（地球探测与信息技术专业论文）冈底斯板块晚古生代古地磁研究.pdf

摘要 采于冈底斯板块措勤和申扎两个地区的2 8 2 块古地磁样品，绝大多数为灰岩 ( 7 0 8 0 ) ，通过i r m 获得曲线实验、k _ t 曲线及三轴饱和等温剩磁实验，对典型样品 进行了磁性矿物的鉴别，发现主要载磁矿物有磁铁矿，钛磁铁矿，磁赤铁矿及少量赤铁 矿。 在系统热退磁过程中，大部分样品具有明显的双分量特征：几乎所有样品加热至 3 0 0 - 4 0 0 时，可分离出l t c ，在地理坐标系下与现代地磁场的方向非常接近，并且未 能通过褶皱检验，可以认定为现代磁场的重磁化。高温分量可在5 2 0 一6 1 0 温度段获 得，把两个地区二叠系样品的高温分量放在一起统计，正、反极性高温分量在地层坐标 系中呈对趾分布，并在9 5 置信水平上通过了倒转检验，可以代表岩石形成时的原生剩 磁。对应的古地磁极位置为：2 2 4 4 。e3 3 3 。n ，古纬度为1 5 4 s ；对石炭系和泥盆系 样品的高温分量进行统计，结果分别通过了9 9 和9 5 褶皱检验，说明稳定的高温分量 是在地层褶皱前获得的，此高温分量可以代表岩石形成时的原生剩磁，石炭纪时的古地 磁极位置为：3 0 8 2o e2 1 9 0 n ，古纬度为2 5 5 s ；泥盆纪时的古地磁极位置：2 3 0 9 0 e 2 6 2 0 n ，古纬度为2 2 3 s 。 由各个时期的古纬度数据可以看出，冈底斯地块从早泥盆世至晚二叠世位于南半球 的中低纬度地区。从泥盆纪至二叠纪纬度变化了6 9 0 ，说明在这期间冈底斯板块整体北 移了大约6 9 0 k m ，平均速度约为4 i c m a 关键词：青藏高原，冈底斯板块，古地磁，古地磁极，古纬度 r e s e a r c ho np a l e o m a g n e t i s mo f g a n g d i s ep l a t eo fq i n g h a i t i b e t p l a t e a ui 1 1l a t ep a l e o z o i c a b s t r a c t m o s to ft h e2 8 2p e l e o m a g n e t i cs a m p l e sp i c k e da tc o q e na n dx a i n z aa r e ai ng a n g d i s e p l a t ea r el i m e s t o n e ( 7 0 - 8 0 ) v i ai r mo b t a i n e dc a l v ee x p e r i m e n t ，k tc u r v ea n dt d a x i a l s a t u r a t e di s o t h e r m a lr e m a n e n tm a g n e t i ce x p e r i m e n t ，t h ep a p e rd i f f e r e n t i a t e dt h em a g n e t i c m i n e r a l so ft h et y p i c a ls a m p l e sa n df o u n dt h a tm a i nd o m i n a t e dm a g n e t i cm i n e r a l sa le m a g n e t i t e ，i s e r i t e ，m a g h a e m i t ea n daf e wo f h e m a t i t e o nt h ep r o c e s so fs y s t e m a t i c a l l yt h e r m a ld e m a g n e t i z a t i o n , m o s to fs p e c i m e n sa p p e a l e d o b v i o u st w o - c o m p o n e n tc h a r a c t e r i s t i c ：w h e nh e a t e dt o3 0 0 c 4 0 0 。c ，a l m o s ta l ls a m p l e sw e r e s e p a r a t e dl t cw h i c hi sv e r yc l o s et om o d e mg e o m a g n e t i cd i r e c t i o no ng e o g r a p h i c c o o r d i n a t i o na n dd o e s n t p a s tt h ef o l dt e s t i nt h i sc a s e ，w ec a nc o g n i z ei ti sr e m a g n e t i z a t i o n o f m o d e r nm a g n e t i cf i e l d h i g ht e m p e r a t u r ec o m p o n e n tc a l lb eg a i n e da t5 2 0 c - 6 1 0 c ，i f t h e 1 l