岩心作为地下地质信息的直接载体,包含裂缝成矿、古应力、古水流方向等重要地质信息(Dengetal.,2013;Geetal.,2017).然而大部分岩心在从钻孔提取时已经发生旋转,导致其方向性信息无法直接被利用,因此其重定向意义重大.作为恢复板块运动历史、重建全球气候变化和揭示地球内部过程等重大地质问题的主要手段之一(Dunlop,2002;刘青松等,2007;Tauxe,2010;Liuetal.,2012),以矢量方向特性的地磁场为研究基础的古地磁学也是一种重要的岩心重定向方法(谈晓东等,1994;孟小红和周海民,1997).由于古地磁方法不仅在成本上较摄影工具、钻孔成像技术、倾角仪、全岩心扫描技术等方法低,而且其数据精度也能够得到保证(谢基海等,2019).近年来,随着古地磁学的不断发展,应用古地磁技术对岩心进行重定向的这一方法越来越受到学者的重视(杨振宇和Moreau,1998;李学森等,2006;韦乐乐等,2013).

古地磁学岩心定向的基本原理是岩心的黏滞剩磁分量方向与现代地磁场方向在统计意义上一致,而岩心的高温剩磁分量方向与岩石形成或重磁化时的地磁场方向一致(朱岗崑,2005).古地磁学岩心定向的关键在于:(1)是否能够有效提取剩磁矢量;(2)能否将旋转后的天然剩磁矢量方向恢复至岩心原始状态.通过对岩心样品进行逐步热退磁或交变退磁(Butler,1992;Tauxe,2010),可分离提取岩心的低温黏滞剩磁分量和高温特征剩磁分量.通过坐标转换可将岩心样品由样品坐标系校正到地理坐标系,将地理坐标系下的低温黏滞剩磁分量方向与现代地磁场方向对比,高温特征剩磁分量方向与当时地磁场方向进行对比,即可实现岩心定向(杨斌谊等,2003).因此古地磁学岩心定向最为常用的是黏滞剩磁和特征剩磁校正(侯守信和田国荣,1999),此外也可采用其他的次生剩磁,但对该次生剩磁的准确年龄要求较高(HailwoodandDing,1995).此外,韩非等(2017)指出在特定情况下可使用特征剩磁进行岩心重定向,但在构造复杂的地区其应用存在困难.

过去应用古地磁学实现岩心定向的前提是(谈晓冬等,1994;朱日祥等,2003;周亚楠等,2015;韩非等,2017):(1)钻孔近于垂直;(2)地层近于水平.然而实际钻井中存在大量斜井,对于斜井岩心定向,除了李学森等(2006)水平取样下依据等面积图内D、I扫描推导了斜井岩心定向算法和刘敬寿等(2015)通过岩层产状法推导了斜井岩心坐标转换公式,其余理论研究较少.并且前人主要集中于对华北东北地区的钻孔开展研究,而对岩浆岩变质强烈、热液蚀变机理复杂的华南地区,古地磁学定向方法鲜有研究.使得该地区岩心裂隙方位和地下成矿构造属性的解译存在困难,一定程度降低了华南地区固体矿产的勘探效率(Minetal.,2005).

此外,由于古地磁学设备主要针对地表露头采样而设计,对于普遍较细(直径约30mm)的华南地区岩心古地磁样品的精确采集,目前古地磁设备所使用的钻机、太阳罗盘、定向仪及相关处理软件均无法适用.现在处理岩心磁学样品时,多使用非专业古地磁设备,如台钻、线切割机等,其加工效率和误差无法估计,影响了古地磁数据的准确采集.再者,因微古地磁系统设备的缺乏,对岩心古地磁样品的采集被限制于对垂直钻孔的定向采集(李学森等,2006;韩非等,2017),而对华南地区普遍的多裂隙、强变质岩心样品仍然难以处理.因此亟须设计一套专用微古地磁设备系统,能够满足华南地区岩心古地磁学样品处理需求.

综上,本研究即在古地磁学基本理论框架下,在前人无定向岩心的剩磁矢量恢复基础上,基于相关古地磁学剩磁理论,设计制作相关设备,形成一种无定向岩心的剩磁恢复进而重新定向的新方法;并以华南矿田岩心样品为研究对象,对研究方法进行检验;最终对这种古地磁学定向新方法的进一步提升和拓展应用提出展望.

