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。     

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.     

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.      

天文地质年代表与旋回地层学研究进展

Rio等（2003）依据旋回地层学研究成果提出了“天文地质年代表”，旋回地层学研究是依据地层记录中的旋回与有关米氏旋回来确定地质时间。轨道（或天文）方法已被确定为建立2004年“国际地质年表”（由国际地层委员会确认）的重要方法之一（Gradstein等，2004）。我国在新近系、古近系、下侏罗统、二叠系等陆相沉积的旋回地层研究方面已取得一批成果。     

国际第四纪年代地层研究进展

第四纪代表了地质历史时期最新的地质年代,持续了2.58个百万年,以两极发育冰盖、多期次的冰期-间冰期旋回和人属的出现为特征。第四纪年代地层学研究在建立高精度地层格架、了解地球气候系统演化规律和预测气候变化趋势等方面具有重要意义。依据现今的定义,第四系包括更新统和全新统,而更新统进一步划分为4个阶。其中,杰拉阶底界、卡拉布里雅阶底界和全新统底界全球层型剖面与点位(GSSP)已确立,而更新统中阶和上阶底界GSSP的研究工作正在进行中,界线标志已确定。近年来,随着同位素测年技术的不断提高和天文旋回理论的普遍应用,第四纪年代地层界线年龄在不断更新,天文轨道旋回控制的万年尺度气候事件可以作为全球对比的标尺。当前国际地层委员会第四系分会的主要任务包括更新统中、上阶底界金钉子的确立、全新统进一步划分和"人类统"概念的提出。     

国际第四纪年代地层研究进展北大核心CSCD

第四纪代表了地质历史时期最新的地质年代,持续了2.58个百万年,以两极发育冰盖、多期次的冰期-间冰期旋回和人属的出现为特征。第四纪年代地层学研究在建立高精度地层格架、了解地球气候系统演化规律和预测气候变化趋势等方面具有重要意义。依据现今的定义,第四系包括更新统和全新统,而更新统进一步划分为4个阶。其中,杰拉阶底界、卡拉布里雅阶底界和全新统底界全球层型剖面与点位(GSSP)已确立,而更新统中阶和上阶底界GSSP的研究工作正在进行中,界线标志已确定。近年来,随着同位素测年技术的不断提高和天文旋回理论的普遍应用,第四纪年代地层界线年龄在不断更新,天文轨道旋回控制的万年尺度气候事件可以作为全球对比的标尺。当前国际地层委员会第四系分会的主要任务包括更新统中、上阶底界金钉子的确立、全新统进一步划分和"人类统"概念的提出。     

旋回地层学和天文年代学及其在中生代的研究现状

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,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年多年来,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。这种数字定年方法是通过天文调谐获得连续的高分辨率的地质年代,是对传统地质定年方法如古生物、古地磁以及放射性同位素测年方法的一次革新。最新的国际地质年表The Geologic Time Scale 2012(简称GTS2012)中经过天文校准的地质年代已近100％覆盖了新生代,而中生代的天文年代校准还存在着很大挑战。目前应用稳定的405 ka的偏心率长周期对中生代地层进行天文地质年代校准,是国际地质年表从GTS2004到GTS2012的一个最大改进。文中将主要介绍天文旋回的基础理论和其在中生代的应用及其研究现状。     

东海盆地西湖凹陷沉积记录的天文旋回响应

基于东海陆架盆地古新世-始新世前人解释的三级层序成果,认为东海陆架盆地现有的三级层序划分不足以满足当下研究的需要,由此开展了旋回地层与层序地层研究,重新将三级层序界面的与基于对岩性及地震相特征变化的解释相结合,加入了天文旋回驱动的机制,阐明海平面变化驱动三级层序的特征。以东海陆架盆地西湖凹陷的BSH-1井及其相邻的NB-25-2-1井为研究对象,结合地层学研究基础,选取GR测井曲线为古气候替代指标,应用旋回地层学的理论及其时间序列分析、频谱分析技术的方法,对两口典型钻井进行了天文旋回分析,借助邻井时间锚点建立了有效的天文年代标尺,探讨了斜率周期信号变化的振幅调制的约1.2 Ma长周期与海平面变化以及三级层序发育的关系,认为东海陆架盆地三级层序受控于稳定的约1.2 Ma的斜率振幅调制周期。最终形成一套绝对天文年代标尺与一套三级层序划分方案。     

