2. 中国科学院地质与地球物理研究所, 北京 100029;
3. 中国石油吉林油田公司勘探开发研究院, 吉林 松原 138000
2. Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China;
3. Exploration & Development Research Institute, Jilin Oil Field Company, PetroChina, Songyuan 138000, Jilin, China
0 引言
中国黄土-古土壤(简称黄土)是世界上保存最好以及连续性最好的陆相风成沉积序[1-4],也是记录更新世以来古气候演化、古地磁极性倒转和漂移的重要载体之一,与深海沉积物和极地冰心共同构成了研究古全球变化的三大信息库。古地磁定年是新生代沉积物一种主要的定年方法之一,而极性倒转和漂移事件的研究是确保其年代框架准确的基础。中国黄土剖面记录了若干次的古地磁倒转和漂移事件,如松山—布容(Matuyama-Brunhes,简称MB)倒转以及Mono Lake、Laschamp和Blake等漂移。许多学者对末次间冰期以来不同黄土剖面中的古地磁漂移进行了详细的研究,取得了许多认识[5-17]。
在古地磁极性漂移记录方面,不同黄土剖面对不同漂移事件的记录能力有很大的差异:如渭南[5-6]和灵台剖面[7]记录了Mono Lake漂移,而洛川剖面[8-9]、宜川剖面[9]和白草塬剖面[10]并没有记录到该漂移;渭南[5-6]、灵台[7]和洛川剖面记录了Laschamp漂移,而宜川[9]和白草塬剖面[10]并未记录;西宁[12-13]、九州台[14]和渭南剖面[6]记录了Blake漂移,而环县[15]、定边、西峰、渭南[16]以及白草塬剖面[10]却没有记录到该漂移。
极性漂移过程经常伴有数次高频地磁方向的变化,而中国黄土在记录古地磁漂移的倒转次数方面也有不同。例如Laschamp漂移,渭南剖面[5]记录了该漂移过程中的6次快速倒转,而灵台[7]和洛川剖面[8-9, 11]只记录了2次快速的地磁方向变化。对Blake漂移的研究表明,西宁剖面[12, 17]和九州台剖面[14]分别记录了该漂移过程中的6次和4次快速倒转。
比较一致的是,通过详细的年代学分析,渭南[5-6]和灵台剖面[7]记录到的Mono Lake漂移均在26.5 ka左右。渭南[5-6]、灵台[7]以及洛川剖面[8-9]记录到的Laschamp漂移发生于42.5 ka左右。西宁、九州台[14]和渭南剖面[6]记录的Blake漂移均在117 ka左右。这些年代与目前人们普遍接受的Mono Lake、Laschamp和Blake漂移年代十分接近,即不同研究者发现的末次间冰期以来的黄土中记录的地磁漂移均不存在显著的Lock-in(锁定)效应。
对于末次间冰期以来的这些极性漂移,为何不同黄土剖面的记录存在显著的形态学差异?这些记录是否可靠?除了Mono Lake、Laschamp和Blake漂移,中国黄土能否记录末次间冰期以来的其他极性漂移事件?洛川剖面是全球黄土研究程度最深的剖面之一,古地磁研究成果颇丰。除长尺度的磁性地层结果[4, 18],亦开展过详细的极性倒转[19]、极性漂移研究[8-9],这些研究为认识黄土的古地磁记录机制提供了良好的研究基础。本文选择洛川剖面末次间冰期以来的沉积物为研究对象,通过S1、L1高分辨率(2.5 cm)和多组平行样品的古地磁分析,并通过磁化率对比得出采样地层的年代序列,分析该剖面记录的地磁漂移年代及持续时间,旨在揭示上述极性漂移在该剖面的记录可靠性及形态学特征;最后结合其他黄土剖面的古地磁记录,探究末次间冰期以来中国黄土的天然剩磁记录的可靠性,以进一步认识黄土的古地磁记录机制。
