塔里木盆地化石层磁组构特征与古水流方向分析

张 雷，罗 俊，郭怀军，邹 宁

(西北大学地质学系/大陆动力学国家重点实验室，陕西 西安 710069)



塔里木盆地化石层磁组构特征与古水流方向分析

张 雷，罗 俊，郭怀军，邹 宁

(西北大学地质学系/大陆动力学国家重点实验室，陕西 西安 710069)

为探究微观磁组构特征与宏观沉积构造、长形生物化石特点等指标在恢复古水流向问题上的关联性，对塔里木盆地塔南地区的257块古地磁定向样品进行了磁组构特征研究。发现全剖面样品的磁化率最大轴赤平投影为南北方向，由于旱地冲积扇水动力较强，导致流水动力方向与磁化率最大轴方向垂直，指示古水流方向为东西向；而化石层围岩样品的磁化率主轴主要集中在90°方向，鉴于化石集中埋藏地区水动力急剧转弱，磁化率最大轴方向与古流向一致，这与长形骨骼展布方位的统计结果70°～115°相吻合，均显示自东向西，微观磁组构与宏观长形骨骼展布所指示的方向相一致。证实了在宏观条件不可见时，对沉积物进行大样品数量的磁组构分析可以便捷地承担该地区的沉积动力学辨识工作，并为进一步拓展化石埋藏学统计研究提供了可靠的依据和手段。

塔里木盆地；磁组构特征；古水流；磁性颗粒；沉积动力

沉积动力方向的确定对于判定物源方向、指示沉积环境演变以及揭示矿床和储层展布等有重要的意义。野外工作中常利用各种宏观沉积构造指标如断层和褶皱发育、地层倾伏方向、粒序层理(砾石和长形生物化石等的定向排列等指示沉积动力方向。除此之外，沉积岩自身的磁化率各向异性(Anisotropy of Magnetic Susceptibility, 简称AMS)也记录了相关的信息，并在恢复古流向的应用中取得重大进展[1,2,3]。磁化率各向异性反映了岩石中磁性矿物颗粒的磁化率在各个方向上的差异，可以用一个三维二阶的张量椭球体来进行表征[4]，并用Kmax、Kint、Kmin分别表示磁化率的最长轴、中间轴与最小轴，作为描述岩石磁组构的基本要素。

1 采样与测试

塔里木盆地，塔里木盆地位于中国西北部的新疆，中国面积最大的内陆盆地。盆地处于天山和昆仑山、阿尔金山之间。东西长1 500 km，南北宽约600 km，面积达53万 km2，海拔高度在800～1 300 m之间，地势西高东低，盆地的中部是著名的塔克拉玛干沙漠，边缘为山麓、戈壁和绿洲(冲积平原)(图1)。

本文所讨论的化石层位于塔里木南缘，呈透镜状产出，出露面积约为8 m2左右，围岩岩性为灰白色粉砂岩夹灰黄色细砂岩并含有少量泥砾。该化石层位所含化石主要是雷兽的股骨、胫骨等长形骨骼，保存比较完好，并有着良好的定向排布性，同时也含有小中型柱状的腕骨以及细小的化石残片，长骨(20 cm以上)约占整个化石层位的60%左右(图2a)。可见该层位属种较为单一，并且是经过搬运后再被密集埋藏的。一般认为，长形生物化石在弱流水动力作用下展布方向平行于古流向，且不规则骨骼其形状较大的一端指向水流上游[5,6]。测量和统计长形骨骼的倾向和倾角并绘制成极点图与频率玫瑰图(图2b)，发现这些长骨化石倾角一般在10°～25°左右(基本50%的数据显示)以70°～115°为展布优势方位，平均方向为97°，并且不规则长骨较大的一端多指向东。据此可以推断出古水流大致方向为自东向西。

