旋回地层学及其发展简史

12.1.1　旋回地层学的基本概念和术语

旋回地层学(cyclostratigraphy)一词首次由Fischer A G于1988年在意大利Perugia召开的学术会议上提出(Fischer et al．，1988)，是一门迅速发展的地层学的分支学科。旋回地层学在其发展过程中，出现了很多描述地层沉积记录的重复样式的术语，比如:年纹层(varves)、韵律(rhythm)、旋回(cycle)、层束(bundle)等，这些基本单元可在垂向上叠置成不同级别的旋回，如万年尺度到百万年尺度的轨道周期旋回。层(bed)是地层的最小单位，它可以代表地层沉积的先后顺序但没有定义它代表一定时间间隔;而旋回(cycle)可以是一层或多层地层组成，旋回或者层束被解释为受轨道驱动的旋回，每一个旋回代表了一定的时间间隔，如层束(bundles)代表约100kyr的短偏心率旋回;如果相似类型的旋回或者层束频繁重复代表相似的时间间隔，那么有这样标记的旋回就可以提供一个大概的时间标尺(Schwarzacher，2004)。旋回是地层记录的重要特征，地层的旋回性记录的是沉积作用、沉积环境或驱动机制的产物(龚一鸣等，2008)。根据驱动机制的不同，地层旋回通常分为自旋回(autocyclicity)和他旋回(allocyclicity)两类。自旋回(autocyclicity)是指在一定的沉积环境或沉积系统中(局限于一定的地形、地貌等，具有局域性和区域性)产生的地层单元的重复，如河流点沙坝、海岸障壁沙坝和河道及三角洲朵体的侧向迁移形成的地层旋回。他旋回(allocyclicity)是由于沉积系统外部的驱动机制，如气候变化和海平面变化等导致的沉积旋回，具有区域性甚至全球可对比性，如海平面变化旋回和米兰科维奇旋回等(Cecil，2003)。跨区域和全球性的他旋回是旋回地层学的主要研究对象。Hilgen(2004)和Strasser等(2006)对旋回地层学的有关概念术语总结如下。

旋回地层学(cyclostratigraphy)的定义:旋回地层学是指识别、描述、对比和解释分析地层记录中(准)周期性变化的沉积旋回的一门地层学的分支学科，尤其是其应用在地质年代学方面来提高时间－地层格架的精度和分辨率。一般认为，旋回地层学主要是研究由于天文轨道参数变化所造成的地层韵律性变化。

沉积旋回(sedimentary cycles):是指在沉积记录中具有某种成因联系和重复性的地层序列。一般具有时间意义以及(准)周期性的变化。

天文旋回(astrocycle):是指受天文轨道驱动的沉积旋回。旋回地层学研究过程中，我们用天文旋回来代替沉积旋回，这是因为沉积“旋回”被地质界广泛应用在沉积学和层序地层学的许多不同的方面，但它并不总是意味着具有时间意义，而“天文旋回”是指具有特定时间意义的沉积旋回，如近20kyr的岁差旋回、近100kyr的偏心率旋回等。因此，在旋回地层学的研究过程中一般用“天文旋回”这个专有名词而不用“沉积旋回”。

天文调谐(astronomical tuning):将反映轨道驱动的沉积旋回或其他周期性变化的古气候替代指标的旋回记录与天文轨道参数目标曲线(包括岁差、斜率、偏心率或相应的日照量曲线)进行对比和调谐。

天文年代标尺(astronomical time scale，ATS):将沉积序列中记录的沉积旋回和其他周期性变化的旋回校准到天文时间序列后所获得的具有绝对年龄的地质年代表(geological time scale)。