1 样品采集与实验方法 1.1 样品采集洛川黑木沟剖面(35.7°N,109.4°E)位于黄土高原中部(图 1),厚约140 m。基底为三叠纪砂页岩,上覆厚约10 m的晚上新世红黏土层,红黏土之上的黄土层厚约130 m,其中S0、L1、S1厚度分别为0.6、8.7、3.1 m,以温带草原植被为主[22]。采样时,首先清除表层覆盖物,露出新鲜地层,以排除后期风化等作用对地磁记录的干扰;其次将新鲜的黄土层上表面整理水平;最后在样品表面标上正北方向并在原位采集古地磁样品和散样。所采集古地磁样品的截面积约为12 cm ×12 cm,高10 cm。在室内首先将每块手标本沿平行截面加工成4个厚2.5 cm的薄片,然后再将每个薄片加工成至少6个2 cm×2 cm×2 cm的定向平行样品。
1.2 实验方法首先使用AGICO公司生产的Kappabridge(KLY-3S)旋转磁化率仪系统测量样品的磁化率和磁化率各向异性,使用CS-3温度控制系统测量磁化率随温度变化曲线。然后使用2G公司所产760-R超导磁力仪对所有的定向样品进行系统的热退磁实验,步长10~50 ℃。除S1中1 092~1 240 cm处的样品加热到660 ℃外,其余样品均加热到585 ℃。热退磁使用的是MMTD48退磁炉(内场强度小于20 nT),整个热退磁过程均在中国科学院地质与地球物理研究所古地磁实验室的磁屏蔽空间(小于300 nT)中进行。
2 结果 2.1 岩石磁学结果本次研究从采样剖面的不同位置选取了6块代表性样品进行了磁化率随温度变化的实验(图 2)。总体上来看,这6块样品的磁化率随温度变化曲线十分相似。从升温曲线可以看出:在200 ℃之前磁化率有一段缓慢的升高,可能与弱磁性的矿物在加热过程中超细粒亚铁磁性颗粒的解阻有关;300~450 ℃磁化率的降低揭示了磁赤铁矿的存在,由于在低温(约300 ℃)下亚稳态的磁赤铁矿易转变为赤铁矿,而赤铁矿具有弱磁性[23-24],导致了磁化率的降低;当样品加热到580 ℃左右,所有样品的磁化率均急剧下降,显示了磁铁矿的居里温度点,表明磁铁矿的存在;温度加热接近700 ℃,磁化率缓慢下降,表明样品中含有少量的赤铁矿。此外,样品的降温曲线均在升温曲线之上,显示了磁铁矿的特征并伴随着样品磁化率在580 ℃左右快速的升高,这主要是由含铁硅酸盐或黏土矿物等在加热过程中转化成磁铁矿引起的[24-26]。总之,洛川采样剖面所含的磁性矿物比较一致,且磁铁矿为主要的载磁矿物[27-31]。
2.2 古地磁结果本次研究采用热退磁方法对样品进行系统的逐步退磁,图 3给出了L1中3个代表性样品及S1中3组平行样品的热退磁矢量正交投影图。样品的退磁曲线具有许多共同的特点,首先样品在300 ℃或250 ℃之前的剩磁方向不稳定,可能与样品所携带的化学剩磁和黏滞剩磁有关,在300 ℃之后均能够拟合出比较一致的剩磁方向。本次研究使用主向量分析法进行剩磁组分分析[32],主要选取300~530 ℃中至少4个退磁数据点进行拟合。此外,朱日祥等[8]认为洛川剖面马兰黄土中赤铁矿所携带的剩磁是不稳定的,但是我们发现古土壤层S1中部分样品在585 ℃之后的剩磁方向和强度仍然比较稳定(图 3d、e、f),并认为赤铁矿也可能携带特征剩磁。但是,此类样品数较少,多数样品在585 ℃之后的剩磁方向和强度不稳定。因此,我们只对部分样品在585 ℃之后选取3~4个数据点进行拟合,并得出最终结果。
图 4给出了各参数随深度的变化曲线,其中图 4g、h、i分别表示洛川剖面的磁偏角、磁倾角和虚地磁极纬度结果随深度变化情况。图 4可见,L1中的175、777 cm左右记录到2次地磁异常事件,分别有3块和2块样品虚地磁极纬度均为负值。在560、582.5、802.5和807.5 cm处分别仅有1块样品的虚地磁极纬度小于60°,认为这是异常的退磁结果,并不能视为地磁漂移。在S1中能够记录到1次明显的地磁异常事件,位于1 185~1 220 cm处,其中虚地磁极纬度最低可到10°,有40°左右的波动。
