鄧然

（成都理工大學(xué)沉積地質(zhì)研究院，四川 成都 610059）

環(huán)境磁學(xué)是最近二十年來新建立起來一門的邊緣學(xué)科，它運(yùn)用巖石磁學(xué)古地磁學(xué)的技術(shù)與手段，測定巖石的各種參數(shù)在不同環(huán)境條件下所發(fā)生的變化，從而對巖石磁性與環(huán)境的變化關(guān)系及演變規(guī)律進(jìn)行研究。它源于上世紀(jì)七十年代，奧德費(fèi)爾德和湯普森兩人在對北愛爾蘭內(nèi)伊湖沉積物的研究過程中，就發(fā)現(xiàn)礦物的磁性特征可以作為古環(huán)境演化的替代指標(biāo)[1]。

用于測量的磁性參數(shù)主要有質(zhì)量磁化率（χ）、容量磁化率（κ）、飽和等溫剩磁（SIRM）、非磁滯剩磁（ARM）等[2]。文中所涉及的磁性參數(shù)為容量磁化率，是物質(zhì)被磁化難易程度的一種量度，其關(guān)系式為=M/H，表示單位體積樣品的磁感應(yīng)強(qiáng)度與外加磁場強(qiáng)度的比值，可以反映巖石中磁性礦物的含量[1]。沉積物形成于特定的沉積環(huán)境中，環(huán)境的變化（例如植被演替、水動力條件、沉積作用改變等）會導(dǎo)致其磁化率值發(fā)生改變。作為環(huán)境改變過程中所包含的環(huán)境信息的重要載體，磁性礦物是重建古環(huán)境及古氣候的替代指標(biāo)[3]。近幾年來，國內(nèi)眾多專家充分利用磁化率分析的方法進(jìn)行黃土研究，并就黃土地層對比劃分和古環(huán)境序列等問題的解決方案做出了重大的貢獻(xiàn)。但對于湖泊沉積物的研究結(jié)果卻存在很大差異。因此解釋湖泊沉積物反映的環(huán)境特征時(shí)，應(yīng)更注重沉積物的磁化率特點(diǎn)及其影響因素。

本文以柴達(dá)木盆地西部俄博梁地區(qū)剖面作為研究對象，測量了剖面巖石的磁化率，對其數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析處理，旨在尋求沉積物磁化率的變化特征、影響因素及其所反映的環(huán)境特征。

1 研究區(qū)概況

柴達(dá)木盆地位于青藏高原北部邊緣，是青藏高原內(nèi)部最大的新生代內(nèi)陸盆地，位于東經(jīng)90o至98o，北緯36o至39o之間，東西長約850km，南北寬約300km，平均海拔3000米，覆蓋面積達(dá)120，000km2。在地理位置上，柴達(dá)木盆地為菱形山間盆地，西北部由阿爾金山環(huán)繞，東北部為祁連山脈、南鄰昆侖山脈，東臨鄂拉山山脈[6]。柴達(dá)木盆地的主體構(gòu)成為新近系——古近系地層，是在前新生代的伸展裂陷盆地基礎(chǔ)上發(fā)展、演化形成的以坳陷為主的盆地域，并發(fā)育了巨厚的河湖相碎屑巖建造[4]。

研究區(qū)俄博梁剖面位于柴達(dá)木盆地西部，阿爾金斷裂帶以南區(qū)域。剖面始于38o43`04.3``N，92o48`30.4``E，終于38o43`01.1``N，92o48`22.8``E，由底到頂依次出露的地層為下干柴溝組、上干柴溝組、下油砂山組、上油砂山組、獅子溝組和七個(gè)泉組。其中上、下干柴溝組地層是該剖面地層發(fā)育最完整、地層層序最清晰、各種沉積構(gòu)造最明顯層段，是本論文的研究重點(diǎn)和磁化率測量的測量層位，總厚度約400m。（圖1）

圖1 研究區(qū)位置及概況

2 實(shí)驗(yàn)方法及結(jié)果

2.1 實(shí)驗(yàn)方法

測量時(shí)采用KT10 磁化率儀進(jìn)行剖面磁化率的測量。該儀器的靈敏度為1×10-6SI，量程為0-999×10-6SI，測量源深約20mm。測量過程中，對于粗糙平面的測量使用儀器自帶磁化率探針進(jìn)行測量，而對于平坦表明可直接使用儀器探測面測量。野外測量間距0.25m，上、下干柴溝組地層分別測量800 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，為控制不同巖性、粒度、顏色等與磁化率對應(yīng)關(guān)系，測量礫巖數(shù)據(jù)51 個(gè)，砂巖數(shù)據(jù)600 個(gè)，泥巖數(shù)據(jù)924 個(gè)，泥灰?guī)r數(shù)據(jù)25 個(gè)。測量結(jié)果見圖2-1。

