古地磁学

古地磁学古地磁学是地磁学的一个分支，兴起于20世纪50年代，从60、70年代迅速发展。它是通过圈定岩石剩余磁化强度来研究史前地质时期地磁场及其演化规律的一门学科，其物理基础是岩石磁性和地磁场轴向偶极子的假定。第一节古地磁学基础一、古地磁学的两个基本前提1、稳定的原生剩余磁化强度岩石的原生剩磁方向与岩石形成时的地磁场方向一致，且强度呈正比，所以研究岩石的原生剩磁就能推测岩石形成时的地磁场特征。2、轴向地心偶极子场假说按偶极子公式，磁倾角I与磁纬度的关系为如果测得古地磁岩石标本原生剩磁的倾角，由上式可计算出岩石形成时的古纬度。再根据剩磁的偏角D，可以计算出采样地点的古地磁极的位置。二、古地磁极设偶极子磁矩为m，则地球表面纬度处场的径向分量和切向分量分别是：由于磁倾角的正切为，所以：对时间平均的倾角对应于地心轴向偶极子场假说中的古纬度，对时间平均的偏角表示子午线的方向，由此可得地球表面相应地理极的位置。虚地磁极2tgItg032sin4RmFR032cos4mFR/RFF2tgItg(,)PPP虚地磁极VGP是任一瞬时古地磁场方向计算出的磁极位置。若在计算时，使用“足够长”时间地磁场方向的平均值，则计算出古地磁极。若将某一稳定地块上各地质历史时期的古地磁极位置绘在地理坐标图上，并连成一条曲线或一个带，即为古地磁极移曲线。假定地块固定，而认为极在移动，则它不是地磁极的真实运动，故称为视极移曲线。在作古地磁研究时，通常在每一观测点采集不同年龄的系列标本，且按以万年计算的间隔大致均匀分布，有时也可按几百万年间隔计算。得到的就是古地磁极。三、古地磁场强度在弱磁场中（与地磁场相当）所产生的任何类型剩磁强度与该磁化场成正比。在实验室里，在弱磁场中，重演原始磁化强度——热剩磁、取向剩磁的形成过程，并将得到的磁化强度和原始剩磁强度进行比较，若自岩石形成以来其磁性没有改变，利用正比规律，写成：利用即可确定古地磁场强度。实际测量推算古地磁场强度的过程远比这复杂得多，通常需要采用逐步加热法，即逐步加热退去样品在各个温度区间的部分天然剩余磁性（NRM），并产生各温度区间的部分热剩余磁性（TRM），根据NRM/TRM的比值确定古地磁场强度值，俗称特利埃法。四、古地磁场是轴向偶极子场现代地磁场的基本场是地心偶极子场，地磁轴与地理轴相交11.5度，即现代地磁场不是轴向场。0roLrLMHHMLHrLMroM0roLrLMHHM0H深海沉积物也有剩余磁性，剩磁的方向记录着形成这些沉积物时地磁场的方向，深海沉积的速度极为缓慢，约1-10毫米／千年。所以长10m的海底沉积物记录着几百万年的地磁场历史。由于从岩芯上取下来的测试样品几毫米的长度。就代表了几千年的沉积过程，它的剩磁方向是几千年的平均方向，就是说，地磁场的长期变化被平均掉了。下图是测定2Ma深海沉积岩心的磁倾角结果，其与按轴向地心偶极子计算的理论倾角吻合很好，说明2Ma年以来地磁场仍具轴向偶极子场的特征。对世界两千万年(第三纪中新世以来)来火山岩的观测结果，计算出的一千多个古地磁极的位置图。这些地磁极是以地理极为中心分布的。就平均而言，两千万年来古地磁场是轴向地心偶极子场。第二节古地磁学工作方法古地磁研究最基本的工作是确定岩石的剩磁方向和强度，包括下列几项工作：采集古地磁标本、磁清洗、剩磁测量、数据统计整理。一、标本的采集可用手工或用轻便取样钻机取样。取样时必需精确定向，并要测定岩石产状（走向、倾向和倾角）。用磁罗盘定向，精度较低，尤其易受岩体等的磁性干扰。用太阳罗盘定向，精度较高，而且不受磁性干扰。取回定向标本再制成一定形状和大小的样品，供测量使用。一个采样单元应有一定数量的采样点，这些采样点的位置应尽可能均匀分布于该单元岩层所代表的整段时代。采样方法：定向岩芯样品；定向手标本；钻孔采样对象：岩石；松散沉积物；海、湖相沉积物二、磁清洗用恒定磁场退磁、交变磁场退磁、加热退磁、化学退磁以及低温处理等方法，把标本中的各种次生剩磁清除掉，把原生剩磁分离出来。