《磁法勘探》03 第三章 古地磁場(chǎng)

第三章古地磁場(chǎng)興起于20世紀(jì)50年代，60、70年代迅速發(fā)展通過(guò)圈定巖石剩余磁化強(qiáng)度來(lái)研究史前地質(zhì)時(shí)期地磁場(chǎng)及其演化規(guī)律物理基礎(chǔ)是巖石剩余磁性和地磁場(chǎng)軸向偶極子的假定。古地磁學(xué)主要內(nèi)容§3.1古地磁場(chǎng)研究的基礎(chǔ)§3.2古地磁極與古地磁場(chǎng)強(qiáng)度§3.3古地磁場(chǎng)的平均特征§3.4古地磁在地學(xué)中的應(yīng)用3.1古地磁場(chǎng)研究的基礎(chǔ)1、穩(wěn)定的原生剩余磁化強(qiáng)度

巖石的原生剩磁方向與巖石形成時(shí)的地磁場(chǎng)方向一致，且強(qiáng)度呈正比，所以研究巖石的原生剩磁就能推測(cè)巖石形成時(shí)的地磁場(chǎng)特征。古地磁樣品原生剩磁的可靠性評(píng)價(jià)：

交變場(chǎng)退磁和熱退磁判定是否剩磁是否原生

褶皺和礫巖方法及接觸烘烤檢驗(yàn)古地磁方向的穩(wěn)定性2、軸向地心偶極子場(chǎng)假說(shuō)按偶極子公式，磁傾角I與磁緯度的關(guān)系為

