探究二连盆地古近系磁性地层：重建地质历史的时间密码

探究二连盆地古近系磁性地层：重建地质历史的时间密码一、引言1.1研究背景与意义地层学作为地质学的重要基础学科，旨在研究地层的层序、时代及其相互关系，为地球演化历史的重建提供关键依据。其中，磁性地层学是基于地球磁场极性变化规律来确定地层年代和划分对比地层的学科，在全球地层学研究中占据着日益重要的地位。二连盆地位于内蒙古自治区，是中国重要的中新生代沉积盆地之一。该盆地古近系地层发育较为完整，沉积类型丰富多样，且富含大量的化石，尤其是哺乳动物化石，这使得二连盆地在生物地层学研究方面具有独特的优势，在中国和亚洲的哺乳动物演化研究中发挥着举足轻重的作用，为哺乳动物的洲际对比和亚洲陆生哺乳动物期次划分奠定了坚实基础。然而，早期对于二连盆地古近系的研究主要依赖生物地层学和岩石地层学方法。生物地层学虽能依据生物化石组合特征来划分和对比地层，但由于生物演化的复杂性以及化石保存和发现的局限性，不同研究人员对同一地层中化石组合的解读可能存在差异，导致地层时代的确定存在一定的模糊性和不确定性。岩石地层学主要依据岩石的岩性、岩相特征进行地层划分对比，然而这些特征在区域上可能受到沉积环境变化等多种因素影响，难以建立精确的等时地层格架。并且，这两种传统方法都缺乏高精度的时间标尺，致使早期研究成果矛盾重重，无法准确构建该区域古近纪的地质演化历史。随着地质学研究的不断深入，磁性地层学作为一种高精度的地层年代学研究方法，逐渐成为解决上述问题的关键手段。对二连盆地古近系开展磁性地层学研究，具有多方面的重要意义。从学科发展角度看，能够极大地丰富磁性地层学的研究内容和实践案例。不同地区的地质条件和沉积环境各异，二连盆地独特的地质背景为磁性地层学研究提供了新的研究对象和数据来源，有助于深入探讨地球磁场在特定地质时期和区域的变化规律，进一步完善磁性地层学理论体系。从区域地质研究层面而言，能够确立该区域古近系高精度的时间标尺。精确的时间框架是研究区域生物演化、环境变迁等地质过程的基础。通过磁性地层学研究，明确各套地层的形成年代，从而可以准确地将生物演化事件和环境变化事件置于时间轴上，深入分析它们之间的内在联系和相互作用机制。例如，结合磁性地层学确定的年代框架与生物化石记录，可详细研究古近纪时期哺乳动物的演化速率、迁移路线以及物种的起源和灭绝事件与气候变化、地质构造运动之间的关系。在全球对比方面，为哺乳动物的大陆间对比提供了更可靠的依据。二连盆地的哺乳动物化石在亚洲陆生哺乳动物演化研究中具有代表性，精确的年代确定有助于将该区域的生物演化序列与其他大陆进行更准确的对比，从而在全球尺度上探讨哺乳动物的演化规律和生物地理分布格局，揭示生物演化对全球环境变化的响应机制。综上所述，二连盆地古近系磁性地层学研究迫在眉睫，其成果不仅对深化该区域地质研究具有重要意义，也将为全球地层学、古生物学和环境演化研究提供有价值的参考。1.2国内外研究现状1.2.1磁性地层学的发展历程与研究进展磁性地层学的起源可以追溯到20世纪初，当时研究者开始关注岩石中的剩余磁性。1906年，法国科学家布容（BernardBrunhes）首次发现某些岩石的天然剩磁方向与现代地磁场方向相反，这一发现开启了古地磁学研究的序幕。随后在20世纪50-60年代，随着古地磁测量技术的逐步发展和完善，科学家们对全球不同地区的岩石进行了大量的古地磁测量，发现了广泛存在的地磁极性倒转现象，从而为磁性地层学的形成奠定了坚实基础。到了20世纪70年代，随着深海钻探计划（DSDP）和海洋磁异常研究的深入开展，磁性地层学取得了突破性进展。通过对深海沉积物和洋底岩石的磁性地层研究，建立了详细的地磁极性年表（GPTS），使得磁性地层学成为一种重要的地层年代学方法，能够精确地确定地层的时代和进行全球地层对比。此后，磁性地层学在全球范围内得到了广泛应用，研究领域不断拓展，涵盖了从海洋到陆地、从新生代到前寒武纪的各个地质时期地层研究。在研究方法和技术上，磁性地层学也不断革新。早期主要依赖于传统的古地磁测量仪器，测量精度相对较低。如今，随着超导磁力仪等高精度仪器的出现，能够更精确地测量岩石的微弱磁性，大大提高了磁性地层学研究的精度和可靠性。同时，岩石磁学技术的发展，如磁滞回线测量、热磁分析等，有助于深入了解岩石中磁性矿物的种类、含量和磁性特征，为准确解释磁性地层数据提供了有力支持。在数据处理和分析方面，计算机技术和数学模型的应用，使得复杂的磁性地层数据处理和对比更加高效和准确。1.2.2古近系磁性地层学的研究成果古近系作为新生代的重要组成部分，在全球范围内受到了广泛的磁性地层学研究关注。在国外，对古近系磁性地层学的研究开展较早且成果丰硕。例如，在北美地区，通过对多个盆地古近系地层的磁性地层学研究，建立了高精度的区域地层年代框架，详细划分了古新世-始新世、始新世-渐新世等重要地质时期的地层界限，并结合古生物化石和同位素年代学等多学科研究，深入探讨了该地区古近纪时期的生物演化、气候变化和构造运动之间的关系。在欧洲，对古近系磁性地层学的研究也取得了显著成果，通过对不同构造单元地层的研究，揭示了古近纪时期欧洲大陆在板块运动影响下的地层演化特征和古环境变迁规律。在国内，古近系磁性地层学研究虽然起步相对较晚，但近年来发展迅速。对一些重要沉积盆地，如准噶尔盆地、柴达木盆地等的古近系开展了磁性地层学研究。