南洞

第4卷 第4期

1998年12月

地質(zhì)力學(xué)學(xué)報(bào)

JOURNALOFGEOMECHANICS

Vol.4 No.4

Dec.1998

文章編號:100626616

(

1998

)

04250257

收稿日期:1998202215

基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(

49632100

)

作者簡介:李彬(

1962

)

,男,地質(zhì)礦產(chǎn)部巖溶地質(zhì)研究所副研究員,多年來一直從事年代學(xué)和環(huán)境同位素應(yīng)用的研究。

桂林水南洞洞穴沉積物的古地磁

記錄及其古環(huán)境意義

李彬1

FrankHauge2

ReidarLovlie2

Stein

2

ErikLauritzen3

袁道先1,林玉石1,張美良1

1地礦部巖溶地質(zhì)研究所,廣西桂林 541004;

2挪威卑爾根大學(xué)固體地球物理研究所;3挪威卑爾根大學(xué)地質(zhì)系1

摘 要:通過對桂林水南洞215

m

厚的洞穴沉積物剖面的古地磁初步研究,其結(jié)果及

地質(zhì)證據(jù)表明該沉積剖面形成期可能與賈拉米洛正向期對應(yīng)。根據(jù)磁化率、磁性礦物

的特征和沉積學(xué)特征,對該地區(qū)這一地質(zhì)時(shí)期的古環(huán)境變化提出以下認(rèn)識:11第三

暖濕期,以鈣華沉積為特征;21第二干冷期,以含有少量鈣質(zhì)的黃褐色粘土為特征,

并以含有高矯頑磁性礦物和低磁化率為特征;31第二暖濕期,以互層的紅褐色粘土、

含高含量鈣質(zhì)的粘土或鈣華為特征,并以含有低矯頑磁性礦物和高磁化率為特征;41

第一干冷期,以褐灰色粘土為特征,并以含有高矯頑磁性礦物和低磁化率為特征;51

第一暖濕期,以地下河沉積相(砂卵石為主)為特征。

關(guān)鍵詞:洞穴沉積物;古地磁記錄;古環(huán)境變化

分類號:

P

318.4,

P

532 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:

A

0 引言

在中國南方巖溶區(qū),巖溶形態(tài)極為發(fā)育。研究表明各種巖溶形態(tài)可提供豐富的古環(huán)境和古

氣候信息,而洞穴沉積物,包括化學(xué)的和機(jī)械的沉積物,在古環(huán)境研究中尤為重要。目前盡管已

對洞穴沉積物的古地磁進(jìn)行了較多的研究[1—5],但對洞穴沉積物在古環(huán)境方面的古地磁記錄

還無詳細(xì)的討論。從理論上來說,洞穴內(nèi)的溫度和濕度一般都很穩(wěn)定,風(fēng)化和生物擾動也很弱,

因此洞穴沉積物常常保持完好,可以提供較好的古環(huán)境和古氣候信息。據(jù)此,我們對桂林水南

洞的一沉積剖面進(jìn)行了初步的研究,以求獲得該地區(qū)的古地磁記錄及有關(guān)古環(huán)境變化的信息。

05

?1995-2003TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,htsrerved.

1 地質(zhì)背景

水南洞位于桂林西北部的桃花江畔(圖1

A

)。該洞穴形成于較純的泥盆紀(jì)灰?guī)r中。洞穴長

約230

m

,寬10—50

m

(圖1

B

)。洞內(nèi)機(jī)械沉積物較豐富,而化學(xué)沉積物則以豐富的鈣華和較少

的石筍、鐘乳石為主。

圖1 水南洞位置示意圖及水南洞平面示意圖

Fig

.1

Sketchmap

(

A

)

showingthelocationofShuinanCaveand

planesketch

(

B

)

ofthecave

圖2 水南洞沉積物剖面示意圖及采樣點(diǎn)

Fig

.2

Schematicctionandsampling

pointsinthedimentsofShuinan

cave

,

Guilin

采樣剖面位于洞穴的中部(圖1

B

)。圖2為該剖

面的示意圖,自下而上,其沉積相從地下河相(以砂卵

石為主)到洞內(nèi)湖泊相(以灰褐色砂質(zhì)粘土為主)

,再

到洞穴包氣帶水沉積相(以紅褐、黃褐色粘土為主,并

含豐富的鈣質(zhì)或鈣華層)。

2 采樣與測量

211 采樣

在洞內(nèi)首先開挖了一個(gè)215

m

的探槽,并將表面

清除干凈。然后用5×5×35

cm

的鋁盒自下而上采樣

(取決于剖面的硬度或手壓或錘擊)

,然后密封,采樣

位置如圖2所示。在實(shí)驗(yàn)室的進(jìn)一步的采樣中,對較

軟部分則用514

cm3的方型塑料盒壓入采樣,而對較

硬部分則用一黃銅取樣裝置采樣,然后再轉(zhuǎn)移至

514

cm3的圓柱型塑料盒中,共取41個(gè)樣品,并置于

4℃的冷藏室中保存。

212 測量

所有的測量工作均在挪威卑爾根大學(xué)固體地球

15

?1995-2003TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,htsrerved.