i g ht e m p e r a t u r ec o m p o n e n to ft h ep e r m i a ns a m p l e so ft w op l a c e sa l es t a t i s t i ct o g e t h e r , p o s i t i v ea n dr e v e r s ep o l a r i t yc o m p o n e n t sa r er e l a t i v et o e sd i s t r i b u t i o n , a n dp a s st h er e v e r s a l t e s ta t9 5 c o n f i d e n c el e v e l ，s oi tc a nr e p r e s e n tp r i m a r yr e m a n e n tm a g n e t i z a t i o no ft h er o c k f o r m e dp e r i o d t h ec o r r e s p o n d i n gp a l e o m a g n e t i cp o l ep o s i t i o ni s ：2 2 4 4 0 e3 3 3 0 n ， p a l c o l a t i m d ei s15 4 s ；t h ep a p e rs t a t e dt h eh i g ht e m p e r a t u r ec o m p o n e n to fc a r b o n i f e r o u sa n d d e v o n i a ns a m p l e ，t h er e s u l tp a s s e d9 9 a n d9 5 f o l dt e s tw h i c hi n d i c a t e dt h a ts t e a d yh i g h t e m p e r a t u r ew a sg a i n e db e f o r es t r a t u mw a sf o l d e d , t h i sc o m p o n e n tc a l lr e p r e s e n tp r i m a r y r e m a n e n t m a g n e t i z a t i o n o ft h er o c kf o r m e d p e r i o d p a l e o m a g n e t i cp o l ep o s i t i o n i n c a r b o n i f e r o u si s3 0 8 2o e 2 1 9 0 n ，p a l e o l a t i t u d ei s2 5 5 s ；i nd e v o n i a np a l e o m a g n e t i cp o l e p o s i t i o ni s2 3 0 9 0 e2 6 2 0 n ，p a l e o l a t i m d ei s2 2 3 s i tc a nb ei n d i c a t e df o r mt h ep a l e o l a t i t u d ed a t ao fe a c hp e r i o dt h a tg a n g d i s eb l o c kl o c a t e d a tm i dl o wl a t i t u d er e g i o no fs o u t h e r nh e m i s p h e r ef r o me a r l yd e v o n i a nt ol a t ep e r m i a n t h e l a t i t u d ec h a n g e d6 9 0 f r o md e v o n i a nt op e r m i a nw h i c hs h o w e dt h a ti nt h i sp e r i o dg a n g d i s e b l o c kn o r t h w a r dm o v e da b o u t6 9 0 k m ，a v e r a g es p e e dw a sa b o u t4 i c m a k e y w o r d s ：t 1 1 0 e t a np l a t e a u , g a n g d i s eb l o c k , p a l e o m a g n e t i s m , p a l e o m a g n e t i cp o l e ，p a l e o l a t i t u d e 西北大学学位论文知识产权声明书 本人完全了解西北大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。学校 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许 论文被查阅和借阅。本人授权西北大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所等机构将本学位论 文收录到中国学位论文全文数据库或其它相关数据库。