古生代陸相盆地中的17 萬年天文周期

李玉寅，黃何，高遠(yuǎn)，4，成虎，黑晨露，梁爽，王成善，4

1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 100083

2.成都理工大學(xué)沉積地質(zhì)研究院，成都 610059

3.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（成都理工大學(xué)），成都 610059

4.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）生物地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083

0 引言

米蘭科維奇周期（天文周期）是由于地球天文軌道參數(shù)（包括偏心率、斜率和歲差）周期性變化引起地球氣候系統(tǒng)變化，從而影響沉積過程并在沉積記錄中留下的周期[1-2]。米蘭科維奇周期主要在百萬年—萬年的時(shí)間尺度影響地球氣候系統(tǒng)，并可根據(jù)主控因素不同分為軌道偏心率周期、地球斜率周期和歲差周期。一般認(rèn)為現(xiàn)今周期為405 kyr 和約100 kyr 的偏心率周期、約40 kyr的斜率周期和約20 kyr的歲差周期是常規(guī)天文周期。除常規(guī)天文周期之外，一些“非常規(guī)”天文周期在大量研究中逐漸被發(fā)現(xiàn)，它們多是常規(guī)周期的振幅調(diào)制周期（Amplitude Modulation cycle，即AM cycle），如偏心率信號(hào)中存在～2.4 Myr的振幅調(diào)制周期，地球斜率的振幅曲線中存在～1.2 Myr和～173 kyr（即約17 萬年）兩個(gè)振幅調(diào)制周期。這些“非常規(guī)”天文周期和常規(guī)天文周期一同參與調(diào)控地球的氣候、水循環(huán)、大氣循環(huán)和碳循環(huán)系統(tǒng)[3-6]。

斜率信號(hào)主要通過影響全球日照量的緯向分布來調(diào)控中高緯度地區(qū)氣候，最終可在碳循環(huán)中留下記錄[7]。另外，有學(xué)者認(rèn)為斜率可通過影響低緯地區(qū)經(jīng)向日照梯度變化來直接影響低緯度地區(qū)氣候[8]。對(duì)于中高緯度地區(qū)來說，斜率值增大從而接受到的熱量增多，導(dǎo)致陸地降水增加、風(fēng)化加劇、地下水儲(chǔ)量增加和海平面下降[6,9]。但是，17 萬年斜率振幅調(diào)制周期如何影響地球氣候并不清楚。

Hinnov[1]通過天文理論計(jì)算得到了10 Ma內(nèi)的斜率曲線，其振幅曲線的譜分析結(jié)果顯示除約1.2 Myr的調(diào)制周期外，還存在周期較短的174 kyr周期，我們認(rèn)為這是17 萬年周期最早被地質(zhì)學(xué)家提出。近年來，隨著定年技術(shù)的不斷提高和連續(xù)高分辨率地質(zhì)記錄的不斷獲取，越來越多的研究報(bào)道了17 萬年周期。Boulilaet al.[10]在海相地層中發(fā)現(xiàn)了～173 kyr 信號(hào)，并在進(jìn)行50 Ma內(nèi)天文驗(yàn)證的基礎(chǔ)上建立了可靠的天文年代標(biāo)尺，以解決“始新世天文年代格架空白（Eocene astronomical timescale gap）”的難題。Charbonnieret al.[11]在白堊系海相地層中捕捉到～173 kyr 信號(hào)，并通過天文驗(yàn)證將～173 kyr 信號(hào)的可靠性拓展到100 Ma 內(nèi)，而后利用～173 kyr 周期建立了天文年代標(biāo)尺并對(duì)OAE2 持續(xù)時(shí)間進(jìn)行了估算。對(duì)于陸相地層，Huanget al.[5]還發(fā)現(xiàn)在晚白堊世松遼盆地、晚中新世塔里木盆地和上新世—全新世俄羅斯遠(yuǎn)東地區(qū)厄爾吉特金湖的數(shù)據(jù)序列中存在17萬年周期，且該周期不僅存在于斜率振幅調(diào)制序列中，也存在于原始數(shù)據(jù)序列中；Zhanget al.[12]在黃土高原東部晚中新世—上新世的風(fēng)成紅土剖面的磁化率數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)～173 kyr的周期，并將其歸因于地球和土星之間的軌道相互作用。此外，Huanget al.[5]還匯總了200 Ma以內(nèi)中高緯度的高分辨率總有機(jī)碳和有機(jī)碳同位素?cái)?shù)據(jù)作為地球碳埋藏的記錄，在其中均發(fā)現(xiàn)了160～200 kyr 的周期，并據(jù)此提出了“沉積閾值響應(yīng)”模式，認(rèn)為17 萬年這一“非常規(guī)周期”通過“非線性”沉積過程來影響地球氣候系統(tǒng)，從而調(diào)控地球碳循環(huán)。

