塔里木盆地化石層磁組構(gòu)特征與古水流方向分析

張 雷，羅 俊，郭懷軍，鄒 寧

(西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系/大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710069)

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塔里木盆地化石層磁組構(gòu)特征與古水流方向分析

張 雷，羅 俊，郭懷軍，鄒 寧

(西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系/大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710069)

為探究微觀磁組構(gòu)特征與宏觀沉積構(gòu)造、長(zhǎng)形生物化石特點(diǎn)等指標(biāo)在恢復(fù)古水流向問(wèn)題上的關(guān)聯(lián)性，對(duì)塔里木盆地塔南地區(qū)的257塊古地磁定向樣品進(jìn)行了磁組構(gòu)特征研究。發(fā)現(xiàn)全剖面樣品的磁化率最大軸赤平投影為南北方向，由于旱地沖積扇水動(dòng)力較強(qiáng)，導(dǎo)致流水動(dòng)力方向與磁化率最大軸方向垂直，指示古水流方向?yàn)闁|西向；而化石層圍巖樣品的磁化率主軸主要集中在90°方向，鑒于化石集中埋藏地區(qū)水動(dòng)力急劇轉(zhuǎn)弱，磁化率最大軸方向與古流向一致，這與長(zhǎng)形骨骼展布方位的統(tǒng)計(jì)結(jié)果70°～115°相吻合，均顯示自東向西，微觀磁組構(gòu)與宏觀長(zhǎng)形骨骼展布所指示的方向相一致。證實(shí)了在宏觀條件不可見(jiàn)時(shí)，對(duì)沉積物進(jìn)行大樣品數(shù)量的磁組構(gòu)分析可以便捷地承擔(dān)該地區(qū)的沉積動(dòng)力學(xué)辨識(shí)工作，并為進(jìn)一步拓展化石埋藏學(xué)統(tǒng)計(jì)研究提供了可靠的依據(jù)和手段。

塔里木盆地；磁組構(gòu)特征；古水流；磁性顆粒；沉積動(dòng)力

沉積動(dòng)力方向的確定對(duì)于判定物源方向、指示沉積環(huán)境演變以及揭示礦床和儲(chǔ)層展布等有重要的意義。野外工作中常利用各種宏觀沉積構(gòu)造指標(biāo)如斷層和褶皺發(fā)育、地層傾伏方向、粒序?qū)永?礫石和長(zhǎng)形生物化石等的定向排列等指示沉積動(dòng)力方向。除此之外，沉積巖自身的磁化率各向異性(Anisotropy of Magnetic Susceptibility, 簡(jiǎn)稱AMS)也記錄了相關(guān)的信息，并在恢復(fù)古流向的應(yīng)用中取得重大進(jìn)展[1,2,3]。磁化率各向異性反映了巖石中磁性礦物顆粒的磁化率在各個(gè)方向上的差異，可以用一個(gè)三維二階的張量橢球體來(lái)進(jìn)行表征[4]，并用Kmax、Kint、Kmin分別表示磁化率的最長(zhǎng)軸、中間軸與最小軸，作為描述巖石磁組構(gòu)的基本要素。

1 采樣與測(cè)試

塔里木盆地，塔里木盆地位于中國(guó)西北部的新疆，中國(guó)面積最大的內(nèi)陸盆地。盆地處于天山和昆侖山、阿爾金山之間。東西長(zhǎng)1 500 km，南北寬約600 km，面積達(dá)53萬(wàn) km2，海拔高度在800～1 300 m之間，地勢(shì)西高東低，盆地的中部是著名的塔克拉瑪干沙漠，邊緣為山麓、戈壁和綠洲(沖積平原)(圖1)。

