旋回地层学研究现状和新进展

旋回地层学作为一门独立的地层分支学科诞生于20世纪80年代,它以米兰科维奇天文轨道旋回为理论基础,以露头剖面、岩心等为研究对象,应用地球化学、光谱分析和时间序列分析等方法,研究天文轨道参数周期性变化在地层记录中的沉积响应.旋回地层学的基本地层单位米级旋回,相当于层序地层概念体系中的准层序,二者相互联系又存在差异."天文地质年代表"的提出和"国际地质年表"把天文轨道因素作为确定地质年代的一种重要方法,突出显示旋回地层学在定量确定地质年代方面的优势.近年来在地层记录中识别出时间分辨率更高的亚米兰科维奇旋回信号不仅是该学科最新进展,也是沉积学和地层学新的生长点.     

前寒武纪旋回地层学研究进展与展望

旋回地层学是利用已知的地球轨道天文周期, 对地层记录的周期性变化进行识别、解释的地层学新兴分支学科。在过去近30年, 旋回地层学研究取得了一系列重要进展, 对于认识地质历史时期的气候变化、重大地质事件的天文驱动、天文运行规律等诸多科学问题做出了重要贡献;同时, 基于此研究建立的天文年代标尺, 也成为一种新的高精度地质定年方法, 被应用于国际地质年代表的编制以及地表地质过程年代及持续时间的精确标定。然而, 全球旋回地层学研究主要集中在显生宙, 并以中、新生代最为详细。对于更早的占地球历史约7/8 的前寒武纪时期, 相关研究较少, 但一些新研究显示了可靠的天文沉积旋回可能存在的证据。因此, 前寒武纪有可能成为旋回地层学研究新的突破方向。中国华北克拉通北缘元古代地层沉积旋回非常发育, 具有开展旋回地层学研究的潜力。     

米氏旋回在涠西南凹陷WZ11-4N油田高频层序地层识别与对比中的应用

针对应用常规方法进行高频层序划分和对比容易受人为因素影响,所建立的高级别层序地层格架具有多解性等问题,本文引入天文地层学中气候旋回受天文周期驱动的理论,选择涠西南凹陷WZ11-4N油田4口钻井中的流一段地层为研究对象,进行米兰科维奇旋回特征分析。对自然伽马数据进行频谱分析的结果显示,在不同钻井中,流一段地层主要受偏心率周期(401ka、125 ka和95 ka)控制。对该周期滤波分析后,选择控制流一段发育的主要米兰科维奇周期曲线,建立了该区的高分辨率天文年代标尺。最后以偏心率125 ka周期曲线作为6级层序划分的参考曲线,对流一段层序进行高频旋回地层划分与对比。在此基础上,最终实现高频地层格架下沉积相的精细对比。     

基于米氏旋回的三角洲前缘油层对比研究

基于米兰科维奇天文旋回理论在三角洲前缘开展砂岩组和单层级别的油层对比研究,频谱分析和小波变换揭示萨尔图油层Ⅲ油层组存在米兰科维奇天文旋回,可识别出比值接近5∶2∶1的3个旋回厚度,分别对应于偏心率100 ka、斜率40 ka和岁差20 ka周期,推测地层在沉积时受到米兰科维奇天文轨道周期性变化的影响。根据岁差20 ka周期带通滤波（BPF）和堆积速率变化特征,将萨尔图油层Ⅲ油层组划分为9个砂岩组和20个单层。研究表明,岁差20 ka周期调控气候波动的机制与超短期基准面升降变化之间存在着一定的协调作用,利用米兰科维奇天文旋回划分出的单层具有严格的等时性。20个单层砂体的展布特征表明,萨尔图油层Ⅲ油层组经历了多期水进—水退事件,与砂岩组的划分具有较好的对应关系。     

