旋回地层学的研究意义与应用实例

旋回地层学的研究意义与应用实例_地层学基础与前沿

12.3.1　旋回地层学的研究意义

地质年代的精确确定是我们认识地球演化历史和过程的关键，然而如何提高地质年代的精度却一直是个尚待解决的科学难题。最近30多年来，基于古气候学研究的天文旋回理论获得了普遍认可和广泛应用，尤其是成功应用于天文地质年代校准中。通过旋回地层学研究建立高精度的年代标尺，在此基础上才可以重建古气候的演化过程，探寻古气候的演变规律及其驱动机制等问题。旋回地层学研究的意义可归纳为以下6个方面:

(1)建立高精度的、连续的天文年代标尺。通过旋回地层学的研究，在新生代，可以利用沉积旋回直接与天文理论曲线进行校准，从而建立高精度的、连续的绝对天文年代标尺(Kuiper et al．，2008)。在前中生代地层中，由于天文理论模型对50Ma以前的记录误差太大，特别是斜率和岁差周期的不稳定，因此只能用最稳定的405kyr偏心率长周期(详见12．2．1)对地质记录进行天文调谐来建立浮动天文年代标尺，然后借助绝对测年作为控制点来建立高精度的绝对天文年代标尺(Huang et al．，2011)。

(2)估算研究层段的沉积持续时间以及重大地质事件的数字年龄。在所建立的天文年代标尺的基础上，可以估算所选研究剖面的任意段的沉积持续时间以及重大地质事件的发生和持续时间(Huang et al．，2011)。

(3)天文年龄与同位素绝对测年以及磁性地层的年龄相互校准。在研究层段具有较好的天文旋回、放射性同位素绝对测年以及磁性地层资料的基础上，可以通过旋回地层的分析及对比，对误差比较大的绝对测年的年龄进行校准(Kuiper et al．，2008)，同时可以校准磁极性带的年龄，从而建立高精度的综合地质年代表(Olsen et al．，2011)。

(4)估算沉积速率。在建立天文年代标尺的过程中，我们首先赋予主导的沉积旋回一个天文周期，比如这些旋回都为405kyr偏心率旋回，那么根据沉积旋回厚度的变化可以估算出沉积物的堆积速率的变化(Huang et al．，2010b)，如果对沉积物厚度进行解压实，那么就可以恢复沉积旋回压实前的真实厚度，从而估算出当时的沉积速率。

(5)进行全球等时地层对比。因为无论所研究的剖面在地球的什么位置，它们在同一时期内天文因素驱动的沉积记录中所包含的天文旋回数，尤其是40万年长周期的旋回数都是相同的(排除无沉积或者剥蚀等情况)，尽管沉积环境不同，沉积旋回的沉积厚度会有所不同，但沉积持续时间应该是相同的(Huang et al．，2011)。因此我们可以利用稳定的天文旋回进行全球高精度的等时地层对比，建立三维等时地层格架。

(6)探讨古全球气候变化的驱动机制，为预测未来全球变化趋势提供科学依据。只有在建立高精度时间序列的基础上，才可以探讨古全球气候变化的驱动机制、重建古气候的演化过程、寻找古气候的演变规律等问题。研究表明，一旦不同级别的偏心率周期(如405kyr、近2．4Myr)和斜率长周期(近1．2Myr)的最低值恰好重叠，地球上就会发生严重的气候环境突变事件，如白垩纪的大洋缺氧事件，新生代的生物灭绝事件，以及14Ma前的中中新世的气候变冷事件等(汪品先，2006;Pälike et al．，2006;van Dam et al．，2006; Mitchell et al．，2008)。此外，目前地球科学和全球变化研究的一个重要研究方向是深时全球变化，因为我们只有了解地球过去的演变过程，寻找地球演化规律及其驱动机制，才能为未来全球变化趋势的预测提供科学依据，因此，旋回地层学在建立精确的地质年代标尺的基础上重建古气候的演化过程，对深时全球变化研究是至关重要的。