本文所討論的化石層位于塔里木南緣，呈透鏡狀產(chǎn)出，出露面積約為8 m2左右，圍巖巖性為灰白色粉砂巖夾灰黃色細(xì)砂巖并含有少量泥礫。該化石層位所含化石主要是雷獸的股骨、脛骨等長(zhǎng)形骨骼，保存比較完好，并有著良好的定向排布性，同時(shí)也含有小中型柱狀的腕骨以及細(xì)小的化石殘片，長(zhǎng)骨(20 cm以上)約占整個(gè)化石層位的60%左右(圖2a)?？梢?jiàn)該層位屬種較為單一，并且是經(jīng)過(guò)搬運(yùn)后再被密集埋藏的。一般認(rèn)為，長(zhǎng)形生物化石在弱流水動(dòng)力作用下展布方向平行于古流向，且不規(guī)則骨骼其形狀較大的一端指向水流上游[5,6]。測(cè)量和統(tǒng)計(jì)長(zhǎng)形骨骼的傾向和傾角并繪制成極點(diǎn)圖與頻率玫瑰圖(圖2b)，發(fā)現(xiàn)這些長(zhǎng)骨化石傾角一般在10°～25°左右(基本50%的數(shù)據(jù)顯示)以70°～115°為展布優(yōu)勢(shì)方位，平均方向?yàn)?7°，并且不規(guī)則長(zhǎng)骨較大的一端多指向東。據(jù)此可以推斷出古水流大致方向?yàn)樽詵|向西。

圖1 研究區(qū)地理位置

2 結(jié)果與分析

通過(guò)長(zhǎng)形骨骼化石的展布得到古水流方向之后還需要運(yùn)用磁組構(gòu)的方法對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證與對(duì)比研究。因此，在野外對(duì)化石層圍巖以及塔南整體剖面均進(jìn)行了定向手標(biāo)本采樣。其中對(duì)化石層圍巖各個(gè)方向采集50塊手標(biāo)本，以求能夠測(cè)量化石層周圍各個(gè)方向的圍巖磁組構(gòu)對(duì)古水流向的響應(yīng)(圖3)，最后在實(shí)驗(yàn)室加工成定向測(cè)試樣品102塊；對(duì)塔里木南緣大致以30 cm的間距共采集手標(biāo)本122塊，在實(shí)驗(yàn)室加工成測(cè)試樣品257塊。全部樣品的AMS測(cè)試均在西北大學(xué)大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室運(yùn)用捷克AGICO公司生產(chǎn)的Kappabridge磁化率儀( KLY-4S，工作頻率875 Hz，測(cè)試精度2×10-8SI)進(jìn)行測(cè)試。

3 磁組構(gòu)特征

磁組構(gòu)的本質(zhì)是巖石內(nèi)部的磁性礦物顆粒在外力(如重力、擠壓應(yīng)力、水流等)作用下發(fā)生的重結(jié)晶、變形或定向排列，可以反映磁性顆粒的演化、宏觀受力狀況等地質(zhì)過(guò)程[4,6,7,8]。描述磁組構(gòu)的基本要素是磁化率各向異性橢球體的長(zhǎng)軸(Kmax)、中間軸(Kint)和短軸(Kmin)的磁化率大小[4,9]，此外常用的參數(shù)還有磁線理(L)、磁面理(F)以及各向異性度(P)等[10]。

磁面理反映沉積顆粒呈面狀分布的程度，磁線理反映沉積顆粒呈線狀排列的程度。近年來(lái)的研究認(rèn)為沉積巖在形成過(guò)程中其磁性礦物顆粒的排布受重力影響最大，所以磁面理較磁線理發(fā)育，磁化率張量橢球以壓扁狀為主[11,12,13,14]；而在構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈的地區(qū)，受到擠壓應(yīng)力的影響，磁線理會(huì)更為發(fā)育。通過(guò)化石層與全剖面的F-L圖(圖3)可以看出兩者都是磁面理較磁線理發(fā)育，因此可以推斷出該剖面古近紀(jì)以來(lái)沒(méi)有強(qiáng)烈的應(yīng)力作用，很可能保持了初始磁化率各向異性，即流水動(dòng)力是影響磁化率最大軸方位的最主要因素。

圖2 長(zhǎng)形骨骼化石集群埋藏及展布位

圖3 磁組構(gòu)磁線理—磁面理圖

紅色圓點(diǎn)為磁化率最大軸，綠色三角為磁化率最小軸,黑色箭頭表示古流向；(a),(b),(c)分別為化石層圍巖赤平投影圖、最大軸等勢(shì)線圖與頻率玫瑰圖、最小軸等勢(shì)線圖；(d),(e),(f)分別為全剖面赤平投影圖、最大軸等勢(shì)線圖與頻率玫瑰圖、最小軸等勢(shì)線圖