如果測(cè)得古地磁巖石標(biāo)本原生剩磁的傾角，由上式可計(jì)算出巖石形成時(shí)的古緯度。再根據(jù)剩磁的偏角D，可以計(jì)算出采樣地點(diǎn)的古地磁極的位置。該假說(shuō)不適用于地質(zhì)時(shí)代的“瞬間”和地磁場(chǎng)的倒轉(zhuǎn)時(shí)間3.1古地磁場(chǎng)研究的基礎(chǔ)一、古地磁極設(shè)偶極子磁矩為m，則地球表面緯度處場(chǎng)的徑向分量和切向分量分別是：由于磁傾角的正切為，所以：3.2古地磁極與古地磁場(chǎng)強(qiáng)度一、古地磁極對(duì)時(shí)間平均的傾角對(duì)應(yīng)于地心軸向偶極子場(chǎng)假說(shuō)中的古緯度，對(duì)時(shí)間平均的偏角表示子午線的方向，由此可得地球表面相應(yīng)地理極的位置。虛地磁極一、古地磁極虛地磁極VGP是任一瞬時(shí)古地磁場(chǎng)方向計(jì)算出的磁極位置。若在計(jì)算使用“足夠長(zhǎng)”時(shí)間地磁場(chǎng)方向的平均值，則計(jì)算出古地磁極。若將某一穩(wěn)定地塊上各地質(zhì)歷史時(shí)期的古地磁極位置繪在地理坐標(biāo)圖上，并連成一條曲線或一個(gè)帶，即為古地磁極移曲線。假定地塊固定，而認(rèn)為極在移動(dòng)，則它不是地磁極的真實(shí)運(yùn)動(dòng)，故稱為視極移曲線。在作古地磁研究時(shí)，通常在每一觀測(cè)點(diǎn)采集不同年齡的系列標(biāo)本，且按以萬(wàn)年計(jì)算的間隔大致均勻分布，有時(shí)也可按幾百萬(wàn)年間隔計(jì)算。3.2古地磁極與古地磁場(chǎng)強(qiáng)度一、古地磁極3.2古地磁極與古地磁場(chǎng)強(qiáng)度三、古地磁場(chǎng)強(qiáng)度在弱磁場(chǎng)中（與地磁場(chǎng)相當(dāng)）所產(chǎn)生的任何類型剩磁強(qiáng)度與該磁化場(chǎng)成正比。在實(shí)驗(yàn)室里，在弱磁場(chǎng)中，重演原始磁化強(qiáng)度——熱剩磁、取向剩磁的形成過(guò)程，并將得到的磁化強(qiáng)度和原始剩磁強(qiáng)度進(jìn)行比較，若自巖石形成以來(lái)其磁性沒有改變，利用正比規(guī)律，寫成：3.2古地磁極與古地磁場(chǎng)強(qiáng)度三、古地磁場(chǎng)強(qiáng)度利用即可確定古地磁場(chǎng)強(qiáng)度。實(shí)際測(cè)量推算古地磁場(chǎng)強(qiáng)度的過(guò)程遠(yuǎn)比這復(fù)雜得多，通常需要采用逐步加熱法，即逐步加熱退去樣品在各個(gè)溫度區(qū)間的部分天然剩余磁性（NRM），并產(chǎn)生各溫度區(qū)間的部分熱剩余磁性（TRM），根據(jù)NRM/TRM的比值確定古地磁場(chǎng)強(qiáng)度值，俗稱特利埃法。3.2古地磁極與古地磁場(chǎng)強(qiáng)度3.3古地磁場(chǎng)的平均特征1.現(xiàn)代地磁場(chǎng)的基本場(chǎng)是地心偶極子場(chǎng)，地磁軸與地理軸相交11.5度，即現(xiàn)代地磁場(chǎng)不是軸向場(chǎng)。深海沉積物也有剩余磁性，剩磁的方向記錄著形成這些沉積物時(shí)地磁場(chǎng)的方向，深海沉積的速度極為緩慢，約1-10毫米／千年。所以長(zhǎng)10m的海底沉積物記錄著幾百萬(wàn)年的地磁場(chǎng)歷史。由于從巖芯上取下來(lái)的測(cè)試樣品幾毫米的長(zhǎng)度。就代表了幾千年的沉積過(guò)程，它的剩磁方向是幾千年的平均方向，就是說(shuō)，地磁場(chǎng)的長(zhǎng)期變化被平均掉了。上圖是測(cè)定2Ma深海沉積巖心的磁傾角結(jié)果，其與按軸向地心偶極子計(jì)算的理論傾角吻合很好，說(shuō)明2Ma年以來(lái)地磁場(chǎng)仍具軸向偶極子場(chǎng)的特征。3.3古地磁場(chǎng)的平均特征對(duì)世界兩千萬(wàn)年(第三紀(jì)中新世以來(lái))來(lái)火山巖的觀測(cè)結(jié)果，計(jì)算出的一千多個(gè)古地磁極的位置圖。這些地磁極是以地理極為中心分布的，就平均而言兩千萬(wàn)年來(lái)古地磁場(chǎng)是軸向地心偶極子場(chǎng)。3.3古地磁場(chǎng)的平均特征2.地球偶極子磁矩隨地質(zhì)時(shí)間而變化

巖石越老，確定地質(zhì)時(shí)代古強(qiáng)度的問題就越難，次生成分和原生剩磁的衰減，都可使問題復(fù)雜化。

3.3古地磁場(chǎng)的平均特征平均虛偶極子磁矩隨時(shí)間的變化3.古地磁場(chǎng)的長(zhǎng)期變化

可用磁場(chǎng)方向的角分散性和虛地磁極的分散性表示過(guò)去的古長(zhǎng)期變化古長(zhǎng)期變化主要是由偶極子晃動(dòng)引起，晃動(dòng)的幅度與極性反轉(zhuǎn)頻率的變化有關(guān)。