12.1.2　旋回地层学的发展简史

旋回地层学主要研究受天文轨道驱动的万年到百万年尺度的地层旋回，其中近20 kyr到近2．4 Myr之间的天文旋回是旋回地层学研究的重点(Hinnov＆Ogg，2007;Hinnov＆Hilgen，2012;Hinnov，2013;Schwarzacher，2004;Strasser et al．，2006)。尽管旋回地层学作为地层学的一个分支学科不过20多年的发展历史，但认为受轨道驱动的地层旋回的研究早在19世纪末期就开始了(图12－1)。Gilbert(1895)是第一个把地层沉积旋回与天文轨道参数联系起来的地质学家，他认为美国科罗拉多落基山脉下的上白垩统Niobrara 组的灰岩－泥页岩旋回的形成是受天文轨道的岁差变化所驱动的。Bradley(1929)通过统计美国怀俄明州始新统绿河组湖相油页岩与泥灰岩互层旋回的纹层数，估算出有平均21．63kyr的旋回周期存在，认为岁差周期可能是驱动该旋回序列形成的主要原因。20世纪初，南斯拉夫学者(Milankovitch，1941)提出了第四纪冰期形成的天文假说，他认为北半球夏季日照量的减少是冰期形成的主要原因，首次试图定量对比在阿尔卑斯山的第四纪冰期沉积物与太阳辐射最小值之间的关系。然而，后来在北美的冰期碳同位素的研究，没有明确证实关于日照量的计算，因此，这使天文理论陷入了争论(Imbrie＆Imbrie，1979)。同一时期，对中生代阿尔卑斯(Alpine)灰岩主导韵律层的研究取得了显著进展(Schwarzacher，1954)。随后，Fischer(1964)对此地区开创性的研究达到了高潮，他发现奥地利晚三叠世Dachstein灰岩中存在沉积持续时间约为40kyr的米级旋回层，其垂向上的叠置样式指示了浅海相的沉积环境中振荡的海平面变化［称为洛菲尔(Lofer)旋回］。然而，三叠纪的冰川作用到目前为止仍是一个谜，对这种海平面变化的驱动机制也引起了质疑，因而洛菲尔旋回的成因到现在还一直存在着争论(Cozzi et al．，2005;Schwarzacher，1993)。

直到对晚第四纪深海沉积记录的研究开始，关于气候变化的理论才最终被科学界所接受(Hinnov＆Hilgen，2012)。Shackleton(1967)证明海洋稳定氧同位素的变化大多与全球大洋容积变化有关。稍后，Hays等(1976)研究表明，稳定氧同位素记录很大程度上与旋回有关，这成为旋回地层学研究的重要里程碑。随着全球磁性地层学的发展，结合新的放射性同位素测年，发现相同的同位素信号存在于所有的海洋中，目前包括整个布容(Brunhes)极性带(0～0．78Ma)(Imbrie et al．，1984)。最后，通过反映全球大洋容积的替代指标与较大的海平面变化的地质证据进行校准(Chappell＆Shackleton，1986;Waelbroeck et al．，2002)，间接地建立了第四纪冰期与旋回之间的联系。随后通过对极地冰层的研究，发现了其他具有很强轨道周期频率的稳定同位素信号，这为天文轨道驱动理论提供了强有力的证据(Petit et al．，1999)。

图12－1　旋回地层学的发展简史

与此同时，利用稳定氧同位素与沉积旋回进行天文调谐的方法，很好地证明理论可以扩展到远远超过800kyr，比如末次冰期(Hilgen，1991;Shackleton et al．，1990)。这些具有里程碑意义的研究触发了利用稳定同位素及其他气候替代指标(包括岩性、岩相、碳酸钙含量、生物成因硅含量、磁化率、电测曲线以及灰度扫描数据等)来寻找地质历史时期的天文旋回的研究(Hinnov＆Hilgen，2012)。从贝加尔湖的上新世－更新世陆相沉积物中发现了强烈的生物硅信号，它与深海稳定同位素记录(Prokopenko et al．，2006;Williams et al．，1997)以及中国的黄土长序列都极为相似，都具有稳定的天文旋回周期(Sun et al．，2006)。Shackleton等早在1995利用深海钻孔资料已建立了一个0～6Ma的连续氧同位素信号，目前结合深海钻孔与露头资料所获取的气候替代指标的研究，科学家们已经建立了一个从新生代伊始的近乎连续的旋回校准的地质年表，而白垩系－古近系界线是最近天文年代学与地质年代之间相互严格校准努力的课题(Hilgen et al．，2010;Hinnov＆Hilgen， 2012;Husson et al．，2011;Kuiper et al．，2008;Westerhold et al．，2008)。