综合上述结果,我们对S1中出现地磁异常事件的位置附近(1 092~1 240 cm)另外测试了5套平行样品,对应的古地磁结果如图 5所示。首先,1 092~1 185和1 220~1 240 cm处样品的磁偏角比较稳定,一般为-5°左右,磁倾角一般稳定在47°左右,虚地磁极纬度一般在80°左右。整体而言,这两段的样品处于稳定的正极性区。对于1 185~1 220 cm处样品,据图可见显著差异,磁偏角为-5°~80°,磁倾角为5°~50°,虚地磁极纬度为10°~80°,整体而言该段地磁方向处于快速变化阶段,较不稳定。此外,对于每一套样品,地磁异常的位置也有所差别,set1样品中地磁异常位于1 185~1 220 cm,对于set2 set6样品地磁异常则分别位于1 200.0~1 222.5、1 197.5~1 222.5、1 197.5~1 222.5、1 197.5~1 220.0和1 185.0~1 215.0 cm处。综合6套平行样品的测试结果,我们最终将该古地磁异常的位置定位于1 185.0~1 222.5 cm,即图 5阴影部分。
2.3 磁化率各向异性结果磁化率各向异性简称磁组构(AMS),指的是样品磁化率在不同测试方向上的差异性,常用磁化率椭球体互相垂直的3个主轴来表示,即磁化率最大、中间和最小主轴(K1、K2、K3)。Zhu等[33]给出了中国黄土磁组构各个参数的详细解释,本文不再赘述。
在热退磁前,我们对全部定向样品进行了AMS测试。如图 4c—f ,分别给出了一组样品的磁化率最大轴倾角、最小轴倾角、磁化率各向异性度和磁化率椭球体形状因子。L1中最大轴倾角的平均值为9.2°,其中约9%的样品大于20°;最小轴倾角的平均值为86.4°,约20%的样品小于65°。S1中最大轴倾角的平均值为8.2°,其中约8%的样品大于20°;最小轴倾角的平均值为87°,约15%的样品小于65°。图 6a、b分别给出了L1、S1的磁化率椭球体最大主轴(正方形)和最小主轴(圆形)等面积赤平投影图,最大轴基本平行于水平面,最小轴几乎垂直于水平面。我们进一步测量了S1中1 090~1 240 cm处另外5套平行样品的磁组构,如图 6 c所示,其磁化率最大、中间和最小主轴偏角分别为331°、241°和67°,相应的最大轴倾角分别为10.4°、5.2°和84.8°。同样,最大轴基本平行于水平面,最小轴几乎垂直于水平面。大部分样品的最大轴倾角均低于20°,最小轴倾角均大于70°,说明磁化率椭球体最小轴与地层接近垂直,最大轴与地层接近平行,表明沉积物具有正常的沉积组构特征,并保持原始的沉积状态。如图 4 f,磁化率椭球体显示出扁状椭球体的特征(T<1)。此外,刘秀铭等[34]指出当1.032≥P≥ 1.002时,表明沉积物为原生的风成黄土堆积。本文中所有样品的各向异性度均在上述范围内(图 4 e),进一步表明了L1、S1具有原生的沉积状态。总之,所有样品的AMS结果显示它们的特征剩磁未经过后期的扰动,代表了原始的地磁场方向,退磁数据可靠。
3 讨论 3.1 漂移事件的年代学分析采样地层序列年代标尺的确定是解决所测得的磁异常是否为地磁漂移事件的前提。中国黄土地层年代确定有间接和直接两种方法:间接方法包括磁化率时间标尺[35]、轨道调谐年代标尺[20, 36-40]等;最直接、最有效的测年方法主要有释光和14C测年[41-45]。Heller等[3]首先将中国洛川剖面的磁化率曲线与深海同位素曲线进行对比,具有很好的一致性,所以中国黄土剖面的磁化率也具有可对比性。Kang等[44-45]详细地研究了末次间冰期以来渭南黄土剖面并系统的测量了高分辨率的光释光数据。我们首先将洛川和渭南黄土剖面的磁化率曲线进行了详细的对比,得到10个比较可靠的年代控制点(图 7蓝色实线)。分别将L1的年代定为10~76 ka,S1为76~127 ka[40, 44-45],又得到3个年代控制点。通过这些年龄控制点进行线性内插,便可得到采样剖面的年代序列。就沉积速率而言,除了在若干位置有较大幅度的变化外,末次间冰期以来洛川黄土剖面整体的沉积速率并不存在显著变化,我们认为沉积速率的突变可能是由于短期的沉积间断所引起的。
