古地磁讲课2-构造磁学

5古地磁技术与构造磁学

Appliedintectonics

一、古地磁样品的采集与定向二、退磁技术与数据分析三、稳定性检验(数据的可靠性)与数据统计四、古地磁在大地构造和古地理重建中的应用几个概念的回顾地磁场在地表有规律分布地磁要素剩磁、铁磁性岩石的天然剩余磁性热剩磁（TRM）、化学剩磁（CRM）、碎屑剩磁（DRM）、等温剩磁（IRM）等地磁场在地表有规律分布从地表观测地磁场地磁要素剩磁Mr铁磁性Ferromagnetism具有原子磁矩，原子磁矩之间有相互作用，原子磁矩与外场和热能有相互作用

一般地说:上述四种通称为铁磁性严格地说:Ferromagnetism才是铁磁性，地球上无Ferromagnetism

在古地磁(甚至磁学领域)人们认为的一些重要铁磁性矿物，实际上主要是Ferrimagnetism（亚铁磁性）CantedantiferromagnetismImperfect

bcd

none剩磁的热行为：当温度增加时，晶格会扩展，交换作用会变弱；高于每种晶体类型的特定温度（居里温度Curietemperature，Tc），相互作用的电子自旋行为会完全消失，物质就变成顺磁性了。温度

剩磁冷却加热Tc岩石的天然剩余磁性铁磁性矿物（如磁铁矿、钛磁铁矿、赤铁矿等）具有一种重要的物理特性——磁滞现象，因此具有铁磁性矿物的岩石，在遭受磁化后其磁化强度不仅与外磁场和温度有关，还与它们磁状态的全部历史有关。把岩石在天然状态下获得的磁矢量，叫做岩石的天然剩余磁性，通常以NRM表示。一般来说，NRM不只包含一种成分，除岩石生成时的原生剩磁外，还有次生剩磁，次生剩磁可以掩盖或改变原始剩磁。天然岩石剩磁NRM=原始NRM+次生NRM

物质中的剩余磁性类型天然剩磁（NRM）：岩石、沉积物和土壤等天然物质通过某些天然作用获得的剩磁，特点是剩磁较弱但很稳定，在强度上为各种类型的剩余磁化强度的总和热剩磁（TRM）磁性矿物在天然磁场中从居里点以上的温度冷却下来获得的剩余磁化强度化学剩磁（CRM）磁性矿物在居里温度以下发生化学变化，当磁性颗粒生长到临界体积（超顺磁单畴与稳定单畴的界线）时外磁场就被固定在该颗粒，从而获得的剩余磁化强度碎屑剩磁（DRM）碎屑磁性颗粒（已获得热剩磁或化学剩磁）在介质中沉降时使自己的净磁矩沿外场方向排列产生的剩余磁化强度弱场常温或实验室条件获得的剩磁粘滞剩磁（VRM）样品在新的外场作用下获得的剩磁，与时间密切相关等温剩磁（IRM）样品在特定温度（如室温）条件下受稳定磁场作用获得的剩磁，剩磁的大小依赖于所加稳定磁场强度非磁滞剩磁（ARM）在弱恒定磁场存在的情况下，使样品经受强的并平衡地降低到零的各类交变磁场作用获得的剩余磁化强度热剩磁（TRM）

磁性矿物在天然磁场中从居里点以上的温度冷却下来获得的剩余磁化强度。岩浆岩在形成过程中，从高温的岩浆逐渐地冷却。在尚未完全结晶之前，其中的铁磁性矿物组分当温度冷却到接近于它们的居里点(一般是在700－500℃)或再低时，因为受到当地当时地磁场的作用而平行于地磁场的方向被磁化，直至矿物继续冷却到通常的温度，矿物仍在继续磁化并保留着当时所获得的磁性。这种磁化过程叫热剩余磁化，按照此种方式产生的天然剩余磁性叫热剩磁。当外磁场较弱时，热剩磁的方向不仅与外场平行，而且它的大小与场强成正比。

