地质地球所通过岩石磁学实验揭示南方红土剩磁机理

2010-9-09 14:01 来源: 中国科学院
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  广泛分布于秦岭-淮河以南的红土堆积含有丰富的旧石器遗址,尤其是含有代表阿舍利技术的石器,因此,南方红土对研究我国亚热带-热带地区古气候、古环境和古人类演化具有重要意义,而建立南方红土可靠的年代学框架更是这些研究的基础。然而,在中国南方亚热带-热带地区,化学风化作用强烈,并且缺乏适合精确同位素定年的材料和有明确生物年代学意义的化石,加之强烈的次生化学剩磁对原生碎屑剩磁的掩盖,使南方红土的准确定年成为一大难题。

  为了揭示南方红土沉积记录古地磁场的过程和机制,中科院地质与地球物理研究所地球深部结构与过程研究室2010年博士毕业生刘彩彩(现在中国地震局地质研究所从事博士后研究)在其导师邓成龙研究员的指导下,对中国南方红土堆积进行了系统的岩石磁学和古地磁学研究。他们选择不同气候背景、不同成因的红土剖面开展工作,包括长江下游的安徽宣城和浙江七里亭以及北回归线附近广西百色盆地的大梅等三个剖面,其中,宣城剖面沉积物为风成成因,而七里亭和大梅剖面为河漫滩沉积。

  通过详细的热磁分析、三轴热退磁、磁滞回线等岩石磁学实验,并结合X射线衍射分析,研究人员得出这三个剖面的磁性矿物组成为磁铁矿、磁赤铁矿、赤铁矿和针铁矿,但是各个剖面的剩磁载体组合明显不同:宣城和七里亭剖面主要是磁铁矿和赤铁矿,大梅剖面主要是赤铁矿和磁赤铁矿。大梅剖面中的赤铁矿含有两种组分:一种是解阻温度接近680°C的碎屑成因的赤铁矿,另一种是解阻温度约为640°C、具有高矫顽力特征的化学风化的产物,后者是大梅剖面天然剩磁的主要载体。这种风化成土过程中形成的次生赤铁矿携带的主要是后期次生的化学剩磁,它掩盖了初始的原生剩磁,从而导致大梅剖面的磁极性记录的失真。

  北回归线附近的百色盆地具有较高的年平均温度、相对低的年平均降雨量和干湿季分明的气候,这种水热组合特征更有利于次生赤铁矿和磁赤铁矿的形成,从而导致较强的次生化学剩磁信号叠加在原生的天然剩磁之上,而次生化学剩磁足够强时就彻底掩盖了原生的天然剩磁。然而,比百色盆地纬度高7º的长江下游地区的化学风化作用较百色盆地弱,重磁化程度亦较弱,其次生化学剩磁强度不足以完全掩盖该地区红土的原生剩磁。因此,长江下游地区的红土剖面可获得可靠的磁极性地层结果,而百色盆地红土则被完全重磁化。

  本项研究通过设计新的岩石磁学实验流程,揭示了北回归线附近百色盆地的红土沉积物与长江下游地区红土沉积物的剩磁载体的差异。不同的水热条件是导致南方红土磁记录多样性的主要原因,区域气候条件的差异是控制不同地区红土沉积物能否记录原生剩磁的重要因素。这项研究为以后的南方红土古地磁学研究提供了理论依据。

  上述研究成果发表在近期出版的Geophysical Journal International(《国际地球物理学杂志》 )杂志上(Liu et al. Mineral magnetism to probe into the nature of palaeomagnetic signals of subtropical red soil sequences in southern China. Geophysical Journal International, 2010, 181: 1395-1410)。