MAGNETIC SUSCEPTIBILITY AS INDICATORS OF SEDIMENTARY ENVIRONMENT DURING UPPER JURASSIC AND LOWER CRETACEOUS IN JIANMENGUAN, SICHUAN PROVINCE
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摘要: 通过对四川剑门关地区上侏罗统—下白垩统磁化率的研究, 发现磁化率的大小与沉积物颗粒的粗细有着紧密的关系.中粗粒砂岩的磁化率通常偏小, 而细砂岩、粉砂岩及泥岩的磁化率明显增大.由于沉积物颗粒的粗细在一定程度上反映了不同的沉积速率, 因此, 磁化率大小的变化可作为沉积速率变化的定量指标.而沉积速率的变化与沉积环境及沉积相之间有一定的联系, 所以, 可认为磁化率的大小可作为沉积相及沉积环境分析的一种参考.另外, 通过剑门关地区上侏罗统—下白垩统的磁化率各向异性研究发现, 本区磁化率最大主轴方向可分为北东—南西向及北西—南东两组.北西—南东方向的磁化率主轴与当时的古水流方向一致, 而北东—南西方向的磁化率主轴则可能与后期的构造挤压有关Abstract: It is found that the values of magnetic susceptibility have apparent relations with the size of sedimentary particles based on the study of magnetic susceptibility of Upper Jurassic and Lower Cretaceous in Jianmenguan, Sichuan Province. Sediments with medium or coarse grained particles usually have low values of magnetic susceptibility, while the fine grained sandstone, silt and mudstone often appear to have much higher values. As sedimentary rate has something to do with the size of sedimentary particles, this susceptibility can be used as a quantitative indicator for the variation of sedimentary rate. What's more, the sedimentary rate usually varies in different environments, so the magnetic susceptibility can also be used as reference of sedimentary facies. The study of magnetic susceptibility anisotropy in Jurassic and Cretaceous shows that there exit two maximal axis directions of magnetic susceptibility in the study area of Jianmenguan. The southeastward maximal axis direction corresponds to the direction of paleocurrent in the area. However, the southwestward maximal axis direction is probably caused by tectonism.
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Key words:
- magnetic susceptibility /
- Upper Jurassic /
- Lower Cretaceous /
- Sichuan Province
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磁化率是一个表征物质磁性的物理量, 但由于岩石中铁磁性矿物颗粒常呈现空间分布上的方向性, 致使岩石的磁化率又常以张量形式来表达.目前, 西北黄土磁化率数值的高低变化所反映的古气候波动意义已为学术界所广泛认同, 而岩石磁化率各向异性与成岩时及成岩后环境的相关性也逐渐为人们所重视[1~7].笔者选择四川盆地晚侏罗世—早白垩世地层剖面进行了磁化率及磁化率各向异性研究, 旨在寻求四川盆地在该时间区段的磁化率大小变化与沉积物性质的关系以及磁化率各向异性对古水流和古构造应力方向的指示.
1. 样品的采集与测试
研究区位于四川省剑阁县剑门关, 所研究地层的时代为晚侏罗世—早白垩世, 地层自下而上为晚侏罗世的遂宁组、莲花口组及早白垩世的剑门关组(下部), 剖面总长约10 km, 厚度2 800 m左右.遂宁组下部主体为一套鲜红色的泥岩、粉砂岩夹少量中细粒砂岩, 上部则由厚层状中细粒砂岩、中粗粒砂岩与砖红色粉砂岩及泥岩互层组成.莲花口组的岩性组合特征与剑门关组类似, 下部为一套巨厚的冲积扇相砾岩, 向上则由中粗粒砂岩与泥岩、粉砂岩所构成的沉积旋回组成.
本文在上述剖面上利用钻头内径为2 cm的便携式手提钻机定向采样, 采样间隔50 cm左右, 共采集样品749个.从岩性上看, 样品中绝大部分为中细及中粗粒砂岩, 部分为粉砂岩.室内经加工制样后成为直径和高均为2 cm的测试样品.