12.3.2　旋回地层学的应用实例

1 2．3．2．1　新生代的旋回地层学研究实例——天文校准放射性同位素年龄(Kuiper et al．，2008)

国际地质年代表主要有生物地层、磁性地层和放射性同位素绝对测年(U－Pb和40 Ar/39 Ar)以及利用旋回地层学这几种方法的相互校准来建立精确的地质年代表，最新的GTS 2012(Gradstein et al．，2012)主要是基于两种独立的技术，一种是通过天文调谐旋回性的沉积层序来建立一个非常精确的新近纪的年代表，而另一种是适用于晚新生代或者更老地层的放射性同位素测年。然而，不同的定年方法即使应用于同一地层，也往往产生不同的年龄值(Renne et al．，1998;Kuiper et al．，2004)。Kuiper et al．(2008)利用单晶的40 Ar/39 Ar测年方法测得从众多的硅质火山灰层中提取出的透长石斑晶的年龄插入到经天文调谐的摩洛哥的Messinian Melilla盆地Messâdit剖面的开放大洋沉积序列中(图12－5)，通过天文调谐来校准40 Ar/39 Ar的年龄，进而用标定的40 Ar/39 Ar年龄来校准40 Ar/39 Ar测年使用标准即Fish Canyon(FCs)透长石标样的年龄，由原来的(28．02±0．56)Ma校准到(28．201±0．046)Ma，将40 Ar/39 Ar定年的绝对误差从近2．5%减小至＜0．25%(在65Ma处＜165kyr)。

图12－5　天文校准Messinian Messadit剖面的火山灰层的40 Ar/39 Ar年龄
(引自Kuiper et al．，2008)
首先把Sorbas/Nijar盆地的西班牙综合剖面(即地中海地区参考剖面，其中富含有机质的腐泥层跟泥灰岩互层的旋回，记录了2万年的岁差周期，正好对应于理论的日照量曲线，它是建立最新的精确的新近纪地质年代表的关键)的沉积旋回调谐到La2004(Laskar et al．，2004)理论曲线上，并利用剖面上的主要生物地层标志层来进行高精度对比。根据Messadit剖面均质泥灰岩对应于Sorbas及其他地中海剖面的腐泥层(Van Assen et al．，2006)，从而完成间接天文调谐Messadit剖面的沉积旋回，随后便可对火山灰层进行天文年龄标定，误差为±10kyr。图中示出Messadit剖面火山灰夹层40 Ar/39 Ar加权平均年龄及其在伯克利地质年代中心
(BGC)和阿姆斯特丹自由大学(VU)测定的年龄(是用FCs 28．02Ma计算的年龄)

为验证校准的FCs透长石年龄的精确性，Kuiper et al．(2008)选取了西班牙北部San Telmo 教堂下面的白垩系－古近系界线(K/Pg)出露良好的zumaia剖面，该剖面显示了韵律性的灰色泥灰岩和灰岩互层的海相沉积序列，从近20kyr的岁差旋回到近100kyr短偏心率和近405kyr长偏心率旋回，旋回具有非常明显的分级排列样式(图12－6)。这段地层覆盖了古地磁的C29r到C26r磁极性带，K/Pg界线位于一个显著的以灰岩为主的层段并且对应于405kyr偏心率旋回的最小值处(图12－7)。在这附近405kyr最小值处的年龄有近65．2Ma、近65．6Ma、近66．0Ma和近66．4Ma，那么挑战就是如何识别出对应的405kyr的最小值。为了找出这个最小值，采用天文调谐校准的FCs的年龄28．201Ma重新计算了原来发表的K/Pg界线的40 Ar/39 Ar年龄，范围为65．8Ma到66．0Ma。这使K/Pg界线的年龄下调到405kyr偏心率最小值大约66．0Ma处。用这个年龄值作为起点，重新对Zumaia剖面采用La2004和Va03 _R7两种天文理论曲线进行405kyr旋回的天文调谐，由此产生的K/Pg界线年龄分别为65．957Ma或65．940Ma，磁极性带的天文年龄跟修订的40 Ar/39 Ar年龄可很好地吻合。原则上，经修订的K/Pg界线的天文年龄近65．95Ma可以向上或者向下移动一个405kyr偏心率旋回，即K/Pg界线的年龄也可能是近65．56Ma或近66．4Ma。但无论如何，相互校准的K/ Pg界线的年龄牢牢链接着405kyr偏心率最小值大约66．0Ma。