通过对这些盆地古近系地层的系统采样、古地磁测量和岩石磁学分析，建立了相应的磁性地层序列，并与国际标准地磁极性年表进行对比，确定了地层的年代和层序关系。同时，结合盆地内丰富的古生物化石资料，探讨了古近纪时期生物演化与环境变化的耦合关系，为深入理解中国古近纪地质演化提供了重要依据。1.2.3二连盆地的研究现状及存在问题二连盆地的研究历史较为悠久，早期主要集中在生物地层学和岩石地层学领域。在生物地层学方面，众多学者对该盆地古近系中丰富的哺乳动物化石进行了深入研究，建立了较为详细的生物地层序列，划分了多个哺乳动物化石带，这些研究成果为亚洲陆生哺乳动物期次划分和洲际对比提供了关键依据。例如，周明镇、齐陶等学者对内蒙古四子王旗晚古新世地层及哺乳动物群的研究，详细描述了该时期哺乳动物的种类和特征，为后续的生物地层学研究奠定了基础。在岩石地层学方面，对二连盆地古近系各地层组的岩性、岩相特征进行了详细的划分和描述，分析了地层的沉积环境和沉积相变化，为理解盆地的沉积演化提供了基础资料。然而，早期对于二连盆地古近系的研究存在诸多问题。由于缺乏高精度的时间标尺，不同研究人员基于生物地层学和岩石地层学的研究成果往往存在矛盾和争议。例如，对于脑木根组、阿山头组和伊尔丁曼哈组等重要地层组的时代确定，不同学者依据不同的化石组合和岩性特征，给出了不同的结论，导致地层对比和区域地质演化研究受到很大限制。虽然前人在二连盆地开展了一些磁性地层学研究工作，如孙勃等人对努和廷勃尔和与呼和勃尔和地区剖面早古近纪地层的磁性地层学研究，确定了部分地层与标准极性年表中C21r-C26r之间的极性带对应关系，并对部分地层组的时代和含化石层的年龄进行了初步限定。但这些研究在剖面选取上存在局限性，未能全面覆盖二连盆地古近系地层；在研究精度上，由于采样密度和实验技术等因素的限制，对于一些地层界限的确定还不够精确，无法满足深入研究区域地质演化的需求。此外，对于二连盆地古近系磁性地层学与生物演化、环境变迁之间的耦合关系研究还相对薄弱，缺乏系统全面的分析。1.3研究内容与目标本研究旨在通过对二连盆地古近系地层开展系统的磁性地层学研究，解决该区域地层年代学和地质演化研究中存在的关键问题，为深入理解区域地质历史提供高精度的时间框架和科学依据。具体研究内容与目标如下：1.3.1研究内容系统的样品采集与测试：在二连盆地古近系地层中，选取多条具有代表性的剖面，这些剖面需涵盖不同的沉积相和地层单元，以确保研究结果的全面性和可靠性。沿着选定剖面，按照一定的间距进行系统采样，采集足够数量的岩石样品，以获取连续的磁性地层记录。对采集的样品进行详细的岩石磁学测试，运用磁滞回线测量、热磁分析等技术，精确确定岩石中磁性矿物的种类、含量、粒度和磁性特征。通过这些测试，深入了解磁性矿物的性质，为后续的古地磁分析提供基础数据，明确岩石中主要的载磁矿物，以及它们在不同地层中的变化规律。高精度的古地磁测量与分析：利用超导磁力仪等高精度仪器，对样品进行古地磁测量，精确测定样品的剩余磁化强度大小和方向。采用逐步热退磁或交变场退磁等方法，去除样品中的次生磁性成分，分离出原生剩磁，以获取准确的古地磁信号。对测量得到的古地磁数据进行系统分析，确定地层的极性序列，识别正极性段和负极性段的分布特征。将二连盆地古近系地层的极性序列与国际标准地磁极性年表进行细致对比，建立精确的对应关系，从而确定各地层单元的地质年代。生物地层与磁性地层的综合研究：结合二连盆地古近系地层中丰富的生物化石资料，特别是哺乳动物化石，开展生物地层学与磁性地层学的综合研究。对不同地层中的生物化石进行详细鉴定和分类，确定生物化石组合的特征和演化阶段，建立生物地层序列。将生物地层序列与磁性地层年代框架进行紧密结合，分析生物演化事件与磁性地层变化之间的内在联系，探讨生物演化对地质环境变化的响应机制。例如，通过对比生物化石的出现和灭绝事件与磁性地层确定的年代，研究古近纪时期哺乳动物的演化速率、迁移路线以及物种的起源和灭绝与地质环境变化的关系。地质事件与环境演化的探讨：基于磁性地层学确定的年代框架和生物地层学研究成果，深入探讨二连盆地古近纪时期的重大地质事件和环境演化过程。分析古新世-始新世界线、古新世-始新世极热事件（PETM）等在二连盆地地层中的响应特征，研究这些事件对区域生物演化、沉积环境和古气候的影响。通过对地层中沉积相、古生物化石组合以及地球化学指标等多方面的综合分析，重建二连盆地古近纪时期的古环境变迁历史，揭示区域地质演化的规律和机制。1.3.2研究目标建立高精度年代框架：通过对二连盆地古近系地层的磁性地层学研究，建立一套高精度的地层年代框架，准确确定脑木根组、阿山头组、伊尔丁曼哈组等主要地层单元的地质年代，解决以往研究中地层年代不确定和争议的问题。为该区域的地层划分和对比提供精确的时间标尺，使得不同研究之间能够基于统一的时间框架进行讨论和分析。揭示生物演化与环境变迁关系：综合生物地层学和磁性地层学研究，深入揭示二连盆地古近纪时期生物演化与环境变迁之间的耦合关系。明确生物演化事件发生的精确时间，以及这些事件与古气候、古环境变化之间的因果联系，为理解生物演化的驱动机制提供重要依据。通过研究生物对环境变化的响应，为预测现代生物多样性的变化趋势提供参考。为全球对比提供依据：将二连盆地古近系磁性地层学研究成果与全球其他地区的相关研究进行对比，为哺乳动物的大陆间对比提供更可靠的年代依据。