对古地理再造中古地磁方法的回顾与探讨

第23卷 第5期地 球 物 理 学 进 展Vol.23 No.52008年10月(页码:1431~1436)PROGR ESS IN GEOPH YSICSOct. 2008对古地理再造中古地磁方法的回顾与探讨朱利东1, 阚瑷珂2,3, 王绪本3, 罗 虹1,张 岩1, 龚建辉4, 王成善5(1.成都理工大学沉积地质研究院,成都610059; 2.西华师范大学国土资源学院,南充637002;3.成都理工大学信息工程学院,成都610059;4.四川省遥感信息测绘院,成都610100;5.中国地质大学地球科学与资源学院,北京100083)摘 要 古地磁数据的获取和应用是进行古地理再造的重要基础.同时,计算机技术的发展以及GIS 技术的推广,极大地推动了古地理再造方法的革新,为古地理再造提供了更加方便、高效的软件辅助平台.本文主要围绕古地磁数据资料、应用方法及软件开发等方面,对其发展历史与研究现状作一详细的回顾与探讨.关键词 古地理再造,古地磁,欧拉极,软件开发中图分类号 P318 文献标识码 A 文章编号 100422903(2008)0521431206Review and discussion of the paleomagnetic method inpalaeogeographic reconstructionZH U Li 2dong 1, KAN Ai 2ke 2,3, WANG Xu 2ben 3, LUO H ong 1,ZH ANG Yan 1, GONG Jian 2hui 4, WANG Cheng 2shan5(1.I nstitute of Sed imentar y Geolog y ,Cheng du University of T ech nology ,Cheng du 610059,China;2.Colleg e of Land Resour ces ,China W est N ormal Univer sity ,N anch ong 637002,China;3.College of I nf or mation Eng ineering ,Cheng d u Univer sity of Technolog y ,Chengd u 610059,China;4.Sichuan Sur veying and Map p ing Institute of Remote Sensing I nf ormation ,Chengd u 610100,China;5.School of the Earth Sciences and Resources,China Univer sity of Geolog y ,Beijing 100083,China)Abstr act Paleomagnetic data collection and application are the impor tant basis for palaeogeogr aphic reconstruction.The development of computer technology and t he popular izat ion of GIS gr eat ly promote the innovat ion of pa laeogeo 2graphic reconstruction,which provide a mor e convenient and efficient software platform.This paper r eview and dis 2cuss the histor y and cur rent st at us of palaeogeogr aphic r econstr uction focused on the paleomagnetic dat a,application method and softwar e development.Keywords palaeogeographic reconstruction,pa leomagnetic,Euler pole,softwar e development收稿日期 2007212215; 修回日期 2008203225.基金项目 国家重点基础研究发展计划973项目(2006CB701401)、现代古生物学和地层学国家重点实验室资助项目(063110)和同济大学海洋地质国家重点实验室基金联合资助.