旋回地層學的研究意義與應用實例_地層學基礎(chǔ)與前沿

12.3.1　旋回地層學的研究意義

地質(zhì)年代的精確確定是我們認識地球演化歷史和過程的關(guān)鍵，然而如何提高地質(zhì)年代的精度卻一直是個尚待解決的科學難題。最近30多年來，基于古氣候?qū)W研究的天文旋回理論獲得了普遍認可和廣泛應用，尤其是成功應用于天文地質(zhì)年代校準中。通過旋回地層學研究建立高精度的年代標尺，在此基礎(chǔ)上才可以重建古氣候的演化過程，探尋古氣候的演變規(guī)律及其驅(qū)動機制等問題。旋回地層學研究的意義可歸納為以下6個方面:

(1)建立高精度的、連續(xù)的天文年代標尺。通過旋回地層學的研究，在新生代，可以利用沉積旋回直接與天文理論曲線進行校準，從而建立高精度的、連續(xù)的絕對天文年代標尺(Kuiper et al．，2008)。在前中生代地層中，由于天文理論模型對50Ma以前的記錄誤差太大，特別是斜率和歲差周期的不穩(wěn)定，因此只能用最穩(wěn)定的405kyr偏心率長周期(詳見12．2．1)對地質(zhì)記錄進行天文調(diào)諧來建立浮動天文年代標尺，然后借助絕對測年作為控制點來建立高精度的絕對天文年代標尺(Huang et al．，2011)。

(2)估算研究層段的沉積持續(xù)時間以及重大地質(zhì)事件的數(shù)字年齡。在所建立的天文年代標尺的基礎(chǔ)上，可以估算所選研究剖面的任意段的沉積持續(xù)時間以及重大地質(zhì)事件的發(fā)生和持續(xù)時間(Huang et al．，2011)。

(3)天文年齡與同位素絕對測年以及磁性地層的年齡相互校準。在研究層段具有較好的天文旋回、放射性同位素絕對測年以及磁性地層資料的基礎(chǔ)上，可以通過旋回地層的分析及對比，對誤差比較大的絕對測年的年齡進行校準(Kuiper et al．，2008)，同時可以校準磁極性帶的年齡，從而建立高精度的綜合地質(zhì)年代表(Olsen et al．，2011)。

(4)估算沉積速率。在建立天文年代標尺的過程中，我們首先賦予主導的沉積旋回一個天文周期，比如這些旋回都為405kyr偏心率旋回，那么根據(jù)沉積旋回厚度的變化可以估算出沉積物的堆積速率的變化(Huang et al．，2010b)，如果對沉積物厚度進行解壓實，那么就可以恢復沉積旋回壓實前的真實厚度，從而估算出當時的沉積速率。

(5)進行全球等時地層對比。因為無論所研究的剖面在地球的什么位置，它們在同一時期內(nèi)天文因素驅(qū)動的沉積記錄中所包含的天文旋回數(shù)，尤其是40萬年長周期的旋回數(shù)都是相同的(排除無沉積或者剝蝕等情況)，盡管沉積環(huán)境不同，沉積旋回的沉積厚度會有所不同，但沉積持續(xù)時間應該是相同的(Huang et al．，2011)。因此我們可以利用穩(wěn)定的天文旋回進行全球高精度的等時地層對比，建立三維等時地層格架。

(6)探討古全球氣候變化的驅(qū)動機制，為預測未來全球變化趨勢提供科學依據(jù)。只有在建立高精度時間序列的基礎(chǔ)上，才可以探討古全球氣候變化的驅(qū)動機制、重建古氣候的演化過程、尋找古氣候的演變規(guī)律等問題。研究表明，一旦不同級別的偏心率周期(如405kyr、近2．4Myr)和斜率長周期(近1．2Myr)的最低值恰好重疊，地球上就會發(fā)生嚴重的氣候環(huán)境突變事件，如白堊紀的大洋缺氧事件，新生代的生物滅絕事件，以及14Ma前的中中新世的氣候變冷事件等(汪品先，2006;P?like et al．，2006;van Dam et al．，2006; Mitchell et al．，2008)。此外，目前地球科學和全球變化研究的一個重要研究方向是深時全球變化，因為我們只有了解地球過去的演變過程，尋找地球演化規(guī)律及其驅(qū)動機制，才能為未來全球變化趨勢的預測提供科學依據(jù)，因此，旋回地層學在建立精確的地質(zhì)年代標尺的基礎(chǔ)上重建古氣候的演化過程，對深時全球變化研究是至關(guān)重要的。

