3mS5=0.80I°'10-(a)DCL048at2905J5=524600-3000300600H/mT-100050010.(d)DCL070at37.BJB.-3.85S5".86-0.5-5r/l4?1L'1ro.H/mTOpO.70.80.91J/5300mT110-(0DCL103at50.5:以倍0.22Sgr=0.86.(g)DCL022at19.7mMJM,=0.24&财3.36/89/10-0.5(h)DCL177atSS.5m_奶.=0.16/8修3

21、.31(Sxo.r-091"io05(1)DCL002at11.4mBJB-2.68才S5Wffio-i°-/J-05-J0510f11l-VI111II1I1111I1.0250250H/mTH/mTH/mT05图6典型样品的敝滞回线以及B/B,与Sft关系图外加场为±1T?M为，化强度，为饱和破化强度，为饱和刺磴，8“为相娇顼力，B,为嶙顽力Fig.6HysteresisloopsforrepresentativesamplesoftheDachangliangsectionafterslopecorrectionforparamagneticcontribu

22、tions.Inthecentralportionofthefigureisthevsplot(e)10、,、/(a)DCL103505m030608(b)DCL17765.5m图7典型样品的低温退磴曲线（实线）及其求导曲线（虚线）Fig.7Thermalwanningoflowtemperature5TIRM(solidcircles)andthefirstderivativesdM/dTdashedline)获得曲线及其退磁特征（见图4）和低温剩磁测最（见图7）都表明磁铁矿是大长梁河湖相沉积序列的主要磁性矿物。磁铁矿粒径以PSD或MD为主，主要来自盆地周围侵蚀形成的碎屑矿物，是沉积物特征剩

23、磁的主要载体之一。泥河湾河湖相沉积物的另外一个重要特征剩磁载体是赤铁矿如，但它在X曲线上的特征通常不是非常明显，但Ms-7曲线（见图3）、IRM获得曲线及其退磁特征（见图4）、天然剩磁的系统退磁结果和磁滞回线在500mT的外场下都没有完全闭合以及伴随的细腰特征（见图6a6d）等多参数岩石磁学组合特征明确指示了高矫顽力赤铁矿的存在。泥河湾盆地沉积物中的赤铁矿主要来源于中国西北部的黄土高原或沙漠地区9.26,以坦。泥河湾盆地沉积物中风成成因的赤铁矿获得的沉积剩磁即为原生剩磁，并且同磁铁矿一样都携带了稳定的特征剩磁，两种剩磁的方向相近，都代表了沉积物的原生剩磁9-，0>，51o某些样品中还含有

24、磁赤铁矿，它可能由沉积后磁铁矿的低温纵化形成l，WW或者是来自中国西北部的黄土高原或沙漠地区由成土作用形成的磁赤铁矿，9.或玖32.初。从大长梁剖面的岩石磁学结果，例如，在X-T加热曲线300P左右有明显隆起的样品（见图2c）,而低温下的剩磁曲线却伴随着模糊的Verwey转变（见图7b）来看，似乎沉积物沉积后的原地低温氧化形成的磁赤铁矿占主导地位。如果磁赤铁矿和赤铁矿一样，都是来源于中国西北部的黄土高原或沙漠的风积物，那么磁赤铁矿也能像赤铁矿一样在泥河湾盆地再沉积的过程中获得稳定的原生剩磁，因为沉积过程不可能选择性的只让赤铁矿和磁铁矿获得原生剩磁。然而大量研究都表明泥河湾河湖相沉积物中的磁赤铁

25、矿不携带稳定的原生剩磁，而只是化学剩磁的主要载体；，-W>WJo而且，在中国黄土/古土壤中的磁赤铁矿主要是由成土作用形成的较细的SP或SD颗粒，通常具有较高的频率磁化率（11%14%）,其对古土壤磁性的增强具有重要的页献但是大长梁剖面的岩石磁学结果表明沉积物中SP或SD的磁赤铁矿的含量非常小，其频率磁化率不到5%。从而，我们认为大长梁河湖相沉积物中的磁赤铁矿主要是由于碎屑成因的较粗磁铁矿表面被部分低温觐化而形成的。那么，被低温氧化的磁铁矿必然不能位于深水处的还原环境下，只能位于靠近水面或直接暴露在水面之上的微氧或氧化环境中。由此可以推测出当时的湖水面与发生低温纵化的磁铁矿所在的地层层位落

26、差不大，从而由磁铁矿低温氧化形成磁赤铁矿的过程可以推测湖面在地质时期里的高低变化。例如，DCL177的X-T加热曲线在300Y左右具有一个明显的隆起，表明样品中有磁铁矿被部分氧化成了磁赤铁矿，从而可以推测在相应的地质时期里泥河湾古湖的湖面并不是很高。泥河湾河湖相沉积序列中含有的多层钙板和对古湖岸线变化的研究也表明古湖在地质时期内存在多次扩张和萎缩）。当湖盆处于萎缩期时，一些沉积物暴露出水面，其中有些粗颗粒的磁铁矿就被部分氧化形成磁赤铁矿。3.2细腰磁滞回线的特征及其古环境意义细腰磁滞回线通常是由矫顽力差异较大的两种磁成分引起的，而同一种磁性矿物的不同颗粒混合（如SD+SP或SD+PSD/MD的

