磁性地层学在泥河湾盆地古人类遗址定年中的应用

磁性地层学在泥河湾盆地古人类遗址定年中的应用_地层学基础与前沿

8．6　研究实例:磁性地层学在泥河湾盆地古人类遗址定年中的应用

本节内容不在于列举磁性地层学成功用于解决方方面面的地层学问题，而是通过分析一项典型性研究(Zhu et al．，2004)，重点说明现代磁性地层学解决问题的思路和野外、实验室工作规范。在不同时代的出版物中，读者不难找到关于磁性地层学应用的更多实例介绍。例如，Haiwood(1989)和Langereis et al．(2010)，以及本章引用的几本专著和教材等。

图8－14　中侏罗世以来综合地磁极性年表
(利用TSCreator－PUBLIC－6．4软件产生，软件来源http://www．tscreator．org，by James Ogg＆Adam Lugowski，2015)极性柱中黑色段为正极性，白色段为反极性。“C”序列指新生代和晚白垩世的倒转序列以及CNS，其中CNS开始于早白垩世的阿普特期(Aptian)最早期，结束于晚白垩世的桑顿期(Santonian)末，持续了约40Ma，在C序列中的编号为“C34n”。M序列指已发现的老于“C34n”的全部大洋磁异常倒转序列

图8－15　约6Ma以来极性时、亚时与地质年代对照表
(基本数据利用TSCreator－PUBLIC－6．4软件产生，软件来源http://www．tscreator．org，by James Ogg＆Adam Lugowski，2015)极性柱中黑色段为正极性，白色段为负极性

欧亚大陆可能是人类祖先走出非洲踏上的第一个“新大陆”，亚洲则可能是开拓这片“新领地”的起点。对散布在世界各地的古人类遗址的精确定年及对比是研究人类演化、迁徙以及文化起源和发展的基本前提，磁性地层学在古人类遗址定年中发挥着不可替代的作用(Zhu et al．，2003)。本节选取朱日祥等对华北泥河湾盆地半山遗址和马圈沟遗址定年研究的一项成果(Zhu et al．，2004)作为例析，说明磁性地层学研究的设计思路、研究过程、技术规范、问题解决方案以及成果意义。

8.6.1　关键的科学问题

泥河湾旧石器遗址是国际古人类研究的热点，确定这些遗址的年代是建立华北乃至亚洲早更新世古人类遗址年代序列、理解古人类在亚洲高纬度地区定居方式和迁徙路线、探索人类演化与气候变化的关系等科学问题的关键。该地区没有适合对早更新世地层开展高精度同位素定年的材料，利用磁性地层学方法研究这些遗址的年龄目前仍是最合适的手段。

8.6.2　地质背景和磁性地层学研究前提

泥河湾盆地位于中国黄土高原的东北缘，其中发育了我国北方第四纪湖相地层的典型剖面，其沉积连续、稳定，层序清晰、地层可对比性好。湖相沉积开始于第四纪的最早期(或上新世末)，覆盖在上新世风成红黏土或基岩风化壳之上;结束于晚更新世晚期或全新世，被相当于末次间冰期古土壤层的“类风成沉积物”、末次冰期的马兰黄土和全新世土壤层序列覆盖。地层中含大量动植物化石、含长鼻三趾马－真马动物群和小哺乳动物。

半山遗址和马圈沟遗址位于泥河湾盆地东部、河北省阳原县岑家湾村西南约1km处的马圈沟(图8－16)，发掘始于20世纪90年代。遗址剖面(N40°13．517＇，E114°39．844＇; Zhu et al．，2004)中包含了4个旧石器层，自上而下依次为半山石器层(BS，距剖面顶44．3～45．0m)和马圈沟－Ⅰ(MJG－Ⅰ，距剖面顶65．0～65．6m)、马圈沟－Ⅱ(MJG－Ⅱ，距剖面顶73．2～73．56m)、马圈沟－Ⅲ(MJG－Ⅲ，距剖面顶75．0～75．5m)石器层。其中MJG－Ⅲ层沉积物中含大量贝壳、水生植物叶片和果实，指示了低能湖滨或沼泽环境。连续的湖相细粒沉积物为磁性地层学研究提供了良好的物性前提，丰富的动植物化石和末次间冰期以来的地层序列则为地磁极性序列的解释提供了必要约束。