古生代旋回地层学与天文地质年代表

古生代是显生宙距今最为久远且持续时间最长的"代",发生了多次重大构造、气候和生命演化事件。高精度年代地层格架对于深入理解古生代地球演化历史极为关键。通过识别地层中由地球轨道力引起的米兰科维奇沉积旋回并开展调谐研究,可建立连续的、分辨率达0.02~0.4Ma天文年代标尺,并用于校正国际地质年代表。目前,国际地质年代表的中、新生代部分已基本完成天文年代的校正,但古生代部分尚未开展相关工作。近年来,人们在古生代地层中获得了可靠的、受高精度放射性绝对年龄约束的米兰科维奇旋回证据,并尝试建立天文年代标尺,表明建立古生代天文地质年代表具有良好的远景,是未来旋回地层学研究的前沿。本文简要介绍了旋回地层学的基本理论,系统总结了古生代旋回地层学研究成果及重要进展,并对未来研究提出展望。     

柴西开特米里克地区干柴沟组米氏旋回及湖平面变化特征

目前,柴达木盆地米兰科维奇旋回研究普遍基于山前浅水沉积相地层进行讨论,而深水相地层中是否有记录米兰科维奇旋回特征有待探讨。本次研究通过对开2井上干柴沟组（N₁）和下干柴沟组上段（E₃²）自然伽马测井曲线进行频谱分析和滤波分析,探讨了盆地西部开特米里克地区深湖相地层的米兰科维奇沉积旋回特征。结果显示,该地区上干柴沟组（N₁）和下干柴沟组（E₃²）地层旋回周期与米兰科维奇地球轨道周期参数具有良好的对应性,说明天文轨道周期旋回对该地区地层沉积具有显著影响。在此基础上,结合Fischer图解及地层岩性特征,确定了干柴沟组上、下界线附近（约38.1~32.8 Ma）湖平面经历了一次相对长周期的升降变化。下干柴沟组上段处于湖平面上升阶段,主要受米氏旋回中的偏心率周期控制,气候相对温暖湿润,对应湖平面高位期。上干柴沟组处于湖平面下降阶段,主要受米氏旋回中的轴斜率周期控制,气候相对寒冷干旱,对应湖平面低位期。

     

前寒武纪旋回地层学研究的进展与挑战

前寒武纪占据地质历史绝大部分时期,在大气成分、古气候、生命和超大陆聚散等方面表现出不同时间尺度的变化和演化。近年来人们在全球范围内前寒武纪地层中识别出大量可靠的米兰科维奇旋回记录。借助各类沉积旋回分析,有望建立地球早期演化高分辨率年代框架,获取行星轨道相互作用资料并重建天体动力史。本文在简要回顾旋回地层学理论方法的基础上,通过前寒武纪旋回地层学研究的主要范例,分析了原始气候替代性指标、重建天体动力模型、复杂气候模型和古地理不确定性等前寒武纪旋回地层学研究的关键问题和主要挑战,尝试性地提出了这些问题的解决思路。     

旋回地层学理论基础、研究进展和展望

在过去30余年中旋回地层学研究得到了极大发展, 对理解和解决地球科学领域众多科学问题做出了很大贡献.旋回地层学(Cyclostratigraphy)已被定义为"对地层记录的(准)周期性旋回变化进行识别、描述、对比和成因解释, 并将其应用于地质年代学以提高地层年代框架的精度和分辨率, 实现地层高精度划分与对比的一门地层学分支学科".能够反映古气候变化的岩性、岩相、地球物理和地球化学参数(即古气候替代指标)均可用于旋回地层学分析.通过岩性组合识别、频谱分析、连续窗口频谱分析、小波分析、滤波和调谐等方法可进行识别米兰科维奇旋回信号和建立高精度天文年代标尺.中国学者在北方黄土剖面、南海新近纪海相沉积、古生代海相沉积和部分中新生代陆相沉积中获得了良好的旋回地层学研究成果.对中国东北松辽盆地陆相白垩系和华南海相二叠系乐平统—中三叠统开展旋回地层学研究有望取得重要突破.      