图12－6　西班牙Zumaia的K/Pg界线剖面，显示的泥灰岩/灰岩韵律性互层
(引自Kuiper et al．，2008)
图中展示了跟岁差有关的基本旋回(灰岩－泥灰岩层偶)的详细排列样式及其组成的100kyr短偏心率的灰岩层36－42，以及岁差的调幅周期405kyr长偏心率旋回。实线标识与岁差有关的明显的泥灰岩旋回，虚线标识不太明显以至于模糊的泥灰岩旋回。从166－p到190－p标记的是岁差旋回的数目

12．3．2．2　中生代海相旋回地层学研究实例

(1)通过天文调谐建立连续的高分辨率的绝对天文年代标尺:意大利深海相白垩纪Aptian－Albian阶(Grippo et al．，2004;Huang et al．，2010a)。

意大利深海沉积的Piobbico岩芯覆盖了白垩纪阿普特阶(Aptian)和阿尔布阶(Albian)，初始沉积物主要包括颗石藻、浮游有孔虫、含放射虫生物硅及陆源硅质碎屑物质，压实后表现为现在韵律性明显的泥灰岩与灰岩的互层沉积序列。通过旋回分析高分辨率的岩芯扫描获取的近77m长的灰度(Grayscale)序列(灰度可以反映相对的沉积环境，与沉积物颜色有很好的对应关系如图12－8A，灰度的高值代表碳酸盐含量高，即高生产率期)，识别出60多个稳定的405kyr长偏心率旋回，建立了长约25．85Myr的高分辨率连续浮动天文年代标尺(Grippo，2004;Huang et al．，2010a)，并且其时间序列的频谱图展示出其主要频率周期与La2004理论模型在126～100Ma的ETP(岁差、斜率和偏心率综合曲线)的频谱图一致(图12－8C)。根据放射性同位素测年数据，阿尔布阶的顶界年龄为100．6Ma，加上其持续时间12．4Myr，得到阿尔布阶的底界年龄为113Ma，这与放射性同位素测年一致，再加上阿普特阶的持续时间13．3Myr，从而获得阿普特阶的底界年龄为126．3Ma，这个年龄与同位素测年的校正值一致。通过深海沉积序列的旋回地层学研究，我们获得了从100．5Ma到126．3Ma的阿尔布阶和阿普特阶的绝对地质年代标尺及其对应的405kyr的E旋回数(图12－8A)，这成为中生代旋回地层学研究的一个经典实例，这些研究成果被最新的国际地质年代表GTS 2012所采用(Ogg et al．，2012a;Hinnov，2013)。

(2)估算研究层段的沉积持续时间和沉积速率，探讨沉积过程的驱动机制:英国晚侏罗世的半深海相Kimmeridgian－Tithonian地层(Huang et al．，2010b)。

英国晚侏罗世的钦莫利阶－提塘阶(Kimmeridgian－Tithonian)的Kimmeridge Clay(KCF)组地层是北海油田的主要生油岩层段，英国国家环境研究委员会(NERC)快速全球地质事件项目组于1996年和1997年在英格兰南部Dorset郡打了两个钻孔(Swanworth Quarry and Metherhills)，获取的500多米半深海相沉积的KCF组岩芯，主要由灰－黑色层状泥页岩与灰黄－奶白色的灰岩或白云岩等呈明显的韵律性互层沉积(图12－9)，很多学者对其进行了旋回地层学研究。

