2011, Vol. 54
2. 中国科学院南海海洋研究所边缘海地质重点实验室,广州 510301
2. Key Laboratory of Marginal Sea Geology, South China Sea Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510301, China
印度板块与欧亚板块新生代以来的碰撞和挤压强烈地改造了中亚和东亚地区的构造格局，不仅造成了青藏高原的隆升，还使得印支地块沿着红河大断裂向东南方向挤出[1， 2].中国最大的边缘海---南海磁异常条带所获得的洋壳扩张年龄与红河断裂带中构造脉岩和构造变质岩的年代学反映的断裂活动时间基本一致，暗示着南海的形成与印度板块和欧亚板块的碰撞可能存在关联[3， 4].海南岛位于欧亚板块、印支板块和南海海区的交界处，在大地构造上处于敏感而重要的位置.用古地磁研究海南岛晚中生代以来的构造位置演化有助于了解欧亚板块与印度板块的相互作用，同时能为南海的形成与演化研究提供围区的古地磁限制条件.
莫宴情和施央申[5]、杨树锋等[6]、罗伟新和陈永[7]、Li等[8]、Liu和Morinaga[9]，以及付璐露等[10]曾对海南岛白垩纪红层(白垩纪红层盆地的分布见图 1)进行过古地磁研究.莫宴情在晚白垩世定安盆地取得手标本，古地磁结果反映的古纬度为24°N.罗伟新在早白垩世白沙盆地取的定向岩芯反映的古纬度为29.3°N；在定安盆地取的定向岩芯反映的古纬度为29.2°N.Li在白沙盆地和早白垩世三亚盆地取的定向岩芯反映的古纬度为24°N.Liu在白沙盆地补充取样，综合Li数据反映的古纬度为25.9°N.付璐露在定安盆地取的定向岩芯反映的古纬度为26.3°N.
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图 1 海南岛区域地质背景及采样地点 灰色区域为白垩纪盆地：长坡一东江盆地；定安盆地；文昌 盆地；4老羊地盆地；5白沙盆地；6琼海盆地；7三亚盆地.红色 线为断裂带：①王五一文教断裂；②昌江一琼海断裂；③尖峰一吊罗断裂；④九所一陵水断裂；黑色五角星为采样地点 Fig. 1 Simplified geologic map of the Hainan Island showing the east-west trending faults, the Cretaceous sedimentary basins (gray area), and our sampling localities |
华南地块白垩纪古地磁结果反映出来的古纬度位置限制着海南岛白垩纪的纬度位置.华南地块大量白垩纪古地磁结果表明华南地块在白垩纪期间位于现今纬度附近[11～19].广东和广西三叠纪古地磁结果表明广东和广西在三叠纪以来相对华南地块已无明显相对运动[20， 21]，说明广东和广西在白垩纪的时候位于现今纬度附近.虽然广东白垩纪红层古地磁结果显示广东在白垩纪的时候位于比现今纬度低的地区，白垩纪后发生北向运动[22～25]，但可能是由于红层倾角系统偏低的原因[26～28].前人得出海南岛在白垩纪位于比现今纬度高5°或以上的结论难以与华南地块白垩纪古地磁结果相适应.
并且，古地磁结果需要获得相应地质证据的支持才更具有说服力.前人的海南岛古地磁结果表明海南岛相对华南地块向南漂移了6°或以上.但是，这么大规模的相对运动在地质上却找不到相应规模的断裂带.所以，本文希望能够对海南岛白垩纪红层重新进行古地磁研究，并通过磁化率各向异性(Anisotropy of Magnetic Susceptibility，AMS)测试来检验古地磁结果的可靠性.
2 地质背景与采样海南岛白垩纪地层分布较广，有大小盆地10余个，总面积达3250km2，沉积总厚度大于2650km[29].其中东北部的定安盆地、东部的琼海盆地和中部的白沙盆地出露情况较好，产状较稳定.本文采样地点为白沙盆地，在白沙县牙叉镇南叉河河床、白沙-邦溪公路边和南开乡共14 个采点钻取古地磁岩芯132块.采点地理位置和地质背景见图 1.各个采点的具体采样情况见表 1.野外观察到海南岛白沙盆地岩性主要为暗红色粉砂质泥岩、紫红色粉砂岩.野外调查发现，有3个采点发育节理，1个采点发育劈理.汪啸风等[29]在白沙盆地鹿母湾群中上部发现了丰富的介形类和轮藻化石，确定年代为早白垩世.