地磁场中，岩石样品如果在低于居里温度条件下冷却时，从温度t1冷却到t2

过程中得到的热剩磁就称为部分热剩磁（PTRM）。若岩石在磁场中经过各个温度区间冷却，则在各个温度区间所获得的热剩余磁性彼此无关，这称为部分热剩余磁性定律。PTRM的总和等于从居里点冷却到室温过程中所获得的总的热剩余磁性TRM（即TRM＝∑PTRM）。然而，剩余磁性最大变化发生在接近于居里点的温度区域，这个开始突变的温度点叫阻挡温度。在阻挡温度以下，热剩余磁性自发衰减的弛豫时间很快地增加。热剩磁的强度较大而且较稳定，在温度变化的情况下，如果对铁磁性物质也引用磁化率这个概念的话，那么磁化率是随温度而变化的，不是一个常数。当温度接近居里点时，磁化率急剧下降到零。如果岩石含有多种铁磁性物质，那么岩石就有多个居里点。磁性驰豫—Magneticrelaxation超顺磁—Superparamagnetism阻挡温度—Blockingtemperature

Mt=M0e–t/τ

τ=feE1/E2=fexp(vHcJs/2kT)化学剩磁（CRM）

磁性矿物在居里温度以下发生化学变化，当磁性颗粒生长到临界体积（超顺磁单畴与稳定单畴的界线）时外磁场就被固定在该颗粒，从而获得的剩余磁化强度。一些沉积岩含有化学作用形成的铁质矿物，它们在岩石中有些呈氧化铁胶结物，有的以薄膜形式包在非铁磁性碎屑颗粒的外围，还有的以氧化铁的微小尘埃形式杂乱散布。在沉积形成过程中，它们均按照地磁场的方向磁化，这种磁化产生的剩余磁性就是化学剩磁。潮热气候条件下生成的陆相红色岩层和含赤铁矿的石灰岩及红色泥灰岩，都是化学剩磁的重要岩石类型。其强度和稳定性都可同热剩磁相比。

碎屑剩磁（DRM）

碎屑磁性颗粒（已获得热剩磁或化学剩磁）在介质中沉降时使自己的净磁矩沿外场方向排列产生的剩余磁化强度。母岩碎屑中具有磁铁矿和赤铁矿等铁磁性矿物，它们经风化作用而变成极微小的碎屑质点，在成岩作用过程中，受当时当地地磁场的作用，这些磁性颗粒便平行于地磁场的方向作定向排列而沉积下来，这种磁化叫碎屑磁化。按照碎屑磁化方式，在成岩、石化阶段后保存下来的这种天然剩余磁性就叫做碎屑剩磁。

等温剩磁（IRM）

样品在特定温度（如室温）条件下受稳定磁场作用获得的剩磁，剩磁的大小依赖于所加稳定磁场强度。在远低于居里点的恒定温度下，岩石受到较强外磁场的磁化而获得的剩磁，等温剩磁与热剩磁相比，强度较强，稳定性较差。在自然界中，无论是沉积岩还是岩浆岩，都能够附带地获得等温剩磁。它是在正常温度条件下经受到地磁场的长期作用而产生的剩磁。

粘滞剩磁（VRM）

样品在新的外场作用下获得的剩磁，与时间密切相关。在常温下，弱的外磁场中，在几百万年的时间内，由于岩石中磁性矿物的磁畴受到规则的热搅动而产生的剩磁。粘滞剩磁同等温剩磁相比，较强也较稳定。非磁滞剩磁（ARM）

岩石同时受到交变磁场和恒定磁场的作用，当交变场逐渐减少到零时所获得的剩磁。压剩磁（PRM）

岩石在受到外磁场作用的同时又受到机械应力的作用而获得的剩磁。（压电石英？）一、古地磁样品的采集与定向研究目的不同，采样方法和要求也不同采样间隔地磁场非偶极子长期变化~105年构造磁学－古地磁数据覆盖时间间隔需不小于105年(Time-averagedpaleomagneticfield)采样点样品标本采样工具－汽油钻、电钻等汽油钻电钻老将出马古地磁采样特种兵小分队就在羊圈里安营扎寨吧，这里避风！昨夜下了场雪2007年的第一场雪？这才八月，显然下得早了些。驻地唯一的水源下了场雪，山还是那山，井还是那井……准备早餐午餐:吃个冷馒头也幸福！陷车了，怎么办？第二天又陷车了，怎么办？一挖二推三加油，使劲呗！胜利的喜悦钻样压水取样记录采样要求：年龄，岩性，分布，新鲜，稳定性检验通常表面风化可引起：磁铁矿－赤铁矿/铁的氢氧化物，导致由磁铁矿携带的NRM遭到破坏、形成次生CRM地形高点－Lighting-IRMThesamplesmustbeorientedbeforetheyareremoved.样品的定向FromTauxeFromTauxeFromTauxe手标本采样方法Iflargelocalmagneticanomalies,asuncompassorientationisrequiredFromTauxe定向器－－定向精度：~0.5o反倾向方位角倾角1（顶面水平时D=0O）倾角2（顶面水平时D=90O）二、退磁技术与数据分析Rocksbecomemagnetizedinavarietyofways.Bothigneousandsedimentaryrockscanbeaffectedbychemicalchange,therebyacquiringasecondarymagnetization.为什么要退磁处理？热退磁技术