样品测试时, 仅选择单号样品372个作为测试样品, 进行了磁化率及磁化率各向异性测试.测试仪器为指标质量已达到或超过国际同类仪器的HKB-1型磁化率仪, 该仪器灵敏度可达5×10-8, 精度优于10-7, 11档量程, 15方位重复测量.
2. 数据处理
笔者使用QBASIC语言程序对数据进行了处理, 处理结果如下. (1) 372个样品的平均磁化率数据(κ) 如表 1及图 1所示.图 1绘制了对应样品长石石英的粒度及磁化率曲线, 样品的粒级划分为5个级别: 粉砂(< 0.05 mm)、细砂(0.050.25 mm)、中砂(0.250.5 mm)、粗砂(0.51 mm)、砾(> 1 mm).2) 372个样品的磁化率各向异性数据在经各向异性以及坐标转换计算后的结果如表 2所示.
表 1 剑门关地区上侏罗统-下白垩统平均磁化率(κ)Table Supplementary Table Average magnetic susceptibility of Upper Jurassic and Lower Cretaceous in Jianmenguan, Sichuan Province
图 1 四川剑门关剖面晚侏罗世至早白垩世红层磁化率与沉积物粒度之间的关系Fig. 1. Relations between magnetic susceptibility and sedimentary particles in J3-K1 red clastic rocks in Jianmenguan section, Sichuan Province表 2 磁化率各向异性Table Supplementary Table Magnetic susceptibility anisotropy
3. 结果分析
从表 1及图 1中可见, 剑门关剖面岩石的磁化率波动幅度较明显, 最大值为302×10-6, 最小值为78.0×10-6, 并在剖面第5, 24, 42, 45, 47, 55, 81, 99以及108层位呈现峰值.其中, 遂宁组3个峰值, 莲花口组5个峰值, 剑门关组1个峰值.
由图 1还可见磁化率曲线与样品颗粒度曲线呈现较好的一致性, 即高值磁化率对应粒径小的样品, 低值磁化率对应粒径大的样品, 换言之, 磁化率的大小与颗粒的粒径成反比.
3.1 磁化率与沉积速率及沉积环境的关系
目前对磁化率的高低值的物理意义解释尚有不同见解, 一种认为磁化率的高低取决于磁性矿物的丰度, 另一种则认为磁化率的高低来自于化学反应过程.由于与本磁化率研究并行的热退磁(另外发表) 结果表明, 剑门关样品的磁性载体基本上(45, 47, 66, 88层除外) 为磁铁矿.因此, 本文认为在磁性载体基本固定的前提下, 磁化率的大小应反映了磁性矿物的丰度.
另外, 存在于基质内的磁性矿物在丰度高时对应于粒径小的粒级, 而丰度低时对应于粒径大的粒级, 由于粒级往往是沉积速率以及沉积相判别的重要标志, 因此, 笔者认为磁化率的变化规律可以反映沉积速率的变化, 并可用于沉积相分析.例如, 遂宁组下部是湖泊沉积环境, 颗粒粗的对应湖岸沉积, 磁化率值较低; 颗粒细的对应湖心沉积, 磁化率值较高.遂宁组顶部颗粒较细的对应河漫滩沉积, 磁化率值较高.莲花口组上部颗粒细的对应河漫滩沉积, 磁化率值较高.剑门关组下部颗粒较细的对应洪泛盆地沉积, 磁化率较高.而颗粒较粗的对应天然堤沉积, 其磁化率较低.
尽管本剖面在冲积扇相砾岩层位上采样有间断, 并且个别样品可能为非磁铁矿成分, 致使剖面的局部层位出现与本认识相左, 但总体上看, 以磁化率的高低进行沉积速率以及沉积相的划分是行之有效的.
