甘肃灵台黄土剖面记录地球磁场长期变化的可靠性探析

朱日祥　郭斌　潘永信　刘青松　A. Zeman　V. Suchy

摘要 对甘肃灵台黄土/古土壤序列黄土层L1以及古土壤层S0和S1进行的较为详细的古地磁和岩石磁学研究表明：该剖面黄土剩余磁性在锁定过程中受到的平滑作用不大, 因此能够记录百年尺度的地球磁场长期变化; 而古土壤剩余磁性则受到强烈的平滑作用, 不能记录百年尺度的地球磁场长期变化. 在此基础上, 对黄土层L1记录的地球磁场长期变化特征进行了分析, 进一步证实了Mono Lake和Laschamp漂移是两个独立的事件.
关键词 地球磁场长期变化 VGP散角 黄土 地磁漂移

　　现代地磁学、地震层析成像及矿物物理学综合研究表明, 地球磁场主要起源于液态外核流体运动, 其演化过程与核幔边界(CMB)的物理和化学变化过程密切相关^{[1, 2]}. 因此, 研究地球磁场时空变化有助于认识地球深部, 尤其是外核及CMB的物理过程. 地球磁场长期变化(SV)的时间尺度从毫秒到百万年. 一般来说, 变化周期大于几十年的SV起源于地球内部, 更小尺度的SV与外部成因相关. 对于一些具有特定周期(11或者22.5 a)的SV则与太阳活动有关. 现今地球磁场方向除了具有周期性扰动特征外, 还经常在相对较短的时间内出现地磁漂移, 此时虚地磁极(VGP)的位置比平均VGP位置偏离45° 以上. 地磁观测表明, 在近几百年中地球磁场偶极子分量的强度以每百年5%的速率衰减^[3]. 古地磁学研究揭示, 在地磁极性倒转或漂移过程中伴随地球磁场强度降低^[4], 地磁漂移和极性倒转在本质上是一致的.
　　稳定连续的湖相、海相及黄土沉积序列是记录地球磁场古长期变化的良好介质. 目前对海相和湖相沉积物剩磁机理研究得比较深入^[5～8] , 但对中国黄土/古土壤序列剩磁机理的认识还不足. 中国黄土/古土壤序列的沉积速率、土壤化作用及其他后期改造是影响其记录地磁信息可靠性的最主要因素. 如何用相关参数来衡量黄土/古土壤记录地磁信息可靠性, 并探讨其剩磁获得机理, 就成为确认地球磁场真实信号的关键. 如果假定黄土和湖相(海相)沉积物获得剩磁的机理一致, 那么可以推断黄土磁性颗粒的磁矩固定到一半时所用的时间(T_1/2)最多与湖相或海相沉积物的T_1/2相当. 实际上, 黄土/古土壤的沉积环境与湖相和海相沉积环境有着较大的差别, 这就决定了黄土/古土壤序列剩磁应该具有自身的特点.
　　本文通过分析甘肃灵台剖面(35.2° N, 107.7° E)土壤化程度、剩磁特征、VGP散角(S)、沉积速率和磁组构之间的关系, 研究黄土/古土壤序列剩磁机理及记录地球磁场长期变化的可靠性. 在此基础上探讨Mono Lake和Laschamp地磁漂移的特征及其相关的地球内部物理过程.

1 地质背景与采样

　　灵台黄土剖面位于甘肃省灵台县. 该剖面黄土/古土壤序列出露完整, 厚度约为175 m, 其下的红粘土厚约130 m, 红粘土不整合覆于略为倾斜的中生代砂岩之上. 该剖面位于黄土高原西南部地区, 成壤作用相对较弱, 沉积速率稳定, 是研究地球磁场长期变化的好材料. 根据深海氧同位素时间标尺和黄土粒度轨道调谐时间标尺^[9], S1以上的黄土/古土壤沉积物是在130 ka以来沉积的, 为了确定地球磁场长期变化特征, 我们从S0顶部开始至S1底部共10 m的厚度范围内连续采集30 cm厚的大块定向古地磁标本, 在室内先加工成截面积为2 cm×2 cm, 垂直厚度为30 cm的定向岩芯4套, 然后再加工成2 cm×2 cm×2 cm的定向样品, 用于岩石磁学研究和特征剩磁分析.

