二连盆地磁组构特征与沉积动力方向分析.doc

二连盆地化石层磁组构特征与沉积动力方向分析吴鸿天基金项目 由国家自然科学基金（41372037）资助作者简介 吴鸿天，男，1990年生，硕士研究生，主要从事古地磁学研究.E-mail: *通讯作者 张睿，男，1977年生，副教授，主要从事第四纪与古地磁学研究.E-mail: ，张睿1,2*，王元青3，孟津3,4，岳乐平1，罗俊1，张雷11 西北大学地质学系新生代地质与环境研究所大陆动力学国家重点实验室，西安 7100692 中国地质调查局西安地质调查中心，西安 7100543 中国科学院古脊椎动物与古人类研究所, 脊椎动物进化系统学重点实验室, 北京 1000444 American Museum of Natural History, New York, 10024, USA摘要 为探究微观磁组构特征与宏观沉积构造、长形生物化石特点等指标在恢复古水流向问题上的关联性，对内蒙古二连盆地查干勃尔和剖面的414块古地磁定向样品进行了磁组构特征研究。发现全剖面样品的磁化率最大轴赤平投影为南北方向，由于旱地冲积扇水动力较强，导致流水动力方向与磁化率最大轴方向垂直，指示古水流方向为东西向；而化石层围岩样品的磁化率主轴主要集中在90方向，鉴于化石集中埋藏地区水动力急剧转弱，磁化率最大轴方向与古流向一致，这与长形骨骼展布方位的统计结果70-115相吻合，均显示自东向西，微观磁组构与宏观长形骨骼展布所指示的方向相一致。此外，为了验证磁组构与砾石排布和沉积层理在反映动力学的可比性，我们还对诸如青海门源盆地大通河谷、陕西关中盆地泾河阶地的磁组构样品与砾石排布、水平层理所指示的古流向进行对比并均显示一致。我们首次把沉积物微观磁组构样品与更为宏观的骨骼展布、砾石排布和沉积层理等沉积动力学指标进行了对比，其结果证实了他们具有一致方向的可比性，因此在宏观条件不可见时，对沉积物进行大样品数量的磁组构采样并进行解释完全可以承担该地区的沉积动力学辨析工作，并为未来更广范围的沉积动力学研究开展提供了可靠的阐明手段。关键词 二连盆地；磁组构；长形骨骼化石；古流向；沉积动力学；埋藏学Magnetic fabrics and the sedimentary dynamic direction of a fossil horizon in Erlian basin, Inner MongoliaWU Hong-Tian1, ZHANG Rui1,2*, WANG Yuan-Qing3, MENG-Jin3,4,YUE Le-Ping1,LUO Jun1, ZHANG Lei11 State Key laboratory of Continental Dynamics, Institute of Cenozoic Geology and Environment, Department of Geology, NorthWest University, Xian 710069, China2 Xian Center of Geological Survey, China Geological Survey, Xian 710054, China3 Key Laboratory of Evolutioraary Systematics of Vertebrates, lnstitute of Vertebrate Paleontology grad Paleoanthropology, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100044, China 4 Division of Paleontology, American Museum of Natural History, New York 10024, USAAbstract To help understand the links between magnetic fabric and macroscopicstructure inspections, such as the statistical analysis of the elongate bone orientations in recovering paleocurrent directions. A section was investigated in Chaganboerhe, Inner Mongolia, through the AMS（anisotropy