磁清洗一般需要在零磁场空间中进行。三、剩磁测量常用无定向磁力仪、旋转磁力仪和超导磁力仪测量，在逐步进行磁清洗的过程中，测定样品的剩余磁化矢量的强度和方向，直至把原生剩磁分离出来为止。磁清洗、岩石剩磁测量、岩石磁学四、数据的统计整理首先求出统计单元的剩磁平均方向。剩余磁化强度矢量可以使用标准的矢量代数方法求平均方向。即求出平均的剩磁偏角和倾角。然后，依据轴向地心偶极子场的假设前提下，将剩磁偏角和倾角代入相关的公式求出采样点的古纬度及其古地磁极位置。第三节古地磁学在地学上的应用一、大陆漂移的古地磁证据德国气象学家魏格纳1912年提出大陆漂移假说，其后引起很大争议，直到20世纪50年代初，英国地球物理学家在古地磁研究中定量证明大陆在地质年代中曾发生过漂移，从而使大陆漂移说得到复活。同一时间地球就只有一个地磁极或地理极，就像由各大陆近代熔岩所求出的地磁极坐落在地理极附近一样，反之，各大陆之间地磁极的明显不整合，表明大陆之间发生过平移或旋转。视极移路线是研究大陆漂移的重要证据，从视极移曲线不仅可以了解大陆的移动和移动的方向，还可以从各大陆的视极移路线了解它们之间原生的相互关系以及分离漂移的时代。欧洲和北美的两条视极移曲线，不同但趋势相似。若以北极为中心将北美连同它的视极移曲线一起向东旋转38度，则北美和欧洲大陆架相闭合，北大西洋消失。志留纪到二叠纪一段重合得好，但是，到三叠纪以后，两条视极移曲线分开。说明，三叠以前，欧美相连组成欧美古陆。侏罗纪以后，欧美分离，形成大西洋。二、海底扩张的古地磁证据20世纪60年代初，借助于丰富的海底调查资料和古地磁学证据，赫斯和迪茨几乎同时提出了一个类似的观点：大洋底部在洋中脊处裂开，地幔岩浆从这里涌出，冷却固结成新的大洋岩石圈，并把先期形成的岩石向两侧对称地推挤，导致大洋海底不断扩张。另一方面，扩张的大洋岩石圈在到达大陆边缘的海沟处后，将沿着消减带向大陆岩石圈之下俯冲，重新消亡于地幔中，从而构成一个完整的循环。这就是被称作地质史诗的海底扩张。威尔逊利用地幔对流和海底扩张假说全面地说明了大陆漂移的设想。20世纪50年代以来，大规模的航磁测量，发现海洋磁异常具有以下特征：(1)磁异常呈条带状分布，条带的走向与洋脊平行；(2)正负异常相间，带宽20-30km，长几百千米，异常幅值几百nT；(3)磁异常对称于洋脊分布。这称为海洋条带状磁异常。海洋条带状磁异常的发现和解释，对海底扩张假说是有力的支持。地磁极性翻转定量解释了海底条带状异常和海底扩张假说。1963年，瓦因和马修斯提出一种假设：地幔的炽热物质，以对流方式上升到洋脊，冷却经过居里点时，获得与当时地磁场方向相同的热剩余磁性。对流体不断上涌，推着老海底向两侧扩张，在洋中脊形成新的洋底。海底在扩张过程中，地磁场发生多次翻转，在正常地磁场形成的海底具有正向磁化；在反向地磁场形成的海底具有反向磁化。所以，与海岭距离不同的海底，是由正、反磁化相间的磁性岩层组成。磁异常在海岭两侧的对称性，是海底两侧扩张速度相等的结果。三、研究地质构造运动岩石形成时获得原生剩磁以后，如果发生构造运动，致使处于构造不同部位的岩石之间改变了它们生成时期的相对位置。这样，保存在岩石中和稳定的原生剩磁也随着岩石载体一起改变其空间位置。如果我们测定现代处于构造各个不同部位的岩石中的稳定剩磁方向，找出它们之间方向相对变化的规律，就可以反过来推断和验证该构造运动发生的方式和方向。郯城-庐江深大断裂,多数学者认为它是左旋平移断层。但是，对平移的时间和距离，却有不同的看法。对断裂带东西两侧的寒武纪、侏罗纪地层进行的古地磁测量，为解决上述问题提供了有意义的资料。在断裂带东侧，复县早寒武世磁偏角3380，五莲晚侏罗世磁偏角70，说明后者相对前者顺时针旋转290。断裂带西侧宿县早寒武世磁偏角420，霍山晚侏罗世偏角170，则后者较前者逆时针旋转250。上述表明，断裂带两侧地壳各自有独立的运动方式，至少在侏罗纪前，两侧地层已发生过相对运动。四、小结古地磁学的两个基本前提古地磁研究的基本工作方法