圖2-1 俄博梁剖面上下干柴溝組磁化率曲線

2.2 巖性與磁化率的關(guān)系特征

磁性是物質(zhì)的基本屬性，任何物質(zhì)都可以表現(xiàn)出一定程度的磁性特征。礦物按其磁性的不同可分為3 類：①反磁性礦物，如石英、磷灰石、閃鋅礦、方鉛礦等。磁化率為恒量，負(fù)值，且較小。②順磁性礦物，大多數(shù)純凈礦物都屬于此類。磁化率為恒量，正值，也比較小。③鐵磁性礦物，如磁鐵礦等含鐵、鈷、鎳元素的礦物。磁化率不是恒量，為正值，且相當(dāng)大。也可認(rèn)為這是順磁性礦物中的一種特殊類型。巖石的磁性主要決定于組成巖石的礦物的磁性，并受成巖后地質(zhì)作用過程的影響。

與研究區(qū)相對比，不同巖性所表現(xiàn)出的磁化率峰值是不完全相同的。一般而言，泥巖的磁化率較高，砂巖次之，礫巖及灰?guī)r較低（圖2-2）。礫巖在研究區(qū)出現(xiàn)相對較少，分布在0-0.03×10-3SI 范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)有24 個(gè)，占所有礫巖數(shù)據(jù)的47.06%，分布在0.03-0.06×10-3SI 范圍內(nèi)的有21 個(gè)，占所有礫巖數(shù)據(jù)的41.18%，剖面中礫巖的平均磁化率值為0.038。砂巖中，中砂巖數(shù)據(jù)120 個(gè)，細(xì)砂巖數(shù)據(jù)56 個(gè)，粉砂巖數(shù)據(jù)384 個(gè)，共600 個(gè)砂巖數(shù)據(jù)。主要分布在0.03-0.06范圍內(nèi)，有220 個(gè)，占36.67%，其次為0.06-0.09 范圍內(nèi)，有169 個(gè)，占28.17%。泥巖主要分布在0.09-0.12 和0.12-0.15 范圍內(nèi)，分別有258 個(gè)和206 個(gè)，占所有數(shù)據(jù)的27.92%和22.29%。泥灰?guī)r出現(xiàn)較少，有12 個(gè)數(shù)據(jù)集中在0.03-0.06 范圍區(qū)間，占總數(shù)的48.00%。

圖2-2 俄博梁剖面磁化率與巖性關(guān)系圖

通過對磁化率范圍變化曲線的觀察可以看出，磁化率峰值最高的為泥巖，磁化值最低的為礫巖，從而可以看出不同巖性之間的磁環(huán)率變化規(guī)律，即沉積物按照泥巖-砂巖-礫巖的順序，磁化率峰值呈從高到低發(fā)生變化，從而表明巖性的不同可以影響到磁化率值的變化。

對于湖泊沉積物而言，磁性礦物的主要來源有三類：自生磁性礦物、成巖磁性礦物和外源磁性礦物，且外源磁性礦物為優(yōu)勢來源。 由此可見，外源碎屑輸入是內(nèi)陸非封閉性湖泊中沉積物的主要成分，而其中鐵磁性氧化物是主要的磁性礦物。其濃度、種類與粒度等特征，與沉積物的粒級組分相關(guān)，且會對磁化率的大小變化產(chǎn)生影響[7]。