of magnetic susceptibility）analyses of 414 oriented samples. For the strong hydrodynamics at alluvial fan, the major orientations of maximum susceptibility axes (Kmax) were perpendicular to the dynamic orientations showing a E-W paleocurrent direction. When the power fades , orientations of Kmax were aligned with paleocurrent direction in surrounding rocks around the fossils at about 90, which coincide with the elongate bone orientations at 70-115. Both magnetic fabrics and elongate bone orientations show the paleocurrent direction in the same direction, from east to west. In addition, to compare magnetic fabric and other sedimentary bedding-plane features like gravel arrangement and sedimentary bedding stratification in the study of dynamics, we also analysis the result of these methods from the samples at Datong River valley and Jing River terrance. They all indicate similar results and support the consistency between macroscopic and macroscopic structure inspections. Statistic methods of AMS based on large quantitative samples have the same interpretations as the results from sedimentary structure analysis. In case the macroscopic indicators are invisible, AMS analysis can always provide a reliable substitute solution for the extensive research of sedimentary dynamics in future.Keywords Erlian Basin; Magnetic fabric; elongate bone orientations; Paleocurrent directions; Sedimentary dynamics; Taphonomy1 引言沉积动力方向的确定对于判定物源方向、指示沉积环境演变以及揭示矿床和储层展布等有重要的意义。野外工作中常利用各种宏观沉积构造指标如断层和褶皱发育、地层倾伏方向、粒序层理、砾石和长形生物化石等的定向排列等指示沉积动力方向。除此之外，沉积岩自身的磁化率各向异性（Anisotropy of Magnetic Susceptibility, 简称AMS）也记录了相关的信息，并在恢复古流向的应用中取得重大进展（Rees and Woodall, 1975; Ledbetter and Ellwood,1980; Veloso et al., 2007）。磁化率各项异性反映了岩石中磁性矿物颗粒的磁化率在各个方向上的差异，可以用一个三维二阶的张量椭球体来进行表征（Hrouda，1982），并用Kmax、Kint、Kmin分别表示磁化率的最长轴、中间轴与最小轴，作为描述岩石磁组构的基本要素。