米兰柯维奇旋回及旋回沉积作用

本文简介了黄赤交角、偏心率、岁差等地球轨道三要素和米兰柯维奇理论。概述了第四纪及前第四纪沉积物中与地球轨道三要素有关的周期性沉积记录，指出对旋回沉积的研究，可望为地层划分与对比提供一个标尺。     

从准层序到米级旋回——层序地层学与旋回地层学相互交融的纽带

层序地层学的基本单位是层序。准层序和准层序组构成了层序的基本结构单元,它们在层序内有规律的空间叠置样式是识别体系域的客观标准。准层序被定义为以海泛面为界的向上变浅序列,但是准层序是一个比较松散的概念,存在问题是对其成因机制研究不足。米级旋回作为旋回地层学的基本单位,定义为数厘米至数米厚的向上变浅的岩相序列,是高频率海平面升降变化的产物,其形成时限为相应的米兰柯维奇天文旋回周期。作为旋回地层学的基本单位,米级旋回以其明确的沉积学涵义和有规律的天文成因机制,是对层序地层学概念体系中的"准层序"的良好补充,对其进行深入研究具有重要的理论意义和应用价值。从准层序到米级旋回这一概念体系的演变,代表了层序地层学与旋回地层学相互交融的纽带。最后介绍旋回地层学的最新进展亚米兰柯维奇旋回,它对精确数字定年具有重大意义。     

旋回年代学及其应用意义—华北地台寒武世碳酸盐岩鲕滩高频旋回的年代学研究

华北地台中寒武世鲕滩碳酸盐岩沉积序列中发育大量分属4－7级的高频层序，依据旋回平均厚度的频率分布、不同级别旋回叠加样式和比率、沉积发育样式和跨越整个地台的可对比等特征认为，它们受控于地球轨道参数变动，是典型的米兰柯维奇旋回，其中Ⅳ、Ⅵ级分别对应于长、短偏心率旋回，时限分别为0．4Ma和0．1Ma。应用轨道旋回规则的周期间隔给出了中寒武世各级层序、地层阶和相应界面的年龄值。     

旋回地层学：地层学解读时间的第三里程碑

围绕对地质时间的认识,地层学取得了从岩石地层学、生物地层学和旋回地层学3次里程碑性的重大进展.以生物地层学为基础并与放射性同位素定年技术相结合建立的、以百万年为计时单位的地质年代表既创造了地层学的辉煌,也在一定程度上降低了地质学对精确数字定年的不懈追求和为人类社会服务的功能.本文以时间为线索,简要回顾了地层学解读时间的漫长过程,阐述了旋回地层学概念的起源、形成和发展,以及旋回地层学与层序地层学在科学目标、研究内容和研究方法上的异同.以广西晚泥盆世弗拉期-法门期之交海相碳酸盐地层为例,从理论与实践的结合上剖析了旋回地层学的研究方法以及在岩石地层学和生物地层学基础上构建高分辨率,并能与人类社会时间接轨的地质时间坐标的广阔前景和科学意义.     

利用采样定理与沉积速率确定旋回分析最佳采样间隔

旋回地层学方法近年来被成功应用于年代确定及重大地质事件天文影响因素的判别.采样是旋回分析中最重要的一步, 目前大多使用地球物理、地球化学替代性指标, 采样频率过高, 会大大增加测量和计算的工作量, 同时也会增加随机干扰或其他非气候因素的干扰; 采样频率过低, 可能识别不出其中所包含的米兰柯维奇旋回成分.为确定一个最佳的采样间隔, 通过对80~100 Ma理论日照量曲线及两个实测剖面3种采样间隔(密集采样间隔与约等于一个岁差周期沉积厚度四分之一和一半的采样间隔)数据分别进行谱估计并比较谱估计结果.发现在满足采样定理的前提下, 以一个岁差周期沉积厚度的约一半作为采样间隔, 既可以分析出全部的米兰柯维奇旋回信号, 又具有最少的工作量, 是旋回分析的最佳采样间隔.实际采样中需根据平均沉积速率来确定这个最佳采样间隔.      