3.2 地磁异常的确定和剩磁锁定深度本次研究发现了3处比较明显的地磁异常,在L1中对应的地层位置为175、777 cm。根据所得年代序列,这些异常对应的年代分别为18.7、73.6 ka;在S1中对应的地层位置为1 185.0~1 222.5 cm,对应的年代为121.3~125.0 ka。在L1、S1中发现的地磁漂移事件主要有Mono Lake、Laschamp和Blake漂移,目前人们普遍接受的年龄分别为24~32 ka、39~45 ka和110~125 ka[46-47]。L1中175、7 7 7 cm处分别有3块和2块样品记录了两次地磁异常事件,经过对比分析我们认为这两次地磁异常事件并不能与Mono Lake、Laschamp漂移相对应。然而Singer等[48]在中国东北长白山天池的火山熔岩流中发现了一次地磁漂移事件,经过40Ar/39Ar测年确定其年龄为(17.1 ± 0.9) ka,并将其命名为Hilina Pali/ Tianchi漂移。Wang等[49-50]和Yang等[51]分别用40Ar/39Ar和238U-230Th方法测试了该套熔岩流的年代,其年代均为(18.4 ± 2.8) ka。这些年龄值与我们得到的(17.9 ± 0.2) ka比较一致。因此我们认为在175 cm附近记录到的地磁漂移应该与Hilina Pali/ Tianchi漂移相对应。然而如果将位于777 cm(73.6 ka)处的地磁异常与Laschamp漂移相对应,年代相差至少28.6 ka,剩磁锁定深度至少为275 cm,这与以往研究结果相去甚远,因此我们认为这不是一次地磁漂移。
S1中记录到1次明显的地磁异常,通过对6组平行样品的综合研究以及年代的确定,我们认为该地磁异常应该与Blake漂移相对应。此外,在西宁剖面[12]和九州台剖面[14]记录到Blake漂移,通过调谐和释光测年获得的年龄分别为117.1~111.8、119.97~114.47 ka;Zhu等[52]在中国东北天池地区识别出一次Blake漂移,其年代为123 ka;Sier等[53]和Singer等[54]分别识别到Blake漂移,通过测年认为其年代分别为(120±12) ka和(123±2) ka。因此,我们认为洛川剖面1 185.0~1 222.5 cm处记录的地磁异常可以对应于Blake地磁漂移。对于黄土中记录的MB倒转的Lock-in深度一直都存有争议[55-62]。然而,西宁剖面[12]和九州台剖面[14]以及本次洛川剖面记录的Blake漂移年代十分相近。此外,在渭南和灵台剖面,利用14C和热释光测年得到Mono Lake漂移的年龄均为27.1~26.0 ka[5, 52],Laschamp漂移年龄分别为46.8~37.4 ka[5]和47.5~38.1 ka[52],洛川剖面记录的Laschamp漂移的年代为43.7~41.7 ka[8, 11]。这些年龄与目前普遍接受的Mono Lake和Laschamp年龄基本一致。中国黄土能够清晰的记录到这些短期的地磁漂移,表明中国黄土的锁定深度不应该很大,因为大尺度的Lock-in效应可以完全“平滑”掉任何短期的地磁极性记录[61]。因此,对于末次间冰期以来的地磁漂移,其剩磁记录不存在显著的Lock-in效应[6, 8, 11]。
3.3 地磁漂移的形态学分析对于中国黄土记录的MB倒转的形态学研究已有较多报道[55-56, 58, 60-61],结果表明,不同地区MB倒转带中发生快速倒转的次数不同。对于同一地区,不同研究者得出的快速倒转的次数也不尽同,甚至是同一地区平行样品记录的MB倒转的次数也不同。许多学者分别研究了中国黄土中记录的Mono Lake漂移Laschamp漂移[5-7, 10],其形态也各不相同(图 8)。如Laschamp漂移在渭南剖面记录到6次快速的倒转,在灵台和西峰剖面均只有2次快速的变化,而在宜川剖面确没有发现该漂移。