Graham(1954)第一次运用AMS方法确定古沉积动力方向；Rees and Woodall(1975)讨论了不同水动力条件下的磁组构表现形式；Lagroix and Banerjee(2000)对磁化率椭球体张量的研究中指出磁性矿物颗粒在沉积过程中会随着古水流的方向而进行调整，而在成岩过程中磁颗粒会在磁组构中记录下受力的方向。通常情况下，沉积岩磁化率最大轴（Kmax）方向被认为平行于古风向和弱动力作用下的古水流向（Rees, 1965; Tarling and Hrouda, 1993; Piper et al., 1996），但是如果水动力比较强或颗粒特别小，水流方向则会与kmax轴呈垂直关系（Ellwood and Ledbetter, 1977,1979; Ledbetter and Ellwood, 1980）,同时，磁化率最小轴（Kmin）也可以较稳定的指示动力的行进方向；而一些分散的磁化主轴方向可能是受到生物扰动（Ellwood, 1984）或者是水动力较强引起的颗粒滚动有关。宏观的指示标志与微观岩石磁组构都可以作为沉积动力方向的判别方法，但目前还缺乏二者之间相关性的系统论证。 二连盆地位于内蒙古自治区中部，靠近中蒙边境，盆地内发育了良好的古近纪河湖相地层，哺乳动物化石非常丰富，是亚洲古近纪哺乳动物、地层及相关问题研究的热点地区，时至今日仍在不断的取得进展。如孟津、王元青等在二十世纪九十年代以来在二连盆地发现了大量的古近纪哺乳动物化石（Meng et al., 1990,1994,1998,2004,2008; Wang et al., 2007; 王元青等, 2010,2012; Bai et al., 2011），并在对多个剖面的哺乳动物化石进行对比的基础上对二连盆地的地层进行了新的科学的划分（Meng et al., 2007），解决了以往地层划分混乱的问题，并在此基础上对地层进行了精确的古地磁学定年（孙勃，2008）。这些成果在国际学术界得到了广泛的应用，尤其是依据动物群建立的亚洲古近纪哺乳动物分期作为亚洲陆相年代地层标准已被收入国际地质年表中(Meng et al., 1998; Luterbacher et al., 2004) 。 查干勃尔和剖面位于二连盆地中部，坡度比较平缓，非常适合对化石集中排布地区的围岩进行密集的磁组构样品采集。本文在野外观察和大量磁组构样品测试的基础上与以二连盆地长形骨骼化石排布为宏观沉积指标代表进行对比研究，并运用磁组构方法判断化石层及整体剖面的古流向，探讨宏观与微观的研究方法在指示动力学方向的适应性以及二者之间的相关性以及磁组构指示古水流方向的特点。2 区域地质背景及化石层描述二连盆地位于蒙古高原腹地，是内蒙古大兴安岭褶皱带基底上和燕山期拉张翘断构造应力场作用下发育起来的中新生代断陷盆地(李文国等，1996）。查干勃尔和剖面位于二连盆地中部，以古新世始新世的棕红色、灰绿色泥岩粉砂岩河湖相沉积为主，剖面厚度约为55m。剖面的坡度上陡下缓，地层由老到新分别为脑木更组（上部），阿山头组（中部）和伊尔丁曼哈组（下部）。图1 查干勃尔和剖面位置与地形图Fig.1 Location and topographic of the sections at Chaganboerhe本文所讨论的化石层位于伊尔丁曼哈组内，呈透镜状产出，出露面积约为8m2左右，围岩岩性为灰白色粉砂岩夹灰黄色细砂岩并含有少量泥砾。该化石层位所含化石主要是雷兽的股骨、胫骨等长形骨骼，保存比较完好，并有着良好的定向排布性，同时也含有小中型柱状的腕骨以及细小的化石残片，长骨(20cm以上)约占整个化石层位的60%左右（图2a）。可见该层位属种较为单一，并且是经过搬运后再被密集埋藏的。一般认为，长形生物化石在弱流水动力作用下展布方向平行于古流向，且不规则骨骼其形状较大的一端指向水流上游（Voorhies,1969；张云翔等，1995）。测量和统计长形骨骼的倾向和倾角并绘制成极点图与频率玫瑰图(图2b)，发现这些长骨化石倾角一般在1025左右，基本以70-115为展布优势方位，平均方向为97，并且不规则长骨较大的一端多指向东。据此可以推断出古水流大致方向为自东向西。 图2 长形骨骼化石集群埋藏及展布位置极点图(a) 长形骨骼化石集群埋藏照片 (b) 骨骼化石展布状态极点图Fig.2 Taphonomy of elongate bone fossils and its pole plot(a) The photo ofelongate bone fossils (b) Spatial distribution of elongate bone fossils 3 样品采集与测试通过长形骨骼化石的展布得到古水流方向之后还需要运用磁组构的方法对其进行验证与对比研究。