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中国地质大学（北京）中国地质大学（北京）地球物理与信息技术学院地球物理与信息技术学院第六章古地磁学古地磁学是地磁学的一个分支，兴起于古地磁学是地磁学的一个分支，兴起于2020世纪世纪5050年代，从年代，从6060、、7070年代迅速发展。它年代迅速发展。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科，其物理基础是岩石磁性和地磁场轴向偶极子的假定。偶极子的假定。主要内容主要内容岩岩((矿矿))石的磁性石的磁性古地磁学基础古地磁学基础古地磁学工作方法古地磁学工作方法古地磁学在地学上的应用古地磁学在地学上的应用第一节第一节古地磁学基础古地磁学基础一、古地磁学的两个基本前提一、古地磁学的两个基本前提稳定的原生剩余磁化强度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。就能推测岩石形成时的地磁场特征。轴向地心偶极子场假说轴向地心偶极子场假说按偶极子公式，磁倾角按偶极子公式，磁倾角II与磁纬度的关系为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。再根据剩磁的偏角度。再根据剩磁的偏角DD，可以计算出采样，可以计算出采样地点的古地磁极的位置地点的古地磁极的位置。。2tgItgϕ=二、古地磁极二、古地磁极设偶极子磁矩为设偶极子磁矩为mm，则地球表面纬度，则地球表面纬度处场的径处场的径向分量和切向分量分别是：向分量和切向分量分别是：由于磁倾角的正切为由于磁倾角的正切为，所以：，所以：ϕ2tgItgϕ=032sin4RmFRμϕπ=032cos4mFRϕμϕπ=/RFFϕ对时间平均的倾角对应于地心轴向偶极子场假说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。虚地向，由此可得地球表面相应地理极的位置。虚地磁极磁极1sinsinsinsinPDψδϕ−⎡⎤=⎢⎥⎣⎦1sin(sincoscossincos)PSSDϕϕψϕψ−=+(,)PPPλϕ11cot2tgIψ−⎛⎞=⎜⎟⎝⎠0180(cossinsin)PSSPλλδψϕϕ=+−当PSδλλ=−(cossinsin)PSSPλλδψϕϕ=+≥当虚地磁极虚地磁极VGPVGP是任一瞬时古地磁场方向计算出的磁极位是任一瞬时古地磁场方向计算出的磁极位置。若在计算使用置。若在计算使用““足够长足够长””时间地磁场方向的平均值，则时间地磁场方向的平均值，则计算出古地磁极。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。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。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。按几百万年间隔计算。三、古地磁场强度三、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。剩磁强度与该磁化场成正比。在实验室里，在弱磁场在实验室里，在弱磁场中，重演原始磁化强中，重演原始磁化强度度————热剩磁、取向剩磁的形成过程，并将得到热剩磁、取向剩磁的形成过程，并将得到的磁化强度的磁化强度和原始剩磁强度和原始剩磁强度进行比较，进行比较，若自岩石形成以来其磁性没有改变，利用正比规若自岩石形成以来其磁性没有改变，利用正比规律，写成：律，写成：LHrLMroM0roLrLMHHM⎛⎞=⎜⎟⎝⎠利用利用即可确定古地磁场强度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样品在各个温度区间的部分天然剩余磁性（（NRMNRM），并产生各温度区间的部分热剩余磁性），并产生各温度区间的部分热剩余磁性（（TRMTRM），根据），根据NRM/TRMNRM/TRM的比值确定古地磁场的比值确定古地磁场强度值，俗称特利埃法。强度值，俗称特利埃法。0roLrLMHHM⎛⎞=⎜⎟⎝⎠0H四、古地磁场是轴向偶极子场四、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。深海沉积物也有剩余磁性，剩磁的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场的方向，深海沉积的速度极为缓慢，约慢，约11--1010毫米／千年。所以长毫米／千年。所以长10m10m的海底沉积物记录着几百万年的海底沉积物记录着几百万年的地磁场历史。的地磁场历史。由于从岩芯上取下来的测试样品几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，地磁场的长期平均方向，就是说，地磁场的长期变化被平均掉了。变化被平均掉了。上图是测定上图是测定2Ma2Ma深海沉积岩心的磁倾角结果，其与按轴向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，说明地心偶极子计算的理论倾角吻合很好，说明2Ma2Ma年以来地年以来地磁场仍具轴向偶极子场的特征。