從青海油田對柴達(dá)木西部地區(qū)的高分辨率古地磁測年樣品分析化驗(yàn)報(bào)告（2004 年）可以看出，耐風(fēng)化的磁赤鐵礦、赤鐵礦和少量磁鐵礦是上下干柴溝組沉積物的主要磁性礦物。磁化率值較低的樣品中同樣含有磁赤鐵礦、磁鐵礦和少量赤鐵礦、針鐵礦，但這些礦物卻以高矯頑力為主[4]；而高磁化率值的樣品還有較多的磁性礦物，包括磁鐵礦、磁赤鐵礦與少量赤鐵礦、針鐵礦，其中以低矯頑力的磁鐵礦和磁赤鐵礦為主。研究區(qū)俄博梁剖面的礫巖主要成分為石英巖、硅質(zhì)巖、變質(zhì)砂巖，同時(shí)含有少量的變質(zhì)巖、泥巖等。總體來說，這些巖石作為剩磁載體都不太理想，硅質(zhì)巖、石英巖及含硅質(zhì)成分較多的火成巖中氧化鐵的含量往往要低于基性巖或中性巖[8][9]。泥巖中包含的粘土礦物成分主要是伊利石、伊/蒙托石混層和綠泥石組合，其中各種礦物含量隨著出露曾為的變化而發(fā)生變化。少數(shù)樣品中含有針鐵礦和磁鐵礦，主要的磁性礦物是原生剩磁的赤鐵礦和磁赤鐵礦。含有磁性礦物數(shù)量最高的是泥巖，且明顯高于其他巖性。因此，剖面中上、下干柴溝組泥巖的磁化率值遠(yuǎn)高于礫巖。

2.3 顆粒粒徑與磁化率的關(guān)系特征

磁化率信號的強(qiáng)弱程度和鐵磁性礦物的粒度和濃度大致成正比[11]，而沉積物的粒度組成主要區(qū)別為沙粒組（0.05-0.01mm）和粘土粒組（<0.005mm）含量的不同[12]。因此如果不對有機(jī)質(zhì)含量進(jìn)行考慮，沙粒含量增加意味著磁性礦物含量的減少，從而會產(chǎn)生磁化率下降的結(jié)果。相反，若沙粒減少，則磁化率上升，磁化率值增加。

圖2-3 俄博梁剖面磁化率與粒度關(guān)系圖

從圖2-3 中可以看出，俄博梁剖面中粉砂巖的磁化率峰值略高，約為0.05-0.07×10-3SI，細(xì)砂巖的次之，約為0.04-0.05×10-3SI，而中砂巖的最低，約為0.03-0.04×10-3SI。磁化率峰值隨時(shí)粒度從粗砂、中砂、細(xì)砂到粉砂巖，呈現(xiàn)出由低到高的趨勢，與粒度變化呈反相關(guān)關(guān)系。

這樣的結(jié)果說明磁化率不僅受沉積過程中水動力大小的影響，更受到沉積后期沉積環(huán)境的較大影響。粗顆粒磁化率值較小，可能是由于其所含磁性礦物被機(jī)械破碎和化學(xué)分解，或被分選出去，從而使沉積物粗顆粒磁化率為低值。而細(xì)粒沉積物磁化率含量較高，一方面由于細(xì)粒沉積為氣候濕潤且湖泊水體較大，磁性礦物受到較小的破壞保存較好，另一方面還有可能由于湖泊水體較大形成相對還原的環(huán)境有利于鐵磁性硫化物鐵礦生成的緣故[5]。

從整個(gè)剖面來看（圖2-1），粗粒沉積物的磁化率峰值明顯低于細(xì)粒物質(zhì)的磁化率峰值，從礫巖、砂巖到泥巖，磁化率峰值呈現(xiàn)出從低到高的趨勢，與粒度變化呈反比關(guān)系。泥巖層位總是顯示出磁化率的最高峰值，且礫巖層位總是顯示出磁化率的最低峰值。隨著沉積物顆粒呈現(xiàn)出由粗粒到細(xì)粒的變化旋回，磁化率值也呈現(xiàn)出由低到高的變化旋回，因此沉積物的磁化率可以作為研究剖面巖性變化與沉積旋回的代用指標(biāo)。

2.4 泥巖顏色與磁化率的關(guān)系特征

研究表明沉積物顏色的變化同全球第三紀(jì)溫度的變化高度相關(guān)，且主要表現(xiàn)在沉積物顏色的紅色指數(shù)隨著全球氣溫的下降而下降。而沉積物顏色是巖石當(dāng)中有機(jī)質(zhì)的含量及組成的有力反映。