因此，在野外对化石层围岩以及查干勃尔和整体剖面均进行了定向手标本采样。其中对化石层围岩各个方向采集44块手标本，以求能够测量化石层周围各个方向的围岩磁组构对古水流向的响应（图3），最后在实验室加工成定向测试样品137块；对查干勃尔和剖面大致以30cm的间距共采集手标本132块，在实验室加工成测试样品277块。全部样品的AMS测试均在西北大学大陆动力学国家重点实验室运用捷克AGICO公司生产的Kappabridge磁化率仪( KLY-4S，工作频率875Hz，测试精度210-8SI)进行测试。图3 化石层围岩磁组构采样位置示意图Fig.3 Location of samples at surrounding rocks4 磁组构特征 磁组构的本质是岩石内部的磁性矿物颗粒在外力（如重力、挤压应力、水流等）作用下发生的重结晶、变形或定向排列，可以反映磁性颗粒的演化、宏观受力状况等地质过程（Hrouda, 1982；Rochette et al., 1992；Tarling and Hrouda, 1993；Borradaile and Henry, 1997）。描述磁组构的基本要素是磁化率各向异性椭球体的长轴（Kmax）、中间轴（Kint）和短轴（Kmin）的磁化率大小（Graham，1954；Hrouda, 1982），此外常用的参数还有磁线理（L）、磁面理（F）以及各项异度（P）等（潘永信等，1998）。磁面理反映沉积颗粒呈面状分布的程度，磁线理反映沉积颗粒呈线状排列的程度。近年来的研究认为沉积岩在形成过程中其磁性矿物颗粒的排布受重力影响最大，所以磁面理较磁线理发育，磁化率张量椭球以压扁状为主（Zhu et al., 2004；张睿等，2012）；而在构造活动强烈的地区，受到挤压应力的影响，磁线理会更为发育。通过化石层与全剖面的F-L图（图4）可以看出两者都是磁面理较磁线理发育，因此可以推断出该剖面古近纪以来没有强烈的应力作用，很可能保持了初始磁化率各向异性，即流水动力是影响磁化率最大轴方位的最主要因素。图4 磁组构磁线理磁面理图Fig.4 Flinn-type plots of L vs. F (a: surrounding rocks; b: the whole profile)当沉积面较平，水流速平稳时，磁化率最大主轴的偏角方位（D-Kmax）与沉积动力方向平行，而流速很快或颗粒较小时，D-Kmax可能与水流方向垂直（Rees, 1965； Ellwood and Ledbetter,1977），而Kmin的叠瓦方向指示河流的下游方向（Zhang et al., 2010）。通过特征值法分析并结合图5(a,b,c)可知，化石层围岩磁化率长轴张量平均方位为109，最小轴平均方位为294，等势线图与玫瑰图显示长轴和最小轴的高密度峰值分别位于94与274，暗示了沉积动力来源的主要方向为E或SEE，又因为在骨骼化石大量沉积层位可以判断出古水流速较缓，即磁化率各向异性长轴方向与沉积动力方向相同，因此通过磁组构方法测得的化石层周围的古流向应为从E或SEE流向W或NWW；查干勃尔和总体剖面的磁化率各向异性长轴平均方位为6与175，等势线图也显示了Kmax的高密度峰值出现在南北两端。查干勃尔和剖面坡度较缓，岩性主要为泥岩与粉砂岩，但其处于河流上游，水动力较强且颗粒粒度较小，因此古水流方向应与kmax方向垂直。Kmin轴的张量平均方位为286，等势线图的频率峰值为277，指示河流下游方向为西，即古流向为自东向西。图5 化石层与全剖面赤平投影与等势线图(红色圆点为磁化率最大轴，绿色三角为磁化率最小轴,黑色箭头表示古流向)(a),(b),(c)分别为化石层围岩赤平投影图、最大轴等势线图与频率玫瑰图、最小轴等势线图(d),(e),(f)分别为全剖面赤平投影图、最大轴等势线图与频率玫瑰图、最小轴等势线图Fig.5 Stereographic projection of Kmax (red dots) and Kmin (green triangles), contours and rose diagram of AMS axes of fossil layer and the whole section(a,b,c: surrounding rocks; d,e,f: the whole profile, and solid arrows represent paleocurrent direction)5 讨论借助于统计分析（图6），确定化石层围岩与全剖面的大多数样品（分别为85.4%和83.3%）的Kmax的统计信度位于95%置信椭圆内，磁组构方法所得到的古流向结果显示出化石层区域的古流向与整体剖面的古流向基本一致。