12.3.2　旋回地層學的應用實例

1 2．3．2．1　新生代的旋回地層學研究實例——天文校準放射性同位素年齡(Kuiper et al．，2008)

國際地質(zhì)年代表主要有生物地層、磁性地層和放射性同位素絕對測年(U－Pb和40 Ar/39 Ar)以及利用旋回地層學這幾種方法的相互校準來建立精確的地質(zhì)年代表，最新的GTS 2012(Gradstein et al．，2012)主要是基于兩種獨立的技術(shù)，一種是通過天文調(diào)諧旋回性的沉積層序來建立一個非常精確的新近紀的年代表，而另一種是適用于晚新生代或者更老地層的放射性同位素測年。然而，不同的定年方法即使應用于同一地層，也往往產(chǎn)生不同的年齡值(Renne et al．，1998;Kuiper et al．，2004)。Kuiper et al．(2008)利用單晶的40 Ar/39 Ar測年方法測得從眾多的硅質(zhì)火山灰層中提取出的透長石斑晶的年齡插入到經(jīng)天文調(diào)諧的摩洛哥的Messinian Melilla盆地Messadit剖面的開放大洋沉積序列中(圖12－5)，通過天文調(diào)諧來校準40 Ar/39 Ar的年齡，進而用標定的40 Ar/39 Ar年齡來校準40 Ar/39 Ar測年使用標準即Fish Canyon(FCs)透長石標樣的年齡，由原來的(28．02±0．56)Ma校準到(28．201±0．046)Ma，將40 Ar/39 Ar定年的絕對誤差從近2．5%減小至＜0．25%(在65Ma處＜165kyr)。

圖12－5　天文校準Messinian Messadit剖面的火山灰層的40 Ar/39 Ar年齡
(引自Kuiper et al．，2008)
首先把Sorbas/Nijar盆地的西班牙綜合剖面(即地中海地區(qū)參考剖面，其中富含有機質(zhì)的腐泥層跟泥灰?guī)r互層的旋回，記錄了2萬年的歲差周期，正好對應于理論的日照量曲線，它是建立最新的精確的新近紀地質(zhì)年代表的關(guān)鍵)的沉積旋回調(diào)諧到La2004(Laskar et al．，2004)理論曲線上，并利用剖面上的主要生物地層標志層來進行高精度對比。根據(jù)Messadit剖面均質(zhì)泥灰?guī)r對應于Sorbas及其他地中海剖面的腐泥層(Van Assen et al．，2006)，從而完成間接天文調(diào)諧Messadit剖面的沉積旋回，隨后便可對火山灰層進行天文年齡標定，誤差為±10kyr。圖中示出Messadit剖面火山灰夾層40 Ar/39 Ar加權(quán)平均年齡及其在伯克利地質(zhì)年代中心
(BGC)和阿姆斯特丹自由大學(VU)測定的年齡(是用FCs 28．02Ma計算的年齡)

為驗證校準的FCs透長石年齡的精確性，Kuiper et al．(2008)選取了西班牙北部San Telmo 教堂下面的白堊系－古近系界線(K/Pg)出露良好的zumaia剖面，該剖面顯示了韻律性的灰色泥灰?guī)r和灰?guī)r互層的海相沉積序列，從近20kyr的歲差旋回到近100kyr短偏心率和近405kyr長偏心率旋回，旋回具有非常明顯的分級排列樣式(圖12－6)。這段地層覆蓋了古地磁的C29r到C26r磁極性帶，K/Pg界線位于一個顯著的以灰?guī)r為主的層段并且對應于405kyr偏心率旋回的最小值處(圖12－7)。在這附近405kyr最小值處的年齡有近65．2Ma、近65．6Ma、近66．0Ma和近66．4Ma，那么挑戰(zhàn)就是如何識別出對應的405kyr的最小值。為了找出這個最小值，采用天文調(diào)諧校準的FCs的年齡28．201Ma重新計算了原來發(fā)表的K/Pg界線的40 Ar/39 Ar年齡，范圍為65．8Ma到66．0Ma。這使K/Pg界線的年齡下調(diào)到405kyr偏心率最小值大約66．0Ma處。用這個年齡值作為起點，重新對Zumaia剖面采用La2004和Va03 _R7兩種天文理論曲線進行405kyr旋回的天文調(diào)諧，由此產(chǎn)生的K/Pg界線年齡分別為65．957Ma或65．940Ma，磁極性帶的天文年齡跟修訂的40 Ar/39 Ar年齡可很好地吻合。原則上，經(jīng)修訂的K/Pg界線的天文年齡近65．95Ma可以向上或者向下移動一個405kyr偏心率旋回，即K/Pg界線的年齡也可能是近65．56Ma或近66．4Ma。但無論如何，相互校準的K/ Pg界線的年齡牢牢鏈接著405kyr偏心率最小值大約66．0Ma。