图1 研究区地理位置

2 结果与分析

通过长形骨骼化石的展布得到古水流方向之后还需要运用磁组构的方法对其进行验证与对比研究。因此，在野外对化石层围岩以及塔南整体剖面均进行了定向手标本采样。其中对化石层围岩各个方向采集50块手标本，以求能够测量化石层周围各个方向的围岩磁组构对古水流向的响应(图3)，最后在实验室加工成定向测试样品102块；对塔里木南缘大致以30 cm的间距共采集手标本122块，在实验室加工成测试样品257块。全部样品的AMS测试均在西北大学大陆动力学国家重点实验室运用捷克AGICO公司生产的Kappabridge磁化率仪( KLY-4S，工作频率875 Hz，测试精度2×10-8SI)进行测试。

3 磁组构特征

磁组构的本质是岩石内部的磁性矿物颗粒在外力(如重力、挤压应力、水流等)作用下发生的重结晶、变形或定向排列，可以反映磁性颗粒的演化、宏观受力状况等地质过程[4,6,7,8]。描述磁组构的基本要素是磁化率各向异性椭球体的长轴(Kmax)、中间轴(Kint)和短轴(Kmin)的磁化率大小[4,9]，此外常用的参数还有磁线理(L)、磁面理(F)以及各向异性度(P)等[10]。

磁面理反映沉积颗粒呈面状分布的程度，磁线理反映沉积颗粒呈线状排列的程度。近年来的研究认为沉积岩在形成过程中其磁性矿物颗粒的排布受重力影响最大，所以磁面理较磁线理发育，磁化率张量椭球以压扁状为主[11,12,13,14]；而在构造活动强烈的地区，受到挤压应力的影响，磁线理会更为发育。通过化石层与全剖面的F-L图(图3)可以看出两者都是磁面理较磁线理发育，因此可以推断出该剖面古近纪以来没有强烈的应力作用，很可能保持了初始磁化率各向异性，即流水动力是影响磁化率最大轴方位的最主要因素。

图2 长形骨骼化石集群埋藏及展布位

图3 磁组构磁线理—磁面理图

红色圆点为磁化率最大轴，绿色三角为磁化率最小轴,黑色箭头表示古流向；(a),(b),(c)分别为化石层围岩赤平投影图、最大轴等势线图与频率玫瑰图、最小轴等势线图；(d),(e),(f)分别为全剖面赤平投影图、最大轴等势线图与频率玫瑰图、最小轴等势线图

图4 化石层与全剖面赤平投影与等势线图

当沉积面较平，水流速平稳时，磁化率最大主轴的偏角方位(方位角)(D-Kmax)与沉积动力方向平行，而流速很快或颗粒较小时，D-Kmax可能与水流方向垂直[15,16]，而Kmin的叠瓦方向指示河流的下游方向[17]。通过特征值法分析并结合图4可知，化石层围岩磁化率长轴张量平均方位为109°，最小轴平均方位为294°，等势线图与玫瑰图显示长轴和最小轴的高密度峰值分别位于94°与274°，暗示了沉积动力来源的主要方向为E或SEE，又因为在骨骼化石大量沉积层位可以判断出古水流速较缓，即磁化率各向异性长轴方向与沉积动力方向相同，因此通过磁组构方法测得的化石层周围的古流向应为从E或SEE流向W或NWW；塔南总体剖面的磁化率各向异性长轴平均方位为6°与175°，等势线图也显示了Kmax的高密度峰值出现在南北两端。塔南剖面坡度较缓，岩性主要为泥岩与粉砂岩，但其处于河流上游，水动力较强且颗粒粒度较小，因此古水流方向应与kmax方向垂直。Kmin轴的张量平均方位为286°，等势线图的频率峰值为277°，指示河流下游方向为西，即古流向为自东向西。

4 结语

借助于统计分析(图5)，确定化石层围岩与全剖面的大多数样品(分别为85.4%和83.3%)的Kmax的统计信度位于95%置信椭圆内，磁组构方法所得到的古流向结果显示出化石层区域的古流向与整体剖面的古流向基本一致。之所以张量分析所统计出的平均方向与等势线图所反映出的频率峰值方向有所不同，是因为平均张量采用了几何平均的算法，而等势线图则是运用算术平均的方法统计样品方向的频率大小。两种统计方法的计算结果差异不是很大，都可以用来恢复沉积动力方向[17,18]。