泥盆系弗拉阶／法门阶之交米兰柯维奇旋回及高分辨率地层对比

在广西泥盆系弗拉阶－法门阶（F－F）之交盆地相－斜坡相碳酸盐地层（桂林杨堤剖面，阳朔龙门剖面，德保都安剖面和横县六景剖面）中识别出超层序组、层序组、层序和纹层4级旋回层，它们在牙形石带内的级序结构、数量关系和排列顺序在时间上持续、稳定，在空间上可进行跨相、跨盆地的远距离对比。我们的资料表明，超层序组、层序组、层序和纹层旋回分别相当于长偏心率、偏心率、斜度或岁差和亚米兰柯维奇旋回。泥盆纪时它们的周期值分别为400，000年100，000年、33，333年或16，667年和8，000－17，000年。长偏心率与偏心率、偏心率与斜度、偏心率与岁差的比例关系分别为1：4、1：3和1：6。与第四纪相比，泥盆纪时斜度和岁差周期变短，偏心率周期基本保持恒定，表明地球自转至少自泥盆纪以来变慢。在研究剖面上，F－F事件前后超层序组与层序组间的级序结构存在明显的差别，即F－F事件前为1：4，F－F事件后为1：3。造成这种变化的原因可能与F－F事件期间多次陨击事件对地球长偏心率周期的影响有关。利用米兰柯维奇旋回的研究结果可使弗拉阶－法门阶之交年代地层的划分对比达到十万年级和万年级的分辨率，并可对上泥盆统国际通用的标准牙形石带进行数字标定，即上rhenana带、linguiformis带、下、中、上triangularis带的时间延续分别为0．6Ma、0．8Ma、0．3Ma、0．3Ma和0．3Ma。在十万年级和万年级分辨率基础上弗拉期－法门期之交的海平面变化不具一致性和同步性。     

高分辨率层序地层学基准面旋回识别

基准面周期性的变化是高分辨率层序地层学研究的基础。基准面周期性旋回的级次不同，形成的旋回不同，旋回界面也有差异。岩心、露头对沉积相识别的分辨率最高，可进行短周期基准面旋回的识别；中周期基准面旋回由短周期旋回叠加而成，通过短周期旋回的叠加样式可识别中周期基准面的变化；应用测井曲线标定，在地震剖面上可识别长周期基准面旋回。     

雾迷山旋回层:米级旋回的一个特例

作为地层堆积作用的"间断—加积旋回"机制的产物,"米级旋回"的完整定义代表了旋回地层学进入地层学实践的主流,因为米级旋回的形成可以运用米兰柯维奇旋回得到合理的解释。作为特殊的环潮坪型碳酸盐米级旋回——"雾迷山旋回层",因其罕见的近似对称的相序组构可以替代"洛菲尔旋回层(Lofer cyclothem)",成为旋回性碳酸盐沉积作用的表征,从而进一步成为前寒武纪巨厚叠层石碳酸盐序列中地层结构的标志。因此,"雾迷山旋回层"不但作为碳酸盐米级旋回的特别实例,而且蕴含着较为明显的米兰柯维奇旋回属性,同时进一步说明了米级旋回可以成为层序地层学概念体系中欠完整性的"副层序"的替代物。     

米兰柯维奇韵律层及其年代地层意义

本文简要介绍了米兰柯维奇轨道三要素（岁差、黄赤交角及偏心率）及其变化周期，并对因轨道要素的变化引起的韵律沉积层的研究现状进行了综述，由于气候变化的全球性以及轨道参数的相对稳定性，本文认为，米兰柯维奇韵律层可以作为盆际，盆内地层对比的重要辅助手段，并可用来测定地层单元的延续时间，实际应用结果表明，其精度要高于现行的生物地层学对比及同位素测龄法。     