图12－8　意大利早白垩世深海沉积的Piobbico钻孔的灰度序列经过405kyr天文调谐后获得的约25Myr的连续时间序列和频谱图
(据Grippo et al．，2004;Huang et al．，2010a修改)
A．Piobbico钻孔的灰度序列经过识别出来的60个405kyr偏心率旋回的天文调谐获得的时间序列及其对应的405kyr的旋回数(岩芯缺失了Albian顶部3个多405kyr旋回);B．灰度时间序列的5100～6700kyr段所展示的岁差及长短偏心率旋回详细特征(滤波用AnalySeries软件);C．Piobbico钻孔的灰度序列经405kyr天文调谐获得的近25Myr时间序列的频谱分析图及对应段的La2004的理论ETP频谱图(频谱分析用SSA－MTM软件，网站地址:http://www．atmos．ucla．edu/tcd/ssa/)

图12－9　英国Kimmeridge海湾KCF地层露头剖面
A．hudlestoni和pectinatus菊石带显示的明显的短偏心率的周期旋回;B．autissiodorensis菊石带显示的明显的斜率周期旋回(Stephen Hesselbo摄于2011年)

Huang et al．(2010b)通过对KCF组地层的总有机碳(TOC)数据序列进行分析，认为在黑色泥页岩段主要受斜率周期控制，而其他层段主要受岁差－偏心率驱动(图12－10A、B)。图12－10C展示出明显的岁差、斜率、偏心率旋回分级序列，5个左右的岁差旋回组成一个近100kyr短偏心率旋回，而4个近100kyr偏心率旋回又组成一个405kyr长偏心率旋回。从深度域的频谱图(图12－10D)上可以看出，几个明显的谱峰对应的地层旋回厚度分别为近167m、近40m、近9m、3．8m、2．3m和1．62m，如果把近40m的旋回调谐为405kyr，那么近167m、近9 m、3．8m、2．3m和1．62m则分别对应于近1．69Myr、近91kyr、38kyr、23kyr和16kyr，这基本上与偏心率、斜率和岁差周期对应。从图12－10D可以看出，近40m的旋回占主导地位，通过滤波，提取出这些近40m的405kyr的长偏心率旋回，通过对识别出来的405kyr的旋回建立时深转换的年代模型，然后通过天文调谐获得时间域的TOC序列，从TOC时间序列的频谱图(图12－10E)可以看出，除了非常明显的405kyr周期外，还有近2Myr长偏心率周期、104kyr的短偏心率周期、36kyr的斜率周期以及18kyr左右的岁差周期存在，这与这一时间段的Laskar 2004理论频谱图中的周期旋回基本一致(图12－10F)，这说明我们建立的天文年代标尺是较为合理的。从建立的天文年代标尺上可以估算出中－晚钦莫利阶的持续时间为3．47Myr以及早提塘阶(elegans到fittoni菊石带)的持续时间为3．72Myr，这一结果可以通过古地磁年代模型的计算加以验证(Huang et al．，2010b)，并被GTS 2012所采用(Ogg et al．，2012b)。此外，我们还可以通过天文调谐，获得沉积序列沉积物堆积速率的变化，从而可以重建该时期沉积物的堆积演化过程以及与天文驱动的古气候的响应关系(图12－11)。