物理研究所古地磁實(shí)驗(yàn)室完成。磁化率和磁性結(jié)構(gòu)通過在

KappabridgeKLY

22上以15個(gè)不

同方向的測量而獲得。自然剩余磁性和交變磁場退磁測量則在一低溫磁力儀上完成。所有樣

品均在低磁場的室內(nèi)(

<5

nT

)用旋轉(zhuǎn)磁力儀進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)交變磁場的測量。先用螺旋管磁化儀

磁化至0124

T

,然后用

Redcliff

脈沖磁化儀磁化至3

T

,對30%的樣品進(jìn)行了進(jìn)一步的等溫剩

余磁性測量以闡明磁性礦物。

3 結(jié)果

311 磁性磁化率的各向異性(

AMS

)

為了檢驗(yàn)樣品的可靠性,并獲得其平均磁化率,所有樣品都進(jìn)行了

AMS

(磁化率各向異

性)測量。大多數(shù)樣品的

F

值(最大軸與最小軸之間的差異)均大于4,標(biāo)準(zhǔn)誤差小于115,大多

數(shù)小于1。這些結(jié)果表明所有樣品未受擾動,因此古地磁的結(jié)果應(yīng)是可靠的。

312 自然剩余磁場方向(

NRM

)

圖3 水南洞沉積物自然剩余磁性特征及磁化率

Fig

.3

NRMresultsfromthedimentsofShuinancave

圖3表明了水南洞剖面的

NRM

方向,同時(shí)表明整個(gè)剖面

(除深度約140

cm

附近的鐵紅色

粘土外)磁化強(qiáng)度較穩(wěn)定,約為

5

mA

??

m

。但在剖面的頂部,伴隨

著強(qiáng)度的突然增加,磁偏角變化

約180°,而磁傾角似乎發(fā)生了倒

轉(zhuǎn)。一般情況下,磁偏角為-30—

20°,而磁傾角變化在20—50°之

間,其平均磁傾角為32°,小于該

地區(qū)的軸向偶極子場(

ADF

,

46°)。磁化率的變化表明在剖面

的下部(在150

cm

處一鈣華板之

下)有一個(gè)穩(wěn)定帶,其磁化率低于

100×10-6SI

,而其上則變化較

大,且具有較大的磁化率,最大達(dá)

300×10-6SI

。

313 去磁化結(jié)果

為了確定自然剩余磁性方向

的穩(wěn)定性和矯頑磁性的分布特

征,所有樣品均在交變磁場(最大至50

mT

)中作去磁測量。對于大多數(shù)樣品,疊加于穩(wěn)定單一

組分之上的次級組分在6

mT

下(通常在3

mT

時(shí))均被除去。圖4為15

mT

下的去磁化后的特

征剩余磁性(

ChRM

)

,從圖中可以看出,盡管剖面頂部的倒轉(zhuǎn)方向已消失,但趨向于較淺的磁

傾角和偏南的磁偏角。

314 磁性礦物

為了評價(jià)磁性結(jié)構(gòu)的成因,共檢測13個(gè)樣品的磁性礦物學(xué)。圖5是兩個(gè)典型例子的結(jié)果。

結(jié)果表明從剖面的底部到頂部,

RACF

由57819

mT

變至6011

mT

,這表明剖面中由下而上磁

25

?1995-2003TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,htsrerved.

圖4 經(jīng)15

mT

去磁化后的特征剩余磁性

Fig

.4

ChRMresultsafter

15

mT

性礦物具有從高的矯頑磁性變?yōu)?/p>

低的矯頑磁性的趨勢。兩種磁性

特征的分界線大約在155

cm

,與

沉積相的變化相對應(yīng)。此外,圖5

a

還表明,退磁場曲線可分為兩種

明顯的不同部分,即上部以低矯

頑磁性礦物為特征,下部則以高

矯頑磁性礦物為特征。因此,該結(jié)

果表明在位于155

cm

之上的剖面

中可能含有兩種磁性礦物組合,

而剖面的下部則主要以高矯頑磁

性的礦物組合為特征。

為了進(jìn)一步研究磁性礦物的

特征,對一些參數(shù)

S

(

bIRM

??