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：耻指导教师签名 如夕年乡月) - - e l曲? 年月；日 | 1 西北大学学位论文独创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，本 论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西北大 学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：了砧杰 枷夕年多月z 日 | 西北大学硕士学位论文 第1 章绪论 中国大陆及邻区地质构造的复杂性和独特性历来被各国地球科学工作者所关注。在 西部，被称为“地球第三极”的青藏高原以其强烈的隆升、独特的自然环境、丰富的自 然资源和对周边地区气候与环境的深刻影响，一直为科学界所瞩目。青藏高原及邻区复 杂的地质构造和丰富的地质现象，对研究与解决某些全球性的地质构造难题、发展和完 善大陆动力学理论具有关键性的意义 黄宝春等，2 0 0 8 。 古地磁学作为- n 新兴交叉学科，在诸多地球科学研究手段中具有其独特的优势， 是定量研究大地构造演化的重要手段，在地质学领域有着广泛的应用和广阔的发展前 景，已引起国内外地球科学界的普遍重视 王靖华，2 0 0 6 。 古地磁学是研究大陆板块或微板块( 地块) 运动演化过程和古地理重建的最有效手 段之一。近半个世纪以来，通过中外学者艰苦卓绝的努力，在中国大陆上积累了大量的 古地磁数据，为中国大陆各主要块体的起源、构造演化和碰撞拼合过程等提供了定量约 束 黄宝春等，2 0 0 8 。 古地磁学在研究大地构造演化中具有独特的优势，发挥着不可替代的重要作用，我 们依据古地磁极位置、古地磁场方向、古纬度以及古地磁视极移曲线可以确定大陆之间 以及大陆内部块体的相对位置和相对运动特征。 1 1 研究现状及展望 1 1 1 古地磁的研究与进展 1 1 1 1 古地磁极移与大陆漂移 2 0 世纪5 0 年代以来，大量的研究结果表明，由同一大陆、同一地质时代的岩石标本 得出的古地磁极位置基本一致。但由不同大陆、同一地质年代的岩石标本得出的古地磁 极位置却往往不同。由同一大陆不同地质年代所得到的古地磁极位置连成的曲线叫做极 移曲线。这种极移只是一种表观现象，而不是真实的过程，因此这种极移曲线亦叫做视 极移曲线。实际上视极移曲线反映了大陆在不同地质年代的位置发生了变动。不同的大 陆运动情况不同，因此各自得出的视极移曲线的形状和取向也就不同。由此可以追溯各 个大陆的运动历史和它们之间的相互关系。古地磁极移第一次为地壳水平运动提供了强 有力的证据，从而导致了沉寂多年的大陆漂移学说的复活和板块大地构造学说的建立。 这方面的成就引起了地学家的极大重视，也促进了古地磁学的迅速发展。 第1 章绪论 1 1 1 2 地磁极性倒转与地磁极性年表 研究结果表明，不同地质年代岩石的剩磁方向正负几乎各占一半，而且这种方向的 颠倒在时间上具有很好的全球一致性。这种现象的唯一合理解释是地磁场曾多次发生过 极性倒转。与现代地磁场方向相同的叫正常极性，相反的叫倒转极性。这种观点由达维 德和布容首先提出。1 9 2 6 年梅康通( p l m e r c a n t o n ) 又指出，如果地磁场确实发生过倒 转，那么这种现象应在世界各地都能被发现。他研究了格陵兰、冰岛、北欧以及澳大利 亚等地不同地质年代的岩石，进一步证实了地磁场倒转的事实。1 9 2 9 年松山研究了日本 和中国东北的第四纪熔岩，也发现同样现象，并且发现反向磁化的熔岩总比正向磁化的 熔岩年代要老。他由此推断，第四纪早期地磁场方向与现代地磁场方向相反，到了第四 纪后期二者方向才相同。6 0 年代以后，随着深海钻探和海洋磁测的发展，发现大洋中脊 两侧对称地排列着正、反极性相间的磁异常条带，这正是地磁场极性频繁倒转的证据。 从此地磁场倒转的学说为人们普遍接受 m w m c e l h i n n y ，1 9 7 3 ；e i r v i n g ，1 9 6 4 。 把地磁场极性倒转按照地层的时序配以同位素年龄数据，构成地磁极性的年代序列， 叫做地磁极性年表。利用这种极性年表，不仅可以推算出地层的形成年代和地层所经历 的某些地质事件的年代，而且在解决地层的划分和地层的远距离对比方面也卓有成效。 因此，地磁极性年表己成为研究地层学问题的个强有力的工具。1 9 2 7 年在蒙特利尔举 行的第2 4 届国际地质学大会上正式确立了( 地层学中) 一个新的分支学科，即磁性地层 学，并且统一了不同时间尺度的地磁极性转变的名称。持续时间为1 0 5 - 1 0 年的极性转变 叫做极性期或极性时；持续时间为1 0 4 - 1 0 5 年的叫极性事件或极性亚时。1 9 6 9 年，考克斯 ( a v c o x ) 综合了古地磁和同位素年龄的资料，编制了4 5 0 万年以来的地磁极性年表。 这个年表后经曼基南( e a m a n k i n e n ) 等人的进一步修订，已被公认为标准年表。后来根 据海底磁异常又推算出8 0 0 0 万年以来的年表。