然而，古生代地層中是否保存了穩(wěn)定的17 萬年周期信號(hào)仍不清楚。古生代海相地層中的旋回地層學(xué)研究多集中于對(duì)常規(guī)天文周期的研究[13-16]，對(duì)于“非常規(guī)周期”的研究也側(cè)重于超長(zhǎng)振幅調(diào)制周期（如2.4 Myr、1.2 Myr 等）及其對(duì)氣候和突發(fā)事件的影響[17-22]。與之相比，鮮有對(duì)17 萬年短周期的準(zhǔn)確報(bào)道，少數(shù)旋回地層學(xué)結(jié)果中存在200～170 kyr的信號(hào)，但作者并未展開討論[23-24]。僅有Zhonget al.[25]在華南海相地層的斜率信號(hào)振幅曲線中捕捉到173.4 kyr 振幅調(diào)制周期。截至目前，在古生代陸相地層尚無對(duì)17 萬年周期的詳細(xì)討論。本研究對(duì)早二疊世陸相沉積盆地的自然伽馬測(cè)井和總有機(jī)碳數(shù)據(jù)進(jìn)行了旋回地層學(xué)研究，在自然伽馬數(shù)據(jù)和總有機(jī)碳數(shù)據(jù)中均發(fā)現(xiàn)了17 萬年的天文周期，這一信號(hào)不僅存在于斜率振幅調(diào)制序列中，還出現(xiàn)在去趨勢(shì)的數(shù)據(jù)序列中。這一結(jié)果驗(yàn)證了17 萬年周期在古生代存在，并且通過非線性過程調(diào)控中高緯度氣候和水循環(huán)，進(jìn)而通過調(diào)節(jié)碳埋藏來調(diào)控碳循環(huán)。

1 地質(zhì)概況

準(zhǔn)噶爾盆地位于中國(guó)西北部，面積約為1.3×105km2，盆地形狀大致呈三角形[26]。東北部為青格里底山和克拉美麗山，西北部毗鄰扎伊爾山、哈拉阿拉特山和德倫山，南部直至依林黑比爾根山和博格達(dá)山[26]。盆地按照地層發(fā)育特征可以分為三個(gè)地層小區(qū)，分別為西北部區(qū)、東部區(qū)和南部區(qū)[27]。按區(qū)域坳陷和隆起的發(fā)育特征又可劃分為七個(gè)二級(jí)構(gòu)造單元，分別為西北部區(qū)的烏侖古坳陷、陸梁隆起、中央坳陷、西部隆起；東部區(qū)的吉木薩爾凹陷和東部隆起；南部區(qū)的北天山山前沖斷帶（圖1）。盆地從石炭紀(jì)到二疊紀(jì)經(jīng)歷了海相沉積到陸相沉積盆地的轉(zhuǎn)變，并在二疊系先后形成了風(fēng)城組和蘆草溝組兩套烴源巖層和產(chǎn)油層[30-31]。

圖1 準(zhǔn)噶爾盆地吉木薩爾凹陷概況（a）早二疊世時(shí)期（～290 Ma）準(zhǔn)噶爾盆地的古地理位置（據(jù)Sun et al.[28]修改），淡黃色代表陸地，淡藍(lán)色代表海洋，淺灰色代表冰蓋；（b）吉木薩爾凹陷和吉174井在準(zhǔn)噶爾盆地中的位置；（c）準(zhǔn)噶爾盆地南緣二疊系地層及年代格架（據(jù)唐勇等[29]修改）Fig.1 Overview of Jimusar Sag in Junggar Basin(a) Early Permian (～290 Ma) paleogeography and the location of the Junggar Basin (modified from Sun et al.[28]),the light yellow,blue,and gray areas represent the land,ocean,and ice cap,respectively;(b) location of Jimusar Sag and well Ji174 in the Junggar Basin;(c) the Permian stratigraphy and chronological framework of southern Junggar Basin (modified from Tang et al.[29])