图8－16　泥河湾古人类遗迹研究位置图
(据Zhu et al．，2004简化)

8.6.3　平行剖面的意义和采样间隔的选择

本例研究采用了“平行剖面”的方案。平行剖面不仅能够增强古地磁记录的可信度，同时也能补充单一剖面地质记录的不足。马圈沟剖面虽然保存了4个石器层，但剖面顶部却遭受了剥蚀，下部出露层位也比较浅。研究者(Zhu et al．，2004)在马圈沟剖面沟底打了两口竖井，将采样的地层向下延伸至距剖面顶95．6m的深度;同时，在马圈沟剖面之南约1500m处安排了一条平行剖面，称为郝家台剖面。平行剖面(可以)不含石器层，但有足够的沉积学标志使其和马圈沟剖面可靠对比:其一是代表同一沉积事件的砾石层，其二是含有软体动物化石的一个黏土层。郝家台剖面不仅保存有研究区完整的湖相地层序列，也完好地保存了上覆的类风成沉积物、黄土和土壤系列。从古地磁学角度考虑，平行剖面的布置能够大大降低偶然因素(例如，地下流体活动、生物扰动等)干扰剩磁记录的风险，是现代高分辨率磁性地层学研究的规范性选择。朱日祥等此前对泥河湾盆地“小长梁遗址”的研究也选择了一个平行剖面(“洞沟”剖面)，弥补了小长梁剖面地层延深方面的不足(Zhu et al．，2001)，亦是很好的实例。

采样间隔的制定一般是在总结研究经验的基础上逐渐加密完成的，间距过大常常会漏掉延时短的极性间隔，采样过密则增加不必要的工作量。Zhu et al．(2004)选取20cm的取样间隔，是基于对Jaramillo、Olduvai等较短极性亚时带地层厚度的估计。其结果是不但建立了包括这两个亚时在内的磁性地层序列，还发现了与Punaruu、Cobb Mountain大体对应的更短的两个极性事件。这一细节对加强对比和解释的可信度起到了促进作用，对准确厘定倒转界面、估算沉积速率也有重要意义。

8.6.4　古地磁工作的技术要点

由于本例是朱日祥等发表在Nature的一篇论文，部分古地磁学的技术细节描述于论文的附件中(Zhu et al．，2004)。在研究中，每块参与解释的样品都经过了系统热退磁或交变退磁处理，剩磁测量在超导磁力仪上完成，样品的退磁和测量是在环境磁场小于300nT的磁屏蔽室里进行的。退磁数据经过了主成分分析，Z氏图展示了良好的退磁特征(例如，稳定的高温分量、清楚的反向磁化低温分量等)。在岩石磁学方面，研究者首先开展了磁化率各向异性研究，样品揭示了未经扰动的沉积组构特征;样品的磁滞参数显示了携磁矿物以似单畴为主的颗粒尺寸特征，这些岩石磁学特征都是样品能够保存原生剩磁的有利条件。

8.6.5　综合地层学分析和磁性地层学解释

研究者利用解释的原生剩磁方向计算了虚地磁极(VGP)的纬度，然后根据虚地磁极的纬度判断极性并建立了两个剖面的地磁极性序列(图8－17)。

在郝家台剖面建立了4个极性带(N1，0～49m;R1，49．0～75．8m;N2，75．8～80．2m;R2，80．2～128．8m)、马圈沟剖面建立了5个极性带(R1，0～17．2m;N2，17．2～22．0m;R2，22．0～85．0m;N3，85．0～90．5m;R3，90．5～95．6m)。将这两个剖面建立的极性序列和当时较好的地磁极性年表(Berggren et al．，1995)对比，根据郝家台剖面上覆的类风成沉积物、马兰黄土和全新世土壤层沉积序列以及两个剖面丰富的古生物化石组合提供的约束，研究者认为两个剖面上的N2对应了Jaramillo极性亚时，马圈沟剖面上的N3对应了Olduvai极性亚时，郝家台剖面上的N1对应了最年轻的布容极性时。R1、R2和R3分别对应于松山反向极性时内由新到老的几个时段。显然，根据R2可以估算出这一时段的沉积速率，然后分别算出BS、MJG－Ⅰ、MJG－Ⅱ、MJG－Ⅲ的年龄分别是1．32Ma、1．55Ma、1．64Ma、1．66Ma。同样的方法也可估计出e1、e2两个短的极性事件的年龄分别为1．16Ma、1．24Ma，与Punaruu、Cobb Mountain两个极短亚时(或隐时)的年龄也大体相当。这一成果从多方面努力，将对半山遗址和马圈沟遗址年龄的估计达到了万年级误差的精确度。