圖4 化石層與全剖面赤平投影與等勢(shì)線圖

當(dāng)沉積面較平，水流速平穩(wěn)時(shí)，磁化率最大主軸的偏角方位(方位角)(D-Kmax)與沉積動(dòng)力方向平行，而流速很快或顆粒較小時(shí)，D-Kmax可能與水流方向垂直[15,16]，而Kmin的疊瓦方向指示河流的下游方向[17]。通過(guò)特征值法分析并結(jié)合圖4可知，化石層圍巖磁化率長(zhǎng)軸張量平均方位為109°，最小軸平均方位為294°，等勢(shì)線圖與玫瑰圖顯示長(zhǎng)軸和最小軸的高密度峰值分別位于94°與274°，暗示了沉積動(dòng)力來(lái)源的主要方向?yàn)镋或SEE，又因?yàn)樵诠趋阑罅砍练e層位可以判斷出古水流速較緩，即磁化率各向異性長(zhǎng)軸方向與沉積動(dòng)力方向相同，因此通過(guò)磁組構(gòu)方法測(cè)得的化石層周圍的古流向應(yīng)為從E或SEE流向W或NWW；塔南總體剖面的磁化率各向異性長(zhǎng)軸平均方位為6°與175°，等勢(shì)線圖也顯示了Kmax的高密度峰值出現(xiàn)在南北兩端。塔南剖面坡度較緩，巖性主要為泥巖與粉砂巖，但其處于河流上游，水動(dòng)力較強(qiáng)且顆粒粒度較小，因此古水流方向應(yīng)與kmax方向垂直。Kmin軸的張量平均方位為286°，等勢(shì)線圖的頻率峰值為277°，指示河流下游方向?yàn)槲?，即古流向?yàn)樽詵|向西。

4 結(jié)語(yǔ)

借助于統(tǒng)計(jì)分析(圖5)，確定化石層圍巖與全剖面的大多數(shù)樣品(分別為85.4%和83.3%)的Kmax的統(tǒng)計(jì)信度位于95%置信橢圓內(nèi)，磁組構(gòu)方法所得到的古流向結(jié)果顯示出化石層區(qū)域的古流向與整體剖面的古流向基本一致。之所以張量分析所統(tǒng)計(jì)出的平均方向與等勢(shì)線圖所反映出的頻率峰值方向有所不同，是因?yàn)槠骄鶑埩坎捎昧藥缀纹骄乃惴?，而等?shì)線圖則是運(yùn)用算術(shù)平均的方法統(tǒng)計(jì)樣品方向的頻率大小。兩種統(tǒng)計(jì)方法的計(jì)算結(jié)果差異不是很大，都可以用來(lái)恢復(fù)沉積動(dòng)力方向[17,18]。

(a)化石層圍巖磁線理統(tǒng)計(jì)信度 (b)全剖面線理統(tǒng)計(jì)信度

化石層長(zhǎng)形骨骼化石的集中展布方向?yàn)?0°～115°(圖2)，古流向整體為自東向西，這與化石層圍巖的磁組構(gòu)結(jié)果(Kmax平均方位為109°)基本一致。此外，在化石層圍巖赤平投影與等勢(shì)線圖中還可以發(fā)現(xiàn)在平均方向?yàn)?50°、184°以及252°處都有較低的高密度值分布，這也與少部分展布方向?yàn)?55°～280°及160°～180°長(zhǎng)形化石的統(tǒng)計(jì)頻次相吻合。這一方面說(shuō)明了磁化率最大軸對(duì)動(dòng)力方向的敏感性及磁組構(gòu)方法的精確性，另一方面也說(shuō)明了微觀磁組構(gòu)與宏觀古流向指示標(biāo)志是相互關(guān)聯(lián)的并具有很好的一致性。該化石層位于剖面上部，剖面在這里坡度變低，水深與流速驟減，極有可能是以漫流沉積為主的扇緣沉積亞相。旱地扇常只發(fā)育一個(gè)主體的辮狀河道，河道寬而淺，流向復(fù)雜，這就解釋了長(zhǎng)形骨骼化石與沉積磁組構(gòu)在指示古流向時(shí)會(huì)顯示出一個(gè)主流向和其他幾個(gè)副流向的原因。