作者简介 朱利东,男,1965年生,黑龙江齐齐哈尔人,教授,博士,主要从事第四纪地质学和沉积学研究.(E 2mail:zhuld33@)0 引 言古地理/古大陆再造是全球构造研究的重要内容,古地理系列图是对地球板块构造演化史的重现方式,它们以/时间切片0(Time Slices)的形式描绘了现今各个大陆或地块在不同地质历史时期的相对位置和海陆关系.古地理再造依靠多学科、理论的综合研究,其中,古地磁成果的应用为大陆漂移和海底扩张提供了定量描述信息[1~3].20世纪50年代以来,随着古地磁学的发展以及板块学说的兴起,古地理再造的思想、方法和手段等均取得了重大进展[4],可靠的古地磁数据可以提供两个方面的资料:第一,用来确定大陆或地块的古纬度和古方位;第二,如果两个大陆(或地块)的极移曲线都比较完善,则可以利用极移曲线的拟合确定大陆(或地块)之间的相对位置[5].地 球 物 理 学 进 展23卷因此,古地磁数据的获取和应用是进行古地理再造的重要基础.同时,计算机技术的发展以及GIS 技术的推广,极大地推动了古地理再造方法的革新,为古地理再造提供了更加方便、高效的软件辅助平台.本文主要围绕古地磁数据资料、应用方法及软件开发等方面,对其发展历史与研究现状作一详细的回顾与探讨.1 古地磁数据的收集和管理20世纪50~60年代,古地磁研究的突破带来了古地磁数据的快速积累.我国从这一时期开始陆续有古地磁成果发表[6~8].但是,国内公开发表的大量古地磁数据都分散在一些研究论文或论著中,综合性的归纳整理不够;同时由于质量标准不统一,数据可信度也受到一定影响.到1988年底,林金录全面收集了有关中国公开发布的古地磁数据(1987,1988),这些数据基本满足了古地磁研究中的可靠性标准(minimum r eliability criteria)[9,10].在此基础上,陈国良等(1991)系统地收集了中国部分新生代古地磁数据.其数据的筛选标准为,样品进行了磁清洗处理或经过稳定性检验,以采点为单位统计得到本征剩磁矢量的偏差,倾角(I)不大于当地轴向地心偶极子磁场倾角的?10b ,偏角(D)不大于?30b [11].20世纪90年代以后,有关中国主要地块显生宙的古地磁数据的评价文献逐渐增多[12~16].进入21世纪后,随着古地磁研究的深入及其应用的广泛开展,古地磁数据的不断更新带来数据量的快速增长,同时,对以往数据的交叉、重复引用也引起了数据使用的冗余,甚至带来数据有效性降低,这给古地磁数据的统计,管理和应用都带来了困难,于是迫切需要引入计算机数据库来对其进行高效存储和分类管理.而古地磁数据具有空间分布的位置属性,地理信息系统(GIS)显然是对其进行管理的最佳平台.李朋武等(2002)利用A rcInfo8.0软件,建立了中国及邻区29个地块的古地磁数据库,总计汇编了1461个古地磁数据.在建库过程中,根据古地磁数据可靠性标准,考虑了岩石年龄的可靠性、标本数量、退磁和剩磁方向分析、限定磁化年龄的野外检验(尤其是倒转检验和褶皱检验)、构造校正、统计精度和重磁化的识别.未经退磁处理的数据被去掉,早期的一些数据被重要的、新采集的或较好的数据替代[17].全球古地磁数据库(Global Palaeomagnetic Da 2tabase,GPMDB)的建设和更新,更加促进了世界范围内对前人成果的引用和共享.1987年,IAGA(In 2ter national Association of Geomagnetism and Ae 2ronomy)工作组I 25(古地磁学)和I 26(岩石磁学)在IUGG (International U nion of Geodesy and Geo 2physics)大会上讨论了开发全球古地磁数据库的需要[18,19].最初的GPMDBv1.1由McElhinny 等(1990)在Oracle 关系型数据库上开发,涵盖了1979~1988年发布的1816个古地磁数据.GPMDB 每两年更新一次,1995年,GPMDB v3.1被移植到Access 2.0上[20,21].当前最新发布的版本为GPM 2DB v4.6,由西澳大利亚大学地球和地理科学学院的Pisarevsky 编辑,存储了1949~2004年发布的9259个古地磁数据.GPMDB 的数据库结构如图1.