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表 1 海南岛早白垩世地层采样位置与采样统计 Table 1 A list of sampling localities and numbers of individual cores of the Early Cretaceous red beds from Hainan |
先将野外取回来的132 块岩芯切割成2.5(直径)cm×2.2(长)cm 的圆柱状古地磁标准样品，每一块岩芯能切割成1～3个样品，然后挑选样品进行AMS测试和逐步热退磁实验.AMS测试在中国科学院广州地球化学研究所环境磁学实验室的MFK1V4.0卡巴桥磁化率仪上进行；测试时设置频率f1(976Hz)，外加磁场峰值为400 A/m，在此频率和磁场下仪器的灵敏度为2×10-8.逐步热退磁实验在中国科学院南海海洋研究所古地磁实验室屏蔽房(残余磁场小于300nT)进行，在SchonstedtTSD-1型退磁炉上加热退磁，逐步热退磁温度间隔设置为：NRM，100，150，200，250，350，450，500，550，580，600，620，640，650，660，670，680，690℃.在每一个温度点保持恒温加热40 min，加热后在热退磁炉的冷却区域内冷却至室温.冷却后的样品放置在铂镆合金磁屏蔽筒内待剩磁测试.剩磁测试在2G 三轴低温超导磁力仪进行.热退磁炉内腔放置样品区域和冷却区域的磁场强度均小于10nT.铂镆合金磁屏蔽筒内部磁场强度一般低于5nT.2G 三轴低温超导磁力仪灵敏度比较高，可达10-12A·m2.热退磁数据用Enkin 的PMGSC42 软件进行主成分分析[30]和Fisher统计[31].
4 实验结果与分析 4.1 AMS测试结果与分析磁化率各向异性结果显示海南岛早白垩世红层样品的磁化率值较大，基本在10-4数量级，只有极少数样品在10-5数量级.14个采点样品的磁组构均显示有占优势的方向，三个主轴方向分别集中.各采点样品平均的各向异性度、线理度和面理度见表 2；所有采点样品平均各向异性度为1.018，线理度为1.014，面理度为1.004，且磁化率椭球体最小轴显着偏离地层法线，见图 2.相比于正常磁组构，AMS结果的特征是P显着减小，K1 相对集中在NE-SW至NEE-SWW 方向，K2 和K3 多呈带状分布(图 2d除外).一般认为磁组构能反映岩石所经历的应力特征[32～34]，但取决于应变的规模，在弥散性应变状况下，磁组构才能较好地反映应变特征[35].沉积岩磁化率最小轴垂直层面反映出岩石在形成过程中受到了沉积和压实作用，常用于排除样品磁性矿物受到其他应力作用的干扰；而沉积岩磁化率最小轴不垂直地层，暗示了样品磁性矿物很可能受到其他应力作用的干扰[36， 37].本文在野外采样时对节理、劈理进行了调查记录，在室内将节理、劈理产状投影到AMS等面积投影图上与AMS三轴方向比较，发现采点1的节理组交线(反映了中间应力方位)刚好与AMS中间轴重合，见图 3a.这反映了采点1样品的磁性矿物空间分布形式是区域构造应力作用的结果.采点1磁化率最小轴显着偏离地层法线，所以，磁化率最小轴不垂直地层的14 个采点没有显示沉积或者压实组构特征，很可能都受到了区域构造应力的干扰.