只在渭南和灵台剖面记录到Mono Lake漂移,仅有2次快速的变化。此外,邓成龙等[10]和刘维明等[18]分别在白草塬和洛川剖面进行了详细的古地磁研究,均没有记录到Mono Lake和Laschamp地磁漂移,与本次研究的结果基本一致。近些年来,许多学者分别研究了中国黄土剖面S1的古地磁记录(图 9),灵台剖面没有记录到Blake漂移,环县剖面疑似记录到了Blake漂移,只有西宁和九州台这两个剖面记录到明显的Blake漂移事件,但是这两个剖面同时快速倒转次数又各不相同,分别为6次和4次。此外,郭斌等[16]分别研究了定边、西峰和渭南3个剖面的地磁变化,均没有记录到Blake漂移事件,邓成龙等[10]在白草塬剖面也没有记录到Blake漂移事件。
中国黄土剖面均能够记录到MB地磁倒转,然而对地磁漂移的记录却不尽相同。我们详细地讨论了Mono Lake、Laschamp和Blake漂移在中国黄土剖面中的记录情况,不仅许多剖面难以记录到这3个漂移,而且其形态和快速倒转的次数在不同地区也有所不同,我们测试的6套平行样品也表明即使是平行样品也会出现形态、持续时间等方面的差异。不同学者给出了不同的解释,如中国黄土存在千年尺度的沉积间断[9-10, 64]、中国黄土中的剩余磁性在锁定的过程中会受到一定的平滑作用[60]、沉积速率太低(<20 cm/ka)也会引起剩磁信息失真[65]以及自然环境和地理位置的不同也可能会对不同剖面的地磁漂移产生一定的影响[10]等。
对于不同剖面产生的差异,沉积间断可能是其中的一个重要原因。Stevens等[66]在研究北郭塬剖面时发现一个10~15 ka的沉积间断;鹿化煜等[64]通过对黄土高原3个剖面高密度的光释光测试,也发现了黄土地层中存在长达5 ka的侵蚀间断现象,并认为中国黄土堆积在千年时间尺度上可能普遍存在侵蚀间断;此外,我们根据磁化率对比得到的年代,发现黄土的沉积速率同样存在较大变化,这极可能也是黄土中存在沉积间断所致。由于存在千年尺度的沉积间断,中国黄土剖面中一些短期的漂移事件也就有可能不能被记录到或只能记录到漂移的一部分而导致形态学的差异;生物扰动以及土壤化作用是产生平滑作用的主要因素。朱日祥等[61]认为黄土中的生物扰动作用是很弱的,成土作用对地磁记录的影响可能与海洋沉积物中化学反应的影响相当。虽然黄土中剩磁在锁定的过程中会受到平滑作用的影响,但是其影响的程度较小,不足以影响数千年的漂移记录。一般而言,黄土的沉积速率通常低于20 cm/ka[11],较低的沉积速率能够直接地影响剩磁的记录,可以弱化地磁记录的相关信息,而使地磁记录不完整。邓成龙等[10]研究表明,从西北到东南黄土中碎屑磁铁矿的粒度逐渐减小,黄土沉积物记录剩磁的能力逐渐增强,因此认为自然环境、地理位置的不同也可能会对不同剖面的同一地磁漂移记录产生一定的影响。然而Jin等[19, 55]和本次研究表明,即使排除以上所有这些因素,同一地磁漂移或倒转的形态特征和持续时间也会出现差异,这可能是由于地磁场倒转或是异常期间存在较低的相对古地磁场强度,从而影响风成黄土沉积物中碎屑载磁颗粒沿沉积时地磁场方向的高效排列,从而降低黄土的剩磁记录能力。
4 结论通过对洛川剖面末次间冰期以来沉积物(S1、L1) 高分辨率和多组平行样品的古地磁分析,得出如下结论:
1) 研究剖面主要的载磁矿物为磁铁矿,但是古土壤层S1中少数样品的特征剩磁也可能由赤铁矿携带。
2) 在L1中175 m处记录到1次明显的地磁异常,发生年代约17.9 ka,该地磁异常可与Hilina Pali/ Tianchi漂移对应。S1能够记录Blake事件,发生于(123±2) ka。
3) 尽管于该剖面识别出Hilina Pali/ Tianchi、Blake漂移,但是通过6套平行样品对比分析发现该剖面难以记录具体的地磁漂移形态。
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