1、理论基础

1.1 数学基础

磁力仪对岩石样品的测量是基于偶极子场形态测量的,在远离坐标原点一定距离时,圆柱体古地磁样品磁场接近磁偶极子场的程度,仅取决于圆柱体的底面直径与柱高之比(葛坤朋等,2011;Collinson,2013).因此等比例缩小柱体体积,将不会影响磁偶极子场测量,唯一问题在于缩小后的柱体体积总磁矩是否可以被准确测量.随着古地磁仪器的进一步发展,超导磁力仪的灵敏度已经达到10-12Am2(朱日祥等,2003),足以满足钻孔古地磁小样品的测量需求.

考虑到黏滞剩磁一般为阻挡温度300℃以下剩磁组分,相当于近十万年来地磁场平均作用方向(Butler,1992),故黏滞剩磁矢量方向在统计上应与现今平均地磁场方向(地理北极)一致,而特征剩磁在统计上应与该地区同时代古地磁极对应磁场方位一致,因此可通过对比黏滞剩磁或特征剩磁矢量及其参考方向,将磁参数转换到地理坐标系上(图1).具体包括:(i)微古地磁样品坐标系到固定测量仪坐标系的转换;(ii)固定测量仪坐标系到岩心坐标系的转换;(iii)岩心坐标系的旋转变换(搜索旋转角度ω);(iv)旋转岩心坐标系到地理坐标系的转换.

设(X0,Y0,Z0)是微古地磁样品坐标系,样品方位角为φ,样品倾角为θ,(X1,Y1,Z1)是固定测量仪坐标系,基于两者的关系有

通过以上四次坐标变换,得到地理坐标系下磁化强度矢量M4,单位矢量为EM4,设参考地磁场磁化强度单位矢量为Eref.则通过检索旋转角度ω,求取min[(EM4-Eref)2]时的最佳旋转角度ωp即可获得最接近参考地磁场方向的磁化强度矢量(特征剩磁或黏滞剩磁)的旋转角度.此时,将原始岩心样品按照标志线顺时针旋转ωp,即将岩心恢复到了原位.

需要注意的是,由于早期钻孔岩心经过搬运震动或者实验时错误标记可能导致岩心反向放置,影响岩心的复位和对剩磁方向的判断.判断岩心是否反向放置,可考虑黏滞剩磁的磁化方向最小原理,即磁化强度方向倾向于沿着磁场方向磁化,原位黏滞剩磁与地磁场方向不大于90°的可能性最大.此时可以考虑第(iii)次坐标变换即旋转扫描时,360°扫描情况下参考矢量M3的均值M¯¯¯¯

3,Mref〉大于90°,则判定为反向放置.此时有两种复位方式:其一求取max[(EM4-Eref)2]的角度ωp.实际操作中需要将岩心按原心对称调转180°,并将原始岩心样品按照标志线逆时针旋转ωp,即将岩心恢复到了原位;其二是在第二次坐标变换向量M2变更为-M2,依次进行第(iii)、(iv)次坐标变换,搜寻min[(EM4-Eref)2]情况下的ωp,实际操作中将岩心按原心对称调转180°,并将原始岩心样品按照标志线顺时针旋转ωp,同样可实现岩心复位.

对于原始特征分量ChRM的获取,可将其三分量按照上述进行第(i)和(ii)次坐标变换,随即旋转ωp角度后,进行地理改正后的结果即为原位特征分量.

1.2 装置设计

在使用水冷充电钻机搭配无/弱磁微钻头对野外露头进钻完毕后,需要对微古地磁样品进行定向和取样.由于古地磁专用太阳罗盘设备仅适用于标准古地磁取样,因此需要设计太阳罗盘连接器(图2),搭配太阳罗盘进行样品定向.在使用铜丝刻画标志线后,使用设计制作的无磁取样器(如铜制)进行取样.取出来的样品,可直接用作一些古地磁学实验(如地磁古强度)测量;或定向放入自制标准石英盒(方形盒和柱状盒)中,形成可用于古地磁学标准实验的样品.

