沉积岩磁倾角浅化校正方法

高 扬

(西北大学地质学系， 西安 710069)

沉积岩磁倾角浅化校正方法

高 扬

(西北大学地质学系， 西安 710069)

在沉积岩的古地磁数据统计中，记录的磁倾角数据普遍存在浅化现象。通过综合分析E/I法、非滞后剩磁各向异性法和等温剩磁各向异性法原理及其研究实例，总结沉积岩磁倾角校正浅化的一般流程。

沉积岩； 磁倾角浅化； E/I法； 非滞后剩磁各向异性法； 等温剩磁各向异性法

古地磁学是地球物理学的新分支，通过岩石或古代文物的剩余磁性来研究地球磁场的演化历史和规律。古地磁数据在解释板块构造活动等方面具有重要的作用。沉积岩的剩余磁性(DRM)可通过火山岩等母岩剥蚀产物中的磁性颗粒来反映。当这些颗粒在水中沉积时，受到地磁场方向的影响而产生定向排列[1]。

通过实验室沉积模拟实验发现，沉积剩磁记录的磁倾角常常会发生浅化，且剩磁倾角I与外加磁场I0之间的关系为：tanI=ftanI0。相比于磁偏角，磁倾角能够更好地揭示块体的南、北向运动及缩短情况[2-4]。在沉积岩的古地磁倾角研究中发现，古地磁倾角值普遍小于火山岩记录的磁倾角值[5-7]。关于磁倾角浅化的原因，有学者认为是非偶极子场导致[8]，也有学者认为是沉积岩在沉积过程或沉积后期受压实作用的影响所致。本次研究将综合分析常用的磁倾角浅化方法。

1 非滞后剩磁各向异性法

非滞后剩磁(非磁滞剩磁)各向异性(Anisotropy of AnhystereticRemant Magnetization，缩写为AARM)，是指当交变磁场衰减到某一定范围，施加恒定的直流磁场，交变场衰减至0时，岩石样品获得与恒定磁场强度成正比的剩磁[1,10]。非滞后剩磁是在岩石退磁后又重新充磁的过程中获得，与岩石原来的剩磁无关，而仅与载磁矿物的类型、颗粒大小及排列方式有关，具有良好的一致性。

1.1 原理

首先选用较高的交变磁场(磁场强度大于100 mT)沿样品X、Y、Z轴方向进行交变退磁，使其残余剩磁强度低于天然剩磁，然后在样品的Z轴方向由小到大逐渐充磁，获得非滞后剩磁，从而得到样品的矫顽力谱。从矫顽力谱中选取最容易获得非滞后剩磁的交变场区间，分别沿X、Y、Z轴方向进行交变退磁，测定样品X、XY、Y、-XY、XZ、Z、-XZ、YZ、-YZ方向的非滞后剩磁。最后应用最小二乘法，求出非滞后剩磁张量。

当以磁铁矿为载磁矿物，在加以一定强度交变磁场退磁的同时，另加以一个恒定的小直流磁场进行充磁，以获得非滞后剩磁各向异性。计算此时的校正磁倾角[9-10]：

式中：AZ=QZQ总，AX=QXQ总,Q总=QX+QY+QZ,QX、QY、QZ分别为X、Y、Z轴的非滞后剩磁分量；IChRM为特征剩磁倾角；Icorr为岩石校正后的磁倾角；a=(Q∥Q⊥)携磁颗粒，Q∥和Q⊥分别表示平行于携磁颗粒与垂直于携磁颗粒的非滞后剩磁分量。

1.2 研究实例

Jackson按照Lu等人提出的人造沉积物样品组成和沉积方法制作了样品[9,11]。按大小分类的磁铁矿粉分布在由非磁性的石英、高岭土以及蒸馏水组成的样品中。磁铁矿按大小和形状分为2种类型：0.75 μm的次等轴状颗粒和轴比率为4 ∶1的针状颗粒，球等效直径均为0.45 μm。在沉积物沉积过程中施加均匀磁场，然后对已经脱水、烘干的沉积物进行压实，使样品达到饱和沉积后得到剩磁，且磁性颗粒高度近似线形排列。在此情况下，样品体积各向异性接近于磁铁矿的排列。最后获取样品的非滞后剩磁，解得非滞后剩磁张量。