蘆草溝組主要分布于準(zhǔn)噶爾盆地東部，與上覆地層紅雁池組和下伏地層井井子溝組均為整合接觸[29]。巖性大多為細(xì)粒沉積巖，以泥頁(yè)巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖、細(xì)砂巖為主，夾白云質(zhì)泥巖和白云巖。蘆草溝組整體為陸相湖泊環(huán)境，粒度較細(xì)的泥頁(yè)巖可能代表了湖盆較深的時(shí)期，而粉砂巖、細(xì)砂巖可能代表了湖盆較淺的時(shí)期[32]。到目前為止，蘆草溝組的沉積時(shí)間尚未完全確定。Gaoet al.[27]根據(jù)已發(fā)表的火山鋯石和碎屑鋯石放射性測(cè)年資料，結(jié)合生物地層學(xué)，認(rèn)為蘆草溝組歸屬于中二疊統(tǒng)（瓜德魯普統(tǒng)），具體年齡限定在約268～270 Ma。其中Liuet al.[33]對(duì)蘆草溝組上部粉砂巖中碎屑鋯石進(jìn)行LA-ICP-MS 定年，得出最大沉積年齡為269 Ma。唐勇等[29]系統(tǒng)總結(jié)了已發(fā)表的年代地層和生物地層成果，結(jié)合碎屑鋯石年齡和生物地層數(shù)據(jù)，將蘆草溝組劃入下二疊統(tǒng)（烏拉爾統(tǒng)），底界限定在290±2 Ma。Sunet al.[28]對(duì)準(zhǔn)噶爾盆地南部井井子溝剖面蘆草溝組上部的火山灰進(jìn)行CA-ID-TIMS測(cè)年，得到結(jié)果為286.39±0.25 Ma。對(duì)下伏地層井井子溝頂部的凝灰質(zhì)粉砂巖進(jìn)行LA-ICP-MS 測(cè)年，結(jié)果為294.1±1.4 Ma。另外，Yanget al.[34]對(duì)吐哈盆地西緣紅雁池組靠近頂界層位的火山灰進(jìn)行CA-ID-TIMS鋯石U-Pb定年，結(jié)果為281.39±0.10 Ma，并將紅雁池組和蘆草溝組劃入烏拉爾統(tǒng)。本文采用Sunet al.[28]的ID-TIMS鋯石U-Pb定年結(jié)果，即蘆草溝組年齡在290 Ma 左右，先前Liuet al.[33]得出的最大沉積年齡269 Ma可能受到單顆碎屑鋯石鉛丟失的影響而導(dǎo)致偏年輕。

2 數(shù)據(jù)和研究方法

2.1 NGR和TOC數(shù)據(jù)

采用來自吉174 井蘆草溝組的自然伽馬測(cè)井（NGR）數(shù)據(jù)和總有機(jī)碳（TOC）數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)序列見圖2。吉174 井蘆草溝組的深度段為3 104.00～3 358.00 m。高分辨率的NGR 數(shù)據(jù)來自Huanget al.[24]，原始采樣間距為0.125 m。NGR數(shù)據(jù)貫穿整個(gè)蘆草溝組，深度段為3 100.00～3 358.00 m，2 065 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的最大值為178.212 API，最小值為42.636 API，平均值為81.584 API。

圖2 吉174 井蘆草溝組巖性柱及TOC、NGR 數(shù)據(jù)序列巖性柱基于巖心描述結(jié)果，TOC和NGR數(shù)據(jù)序列中灰色粗虛線為不屬于軌道旋回尺度的長(zhǎng)周期趨勢(shì)線Fig.2 Lithology,total organic carbon (TOC),and natural gamma-ray (NGR) data series of Lucaogou Formation in well Ji174Lithology is based on the core description results,the grey dotted lines in TOC and NGR series are long-period trend lines that do not belong to the scale of orbital cycles

總有機(jī)碳（TOC）數(shù)據(jù)來自Huet al.[31]，主要為蘆草溝組265 個(gè)湖相泥巖樣品采集測(cè)定。TOC 數(shù)據(jù)未能完全包括蘆草溝組，缺失了頂部3 104.00～3 109.22 m，且3 338.10 m 之后的數(shù)據(jù)采樣分辨率較低，可能影響萬年尺度周期的識(shí)別。因此，選取區(qū)間為3 109.22～3 338.10 m的TOC 數(shù)據(jù)，261個(gè)數(shù)據(jù)的最大值為19.01%，最小值為0.27%，平均值為3.56%。