2 灵台黄土-古土壤序列古地磁结果

2.1 灵台黄土-古土壤序列岩石磁学性质
　　对古地磁样品所含磁性矿物种类、含量和粒度的分析是获得可靠数据的重要基础. 我们选择了热磁分析、三轴饱和磁化、饱和等温剩磁、低场磁化率随温度的变化等实验对灵台剖面黄土/古土壤序列的磁学性质进行了研究. 热磁分析是用法国科研中心古地磁实验室水平安装的居里秤完成的; 为了消除氧化作用的影响, 整个实验是在氮气环境下进行的. 实验结果表明该剖面黄土层L1、古土壤层S0和S1都具有如下两个特点：(1) 加热曲线的斜率在300～450℃之间显示了不可逆变化, 这可能意味着加热过程引起磁赤铁矿向赤铁矿转化; (2) 主要磁性矿物的居里温度为580℃, 居里温度高于580℃的磁性矿物对剩磁的贡献较小(图1(a)). 低场磁化率随温度的变化可判别加热是否引起磁性矿物发生变化, 我们利用KLY-3s型卡帕桥测量了灵台黄土/古土壤的磁化率随温度的变化特征. 结果表明, 加热温度(氩气环境)低于400℃时, 磁化率基本保持不变; 当加热温度高于400℃时, 磁化率明显降低. 这进一步说明加热温度高于400° C时可能会引起磁赤铁矿向赤铁矿转化, 并使磁化率显著下降(图1(b)). 在最大强度为2.7 T的连续可变强磁场获得的饱和等温剩磁(SIRM)曲线和剩磁矫顽力(Hrc)表明, 黄土和古土壤在磁场强度为300 mT状态下获得的等温剩磁(IRM)已达到SIRM的90%; 黄土层L1的Hrc约为50 mT, 而古土壤S0和S1的Hrc约为30 mT(图1(c)), 说明黄土的高矫顽力矿物相对含量可能要高于古土壤. 上述岩石磁学性质与洛川、西峰和渭南等黄土剖面的结果基本一致^[10].

图1 灵台黄土剖面黄土层L1 和古土壤层S1 的磁学性质
(a) 热磁分析J0 和J 分别为室温和不同温度下的磁化强度; (b) 磁化率(SUS)温度谱, (a)和(b)中粗线和细线分
别表示加热和冷却曲线;(c) 等温剩磁获得曲线和剩磁矫顽力,实圈和空圈分别表示古土壤S1 和黄土层L1

　　为确定热磁分析揭示出的在300～450° C之间何种磁性矿物发生变化, 我们进行了二次加热的三轴饱和磁化实验, 即先对样品进行三轴饱和磁化实验, 待样品加热到700° C之后, 再进行第2次三轴饱和磁化实验^[11]. 结果表明, 第1次加热中具中等磁化(0.05～0.5 T)分量的热退磁曲线斜率在300～450° C发生了变化, 但二次加热后具中等磁化分量的热退磁曲线斜率在300～450° C之间的变化消失, 这进一步表明加热过程引起磁赤铁矿向赤铁矿转化的可能性.
2.2 古地磁结果
　　古地磁实验在中国科学院地球物理研究所古地磁实验室进行, 该实验室的热退磁仪为英国Magnetic Measurement公司生产的MMTD600型全自动热退磁仪, 剩磁测量是用美国2G公司生产的超导岩石磁力仪完成的, 全部实验在零磁空间中进行. 天然剩磁方向与现代地球磁场方向基本一致, 对所有样品进行的逐步热退磁(热退磁温度从室温至585℃共17步, 退磁间隔在10℃～50℃之间)表明, 在300～520℃之间可分离出稳定的单一剩磁组分, 并在退磁投影图上趋于原点, 基本代表了黄土沉积时的原生剩磁方向. 当加热温度高于550℃以后, 大多数样品的剩磁方向缺乏一致性, 这主要是加热引起磁性矿物变化所致. 为检验实验结果的可靠性, 我们对同一个采样面的3块平行样品进行了逐步热退磁热实验, 利用主向量分析确定了特征剩磁, 3块平行样品的实验结果一致性很好, 这说明所得古地磁记录应该是可信的. 由Fisher 统计得出特征剩磁随深度的变化曲线(图2).