寻找轨道驱动的天文旋回的证据可继续追溯到中生代。在最新的国际地质年代表(GTS 2012)的第25～27章中，中生代的三叠纪、侏罗纪和白垩纪的3个时间段都已经采用了数百万年的长旋回地层序列进行天文年代校准(Gradstein et al．，2012)。如美国纽瓦克(Newark)盆地晚三叠世的陆相湖泊的沉积物颜色和湖水相对深度分级(Depth Ranks)等古气候替代指标序列，包含着近乎完美的偏心率信号，通过7个钻孔组成的6700多米的综合地层剖面，建立了从晚三叠世的卡尼阶(Carnian)到早侏罗世的赫塘阶(Hettangian)约33Myr连续的天文年代标尺，成为陆相旋回地层学研究的经典实例(Olsen et al．，1996;Olsen et al．，2011;Olsen＆Whiteside，2009)。Ikeda等(Ikeda et al．，2010)在日本中部Inuyama地区发育的含丰富放射虫的深海相的中三叠世的燧石－泥页岩互层的序列，在30多米的地层中识别出720层燧石和页岩层并提取出燧石和页岩厚度变化序列，基于现有的年代框架，推算出每一个燧石－页岩层偶代表了大致近20kyr的旋回，指示出每5层代表近100kyr短偏心率和每20层代表405kyr长偏心率的旋回驱动特征，并且识别出了1．8Myr的超长偏心率旋回，估算出30多米地层记录了约15Myr的连续天文年代标尺。意大利的Piobbico岩芯覆盖了早白垩世的整个阿普特阶(Aptian)和阿尔布阶(Albian)，在近77m长的岩芯中识别出60多个405kyr的偏心率旋回，可建立长约25．8Myr的高分辨率连续天文年代标尺(Grippo et al．，2004;Hinnov，2013;Huang et al．，2010a)，这成为深海沉积中旋回地层学研究的经典。

在古生代地层中，也可以见到明显的轨道驱动的天文旋回的证据，但是还都没有应用到GTS 2012的地质年代校准中。二叠纪的Castile组地层是纹泥状海相蒸发岩序列，显示了一些旋回信号的存在(Anderson，1982)。美国犹他州Paradox盆地的石炭纪宾夕法尼亚亚纪的地层，展示了壮观的大陆架碳酸盐岩旋回，指示了高频的海平面变化具有天文旋回信号的特征(Goldhammer et al．，1994)。经典的海进海退旋回层(Heckel et al．，2008)与爱尔兰的密西西比纪半深海灰岩韵律层(Schwarzacher，1993)似乎都表现出405kyr偏心率主导的旋回，最近乌克兰Donets盆地的高精度地质年代与旋回地层研究支持了这一结论(Davydov et al．，2010)。近期也有泥盆纪地层(Gong et al．，2001;Tucker＆Garland，2010)和志留纪地层(Crick et al．，2001;Nestor et al．，2003)存在天文旋回的报道。地层学家也曾尝试在奥陶纪发展某种综合地层学与天文年代学(Gong＆Droser，2001;Kim＆Lee，1998;Rodionov et al．，2003)，但这些努力在很大程度上是不完整的。遍及全球的寒武纪－奥陶纪的碳酸盐岩浅滩旋回为米兰科维奇驱动理论提供了大量的证据，尽管这些高频旋回序列的驱动机制还不清楚(Osleger，1995)。

前寒武纪地层记录中同样应该存在类似的天文旋回信号的证据，如加拿大西北部古元古代(1．89Ga)被动陆缘沉积的Rocknest组存在向上变浅的浅海碳酸盐岩序列的米级旋回(Grotzinger，1986)，以及新太古代(2．65Ga)Cheshire组的碳酸盐台地序列(Hofmann et al．，2004)。同样地，具有较强旋回性、持续时间长的条带状铁建造(banded iron forma－tions－BIFs)一直被推测可能记录了早期的米兰科维奇旋回(Hälbich et al．，1993;Ito et al．，1993;Simonson＆Hassler，1996)，但迄今只有Franco＆Hinnov(2008)的研究试图将BIFs所代表的米兰科维奇旋回定量化。

尽管在古生代和前寒武纪已经开展了许多旋回地层学研究的探索工作，但这些旋回地层记录还没有精确的天文轨道模型可以利用来证实这些天文旋回的存在。