从地层到地时

地层学作为基础学科,其研究跟随和服务于地球科学,得到了迅猛发展。在中国确立的10枚"金钉子"已经成为国际地层标准的重要内涵,对关键地史转折期和重大地质事件的综合年代学研究已为国际同行瞩目。在地层划分与对比中,时间(地质年代)是最基本的要素,其分辨率已在部分地区和时代达到了从百万年级至万年级精度的提升。地层学正在依据自然规律和研究的需要,构建地质学的时间单位谱,提供与人类社会接轨的时间单位和地质时间坐标。国际Earthtime(地时)计划正努力通过对不同定年方法和实验室产生的年龄数据进行校正和整合,逐步提高各种定年的技术和水平。中国定年的技术、流程等尚未统一,精度有待提高,更缺乏国际范围内的技术合作与数据资源整合。要实质性地提高国内精确定年水平,仅靠单个实验室加入国际Earthtime计划是不够的,需要整合国内力量,联合国内实验室合作进行高精度定年,促进国内同位素年代学实验室采用国际标准化实验流程和国际标样稀释剂等办法开展高精度同位素测试;更为重要的是汇集多领域地层学家开展综合研究,于是,"地时-中国"(Earthtime-CN)计划应运而生。"地时-中国"计划的目的是在中国形成一个发展和应用高分辨率地质年代表的研究平台;意义是建立与国际Earthtime组织的联系与合作,组织国内年代学和定年技术之间的联合研究,进一步提高中国高精度地质年代学和定量年代地层学研究的水平和国际影响;任务是在国际Earthtime计划中,更强调不同学科的共同运作。在协助国内同位素年代学实验室更新技术方法,开展高精度同位素定年之外,围绕环境变迁与生物演化对具体地层界线进行多方位年代学和多重地层学研究,致力于强化定年精度及其可比性。"地时-中国"计划不应是单一学科研究,也不仅限于定年技术和水平的提高。单一年代学方法难以彻底提高时间精度和解决对比问题。"地时-中国"计划将比国际Earthtime涉及领域更广泛。在同位素定年之外,更要强调生物地层、磁性地层、旋回地层、化学地层和定量地层学的联合攻关。由此构建的定年标准和工具方可使地质年龄达到前所未有的时间精度和分辨率,并可应用于地学各个领域,从而逐步完成中国与国际地层的准确对比;另外,她将紧密配合"深时"研究,赋予地质历史以多维空间,使一系列有关重大地质历史转折期、重大地质事件、古生态-古气候-古环境突变等重要科学研究具有全球整合的渠道与框架,进而为系统地球科学研究做出应有贡献。     

“地时”(Earthtime)研究计划:“深时”(Deep Time)记录的定年精度与时间分辨率

地质年代的精度、准确度和分辨率的水平决定了人们在多大程度上可以回答一些关于"深时"的生态、气候、生物演化和基础地质问题。目前用于定年和对比的技术主要包括放射性同位素年代学、生物地层学、磁性地层学和旋回地层学等,但各有优缺点,甚至有时不同定年系统所获得的结果存在一些矛盾。"地时"(Earhtime)研究计划就是要开展广泛的国际合作,通过整合、校正和提高地质年代学和定量地层学方法,发展出一套新的地质年代学技术,使地质年代的误差达到0.1%的水平,实现精确确定地球历史的时间及先后顺序。中国东北松辽盆地发育连续、完整的白垩系为开展高分辨率年代学研究提供了机遇,将是对"地时"研究计划在中生代陆相地层中应用的良好补充和重要贡献。     