自然伽馬測(cè)井（NGR）數(shù)據(jù)是一種常用的古氣候代用指標(biāo)，被廣泛用于旋回地層學(xué)研究[4,35-36]。該數(shù)據(jù)測(cè)量巖石中放射性物質(zhì)（如U、Th、K 等）在衰變過程中放射出的伽馬射線強(qiáng)度，即表征巖石中放射性物質(zhì)的富集程度。黏土礦物顆粒細(xì)小，沉降緩慢，且黏土礦物和有機(jī)質(zhì)易于吸附放射性物質(zhì)，均有利于放射性物質(zhì)的富集[36]。由于砂巖、礫巖和碳酸鹽巖較少含黏土礦物，而泥頁(yè)巖常常富含黏土礦物和有機(jī)質(zhì)，因此在沉積巖中，砂巖、礫巖和碳酸鹽巖的自然伽馬測(cè)井值一般較低，而泥頁(yè)巖具有較高的自然伽馬測(cè)井值。因此，自然伽馬測(cè)井值可以較清晰地反映巖性變化。在沉積盆地中，巖性變化可以反映湖平面、河流輸入能力和大陸風(fēng)化強(qiáng)度的變化，這些受控于水文循環(huán)的因素均與古氣候變化緊密關(guān)聯(lián)。

前人已有從總有機(jī)碳（TOC）數(shù)據(jù)中識(shí)別出米蘭科維奇旋回的大量案例[37-38]。總有機(jī)碳（TOC）即巖石中以有機(jī)物形式存在的碳元素，可以直觀反映巖石的有機(jī)碳含量。TOC值可以反映沉積盆地的水體化學(xué)性質(zhì)、初始生產(chǎn)力和保存條件。這些因素都能夠代表碳埋藏情況，從而能夠表征沉積過程中的地球碳循環(huán)。

根據(jù)奈奎斯特采樣頻率（Nyquist Frequency），至少2 個(gè)采樣數(shù)據(jù)能夠識(shí)別出一個(gè)完整的周期。而最佳的采樣密度是一個(gè)周期內(nèi)包含4個(gè)樣品數(shù)據(jù)點(diǎn)，這樣既不會(huì)浪費(fèi)時(shí)間和金錢，也可以保證獲得真實(shí)完整的旋回信號(hào)[39]。前人對(duì)蘆草溝組的研究顯示蘆草溝組的沉積速率為9～10 cm/ kyr[24]，則代表約18 kyr的歲差周期的旋回為1.6～1.8 m，所需的采樣間距最大為0.8 m。而吉174井TOC數(shù)據(jù)的平均采樣間距為0.785 m，可識(shí)別出的最短周期為1.5 m；NGR 數(shù)據(jù)的采樣間距為0.125 m，可識(shí)別出的最短周期為0.25 m。因此，吉174井的數(shù)據(jù)分辨率足夠識(shí)別出軌道旋回信號(hào)，可以開展旋回地層學(xué)工作。

2.2 時(shí)間序列分析

采用R 語(yǔ)言中的“Astrochron”軟件包和Acycle軟件進(jìn)行頻譜分析工作[40-41]。下面是一些數(shù)據(jù)處理和分析的關(guān)鍵步驟。首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行等間距插值處理，因?yàn)檫M(jìn)行MTM 譜分析需要等間距的原始數(shù)據(jù)。所有的數(shù)據(jù)都進(jìn)行了間距為0.125 m 的等間距插值，這不會(huì)影響數(shù)據(jù)的整體趨勢(shì)。然后使用R 語(yǔ)言中“Astrochron”軟件包中的“noKernel”函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行去趨勢(shì)處理，以去除不屬于米氏旋回尺度的長(zhǎng)期趨勢(shì)。該函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)序列進(jìn)行高斯核平滑。接下來進(jìn)行去極值處理以消除原始數(shù)據(jù)中異常值對(duì)頻率域特征的影響，最后對(duì)數(shù)據(jù)序列進(jìn)行再次等間距插值，獲得有利于捕捉米氏旋回尺度信號(hào)的數(shù)據(jù)序列。