Recognition of Milankovitch Cycles in the Natural Gamma—Ray Logging of Upper Cretaceous Terrestrial Strata in the Songliao Basin

Spectrogram analysis of seven natural gamma-ray logging of Member 1 of the Qingshankou Formation (K2qn1) and Member 1 and 2 of the Nenjiang Formation (K2n1-2) of Late Cretaceous age in the Songliao Basin reveals sedimentary cyclicities controlled by Milankovitch climate periodicities. The recognition of Milankovitch cycles allows estimation of an average accumulation rate of ~7.55–8.62 cm/ka for the K2qn1 sections, and ~6.69–10.16 cm/ka for the K2n1-2 sections. Two marine transgression events occurred during the deposition of K2qn1 and K2n1-2 and their ages are at ~0.74–1.10 Ma and ~2.38–4.84 Ma, respectively. Identification of Milankovitch cycles from fine-grained deep lake sedimentary rocks in the Songliao Basin may provide great potential for high-resolution stratigraphic subdivisions and correlations.     

靖安油田延长组米兰柯维奇沉积旋回分析

对米兰柯维奇旋回理论进行了概述,认为米兰柯维奇天文轨道参数所诱导的旋回沉积序列普遍存在于地质记录中.用小波分析对鄂尔多斯盆地靖安油田延长组储层测井曲线数据进行了预处理,采用快速傅里叶变换(FFT)进行了频谱分析,发现该储层中的沉积旋回主要受古气候变化的控制,由此确定了储层旋回厚度变化的周期并分析了米兰柯维奇旋回各因素对延长组储层旋回的影响,其中偏心率对该区沉积旋回的影响最大.     

频谱分析法在识别米兰科维奇旋回及高频层序中的应用——以塔里木盆地塔中－巴楚地区下奥陶统鹰山组为例

在巴楚地区露头高频层序研究及塔中地区钻测井三级层序划分的基础上,对塔里木盆地塔中地区塔中162井和塔中43井下奥陶统鹰山组层序OSQ2的自然伽马能谱测井ln（Th/K）曲线进行了滤波处理、快速傅里叶变换处理、小波时频分析以及调谐处理,识别出具有米兰科维奇旋回特征的高频旋回。结果表明：斜度（黄赤交角）旋回最为明显,周期为37.0 ka,是以向上变浅为主的六级米级旋回的主要控制因素,其主旋回平均厚度在台地边缘相带的塔中162井及塔中43井中分别为4.55 m及3.97 m,在巴楚地区半局限-开阔台地相带中为2～4 m;95 ka的短偏心率周期是形成五级准层序的主要控制因素,而大致代表四级准层序组形成时限的413 ka长偏心率周期在地层记录中表现并不明显。据高频层序叠置关系分析及平均主旋回个数初步估算,塔中-巴楚地区下奥陶统鹰山组层序OSQ2的形成时限大约为4.92 Ma,塔中43井鹰山组层序OSQ2受后期构造隆升而被剥蚀约192  m。结合四级层序（准层序组）发育时限（413 ka）及其叠置关系,以及与其调谐的小波变换曲线特征,初步将塔中-巴楚地区鹰山组层序OSQ2划分出12个准层序组。自然伽马能谱测井ln（Th/K）曲线包含沉积古水深相对变化的信息,是反映气候变化生成的米兰科维奇旋回层序的良好指标。     