在全球尺度上探讨哺乳动物的演化规律和生物地理分布格局，揭示生物演化对全球环境变化的响应机制，丰富和完善全球生物演化和地质演化的研究内容。二、研究区域地质背景2.1二连盆地概况二连盆地位于内蒙古自治区中部，呈北东向展布，东西长约1000km，南北宽20-220km，总面积达10.1万平方千米，是我国陆上大型沉积盆地之一。其东侧为大兴安岭隆起，北界为巴音宝力格隆起，南界为温都尔庙隆起，西界为索伦山隆起。从大地构造位置来看，二连盆地处于中国板块与西伯利亚板块的缝合线上，独特的构造位置使其地质演化过程极为复杂且独特。在漫长的地质历史时期中，二连盆地经历了多阶段的演化过程。古生代晚期，区域内地壳发生区域性抬升，同时伴随强烈的火山活动，地幔上隆引发的热对流使得地壳膨胀隆起，这一时期全区大部分地区缺失三叠系沉积，局部地区发生印支期花岗岩侵入，地壳隆起产生的拉张应力导致地壳减薄处出现张性断裂，为后续盆地的形成奠定了构造基础。早-中侏罗世，地壳内部热量逐渐散失，地幔隆起区收缩下降，前期产生的张性破裂进一步扩大，形成了规模不等的北北东-北东向张性断陷。到晚侏罗世，受太平洋板块向亚洲板块俯冲的影响，本区北西-东南向的拉张作用加强，且沿北东-北北东向断裂频繁发生火山喷发，发育了兴安岭群火山岩，强烈的火山活动加速了地壳块段破裂的进程，盆地雏形初步显现。早白垩世，随着北西-南东向拉张活动的持续加剧，地壳进一步被拉开，在老的张性断裂系基础上，又形成了若干新的张性断裂，发育了规模比侏罗系更大的北北东和北东向伸展的凹陷，盆地进入强烈断陷阶段，这一时期沉积了巨厚的地层，为后续的油气生成和储存提供了丰富的物质基础。白垩纪中期，盆地发育达到高峰期，沉积作用广泛且强烈。早白垩世晚期，盆地强烈的断裂活动逐渐减弱，被平稳的沉降所取代，开始向坳陷转化。在区域性重力均衡调整作用下，湖盆不断萎缩，接受了以河流沼泽相为主的赛汉塔拉组类磨拉石沉积，填平补齐了早期凹凸不平的地形，使得盆地沉积逐渐趋于稳定。晚白垩世，盆地应力场转变为以挤压为主，东部和北部地区缓慢隆起并遭受剥蚀。晚白垩世末，晚燕山运动使本区进一步挤压隆起，同时伴随中基性火山喷发，盆地的构造格局发生了重大改变，结束了前期的沉积演化阶段。新生代时期，随着大兴安岭隆起的上升，盆地东部大部分地区未接受第三系沉积。而在古近纪，二连盆地的沉积作用和构造演化对研究区域地质历史具有关键意义。盆地内沉积了从晚古新世至早渐新世几乎连续的陆相沉积，这些沉积地层记录了丰富的地质信息，包括古气候、古环境以及生物演化等方面的信息。尤其是其中富含的大量哺乳动物化石，使二连盆地成为研究亚洲陆生哺乳动物演化的关键区域，亚洲始新世哺乳动物分期以及我国陆相始新世年代地层框架都主要以二连盆地相对应的岩石地层单位和哺乳动物群为基础，在我国乃至亚洲古近纪哺乳动物化石研究中占据着举足轻重的地位。2.2古近纪地层特征二连盆地古近纪地层主要由一套陆相碎屑沉积岩组成，自下而上依次发育脑木根组、阿山头组、伊尔丁曼哈组、沙拉木伦组和乌兰戈楚组等。这些地层组在岩石组成、沉积相类型及分布特征上存在明显差异，反映了不同的沉积环境和地质演化过程。脑木根组主要出露于二连盆地的北部和西部，在一些典型地区，如呼和勃尔和地区，该组地层出露较为完整。其岩性主要为棕红色泥岩、粉砂质泥岩夹灰白色砂岩，砂岩分选性较差，磨圆度以次棱角状为主，泥岩中常见水平层理和小型交错层理。这种岩石组合表明其形成于相对稳定、水体较浅的沉积环境，可能为河流-湖泊相沉积。从沉积相类型来看，下部以河流相沉积为主，发育河道砂体和泛滥平原泥岩；上部逐渐过渡为滨浅湖相沉积，泥岩增多，砂体变薄且分布范围缩小。通过对该组地层中化石的研究，发现了一些古新世特有的哺乳动物化石，如戈壁兽等，进一步证实其时代为晚古新世。阿山头组在盆地内分布相对较广，与下伏脑木根组多呈整合接触。在额尔登敖包剖面，阿山头组出露良好。其岩性主要为灰白色、灰绿色砂岩与棕红色泥岩互层，砂岩成分成熟度和结构成熟度较脑木根组有所提高，发育大型交错层理、平行层理等。沉积相类型主要为辫状河三角洲相和湖泊相，下部辫状河三角洲平原亚相发育，砂体宽厚，以分流河道砂为主；上部辫状河三角洲前缘亚相和湖泊亚相占主导，砂体粒度变细，泥岩含量增加。该组地层中富含丰富的始新世早期哺乳动物化石，如始镜猴等，确定其时代为早始新世。伊尔丁曼哈组是二连盆地古近系中重要的地层单元之一，广泛分布于盆地各处。以乌拉乌苏地区的伊尔丁曼哈组为例，其岩性主要为灰绿色、灰白色砂岩、砾岩与棕红色泥岩、粉砂岩组成的不等厚互层。砾岩中砾石成分复杂，分选性差，磨圆度中等-好，反映了近距离搬运的特点。砂岩中发育大型槽状交错层理、板状交错层理等，表明水动力条件较强。沉积相类型主要为扇三角洲相和湖泊相，扇三角洲平原亚相发育粗粒的砾岩和砂岩，扇三角洲前缘亚相以中细粒砂岩和粉砂岩为主，湖泊相则以泥岩沉积为主。该组地层含有丰富的中始新世哺乳动物化石，如两栖犀、巨犀等，时代为中始新世。沙拉木伦组在盆地内也有广泛出露，与下伏伊尔丁曼哈组呈整合接触。在巴彦敖包剖面，沙拉木伦组岩性主要为灰白色、灰黄色砂岩、粉砂岩与棕红色、灰绿色泥岩互层，局部夹薄层砾岩。砂岩分选性和磨圆度较好，发育水平层理、波状层理等。