圖12－6　西班牙Zumaia的K/Pg界線剖面，顯示的泥灰?guī)r/灰?guī)r韻律性互層
(引自Kuiper et al．，2008)
圖中展示了跟歲差有關(guān)的基本旋回(灰?guī)r－泥灰?guī)r層偶)的詳細排列樣式及其組成的100kyr短偏心率的灰?guī)r層36－42，以及歲差的調(diào)幅周期405kyr長偏心率旋回。實線標識與歲差有關(guān)的明顯的泥灰?guī)r旋回，虛線標識不太明顯以至于模糊的泥灰?guī)r旋回。從166－p到190－p標記的是歲差旋回的數(shù)目

12．3．2．2　中生代海相旋回地層學研究實例

(1)通過天文調(diào)諧建立連續(xù)的高分辨率的絕對天文年代標尺:意大利深海相白堊紀Aptian－Albian階(Grippo et al．，2004;Huang et al．，2010a)。

意大利深海沉積的Piobbico巖芯覆蓋了白堊紀阿普特階(Aptian)和阿爾布階(Albian)，初始沉積物主要包括顆石藻、浮游有孔蟲、含放射蟲生物硅及陸源硅質(zhì)碎屑物質(zhì)，壓實后表現(xiàn)為現(xiàn)在韻律性明顯的泥灰?guī)r與灰?guī)r的互層沉積序列。通過旋回分析高分辨率的巖芯掃描獲取的近77m長的灰度(Grayscale)序列(灰度可以反映相對的沉積環(huán)境，與沉積物顏色有很好的對應關(guān)系如圖12－8A，灰度的高值代表碳酸鹽含量高，即高生產(chǎn)率期)，識別出60多個穩(wěn)定的405kyr長偏心率旋回，建立了長約25．85Myr的高分辨率連續(xù)浮動天文年代標尺(Grippo，2004;Huang et al．，2010a)，并且其時間序列的頻譜圖展示出其主要頻率周期與La2004理論模型在126～100Ma的ETP(歲差、斜率和偏心率綜合曲線)的頻譜圖一致(圖12－8C)。根據(jù)放射性同位素測年數(shù)據(jù)，阿爾布階的頂界年齡為100．6Ma，加上其持續(xù)時間12．4Myr，得到阿爾布階的底界年齡為113Ma，這與放射性同位素測年一致，再加上阿普特階的持續(xù)時間13．3Myr，從而獲得阿普特階的底界年齡為126．3Ma，這個年齡與同位素測年的校正值一致。通過深海沉積序列的旋回地層學研究，我們獲得了從100．5Ma到126．3Ma的阿爾布階和阿普特階的絕對地質(zhì)年代標尺及其對應的405kyr的E旋回數(shù)(圖12－8A)，這成為中生代旋回地層學研究的一個經(jīng)典實例，這些研究成果被最新的國際地質(zhì)年代表GTS 2012所采用(Ogg et al．，2012a;Hinnov，2013)。

(2)估算研究層段的沉積持續(xù)時間和沉積速率，探討沉積過程的驅(qū)動機制:英國晚侏羅世的半深海相Kimmeridgian－Tithonian地層(Huang et al．，2010b)。

英國晚侏羅世的欽莫利階－提塘階(Kimmeridgian－Tithonian)的Kimmeridge Clay(KCF)組地層是北海油田的主要生油巖層段，英國國家環(huán)境研究委員會(NERC)快速全球地質(zhì)事件項目組于1996年和1997年在英格蘭南部Dorset郡打了兩個鉆孔(Swanworth Quarry and Metherhills)，獲取的500多米半深海相沉積的KCF組巖芯，主要由灰－黑色層狀泥頁巖與灰黃－奶白色的灰?guī)r或白云巖等呈明顯的韻律性互層沉積(圖12－9)，很多學者對其進行了旋回地層學研究。

圖12－8　意大利早白堊世深海沉積的Piobbico鉆孔的灰度序列經(jīng)過405kyr天文調(diào)諧后獲得的約25Myr的連續(xù)時間序列和頻譜圖
(據(jù)Grippo et al．，2004;Huang et al．，2010a修改)
A．Piobbico鉆孔的灰度序列經(jīng)過識別出來的60個405kyr偏心率旋回的天文調(diào)諧獲得的時間序列及其對應的405kyr的旋回數(shù)(巖芯缺失了Albian頂部3個多405kyr旋回);B．灰度時間序列的5100～6700kyr段所展示的歲差及長短偏心率旋回詳細特征(濾波用AnalySeries軟件);C．Piobbico鉆孔的灰度序列經(jīng)405kyr天文調(diào)諧獲得的近25Myr時間序列的頻譜分析圖及對應段的La2004的理論ETP頻譜圖(頻譜分析用SSA－MTM軟件，網(wǎng)站地址:http://www．a(chǎn)tmos．ucla．edu/tcd/ssa/)