再沉积实验结果表明：在包含针状磁铁矿的样品中，沉积后剩磁的磁倾角和强度主要由高岭土的含量所控制，高岭土含量增加使得磁倾角浅化和强度减小；在包含次等轴形状磁铁矿的样品中，磁性稍有变化，存在相当大的磁倾角误差(平均接近11°)。Jackson的实验表明，非滞后剩磁各向异性与磁倾角偏低，存在着良好的一致性，可用非滞后剩磁各向异性校正该类磁倾角误差。

2 等温剩磁各向异性法

2.1 原理

等温剩磁是指岩石在常温下被磁化而磁场强度返回0时的岩石剩磁[12]。等温剩磁各向异性(Anisotropy of Isothermal Remanent Magnetism，缩写为AIRM)的参数与岩石中携磁矿物颗粒形状有关，直接反映了岩石形成与压实作用下携磁矿物的变形和变位，主要是通过样品在不同方向磁化后获得等温剩磁张量，从而计算得到等温剩磁椭球体主轴Kmax、Kint、Kmin的大小和方向。

实验方法如下：分别在样品的X、XY、Y、-XY、XZ、Z、-XZ、YZ、-YZ方向上充磁，并测定9组X、Y、Z分量数据。在测定等温剩磁之后，每个方向均需要进行反向充磁，以清洗先前剩磁，然后反向充磁以清洗掉先前已充上的磁性，再进行下一个方向的等温剩磁测定。最后应用最小二乘法，求解等温剩磁张量[12]。红层中的携磁矿物通常是赤铁矿，赤铁矿的矫顽力远远高于磁铁矿，因而无法通过上述方法获得非滞后剩磁，但是可以根据等温剩磁各项异性来进行磁倾角校正。

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Hodych等人提出了一个修正模型[13]，应用等温剩磁各向异性对以赤铁矿为主要矿物载磁矿物的红层进行磁倾角校正：

式中：IIRM,45°为与沉积层理呈45°方向的外加磁场上获得的等温剩磁倾角；IChRM为特征剩磁倾角；Icorr为岩石校正后的磁倾角；AZ=QZQ总，AX=QXQ总,Q总=QX+QY+QZ,QX、QY、QZ分别为X、Y、Z轴的等温剩磁分量。

2.2 研究实例

方大钧等人在研究塔里木盆地库车拗陷早第三纪苏维依组的红层的过程中，对该组48个样品的古地磁结果进行分析，发现其平均倾角I=43.7°，α95=3.8°，与Besse等人提出的理论方向(D=10°,I=60°,α95=3°)相差较大，可能存在磁倾角偏低的现象[12-14]。

在对红层样品进行热退磁和等温饱和剩磁后，确定载磁矿物为赤铁矿，无法使用常规的交变退磁进行清洗，必须使用高强度的等温剩磁及反向充磁来退磁。在使用等温剩磁各向异性对苏维依组的样品进行校正之后，发现在低强度的外加磁场情况下，磁倾角仍比理论值偏低4°左右。在高强度的外加磁场下，磁倾角已非常接近理论值。

景先庆等人在对华南早新元古代莲沱组地层进行古地磁学研究时，应用等温剩磁各向异性法对莲沱组地层进行了磁倾角校正。他们发现，磁倾角偏度和沉积岩的压实作用具有良好的一致性，校正效果较好[15]。

3 E/I法

早在1955年，King在对人工沉积物中剩磁研究发现时发现，沉积压实作用会导致磁倾角偏差，从而对方向的分布产生影响[2]。

3.1 原理

Lisa等人在对中亚渐新世 — 中新世红层进行研究时发现，由该区域样品得出的磁倾角与由GAD模型得到的理论结果存在较大差异。他们认为该差异可能是由红层的磁倾角浅化所导致，也可能是非地心轴向偶极子场(如轴向八极子)的贡献所致。在解释该现象时，Lisa和Kent建立了一个基于长期变化(PSV)趋势的简单数据模型(TK03模型)，针对已有的数据组来预测地磁场矢量的分布，该模型可被修改为包含任意非零高斯项的模型。他们考虑了任意数量的非零轴向八极子项对预测磁场矢量分布的影响，以及沉积磁倾角误差对方向分布的重要性，提出了基于TK03模型的EI(伸展率磁倾角)法来检验和修正磁倾角浅化偏差的结果[8]。