基于米兰科维奇理论的高精度旋回识别与划分--以南图尔盖盆地Ary301井中侏罗统为例

将天文轨道周期与不同级别的旋回联系起来,旨在使米兰科维奇周期这一高精度时间标尺纳入高频层序地层划分中,实现高精度旋回的识别与划分。以哈萨克斯坦南图尔盖盆地Aryskum地堑Ary301井为例,基于不同沉积特征,分别对卡拉甘塞组I~IV段自然伽马测井数据进行频谱分析和连续小波变换,结果显示沉积地层中保存完好的米兰科维奇旋回,天文轨道周期对Aryskum地堑沉积过程具有明显影响,并将31.9~39.5 m旋回厚度解释为受400 kyr长偏心率周期控制,11.9~14.2 m,6.7~8.8 m旋回厚度分别受125 kyr和95 kyr短偏心率周期控制。对长、短偏心率周期进行滤波分析后,与天文模型理论周期曲线进行对比,建立卡拉甘塞组的浮动天文年代标尺,分别以400 kyr、125 kyr偏心率周期滤波曲线作为中期和短期旋回划分的参考曲线,共识别出11.5个中期旋回和47个短期旋回,为高频旋回划分提供了一种不受人为因素影响的天然标准,保证了研究区旋回划分的科学性和统一性。     

旋回地层──一个正在发展中的理论

地层中的旋回性很早就引起了人们的注意。M. Milankovitch对地球轨道参数的定量计算和对冰期的解释是旋回地层发展的重要里程碑。60～70年代开展的DSDP项目,在深海沉积记录中发现了支持米兰科维奇理论的强有力证据,使该理论得以复活。80年代,层序地层的发展和全球地质观的兴起又重新激发了人们对地层旋回性研究的热情,并形成了一个新的地质学分支──旋回地层学。     

米兰科维奇旋回时间序列分析法研究进展

时间序列分析法是米兰科维奇旋回（米氏旋回）研究的主要方法。它利用数学变换对地层数据序列进行定量分析,从而识别地质记录中天文驱动形成的旋回信号,为年代校准、地层划分和古气候研究等提供重要依据。针对米氏旋回研究中时间序列分析法的主要步骤,分别从地层序列的数据类型、天文检验及天文调谐等三方面,阐述了现有方法的基本原理,并总结了其优势和局限性。在基于时间序列分析的米氏旋回研究中,不同地层序列数据对天文轨道驱动和非天文噪声的响应具有差异性,综合利用多种数据指标中蕴含的地质信息有助于减小旋回分析中的不确定性;近年来涌现的新型天文检验和调谐方法促进了米氏旋回分析向定量化方向发展,但这些新方法仍需要进一步验证及改进。未来的工作中,地层数据序列的定量评价、多数据类型的信息优化等方面仍值得深入研究;面对多种时间序列分析方法,有效整合现有方法的同时,也需要引入新方法和新思路。     

米兰科维奇冰期旋回理论中的“4万年周期问题”：回顾与展望

米兰科维奇理论认为地球轨道的天文周期调控北半球高纬地区夏季接收太阳辐射的强度,进而驱动第四纪地表的冰期-间冰期旋回。20世纪60年代以来,米兰科维奇理论预测的天文周期在第四纪海洋沉积物中得到了印证,看似证明了该理论的正确性。但大量新记录的出现给经典米兰科维奇理论带来了挑战,早更新世的“4万年周期问题”——即为何早更新世的冰期旋回中没有岁差周期——就是其中之一。目前对于该问题的两种回答包括：1)南、北半球冰盖分别受当地夏季太阳辐射强度的驱动;2)早更新世冰期受北半球夏季累积太阳辐射量驱动。不难发现,这两种假说均默认了米兰科维奇理论中“高纬地区是驱动地球气候演变关键区域”的假设,争议的点仅在于岁差是否影响了高纬度冰盖的变化,这或许是“4万年周期问题”至今悬而未决的原因。未来要解决早更新世乃至整个第四纪冰期旋回的问题,或许目光要跳出高纬地区,考虑低纬过程以及高-低纬之间的相互作用。