图1古地磁小样品和岩心样品坐标系,包括古地磁小样品(a)和小样品在岩心样品中坐标系(b)以及岩心样品在地层下的坐标系(c).其中(a)到(b)为小样品坐标系到固定测量仪的转换;(b)到(c)为固定测量仪到岩心坐标系的转换;(c)的旋转扫描为岩心坐标系的旋转变换;旋转后(c)的地理改正为岩心坐标系到地理坐标系的转换

图2太阳罗盘连接器(a)、取样器(b)及岩心固定测量仪(c)示意图,其中各单元部件分别为:1.太阳罗盘对接线;2.微钻孔套管;3.标志线刻画孔;4.固定套;5.太阳罗盘套管;6.标准样品模型;7.太阳罗盘插槽;8.取样器壁;9.取样器套管;10.支撑板;11.旋转式水平调节件;12.下卡槽;13.下底座;14.上卡槽;15.方位标志线;16.上底座;17.岩心基准线;18.螺纹孔

在本项目中,因样品采集于无定向的岩心上,因此需要将岩心样品按一定方向放置,并标记用于恢复岩心方位的预旋转标志线,才能逐步恢复其原始方位.通过设计制作岩心微古地磁固定测量仪(图2),将岩心样品固定于测量仪上卡槽5和下卡槽9中,保证方向标志线10指向北方向,岩心基准线8与岩石预旋转标志线对齐,随后进行微古地磁定向和采集.

2、实际应用

因研究获得的方法对处理复杂、破碎地区的岩心钻孔具有重要应用价值,因此本文在华南铀矿床地区进行了应用测试.

2.1 华南铀矿床地区地质简介及研究对象

华南铀成矿省是我国脉型铀矿分布最密集的铀矿省.在该成矿省江西、广东境内,以及赣粤、赣湘粤、赣闽、湘粤交界处已发现多处火山岩型、花岗岩型铀矿田,如相山矿田、下庄矿田等(Huetal.,2008).其中下庄铀矿位处于贵东岩体东部,华夏古陆西缘,岩性以燕山期侵入的中粒黑云母花岗岩为主体,其次为边缘相的白云母花岗岩(图3).区域内构造亦十分发育,断裂带呈NNE向展布,下庄矿田铀矿床的产出即受到该断裂带控制.该地区中基性岩脉极为发育,广泛出露后期侵入的辉绿岩,呈NWW方向展布.辉绿岩脉、硅化断裂带、花岗岩围岩在热液作用下,最终形成了以辉绿岩脉和硅化断裂带交点成矿的“交点型”为主要类型的铀矿床(Geetal.,2017).

本研究陆续采集了下庄地区湖子北、对山、小水等地区8个“交点型”铀矿钻孔的辉绿岩脉岩心样品64块(图4),编号为J1-8,随即使用本文研究装置定向采集加工为80块圆柱状古地磁学小样品.根据偶极子效应(Collinson,2013),保证高径比等同于标准样品(～0.8).经线切割机处理后,小样品尺寸为高～0.8cm,底面直径～1cm,随即装入标准样品陶瓷盒子(高2cm,底面直径2.54cm),形成标准样品.同时准备一组平行样品研磨成粉末,进行相关岩石磁学测试.

2.2 岩石磁学方法

室温岩石磁学测量使用了中科院地质与地球物理研究所古地磁与年代学实验室VSM3900振动样品磁力仪进行.磁滞回线和一阶反转曲线(FORC)的测量设置最大外加场为1～1.5T,可同时获得Mrs,Ms,Bc等磁滞参数.随即测量反向场退磁曲线,以获得剩磁矫顽力Bcr.

样品的磁化率(-T,质量归一化)随温度变化曲线应用MFK-FA磁化率仪及其CS-4温度控制系统测量.所有样品的最高加热温度700℃,温度梯度为2℃·min-1,为避免样品在加热过程中氧化,测量均在氩气环境中进行,氩气流量为50mL·min-1.

三轴热退磁实验使用2G660脉冲磁化仪沿样品Z,Y和X轴分别施加2.5T,0.5T和0.15T磁场,然后使用MMTDSC热退磁炉进行逐步热退磁,并在每步退磁后使用2G760超导磁力仪进行测量.

利用MPMS5XL低温磁性测量系统对样品进行低温测量.首先在零场中降温到10K,然后使样品在2.5T的外场下获得SIRM.逐渐升温到300K,升温梯度为5K·min-1,测量低温下饱和剩磁随温度的变化.

图3下庄地区地质构造示意图及取样钻孔位置(修改自Geetal.,2017).图中简称NCB:华北地块;YB:扬子地块;CB:华夏地块

图4预采集下庄岩心样品及部分在研器件的使用图.即使用实验室台钻(a)在水中对岩心样品进行进钻(b),对钻取的古地磁小样品(c)进行原位岩心定向(d),随后放入托盘进行系统标记(e),最后置于标准样品的陶瓷盒子等待测量(f)

2.3 古地磁学方法

古地磁学实验使用古地磁与年代学实验室TD-48热退磁炉进行逐步热退磁.TD-48炉内残余磁场在10nT以下,温度控制误差小于±2℃.退磁采用热退磁方法,退磁温度段设计为NRM,60,80,100,120,150,200,250,300,350,400,450,500,525,560,570,575,585℃,随即使用2G755超导磁力仪进行磁化强度矢量的实验测量.获得数据使用主成分分析法进行运算,获取初始的M,D,I等参数.