SIRM

)和

HIRM

((

bIRM

+

SIRM

)??2

)作了進(jìn)一步的研究。

SIRM

(飽和等溫剩磁)和

bIRM

(退磁等溫剩磁)值分別在500

mT

圖5 在強(qiáng)磁場下矯頑磁性分析

Fig

.5

Coercivityspectrumanalysiswithstrong

2

fieldthermormagnetic

behavior[樣品分別來自1115

cm

(

a

)和208.6

cm

(

b

)

]

和100

mT

磁場下獲得。

S

值曲線和

HIRM

值曲線同樣能反映磁性礦物的特征。當(dāng)

S

=-1時(shí),

表明有較高比例的磁鐵礦,

S

值越高表明赤鐵礦等高矯頑磁性礦物增加[6]。

HIRM

值則與高矯

頑磁性礦物的含量成正比[6]。因此,

S

值曲線和

HIRM

值曲線也清楚地表明剖面中由下而上磁

性礦物具有從高的矯頑磁性變?yōu)榈偷某C頑磁性的特點(diǎn)。

4 討論

411 剖面年齡的確定

35

?1995-2003TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,htsrerved.

圖6 水南洞沉積物中

S

值、

HIRM

參數(shù)的變化

Fig

.6

VariationsofratiosSandHIRMintheShuinanCaveSediments

年齡的確定對于古環(huán)境的研究至關(guān)重要,但遺憾的是在本剖面的古地磁研究中未能獲得

可靠的極性記錄,故而不能獲得一個(gè)確定的年齡。但是,結(jié)合古地磁和剖面上部次生化學(xué)沉積

物的鈾系年齡結(jié)果,以及該地區(qū)的地質(zhì)歷史,我們試圖得出該剖面的大致年齡。

圖4表明在剖面的頂部存在一個(gè)倒轉(zhuǎn)事件的某些證據(jù),盡管在15

mT

后該事件消失,但趨

于倒轉(zhuǎn)的趨勢仍存在。因此,這似乎表明一個(gè)倒轉(zhuǎn)事件可能已在剖面的頂部發(fā)生。

桂林位于緊鄰云貴高原的廣西盆地,因此該地區(qū)的大地構(gòu)造運(yùn)動應(yīng)與青藏高原的抬升相

對應(yīng)。此外,該剖面的沉積相從地下河相到地下洞穴的湖泊相,再到洞穴包氣帶水的沉積相也

表明了該地區(qū)地殼的上升運(yùn)動過程。根據(jù)青藏高原的研究,它經(jīng)歷了3次強(qiáng)烈上升運(yùn)動,即從

210

Ma

到115

Ma

、約1

Ma

(從111

Ma

到0175

Ma

)和從013

Ma

到014

Ma[7]。另外一些研究表

明,其現(xiàn)代地貌形態(tài)大約距今112

Ma

以來形成[8、9]。因此,水南洞隨著這一大地構(gòu)造運(yùn)動,也經(jīng)

歷了從地下河到地下湖泊,再到干洞的地質(zhì)過程,也就是說該剖面的形成時(shí)代應(yīng)在1

Ma

左右,

即與現(xiàn)代地形的形成大致相當(dāng)。

通過以上分析可以推斷,該剖面的形成時(shí)代可能與賈拉米洛正向期對應(yīng),即形成于

0197—0190

Ma

。

412 古氣候記錄

41211 基本原理 洞穴沉積物磁性特征是由顆粒大小、形態(tài)、礦物類型和洞內(nèi)洞外的風(fēng)化、沉

積特征等綜合因素所決定的,而這些特征又是由洞穴環(huán)境和古氣候所決定的,因此沉積物的磁

性參數(shù)可以反映環(huán)境及氣候的變化。

黃土、湖泊和海洋沉積物的研究表明,一些磁性參數(shù),如

?

(磁化率)[10—12],

SIRM

和

S

(

bIRM

??

SIRM

)[6、13]可以反映磁性礦物組合的矯頑磁力變化,繼而反映古氣候的變化。但對于

洞穴沉積物,除了一些與湖泊沉積物類似的特征外,還有一些特殊的方面,如較多的原地化學(xué)

沉積物,極弱的生物擾動。此外在干洞階段,沉積物可能直接源自于洞穴的頂部,并直接反映洞

45

?1995-2003TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,htsrerved.