     

米兰科维奇旋回识别与天文标尺的建立:以莫索湾地区莫21井三工河组一段为例

依据米兰科维奇理论识别划分旋回,是对传统层序地层学的有力补充,具备高等时约束性,可实现高分辨率旋回识别与高精度等时地层格架的建立.莫索湾地区是准噶尔盆地油气勘探的有利区域之一,其中三工河组一段发育了有效的、成规模的致密气储集层.利用自然伽马测井数据,通过频谱分析等方法,对研究区目标层位进行了米兰科维奇信号识别与旋回划分...     

中国西南地区晚二叠世泥炭地净初级生产力及其控制因素

米兰科维奇旋回理论是古环境研究中重要的时间“度量”工具.文中以贵州普安糯东17号煤层和云南富源天佑10号煤层为例,对晚二叠世煤层的地球物理测井信号进行频谱分析,以获得其中的米兰科维奇轨道周期参数.研究发现,测井信号所反映出的煤层灰分含量变化受泥炭地发育时期的米兰科维奇轨道周期(123 ka(偏心率):35.6 ka(斜...     

北黄海东部坳陷始新统米兰科维奇旋回特征

米兰科维奇旋回是记录在沉积地层中的表现形式, 其代表的时间涵义是进行高分辨率地层划分和对比的有效手段, 从地层中揭示的米兰科维奇旋回, 可以完善地层学尤其是旋回地层学理论.以北黄海东部坳陷为研究对象, 根据J. Laskar的解决方案计算出该区始新统的米兰科维奇旋回周期为: 125 ka和99 ka的偏心率周期, 51 ka和39 ka的地轴斜率周期, 23 ka和19 ka的岁差周期.通过对3口井的GR(自然伽马)和SP(自然电位)测井曲线进行频谱分析, 发现其频谱峰值与天文周期存在着良好的对应关系, 因此可以判定该区域地层中保存着完好的米兰科维奇沉积旋回.地层旋回厚度存在13.03~15.89 m的长周期、3.70~5.21 m的中周期和2.17~2.94 m的短周期, 并由此计算地层的沉积速率为121.20~127.12 m/Ma.从隆起沿着斜坡往湖盆中心, 沉积持续时间越长且沉积厚度也越厚, 但沉积速率相对稳定.通过连续小波变换对始新统地层进行小层划分, 划分出6期沉积体, 以每个沉积体为独立窗口进行频谱分析计算出沉积的持续时间和速率, 从气候变化的影响分析每个阶段的沉积环境.从下往上层序地层E₆期为低水位体系域, E₅和E₄为湖泊扩张体系域, E₃为高位体系域, E₂和E₁为湖泊收缩体系域.以上方法可以证明米兰科维奇进行沉积旋回分析是一种有效的方法.      

天文地层学的兴起

“天文地层学”是由旋回地层学等演变而成的一个新名词,可明确地与层序地层学等其他研究旋回的学科相区别。天文地层学的主要优点是把地质时间与天文因素相联系,它的研究成果可以有助于进行比阶一级年代地层单位更精细的划分;它是应用连续沉积物的自组织特性,求出其中由于响应天文轨道周期的影响而形成的旋回特性,可用以进行地层高分率的划分和对比。     