圖12－9　英國Kimmeridge海灣KCF地層露頭剖面
A．hudlestoni和pectinatus菊石帶顯示的明顯的短偏心率的周期旋回;B．a(chǎn)utissiodorensis菊石帶顯示的明顯的斜率周期旋回(Stephen Hesselbo攝于2011年)

Huang et al．(2010b)通過對KCF組地層的總有機碳(TOC)數(shù)據(jù)序列進行分析，認為在黑色泥頁巖段主要受斜率周期控制，而其他層段主要受歲差－偏心率驅(qū)動(圖12－10A、B)。圖12－10C展示出明顯的歲差、斜率、偏心率旋回分級序列，5個左右的歲差旋回組成一個近100kyr短偏心率旋回，而4個近100kyr偏心率旋回又組成一個405kyr長偏心率旋回。從深度域的頻譜圖(圖12－10D)上可以看出，幾個明顯的譜峰對應的地層旋回厚度分別為近167m、近40m、近9m、3．8m、2．3m和1．62m，如果把近40m的旋回調(diào)諧為405kyr，那么近167m、近9 m、3．8m、2．3m和1．62m則分別對應于近1．69Myr、近91kyr、38kyr、23kyr和16kyr，這基本上與偏心率、斜率和歲差周期對應。從圖12－10D可以看出，近40m的旋回占主導地位，通過濾波，提取出這些近40m的405kyr的長偏心率旋回，通過對識別出來的405kyr的旋回建立時深轉(zhuǎn)換的年代模型，然后通過天文調(diào)諧獲得時間域的TOC序列，從TOC時間序列的頻譜圖(圖12－10E)可以看出，除了非常明顯的405kyr周期外，還有近2Myr長偏心率周期、104kyr的短偏心率周期、36kyr的斜率周期以及18kyr左右的歲差周期存在，這與這一時間段的Laskar 2004理論頻譜圖中的周期旋回基本一致(圖12－10F)，這說明我們建立的天文年代標尺是較為合理的。從建立的天文年代標尺上可以估算出中－晚欽莫利階的持續(xù)時間為3．47Myr以及早提塘階(elegans到fittoni菊石帶)的持續(xù)時間為3．72Myr，這一結(jié)果可以通過古地磁年代模型的計算加以驗證(Huang et al．，2010b)，并被GTS 2012所采用(Ogg et al．，2012b)。此外，我們還可以通過天文調(diào)諧，獲得沉積序列沉積物堆積速率的變化，從而可以重建該時期沉積物的堆積演化過程以及與天文驅(qū)動的古氣候的響應關(guān)系(圖12－11)。

(3)天文校準磁極性帶建立綜合地質(zhì)年代標尺:晚三疊世陸相美國Newark盆地旋回地層學(Olsen et al．，1996，1999)。

美國東部Newark盆地，是晚三疊世形成的在赤道附近(北緯2．5°—9．5°)、近南北向展布的大陸裂谷盆地，經(jīng)歷了數(shù)百萬年的構(gòu)造沉降，堆積了厚達數(shù)千米的湖相沉積物。盆地約長190km、寬50km，主要發(fā)育三疊系—侏羅系。美國國家科學基金資助的Newark盆地鉆探項目于1990－1993年在盆地內(nèi)共鉆探了7個鉆孔，獲取的巖芯經(jīng)過巖性組合及磁性地層的對比，拼接成一條長6770m的連續(xù)巖芯柱，覆蓋了晚三疊世－早侏羅世的地層，成為迄今為止最長的熱帶大陸性氣候地質(zhì)記錄。主要發(fā)育韻律性的灰色或黑色富含有機質(zhì)的紋層狀泥頁巖，其中夾有灰色、紫色或紅色貧有機質(zhì)的泥裂狀或塊狀泥巖，這反映了沉積物是沉積于濕－干氣候周期性交替變化的古湖泊環(huán)境中，其中，灰－黑色泥頁巖沉積于較濕潤氣候條件下的常年性深水湖泊，而紅－紫色泥裂、塊狀泥巖則沉積于干旱氣候條件下的季節(jié)性湖泊。由于湖水的體積有限，湖平面/湖水深度相對于氣候的變化反應較為敏感，因此湖相沉積物記錄的古氣候變化可以通過古氣候替代指標來模擬其演化過程。Olsen et al．(1996)通過分析沉積物的巖性及其結(jié)構(gòu)特征，總結(jié)出反映湖平面相對變化的湖水相對深度分級(Depth Ranks)來作為古氣候替代指標建立了數(shù)據(jù)序列，其中最小值0表示干旱氣候，最大值5表示濕潤氣候(圖12－12)。Depth Ranks序列包含了近乎完美的歲差－偏心率信號，通過天文調(diào)諧，可以建立浮動天文年代標尺，通過與磁性年代標尺的相互校準，建立了從晚三疊世的卡尼階(Carnian)到早侏羅世的赫塘階(Hettangian)約33Myr連續(xù)的綜合年代標尺，成為陸相旋回地層學研究的經(jīng)典實例(Olsen et al．，1996;Olsen et al．，2011;Olsen＆Whiteside，2009)(圖12－12)。這為研究湖相韻律性地層沉積機理，深入理解大陸性氣候長期變化規(guī)律，探討氣候變化的驅(qū)動機制提供了良好的基礎(chǔ)資料。