1 9 7 1 年麦克尔希( m w m c e l h i n n y ) 和巴里 克( p j b u r e k ) 给出了从二叠纪到第三纪的古地磁极性地层序列。寒武纪至二叠纪的年表 很不精确，比寒武纪更老的年代，目前尚无足够的资料以编制年表 m w m c e l h i r m y ， 1 9 7 3 ；e i r v i n g ，1 9 6 4 。 极性倒转地层的研究不仅促进了地层学的发展，而且也为海底扩张学说的建立奠定 了基础。古地磁测量还可以给出岩石产地的古纬度，这对于古气候的研究和某些矿产生 成的古地理环境的探讨都有重要意义 m w m c e l h i n n y ，1 9 7 3 ；e i r v i n g ，1 9 6 4 。古地磁 极移和地磁极性倒转是古地磁学的两大研究成果。 2 西北大学硕士学位论文 1 1 1 3 研究构造运动 古地磁场是一个轴向地心偶极子场，可近似认为在纬度变化几度范围之内，磁倾角 方向差别不大，如果在局部区域内，古地磁场方向出现明显不一致，则可推断发生某种 构造运动。 1 1 1 4 研究古纬度分布规律 用古地磁研究古纬度对找矿是有意义的。例如，石油是古代有机物质转化而成的， 有机物质的生存与分布与气候条件，即与古纬度有关，研究油田的古纬度的分布规律、 对石油普查很有意义。 1 1 1 5 测定岩石或地下物质埋藏年龄 ( 1 ) 利用长期变化对比岩层的年代 ( 2 ) 利用剩磁平均方向对比岩层年代 ( 3 ) 利用极性反转对比岩层年代 ( 4 ) 利用视极移曲线对比岩层年代 1 1 2 古地磁在构造地质学中的应用 随着先进测试仪器的出现，实验手段的不断发展，以及数据分析和检验方法的不断 完善，获得的古地磁数据质量也有所提高 李万伦，2 0 0 0 。v m d a v o o ( 1 9 9 0 ) 和程国良 ( 1 9 9 3 ) 等提出了古地磁数据可靠性的判据，对近年来古地磁学的研究有很大的促进作 用，使数据的可靠性大大增强。现今古地磁在大地构造学中的主要任务是：( 1 ) 恢复未 知地块相对大陆的运动演化史；( 2 ) 揭示大陆增生和造山带的形成机制；在普通构造地 质学中的作用则是研究与大型断裂带有关的块体相对运动，并重建构造运动的发展史 李万伦，2 0 0 0 。 目前古地磁在构造地质研究中所取得的进展大致包括以下几个方面：( 1 ) 建立了非 洲、北美、欧亚大陆和印度板块等主要大陆板块自2 0 0 m a ( 早侏罗世) 以来的代表性视极 移曲线 b e s s ej ，1 9 9 1 ，对全球中新生代以来的大地构造和区域构造演化研究都具有重 大意义；( 2 ) 建立了长达1 6 0 m a 的地磁极性年表，其中8 4 m a 以来的时段 c a n d csc ，1 9 9 5 在目前为大家所公认，被广泛应用于以建立区域新构造运动的时间标尺和晚新生代区域 环境演变的年代框架为目的的磁性地层研究中；( 3 ) 加强了对岩石磁学的研究，增进了 对岩石剩磁获得机制的理解。如岩石重磁化机制往往与最近一期构造热事件有关， 3 第l 章绪论 因此可通过测定重磁化分量来确定断层最后活动的时间 h u i l w o o d e a ，1 9 9 2 ；( 4 ) 岩石 磁组构( 主要是岩石磁化率各向异性) 的研究近年来发展很快，如通过测量磁组构确定块 体的旋转 l e e ，1 9 9 0 ，推测断层运动的方向 h u i l w o o d e a ，1 9 9 2 等；( 5 ) 以古地磁学方 法研究块体相对运动和大型断裂带的活动，结合构造地质方法，补充修改乃至重建新的 区域构造模式 李万伦，2 0 0 0 。 尽管还存在上述技术难题，但这并不影响古地磁在构造地质学中的进一步应用。传 统意义上古地磁研究大地构造的方法逐渐被应用到局部构造的研究中来，尤其块体运动 的研究近年来己成为热点之一，与块体运动密切相关的大型断裂带的研究也己展开 李 万伦，2 0 0 0 。 1 1 3 青藏高原古地磁研究回顾 青藏高原及其邻区的古地磁研究经过中外学者2 0 多年来的努力，已获得了很多数据 朱志文等，1 9 8 2 ；a c h a c h e , c o u r t i l l o t , 1 9 8 4 ：b e s s e ，1 9 8 4 ；c h e n 等，1 9 9 3 ；h a l i m 等， 1 9 9 8 ；叶祥华等，1 9 8 7 ；l i n ，w a t t s ，1 9 8 8 ；董学斌等，1 9 9 1 ；p a t z e l t 等，1 9 9 6 ；吴 汉宁等，1 9 9 7 。包括塔里木地块古地磁结果，前白垩纪数据约4 6 ，白垩纪数据为 3 1 ，新生代数据为2 3 。已有的结果说明：昆仑地体是晚三叠世印支期增生到古亚洲 大陆上的，羌塘地块在晚三叠世一早侏罗世与昆仑地体拼合，冈底斯地块与羌塘地块于 晚侏罗世一早白垩世的拼合，从而形成了白垩世末印度板块碰撞前统一的欧亚大陆南缘 王靖华，2 0 0 6 3 。 