8.6.6　成果意义

图8－17　泥河湾盆地马圈沟旧石器遗址磁性地层学综合成果图
(Zhu et al．，2004)
GPTS据Berggren et al．，1995;注意两个平行剖面的可对比层

位于同一地点的马圈沟剖面保存了古人类在约34万年间的4次居住遗迹，科学家利用磁性地层学方法为我们刻画了中国北方高纬度人类最初家园沧桑变化的大周期。约1．66Ma的MJG－Ⅲ迄今仍然是在泥河湾盆地发现的最老的旧石器遗址，它比在黄土高原其他地点发现的公王岭遗址(An＆Ho，1989)、西侯度遗址(Zhu et al．，2003)老约40万年。MJG－Ⅲ与处在同一纬度上著名的格鲁吉亚德玛尼西遗址(Dmanisi，约N41．3°，E44．1°)的年龄(约1．7Ma;Gabunia et al．，2000)似乎基本相当。磁性地层学方法在确定德玛尼西遗址年龄方面也起了关键作用，遗址的年龄被限制在Olduvai亚时结束后不久(Gabunia et al．，2000)。但从地层发育条件和古地磁数据本身来看，德玛尼西遗址磁性地层学年龄控制的精度不及泥河湾的MJG－Ⅲ。

上述成果为建立古人类遗址年代序列、了解古人类定居方式和迁徙路线、探索古人类演化与第四纪气候变化的关系等重大科学问题的研究提供了关键性的证据，也为磁性地层学的应用性研究提供了良好的范例。

参考文献

张世红，王训练，朱鸿．碳酸盐岩磁化率与相对海平面变化的关系——黔南泥盆石炭系例析［J］．中国科学(D辑)，1999，29(6):558－566．

张世红．偏极性现象研究及其地球动力学意义［J］．地学前缘，1998，5(Suppl．):175－183．

朱日祥，黄宝春，潘永信，等．岩石磁学与古地磁实验室简介［J］．地球物理学进展，2003，18(2): 177－181．

许靖华．地学革命风云录［M］．1版．何起祥，译．北京:地质出版社，1985:1－175．

Alvarez W，Arthur M A，Fischer A G et al．Upper Cretaceous－Paleocene magnetic stratigraphy at Gubbio，Italy．V．Type section for the late Cretaceous－Paleocene geomagnetic reversal time scale［J］．Geological Society of America Bulletin，1977，88:383－389．

An ZS，Ho CK．Newmagnetostratigraphic dates of Lantian Homo erectus［J］．Quat．Res．，1989，32:213－221．

Anonymous．Magnetostratigraphic polarity units－A supplementary chapter of the ISSC international stratigraphic guide［J］．Geology，1979，7:578－583．

Berggren W A，Kent D V，Swisher CC etal．A revised Cenozoic geochronology and chronostratigraphy．in Geochronology，Timescales，and Stratigraphic Correlation［M］．SEPM Spec．Publ．，1995，54:129－212．

Berggren W A，Kent D V，Flynn J J et al．Cenozoic geochronology［J］．Geological Society of America Bulletin，1985，96:1407－1418．

Butler R F．Paleomagnetism:Magnetic domains to geologic terranes［M］．Bostoh:Blackwell Scientific，1998:1－237．

Cande SC，Kent D V．A new geomagnetic polarity time－scale for the Late Cretaceous and Cenozoic［J］．Journal of Geophysical Research，1992，97:13917－13951．

Cande SC，Kent D V．Revised calibration of the Geomagnetic Polarity Time Scale for the Late Cretaceous and Cenozoic［J］．Journal of Geophysical Research，1995，100:6093－6095．

Channell JE T，Erba E，NakanishiM etal．Late Jurassic－Early Cretaceous time scales and oceanicmagnetic anomaly blockmodels［C］．//Berggren W A，Kent D V，Hardenbol J(eds．)，Geochronology，Time Scales and Global Stratigraphic Correlation．Publication，1995，54:51－63．