外的風(fēng)化條件。因此,洞穴沉積物磁性特征的研究可以提供重要的古環(huán)境變化信息。

對于黃土和古土壤序列,磁化率在古土壤(暖濕氣候)中增大,而在黃土(干冷氣候)中減

小。一些研究表明[6]湖泊沉積物中,在間冰期期間,由于有機(jī)質(zhì)供給的增加和陸源物質(zhì)的減少,

磁化率減小;而在冰期,由于有機(jī)質(zhì)供給的減少和陸源物質(zhì)的增加,磁化率增大。對于海洋沉積

物,已發(fā)現(xiàn)了兩種相互矛盾的關(guān)系[13]。因此,磁化率的變化規(guī)律取決于沉積物的類型,而對于

洞穴沉積物則又有其特殊性。

41212 磁化率的記錄 圖3表明了水南洞洞穴沉積物磁化率

?

隨沉積相的變化而變化。由于

沉積特征的變化可能反映沉積環(huán)境和物質(zhì)來源的變化,故磁化率無疑也從另一個(gè)側(cè)面反映了

古環(huán)境的變化。

如上所述,洞穴沉積物的古地磁記錄有其特殊的方面。從現(xiàn)代環(huán)境來看,在干冷期,由于水

循環(huán)強(qiáng)度減弱,外源物質(zhì)供給減少,磁化率則減少。此外,由于溫度降低,降水減少,有機(jī)質(zhì)分解

速度和被沖刷的強(qiáng)度減小,地表有機(jī)質(zhì)趨于增加,因此在有限的外源物質(zhì)中有機(jī)質(zhì)相對增加,

這也造成了磁化率的減小。而在暖濕時(shí)期,水循環(huán)強(qiáng)度增強(qiáng),外源物質(zhì)供給增加,磁化率則增

大。同時(shí),由于條件適宜,碳和鈣(鎂)循環(huán)也增強(qiáng),導(dǎo)致了洞內(nèi)鈣華的形成,這也會引起磁化率

的降低。因此,根據(jù)這一原理,并結(jié)合圖3,我們可以對水南洞剖面的古地磁記錄得出以下結(jié)

論:從150—250

cm

,以低磁化率為特征,這可能反映了一個(gè)相對干冷時(shí)期;從45—155

cm

以磁

化率波動變化較大為特征,但平均來說較高,這可能反映了一個(gè)相對暖濕時(shí)期,而磁化率的波

動則可能與剖面中鈣質(zhì)含量大小相對應(yīng);從20—45

cm

磁化率則相對較高,也反映了一個(gè)相對

暖濕時(shí)期。但在20—6

cm

磁化率則有減小的趨勢,這可能反映了氣候條件由暖濕向干冷變化

的趨勢。

41213

S

比值和

HIRM

參數(shù)的記錄 湖泊沉積物的研究表明[6],在暖濕時(shí)期,沉積物的磁性

礦物以低矯頑磁力礦物為特征,而在干冷時(shí)期,則以高矯頑磁力礦物為特征。而洞穴沉積物的

形成在某種程度上與湖泊沉積物類似,即一方面物質(zhì)來源于地表風(fēng)化物,另一方面也經(jīng)歷了洞

內(nèi)湖泊的沉積過程。因此,參照湖泊沉積物的研究結(jié)果,并結(jié)合本剖面沉積物的

S

比值和

HIRM

參數(shù),作出如下分析。

圖6表明了

S

比值和

HIRM

參數(shù),以及

SIRM

參數(shù)的變化特征。

S

比值的變化表明了兩個(gè)

明顯的部分,即從距頂6—155

cm

和155—250

cm

。下部以高

S

比值為特征,這表明沉積物以含

高矯頑磁力的礦物為主。相反,上部以低

S

比值為特征,這表明沉積物以含低矯頑磁力的礦物

為主。因此,

S

比值的變化反映了兩個(gè)不同的古氣候變化時(shí)期,即從相對干冷時(shí)期(

155—

250

cm

)到相對暖濕時(shí)期(

155—250

cm

)。

在圖6中,

HIRM

的變化較明顯地分為3個(gè)部分,即從距頂155—250

cm

,以相對低

HIRM

值為特征;從距頂45—155

cm

,以相對高

HIRM

值為特征;從距頂6—45

cm

,以相對低

HIRM

值為特征。如上所述,

HIRM

值的變化與沉積物中磁性礦物的矯頑磁力有關(guān),即較高的

HIRM

值表明沉積物中的磁性礦物以高矯頑磁力的礦物為主。因此,根據(jù)