之所以张量分析所统计出的平均方向与等势线图所反映出的频率峰值方向有所不同，是因为对磁化率张量椭球体进行统计分析的前提是椭球体的三个方向主轴（Kmax，Kint，Kmin）是互相垂直的，即平均张量只统计了三个主轴方向互相垂直的样品的平均方向；而等势线图则是直接统计所有样品方向的频率大小。两种统计方法的计算结果差异不是很大，都可以用来恢复沉积动力方向(Constable and Tauxe, 1990;Lagroix and Borradaile, 2000; Zhang et al., 2010）。 化石层长形骨骼化石的集中展布方向为70-115（图2），古流向整体为自东向西，这与化石层围岩的磁组构结果（Kmax平均方位为109）基本一致。此外，在化石层围岩赤平投影与等势线图中还可以发现在平均方向为150、184以及252处都有较低的高密度值分布，这也与少部分展布方向为255-280及160-180长形化石的统计频次相吻合。这一方面说明了磁化率最大轴对动力方向的敏感性及磁组构方法的精确性，另一方面也说明了微观磁组构与宏观古流向指示标志是相互关联的并具有很好的一致性。该化石层位于剖面上部，剖面在这里坡度变低，水深与流速骤减，极有可能是以漫流沉积为主的扇缘沉积亚相。旱地扇常只发育一个主体的辫状河道，河道宽而浅，流向复杂，这就解释了长形骨骼化石与沉积磁组构在指示古流向时会显示出一个主流向和其他几个副流向的原因。查干勃尔和整体剖面的磁组构赤平投影图比较复杂，原因是整体剖面所含的组分比较多。剖面上部为冲积扇相，磁化率最大轴方位集中在90附近，古流向为自西向东，因此在剖面的中部和下部，磁化率最大轴投影在南北方位最为集中。之所以出现对称双峰的投影，一方面是因为此时的磁组构数据包含了剖面所有的样本，反映的是剖面河道整体的变迁情况，并非是局部的古流向。阿山头组与脑木更组地层中含有大量的硅化木化石，分布范围极广，而硅化木是典型的河床亚相指相化石，据此可以推断出查干勃尔和剖面中下部沉积相为河床亚相，并且河道迁移较为频繁，也侧面说明了古水流速较快，沉积颗粒粒度较细。在采样过程中，常见呈透镜状的细砂岩嵌于周围的红色泥质粉砂岩之中，这也是河道多次往复迁移的证据；另一方面由剖面地形图可知，河道的延展方向为东西向，落差相对较大，所以出现磁化率最大轴集中在南北方位的原因可能是水动力条件较强造成的沉积颗粒翻滚。 除长形骨骼化石定向排布以外，磁组构与交错层理、砾石定向排布等宏观方法所指示的古水流向也显示一致。在青海门源盆地大通河支流一级阶地发现一处同时具有板状交错层理和叠瓦状砾石排布的剖面。经过统计，交错层理的前积纹层倾向平均为130，砾石叠瓦面的产状约为12013，据此判断河流上游方向为SEE。而在AMS赤平投影中，磁化率最大轴Kmax高密度值为NNE和SSW双峰，且倾角均值达到23；磁化率最小轴Kmin倾角很小，平均仅为64，且其偏角的平均方向为294，这说明了河流上游水流速度很快，形成的交错层理使沉积面变得起伏，磁颗粒发生滚动，使得Kmax轴与流水方向垂直，此时Kmax不能准确的指示古流向。而Kmin轴倾伏位的去向能够稳定的指示河流下游方向，因此可以判断河流是自SEE流向NWW的，与交错层理和砾石定向排布所指示的流向相吻合，说明了微观磁组构与宏观标志指示沉积动力来源方向具有一致性，而磁组构具有可进行大规模采样分析的优点，随采集样品增多，数据误差减小，统计方向精度提高。图6 化石层与全剖面磁线理L和统计信度12关系(a) 化石层围岩磁线理统计信度 （b）全剖面线理统计信度Fig.6 Plots of 12 (The 95% confidence ellipse of Kmax in the plane joining Kmax and Kint) against Lineation (a: surrounding rocks; b: the whole profile)图7 大通河谷赤平投影及等势线图(红色圆点为磁化率最大轴，绿色三角为磁化率最小轴，黑色箭头表示古流向) （a）大通河谷赤平投影图 （b）大通河谷磁化率最大轴等势线图 （c）大通河谷磁化率最小轴等势线图Fig.7 Stereographic projection (a) of Kmax (red dots) and Kmin (green triangles)and contours of Datong River (b and c),and the solid arrow representspaleocurrent direction磁组构记录的是一个长期的地质过程，对短期的动力方向并不敏感，所以整体剖面的磁化率最大轴更有可能记录的是剖面斜坡古水流速较快以及河道的反复迁移状况。