沉积相类型主要为曲流河相和湖泊相，曲流河相发育边滩、河漫滩等微相，砂体呈透镜状分布；湖泊相以浅湖亚相为主，泥岩中常见介形虫等化石。该组地层中含有中始新世晚期到晚始新世的哺乳动物化石，如雷兽、爪兽等，时代为中始新世晚期到晚始新世。乌兰戈楚组主要分布于盆地的中东部地区，与下伏沙拉木伦组整合接触。在扎木敖包剖面，其岩性主要为棕红色泥岩、粉砂质泥岩夹灰白色砂岩、粉砂岩，砂岩分选性和磨圆度中等，发育小型交错层理和水平层理。沉积相类型主要为泛滥平原相和滨浅湖相，泛滥平原相以泥岩沉积为主，夹少量粉砂岩；滨浅湖相砂体较薄，泥岩中含有较多的钙质结核。该组地层中含有晚始新世的哺乳动物化石，如铲齿象等，时代为晚始新世。综上所述，二连盆地古近纪地层从老到新，岩石组成和沉积相类型呈现出有规律的变化，反映了沉积环境从相对动荡的河流、扇三角洲环境逐渐向相对稳定的湖泊、泛滥平原环境转变的过程，同时也与古近纪时期区域构造运动和气候变化密切相关。这些地层特征为后续的磁性地层学研究以及生物地层与磁性地层的综合研究提供了重要的地质基础。三、磁性地层学研究方法3.1磁性地层学基本原理磁性地层学是古地磁学在地层学中的具体应用，其核心原理基于地球磁场的极性变化以及岩石对这些变化的记录。地球磁场如同一个巨大的磁偶极子，其磁力线从地球的磁南极出发，环绕地球后回到磁北极。在漫长的地质历史时期，地球磁场的极性并非一成不变，而是发生了多次倒转，即磁北极与磁南极的位置相互转换。这种极性倒转现象具有全球性和等时性的特征，也就是说，在同一时期，全球范围内的地球磁场极性是一致的，并且极性倒转事件在全球各地的地层中几乎是同时记录下来的。岩石能够记录地球磁场的极性变化，主要是因为岩石中含有磁性矿物，如磁铁矿、赤铁矿等。这些磁性矿物就像一个个微小的磁针，在岩石形成过程中，会受到当时地球磁场的作用而定向排列，从而使岩石获得剩余磁性。例如，对于火成岩来说，当岩浆在冷凝过程中温度降至居里点（一般磁铁矿的居里点为585℃）以下时，其中的磁性矿物会按照当时的地磁场方向被磁化，形成热剩磁，且这种热剩磁具有较高的稳定性，能够长期保存下来。对于沉积岩，在沉积过程中，磁性矿物颗粒会像微小磁针一样，顺着当时地磁场磁力线方向沉积下来，形成沉积剩磁。此外，还有一些岩石通过化学过程，如磁性物质的重结晶或氧化还原反应，在低于居里点稳定的条件下获得化学剩磁。这些原生剩磁记录了岩石形成时地球磁场的方向和强度信息。地磁极性年表（GPTS）是磁性地层学研究的关键成果和重要工具。它是通过对大量不同地区、不同地质时期岩石的古地磁测量，结合放射性同位素年代测定等方法，将地球磁场的极性变化按照时间顺序排列起来构建而成的。例如，通过对全球各地新生代地层中岩石的磁性测量和年代测定，确定了从第四纪前推到新近纪后期（最近450万年间）的地磁场倒转序列，划分出了4个主要的极性时，从年轻到古老依次为布容正向极性时、松山反向极性时、高斯正向极性时、吉尔伯特反向极性时。在每个极性时内，还存在一些持续时间较短、与该极性时相反极性的极性亚时，例如松山反向极性时中的奥都威正向极性事件和留尼昂正向极性事件等，它们通常以最早发现这种极性的岩石地点来命名。地磁极性年表为磁性地层学研究提供了一个统一的时间标尺，使得研究者能够将不同地区地层中的磁性记录与标准的地磁极性年表进行对比，从而确定地层的年代和层序关系。在实际研究中，通过系统采集地层中的岩石样品，利用高精度的超导磁力仪等仪器测定样品的剩余磁化强度的大小和方向，采用逐步热退磁或交变场退磁等技术手段，去除样品在后期地质过程中获得的次生磁性，分离出原生剩磁，获取准确的古地磁信号。然后，根据样品剩磁方向确定地层的极性序列，识别出正极性段和负极性段。将研究区域地层的极性序列与地磁极性年表进行细致对比，依据极性变化的特征和时间对应关系，便可确定各地层单元的地质年代，进而实现地层的划分和对比。例如，若在某一地层剖面中发现一段地层的极性序列与地磁极性年表中某一特定时间段的极性序列完全一致，那么就可以推断该段地层形成于对应的地质年代。3.2样品采集与处理为确保研究的全面性和准确性，在二连盆地古近系地层中精心挑选了多条具有代表性的剖面进行样品采集。这些剖面分布于盆地的不同区域，涵盖了脑木根组、阿山头组、伊尔丁曼哈组、沙拉木伦组和乌兰戈楚组等主要地层单元，且具有不同的沉积相，如河流相、湖泊相、三角洲相，以保证获取的数据能够反映整个盆地古近纪时期的磁性地层特征。例如，在呼和勃尔和地区选取了出露完整的脑木根组剖面，该地区交通相对便利，地层保存较为完好，受后期构造运动破坏较小，有利于系统采样。在额尔登敖包剖面，阿山头组出露良好，其沉积环境和岩性特征具有典型性，为研究该组地层的磁性特征提供了理想的采样点。沿着选定的剖面，按照一定的间距进行系统采样。对于沉积相对稳定、岩性变化较小的地层段，采样间距设置为1-2米；而在岩性变化较大、地层界面附近或可能存在重要地质信息的区域，适当加密采样间距至0.5-1米，以获取更详细的磁性地层记录。在采集过程中，使用专业的采样工具，如地质锤、岩芯钻机等，确保采集的样品具有足够的完整性和代表性。对于每个样品，详细记录其采样位置的地理坐标（使用GPS定位仪精确测量）、海拔高度、地层产状以及样品在剖面中的具体位置和层位信息等，同时对样品的岩性特征进行现场描述，包括岩石的颜色、结构、构造、矿物成分等，这些信息对于后续分析样品的磁性特征与沉积环境的关系至关重要。