3、实验结果

3.1 岩石磁学结果

样品常温磁学特性如图5所示,样品J3-1磁滞回线具有一定顺磁特征,顺磁校正后显示出假单畴(PSD)或多畴(MD)行为,其FORC曲线显示相互作用场展布较宽,呈现近MD特征.而样品J6-5含有更多的顺磁组分,其铁磁组分的饱和磁化强度较低,但显示出更高的矫顽力Bc和剩磁比Mrs/Ms.其FORC曲线能见到更多同心轮廓,相互作用场仍有展布,整体呈现出细颗粒PSD特征.

图5典型样品磁滞回线和FORC图

典型样品的高低温磁学实验如图6所示,三轴退磁实验显示样品J3-1具有明显的三种磁性矿物组分,其中软磁性组分载磁最高,在约600℃磁性退尽.磁化率加热曲线,在升温初期曲线平直,样品在580℃时磁化率出现明显下降,具有MD特征.低温SIRM获得曲线显示120K左右的Verwey转化,证实磁铁矿为主要软磁性载磁组分.对于样品J6-5,仍以软磁性组分载磁最高,但该组分在300～400℃快速降低,显示主要载磁矿物可能为磁黄铁矿等铁硫化物.热磁曲线和SIRM获得曲线显示样品仍含有少量磁铁矿.

综上岩石磁学结果,可以认为所采集辉绿岩样品主要分为两类,第一,以MD磁铁矿颗粒为主要载磁矿物的新鲜辉绿岩样品,其可能包含赤铁矿等硬磁组分,样品具有较强的铁磁性特征;第二,以磁黄铁矿为主要载磁矿物的弱蚀变辉绿岩样品,并含有少量PSD磁铁矿颗粒,样品的超顺磁性可能来源于黄铁矿化的作用.

3.2古地磁学结果

经过系统的热退磁实验,可获得岩心样品天然剩磁的热退磁曲线.在筛除了主成分分析法MAD大于20°的磁学数据后,共计获得了56个可以提取黏滞剩磁和特征剩磁的样品.典型热退磁曲线如图7所示,Z氏图主要显示低温和中高温两个分量.样品在300℃以下可以分离出较稳定的黏滞剩磁,其强度可达到天然剩磁总强度的20%～40%.300℃以上至500～585℃可以分离出中高温分量.在基于黏滞剩磁的坐标转换校正后,古地磁偏角明显变小,接近现代场平均方向,但古地磁视倾角变化并不显著.

黏滞剩磁在进行坐标转换校正前,在等面积投影图呈现较分散的状态,但并非完全分散(图8).这是由于当测斜倾角为90°,即岩心直立时,倾角应统一接近于现代场角度.而实际测斜倾角较高,为～75°,因此岩心取出时已经发生无定向旋转,但仍有一定集中性.在基于现代场的坐标转换后,黏滞剩磁实现了与现代场最为接近的旋转,改正后的磁偏角接近0°,而倾角则在现代场倾角附近均匀分散.特征剩磁在坐标转换校正前,同样呈现较分散的状态.在进行基于黏滞剩磁方向的坐标转换后,置信圆半径明显变化,显示数据一定程度的聚集,并且统计平均值偏离了原来的方位.

图6典型样品的三轴热退磁、

4、讨论与展望

4.1 岩心重定向的古地磁学新方法及意义

本重定向方法对任意岩心的定向须结合所设计装置、古地磁学实验和基于1.1节的Matlab数据处理程序协作完成.具体的步骤为:(i)沿钻孔岩心柱面标记岩心标志线,并固定于岩心固定测量仪上(图2c)进行台钻或电钻进钻,使用太阳罗盘结合连接器(图2a)进行定向并用铜丝刻线,随即用岩心小样品取样器(图2b)取出;(ii)根据岩石磁学鉴定样品载磁矿物的主要特征,将小样品套入标准样品盒,使用超导磁力仪进行标准古地磁学实验,获取热退磁曲线,使用主成分分析法提取黏滞剩磁(Dv,Iv)和特征剩磁方位(Dc,Ic);(iii)编制包括钻孔测斜方位角和倾角、岩心小样品坐标系方位角和倾角、黏滞剩磁和特征剩磁D、I方位的基本数据表;(iv)使用本文编制的Matlab数据处理程序调用数据文件,进行基于现代场方位的四次坐标变换,可获得钻孔岩心标志线的应旋转角度ωp,实现对倾斜岩心的重定向.