从对印度洋海底磁异常条带及印度板块和冈底斯地块白垩纪一早第三纪古地磁研 究 b e s s e 等，1 9 8 4 ；k l o o t w i j k 等，1 9 8 5 ；以及后来雅鲁藏布江缝合带西部沉积相研究 b e c k 等，1 9 9 5 和古生物学研究致说明了印度板块与欧亚大陆的碰撞始于6 5 m a ，至 4 9 m a ，印度板块与欧亚大陆南缘冈底斯地块拼合完毕。从冈底斯地块和印度板块的古 地磁研究 p a t f i a t ，a c h a c h e ，1 9 8 4 ：b e s s e 等，1 9 8 4 ；l i n ，w a t t s ，1 9 8 8 ；p a t z e l t 等，1 9 9 6 ， 发现印度板块与稳定的欧亚大陆的岩石圈缩短量约为2 5 0 0 k m 。另外，喜马拉雅地体晚白 垩世一早第三纪古地磁研究说明了印度板块沿着主冲断带下插俯冲到青藏高原之下，估 计大约有4 0 0 - - 1 0 0 0 k m 的印度板块在俯冲过程中的消减 b e s s e 等，1 9 8 4 ；p a t z e l t 等， 1 9 9 6 。这一结论也得到了深反射地震数据的证实 中美i n - d e p t h ( i n t e r n a t i o n a ld e e p p r o f i l i n go f t i b e ta n dt h eh i m a l y a ) 合作计划 z h a o 等，1 9 9 3 。构造地质研究揭示了印 度北缘喜马拉雅中央主断裂的构造缩短约1 0 0 - - 2 5 0 k m l y o n c a e n 等，1 9 8 3 。从对这些 4 西北大学硕士学位论文 数据的分析可以看出：新生代时仍有约1 9 0 0 k m 的地壳缩短发生在西伯利亚南缘与冈底 斯地块之间 王靖华，2 0 0 6 。 新生代青藏高原的地壳演化是继特提斯洋闭合后另一个重要的构造演化阶段，中 外学者对此提出了许多模式，如大陆岩石圈均匀增厚说 e n g l a n d ，h o u s e m a n ，1 9 8 6 ； d e w e y 等，1 9 8 9 、板内或板间多重俯冲说 常承法等，1 9 7 3 ；m a t t a u e r , 1 9 8 6 、岩石圈 侧向挤出逃逸说 t a p p o n n i e r 等，1 9 8 2 、地幔底辟隆起说 许志琴等，1 9 9 6 等。显然， 这些青藏高原构造演化动力学模型的建立，离不开其运动学等基础研究。从一些地球物 理研究成果可以发现，在昆仑山北部，塔里木地块可能向南下插到青藏高原之下 j i n 等， 1 9 9 6 。结合全球构造研究，可以看出北大西洋的张开是晚白垩世以来的另一重要事件。 北大西洋的裂开同时造成了欧亚大陆的顺时针旋转运动，在我国西部则可能表现为塔里 木地块新生代的显着南移现象 杨振宇等，1 9 9 8 。如果这一推测得到将来塔里木地块古 地磁数据的证实，青藏高原的构造演化和隆升过程则应同时考虑塔里木地块南移和印度 板块北移这种双向挤压性质。 虽然取得了一些成绩，但由于过去在认识、技术方法以及实验仪器上的局限，导致 在青藏高原的古地磁研究依然存在很多不足和空缺。截止目前，国际、国内古地磁专题 研究的可靠数据的时段主要集中于新生代以来，前中生代的古地磁数据仍然十分有限， 侧重点多是用块体运动学研究成果对高原隆升过程中地壳加厚、岩石圈下凹，周缘变形 和沉积响应，高原隆升动力学过程、机制以及气候环境的影响等的解释；涉及到高原前 新生代岩相古地理方面或者是局部地段、或者是局部时段。尚没有以构造单元系统、地 层、岩浆岩系统研究为基础，以沉积为主线开展系统的特提斯演化阶段的构造一岩相古 地理研究，尤其没有以古地磁方法确定构造单元的相对位置及其变化为基础的有关古地 理重建方面的重点研究；至今还没有全面反映古生代一中生代阶段高原形成前的构造一 岩相古地理图专题图件。 1 2 研究意义 冈瓦纳大陆和欧亚大陆的界线研究是地学界几十年持续的研究热点，界线位置、性 质的确定在特提斯洋演化过程研究中占据最为重要的位置，在构造一岩相古地理研究中 不可或缺。印度河一雅鲁藏布江板块缝合带、西金乌兰一金沙江板块缝合带、班公湖一 怒江板块缝合带以及双湖一龙木错结合带在不同时期都曾经被认为是冈瓦纳和欧亚大 陆两大板块的界线，经过几十年的研究，前两个板块缝合带的界线意义已经比较明确； 5 第l 章绪论 后两个板块缝合带的内涵、性质、演化历程仍存在很多争论，主流观点认为班公湖一怒 江板块缝合带是划分冈瓦纳和欧亚大陆两大板块的界线，为了深入认识这条划分羌塘板 块和冈底斯板块缝合线的性质和意思，对冈底斯板块关键时期位置和运动特征的研究就 显得十分重要。 1 3 技术路线图 实数结资剖 样口 验 入 据 j 果 料 面 n n 究 统 1分 采收选 集计 析 集择 地 前 质人 背研 景究 资成 料 果 由 扎 县 扎 杠 木 纠 错 剖 面 措 勤 县 江 让 乡 敌 布 错 剖 面 工 具 定 向 记 录 图i 一1 技术路线图 6 西北大学硕士学位论文 无论哪一种观点，实际上都是站在今天的时间断面上看问题。碰撞前后的构造格局 和演化模式应该是不同的。站在恢复地质演化历史的角度，有必要对这两种不同的观点 再做考察。 1 4 研究目标 如前所述本次研究的主体任务是晚古生代陆块位置恢复研究，这是构造一岩相古地 理研究的趋势之一，只有有效恢复各陆块的古地理位置，恢复不同阶段的古洋盆规模， 才能真正实现古地理复原。