采集的样品运回实验室后，首先进行清洗，去除表面的泥土、杂质等，以保证实验结果不受外界因素干扰。随后，将样品切割成标准尺寸的小块，一般为边长2-3厘米的立方体，以便于在实验仪器中进行测量。对于部分易碎或难以切割的样品，采用特殊的固定和处理方法，确保样品在实验过程中的稳定性。接着对处理好的样品进行岩石磁学测试，运用磁滞回线测量技术，通过对样品在不同磁场强度下的磁化过程进行测量，获取磁滞回线，从而确定样品中磁性矿物的种类、含量、粒度等信息。例如，根据磁滞回线的形状和参数，可以判断样品中是否存在磁铁矿、赤铁矿等主要磁性矿物，以及它们的相对含量和粒度大小。利用热磁分析技术，将样品以一定的升温速率加热，测量其在加热过程中的磁性变化，确定磁性矿物的居里温度，进一步明确磁性矿物的种类和性质。例如，磁铁矿的居里温度约为585℃，通过热磁分析得到样品的居里温度，即可判断其中是否含有磁铁矿以及其含量变化情况。这些岩石磁学测试结果为后续的古地磁分析提供了重要的基础数据，帮助研究人员深入了解岩石中磁性矿物的性质，为准确解释古地磁信号奠定基础。3.3实验测试分析在实验室中，运用专业的仪器和科学的方法对处理后的样品进行了全面的实验测试分析，以获取准确的磁性地层学数据。磁化率测量是研究岩石磁性特征的基础步骤，它能够反映岩石对磁场的响应能力。本研究采用了英国Bartington公司生产的MS2B型磁化率仪，该仪器具有高精度和稳定性，能够快速准确地测量样品的体积磁化率。在测量过程中，将切割好的样品放入仪器的测量探头中，确保样品与探头紧密接触，以减少测量误差。通过对每个样品的磁化率测量，获取了沿地层剖面的磁化率变化曲线。例如，在呼和勃尔和地区脑木根组剖面的样品测量中，发现磁化率在某些层位呈现出明显的峰值或谷值，这些变化可能与沉积环境的变化、磁性矿物含量的改变或古气候的波动有关。通过对整个剖面磁化率数据的分析，初步了解了不同地层单元的磁性特征差异，为后续的研究提供了重要线索。剩磁强度和方向的测量是磁性地层学研究的关键环节，它们能够直接反映岩石形成时的地磁场信息。利用美国2G公司生产的755R型超导磁力仪进行测量，该仪器基于超导量子干涉原理，具有极高的灵敏度，能够精确测量样品微弱的剩磁信号。在测量之前，对样品进行了严格的消磁处理，以去除可能存在的外界磁场干扰。测量时，将样品放置在超导磁力仪的测量线圈中，通过逐步改变磁场强度和方向，对样品进行交变场退磁或热退磁处理。例如，采用交变场退磁时，从低场强开始，逐渐增加场强，每次退磁后测量样品的剩磁强度和方向，直到获得稳定的原生剩磁信号。通过这种方法，成功分离出了样品中的原生剩磁，确定了每个样品的剩磁方向和强度。将这些数据按照地层顺序进行整理，得到了详细的剩磁强度和方向随深度变化的曲线，为确定地层的极性序列提供了直接依据。在实验测试过程中，为了确保数据的准确性和可靠性，采取了一系列质量控制措施。对仪器进行了定期校准，使用标准样品对磁化率仪和超导磁力仪进行校准，确保仪器的测量精度在允许范围内。同时，对每个样品进行了多次测量，取平均值作为最终测量结果，以减小测量误差。在数据处理过程中，运用专业的数据处理软件，对测量数据进行筛选、统计和分析，去除异常数据，确保数据的真实性和有效性。这些实验测试分析结果为后续构建二连盆地古近系地层的极性序列以及与标准地磁极性年表的对比研究奠定了坚实的数据基础。四、二连盆地古近系磁性地层特征4.1磁性地层序列通过对二连盆地古近系地层多个代表性剖面系统采样并进行古地磁测量与分析，获得了详细的磁性地层数据，构建了该区域古近系的磁性地层序列。在这一序列中，清晰地展示出正极性段和负极性段的交替分布，这些极性变化蕴含着丰富的地质信息，记录了地球磁场在古近纪时期的演化历史，也为确定地层年代和进行地层对比提供了关键依据。以呼和勃尔和地区剖面为例，该剖面涵盖了脑木根组和阿山头组部分地层。在脑木根组底部，从剖面起始深度至约30米处，呈现出连续的负极性段，表明这一时期地球磁场处于反向极性状态。在30-50米深度区间，出现了一段正极性段，反映了地球磁场极性的反转。接着，从50-80米深度，又恢复为负极性段。这种极性的交替变化与地球磁场在古近纪时期的自然波动密切相关，每一次极性反转都代表着一个特定的地质时期，通过与标准地磁极性年表对比，能够精确确定这些地层的年代。在阿山头组地层，从80-120米深度，呈现出复杂的极性变化，包含多个正极性段和负极性段的交替，这进一步说明该组地层形成时期地球磁场经历了频繁的极性转变，也暗示了当时沉积环境的复杂性和动态变化。在额尔登敖包剖面，伊尔丁曼哈组地层的磁性地层特征也十分显著。从剖面120-180米深度，以正极性段为主，其中在140-150米深度处，出现了一个短暂的负极性亚段。这种极性分布特征与该组地层的沉积环境和地质演化密切相关，正极性段的主导可能反映了当时相对稳定的沉积环境和地球磁场条件，而短暂的负极性亚段则可能指示了局部的地质事件或地球磁场的短期扰动。通过对该剖面磁性地层序列的分析，结合岩石学和生物地层学研究，可以更深入地了解伊尔丁曼哈组地层的形成过程和地质历史。为了更直观地展示二连盆地古近系地层的磁性地层序列，绘制了磁性地层序列图（图1）。在图中，横坐标表示地层的极性，正极性用黑色填充表示，负极性用白色填充表示；纵坐标表示地层深度或厚度，从下至上代表地层从老到新的顺序。