(a)化石层围岩磁线理统计信度 (b)全剖面线理统计信度

化石层长形骨骼化石的集中展布方向为70°～115°(图2)，古流向整体为自东向西，这与化石层围岩的磁组构结果(Kmax平均方位为109°)基本一致。此外，在化石层围岩赤平投影与等势线图中还可以发现在平均方向为150°、184°以及252°处都有较低的高密度值分布，这也与少部分展布方向为255°～280°及160°～180°长形化石的统计频次相吻合。这一方面说明了磁化率最大轴对动力方向的敏感性及磁组构方法的精确性，另一方面也说明了微观磁组构与宏观古流向指示标志是相互关联的并具有很好的一致性。该化石层位于剖面上部，剖面在这里坡度变低，水深与流速骤减，极有可能是以漫流沉积为主的扇缘沉积亚相。旱地扇常只发育一个主体的辫状河道，河道宽而浅，流向复杂，这就解释了长形骨骼化石与沉积磁组构在指示古流向时会显示出一个主流向和其他几个副流向的原因。

塔南整体剖面的磁组构赤平投影图比较复杂，原因是整体剖面所含的组分比较多。剖面上部为冲积扇相，磁化率最大轴方位集中在90°附近，古流向为自西向东，因此在剖面的中部和下部，磁化率最大轴投影在南北方位最为集中。之所以出现对称双峰的投影，一方面是因为此时的磁组构数据包含了剖面所有的样本，反映的是剖面河道整体的变迁情况，并非是局部的古流向。塔南地层中含有大量的硅化木化石，分布范围极广，而硅化木是典型的河床亚相指相化石，据此可以推断出塔南剖面中下部沉积相为河床亚相，并且河道迁移较为频繁。在采样过程中，常见呈透镜状的细砂岩嵌于周围的红色泥质粉砂岩之中,这也是河道多次往复迁移的证据；另一方面，河道的延展方向为东西向，落差相对较大，所以出现磁化率最大轴集中在南北方位的原因可能是水动力条件较强造成的沉积颗粒翻滚。

除长形骨骼化石定向排布以外，磁组构与交错层理、砾石定向排布等宏观方法所指示的古水流向也显示一致。在青海门源盆地大通河支流一级阶地发现一处同时具有板状交错层理和叠瓦状砾石排布的剖面。经过统计，交错层理的前积纹层倾向平均为130°，砾石叠瓦面的产状约为120°∠13°，据此判断河流上游方向为SEE。而在AMS赤平投影中，磁化率最大轴Kmax高密度值为NNE和SSW双峰，且倾角均值达到23°；磁化率最小轴Kmin倾角很小，平均仅为64°，且其偏角的平均方向为294°，这说明了河流上游水流速度很快，形成的交错层理使沉积面变得起伏，磁颗粒发生滚动，使得Kmax轴与流水方向垂直，此时Kmax不能准确的指示古流向。而Kmin轴倾伏位的去向能够稳定的指示河流下游方向，因此可以判断河流是自SEE流向NWW的，与交错层理和砾石定向排布所指示的流向相吻合，说明了微观磁组构与宏观标志指示沉积动力来源方向具有一致性，而磁组构具有可进行大规模采样分析的优点，随采集样品增多，数据误差减小，统计方向精度提高。

磁化率最大轴与最小轴的方位分布均对沉积动力来源方向具有良好的敏感性，磁组构与宏观沉积构造在指示沉积动力方向上存在一致性，在塔南剖面及化石层、大通河谷以及泾河阶地均得到了验证。磁组构方法不受地形地貌限制，分辨率高，并且能够量化搬运介质的运动过程，是辨析沉积动力方向及恢复古地貌行之有效的微观指标。但在对磁组构进行分析的同时，还要明确动力强弱造成的磁化率最大轴统计方向的变化。磁化率各向异性最大轴统计方向依据动力强弱存在(1)与动力方向垂直的双峰双向分布特征和(2)与动力方向来源一致的单峰单向分布特征。而磁化率各向异性最小轴统计方向则大多具有可判断动力前进方向的单峰单向特点。

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2017-02-15

张雷(1990-)，男，辽宁朝阳人，在读硕士研究生，主攻方向：固体地球物理学。

P539.3

B

1004-1184(2017)02-0228-03