磁性驰豫—MagneticrelaxationMt=M0e-t/ττ=feE1/E2=fevHcJs/2kTNRM18oC75oC100150250350400500550650600670updownEThermaldemagnetization

热退磁低温分量和高温分量（Kirschvink主分量分析法）低温分量和高温分量（Kirschvink主分量分析法）交变AF退磁技术Hc<=HAFAF退磁——两分量磁场(mT)TwocomponentsThreecomponents单个样品实验数据分析如何从一系列实验数据获得“原生剩磁”(实际是ChR)？ChRKirschvink,J.L.(1980),‘Theleast-squareslineandplaneandtheanalysisofpaleomagneticdata’,Geophys.Jour.Roy.Astron.Soc.62,699–718.主向量分析三、稳定性检验(数据的可靠性)与数据统计褶皱检验(foldtestorbedding-tilttest)100%unfolding50%unfolding砾石检验(conglomeratetest)倒转检验(reversaltest)烘烤检验(bakedcontacttest)侵入岩剩磁方向围岩剩磁方向1－Foldtest，bakedcontacttest

通过了这两种检验，仅说明是在褶皱或火成岩侵入之前获得的剩磁，而并不能说明ChRM就是Primary剩磁；但没有通过这两种检验，则说明ChRM肯定不是Primary剩磁！2－Reversaltest

通过了倒转检验，说明剩磁记录了某一地质历史时期不同地磁极性的信息。没有通过倒转检验，则说明正、反极性至少有一ChRM为Seconday剩磁。whereistheanglebetweentheunitvectorandthetruedirectionandisaprecisionparameter

Fisher分布(Fisher,1953)——球面上的正态分布

获得有地质意义的平均磁化方向：一组参加统计的剩磁矢量在单位球体上具有Fisher分布数据的统计与检验RNComputingameandirection

Fisher分布数据的统计与检验Dispersionestimatesk——precisonparameter平均方向与真方向的夹角影响古地磁数据准确度的主要因素

1.仪器精度等

2.样品定向

3.地层产状的测量

4.退磁是否完全

5.剩磁获得过程的不确定性

6.是否消除了地磁场长期变化

7.是否受到雷击的影响一致性检验方向的比较：N:I=51.7D=345.2a95=5.4R:I=-51.0,D=163.0,a95=3.6,Devi.=2一致性检验随机性检验：N=7,R=1.52,Rc=4.1895%一致性检验精度参数的比较：N=5,kb=5.17,ka=21.51,ka/kb=4.16F[2(N-1),2(N-1)]=3.4495%如何从实验数据计算

PaleomagneticPole?参考Butler书121-122页如何从实验数据计算PaleomagneticPole

如果己知样品产地的纬度和经度平均磁偏角D，磁倾角I，那么虚地磁极(VGP)的位置即地理纬度和经度由下列方程组决定：方向到古地磁极的转换

如何判断古地磁极是否可靠？

1地层年代－误差15Myr2至少6个采样点、每个采样点至少6块独立定向标本，每个采样点的95小于10度(新生代)或15度(中生代)3必须有退磁处理的数据

4必须通过褶皱或倒转检验

5选择稳定地块的古地磁极

6相近时代正负极性必须共扼

7古地磁极与现今地磁极不重合古地磁基本假设——轴向地心偶极子磁场tanI=2tan地磁极－Geomagneticpole79oN,289oEVGP－spotrecordingPaleomagneticPole－Time-averagedpaleomagneticfield一系列古地磁极构成视极移曲线Time-averagedpaleomagneticfield：