同时，在图中详细标注了各个地层组的界限，以及重要的地质事件和极性反转点对应的深度或时间。通过磁性地层序列图，可以一目了然地看到不同地层组中正极性段和负极性段的分布规律，以及它们之间的相互关系。例如，从图中可以清晰地看出脑木根组、阿山头组和伊尔丁曼哈组地层的极性序列差异，以及这些差异与地层年代和沉积环境的联系。这种直观的展示方式有助于研究人员更方便地进行地层对比和地质演化分析，为后续的研究提供了重要的可视化工具。[此处插入磁性地层序列图]图1：二连盆地古近系磁性地层序列图4.2与标准极性年表对比将二连盆地古近系地层的磁性地层序列与国际通用的标准极性年表进行对比，是确定地层年代的关键步骤。国际上广泛应用的标准极性年表，如由Lourens等人于2004年构建的地磁极性年表（GPTS2004），是基于全球范围内大量的古地磁数据和放射性同位素年代测定结果建立起来的，具有较高的准确性和权威性，为全球地层年代对比提供了统一的时间标尺。在对比过程中，采用了详细的对比方法。以二连盆地呼和勃尔和地区剖面为例，将该剖面获得的磁性地层序列，包括正极性段和负极性段的分布特征、极性转换的位置和顺序等，与标准极性年表中相应时间段的极性序列进行逐一比对。通过对比发现，脑木根组底部的连续负极性段与标准极性年表中C25r极性时相对应，其时间跨度约为60.9-58.7Ma，这表明脑木根组底部地层形成于这一时期，对应晚古新世早期。而脑木根组中30-50米深度处的正极性段，与标准极性年表中的C25n极性时相匹配，其年龄约为58.7-56.8Ma，进一步确定了该段地层的年代。对于阿山头组地层，其80-100米深度区间内的一段复杂极性变化序列，经过仔细对比，与标准极性年表中C24r-C24n极性时的交替变化特征一致，对应时间约为56.8-52.2Ma，属于早始新世时期。为了更清晰地展示对比结果，制作了二连盆地古近系磁性地层与标准极性年表对比图（图2）。在图中，将二连盆地各剖面的磁性地层序列与标准极性年表按照时间顺序进行排列，使用相同的比例尺，以便直观地观察两者之间的对应关系。图中用不同颜色或填充图案区分正极性段和负极性段，并在相应位置标注地层组名称、极性时名称以及对应的地质年代。例如，在对比图中，脑木根组的极性序列与标准极性年表中C25r-C25n-C24r等极性时的对应关系一目了然，阿山头组和伊尔丁曼哈组等地层组与标准极性年表的对应关系也清晰呈现。通过这种直观的对比图，不仅能够准确确定二连盆地古近系各地层组的地质年代，还能方便地发现不同地层组之间的时间间隔和演化关系，为进一步研究区域地质历史提供了重要的可视化工具。[此处插入二连盆地古近系磁性地层与标准极性年表对比图]图2：二连盆地古近系磁性地层与标准极性年表对比图通过与标准极性年表的详细对比，确定了二连盆地古近系各主要地层组的地质年代。脑木根组主要形成于晚古新世，其底部部分地层形成于晚古新世早期（对应C25r极性时），上部包含少量早始新世最早期的沉积（对应C24r极性时的最早期部分）。阿山头组跨越了早始新世至中始新世，其中下部地层形成于早始新世（对应C24r-C24n等极性时），上部地层进入中始新世（对应C23r-C22n等极性时的早期部分）。伊尔丁曼哈组的时代为中始新世，与标准极性年表中C22n-C21r等极性时相对应。这些精确的年代确定，解决了以往对二连盆地古近系地层年代认识的争议和不确定性，为后续的生物地层与磁性地层综合研究以及区域地质演化分析提供了坚实的年代学基础。4.3各岩组年代确定通过与标准极性年表的细致对比，精确确定了二连盆地古近系各岩组的年代范围，这对于深入理解该区域的地质演化历史以及生物演化与环境变迁的关系具有关键意义。脑木根组主要形成于晚古新世，其底部部分地层与标准极性年表中的C25r极性时相对应，年龄范围约为60.9-58.7Ma，属于晚古新世早期；上部地层包含少量早始新世最早期的沉积，与C24r极性时的最早期部分对应，年龄约在56.8Ma左右。脑木根组中含有丰富的晚古新世哺乳动物化石，如戈壁兽、Lambdopsalis、Prionessus及Palaeostylops等。含Lambdopsalis、Prionessus及Palaeostylops的化石层，通过磁性地层学研究确定其时代为晚古新世最早期，这与该组底部地层的年代范围相吻合，进一步验证了磁性地层学确定年代的准确性。此外，含有Gomphos的化石层，其年龄大致与古新世-始新世界线的年龄相当，约为56.8Ma，这也与脑木根组上部地层的年代特征相符，表明该化石层处于古新世向始新世过渡的关键时期。阿山头组跨越了早始新世至中始新世，持续时间较长。其下部地层与标准极性年表中C24r-C24n极性时相对应，时间跨度约为56.8-52.2Ma，属于早始新世；上部地层进入中始新世，与C23r-C22n等极性时的早期部分对应。在阿山头组地层中，发现了众多早始新世至中始新世的哺乳动物化石，如始镜猴、阿山头豕齿兽等。新发现的阿山头豕齿兽化石，通过与北美不同哺乳动物分期豕齿兽的对比研究，认为其特征介于北美华沙溪期（Wasatchian）和尤因他期（Uintan）豕齿兽的特征之间，可与距今约5200-4700万年的勃里吉期（Bridgerian）豕齿兽的演化阶段相对比，这与阿山头组中上部地层的年代范围相契合。