Cox A，Doell R R，Dalrymple G B．Geomagnetic polarity epochs and Pleistocene geochronometry［J］．Nature，1963，198:1049－1051．

Gabunia L，Vekua A，Lordkipanidze D et al．Earliest Pleistocene hominid cranial remains from Dmanisi，Republic of Georgia:taxonomy，geological setting，and age［J］．Science，2000，288:1019－1025．

Gradstein FM，Ogg JG，SchmitzM etal．The Geologic Time Scale 2012 2－Volume Set(Vol．2)．Elsevier，2012．

Hailwood E A．Magnetostratigraphy［M］．Blackwell Science Incorporated，1989，19．［黑尔伍德．磁性地层学．舒孝敬(译)，郭武林(校)，袁方(审)．北京:地质出版社，1991:1－161．］

Harland W B，Cox A V，Llewellyn P G et al．A geologic Time－scale［M］．Cambridge:Cambridge University Press，1982:1－131．

He H，Pan Y，Tauxe L etal．Toward age determination of the M0r(Barremian－Aptian boundary)of the Early Cretaceous［J］．Physics of the Earth and Planetary Interiors，2008，169:41－48．

Heirtzler JR，Dickson G O，Herron E M et al．Marine Magnetic Anomalies，geomagnetic field reversals，and motions of the ocean floor and continents［J］．Journal of Geophysical Research，1968，73:2119－2136．

Hilgen F J，Krijgsman W，Langereis C G et al．Breakthrough made in dating of the geological record［M］．EOS，Transactions of the AGU，1997，78:285，288．

Khramov A N．Paleomagnetism and Stratigraphic Correlation(in Russian)，Gostoptech，Leningrad，Russia，(English translation by Lojkine A J，Geophys．Dept．，Australian Natl．Univ．，Canberra，Australia)，1958．

Kirschvink JL．The least－squares line and plane and the analysis of palaeomagnetic data［J］．Geophysical Journal of the Royal Astronomical Society，1980，62(3):699－718．

Kodama K P，Hinnov L A．Rock Magnetic Cyclostratigraphy［M］．John Wiley＆Sons Ltd，2014:1－165．

LaBreque JL，Kent D V，Cande SC．Revised magnetic polarity time scale for Late Cretaceous and Cenozoic time［J］．Geology，1977，5:330－335．

Langereis C G，Krijgsman W，Muttoni G et al．Magnetostratigraphy－concepts，definitions，and applications［J］．Newsletters on Stratigraphy，2010，43:207－233．

Larson R L，Hilde TW C．A revised time scale ofmagnetic reversals for the Early Cretaceous and Late Jurassic［J］．Journal of Geophysical Research，1975，80:2586－2594．

Lowrie W．Identification of ferromagnetic minerals in a rock coercivity and unblocking temperature properties［J］．Geophys Res Lett，1990，17(2):159－162．

Matuyama M．On the direction ofmagnetisation of basalt in Japan，Tyosen and Manchuria［J］．Proceedings of the Imperial Academy，1929，5(5):203－205．

McElhinny M W，McFadden P L．Paleomagnetism，continents and oceans［M］．San Diego:Academic Press，2000:1－386．

Merrill R T，McElhinny MW，McFadden P L．Themagnetic field of the Earth:Paleomagnetism，the core，and the Deep Mantle［M］．San Diego:Academic Press，1996:1－531．

Ogg J G．Geomagnetic polarity time scale．［M］//Felix M．Gradstein，James G．Ogg，Mark Schmitz and Gabi Ogg．The Geologic Time Scale 2012．Published by Elsevier B．V．，2012．

Ohno M，Hamano Y．Geomagnetic poles over the past 10 000 years［J］．Geophys．Res．Lett．，1992，19:1715－1718．

Opdyke N D，Channell JE T．Magnetic stratigraphy［M］．San Diego，USA:Academic Press，1996:1－346．

Strik G，Blake T S，Zegers T E et al．Palaeomagnetism of flood basalts in the Pilbara Craton，Western Australia: Late Archaean continental driftand the oldest known reversal of the geomagnetic field［J］．Journal of Geophysical Research，2003，108:2551．doi:10．1029/2003JB002475．