在Sheuand Presley 對墨西哥灣的Orca 盆地中有機(jī)物進(jìn)行的分析研究中，呈黑色或黑灰色的被證實(shí)炭含量大于1%的泥頁巖，而呈淺灰色的為炭含量小于1%。影響灰色泥巖顏色的主要為有機(jī)質(zhì)含量和鐵的硫化物[1]。剖面中上、下干柴溝組的灰色泥巖總體展示出隨著巖石灰色程度的增加，磁化率數(shù)值遞減?；疑⒒野咨鄮r的峰值為0.06-0.09×10-3SI，而淺灰、青灰色泥巖的磁化率峰值為0.09-0.12×10-3SI（圖-4）。出現(xiàn)這種情況的原因主要是是灰色泥巖中含有較高的的有機(jī)質(zhì)，即其中的磁性礦物——原生剩磁磁鐵礦的含量相對降低[9]，并且由于長期的滯水和還原環(huán)境造成了磁鐵礦轉(zhuǎn)變?yōu)槿醮判缘V物[14]，最終降低了磁化率值。

另一方面，相對于沉積碎屑成分，沉積過程和成巖作用對沉積物顏色的影響更為顯著。因?yàn)檫@些過程中可能會發(fā)生氧化或還原作用，地層中高的Fe3+/Fe2+會使地層呈紅色，此時(shí)鐵離子以赤鐵礦的形式存在[13]。有研究表明，石英長石等大陸地殼的主要造巖礦物為逆磁性礦物，磁化率值很低[14]。除此之外，同樣作為泥磁性礦物的水、鹽和方解石的磁化率值也比較低。磁化率值較低的是粘土礦物，相對較高的是綠泥石，伊利石、蒙脫石次之，高嶺石最低。對沉積物磁化率變化影響的即為大陸地殼礦物中含量為極小部分的鐵磁性礦物[15]。McBride 通過對來源于同一物源的泥巖的顏色變化研究后得出：紅色及棕褐色泥巖通常含有鐵質(zhì)包殼；而綠色的泥巖主要含有伊利石和綠泥石，硫化物、有機(jī)質(zhì)和赤鐵礦的含量相對較少[1]。宋春暉等發(fā)現(xiàn)：紫紅色、紅褐色泥巖樣品的系統(tǒng)熱退磁結(jié)果較為理想，但是黃綠色樣品的結(jié)果不理想[8]。因此可以判定紫紅色泥巖中的主要的磁性礦物為強(qiáng)磁性礦物，即磁赤鐵礦和赤鐵礦，而灰綠色泥巖中包含的磁性礦物主要為形成于后期成巖過程中的弱磁性礦物，針鐵礦[4]。

結(jié)合圖2-4 中可以看出，紫紅色泥巖的磁化率峰值主要分布在0.12-0.15×10-3SI 之間，而灰綠色泥巖的磁化率峰值主要集中在0.08-0.11×10-3SI 之間。紫紅色泥巖磁化率峰值明顯高于灰綠色泥巖。不考慮有機(jī)物的因素，則正是上述原因?qū)е铝诉@一結(jié)果。

綜上所述，沉積物顏色的變化是多種因素綜合作用的結(jié)果，而沉積物在沉積和成巖過程中所處的化學(xué)環(huán)境的影響更為明顯，并且可在一定程度上反映出當(dāng)時(shí)局部地區(qū)古氣候的變化。紅色沉積物增多表明含有氧化程度較高的鐵質(zhì)沉積物，即表現(xiàn)出較高的磁化率峰值。這意味著當(dāng)?shù)貙映练e時(shí)氣溫較高而氣候環(huán)境也較干燥；當(dāng)灰綠、黃綠或青灰色沉積物增多時(shí)，則表現(xiàn)出相對較低的磁化率峰值，即可以推測出沉積時(shí)為較溫暖濕潤的氣候環(huán)境，及較深的盆地水深。

圖2-4 俄博梁剖面磁化率與泥巖顏色關(guān)系圖

3 結(jié)論

1）柴西俄博梁地區(qū)上、下干柴溝組剖面中巖性和粒度的不同均會造成磁化率峰值的差異，泥巖最大，礫巖最小，磁化率峰值與粒度大致成反比。

2）沉積物顏色不同可以表明其中有機(jī)炭的含量以及鐵離子的氧化程度的差異，并能表現(xiàn)出磁化率峰值的不同。其中紫紅色泥巖的磁化率峰值明顯高于灰綠色泥巖；灰色越明顯，磁化率峰值越低。并可在一定程度上反映當(dāng)時(shí)的古氣候特征。

3）剖面整體序列中磁化率峰值變化規(guī)律主要是：巖層中粗粒含量最大的層位表現(xiàn)為磁化率的最小值，而細(xì)粒含量最大的層位則表現(xiàn)為磁化率的最大值。因此，磁化率值可以作為指示巖層巖性和剖面旋回的指標(biāo)。

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