进一步结合阿山头组上部地层所产的其他哺乳动物化石以及与北美相关类群的对比，研究认为阿山头组中部可以和北美勃里吉晚期对比，上部可能包含了相当于北美勃里吉期/尤因他期界线的层位，这为阿山头组地层的精细年代划分和生物演化研究提供了重要依据。伊尔丁曼哈组的时代为中始新世，与标准极性年表中C22n-C21r等极性时相对应，年龄范围约为47.8-41.3Ma。该组地层含有丰富的中始新世哺乳动物化石，如两栖犀、巨犀等，这些化石的存在进一步证实了伊尔丁曼哈组的中始新世时代属性。两栖犀和巨犀等哺乳动物在中始新世时期具有独特的演化特征和生态习性，它们在伊尔丁曼哈组地层中的出现，反映了当时的生态环境和生物演化阶段，与磁性地层学确定的年代相互印证，共同揭示了该时期的地质和生物演化历史。通过磁性地层学研究确定的各岩组年代，为二连盆地古近纪地层的划分和对比提供了高精度的时间标尺，使得不同岩组之间的地质演化关系更加清晰明确。同时，结合各岩组中丰富的哺乳动物化石信息，能够深入探讨生物演化与地质环境变化之间的内在联系，为重建该区域古近纪时期的生物演化和环境变迁历史奠定了坚实基础。五、磁性地层学研究的地质意义5.1区域地层对比磁性地层学研究成果为二连盆地内部及与其他地区古近系地层的对比提供了重要依据，极大地推动了区域地层学研究的发展，使我们能够更准确地理解区域地质演化的统一性和差异性。在二连盆地内部，通过对不同剖面古近系磁性地层序列的分析，发现虽然各剖面的沉积环境和岩性存在一定差异，但磁性地层序列具有明显的可对比性。以呼和勃尔和地区剖面与额尔登敖包剖面为例，两者相距一定距离，沉积相类型也有所不同，呼和勃尔和地区剖面脑木根组以河流-湖泊相沉积为主，而额尔登敖包剖面阿山头组以辫状河三角洲相和湖泊相沉积为主。然而，通过磁性地层学研究发现，两个剖面中相同地层组的磁性地层序列特征相似，极性段的分布和转换位置具有一致性。如脑木根组在两个剖面中都呈现出底部负极性段、中部正极性段和上部负极性段的特征，且与标准极性年表对比后确定的年代范围也基本相同。这表明，尽管两个剖面的沉积环境存在差异，但它们在同一地质时期经历了相同的地球磁场变化，从而建立了可靠的地层对比关系。这种基于磁性地层学的对比方法，克服了传统岩石地层学和生物地层学方法在盆地内部对比时因沉积环境变化和化石分布不均带来的局限性，为构建二连盆地统一的地层格架提供了关键支撑。将二连盆地古近系磁性地层学研究成果与中国其他地区的古近系地层进行对比，发现二连盆地与相邻的准噶尔盆地、柴达木盆地等在古近纪时期的地层演化存在一定的相关性。准噶尔盆地古近系磁性地层研究表明，其部分地层的极性序列与二连盆地同期地层具有相似性。例如，准噶尔盆地古近系中某一地层段的正极性段和负极性段的分布特征与二连盆地阿山头组中相应时期的极性序列相似，通过与标准极性年表对比，确定它们形成于相近的地质年代。这一对比结果暗示，在古近纪时期，这些盆地可能受到共同的区域构造运动和古气候变化的影响，处于相似的大地构造背景之下。这种跨区域的地层对比，有助于揭示中国北方地区古近纪时期的地质演化规律，为研究区域构造运动和古环境变迁提供了更广阔的视角。在国际对比方面，二连盆地古近系磁性地层学研究成果也具有重要意义。与北美、欧洲等地区的古近系地层对比发现，虽然不同大陆之间存在地理隔离，但在某些关键地质时期，全球范围内的地层演化具有一定的同步性。例如，在古新世-始新世极热事件（PETM）时期，二连盆地古近系地层中记录的磁性地层变化与北美、欧洲同期地层中的变化具有相似之处。通过磁性地层学研究确定，二连盆地在该时期也经历了明显的极性变化，与全球其他地区在PETM时期的地球磁场响应一致。这一对比结果为全球范围内的地层对比和地质事件研究提供了有力证据，表明在古近纪时期，地球磁场的变化和重大地质事件具有全球性影响，有助于在全球尺度上探讨地质演化和生物演化的规律。5.2生物演化与环境变迁磁性地层学研究为揭示二连盆地古近纪生物演化和环境变迁提供了关键线索，通过建立高精度的年代框架，能够将生物演化事件和环境变化置于准确的时间序列中，深入探讨它们之间的内在联系。在生物演化方面，二连盆地古近系中丰富的哺乳动物化石为研究生物演化提供了直接证据，而磁性地层学确定的年代框架则为这些研究提供了精确的时间标尺。以古新世-始新世过渡时期为例，这一时期在全球范围内发生了重大的生物演化事件，二连盆地也不例外。磁性地层学研究表明，脑木根组上部地层处于古新世-始新世界线附近，该区域发现的哺乳动物化石显示出明显的演化特征。例如，一些古老的哺乳动物类群逐渐减少，而新的类群开始出现和繁盛。在脑木根组上部发现的Gomphos化石，其年代与古新世-始新世界线的年龄相当，这一化石的出现标志着生物演化进入了一个新的阶段。通过与标准极性年表对比确定的年代，能够将Gomphos化石的出现时间与全球其他地区的生物演化事件进行对比，发现这一时期全球哺乳动物都经历了快速的演化和更替，可能与当时全球气候的变化密切相关。进入始新世，阿山头组和伊尔丁曼哈组地层中的哺乳动物化石进一步展示了生物演化的动态过程。随着时间的推移，哺乳动物的种类和形态发生了显著变化。在阿山头组中，早期的哺乳动物化石如始镜猴等具有一些原始的特征，而随着地层向上，晚期的哺乳动物化石逐渐出现了更高级的特征，反映了生物逐渐进化的趋势。