磁场仍具轴向偶极子场的特征。对世界两千万年对世界两千万年((第三纪中新世以来第三纪中新世以来))来火山岩的观测结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。是轴向地心偶极子场。我国有人对北京地区、汉、三国、唐、宋、金、我国有人对北京地区、汉、三国、唐、宋、金、元、明、清各朝代的墓砖、城砖进行了剩余磁性元、明、清各朝代的墓砖、城砖进行了剩余磁性研究，获得了北京地区两千年来的地磁场强度和研究，获得了北京地区两千年来的地磁场强度和倾角变化。可以看到，地磁场强度在逐渐减少。倾角变化。可以看到，地磁场强度在逐渐减少。地磁倾角有周期变化，周期约一千余年，变化幅地磁倾角有周期变化，周期约一千余年，变化幅度约度约202000。。世界各地近两千年来的地磁场强度和磁倾角变世界各地近两千年来的地磁场强度和磁倾角变化，也显示了同样的趋势，但各地区倾角变化的化，也显示了同样的趋势，但各地区倾角变化的相位不同。相位不同。五、地球磁场极性反转五、地球磁场极性反转地磁场的反转是古地磁研究取地磁场的反转是古地磁研究取得的重要成果之一。得的重要成果之一。19061906年布容在法国首次发现了年布容在法国首次发现了反向磁化反向磁化((与现代地磁场方向相与现代地磁场方向相反的岩石反的岩石))。。至三十年代，松山发现日本第至三十年代，松山发现日本第三纪以后的岩石约三纪以后的岩石约5050％是反向％是反向磁化。磁化。这是由于地磁场在地质时期内这是由于地磁场在地质时期内发生了多次的极性反转造成发生了多次的极性反转造成的。的。正常和反转磁化岩石各占正常和反转磁化岩石各占5050％％左右，说明地磁场具有任一极左右，说明地磁场具有任一极性的几率是相等的。性的几率是相等的。第二节第二节古地磁学工作方法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：和强度，包括下列几项工作： 采集古地磁标本采集古地磁标本 剩余磁性测定剩余磁性测定 剩余磁性稳定性的检验及原生剩磁的判定剩余磁性稳定性的检验及原生剩磁的判定 数据的统计整理等工作数据的统计整理等工作一、标本的采集一、标本的采集古地磁研究的基础工作是要从被研究的岩石单元古地磁研究的基础工作是要从被研究的岩石单元采集一套空间定向的标本。对于天然剩磁不太强采集一套空间定向的标本。对于天然剩磁不太强的岩石露头可用一般罗盘定向。而对于那些天然的岩石露头可用一般罗盘定向。而对于那些天然剩磁比较强的岩石露头，需要用太阳罗盘定向。剩磁比较强的岩石露头，需要用太阳罗盘定向。如果收集的岩石标本是经过变形的如果收集的岩石标本是经过变形的((如倾斜层如倾斜层))，，则还要标出由层理指示的原始水平面。则还要标出由层理指示的原始水平面。一个采样单元应有一定数量的采样点，这些采样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。每一个采样点要采集几个标本的整段时代。每一个采样点要采集几个标本,,每块每块标本又要加工成几个标准尺寸的样品。这样测得标本又要加工成几个标准尺寸的样品。这样测得的样品天然剩磁尽可能减小由层面产状定向、标的样品天然剩磁尽可能减小由层面产状定向、标本定向、标本各向异性及样品加工过程中产生的本定向、标本各向异性及样品加工过程中产生的误差。误差。二、剩余磁性测定二、剩余磁性测定在古地磁研究中，测量岩石剩磁最常用的仪器是在古地磁研究中，测量岩石剩磁最常用的仪器是旋转磁力仪和超导磁力仪。旋转磁力仪和超导磁力仪。三、剩余磁性稳定性的检验及原生剩磁的判定三、剩余磁性稳定性的检验及原生剩磁的判定岩石剩余磁性稳定性是指岩石保持所获得的某种岩石剩余磁性稳定性是指岩石保持所获得的某种剩余磁性的能力。剩余磁性的能力。大多数岩石的天然剩余磁性包含稳定的和不稳定大多数岩石的天然剩余磁性包含稳定的和不稳定的两种成分。的两种成分。一般情况下原生剩磁比次生剩磁具有较强的稳定一般情况下原生剩磁比次生剩磁具有较强的稳定性。稳定的剩余磁性也可能是后来获得的。性。稳定的剩余磁性也可能是后来获得的。剩磁稳定性检验包括野外检验和实验室检验。剩磁稳定性检验包括野外检验和实验室检验。野外检验可通过剩磁方向的一致性法、褶皱法、野外检验可通过剩磁方向的一致性法、褶皱法、烘烤接触法、砾岩法、倒转法等几种方法来进烘烤接触法、砾岩法、倒转法等几种方法来进行。行。褶皱法的原理为：如果在褶皱岩层的不同部位褶皱法的原理为：如果在褶皱岩层的不同部位上，所采样品的天然剩磁方向彼此不同，并做了上，所采样品的天然剩磁方向彼此不同，并做了倾角校正倾角校正((将将NRMNRM方向随岩层倾斜而转动相应的方向随岩层倾斜而转动相应的角度，使岩层恢复水平位置角度，使岩层恢复水平位置))后，天然剩磁的方向后，天然剩磁的方向变为一致，说明天然剩磁是在岩层褶皱前获得变为一致，说明天然剩磁是在岩层褶皱前获得的。否则，表明剩磁是次生的。的。否则，表明剩磁是次生的。实验室热退磁法是将岩样放在无磁空间通过逐步实验室热退磁法是将岩样放在无磁空间通过逐步加热和冷却的办法逐步退掉不同阻挡温度磁畴的加热和冷却的办法逐步退掉不同阻挡温度磁畴的磁性。磁性。热退磁一般多用于沉积岩的退磁，含大量赤铁矿热退磁一般多用于沉积岩的退磁