3.3古地磁場(chǎng)的平均特征我國(guó)有人對(duì)北京地區(qū)、漢、三國(guó)、唐、宋、金、元、明、清各朝代的墓磚、城磚進(jìn)行了剩余磁性研究，獲得了北京地區(qū)兩千年來(lái)的地磁場(chǎng)強(qiáng)度和傾角變化?？梢钥吹?，地磁場(chǎng)強(qiáng)度在逐漸減少。地磁傾角有周期變化，周期約一千余年，變化幅度約200。3.3古地磁場(chǎng)的平均特征世界各地近兩千年來(lái)的地磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁傾角變化，也顯示了同樣的趨勢(shì)，但各地區(qū)傾角變化的相位不同。3.3古地磁場(chǎng)的平均特征五、地球磁場(chǎng)極性反轉(zhuǎn)地磁場(chǎng)的反轉(zhuǎn)是古地磁研究取得的重要成果之一。1906年布容在法國(guó)首次發(fā)現(xiàn)了反向磁化(與現(xiàn)代地磁場(chǎng)方向相反的巖石)。至三十年代，松山發(fā)現(xiàn)日本第三紀(jì)以后的巖石約50％是反向磁化。這是由于地磁場(chǎng)在地質(zhì)時(shí)期內(nèi)發(fā)生了多次的極性反轉(zhuǎn)造成的。正常和反轉(zhuǎn)磁化巖石各占50％左右，說(shuō)明地磁場(chǎng)具有任一極性的幾率是相等的。3.3古地磁場(chǎng)的平均特征一、大陸漂移的古地磁證據(jù)德國(guó)氣象學(xué)家魏格納1912年提出大陸漂移假說(shuō)，其后引起很大爭(zhēng)議，直到20世紀(jì)50年代初，英國(guó)地球物理學(xué)家在古地磁研究中定量證明大陸在地質(zhì)年代中曾發(fā)生過(guò)漂移，從而使大陸漂移說(shuō)得到復(fù)活。3.4古地磁在地磁學(xué)中的應(yīng)用在相當(dāng)長(zhǎng)的地質(zhì)時(shí)期中，地磁場(chǎng)具有軸向地心偶極子場(chǎng)的特征。因此，利用巖石剩余磁化強(qiáng)度的方向計(jì)算得到的古地磁極的位置即是當(dāng)時(shí)地理極的位置。3.4古地磁在地磁學(xué)中的應(yīng)用同一時(shí)間地球就只有一個(gè)地磁極或地理極，就像由各大陸近代熔巖所求出的地磁極坐落在地理極附近一樣，反之，各大陸之間地磁極的明顯不整合，表明大陸之間發(fā)生過(guò)平移或旋轉(zhuǎn)。視極移路線是研究大陸漂移的重要證據(jù)，從視極移曲線不僅可以了解大陸的移動(dòng)和移動(dòng)的方向，還可以從各大陸的視極移路線了解它們之間原生的相互關(guān)系以及分離漂移的時(shí)代。3.4古地磁在地磁學(xué)中的應(yīng)用3.4古地磁在地磁學(xué)中的應(yīng)用將南美和非洲兩大陸的視極移線（南磁極）畫在同一張圖上，兩條視極移路線明顯地不重合，但是兩條路線的趨勢(shì)十分相似，都是從赤道附近隨著年代由老到新漸漸靠攏，最終相交于南磁極。南美視極移路線始終是在非洲的西部，正像南美大陸位于非洲大陸之西一樣。如果將非洲大陸固定不動(dòng)，按照大陸架的形態(tài)，將美洲大陸向東移動(dòng)，與非洲大陸擬合，它的視極移路線也隨之東移，中生代以前兩大陸的視極移路線基本吻合，中生代以后的視極移路線卻分道揚(yáng)鑣了。這一古地磁研究成果證明，南美大陸在古生代時(shí)是連在一起的，當(dāng)時(shí)并不存在大西洋。中生代（侏羅紀(jì)）開始分裂，南美大陸向西漂移，并兼有順時(shí)針方向的旋轉(zhuǎn)，形成了現(xiàn)今兩大陸的分布狀態(tài)。3.4古地磁在地磁學(xué)中的應(yīng)用二、海底擴(kuò)張的古地磁證據(jù)威爾遜利用地幔對(duì)流和海底擴(kuò)張假說(shuō)全面地說(shuō)明了大陸漂移的設(shè)想。