Lisa和Kent提出以下公式：

tan(I**)=(1f)tan(I*)

首先，计算各个f值的特征参数，找到能够使数据得到最小伸展率的f值,然后通过多项式E=2.88-0.008 7I-0.000 5I2，求得伸展率E和磁倾角I的关系。最后，用解靴带法(Bootstrap)对需校正的数据组进行计算，得到校正后的磁倾角置信区间及磁倾角。该方法对采点数量要求较多(≥100)。EI法适用的前提条件是要有一个足够大的数据组，对其抽样求得地磁场的长期变化和一个能被合理估算的f均值。

3.2 研究实例

Krijgsman等人在对地中海地区中新世沉积物的研究中发现，该地区的磁倾角存在明显的浅化偏差。在对地中海地区的磁倾角进行校正时，Krijgsman等人从原有数据中选取了西班牙Calatayud盆地和希腊Crete岛的古地磁数据[17]。

由BC02模型预测的Calatayud盆地中新世沉积物沉积时期的磁倾角为53.3°～56.3°，而由该地区648个方向数据得到的平均磁倾角为44.0°，二者的磁倾角明显存在偏差。Krijgsman等人应用EI法对该地区的磁倾角数据进行了校正，校正后的磁倾角为53°，结果与BC02模型的预测基本一致。

Crete岛已有古地磁数据表明，由该地沉积物得到的平均磁倾角为45.6°。由BC02模型预测的欧洲晚中新世平均磁倾角为51.2°～51.4°，建议的Crete岛晚中新世古纬度为31.9°N～32.1°N，二者磁倾角存在很大区别，而且E=1.4的方向伸展和预期E=1.9的N-S向伸展不一致[17-18]。因此，初步断定该地的磁倾角异常可能是由沉积压实作用所引起。应用EI法对该地的磁倾角进行校正，当压实因子为0.7时，存在一致性最佳的EI对。据此将实测磁倾角转换成平均磁倾角I**=54°，相当于34.5°的古纬度。

4 结 语

综上所述，在校正由沉积岩的压实作用引起的磁倾角浅化时，首先可应用Lisa等人提出的方法：对呈Fisher分布磁场方向数据进行等面积投影，若其方向数据围绕平均方向呈均匀分布，则未发生浅化；若磁倾角分布范围明显减小，且方向数据呈E-W 伸展，则说明磁倾角数据发生了浅化。然后再判断载磁矿物为磁铁矿还是赤铁矿，前者使用非滞后剩磁各向异性法进行校正，后者使用等温剩磁各向异性法进行校正。最后结合EI法的校正结果进行综合判断。

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CorrectingMethodsofShallowBiasinPaleomagneticInclinationsintheSedimentaryRocks

GAOYang

(Department of Geology, Northwest University , Xi′an 710069, China)

In the study of paleomagnetism data from sedimentary rocks, we found that there is a shallow bias of inclination which was recorded by sedimentary rocks generally. Based on the comprehensive analysis of E/I method, the anisotropy of anhysteretic remant magnetization, anisotropy of isothermal remanent magnetism, and their principles and cases, this paper summarizes the general process of correction shallow bias of inclination in the sedimentary rocks.

sedimentary rock; shallow bias of inclination; E/I method; anisotropy of anhysteretic remant magnetization; anisotropy of isothermal remanent magnetism

2017-06-28

高等学校博士学科点专项科研基金项目“藏北雁石坪地区中 — 晚侏罗世沉积地层的古地磁学研究”(20136101120005)

高扬(1992 — )，男，在读硕士研究生，研究方向为古地磁学与地层学。

P631

A

1673-1980(2017)06-0026-04