图2 平均剩磁方向和磁化率随深度变化曲线

　　黄土和古土壤样品的AMS测量显示, 磁面理(F)基本与水平面一致, 此剖面上各向异性度、形态因子和AMS椭球的其他参数变化不大. 随深度的增加, F值增大, 系压实作用所致. 这表明灵台剖面黄土/古土壤序列的磁组构保持了原生沉积组构特征, 所记录的剩磁没有遭受到明显的后期扰动.
　　古地磁结果表明, 灵台剖面黄土层L1记录了两次地磁漂移事件, 分别对应于5.52～4.80 m 和3.64～3.50 m的深度. 除去VGP纬度低于50°的实验数据, 由该剖面古地磁结果得出的地球磁场平均方向近于采样点对应的轴向地心偶极子方向, 表明特征剩磁没有受到倾角变浅的影响.
2.3 年龄测定与深度-时间转换
　　为了确定中国黄土的沉积年代, Kukla等人^[12]建立了磁化率时间标尺, Ding等人^[9]利用粒度分析数据建立了轨道调谐时间标尺, 两种方法均给出了每一层黄土或古土壤的大致年龄. 中国黄土/古土壤层S1与深海氧同位素阶5相对应, 热释光年代学给出S1的顶底对应的年龄分别为73和130 ka^[13～15]; ¹⁴C年代学给出S0底部对应的年龄为10.2 ka^[15]. 依据磁化率测定结果(图2), 灵台剖面S0底部对应的深度为1.52 m, S1顶底对应的深度分别为7.0和10.0 m, 即该剖面深度1.52, 7.0和10.0 m对应的沉积年代分别为10.2, 73 和130 ka. 为了确定记录在黄土层L1两次地磁漂移事件发生的年代, 还利用热释光测年法获得5.52和4.8 m对应的年龄分别为47.5 和38.1 ka; 由¹⁴C测年法获得3.50 m对应的年龄为26.5 ka. 将这6个年龄数据作为控制点, 利用磁化率数值大小与成土强弱呈负相关^[16], 可由Sumpsons积分确定深度与年代之间的非线性对应关系^[10]. 在本项研究中, 据此得出对应于5.52～4.80 m 和3.64～3.50 m深度的两次地磁漂移事件的年龄分别为47.5～38.1和27.1～26 ka.

3 讨论和结论

3.1 VGP散角S及其物理含义
　　地球磁场的演化有着自身的规律性. 定义VGP散角S为,

其中Δ_i是第i个S值与平均S值之间的差.
　　火山岩能够准确记录喷发时的地球磁场信息. 基于对5 Ma以来火山岩记录的地球磁场S进行的统计分析表明^[17], S可以表示为S = (A^2lλ²+B²)^1/2, 其中A和B分别对应地球磁场偶极子族和四极子族对S的贡献. 应用最小二乘法对过去5 Ma S随纬度的变化曲线进行拟合, 在置信区间为95%的情况下得到A = 0.23 ± 0.02, B = 12.8° ± 0.4° . 因此S的置信范围在两条曲线S_min= (0.21^2lλ²+12.4²)^1/2和S_max = (0.25^2lλ²+13.2²)^1/2之间.
　　某一纬度的真实S并不会与理论计算值完全一致, 可能存在着某些偏差. 这是由于McFadden等人^[17]建立模型时, 没有考虑南北两半球地球磁场的不对称性. 事实上, 南北两半球的地球磁场存在着不对称性, 北半球S比南半球的S要高. 因此, 中国黄土/古土壤序列记录的S应该比理论值高. 此外, 中国黄土高原处于非偶极子场比较活跃的地区, 局部非偶极子的影响也会使S增大. 因此对于几十万年以来的中国黄土/古土壤序列记录的S, 应该不低于这一地区S的理论区间值.
3.2 灵台黄土剖面记录地球磁场可靠性分析
3.2.1 灵台剖面古环境与沉积剩磁特征分析 获得可靠古地磁记录的一个重要因素取决于能否从次生作用下分离出原始的磁信号^[18], 对沉积剩磁机理的认识也是获得可靠古地磁记录的一个重要前提. 已有的研究表明, 中国黄土/古土壤层磁性矿物含量的增加是土壤化作用造成的, 与粘滞剩磁获得能力有直接的关系^[16]. 目前对黄土/古土壤序列的剩磁机理还缺乏清楚的认识. 人们普遍认为中国黄土记录地球磁场信息的主要剩磁为碎屑剩磁和化学剩磁^[19]. 在土壤化发育的古土壤层或温暖、潮湿环境下沉积的黄土层中, 铁的分离可能导致化学剩磁成分的增加^[20]. 在黄土高原南部地区处于相对温暖、湿润的环境, 使得化学剩磁作用增强; 而在甘肃西峰剖面没有发现含铁硅酸盐的分解^[21]. 灵台与西峰剖面的古环境相近, 可以认为黄土层L1沉积时铁的分离作用较弱, 即化学剩磁作用较弱, 因此可以认为其剩磁以碎屑剩磁为主.
3.2.2 黄土/古土壤记录的地球磁场S的特征 迄今为止, 人们对中国黄土是否能够记录地球磁场古长期变化存在着一定的争议, 争议的焦点是沉积物锁定剩磁的深度及这一过程中平滑作用的程度. 根据McFadden等人^[17]的分析结果, 如果采样点的纬度为35.2° , 所记录地球磁场长期变化的S落在(14.4° , 15.9° )时, 在95%置信度下, 所得古地磁数据可能反映该地区地球磁场古长期变化; 反之, 这些结果则可能受到了平滑作用或后期改造等的影响. 灵台剖面黄土层L1中243个采样面古地磁结果对应的S (16.5° )略大于理论计算得出的95%置信区间的上界, 考虑到南北两半球不对称性和区域性非偶极子场差异的影响, 可以认为该剖面L1的记录地球磁场长期变化是真实的. 由古土壤层S0和S1获得的古地磁数据的S远低于理论计算得出的95%置信区间的下界, 这主要是由于古土壤层S0和S1受到较强的平滑作用, 使其记录地球磁场的分辨率低于时间尺度为百年的长期变化(表1). 根据这一结果, 可以初步认为灵台剖面黄土层L1的剩余磁性受平滑作用的影响较小, 不仅具有记录时间尺度为百年量级地球磁场古长期变化的能力, 而且有可能记录地磁漂移事件.