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表 2 海南岛早白垩世红层14个采点磁组构三轴统计 Table 2 Statistic results of the site mean AMS parameters of the Early Cretaceous red beds |
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图 2 海南岛早白垩世红层各米点样品AMS三轴等面积投影图(地层坐标系下） 图中所有投影点均为下半球投影；k1为最大轴；k2为中间轴；k3为最小轴；围绕平均方向的闭合线为95%置信椭圆；(a)〜(n)分别代表采点1〜采点14. Fig. 2 Equal-area projections for the maximum (k1 , square) , intermediate (k2, triangle) and minimum (k3 , circle) axis of AMS ellipsoids from each site of the Early Cretaceous red beds (all in the bedding coordinates) |
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图 3 海南岛早白垩世红层节劈理与AMS三轴投影图比较(地理坐标系下） (a)采点l;(b)采点2;(c)采点9;(d)采点10. (d)图圆弧为劈理产状;其他图圆弧为节理组产状. Fig. 3 Equal-area projections of conjugate joints and cleavages measured at the sampling sites (Geographic coordinates) |
前人的研究工作表明海南岛早白垩世红层主要携磁矿物为赤铁矿[5～10].本文海南岛早白垩世132个样品天然剩磁(Natural Remanent Magnetism，NRM)较大，范围在10-3 ～10-2A/m 内.132 个样品均能分离出剩磁分量，25个样品只分离出高温剩磁分量，如图 4c，其余107 个样品分离出中温剩磁分量和高温剩磁分量，但中温剩磁分量对天然剩磁的贡献量比高温剩磁分量的贡献量要大得多，大多数样品强度退掉80%以后，才出现指向Z 氏图坐标原点的分量，如图 4a.多数样品中温剩磁分量解阻温度>600℃，如图 4b，但不通过Z氏投影图的坐标1Z氏投影图的坐标原点，如图 4j.
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图 4 海南岛早白垩世红层14个米点典型样品热退磁Z氏投影图 (a)〜（n)分别代表采点1〜采点14;图中实心圆和空心圆分别代表剩磁方向在水平面和铅直面上的投影（地理坐标系下）；蓝色为髙温特征剩磁，红色为中温剩磁；T为热退磁温度. Fig. 4 Zijderveld diagrams of thermal demagnetization of typical samples from each site of the red beds |
14个采点均能分离出高温剩磁分量，在地理和地层坐标系下的平均方向见图 5 和表 3.地理坐标系下的方向区别于现代地磁场方向(D=358.6°，I=26.1°)，见图 5.褶皱展平分析[39]方法表明褶皱展平度为80.4%时精度参数达到最大，见图 7a，对应方向为D=359.9°，I=43.4°，κ=70.2，α95 =4.8°.DC 褶皱检验方法[40]表明达到最大精度参数的褶皱展平度为82.3% ±32%，见图 7b.模拟褶皱检验方法[39]表明在95%的置信范围内，达到最大精度参数的褶皱展平度为77％ ±12.2％，见图图 7c．所以，严格意义上说，海南岛红层14个采点的高温特征剩磁分量并没有通过褶皱检验，而是在80.4％左右集中程度最大．
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表 3 海南岛早白垩世红层各采点剩磁分量统计 Table 3 Statistic results of remanent components isolated from each site of the red beds |
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图 5 海南岛各采点高温特征剩磁分量等面积赤平投影图 投影点均为下半球投影；（a)〜（n)代表采点1〜采点14方向在地理坐标系下的投影；（o)和（p)分别代表14个采点平均方向在地理坐标系下和地层坐标系下的投影；五角星为平均方向；方块为现代地磁场方向. Fig. 5 Equal-area projections of HT component directions isolated from each site of the red beds |
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图 7 海南岛14个采点高温特征剩磁褶皱检验 (a)为褶皱展平分析方法[39]；（b)为统计意义上的DC斜率褶皱检验方法[40](c)为统计意义上的模拟褶皱检验方法][39] Fig. 7 Fold test results of HT component isolated from 14 sites of the red beds |
其中12个采点能分离出中温剩磁，在地理和地层坐标系下的平均方向见图 6 和表 3.地理坐标系下的方向也区别于现代地磁场方向，见图 6.褶皱检验表明褶皱展平度为60.7%时精度参数达到最大，对应方向为D=15.3°，I=49°，κ=150.4，α95 =3.6°.