3.2 磁化率各向异性与古水流及古应力的关系
由表 2可见, 本文的磁化率各向异性度P为1.04, 磁面理F为1.03, 磁线理L为1.01:说明其磁化率数值椭球呈弱压扁状, 其磁面理平行于层面.由表 2可知, 磁化率最大主轴方向为两组数据: 一组为北东—南西向, 一组为北西—南东向.
根据磁组构学理论, 在流水沉积环境中, 受水动力作用, 磁性矿物颗粒的磁化率最大主轴与水流方向一致, 但在急速水流条件下或受外应力作用时, 其磁化率最大主轴方向垂直于水流或者应力方向.
笔者认为剑门关剖面测试数据说明, 磁化率各向异性是存在的, 而出现两组最大主轴方向的原因可能是受到了挤压应力的影响.结合四川盆地西北侧龙门山的演化史资料最为重要的两点: 其一, 龙门山为剑门关地区沉积物的主要来源; 其二, 龙门山是因北部及北西部的压应力和扭力作用下, 以冲断推覆构造形式向沉积盆地递进迁徒而来[8].所以笔者认为表 2中磁化率最大主轴呈北西—南东方向者为古水流方向, 而呈北东—南西方向者为古应力方向, 所对应样品的古水流磁化率特征已被改造.上述古水流方向的判别认识, 已为野外观察结果所证实.通过详细地对53组交错层理的产状测量可知, 倾向均为南东, 倾角在14°~21°之间.该结论与来自于磁化率的古水流判别完全一致.可见, 利用磁化率各向异性进行古水流及古应力的研究也是行之有效的.
4. 结论
(1) 剑门关剖面磁化率的大小对应了样品颗粒的大小和沉积速率的快慢, 并可能成为沉积旋回及沉积相的标志. (2) 剑门关剖面磁化率最大主轴的方向可分为两组.北西—南东向的磁化率主轴方向与从沉积构造上反映出来的当时四川盆地西北缘的古水流方向相一致.北东—南西方向的磁化率主轴可能与后期挤压有关.
本文在研究过程中得到侯国良老师以及项目组老师的指导与学生的协助, 在此谨表谢意. -
图 1 四川剑门关剖面晚侏罗世至早白垩世红层磁化率与沉积物粒度之间的关系
Fig. 1. Relations between magnetic susceptibility and sedimentary particles in J3-K1 red clastic rocks in Jianmenguan section, Sichuan Province
表 1 剑门关地区上侏罗统-下白垩统平均磁化率(κ)
Table 1. Average magnetic susceptibility of Upper Jurassic and Lower Cretaceous in Jianmenguan, Sichuan Province
表 2 磁化率各向异性
Table 2. Magnetic susceptibility anisotropy
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[1] 许同春. 磁组构(上)[J]. 地震地磁观测与研究, 1989, 3 (10): 70-77. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DZGJ198903016.htm [2] 许同春. 磁组构(下)[J]. 地震地磁观测与研究, 1989, 4 (10): 72-80. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DZGJ198904015.htm [3] 岳乐平, 薛祥煦. 中国黄土古地磁学[M]. 北京: 地质出版社, 1996. 71-77. [4] 贺绍英, 孙世伟, 杨闢元, 等. 岩石磁化率各向异性[M]. 北京: 地质出版社, 1986. 33-75. [5] 余钦范, 郑敏. 岩石磁组构分析及其在地学中的应用[M]. 北京: 地质出版社, 1992. 24-57. [6] 闫桂林. 岩石磁化率各向异性在地学中的应用[M]. 武汉: 中国地质大学出版社, 1996. 1-70. [7] 孟小红, 田春志, 梁江平. 利用岩石磁学研究古水流和古应力场方向的方法与应用[J]. 现代地质, 1999, (2): 184-189. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-XDDZ902.011.htm [8] 郭正吾, 邓康龄, 韩永辉. 四川盆地形成与演化[M]. 北京: 地质出版社, 1996. 113-138. -
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