主要依据古地磁数据，再参考古生物、特殊的沉积类型等资 料，结合周缘扬子、塔里木、华北以及喜马拉雅，羌塘陆块等不同阶段的古地理位置( 前 人研究成果) 等多方面的约束，重点恢复泥盆纪、石炭纪、二叠纪阶段冈底斯板块的古 地理位置。 1 5 完成的主要工作量 1 5 1 野外采样 我们总共在冈底斯板块的申扎地区扎杠一木纠错剖面和措勤地区江让敌布错剖面上 布设了3 2 个采点，成功采得古地磁样品2 8 2 余块：覆盖泥盆纪，石炭纪，二叠纪，几个 时代。 1 5 2 室内工作 我们在中国科学院地质与地球物理研究所古地磁实验室完成了样品的整个实验过 程。将野外采集的古地磁样品在室内力n - r - 成r = l g m ，h = 2 e m 的圆柱体标准样品共计2 8 2 块， 选取其中3 3 块进行了岩石磁学试验( 等温剩磁获得曲线，三轴饱和等温剩磁实验和磁化 率随温度变化曲线) ，剩下的标准样品，大部分进行了系统的热退磁试验，对其中的1 9 块样品采用了系统热退磁与交变退磁相结合的退磁方法，所有样品的测试都是在零磁空 间内进行的。 为了确保工作的质量，在整个研究过程中，我们始终坚持以严谨的作风和实事求是 的科学态度认真对待从样品收集、野外记录、室内试验、数据处理等的每一个环节，力 争将人为因素造成的误差降至最低，提高工作的效率和精度，这样才能使得出的结论更 加具有说服力。 1 6 项目来源 青藏高原主要构造单元晚古生代古地磁研究是“青藏高原前寒武纪地质和古生代构 7 第1 章绪论 造一古地理综合研究 项目的子课题。 8 西北大学硕士学位论文 第2 章区域地质概况 2 1 区域地质背景 青藏高原位于亚洲南部，面积约2 5 0 x 1 0 4 k m 2 ，平均海拔4 0 0 0 m 以上。总体地势呈 西北高，东南低，被称为世界屋脊。青藏高原作为一个独特的自然地域单元，至今保存 着很多独具特色的地质特征 潘裕生，1 9 9 7 。它被科学家们誉为地球的第三极，与南极 和北极相提并论。青藏高原的隆升被视为打开地球动力学大门的金钥匙，一直是国际地 球科学界的一个热点问题。它的隆升虽然只是近几百万年以来的地质事件，但却有着漫 长的地质历史根源。通常被认为是冈瓦纳大陆与欧亚大陆长期相互作用的结果，作为一 个典型的陆陆碰撞的例子至今仍未停止运动 潘裕生，1 9 9 9 。 所以说，对于青藏高原的全面、深入和系统的研究，既有助于解决中国西部乃至 整个中国大陆的拼合与裂解、稳定与破坏、形成与演化、等重大科学问题：而且对大陆 动力学的完善以及板块构造理论的发展都具有十分重要的科学意义 黄宝春等，2 0 0 8 。 青藏高原形成过程是与特提斯构造演化密切相关的，正是不同时期特提斯古洋壳 的俯冲消减、板块碰撞导致了造山作用 叶培盛，2 0 0 4 。现今复杂的区域构造格局是不 同地质时期的构造叠加在一起形成的。大量观测资料也表明，青藏高原复杂的地质构造 与不同时期特提斯古大洋形成演化、印度一欧亚陆一陆碰撞都存在密切关系和动力学成因 联系 任纪舜等，1 9 8 1 ；潘裕生等，1 9 9 8 ；肖序常等，2 0 0 0 。 青藏高原造山带与稳定陆块相间并存呈条块镶嵌出现 叶和飞，2 0 0 0 ，它的形成 有着漫长的构造变动历史，是由泛华夏陆块西南缘和南部冈瓦纳大陆北缘多期次的弧后 扩张、裂离；小洋盆萎缩、消减；弧一弧、弧一陆碰撞形成的一个复杂构造域。古生代以 来，先后发育了2 0 多条不同规模的弧一陆、弧一弧碰撞结合带，到古近系早期，这些结 合带与其问的岛弧或陆块相继拼贴到一起，造成今天青藏高原的“基底一呈明显的条块 镶嵌结构。始新世以来，由于印度板块的碰撞挤压，呈现出更加复杂的构造特征。 正是因为青藏高原是由一系列地块在不同的地质时期碰撞拼合而成的，高原的隆 升和各个地块在碰撞前( 印度板块与欧亚板块) 的高度、厚度有着直接的关系。昆仑地 块、松潘一甘孜地块、羌塘地块及冈底斯地块均在昆仑洋盆、金沙江洋盆、班公湖一怒江 洋盆及雅鲁藏布江洋盆的消减过程中及接下来的碰撞中发生了明显的地形隆起和地壳 加厚青藏高原的地壳厚度在喜马拉雅地区为5 0k m 左右，到雅鲁藏布江缝合线两侧， 9 * 2 e 域地质概况 变化为7 0 8 0 虹l 左右，到冈底斯地块一般约为7 0 1 卸t - 左右，进人羌塘地块后，地壳的厚 度又减薄到6 0k m 左右再向北到达松潘一甘孜地块，地壳厚度进一步缩小到5 5 l i l 总的 来看，高原地壳厚度为不对称碟状，冈底斯地块为地壳最厚的区域，向南北两侧逐渐变 薄青藏高原由一系列巨大的山系和山与山之间开阔的高原面构成，由南往北依次是喜 马拉雅山、冈底斯一念青唐古拉山、唐古拉山、昆仑山等 丁林等，2 0 0 4 。 自早古生代以来，青藏高原先后经历了多期特提斯古大洋板块俯冲和区域构造运 动，随之产生了多期强烈的构造变形、火山喷发、岩浆侵入和区域变质事件，在高原的 内部形成了总体上呈近东西向展布、规模巨大的几条板块缝合带。从而在缝合带之间发 育了相对稳定的几个构造块体( 图21 ) 。