　　对渭南剖面黄土层(L1和L13)以及古土壤层(S0, S1, S11和S12)进行的古地磁研究表明, 黄土层L1和L13 可记录地球磁场长期变化, 而古土壤层S0, S1, S11和S12则不能记录地球磁场长期变化^[22]. 基于灵台和渭南两个剖面的古地磁研究结果不难看出, 尽管六盘山以东中国黄土/古土壤序列的剩余磁性适合于磁性地层学研究, 并为建立2.6 Ma以来中国黄土沉积物的时间序列提供了重要的基础资料, 但六盘山以东黄土高原中南部的古土壤层不具有记录地球磁场长期变化的能力, 而黄土层则具有记录地球磁场长期变化的可能性. 那么, 六盘山以西和黄土高原北部黄土/古土壤序列的剩磁是否具有记录地球磁场长期变化的能力？最近, 对靖边剖面进行的古地磁学研究表明, 该剖面黄土层L10和古土壤层S10都具有记录地球磁场古长期变化的可能性. 根据现今靖边地区与六盘山以西黄土沉积区气候条件的相似性, 我们认为黄土高原北部和六盘山以西的古土壤层具有记录地球磁场长期变化的能力. 值得注意的是, 上述结论并不是对由黄土/古土壤序列得出的磁性地层结果的否定, 而只是论证了黄土层可记录百年尺度地球磁场的长期变化, 古土壤层则不具有这种能力.
3.3 地磁漂移事件
　　Laschamp漂移(LE)是目前研究最多的地磁漂移, 最早记录发现于法国Laschamp和Olby熔岩流^[23]. 研究表明, LE漂移期间地球磁场强度很低. 其发生的年龄为(44.6 ± 14)ka^[24]. 另外一个研究较为深入的是Mono Lake漂移(MLE)^[25], 其发生时间为28 ka, 持续时间约为2 ka^{[25, 26]}. 由于这两个事件分别在欧洲和北美独立地被研究, 加上其记录时间的误差, 以及非偶极子的西向漂移的影响, 一直对这两个事件的独立性存有疑问. 如果能在同一剖面上发现这两个事件, 那么这两个事件的独立性问题也就迎刃而解^[27].
　　灵台剖面在深度为5.52～4.80和3.64～3.50 m记录的地磁漂移对应的年龄分别为47.5～ 38.1和27.1～26 ka, 这与目前普遍认为的LE和MLE发生的年龄一致. 由此可见LE和MLE是独立的两个漂移, 并可能具有全球性特征.

国家杰出青年科学基金资助项目(批准号: 49454005 )和中捷合作项目
朱日祥(中国科学院地质与地球物理研究所, 北京 100101)
郭斌(中国科学院地质与地球物理研究所, 北京 100101)
潘永信(中国科学院地质与地球物理研究所, 北京 100101)
刘青松(中国科学院地质与地球物理研究所, 北京 100101)
A. Zeman(Geological Institute, ASCR, Pragure, Czech Republic)
V. Suchy(Geological Institute, ASCR, Pragure, Czech Republic)

参 考 文 献

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