獲取高分辨率的數(shù)據(jù)序列后，運(yùn)用Acycle 軟件中的COCO（Correlation Coefficient）和eCOCO（Evolutionary Correlation Coefficient）分析工具[42]，并結(jié)合研究區(qū)地質(zhì)背景和前人研究進(jìn)行沉積速率范圍的估計(jì)。COCO分析即相關(guān)系數(shù)分析，是基于蒙特卡洛模擬來估算沉積速率，而eCOCO 分析即演化相關(guān)系數(shù)分析，可在COCO分析的基礎(chǔ)上使用滑動(dòng)地層窗口來獲取沉積速率在深度域上的階段變化。

使用MTM 譜分析來顯示數(shù)據(jù)序列在頻率域的特征，使用EHA 譜分析來進(jìn)一步顯示頻率域信號(hào)在深度域的變化，頻率域信號(hào)的置信程度可用90%、95%、99%的置信度曲線來量化。結(jié)合頻率域各峰值的比例關(guān)系（如405∶～100∶～40∶～20≈20∶10∶2∶1）和COCO、eCOCO的沉積速率結(jié)果來判斷各信號(hào)所對(duì)應(yīng)的天文周期。

對(duì)深度域數(shù)據(jù)序列中較強(qiáng)的信號(hào)進(jìn)行高斯濾波[39]，并根據(jù)相應(yīng)的天文周期將深度域數(shù)據(jù)調(diào)諧至?xí)r間域，建立浮動(dòng)天文年代標(biāo)尺。如存在多個(gè)較強(qiáng)的信號(hào)，則分別進(jìn)行高斯濾波并建立浮動(dòng)天文年標(biāo)尺，對(duì)比其結(jié)果以估計(jì)蘆草溝組的沉積持續(xù)時(shí)間（例如Huanget al.[24]）。而后對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)序列中代表斜率的信號(hào)波段進(jìn)行希爾伯特濾波以獲取斜率振幅曲線，并對(duì)獲取的曲線再次進(jìn)行MTM 譜分析，捕捉斜率振幅曲線中的振幅調(diào)制周期。

3 結(jié)果

3.1 深度域的旋回地層學(xué)分析

在R 語(yǔ)言中“Astrochron”軟件包中的“noKernel”函數(shù)中將“smooth”參數(shù)設(shè)定為0.05 以進(jìn)行預(yù)先的去趨勢(shì)處理。對(duì)吉174井去趨勢(shì)的TOC數(shù)據(jù)進(jìn)行MTM譜分析，可發(fā)現(xiàn)一系列高置信度信號(hào)。其中波長(zhǎng)為～10 m的周期達(dá)到了99%置信度；波長(zhǎng)分別為～4.4 m、～3.2 m、2.1 m 的周期達(dá)到了95%置信度（圖3b）。進(jìn)一步的EHA譜分析表明，～10 m的周期在深度域上始終比較穩(wěn)定，這也表明了相對(duì)穩(wěn)定的沉積速率。這些沉積旋回信號(hào)的周期比值約為4.8∶2.1∶1.5∶1，而早二疊世的理論天文信號(hào)比值[43-44]E∶e∶O1∶O2∶P 約為19.47∶4.81∶2.08∶1.66∶1，二者高度一致，因此這些沉積旋回可能分別代表了e（～10 m）、O1（～4.4 m）、O2（～3.2 m）和P（2.1 m）的天文周期旋回。此外，使用相關(guān)系數(shù)分析（COCO）對(duì)蘆草溝組的沉積速率范圍進(jìn)行了估計(jì)，綜合相關(guān)系數(shù)和零假設(shè)分析的結(jié)果顯示吉174井蘆草溝組沉積速率在～2.7 cm/kyr和～9.1 cm/kyr具有較高置信度。由于陸相湖盆一般具有較高的沉積速率，且蘆草溝組無明顯沉積間斷現(xiàn)象，結(jié)合前人對(duì)吉木薩爾凹陷蘆草溝組其他鉆井的研究[24,45]，認(rèn)為蘆草溝組的沉積速率最可能為～9.1 cm/kyr。這與前人研究結(jié)果的沉積速率范圍一致。