有必要说明的一点是：据最近地调局基础部组 织计划项目组成员对羌塘地区进行的联台考察，确认羌南地区存在着大规模蛇绿一构造 混杂岩带，二叠纪的灰岩、玄武岩组合大多为洋岛沉积：太规模的蓝片岩一高压变质带 等，这些都说明双湖一龙木错一吉塘缝合带( 由此缝合带将羌塘地体进一步划分为南羌 塘块体和北羌塘块体) 可能具有相当大的规模。鉴于此本文中将双湖一龙木错一吉塘亦 作为一条重要的缝合带。因此用6 条狭长的缝合线将青藏高原分割成7 块地体，6 条缝 合线自南而北分别是印度河一雅鲁藏布江缝合带、班公湖一怒江缝合带，红山湖一龙木错 双湖缝台带、西金乌兰金沙江缝合带、康西瓦一昆南一玛沁缝合带和西昆仑一阿尔金一祁 连缝合带。7 个地体自南而北是喜马拉雅地体、冈底斯地体、南羌塘地体、北羌塘地体、 群兰。 潦 ，一m 垃。；、 扳 块 汆。! 夺 入。掣 图z 一1 青藏高原构造筒图 豢嚣 豁蜷张 嚣 密 西北大学硕士学位论文 巴颜喀拉一甘孜地体、昆仑地体( 包括西昆仑的南部、东昆仑的全部和柴达木板块) 和 塔里木地块。 青藏高原上古海洋的发育与消亡是自北向南迁移的，北部早，南部晚，因此，各个 地体的拼接碰撞同样是北部早，南部晚，自早古生代依次向南迁移，到始新世，喜马拉 雅地体与冈底斯地体的拼合，青藏高原才形成一个整体。这一现象与冈瓦纳大陆不断裂 离、亚洲大陆依次向南增生的理论相吻合。 2 2 区域地质概况 冈底斯地体 吴建功等，1 9 8 9 ，有人亦称拉萨地体，位于青藏高原南缘，东西延 伸近2 0 0 0 k m ，南北宽度达3 0 0 k m 。南起雅鲁藏布江缝合带，与喜马拉雅地块相邻；北 至班公湖一怒江缝合带，与羌塘地块相邻；向西与克什米尔拉达克弧地体相接，向东延 至滇西腾冲陆块，早期也是冈瓦纳大陆的一部分。自前寒武纪结晶基底形成以后，历经 多期次板块俯冲造山和复杂地质演化历史，逐步形成了现今的区域构造格局 周详，1 9 8 3 1 9 8 9 ；潘裕生，1 9 8 91 9 9 9 ：潘桂棠等，1 9 9 51 9 9 7 ：尹安，2 0 0 1 。 早古生代时期冈底斯地体地层发育了海相碳酸盐岩一碎屑岩系，石炭纪一早二叠世 早期发育广泛分布于冈瓦纳大陆北部边缘的海相冰伐或重力流沉积成因的含砾板岩，在 早二叠世晚期，发育了浅海相沉积成因生物碎屑灰岩，三叠纪时，发育砂页岩和碳酸盐 岩沉积，中、晚侏罗世一早白垩世一直处于海相沉积环境，发育了海相碳酸盐岩一碎屑岩 系。侏罗纪一晚白垩世特提斯洋壳俯冲事件导致了大量侏罗纪古大洋残片在班公湖一怒江 缝合带上，形成了大规模的蛇绿混杂岩带，在改则一尼玛一班戈一带发生了大规模区域性 中酸性岩浆侵位事件。晚白垩世一吉近纪时期，逐步转变成海陆交互相和陆相沉积环境： 随着特提斯古洋壳北向俯冲，在冈底斯地块南部诱发大规模岛弧型火山喷发和中酸性岩 浆侵入事件 吴中海，2 0 0 4 。而古近纪晚期印度板块和欧亚板块的陆陆碰撞事件，导致 了冈底斯地块发生了强烈的构造变形及地壳缩短事件，高原随之快速隆升，形成了现今 颇具特色的构造一地貌格局 叶培盛，2 0 0 4 。 2 3 区域研究现状 近几年来在该区域的研究取得了重大进展，初步建立了青藏高原的构造单元系统， 从北向南划分成三大构造区 潘桂堂等，2 0 0 2 ：泛华夏大陆早古生代秦祁昆构造区( 秦 第2 章区域地质概况 祁昆构造一地层大区，以康西瓦一木孜塔格一玛沁一勉县一略阳结合带为界) 、泛华夏大陆 晚古生代羌塘一三江构造区( 羌塘一三江一扬子构造一地层大区，以班公湖一丁青一碧土一昌 宁一孟连结合带为界) 和冈瓦纳北缘晚古生代一中生代冈底斯一喜马拉雅构造区( 冈底 斯一喜马拉雅构造一地层大区) 。冈底斯板块属于冈瓦纳北缘晚古生代一中生代冈底斯一喜 马拉雅构造区。冈瓦纳北缘的冈底斯带和喜马拉雅带不仅具有形成于5 5 亿年左右，同 一的泛非基底，而且在早古生代时期还具有相同的沉积盖层，属于冈瓦纳大陆北缘的被 动大陆边缘沉积。从晚古生代开始，逐渐由被动大陆边缘转化为活动大陆边缘，并进入 了的长期演化过程。表现为：由于北侧的特提斯洋向南俯冲，开始了冈底斯带的造弧作 用，在石炭一二叠纪时期发育岛弧钙碱性系列火山岩，并在其南侧的雅鲁藏布江形成弧 后裂陷一裂谷盆地，和喜马拉雅陆缘裂陷基性火山岩。早中生代特提斯洋向南不断俯冲， 发育了三叠纪岛弧火山岩及其相应的岛弧花岗岩，早三叠纪在南侧的雅鲁藏布江带形成 弧后初始洋盆，然后逐渐转变成弧后扩张洋盆，喜马拉雅带则形成了陆缘裂陷一裂谷盆 地。由此可得出，雅鲁藏布江蛇绿混杂岩带曾是中生代弧后扩张洋盆，与冈底斯古岛弧 带相对应。晚侏罗世、晚白垩世班公湖一怒江洋盆和喜马拉雅洋盆相继闭合、两侧陆块 ( 岛弧) 发生碰撞，从此整个青藏高原进入陆内演化的阶段 潘桂堂等，2 0 0 2 。 从喜马拉雅带发现的二叠纪以来约1 3 个层位的中基性火山岩。在冈底斯带新发现 的早奥陶世、晚二叠世地层，连同已发现的其它古生代地层，基本可与喜马拉雅带对比， 这表明冈底斯带和喜马拉雅带具有相似的沉积盖层；新发现t 1 2 p 3 、t 3 p 3 、p 3 p 2 、 j 2 t 1 2 地层及晚白垩世与下伏地层的角度不整合，都表明了冈底斯带经历了复杂的构 造演化历史；另外，新发现和厘定了从早石炭世到晚自垩世共1 3 个世级单位( 2 3 个地 层单位) 出露有火山岩，也为研究冈底斯带的构造演化历史提供了重要信息。 