古地磁年代学的原理及应用

古地磁年代学的原理及应用

黎晓娟1，2

（1. 西北大学地质学系；2. 大陆动力学国家重点实验室，西安　710069）

摘要：第四纪地质学主要是研究地球近2.5Ma年以来的发展史，尤其是地壳的发育史第四纪气候的变化。几十年来第四纪地质学研究所取得的进展，都建立在第四纪地质年代学的基础上。K-Ar和Ar-Ar测年、14C测年、裂变径迹法或利用宇宙成因核素测年都能为地球演化以及第四纪以来古环境演变提供一个相对准确的年代标尺。十九世纪以来，随着古地磁学的深入研究，古地磁年代学也发展成为一门新的学科，对于缺少用于同位素年代测试对象的地区，古地磁测年方法也能用于间接的确定地层的年代。本文则主要介绍了古地磁年代学的原理、研究方法以及其在古人类及黄土中的应用。

关键词：古地磁原理、古地磁测年方法、古地磁年代学应用

1. 古地磁年代学原理

古地磁年代学指的是将沉积序列的天然剩余磁性极性正反方向变化与国际标准地磁极性柱进行对比，从而为地层建立一套相对年代框架。

1.1地球磁场

地球磁场指的是地球本身以及地球周围空间的磁场，可近似的看作一个放在地心的偶极子所形成的磁场。经过大量研究证明，实际上地球磁场并不是亘古不变的，而是始终都在随时间而不断发生变化（Brunhes，1905；Matuyama，1929 ）。其中，最极端的情况是地磁场的南、北极对调，即地磁极性发生了倒转。地磁场极性倒转是地磁场最显著的特征之一。

地球上任意一点的磁场都可以用地磁三要素：磁倾角（I）、磁偏角（D）、磁场强度（H）表示出来。地磁三要素之间的关系可以用以下三个公式表现：

HN=H cosI cosD

HE=H cosI sinD

1.2国际标准地磁极性柱

20世纪60年代初到60年代末，主要基于火山岩剩磁测量和K/Ar测年建立了最近约5 Ma以来的地磁极性年表。Cox于1963年根据9个资料点总结出了世界上第一个国际标准地磁极性年表，但是这个标准年表非常粗略，精确度不是很高（Cox et al., 1963）。此后，R Doell等人对这个标准年表进行了调整与改善（Doell et al.，1966）。20世纪60年代末到90年代初，基于大量海底磁异常条带相对宽度建立了中中生代以来完整的地磁极性年表。20世纪90年代以来，基于极性界限的天文调谐结果，正在构建高精度的天文极性年表（Hesselbo et al., 2013; Li et al., 2016; Wu et al., 2012; 王成善等，2009）。

2. 研究方法

2.1野外采样

古地磁年代学样品的采集以黄土为例，主要分为散样和定向样的采集。散样的采集一般情况下以10cm为间隔自上而下从出露较完整的剖面上采集，定向样一般以20-50cm的间隔采集，在采集定向样时需注意在样品上标定正北方向。无论是散样还是定向样的采集剖面都应注意避开发生过滑坡或垮塌的位置，同时也要注意避开明显受雷击或是被认为因素干扰过的剖面。

2.2室内实验

本文的古地磁年代学相关实验主要介绍逐步热退实验。首先，定向样品需提前制作成2×2×2cm的立方块，逐步热退磁实验的整个实验过程都必须要在零磁空间（<8nt）中进行，最初需测得样品的天然剩磁，再使用热退炉对样品进行加热，最初只需将样品加热到50℃-100℃之间，保持温度稳定30min，取出样品，测其剩磁，再以20-50℃为升温间隔，对样品进行逐步升温，每升高一次温度，都需对样品进行测试，直到温度达到625-685℃。

2.3野外稳定性检验

2.3.1褶皱检验

褶皱检验依赖于地质体的倾斜或者褶皱。一个原始的未发生褶皱作用的地层，岩石中磁性矿物颗粒的磁化方向应当是一致的，如果磁化作用早于褶皱作用，那么磁性矿物颗粒的磁矢量方向相对于层面来说是保持不变的，在经过层面修正后，其矢量的离散程度是减小的（如下图中的ii所示）。当磁化作用晚于褶皱作用时，其褶皱层位岩石中的磁性矿物颗粒的磁矢量应当都是大致平行的，在经过层面矫正之后，其磁性矿物颗粒的磁矢量离散程度会变大（如下图中的iii所示）。