图1 GBMDB 数据库结构Fig.1 GBMDB database str uctureNGDC(N ational Geophysical Data Center )提供了IAGA Paleomagnetic Databases 的免费下载.挪威地质调查局(N GU )网站提供了对GPMDB 内容的在线访问,并提供了多种查询方法,包括磁极列表查询、岩石单位查询、文献查询和SQL 查询.此外,该网站还提供了一个数据库中引用的古地磁学杂志列表和一个地质时间列表.值得一提的是,Pisarevsky 和McElhinny(2003)对GPMDB v4.3(包含截至2002年3月发表的数据)作了可视化扩展,使用Avenue Script 在Ar cView 3.1上开发了全球古地磁数据管理平台,实现了古地磁数据的可视化管理、查询以及快速分析功能,进一步增强了全球古地磁数据在地质与构造研究领域的可用性[22].此外,Internet 在地学领域的广泛应用,给地学数据共享和交换带来了极大方便.20世纪90年代以来,很多单独的地磁数据库开始出现在互联网上,14325期朱利东,等:对古地理再造中古地磁方法的回顾与探讨但很多这样的数据并没有提交给世界数据中心(Wor ld Data Center s),导致数据越来越分散,因此,迫切需要一种专业、强大的搜索引擎来识别和搜寻这些分布于Web上的数据资源.Papitashvili et al., (2006)提出了虚拟全球地磁数据观测室(Virtual Global Magnetic Observatory,V GMO)的方案,并建立了首个原型.VGMO将信息交换从简单的文件传输方式(FTP)提升到高级的抽象层次,通过自组织数据节点建立了分布式数据库,将广泛分布于世界各地的地磁数据链接到一起[23]. VGMO方案给未来的古地磁数据收集、获取方式提供了一个可行的发展方向.2基于古地磁方法的古地理再造2.1原理和方法李翔、张玲华(1989)概括了利用古地磁数据建立古地理再造图的基本原理[24].首先确定某个地质历史时期相对稳定的古陆块体边界及其中心参考点,再确定各个块体当时的方位、古经度和古纬度;然后按照古经度、古纬度和古方位将陆块进行位移复原;最后用地图投影的方法绘制出古地理再造图.具体分3个步骤:(1)从地质研究角度判定各个古陆块的界线,进行必要的分离和拼合;(2)依据古地磁资料确定各个大陆原来的位置,需要用到3个参数:古经度、古纬度和古方位,这3个参数是以地块中心参考点进行测量的,其他点则根据与中心参考点的相对关系进行计算.金鹤生(1993)详细推导了利用古地磁资料计算测点古经纬度的数学方法[25].(3)古大陆位置的复原,这一过程主要涉及有限旋转与欧拉定律,以及相应的地图投影.其中关键点是关于欧拉极的求解和旋转.一般来说,可以依据对板块运动的实际观察结果来求得欧拉极.旋转操作即是根据各个陆块的现代坐标去计算它过去的坐标位置,计算过程中先采用地心坐标系(空间笛卡儿坐标,记为A(A x,A y,A z)),再将计算结果转换成大地坐标系(经纬度坐标,记为A(B,L)),最后进行地图投影.两种坐标系的转换关系如下[26]:A x=cosB cos L,A y=cosB sin L,A z=sin L.(1)设点A的坐标为A(A x,A y,A z),旋转后的坐标为A c(A c x,A c y,A c z),A c可用两个3@3矩阵R 相乘得到:A c=R@A,(2)其中R的值由欧拉极坐标E(E x,E y,E z)和旋转角8求得.2.2软件工具开发我国的古大陆再造图件编制工作始于20世纪70年代,当时仅限于引用和增加有关中国的一些资料[27].从20世纪80年代起,应用上述板块绕欧拉极旋转的原理,逐渐将计算机软件技术引入到古地理再造研究中.白云虹等(1984)用Basic语言编制了用于古地磁研究的古纬度绘图程序和板块有限旋转的绘图程序,它能根据古地磁数据绘制出板块的古纬度和古方位[28].1985年,王鸿祯教授领导开展的/微型计算机在地层、古地理、古构造自动成图中的应用0项目,首次使用计算机进行了较为系统的古大陆再造,并绘制出从震旦纪至古生代末的一系列概略图件.1996年的第30届国际地质大会展出了我国制作的全球古大陆再造系列图[24].近年来,国内研究人员已开始尝试建立古大陆再造地理信息系统的工作.