综上所述，西藏冈底斯构造带是研究青藏高原构造演化的关键地区。本次研究立 足于关键区域：冈底斯地块，抓住关键时间段：晚古生代石炭纪和二叠纪，以古地磁为 手段，依托于前人的研究成果和地质基础资料，再参考古生物、特殊的沉积类型等资料， 结合周缘扬子、塔里木、华北以及古冈瓦纳大陆等不同地质时期的古地理位置( 前人研 究成果) 等多方面的约束，力争对冈底斯板块在石炭纪和二叠纪时期的运动方式和相对 位置有更深一步的认识。 1 2 西北大学硕士学位论文 3 1 地球的磁场 第3 章古地磁原理与方法 地球磁场是指地球本体及其周围空间的电磁场。地球磁场是地球表面最重要的物理 场之一，它的变化主要受控于外核磁流体运动过程和核幔相互作用以及下底幔的结构。 地球磁场的长期观测和研究分析表明，地球的磁场分外源场和内源场两大部分，地 球表面的绝大部分磁场来源于地球内部，属于内源场，内源场比较稳定，只随时间的推 移发生非常缓慢的变化，是地球的基本磁场。地球的外源场一般只占千分之几，来源于 高空，随时间变化较快，所以也称为地球的变化磁场 3 1 ；1 地磁极、磁极 地球表面上地磁场方向与地面垂直、磁场强度最大的地方，称为地磁极。地磁极有 两个，分别是磁北极和磁南极，位置与地理的两极接近，但不重合。现代地球的磁南极 在北纬7 2 0 ，西经9 6 0 附近，磁北极在南纬7 0 0 、西经1 5 0 0 附近，通过对地磁场长期观测 的结果，发现地磁极有围绕地理极作周期性运动的趋势，运动的周期可能为1 0 4 1 0 5 年。 上新世以来岩石磁性的测量也表明，在最近的5 0 0 万年期间，地磁极是均匀分布在地理 极四周的，它的平均位置与现代地理极重合。所以可以近似的认为，地球的磁场近似于 念 棼 尸 。，r 八、i 酗 l ，rj 、 夕 八， 。 堆磁愆缀 图3 - - 1 地心轴向偶极子场g a d 模式和各种极及赤道的比较 引自m c e l h i n n y ，1 9 7 3 一个均匀磁化球体的磁场，这个磁场等效于放在地心的一个磁偶极子的磁场，我们将它 第3 章古地磁原理与方法 称作地心轴向偶极子( g d a ) 模式( 图3 一1 ) 。 事实上，磁偶极子的磁轴与地轴的夹角约为1 1 5 0 。偶极子的磁轴延长线与地面相 交于两点，就是地磁极。南北两地的磁极是对称的，离地磁极9 0 0 的地球表面的大圆轨 迹叫磁赤道。倾角为9 0 0 的地方是两个小区域，我们把它叫做磁极或称倾极。( 图3 一1 ) 。 3 1 2 地磁要素 为了方便研究任一点o 处的地磁场的方向和强度，我们在空间建立直角坐标系：以 o 为原点选取直角坐标o - x y z 。其中o x 轴指正北，o y 轴指正东，o z 为垂直轴，x o y 为水平面，x o z 为地理子午面。o 处的磁场方向与正北方向的夹角叫做磁偏角d ，h o z 称为磁子午面，地磁场的总强度矢量f 在此平面上与水平面的夹角叫做磁倾角i ，f 在 水平面x o y 和垂直轴o z 上的投影，分别称为水平分量h 和垂直分量z ，而h 在o x 和o y 轴上的投影为北向分量x 和东向分量y ( 图3 - 2 ) 。这样o 点的地磁场被分解为七 个要素，称为地磁场七要素 朱岗岜，2 0 0 5 。 图3 - - 2 地磁场七要素 朱岗岜，2 0 0 5 3 1 3 地球磁场的变化 地球上各点的地磁要素不是固定不变的，它们随时间的变化不断变化着，这种变化 称为地磁要素的变化。地磁要素在每时每刻发生的相对急速的变化，被称之为瞬时变化。 如果它们是在相对较长时间里出现的缓慢变化，则称之为长期变化。地磁场长期变化的 1 4 西北大学硕士学位论文 准确定义为：两个年代t l 与t 2 ，某地磁要素f 的年平均值为f 1 和f 2 ，它们的差值与年 数差的比a f z t ，就是该要素在t = t l + l 2 a t 时间段的长期变化。 目前对长期变化的起源，仍不够清楚，但是从许多地磁台站的观测记录可以看出， 地磁要素的长期变化确实是存在的，而且具有全球性的特征。 3 1 4 地磁场的倒转 地磁倒转是指地球磁极在地质时期中的交替现象。地磁极性倒转的现象最先是从岩 石磁性的测量和古地磁场的研究中发现的。研究结果表明，不同地质年代岩石的剩磁方 向正负几乎各占一半，而且这种方向的颠倒在时间上具有很好的全球一致性的特征。对 这种现象的唯一合理解释就是地磁场曾多次发生过极性倒转。与现代地磁场方向相同的 叫正常极性，相反的叫倒转极性。这种观点由达维德和布容首先提出。1 9 2 6 年梅康通 但l m e r c a n t o n ) 又指出，如果地磁场确实发生过倒转，那么这种现象应在世界各地都能 被发现。他研究了格陵兰、冰岛、北欧以及澳大利亚等地不同地质年代的岩石，进一步 证实了地磁场倒转的事实。1 9 2 9 年松山研究了日本和中国东北的第四纪熔岩，也发现同 样现象，并且发现反向磁化的熔岩总比正向磁化的熔岩年代要老。他由此推断，第四纪 早期地磁场方向与现代地磁场方向相反，到了第四纪后期二者方向才相同。6 0 年代以来， 随着深海钻探和海洋磁测技术的完善和发展，发现了大洋中脊两侧对称地排列着正、反 极性相问的磁异常条带，这正是