塔南整體剖面的磁組構(gòu)赤平投影圖比較復(fù)雜，原因是整體剖面所含的組分比較多。剖面上部為沖積扇相，磁化率最大軸方位集中在90°附近，古流向?yàn)樽晕飨驏|，因此在剖面的中部和下部，磁化率最大軸投影在南北方位最為集中。之所以出現(xiàn)對(duì)稱雙峰的投影，一方面是因?yàn)榇藭r(shí)的磁組構(gòu)數(shù)據(jù)包含了剖面所有的樣本，反映的是剖面河道整體的變遷情況，并非是局部的古流向。塔南地層中含有大量的硅化木化石，分布范圍極廣，而硅化木是典型的河床亞相指相化石，據(jù)此可以推斷出塔南剖面中下部沉積相為河床亞相，并且河道遷移較為頻繁。在采樣過(guò)程中，常見(jiàn)呈透鏡狀的細(xì)砂巖嵌于周圍的紅色泥質(zhì)粉砂巖之中,這也是河道多次往復(fù)遷移的證據(jù)；另一方面，河道的延展方向?yàn)闁|西向，落差相對(duì)較大，所以出現(xiàn)磁化率最大軸集中在南北方位的原因可能是水動(dòng)力條件較強(qiáng)造成的沉積顆粒翻滾。

除長(zhǎng)形骨骼化石定向排布以外，磁組構(gòu)與交錯(cuò)層理、礫石定向排布等宏觀方法所指示的古水流向也顯示一致。在青海門(mén)源盆地大通河支流一級(jí)階地發(fā)現(xiàn)一處同時(shí)具有板狀交錯(cuò)層理和疊瓦狀礫石排布的剖面。經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)，交錯(cuò)層理的前積紋層傾向平均為130°，礫石疊瓦面的產(chǎn)狀約為120°∠13°，據(jù)此判斷河流上游方向?yàn)镾EE。而在AMS赤平投影中，磁化率最大軸Kmax高密度值為NNE和SSW雙峰，且傾角均值達(dá)到23°；磁化率最小軸Kmin傾角很小，平均僅為64°，且其偏角的平均方向?yàn)?94°，這說(shuō)明了河流上游水流速度很快，形成的交錯(cuò)層理使沉積面變得起伏，磁顆粒發(fā)生滾動(dòng)，使得Kmax軸與流水方向垂直，此時(shí)Kmax不能準(zhǔn)確的指示古流向。而Kmin軸傾伏位的去向能夠穩(wěn)定的指示河流下游方向，因此可以判斷河流是自SEE流向NWW的，與交錯(cuò)層理和礫石定向排布所指示的流向相吻合，說(shuō)明了微觀磁組構(gòu)與宏觀標(biāo)志指示沉積動(dòng)力來(lái)源方向具有一致性，而磁組構(gòu)具有可進(jìn)行大規(guī)模采樣分析的優(yōu)點(diǎn)，隨采集樣品增多，數(shù)據(jù)誤差減小，統(tǒng)計(jì)方向精度提高。

磁化率最大軸與最小軸的方位分布均對(duì)沉積動(dòng)力來(lái)源方向具有良好的敏感性，磁組構(gòu)與宏觀沉積構(gòu)造在指示沉積動(dòng)力方向上存在一致性，在塔南剖面及化石層、大通河谷以及涇河階地均得到了驗(yàn)證。磁組構(gòu)方法不受地形地貌限制，分辨率高，并且能夠量化搬運(yùn)介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，是辨析沉積動(dòng)力方向及恢復(fù)古地貌行之有效的微觀指標(biāo)。但在對(duì)磁組構(gòu)進(jìn)行分析的同時(shí)，還要明確動(dòng)力強(qiáng)弱造成的磁化率最大軸統(tǒng)計(jì)方向的變化。磁化率各向異性最大軸統(tǒng)計(jì)方向依據(jù)動(dòng)力強(qiáng)弱存在(1)與動(dòng)力方向垂直的雙峰雙向分布特征和(2)與動(dòng)力方向來(lái)源一致的單峰單向分布特征。而磁化率各向異性最小軸統(tǒng)計(jì)方向則大多具有可判斷動(dòng)力前進(jìn)方向的單峰單向特點(diǎn)。

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2017-02-15

張雷(1990-)，男，遼寧朝陽(yáng)人，在讀碩士研究生，主攻方向：固體地球物理學(xué)。

P539.3

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1004-1184(2017)02-0228-03