黔西上二叠统长兴组米兰科维奇旋回研究

选择黔西地区盘1井、威宁1井、纳雍1井和织金1井,对长兴组自然伽马测井数据进行频谱分析,识别出其中的米兰科维奇周期,并采用滤波手段提取出其中的稳定周期,进行连井对比。结果表明频谱峰值与米兰科维奇周期存在良好的对应关系,研究区长兴组地层中保存着123. 0 ka的偏心率周期、45. 0 ka和35. 6 ka的斜率周期、21. 2 ka和17. 7 ka的岁差周期,各级周期的旋回厚度分别为4. 59~5. 73 m、1. 37~2. 15 m和0. 66~0. 98 m;各井的短偏心率旋回曲线显示研究区长兴组地层记录了约18个短偏心率旋回,据此估计出长兴组沉积时限约为2. 21 Ma;通过短偏心率旋回层和所计算沉积速率的连井对比,发现地层中海相标志岩层段等时性对比效果明显,反映了区域快速海侵的过程,而沉积速率的变化可能受到了海平面变化和物源供应的共同影响。     

大庆长垣姚家组高频层序地层与米兰科维奇旋回对应性

选取典型取心井对大庆长垣姚家组进行高频层序划分,共识别出98个超短期旋回,33个短期旋回,9个中期旋回和3个长期旋回。同时大庆长垣姚家组自然伽马曲线频谱分析结果表明,该地层中很好地保存了米兰科维奇旋回。其中,偏心率短周期引起的沉积旋回厚度为2.679～3.972 m,地轴倾角周期引起的沉积旋回厚度为1.379～2.131 m,岁差周期引起的沉积旋回厚度为0.601～0.901 m。高频层序与米兰科维奇旋回之间存在着较好的一致性,高频层序中期旋回、短期旋回和超短期旋回大致分别与米兰科维奇旋回的偏心率长周期、偏心率短周期以及岁差周期对应。地球轨道变化所引起的湖平面变化是高频层序形成的主控因素。     

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。

     

Metre‐scale cycles in shallow water carbonate successions: Milankovitch and stochastic origins

Metre‐scale cycles are a common feature in Precambrian and Phanerozoic shallow water carbonate successions, and astronomically forced changes in sea‐level (Milankovitch cycles) may have been an important driver controlling their deposition. Nevertheless, the degree to which potentially low amplitude astronomically paced sea‐level oscillations may have controlled carbonate accumulation in deep time is unclear. In this study, a stochastic model of carbonate accumulation demonstrates how metre‐scale exposure‐bound sequences can be generated under conditions of random sea‐level change. These sequences have characteristic durations close to Milankovitch cycles, despite the absence of any astronomical control on their formation. Metre‐scale sequences with sub‐Milankovitch (millennial‐scale) durations can also be generated by the model, potentially shedding light on the origin of sub‐Milankovitch sequences such as those recorded on the Middle Triassic Latemar platform of Northern Italy. Sensitivity tests demonstrate how shallow water carbonates may be very sensitive to weak (i.e. low amplitude) astronomically forced sea‐level oscillations. Notably, strong statistical evidence (P < 0·01) for astronomical cycles can be preserved in modelled successions even when astronomical forcing contributes <1% of the sea‐level variance on million year timescales. Taken together, metre‐scale cycles with Milankovitch‐scale durations in ancient carbonate successions may reveal very little about the amplitude, or even the existence, of astronomical forcing as a sea‐level driver.     

藏北雁石坪夏里组高频岩相旋回的驱动机制研究

Walsh频谱分析引用不连续的方波代替傅里叶频谱分析中连续的正弦波和余弦波,由于Walsh函数的不连续性,它广泛应用于地层旋回周期的检测。藏北雁石坪地区中侏罗统夏里组发育一套以砂岩、泥岩为主的高频岩相旋回,在地层颜色上也表现出较好的旋回性。对该组地层岩性和颜色进行Walsh频谱分析对比发现,岩性频谱曲线及颜色频谱曲线的主频周期与米兰科维奇旋回周期之间均具有极好的对应关系,认为海平面的周期性变化是夏里组高频岩相旋回的驱动机制。同时根据岩性旋回频谱和颜色旋回频谱计算得出夏里组的沉积速率约为0．111m／ka,沉积持续时间约为3．689Ma。     

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。