本定向方法的优势在于:(i)能够处理垂直岩心和倾斜岩心的重定向问题;(ii)能够实现岩心任意位置的小样品钻取定向和取样,可以有效规避裂隙,对复杂构造下的破裂岩心重定向具有显著的优势;(iii)能够处理特殊岩心样品,如丢失顶底方向的老岩心,可以通过古地磁学方法判断并恢复方位.特别是对于早期缺乏精确钻井成像技术的钻井,并且钻孔已经填埋或塌陷的情况,能够对老岩心样品进行重定向.而本方法局限性仅在于古地磁学本身的精确性,特别是需要进行精细岩石磁学对岩心样品的载磁性质进行判定,对黏滞剩磁和特征剩磁方向进行准确提取.

图7典型岩心样品坐标校正前(a—f)后(a′—f′)的热退磁正交投影图,空心圆形(正方形)分别代表磁化强度矢量在垂直XZ面(水平XY面)的投影,虚线箭头代表VRM的方向

图8黏滞剩磁和特征剩磁校正前(a,c)和校正后(b,d)的等面积投影图

岩心定向后的古地磁学继续研究对于华南地区铀矿田勘探研究具有重要意义.将特征剩磁恢复至岩心原位方位,可对地下岩心样品进行传统古地磁学构造、应力展布、受热历史研究(Butler,1998;Parésetal.,2007),能够拓展华南地区古地磁学研究对象,加深对华南地区的构造成矿认识;通过精确的岩石剩磁测试,可得到华南铀矿田天然剩磁特征,厘定富矿构造的磁学属性,进而能够对磁法勘探异常进行正确的解释和反演研究;同时,结合岩心裂隙相对位置,可进一步确定岩心裂缝方向和破碎带走向,锁定铀矿成矿方位.

因此,在将来使用钻孔岩心重定向的古地磁学新方法及其后续传统古地磁学方法,通过对华南地区丰富钻孔岩心样品和资料的再研究,不仅能够圈定华南铀矿田深部成矿构造,而且在提高勘探效率的同时降低了铀矿深部找矿的成本,对地球物理深部探矿技术的改进有一定意义.

4.2 其他应用展望

由于古地磁学取样具有一定的通用性,开发出的微古地磁设备系统将同时适用于一般露头微古地磁学取样(图2a—b).将来的研究将进一步完善装置,匹配Matlab处理程序,形成与标准古地磁学样品及数据处理相对应的微古地磁样品数据采集和处理系统.这对于环境保护地区的样品(考古遗址、地质公园等)和难获取的样品(岩心样品、缺水地区样品、破碎样品、贵重样品等)的古地磁学、古强度学、岩石磁学、环境磁学、生物磁学定向取样都具有适用性(图10).因此本研究在古地磁学设备和技术手段的改善上具有重要应用前景.

图9特征剩磁ChRM经坐标变换后求取的VGP(五星)以及文献报道早白垩世VGP及其置信圆(A95)

5、结论

本文通过提出一种基于古地磁学的斜井岩心自由定向的数据转换方法,编写成Matlab数据处理程序,配合设计相应的钻孔、定向和取样装置,实现了基于黏滞剩磁扫描的古地磁学岩心重定向.通过早白垩世古地磁极的一致性验证,将该新方法在华南铀矿地区得到了成功的初步应用,为进一步的钻孔磁学研究和华南铀矿田的深部找矿技术开发提供了新思路.结合装置在古地磁学中的适用性,本方法对古地磁学设备和技术手段的改善及其研究对象的拓展上具有重要应用前景.

图10实验研制的太阳罗盘连接器的应用及一般野外微古地磁取样．（a—b）使用手持钻机对野外露头进行原位进钻．因为钻样尺寸很小，可在不平整露头（c）进行成功取样，最后使用太阳罗盘连接器对接太阳罗盘进行定向取样（d)

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基金:国家自然科学基金项目(41964003,41964006,41974078);江西省自然科学基金资助项目(20192BAB202010)联合资助.