Tauxe L．Essentials of Paleomagnetism［M］．University of California Press，2010:1－512．［on－line version at http://magician．ucsd．edu/Essentials/index．htm l］．

Thompson R，Oldfield F．Environmentalmagnetism［M］．London:Allen＆Unwin．1986:1－227．

Tominaga M，SagerW W．Revised Pacific M－anomaly geomagnetic polarity timescale［J］．Geophysical Journal International，2010，182:203－232．doi:10．1111/j．1365－246X．2010．04619．x．

Tominaga M，Sager W W，Tivey M A etal．Deep－towmagnetic anomaly study of the Pacific Jurassic Quiet Zone and implications for the geomagnetic polarity reversal time scale and geomagnetic field behavior［J］．Journalof Geophysical Research，2008，B07110(113)，20．doi:10．1029/2007JB005527．

Van der Voo R．The reliability of paleomagnetic data［J］．Tectonophysics，1990，184(1):1－9．

Vine F J，Matthews D H．Magnetic anomalies over ocean ridges［J］．Nature，1963，199:947－949．

Wu Huaichun，Zhang Shihong，Hinnov L A et al．Cyclostratigraphy and orbital tuning of the terrestrial upper Santonian－Lower Danian in Songliao Basin，northeastern China［J］．Earth and Planetary Science Letters，2014，407:82－95．

Zhu R X，An Z S，Potts R et al．Magnetostratigraphic dating of early humans in China［J］．Earth－Science Reviews，2003，61:341－359．

Zhu R X，Hoffman K A，Potts R et al．Earliest presence of humans in northeast Asia［J］．Nature，2001，413: 413－417．

Zhu R X，Potts R，Xie F et al．New evidence on the earliest human presence at high northern latitudes in northeast Asia［J］．Nature，2004，431:559－562．

Zhu R X，Tschu kang kun．Studies on Paleomagnetism and reversals of Geomagnetic field in China［M］．Beijing: Science Press，2001:1－168．

关键词与主要知识点－8

磁场强度magnetic field intensity

感应磁化强度M—induced magnetization

磁化率χ—magnetic susceptibility

抗磁性diamagnetism

顺磁性paramagnetism

铁磁性ferromagnetism

亚铁磁性ferrimagnetism

反铁磁性antiferromagnetism

磁化曲线magnetization curve

磁滞回线hysteresis loop

磁性地层学magnetostratigraphy

地磁场geomagnetic field

轴向中心偶极子模型GAD—geocentric axial dipole

国际地磁参考场IGRF—international geomagnetic reference field

地磁极geomagnetic pole

虚地磁极VGP—virtual geomagnetic pole

长期变secular variation

矫顽力coercive force

饱和磁化强度saturationmagnetization

饱和磁场saturation field

饱和等温剩磁saturation isothermal remanentmagnetization

采点site

标本sample

样品specimen

单畴颗粒SD—single domain

似单畴颗粒PSD—pseudo single domain

多畴颗粒MD—multidomain

磁组构magnetic fabric

天然剩余磁化强度NRM—natural remanent magnetization

热剩余磁化强度TRM—thermal remanentmagnetization

碎屑剩余磁化强度DRM—detrital remanentmagnetization

化学剩余磁化强度CRM—chemical remanentmagnetization

黏滞剩余磁化强度VRM—viscous remanentmagnetization

非磁滞剩余磁化强度ARM—anhysteretic remanent magnetization

等温剩余磁化强度IRM—isothermal remanent magnetization

逐步退磁stepwise demagnetization

主成分分析main component analysis

野外检验field test

褶皱检验fold test

烘烤接触检验baked contact test

砾石检验conglomerate test

倒转检验reversal test

一致性检验consistency test

正向极性normal polarity

反向极性reverse polarity

地磁极性年表GPTS—geomagnetic polarity time scale

大洋磁异常marinemagnetic anomalies

极性超时polarity superchron

极性时polarity chron

极性亚时polarity subchron

极性隐时polarity cryptochron

极性超时带polarity superchronozone

极性时带polarity chronozone

极性亚时带polarity subchronozone

极性超带polarity superzone

极性带polarity zone

极性亚带polarity subzone

磁性带magnetozone