(3)天文校准磁极性带建立综合地质年代标尺:晚三叠世陆相美国Newark盆地旋回地层学(Olsen et al．，1996，1999)。

美国东部Newark盆地，是晚三叠世形成的在赤道附近(北纬2．5°—9．5°)、近南北向展布的大陆裂谷盆地，经历了数百万年的构造沉降，堆积了厚达数千米的湖相沉积物。盆地约长190km、宽50km，主要发育三叠系—侏罗系。美国国家科学基金资助的Newark盆地钻探项目于1990－1993年在盆地内共钻探了7个钻孔，获取的岩芯经过岩性组合及磁性地层的对比，拼接成一条长6770m的连续岩芯柱，覆盖了晚三叠世－早侏罗世的地层，成为迄今为止最长的热带大陆性气候地质记录。主要发育韵律性的灰色或黑色富含有机质的纹层状泥页岩，其中夹有灰色、紫色或红色贫有机质的泥裂状或块状泥岩，这反映了沉积物是沉积于湿－干气候周期性交替变化的古湖泊环境中，其中，灰－黑色泥页岩沉积于较湿润气候条件下的常年性深水湖泊，而红－紫色泥裂、块状泥岩则沉积于干旱气候条件下的季节性湖泊。由于湖水的体积有限，湖平面/湖水深度相对于气候的变化反应较为敏感，因此湖相沉积物记录的古气候变化可以通过古气候替代指标来模拟其演化过程。Olsen et al．(1996)通过分析沉积物的岩性及其结构特征，总结出反映湖平面相对变化的湖水相对深度分级(Depth Ranks)来作为古气候替代指标建立了数据序列，其中最小值0表示干旱气候，最大值5表示湿润气候(图12－12)。Depth Ranks序列包含了近乎完美的岁差－偏心率信号，通过天文调谐，可以建立浮动天文年代标尺，通过与磁性年代标尺的相互校准，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连续的综合年代标尺，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)(图12－12)。这为研究湖相韵律性地层沉积机理，深入理解大陆性气候长期变化规律，探讨气候变化的驱动机制提供了良好的基础资料。

图12－10　英国南部KCF组地层综合剖面和总有机碳(TOC)序列及其405kyr天文调谐的时间序列频谱图
(据Huang et al．，2010b修改)
A．Kimmeridge Clay组地层在Dorset的两个钻孔的岩性和生物地层综合剖面及其总有机碳(TOC)序列;A中(1)和(2)标识位置的野外露头特征见图12－9。B．TOC演化频谱图，滑动窗口为40m。C．TOC序列在427～536m段所展示的岁差－长短偏心率旋回特征。D．TOC序列深度域的频谱图。E．405kyr天文调谐的时间序列频谱图。F．Laskar 2004理论145～160Ma的ETP的频谱图。E代表长偏心率旋回，e代表近100kyr的短偏心率旋回，O代表斜率旋回，P代表岁差旋回

图12－11　36kyr斜率天文调谐获得的沉积物堆积速率的变化曲线与Laskar 2004理论的偏心率曲线的对比
(引自Huang et al．，2010b)
A．中沉积物堆积速率的变化显示了具有近400kyr和近2Myr的旋回周期，这可以与Laskar 2004理论的偏心率周期旋回的变化相对应。“*”位置有Chamber等(2000)利用超高分辨率的分析仪观察年－季节变化
的纹层，估算出沉积压实后的堆积速率为0．112m/kyr，这与天文调谐获得的0．108m/kyr一致

图12－12　Newark盆地的最新天文校准的磁性年代综合标尺APTS 2010及湖水深度分级序列的长短
偏心率旋回和频谱特征
(据Olsen et al．，2011修改)
A．Newark盆地的最新天文和磁性年代综合标尺(Newark basin－Astronomically－calibrated geomagnetic Polarity Time Scale，Newark－APTS)APTS 2010，包括8个钻孔的综合剖面的颜色岩性柱，识别出来的405kyr的E旋回、1．75Myr的EC旋回和3．5Myr的EL旋回的划分，以及磁性年代标尺;B．2848～3225m的深度分级(Depth Rank)序列经405kyr的偏心率旋回调谐后的时间序列所展示的岁差－偏心率旋回特征细节及其上叠加的近100kyr
和405kyr的滤波曲线;C．3000多米深度分级序列经405kyr的偏心率旋回调谐后的时间序列的频谱分析图

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关键词与主要知识点－12

年纹层varves

韵律rhythm

旋回cycle

层bed

层束bundle

自旋回autocyclicity

他旋回allocyclicity

沉积旋回sedimentary cycles

天文旋回astrocycle

旋回地层学cyclostratigraphy

天文调谐astronomical tuning

天文年代标尺astronomical time scale(ATS)

米兰科维奇旋回milankovitch cycle

偏心率eccentricity

斜率obliquity

岁差precession

替代指标proxy

时间序列分析time－series analysis

古气候替代指标paleoclimate proxy

频谱分析spectral analysis

多窗谱分析法multi－tapermethod

最大熵谱法maximum entropymethod

演化图谱法evolutionary spectral analysis

滤波filtering

天文调谐astronomical tuning