3. 应用

古地磁年代学的应用领域十分广泛，例如可用于研究地球基本磁场的演化、考古时代的地磁场变化、与生物地层学研究相结合以及黄土-古土壤研究方面。本文的应用方面主要探讨的是古地磁年代学在古人类以及黄土-古土壤中的应用。

3.1古人类研究

关于元谋人的年代研究，最早李普等人将古地磁年代学方法运用在元谋人的年代确定中，首次测出云南元谋人的年龄为距今170万年左右，比北京人和蓝田人的年代要早， 从而把我国过去发现的最早人类化石年代推前了100多万年（李普等，1976）。而后，有日本学者提出质疑，他们利用古地磁年代学方法测出的元谋人所在地层的年龄仅为0.6~0.7Ma（Hyodo et al.，2002）。在此之后，2005年，姚海涛等人又提出了日本学者研究的问题所在，姚海涛等人对在翔实的岩石地层学和古生物地层学基础上，又开展高分辨率磁性地层学研究，研究结果表明元谋人的生存年代的确在170万年以前，而日本学者研究错误的原因是采样不够，分辨率不足（姚海涛等，2005）。

3.2黄土-古土壤

1982年刘东生与Heller首次报道了风成黄土，通过对洛川黄土钻孔剖面磁性地层学研究，将黄土的底界下延至松山负极性早期约240万年之前，，并提出了磁化率的波动可以用于反映气候的变化波动情况，最早提出了成土作用导致磁性增强的观念，这项研究奠定了中国黄土地层的基本年代框架，并预示了之后的磁化率可与海洋氧同位素之间可进行对比（Heller et al.，1982）。

4. 参考文献

[1]Brunhes B. L.BRUNER et S. TOLLOCZKO. — Ueber die Auflosungsgeschwindigkeit fester Körper (Sur la vitesse de dissolution des corps solides). - Bulletin de l'Académie des Sciences de Cracovie, séance du 12 octobre 1903[J]. Journal De Physique Théorique Et Appliquée, 1905, 4(1):110-112.

[2]Cox, A. V., Doell, R. R. & Dalrymple, G. B. (1963), 'Geomagnetic polarity epochs and Pleistocene geochronometry', Nature 198, 1049-1051.

[3]Matuyama M . On the Direction of Magnetisation of Basalt in Japan, Tysen and Manchuria[J]. Journal of Genetics, 1929, 19(3):403-417.

[4]Doell R R , Dalrymple G B , Cox A . Geomagnetic Polarity Epochs: Sierra Nevada Data, 3[J]. Journal of Geophysical Research Atmospheres, 1966, 71(2):531-541.

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[6]Heller F ,  Tung-Sheng L . Magnetostratigraphical dating of loess deposits in China[J]. Nature, 1982, 300(5891):431-433.

[7]Heselbo S，Bjerum C，Hinnov L，et al.Mochras Borehole Revisited:A New Global Standard for Early Jurasic Earth History[R].ICDP Report，2013.

[8]Li, M., Huang, C., Hinnov, L., Ogg, J., Chen, Z.-Q., Zhang, Y., 2016. Obliquity-forced climate during the Early Triassic hothouse in China. Geology 44, 623–626.

[9]Olsen P E，Kent D V，Cornet B，et al.High-resolution stra- tigraphy of the Newark rift basin (early Mesozoic，eastern North America)[J].Geological Society of America Buletin，1996，108(1):40-77.

[10]Wu H，Zhang S，Jiang G，et al.Astrochronology of the Early Turonian-Early Campanian terestrial sucesion in the Songliao Basin，northeastern China and its implication for long-period behavior of the Solar System [J].Palaeo-geography，Palaeoclimatology，Palaeoecology，2012，385:55-70.

[11]王成善,曹珂,黄永建. 沉积记录与白垩纪地球表层系统变化[J]. 地学前缘,2009,16(5):1-14.

[12]王俊达. 地质年代学第十讲——古地磁地质年龄测定[J]. 地质地球化学, 1982(07):60-64+66.

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[14]姚海涛,邓成龙,朱日祥. 元谋人时代研究评述——兼论我国早更新世古人类时代问题[J].地球科学进展,2005(11):39-46.