华南泥盆-石炭系界线剖面旋回地层学研究

泥盆-石炭纪过渡期是地球演化过程中的一个重要阶段,发生了地球气候系统从温室向冰室转型和生物灭绝等重大事件。准确且高分辨率的年代格架是理解这些事件的基础。本文利用高分辨率磁化率作为古气候替代指标,对贵州省长顺县睦化Ⅱ剖面和大坡上剖面以及广西壮族自治区南丹县度里剖面的泥盆-石炭系界线附近深水沉积序列进行旋回地层学研究。识别出受到短偏心率、斜率和岁差控制的沉积旋回厚度分别为1.092.39、0.290.73、0.180.51 m。利用轨道短偏心率进行天文校准,结果证实泥盆纪晚期短偏心率、斜率、岁差周期分别为约100、32.227.2和20.915 ka。利用大坡上剖面已知的U-Pb放射性同位素年龄和天文校准结果建立高精度浮动天文年代标尺并进行旋回地层对比。确定了泥盆-石炭系界线附近牙形类生物带和Hangenberg生物灭绝事件的持续时间,并计算出泥盆-石炭系界线年龄为(359.58±1.9) Ma。     

地层学的几个基本问题及中国地层学可能的发展趋势

对地层学的几个基本问题,包括地层分类、国际地层表的建立、全球地层标准剖面及剖面点进行了讨论。在各种地层分类体系中,年代地层学和岩石地层学是分类中的主体,其他系统都居于补充或从属的地位。国际地层表是地质学的基本文件和地学研究的主要参照,其建立的基础应是地史上关键性地质事件的记录,其方法应是多学科的综合研究。前寒武纪与显生宙划分的建立标准应是一致的。国际地层委员会制订的GSSP做出了重大贡献,但所定点位不够稳定,点位以外无法对比,在实践上和认知上都有不足。可考虑用多学科综合研究,寻觅接近等时的物理界面取代剖面点作为地层界面。在中国地层研究方面,以三次全国地层会议为准,分阶段概括论述了半世纪以来做出的主要成果。对今后中国地层研究的可能趋势提出了一些看法。主要是:应从系统论、整体观和复杂性观点的高度开展多学科的融合,共同解决地层的时空关系和划分对比等复杂问题;应当扩大服务面和扩展研究面,着重开展以古环境和古气候为中心的地层研究,协助解决与经济建设中的资源与环境两大主题有关的地质课题;制订2008年后的中、长期规划,改进GSSP程序,持续完善《国际地层表》这一永恒任务;开展高分辨率、高精度地层学研究,建立融合及协调多种分支学科的综合地层学;扩大地层学对整个地球科学的服务,使中国地层学研究进入一个新的阶段。     

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。     

中国地层学研究近期面临的主要问题

地层中包含了地球演化过程的许多重要信息,它是建立全球地质年代系统的重要基础。统一年代地层系统的建立有利于促进基础地质工作、矿产资源勘查、地质环境评价和地质灾害预测与防治等各项事业的发展,因此一直受到广大地质工作者的高度重视。目前在《国际地层表》已建的110个阶中,已有65个全球界线层型剖面和点位(简称GSSP)被国际地层委员会和国际地质科学联合会批准确认,其中有10个GSSP被确立在中国,我国是拥有GSSP最多的国家。在中国区域年代地层表的102个阶中,也有59个阶得到了较深入的研究,并建立了部分地层单位的划分对比标准。虽然我国的地层学研究取得了许多重要成果,但是在中国区域地层标准的建立与完善以及区域地层单位与GSSP的对比、变形和变质较强烈地区地层学研究方法的确定、广泛分布的中新生代陆相地层划分对比、中国典型地层剖面保护和规范化研究等方面还存在诸多尚未解决的重要问题,急待深入研究。     

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.     