我们还无法确定消除地磁场长期变和非偶极子所需的时间段，但可以肯定在400年－5Ma之间几个基本概念4－古地磁在大地构造和古地理重建中的应用早古生代早期（寒武－奥陶纪）华北与扬子等中国主要地块均位于南半球中低纬度地区，且均与东冈瓦纳大陆相毗邻或属于其一部分.寒武纪华北与扬子为两个相互独立的块体，运动以平移为主，旋转运动为辅.NCB和YZB显生宙以来古纬度和磁偏角变化NCB和TRM显生宙以来古纬度和磁偏角变化YZB和TRM显生宙以来古纬度和磁偏角变化扬子与华北块体在印支期的对接过程是先东后西的闭合模式，东部的对接发生在晚二叠世，西部闭合时代为晚三叠世.西部对接－东部应力释放－俯冲陆壳部分折返侏罗-白垩纪蒙古－鄂霍次克海通过由西向东的逆时针旋转封闭印支期中央造山带的碰撞是由华北和扬子地块通过由东向西剪刀式顺时针旋转封闭实现的早三叠世中国东部地块陆内旋转模型示意图青藏高原及邻区大地构造简图Topographicmap

withatectoniccrosssectionfromIndiatoGobidesert

青藏高原大地构造演化示意图玉门部分样品的岩石磁学实验Magneticmineralogicalstudiesanddemagnetizationcurves.a:isothermalremanentmagnetization;b:magnetichysteresiscurves,c:thermomagneticexperiments.d:orthogonalvectorplots(thermaldemagnetizations).

玉门部分样品的退磁实验玉门样品的剩磁平均方向统计及褶皱检验Equal-areastereographicplotofsite-meandirectionsbefore(a)andafter(b)beddingcorrectionswiththeir95%confidencecircle.TheSouthandNorthChina(plusMongolia)blocksandtheSiberianCratonhavenotundergoneverysignificantinternaldeformationsincetheCretaceous,andhavenotbeenverysignificantlymodifiedbytheIndia-Asiacollision.N-SmotionbetweenTibetandSiberiaasoccuringintheQilianShan,whichhasclearlybeen,forthelast20Maofthecollision,thenorthernmargininwhichanincreasingfractionoftheIndia-Asiacollisionisbeingabsorbed.示例：鄂尔多斯块体的旋转（吴汉宁等，1992）古地磁研究表明，鄂尔多斯盆地白垩纪以来有22度的顺时针旋转；相对刚性的块体的旋转，致使鄂尔多斯块体周边产生一系列的拉张盆地：例如北边的银川盆地，河套盆地；南边的汾渭盆地等——盆地成因；在挤压区形成山体抬升：如六盘山；二级构造单元间的调整产生走滑断层（如离石断裂）。NNN’NN’限制边界的情况不限制边界的情况拉张区挤压区挤压区走滑断层走滑断层:例如离石断裂刚性块体的旋转在周边产生的作用从盆地看青藏高原演化1－元谋盆地开始沉积的时代是4.9Ma2－元谋盆地从4.9-1.4Ma发生了12度的顺时针旋转，这一旋转与红河、鲜水河－小江断裂的走滑运动相关古地理重建晚前寒武，随着1100Ma形成的Rodinia超大陆解体，全球进入“IceHouse”主要参考文献KerrRA,SCIENCE287:(5459),1734-1736,2000.KerrRA,SCIENCE288:(5470),1316,2000.JenkinsGS,SCIENCE288:(5468),975-976,2000.VincentWFetal.,SCIENCE287:(5462),2421,2000.RunnegarB,NATURE405:(6785),403-404,2000.HydeWTetal.,NATURE405:(6785),425-429,2000.寒武纪，生物大爆炸，冈瓦纳大陆（neartheSouthPole）形成奥陶纪，古生代大洋将Laurentia,Baltica,Siberia和Gondwana分隔.

奥陶纪末可能是地球历史中最寒冷的时期，这时，冈瓦纳大陆大部均被冰层所覆盖！劳伦古陆与Baltica碰撞，古太平洋北支封闭消亡；

珊瑚礁扩散，陆地植物开始在大陆上生长！泥盆纪，早古生代大洋消亡，形成了pre-Pangea，淡水鱼从南半球迁移到北美和欧洲随着古生代大洋的消亡，古欧美和冈瓦纳开始碰撞，形成了Appalachian造山带北美和欧洲大陆与南冈瓦纳大陆碰撞，形成了西Pangea二叠纪，西Pangea出现大面积的沙漠，爬行动物南北相互迁移；

99%生命在大灭绝事件中消失，标志古生代的结束Pangea超大陆的形成，使得陆地动物可以在南北极间迁移，在二叠－三叠生物大灭绝后生命重新开始向多样性发展；暖水动物在Tethys发育南亚、中亚形成，一个宽阔的Tethys将南北大陆分隔，尽管Pangea还是完好的，但已经可以听到大陆解体的隆隆脚步声！

Pangea大陆开始解体，中大西洋重新将北美和非洲分开，同时东西冈瓦纳开始分离到晚白垩，南大西洋张开，印度开始与Madagascar分离，向欧亚大陆运动由于远离冰期和人