HIRM

值的變化,將該地區(qū)

分為3個(gè)不同的氣候時(shí)期,即由相對干冷到相對暖濕,再到相對干冷。

41214 古氣候變化的概念模式 根據(jù)上述沉積和古地磁特征的分析,我們可將桂林地區(qū)的這

一沉積剖面沉積時(shí)期的古氣候重建如下:

(

1

)第三個(gè)暖濕期(剖面的頂部)

:以6

cm

厚的鈣華沉積為特征。

(

2

)第二個(gè)干冷期(

6—45

cm

)

:以含有較少鈣質(zhì)的黃褐色粘土為主,并以高矯頑磁力的礦

物和磁化率由高而低的變化趨勢。

55

?1995-2003TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,htsrerved.

(

3

)第二個(gè)暖濕期(

45—155

cm

)

:以含有較高鈣質(zhì)或鈣華層的紅褐色粘土為主,并以低矯

頑磁力的礦物和相對高磁化率為特征。

(

4

)第一個(gè)干冷期(

155—250

cm

)

:以含有較少鈣質(zhì)的灰褐色粘土為主,并以高矯頑磁力的

礦物和相對低磁化率為特征。

(

5

)第一個(gè)暖濕期(

>250

cm

)

:該時(shí)期以地下河沉積相的砂卵石沉積為特征。

5 結(jié)論

通過以上分析,初步得出桂林地區(qū)1

Ma

—019

Ma

的古氣候變化特征。盡管這一研究還不

完全,如缺乏足夠的年代證據(jù),但研究結(jié)果顯示在中國南方巖溶區(qū),由于缺乏象北方黃土和青

藏高原區(qū)冰心、湖泊沉積物等古氣候信息的載體,故洞穴沉積物的詳細(xì)研究可能會提供一些重

要的古氣候變化信息。

在此作者向給與項(xiàng)目開展以財(cái)政資助的挪威國家科學(xué)理事會表示衷心的感謝!并向挪威

卑爾根大學(xué)固體地球物理研究所古地磁實(shí)驗(yàn)室和地質(zhì)系鈾系年代實(shí)驗(yàn)室的大力支持表示衷心

的感謝!

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FRANKHauge2,

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LINYushi1,

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1

InstituteofKarstGeolgy

,

CAGS

,

Guilin

,

Guangxi

541004;

2

InstituteofSoildEarthPhysicsofBergenUniversity

,

Norway

;

3

GeologicalDepartmentofBergenUniversity

,

Norway

.

Abstract

Adetailedpalaeomagneticstudyofa

2.5

mthickctionofcavedimenthasbeen

madeinordertoretrievearecordofpalaeoenvironmentalchangeinGuilinarea

.

The

palaeomagneticresultsandgeologicalevidenceshowthatthedimentsmighthavebeen

depositedduringtheJaramilloPolaritysubchron

,

i

.

e

.

from

0.97

Mato

0.90

Ma

.

Badon

thesusceptibility

,

themagneticminerals

(

Sratios

,

SIRMetcs

.

)

,

anddiments

characteristics

)

,

andacorrelationwiththeloessrecordsinnorthChina

,

aconceptualmodel

ofthepalaeoclimaticchangesinGuilinareainpropodasfollows

:1.

awarmandwetperiod

(

since

0.90

Ma

)

characteridbytravertinedeposit

;2.

adryandcoldperiod

(

0.92

to

0.90

Ma

)

characteridbyyellowish

2

brownclaywithlesscalcareouscontent

,

highcoercivity

mineralsandlowsusceptibility

;3.

awarmandperiod

(

0.94

to

0.92

Ma

)

characteridby

theinterbeddedredish

2

brownclay

,

calcareousmaterialandtravertine

,

lowcoercivity

mineralsandhighsusceptibility

;4.

adryandcoldperiod

(

0.96

to

0.94

Ma

)

characteridby

greyish

2

brownclaywithlesscalcareousmaterial

,

highcoercivitymineralsandlow

susceptibility

;

and

5.

awarmandwetperiod

(

>0.96

Ma

)

characteridbythesandygravel

(

undergroundriverfacies

)

.

Keywords

Cavediments

;

palaeomagneticrecords

;

paleoenvironmentalchanges

75

?1995-2003TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,htsrerved.