基于米氏旋回的黔西盘县上二叠统煤系高频层序研究

上二叠统记录了地质历史时期最大规模的生物灭绝事件和最深刻的环境变化。对上二叠统的层序地层格架进行精细 描绘,建立高分辨率的地层序列,是深入了解此次事件及其演化的基础和关键。基于钻测井、岩心观测及地球化学分析测 试结果等资料综合分析,并运用小波分析技术,对黔西盘县上二叠统煤系进行了米氏旋回的识别和划分,结果表明,研究 区上二叠统煤系记录了稳定的米兰科维奇旋回,天文轨道周期对其沉积过程具有明显影响,由长、短偏心率、地轴斜率和 岁差周期引起的地层旋回厚度分别为16.06~17.24 m、5.39~5.70 m、2.11~2.15 m、1.12~1.21 m,长偏心率周期对地层中沉积 旋回的控制和影响最强。对长、短偏心率周期进行滤波分析后,建立了上二叠统煤系“浮动”天文年代标尺,为约束同沉 积火山事件层（Tonstein） 的形成及其持续时限提供了年代学依据。以区域等时对比效果明显的长偏心率旋回为标尺,并结 合旋回沉积序列、旋回界面特征等,将上二叠统煤系划分为4个三级层序,并进一步划分为16个四级层序（对应于中期旋 回）,建立了研究区高频层序地层格架。     

基于米氏旋回的黔西盘县上二叠统煤系高频层序研究

上二叠统记录了地质历史时期最大规模的生物灭绝事件和最深刻的环境变化。对上二叠统的层序地层格架进行精细 描绘，建立高分辨率的地层序列，是深入了解此次事件及其演化的基础和关键。基于钻测井、岩心观测及地球化学分析测 试结果等资料综合分析，并运用小波分析技术，对黔西盘县上二叠统煤系进行了米氏旋回的识别和划分，结果表明，研究 区上二叠统煤系记录了稳定的米兰科维奇旋回，天文轨道周期对其沉积过程具有明显影响，由长、短偏心率、地轴斜率和 岁差周期引起的地层旋回厚度分别为16.06~17.24 m、5.39~5.70 m、2.11~2.15 m、1.12~1.21 m，长偏心率周期对地层中沉积 旋回的控制和影响最强。对长、短偏心率周期进行滤波分析后，建立了上二叠统煤系“浮动”天文年代标尺，为约束同沉 积火山事件层（Tonstein） 的形成及其持续时限提供了年代学依据。以区域等时对比效果明显的长偏心率旋回为标尺，并结 合旋回沉积序列、旋回界面特征等，将上二叠统煤系划分为4个三级层序，并进一步划分为16个四级层序（对应于中期旋 回），建立了研究区高频层序地层格架。     

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。     

《中国地层表》(2014)正式使用

全国地层委员会在在"中国区域年代地层(地质年代)表"的基础上,历经八年的编制,最近正式发布《中国地层表》(2014)。《中国地层表》建立了中国年代地层系统与国际年代地层系统之间的精确对比关系,充分反映了各地质时期岩石地层的展布状况,各地质历史阶段的地质年龄、生物地层序列(列数列各阶期的主导化石门类的组合序列)、磁性地层、地质事件、海平面升降等的变化特征。《中国地层表》(2014)是实用性很强的全国统一的多重划分地层表,是地质行业的重要标准规范,充分反映了第三届全国地层会议以来我国地层学研究的新成果,同时参考了国际地层学研究的最新进展。它的广泛应用将对我国的地质调查工作、地层学研究、地质学教学起到极大的促进作用,产生良好的社会效应。     

地球系统科学时代的高分辨综合地层学

高分辨年代地层系统是地球系统科学研究的基础。高分辨综合地层学试图建立分辨率小于一个生物带的地层单元并使地层对比的误差小于一个生物带。本文将目前用于建立年代地层系统的方法划分为三类:生物地层学、现代地层学的不同分支学科和同位素年代地层学,讨论了不同地层学方法的优势和不足。任何一种地层学方法的分辨率都是有限的,综合地层学为实现地层高分辨划分和高精度对比提供一个有效的途径。生物地层建立可信的相对年代地层格架,现代地层学手段有助于实现高分辨划分和高精度对比,同位素年代地层学赋予生物地层界线和其他地层界线绝对年龄。三者结合共同构成了高分辨综合地层学。