27、磁铁矿）或不同磁性矿物的混合（如磁铁矿+赤铁矿）都能造成这种矫顽力差异：2，,22oX-F曲线（见图2）、岷-曲线（见图3）、IRM获得曲线及其退磁特征（见图4）、磁滞回线（见图6）和天然剩磁的系统退磁结果等组合特征表明大长梁河湖相沉积序列中同时含有赤铁矿和磁铁矿这两种矫顽力差异很大的磁性矿物。而F0RC图却表明矿物的磁性由较粗的准单畴（PSD）或多畴（MD）的磁铁矿主导，其与少髭SD或SP的磁铁矿混合也不会产生较大的矫顽力差异进而使磁滞回线产生明显的细腰特征。因此，大长梁河湖相沉积物的细腰磁滞回线的明显程度可能与样品中磁铁矿和赤铁矿的相对含虽有关。因为大长梁削面高低矫顽力的磁性矿物主要是赤铁

28、矿和磁铁矿，所以Sm,和可以用来进一步估算样品中磁铁矿和赤铁矿的相对贡献：SJOo.t=（IRMo.st）/（IRM2,7T）（1）其中IRMojt和IRM顷分别是样品在0.3T和2.7T外磁场下获得的IRM。比值越大表明磁铁矿的相对含量越高，反之则相反。剩磁矫顽力（4,）和矫顽力（R）的值分别由高矫顽力的赤铁矿和低矫顽力的磁铁矿控制，其比值Bct/Bc会随着赤铁矿的相对含量的增加而增加。当赤铁矿含量增加时，/耳和Sg值分别会增加和减小，即在两比值组成的B-S图中（见图6e）,位于左上角的样品含有相对较多的赤铁矿，位于右下角的样品含有相对较少的赤铁矿。随着（Sjoo*）值的减小（增加），大长梁

29、削面样品磁滞回线的细腰度也相应的减弱（见图6）。例如，DCL048（见图6a）的%/A（Sg）值最高（低），位于B-S图的左上角，其细腰特征最为明显；DCL177（见图6h）的Be/Bc（S）值较低（高），位于B-S图的右下角，虽然其可能有相对较多的SD的磁铁矿与MD的磁铁矿混合（见图5c），但是其细腰特征还是非常微弱，而DCL002（见图6i）则完全不具有细腰特征。这些多参数的岩石磁学组合特征表明大长梁剖面磁滞回线的细腰度主要由样品中磁铁矿和赤铁矿的相对贡献控制。泥河湾河湖相沉积物中的赤铁矿主要是风成成因的，它来源于中国西北部的黄土高原或沙漠地区的化学风化作用的产物中国西北内陆千早/半千早地

30、区夏季气温高、少雨，由干早的大陆性气候主导,这样的气候条件有利于化学风化作用形成赤第四纪研究第四纪研究1078铁矿”。记录泥河湾河湖相沉积物中赤铁矿的相对含械的细腰磁滞回线可能在一定程度上反映亚洲内陆地区化学风化作用的强弱。通常，在寒冷/干燥的冰期化学风化较弱，而温暖/潮湿的间冰期化学风化较强：261291O因此，泥河湾河湖相沉积物磁滞回线细腰度的强(弱)反映了赤铁矿相对贡献的多(少)，这可能反映了当时亚洲内陆地区化学风化的强(弱)，进而可能反映了该地区相对温暧/潮湿(寒冷/干燥)的气候环境。4结论对泥河湾盆地大长梁剖面多参数岩石磁学研究表明磁铁矿和赤铁矿是沉积物中主要的磁性矿物。磁铁矿以PS

31、D或MD为主，主要来自盆地周围侵蚀形成的碎屑矿物。赤铁矿主要来源于中国西北部的黄土高原或沙漠地区的化学风化作用的产物。某些沉积物中还含有主要由低温氧化形成的磁赤铁矿，该过程可能与泥河湾占湖的氧化环境演化密切相关。磁滞回线的细腰度主要由样品中磁铁矿和赤铁矿的相对贡献控制。因此，细腰磁滞回线可以用来衡量泥河湾河湖相沉积物中赤铁矿的相对贡献，并进而在一定程度上可以指示亚洲内陆干早/半干早地区化学风化作用的强弱以及相对温湿或冷干的气候环境变化。致谢与刘青松、张春馥、秦华峰博士的讨论给了作笔者很多启发，在此表示感谢。参考文献(References)1TeilharddeChardinP,Piveteau

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57、ENIHEWANBASIN,NORTHCHINAANDITSPALEOCLIMATICSIGNIFICANCEAoHongLiuCaicaiDengChenglong(StaleKeyLaboratoryofLilhoiphericEwluiion,InUiiiMcfGeologyandGeophysics,Chin*AcademyofScience，.Beijing100029)AbstractThefluvio-lacustrinesequenceofthePleistoceneageintheNihewanBasin,NorthChina,containshigh-resolutiona

58、rchivesofearlyhumanevolutionandpaleoenvironmentchanges.Inthisstudy,amulti-parameterinvestigationsuchasthehightemperaturemagneticsusceptibility(X-Tcurves)andmagnetization(Ms-Tcurves),IRMacquisitionandDCfielddemagnetizationofIRM(5T(IRMacquiresatanappliedfieldof1.5T),firstorderreversalcurve(FORC)diagramsymagnetichysteresisloops,andlowtemperaturedemagnetizationofsaturati