松辽盆地白垩系泉三段—嫩二段沉积旋回与米兰科维奇周期

松科1井南孔钻探是973项目"白垩纪地球表层系统重大地质事件与温室气候变化"的重要组成部分,是中国大陆第一口以白垩系地层为主的全取心科学探井。松科1井南孔取心段是从嫩二段底部-泉三段顶部,根据颜色、岩性岩相将此套地层划分成862个米级旋回。米级旋回可以识别出正粒序旋回、反粒序旋回和非粒序旋回3种类型,其中正粒序旋回包括6种亚类型,反粒序旋回包括7种亚类型,非粒序旋回包括3种亚类型。根据Fischer图解分析将米级旋回归并为更高级的2个级别旋回,分别是5级旋回和4级旋回。同位素年龄的旋回周期估算显示,米级旋回周期在22.9~29.8ka之间,5级旋回周期在75.0~104.7ka之间,4级旋回周期在225.0~460.0ka之间,分别与米兰科维奇岁差周期19~24ka、偏心率短周期85~140ka和偏心率长周期350~400ka存在着对应关系,说明松科1井南孔旋回地层的形成受米兰科维奇旋回的控制。松科1井沉积旋回的米兰科维奇周期的确定有助于揭示白垩纪的气候变化。     

地球气候变化的米兰科维奇理论研究进展

米兰科维奇理论是从全球尺度上研究日射量与地球气候之间关系的天文理论（以下简称为“米氏理论”）。该理论认为,地球轨道偏心率、黄赤交角及岁差等三要素变化引起的到达北半球中高纬度夏季日射量变化是造成冰期—间冰期旋回的根本原因。详细回顾了米氏理论的发展历程,并以南极东方站过去42万年大气和气候变化的历史资料为例,讨论了经典米氏理论中有待研究的若干问题。     

华南纳庆剖面早二叠世沉积记录对米兰科维奇旋回的响应

早二叠世晚期发生了显生宙以来规模最大的冰川消退事件, 地球气候经历了由冰室向温室的转变。然而, 低纬度地区对此次气候变化的响应细节仍存较多疑问。华南板块在早二叠世位于古特提斯洋中, 发育连续的海相碳酸盐岩沉积序列对气候变化响应敏感。本研究利用高分辨率Fe元素含量作为古气候替代指标, 对贵州省罗甸县纳庆剖面392.3 m至487.9 m的下二叠统亚丁斯克阶-空谷阶四大寨组进行旋回地层学研究。频谱分析显示研究段具有显著的7.46~10.46 m、2.01~3.15 m、0.46~0.68 m、0.27~0.39 m谱峰, 其比例约为26.7:7.8:1.7:1, 与利用La2004模型推算的早二叠世天文轨道周期比例(23.9:7.4:1.9:1)基本一致。利用405 ka偏心率校准的Fe元素序列存在405 ka、117 ka、90 ka、30.1~35.8 ka、15.6~22.9 ka周期信号, 表明沉积记录受到米兰科维奇旋回控制。估算出研究段的平均沉积速率为2.15 cm/ka, 构建了288.1 Ma至282.9 Ma, 持续时间约为5.16 Ma的高分辨率天文年代标尺。研究证实周期约为1.36 Ma的超长斜率旋回控制了海平面的升降, 但其控制机制在冰室和温室两种气候状态下并不相同。超长斜率旋回在冰室状态下通过控制高纬度冰川消长影响海平面变化; 在温室状态下, 斜率旋回或通过影响大陆含水层控制海平面升降。

     

东营凹陷牛38井始新统沙河街组三段米氏旋回的地层响应

地球围绕太阳的轨道要素周期性变化引起气候旋回变化,进而影响到地质历史中沉积物及生物面貌的旋回变化。牛38井始新统沙河街组三段旋回地层学研究表明,沉积物和古生物对404.8ka的天文偏心率旋回具有明显的响应特征。在一个偏心率旋回之内,随着地球围绕太阳公转轨道位置的变化,气候由热变冷再变热,古生物属种数量、沉积物粒度出现相应的的旋回变化。若以404.8ka偏心率旋回为单位来划分高频层序,可以保证所划分的地层具有异旋回性和严格的等时性。