赵玉灵等(2001)基于同位素年代学建立了古大陆再造地理信息系统(PCRGIS),采用Arc2 View GIS对现有数据进行集成、管理和分析,并利用GIS对所得图形进行维护和编辑.李朋武等(2002)在对云南西部三江地区主要地块的碰撞拼合历史研究中,在Ar cInfo8.0平台上开发了中国及邻区的古地磁数据库,并结合与构造活动相关的沉积记录和古生物地理信息,对华南、思茅、保山、缅泰、印支、拉萨和喜马拉雅地块进行了古纬度及纬度运移量的对比分析.陈晓洁(2003)在MapInfo平台上采用二次集成开发方式,以Visual Basic6.0为开发工具编写了古大陆再造软件,实现了对新元古代罗迪尼亚(Rodinia)超大陆,也即泛大陆Pangea-850Ma的全球古大陆再造图[29].国外的古地理再造研究,也经历了从早期单纯的古地理图件绘制到计算机辅助古地理再造软件开发的发展过程,出现了一大批专业的古地理再造软件工具.Bullard et al.,(1965)首次使用计算机进行了古大陆再造的尝试,用计算机图形模型描述了大陆和海盆演化的过程[30].Smith et al.,(1977)和Ziegler et al.,(1979)分别研究了中生代、新生代和古生代的古大陆再造计算机自动成图方法[31,32]. Duncan和T urcotte(1994)用C语言编写了一个简单板块运动程序模块,用于研究超大陆的形成和解体[33].这些早期的古地理再造软件虽然解决了球面1433地球物理学进展23卷坐标变换等算法问题,但由于工作平台简陋等一系列技术局限,在资源共享和成图标准化方面受到了很大限制.随着计算机软件技术的进步和计算机性能的增强,现在的古地理再造软件日趋成熟,功能也愈加强大,并表现出与GIS紧密结合的趋势. Scotese et al.,(1997)回顾了在U nix系统下开发的PaleoMapper,在苹果计算机上开发的PGIS/Mac,以及在IBM兼容机上开发的Paleo2GIS和Plate T racker等板块再造软件.这些软件逐步具备了古地磁数据管理、图形可视化编辑、设置各类地图投影等功能[34,35].目前世界上主要的古地理再造软件情况见表1.表1各类古地理再造软件及特性Ta ble1Softwar es of pa laeogeogr aphic reconstr uction and their fea tures 软件名称开发者特性描述Plate Track er for Win dows Eldridge Wals hScotes e绘制古地理再造图(至1100M a前),提供任何时间间隔的板块构造重建,并提供多种投影方式(Mercator、Molleweid e、Orthograp hic)Point T racker for Windows Scotes e 给定现在坐标点列表计算古纬度;旋转这些点到古坐标位置;输出文件可被GIS软件(如ArcGIS)直接读取ESH2GIS(Earth System His2 tory GIS)Scotes e时间切片为Shapefile格式,每个时间切片由当前的大陆海岸线、大陆架边缘、主要构造边界、活动板块边界等组成.输出结果可导入任何版本的Arc2GIS软件Plate Track er for ArcGIS9Scotes e以用户自定义的ArcGIS数据集创建古地理再造结果的Shapefile文件Paleo2GIS for ArcView3/Arc2 GIS9Scotes e旋转用户自定义的数据集实现板块再造,并生成动画,为高端用户设计,可重建750Ma至今的地球板块构造演变历史Rotation Sm ethur st Solvoll VB6.0开发的Arc Map插件,以按钮控件形式进行功能调用,在球面上按照用户定义的欧拉极旋转地图特征,并把旋转后的地图特征写入到新的ShapefileGLG2Plates Ford 为教学试验用的古大陆再造软件,板块模型中包括从发表的文献中提取出的古地磁极数据,可实现板块模型动画演示,附带创建新板块模型的工具.PGIS(Paleog eographic Infor2 mation Sys tem)Mei Shilong以ArcObjects和Visu al Basic for Application(VBA)对ArcGIS作二次开发,将古大陆再造功能內嵌进ArcMapGPlates Dietmar M?ller C++语言编写的开源板块构造可视化软件包;连接板块运动的地球动力学模型,可对板块构造进行交互式再造和操纵,并与GIS功能整合GMAP T orsvik Sm ethurs t GMAP32以Visual Basic5和Fortran Powers tation写成,分标准版和专业版;基于欧拉极的旋转或古地磁极完成古地理再造,通过ASCII文件导入新的大陆数据,以HPGL矢量文件格式导出结果PCME(Paleo2Con tin ental Map E ditor)Schettin oC++语言开发,可操纵表示地理和构造的矢量元素,并对其实现编辑和可视化,程序包含两个数据库:a.