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图 6 海南岛各采点中温特征剩磁分量等面积赤平投影图 投影点均为下半球投影；（a）〜l为各个采点在地理坐标系下的投影；（m)和（n)为12个采点分别在地理坐标系下和地层坐标系下的投影；五角星为平均方向；方块为现代地磁场方向. Fig. 6 Equal-area projections of IT component directions isolated from 12 sites of the red beds |
本文观察到的磁组构显示三轴椭球体且以线理最明显，似乎反映了水流作用的结果.对于赤铁矿颗粒而言，沉积作用使得扁平面总体上平行于水平面，从而使最小磁化率轴垂直层面.在水流作用下，赤铁矿颗粒会呈叠瓦状排列，表现为样品磁化率椭球体三个主轴方向分明，最大轴和中间轴分布在水平面且中间轴与水流方位一致(这里请注意：对于含磁铁矿颗粒的沉积物，受水动力强度的影响，可以是最大轴或者中间轴方位与水流方位一致)，而最小轴略微偏离地层法线或者以地层法线为中心向水流方位发生一定程度的离散(由叠瓦状交错排列的几何形态决定).显然，这和我们观察到的磁组构最小轴显着偏离地层法线的特征不同，结合在一个采点观察到的磁组构中间轴和中间应力轴的一致性，可以排除磁组构主要反映水流作用的可能性.或许我们的样品在沉积过程中曾经受到过水流的作用，但是已经被构造应变所改变了.
以19.1°N，109.2°E 为参考点，利用14 个采点高温特征剩磁在褶皱展平到最大精度参数时对应的方向计算出海南岛在早白垩世的古纬度25.3°N，古地磁极位置为83.8°N，108.4°E，α95=4.7°.这与前人获得的古纬度和古地磁极位置相近，见图 8 和表 4.高温特征剩磁在80.4%集中程度最大，可能原因之一是发生了同褶皱重磁化，但在本文研究区及附近并没有找到热侵入等导致同褶皱重磁化发生的证据；可能原因之二是剩磁是沉积时的剩磁，但是沉积后被构造应力改造，使磁性矿物颗粒排列方式发生改变，导致古地磁方向发生变化.无论是何种原因，本研究区早白垩世红层古地磁记录都难以真实地反映早白垩世时的原生剩磁方向，因此据此数据计算出来的海南岛在白垩纪的古纬度可能不准确.由于前人古地磁结果非常接近本文结果，也没有通过严格意义上的褶皱检验(付璐露数据除外)，本文认为，前人的古地磁结果也难以准确反映本研究区在早白垩世时的古地磁方向，因此用该数据来计算海南在白垩纪的古纬度是值得怀疑的.
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图 8 海南岛白垩纪古磁极 1来自付璐露等[10]，年代为K2 ;为本文14个采点统计出来的 古磁极，年代为K„3来自Li等[8]，年代为K„4来自Liu 等[9]，年代为K1 ;为华南地块参考极[19]，五角星为海南位置. Fig. 8 Stereonet projection of the Cretaceous paleomagnetic poles from the Hainan Island |
以上是对海南岛白垩纪古地磁方向本身的可靠性进行了讨论，下面根据海南岛围区的地质和古地磁限制讨论海南岛白垩纪红层古地磁方向的可靠性.假设前人和本文研究区红层记录的古地磁方向是早白垩世原生的沉积剩磁方向，没有受到构造扰动，并采用华南地块白垩纪参考极位置80.1°N，204.1°E，α95=2.5°[19]，计算出海南岛自白垩纪以来相对华南地块的运动，结果如表 4所示，表明海南岛相对华南地块自白垩纪以来向南漂移了6°左右.这一古地磁结果是难以成立的，因为在海南岛与华南地块之间找不到一条大断裂带使它们之间能错动如此大的距离.