圖12－10　英國南部KCF組地層綜合剖面和總有機碳(TOC)序列及其405kyr天文調(diào)諧的時間序列頻譜圖
(據(jù)Huang et al．，2010b修改)
A．Kimmeridge Clay組地層在Dorset的兩個鉆孔的巖性和生物地層綜合剖面及其總有機碳(TOC)序列;A中(1)和(2)標識位置的野外露頭特征見圖12－9。B．TOC演化頻譜圖，滑動窗口為40m。C．TOC序列在427～536m段所展示的歲差－長短偏心率旋回特征。D．TOC序列深度域的頻譜圖。E．405kyr天文調(diào)諧的時間序列頻譜圖。F．Laskar 2004理論145～160Ma的ETP的頻譜圖。E代表長偏心率旋回，e代表近100kyr的短偏心率旋回，O代表斜率旋回，P代表歲差旋回

圖12－11　36kyr斜率天文調(diào)諧獲得的沉積物堆積速率的變化曲線與Laskar 2004理論的偏心率曲線的對比
(引自Huang et al．，2010b)
A．中沉積物堆積速率的變化顯示了具有近400kyr和近2Myr的旋回周期，這可以與Laskar 2004理論的偏心率周期旋回的變化相對應。“*”位置有Chamber等(2000)利用超高分辨率的分析儀觀察年－季節(jié)變化
的紋層，估算出沉積壓實后的堆積速率為0．112m/kyr，這與天文調(diào)諧獲得的0．108m/kyr一致

圖12－12　Newark盆地的最新天文校準的磁性年代綜合標尺APTS 2010及湖水深度分級序列的長短
偏心率旋回和頻譜特征
(據(jù)Olsen et al．，2011修改)
A．Newark盆地的最新天文和磁性年代綜合標尺(Newark basin－Astronomically－calibrated geomagnetic Polarity Time Scale，Newark－APTS)APTS 2010，包括8個鉆孔的綜合剖面的顏色巖性柱，識別出來的405kyr的E旋回、1．75Myr的EC旋回和3．5Myr的EL旋回的劃分，以及磁性年代標尺;B．2848～3225m的深度分級(Depth Rank)序列經(jīng)405kyr的偏心率旋回調(diào)諧后的時間序列所展示的歲差－偏心率旋回特征細節(jié)及其上疊加的近100kyr
和405kyr的濾波曲線;C．3000多米深度分級序列經(jīng)405kyr的偏心率旋回調(diào)諧后的時間序列的頻譜分析圖

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關(guān)鍵詞與主要知識點－12

年紋層varves

韻律rhythm

旋回cycle

層bed

層束bundle

自旋回autocyclicity

他旋回allocyclicity

沉積旋回sedimentary cycles

天文旋回astrocycle

旋回地層學cyclostratigraphy

天文調(diào)諧astronomical tuning

天文年代標尺astronomical time scale(ATS)

米蘭科維奇旋回milankovitch cycle

偏心率eccentricity

斜率obliquity

歲差precession

替代指標proxy

時間序列分析time－series analysis

古氣候替代指標paleoclimate proxy

頻譜分析spectral analysis

多窗譜分析法multi－tapermethod

最大熵譜法maximum entropymethod

演化圖譜法evolutionary spectral analysis

濾波filtering

天文調(diào)諧astronomical tuning