全球古地磁数据库的一个子集,b.有限旋转数据库3讨论在古地磁数据的筛选和使用方面,张世红等(2002)作了明确的说明,¥为保证基本的再造依据,对于未进行置信度估计的古地磁数据不宜直接用于古地理解释,应尽量选取高质量的古地磁数据;¦因为古地磁成果是一种统计结果,对多项成果进行平均有利于消除测量误差和地质误差,但要避免对数据不做技术性筛选,简单采用大平均的做法;§后期成果有利于判断早期成果数据的可靠性和解释的合理性,因此需要重视已有成果和结论,避免对一项结果进行孤立解释.在古地磁数据的收集和管理方面,针对全国性的古地磁数据(或某一特定地质时期,如白垩纪)的资料并不完备,缺少一个完整的数据库系统对现有资料进行标准化、统一管理、实时补充及共享发布.因此,有必要对国内外现有发布的数据进行全面整理和统计,并参照相关国家标准,建立一个数据可信度高、覆盖面广的综合性古地磁数据库.在古地理再造软件的开发与应用方面,国内古地理再造主要停留在二维平面制图阶段,并且只输出静态成果,缺少对时间维概念的有效表达和对古地理动态演化的精确描述.如PCRGIS只能利用若干个不连续的图形来对古大陆的变迁过程进行分析,而不能进行动态的反演;由于缺少三维(高程、地貌、深部构造等)信息,不能进行详细的深部岩石圈演化变迁研究.此外,古地理再造软件没有与GIS 实现功能互补,古地理再造缺乏主流商业GIS软件的有力支持.比较古地理再造软件的开发现状,笔者在此提14345期朱利东,等:对古地理再造中古地磁方法的回顾与探讨出几种探索性的基于GIS的解决方案,¥整合GIS 开发古地理再造软件,根据古地理再造原理,以古地磁数据库及地块图形数据库为支撑,开发综合性的GIS平台,直接在GIS架构上实现古地理再造,这种方式需要在GIS中引入相关的古地理再造算法,实现诸如GMAP软件的完整功能,复杂度较高;¦为GIS开发古地理再造的扩展功能模块或者插件,这也是国外的流行做法,灵活性较高,如Rotation等;§GIS与专业古地理再造工具相互补充,使用古地理再造工具生成基本图形,作为GIS图形数据源,这种方式比前一种更降低了古地理再造与GIS数据管理的耦合性,易于实现,而且由专业的古地理再造软件绘制的地块更加精确,GIS系统主要充当古地理动态演化展示以及基础数据(包括古地磁数据和图形数据)的管理平台,这一方法有利于获得最新GIS软件特性(如时态数据模型、动画等)的支持.综上所述,当前古地理再造研究需要获取高质量的古地磁原始资料,建立基于/时态0或/四维0的数据库模型及应用系统.在古地理再造的技术实现过程中,重点应解决板块运动过程的量化分析与动态模拟等问题.进一步深化和挖掘古地理再造在揭示古地理和古气候信息,复原重大地质历史事件,理解区域构造关系及地球动力学基本问题中的作用.参考文献(References):[1]田莉丽,史瑞萍.地球磁场古强度测定方法综述[J].地球物理学进展,2001,16(4):110~116.T ian L L,Shi R P.A review of m ethods for palaeointensity [J].Progress in Geophysics,2001,16(4):110~116.[2]黄宝春,Yo2Ichiro O,杨振宇,等.河西走廊和阿拉善东缘地区中寒武世古地磁研究的初步结果[J].地球物理学报,2000,43(3):393~401.H uang B C,Yo2Ichiro O,Yang Z Y,et al.Preliminary resultand its tectonic implications of middle Camb rian paleomag2 netism in the 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