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表 4 海南岛白垩纪红层古地磁结果对比 Table 4 List of paleomagnetic results isolated from the Cretaceous red beds of the Hainan Island |
海南岛周边最大规模的断裂带为红河断裂带，虽然红河断裂带入海后如何延伸尚存在争议，但是共同认为红河断裂带入海的延伸是在海南岛的西南边[41～45]，见图 9.所以海南岛不可能沿红河断裂带相对华南地块错动.Liu 等试图推断出使得海南岛相对华南地块大规模错动的断裂带所在位置.Liu通过比较广西、海南岛白垩纪古地磁结果与他们统计出来的华南地块白垩纪参考极位置74°N，223.3°E，α95=5.3°，认为广西相对华南地块自早白垩世以来向南漂移了7.8°±6.9°，海南岛相对华南地块自早白垩世以来向南漂移了14.1°±5.5°，因此认为在华南大陆上存在平行于红河断裂带的断裂带，广西和海南位于这条断裂带与红河断裂带之间，见图 9；并认为这条断裂带使得印支地块沿红河断裂带向东南挤出的时候，海南、广西也被牵引着沿这条断裂带相对华南地块向东南移动.但是，本文将广西白垩纪古地磁极与现在资料更新的华南白垩纪参考极位置80.1°N，204.1°E，α95=2.5°[19]比较，却发现广西自白垩纪以来相对华南地块向南漂移仅为1.7°±5.3°.这表明广西相对华南地块并无明显的纬向漂移.并且广西西部早三叠世古地磁数据表明，广西西部自早三叠世以来相对华南板块无相对运动发生[46].这进一步否定了Liu 等提出的海南岛与华南地块之间的断裂带位置.这表明海南岛在白垩纪位于比现今纬度北6°以上的古地磁结果在围区白垩纪古地磁结果的限制下是难以成立的.
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图 9 海南岛周边断裂带 红色实线为确定断裂;红色虚线为推测断裂;五角星为Liu等推 测海南与华南间断裂带所用古地磁点（海南和广西新龙）.华南 陆上红色虚线为LU推测断裂，其他断裂源自孙珍等[45] Fig. 9 Large scale faults mapped in areas surrounding the Hainan Island |
假设本文研究区红层记录的是新生代同褶皱重磁化的剩磁，也难以在海南围区古地磁和地质限制条件下作合理解释.将14个采点高温特征剩磁数据褶皱展平80.4% 达最大精度参数时计算出的古磁极位置83.8°N，108.4°E，α95=4.7°与华南地块新生代参考极位置89.4°N，328.7°E，α95=5.9°[47]比较，表明海南岛自新生代以来相对华南地块南向漂移了6.7°±5.5°，逆时针旋转了0.3°±6°.因此比较合理的解释是红层的剩磁是沉积时获得，但在沉积后受到了构造应力的改造，磁性矿物颗粒排列发生了变化，导致古地磁方向随之变化.因此海南岛红层的古地磁方向不适宜用来恢复海南岛在白垩纪时的古纬度.
6 结 论综上所述，通过对海南岛早白垩世红层进行古地磁采样、测试分析和讨论，结合围区古地磁和地质限制条件，本文对海南岛白垩纪红层的古地磁研究取得以下几点认识：
(1) 海南岛早白垩世红层14个采点AMS最小轴显着偏离地层法线，没有反映沉积岩的沉积或者压实作用特征.相反，磁化率各向异性椭球体中间轴与野外观察到的节理组交线重合，反映了构造应变特征.说明红层在沉积后因构造应力影响磁性矿物排列发生了改变.
(2) 热退磁结果表明，14 个采点高温特征剩磁在褶皱展平80.4%时集中程度最高，不能通过褶皱检验.原因可能是红层发生了同褶皱重磁化；也可能是红层剩磁在沉积时获得，但在沉积后因磁性矿物排列发生变化而导致古地磁方向改变，致使不能通过褶皱检验.
(3) 将本文和前人古地磁数据与华南地块白垩纪参考极对比，表明海南岛白垩纪位于比现今纬度北6°左右的位置，并自白垩纪以来，相对华南地块向南漂移6个纬度.与华南地块新生代参考极对比计算出来的相对漂移量和旋转量也很大.而来自海南岛围区古地磁结果和地质观察表明“海南岛在白垩纪或新生代位于比现今纬度北6°以上的位置”是难以成立的.本文对海南白垩纪古地磁结果与华南地块古地磁数据以及周边地质现象的不协调性给出一种解释，即海南岛红层剩磁可能在沉积时获得，但在沉积后受到构造应力改造使古地磁方向发生变化，因此，它不是古纬度的准确载体.
致谢中国科学院广州地球化学研究所欧朱照宇研究员、欧阳萍婷副研究员对本文样品磁组构测试提供指导和帮助，审稿人的指正和建设性意见提升了本文的质量，中国科学院地质与地球物理研究所江为为副研究员以及学报编辑为本文审阅过程提供了便利，在此表示衷心的感谢.
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