新形成的地殼和覆蓋于其上的火山，逐漸被分為兩邊，移動(dòng)；當(dāng)一個(gè)前進(jìn)的大陸遇到下降的對(duì)流體時(shí)，運(yùn)動(dòng)必然停止，在較輕的大陸地殼的前沿堆積起來(lái)形成山岳；同時(shí)，由于洋底受到下降對(duì)流體的向下拖曳，便形成海溝。3.4古地磁在地磁學(xué)中的應(yīng)用20世紀(jì)50年代以來(lái)，大規(guī)模的航磁測(cè)量，發(fā)現(xiàn)海洋磁異常具有以下特征：(1)磁異常呈條帶狀分布，條帶的走向與洋脊平行；(2)正負(fù)異常相間，帶寬20-30km，長(zhǎng)幾百千米，異常幅值幾百nT；(3)磁異常對(duì)稱于洋脊分布。這稱為海洋條帶狀磁異常。海洋條帶狀磁異常的發(fā)現(xiàn)和解釋，對(duì)海底擴(kuò)張假說(shuō)是有力的支持。地磁極性翻轉(zhuǎn)定量解釋了海底條帶狀異常和海底擴(kuò)張假說(shuō)。3.4古地磁在地磁學(xué)中的應(yīng)用二、海底擴(kuò)張的古地磁證據(jù)1963年瓦因和馬修期提出一種假設(shè)：地幔的熾熱物質(zhì)，以對(duì)流方式上升到洋脊，冷卻經(jīng)過(guò)居里點(diǎn)時(shí)，獲得與當(dāng)時(shí)地磁場(chǎng)方向相同的熱剩余磁性。對(duì)流體不斷上涌，推著老海底向兩側(cè)擴(kuò)張，在洋中脊形成新的洋底。海底在擴(kuò)張過(guò)程中，地磁場(chǎng)發(fā)生多次翻轉(zhuǎn)，在正常地磁場(chǎng)形成的海底具有正向磁化；在反向地磁場(chǎng)形成的海底具有反向磁化。所以，與海嶺距離不同的海底，是由正、反磁化相間的磁性巖層組成。磁異常在海嶺兩側(cè)的對(duì)稱性，是海底兩側(cè)擴(kuò)張速度相等的結(jié)果。3.4古地磁在地磁學(xué)中的應(yīng)用3.4古地磁在地磁學(xué)中的應(yīng)用海地?cái)U(kuò)張和地磁翻轉(zhuǎn)年表的對(duì)比三、研究地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)巖石形成時(shí)獲得原生剩磁以后，如果發(fā)生構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，致使處于構(gòu)造不同部位的巖石之間改變了它們生成時(shí)期的相對(duì)位置。這樣，保存在巖石中和穩(wěn)定的原生剩磁也隨著巖石載體一起改變其空間位置。如果我們測(cè)定現(xiàn)代處于構(gòu)造各個(gè)不同部位的巖石中的穩(wěn)定剩磁方向，找出它們之間方向相對(duì)變化的規(guī)律，就可以反過(guò)來(lái)推斷和驗(yàn)證該構(gòu)造運(yùn)動(dòng)發(fā)生的方式和方向。3.4古地磁在地磁學(xué)中的應(yīng)用在斷裂帶東側(cè)，復(fù)縣早寒武世磁偏角3380，五蓮?fù)碣_世磁偏角70，說(shuō)明后者相對(duì)前者順時(shí)針旋轉(zhuǎn)290。斷裂帶西側(cè)宿縣早寒武世磁偏角420，霍山晚侏羅世偏角170，則后者較前者逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)250。上述表明，斷裂帶兩側(cè)地殼各自有獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)方式，至少在侏羅紀(jì)前，兩側(cè)地層已發(fā)生過(guò)相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

郯城-廬江深大斷裂,多數(shù)學(xué)者認(rèn)為它是左旋平移斷層。但是，對(duì)平移的時(shí)間和距離，卻