伊尔丁曼哈组中两栖犀、巨犀等大型哺乳动物的出现，表明生物在演化过程中体型逐渐增大，生态位也发生了相应的变化。磁性地层学确定的年代框架使得这些生物演化阶段能够准确地对应到地质历史时期，研究发现，这些生物演化事件与地球磁场的变化以及全球气候的波动存在一定的相关性。例如，在某些地球磁场极性转换时期，往往伴随着生物演化的加速或物种的更替，这可能是因为磁场变化与地球环境的改变密切相关，进而影响了生物的生存和演化。在环境变迁方面，磁性地层学研究结合沉积学、地球化学等多学科方法，为重建二连盆地古近纪的古环境提供了有力支持。从沉积学角度来看，不同地层的沉积相类型和特征反映了当时的沉积环境。例如，脑木根组底部以河流相沉积为主，表明当时的环境可能较为动荡，水体能量较高；而上部逐渐过渡为滨浅湖相沉积，说明环境逐渐变得相对稳定，水体变浅。磁性地层学确定的年代框架能够将这些沉积相的变化精确地对应到地质时间上，研究发现，沉积相的转变与地球磁场的极性变化存在一定的关联。在地球磁场极性转换时期，往往伴随着沉积环境的改变，这可能是由于地球磁场的变化影响了地球的气候系统和大气环流，进而导致沉积环境的变化。地球化学指标也为古环境研究提供了重要信息。通过对地层中微量元素、稳定同位素等地球化学指标的分析，可以了解古近纪时期的古气候、古水体性质等环境特征。例如，对二连盆地古近系地层中碳、氧同位素的分析表明，在古新世-始新世极热事件（PETM）时期，碳同位素出现了明显的负偏，这与全球其他地区在该时期的碳同位素变化特征一致，表明当时全球气候发生了显著变化，可能是由于大量温室气体的释放导致全球气温升高。磁性地层学研究确定了PETM时期在二连盆地地层中的精确位置，使得能够将地球化学指标的变化与生物演化和沉积环境的变化相结合，全面探讨这一时期的环境变迁。研究发现，在PETM时期，二连盆地的生物演化受到了显著影响，一些适应温暖环境的生物类群繁盛，而一些无法适应的类群则逐渐灭绝；同时，沉积环境也发生了改变，湖泊面积扩大，沉积速率加快。这些变化表明，古近纪时期二连盆地的环境变迁与全球气候变化密切相关，而磁性地层学研究为揭示这种关联提供了关键的时间线索和研究基础。5.3古新世-始新世界线及相关事件探讨古新世-始新世界线在地球历史中是一个重要的地质界限，它标志着古近纪时期两个重要阶段的转换，在全球范围内都产生了深远影响，而二连盆地的磁性地层学研究为探讨这一界限提供了独特视角。通过对二连盆地古近系磁性地层序列的精确分析，结合地层中丰富的生物化石信息，对古新世-始新世界线在该区域的位置进行了深入研究。研究发现，在脑木根组上部地层存在明显的磁性地层变化特征，与全球古新世-始新世界线时期的地球磁场变化趋势相契合。同时，该地层中出现的Gomphos化石，其年代大致与古新世-始新世界线的年龄相当，进一步证实了这一位置的重要性。这表明脑木根组上部地层处于古新世向始新世过渡的关键时期，为确定古新世-始新世界线在二连盆地的位置提供了重要依据。古新世-始新世极热事件（PETM）是地球历史上一次显著的全球快速升温事件，对全球生态系统和地质环境产生了深刻影响，二连盆地在这一事件中也留下了明显的地质记录。在PETM时期，全球平均气温在短时间内急剧上升了5-8℃，这一变化导致了大气和海洋环流模式的改变，进而影响了全球的沉积环境和生物演化。在二连盆地，通过对地层中沉积相、地球化学指标以及生物化石的综合分析，揭示了该事件对区域的影响。从沉积相来看，PETM时期二连盆地的湖泊面积扩大，沉积速率加快，反映了当时气候变暖和降水增加的环境变化。地球化学指标方面，地层中碳同位素出现明显的负偏，与全球其他地区在PETM时期的碳同位素变化特征一致，表明大量温室气体的释放导致全球气候发生显著变化。在生物演化方面，该事件对二连盆地的哺乳动物演替产生了重要影响。随着气候的变暖，一些适应温暖环境的哺乳动物类群逐渐繁盛，而一些无法适应的类群则面临灭绝的压力。例如，在PETM时期，二连盆地出现了一些新的哺乳动物物种，它们具有更适应温暖气候的特征，如体型较小、散热能力较强等，这与全球范围内哺乳动物在该时期的演化趋势相符。哺乳动物在古新世-始新世时期的演替是生物演化研究的重要内容，二连盆地丰富的哺乳动物化石和精确的磁性地层学年代框架为深入研究这一过程提供了得天独厚的条件。在古新世，二连盆地的哺乳动物群主要由一些古老的类群组成，如戈壁兽、Lambdopsalis等。随着古新世-始新世界线的到来以及PETM事件的发生，哺乳动物群发生了明显的更替。新的哺乳动物类群开始出现，如始镜猴等，它们代表了哺乳动物演化的新方向。这些新类群具有更高级的形态和生理特征，能够更好地适应变化的环境。例如，始镜猴具有更发达的视觉和听觉器官，这有助于它们在新的生态环境中觅食和躲避天敌。磁性地层学研究确定的年代框架使得我们能够准确地将这些哺乳动物演化事件对应到地质历史时期，研究发现，哺乳动物的演替与地球磁场变化、全球气候波动以及沉积环境改变存在密切的耦合关系。在地球磁场极性转换时期，往往伴随着气候的变化和沉积环境的改变，这些因素共同作用，影响了哺乳动物的生存和演化，导致了哺乳动物群的更替和演化。六、结论与展望6.1研究成果总结通过对二连盆地古近系地层开展系统的磁性地层学研究，本研究取得了一系列具有重要科学价值的成果。在建立高精度年代框架方面，成功构建了二连盆地古近系的磁性地层序列，明确了正