由此也可发现，磁组构方法更适合应用于判断较小范围内单种沉积相的古流向。在陕西关中盆地的泾河一级阶地上发现一层具有小型水平层理的灰黄色粉砂质沉积，与其上下地层的颜色、粒度有明显的差异，并初步认为是洪水泛滥漫溢天然堤形成的河漫亚相沉积。采样并测试后磁组构结果显示其磁化率最大轴呈双峰分布，平均方位为24，最小轴平均叠瓦方向为91。泾河的流向是自西向东的，代表动力行进方向的Kmin轴也指向东，显示其所指示的方向与流向一致。Kmax为南北方向的双峰分布，既可能是洪水漫流冲洗的结果，也可能是颗粒在较强流水动力下的翻滚所致（图8）。图8 泾河阶地赤平投影及等势线图(红色圆点为磁化率最大轴，绿色三角为磁化率最小轴，黑色箭头表示古流向) （a）泾河阶地赤平投影图 （b）泾河阶地磁化率最大轴等势线图 （c）泾河阶地磁化率最小轴等势线图Fig.7 Stereographic projection (a) of Kmax (red dots) and Kmin (green triangles)and contours of terrace of Jing River (b and c),and the solid arrows representpaleocurrent direction 一些学者也运用磁组构的方法对河流进行了古流向、构造应力等方面的研究（张玉芬等，2004; 裴军令等，2008; 陈应涛等，2013; 张志亮等，2013）。我们通过对二连盆地查干勃尔和剖面及其化石层位进行磁化率各向异性样品采集、测试和统计，恢复了该剖面的古流向是自东向西，同时在对剖面长形骨骼化石展布方向的埋藏学统计中也得到了宏观验证。同时，在青海门源大通河和陕西关中泾河流域附近还对磁化率各向异性所指示的古流向与砾石和层理方向分别进行了比较，磁组构同样能够明确的指示沉积时的动力方向，并在与其他沉积构造的对比中均显示类似的可比性（表1）。表1 各剖面磁组构及宏观沉积构造指示方向汇总Table 1 Directions of magnetic fabrics and sedimentary structures at all sections剖面名称平均方向(D/I)E1/E2古流向查干勃尔和全剖面磁组构286/80（Kmin）15.4/3.2自东向西或SEE流向NWW化石层围岩磁组构109 /7（Kmax）33.6/5.8294/82（Kmin）33.6/6.0长骨化石97大通河谷大通河剖面磁组构294/64（Kmin）18.2/12.6SEE流向NWW交错层理前积纹层130砾石排布120泾河阶地泾河剖面磁组构24/1 （Kmax）22.6/1.7洪水北岸漫流91/89 （Kmin）2.6/1.6自西向东注：D，I分别表示磁偏角与磁倾角，E1，E2分别表示磁偏角与磁倾角的误差系数（置信角）6 结论磁化率最大轴与最小轴的方位分布均对沉积动力来源方向具有良好的敏感性，磁组构与宏观沉积构造在指示沉积动力方向上存在一致性，在查干勃尔和剖面及化石层、大通河谷以及泾河阶地均得到了验证。磁组构方法不受地形地貌限制，分辨率高，并且能够量化搬运介质的运动过程，是辨析沉积动力方向及恢复古地貌行而有效的微观指标。但在对磁组构进行分析的同时，还要明确动力强弱造成的磁化率最大轴统计方向的变化。磁化率各向异性最大轴统计方向存在（1）与动力方向来源一致的单峰单向分布特征和（2）与动力方向垂直的双峰双向分布特征。而磁化率各向异性最小轴统计方向则大多具有可判断动力前进方向的单峰单向特点。致谢：国家自然科学基金早古近纪内蒙古二连盆地主要哺乳动物群的古地磁年代及环境磁学研究对本文提供了支持，中国科学院中国科学院古脊椎动物与古人类研究所的金迅博士提供了埋藏学方面的指导，西北大学赵千、郭怀军、邹宁、王震进行了野外工作，在此一并表示感谢。 ReferenceBai B, Wang Y Q, Meng J, et al. 2011. 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