圖3 吉174 井TOC 數(shù)據(jù)深度域旋回地層學(xué)分析結(jié)果（a）去趨勢(shì)化TOC 數(shù)據(jù)進(jìn)行短偏心率信號(hào)（～10 m）斜率信號(hào)（～3.2 m）以及s3-s6斜率振幅調(diào)制信號(hào)（15～18 m）的提取；（b）2π MTM 和EHA 頻譜分析；（c）對(duì)去趨勢(shì)的TOC數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)系數(shù)法分析（COCO），目標(biāo)天文參數(shù)來自Berger et al.[43]和Laskar et al.[44]天文模型，模特卡洛計(jì)算次數(shù)為4 000，沉積速率計(jì)算范圍為0～20 cm/kyr，計(jì)算步長(zhǎng)為0.1 cm/kyrFig.3 Cyclostratigraphy analysis results of detrended TOC series from well Ji174 in the stratigraphic domain(a) detrended TOC series were extracted from the interpreted short eccentricity cycle (～10 m,blue curve),obliquity cycle (～3.2 m,green curve),and s3-s6 obliquity amplitude modulation (15-18 m,blue curve) cycle;(b) 2π MTM power spectrum and evolutive harmonic analysis (EHA) results;(c) COCO analysis of the detrended TOC series.The target astronomical series are from Berger et al.[43] and Laskar et al.[44] solutions at 290 Ma.The number of Monte Carlo simulations is 4 000.Sedimentation rates range from 0 to 20 cm/kyr with a step of 0.1 cm/kyr

3.2 天文調(diào)諧及時(shí)間域的旋回地層學(xué)分析

基于上述深度域的旋回地層學(xué)分析結(jié)果，認(rèn)為蘆草溝組沉積過程中受到了天文信號(hào)的調(diào)控，其中～10 m 的周期代表了短偏心率信號(hào)?！?0 m 的周期在深度域上穩(wěn)定且強(qiáng)烈，且偏心率信號(hào)在地質(zhì)歷史時(shí)期上一直穩(wěn)定存在，因此選取短偏心率信號(hào)（～100 kyr）對(duì)深度域的TOC序列進(jìn)行天文調(diào)諧，建立深度和時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，進(jìn)行時(shí)間域的旋回地層學(xué)分析。選取～10 m的波段進(jìn)行高斯濾波，其目的是將短偏心率信號(hào)從地層序列中識(shí)別出來。濾波結(jié)果顯示了26個(gè)波峰（圖3），代表了25個(gè)完整的沉積旋回。將每個(gè)沉積旋回賦予100 kyr 的時(shí)間尺度，就可以得到吉174 井蘆草溝組在3 109.22～3 338.10 m 這一深度范圍內(nèi)的持續(xù)時(shí)間。

由于吉174井的NGR數(shù)據(jù)中缺乏較強(qiáng)的偏心率信號(hào)，選擇利用TOC數(shù)據(jù)完成天文調(diào)諧后，再將時(shí)間模型用于NGR數(shù)據(jù)序列，并對(duì)TOC數(shù)據(jù)和NGR數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間域的旋回地層學(xué)分析。結(jié)果顯示，TOC 數(shù)據(jù)中周期為200～170 kyr、～100 kyr、～61 kyr、34.5 kyr、28.8 kyr、19.8 kyr的信號(hào)超過了99%置信度，周期為～48 kyr、～22 kyr 的信號(hào)超過了95%置信度。NGR 數(shù)據(jù)中周期為38 kyr、25.7 kyr、24 kyr 的信號(hào)達(dá)到99%置信度，周期為～170 kyr、42.9 kyr、34.5 kyr、18 kyr 的信號(hào)達(dá)到95%置信度。結(jié)合前人計(jì)算的早二疊世天文理論參數(shù)，認(rèn)為吉174井TOC 數(shù)據(jù)中存在～100 kyr的短偏心率周期、48～28.8 kyr 的斜率周期和22 kyr、19.8 kyr的歲差周期。除長(zhǎng)偏心率信號(hào)以外，其他天文周期均得到了較好的保存。而在吉174井NGR數(shù)據(jù)中存在42.9～34.5 kyr的斜率周期和21.1 kyr、18 kyr的歲差周期?？赡苡捎诰缓统练e過程的復(fù)雜性，偏心率信號(hào)沒有在NGR數(shù)據(jù)中得到良好的記錄。至于TOC數(shù)據(jù)中的200～170 kyr周期和NGR數(shù)據(jù)中的～170 kyr周期，其來源可能是s3-s6斜率振幅調(diào)制周期，之后將在4.2部分詳細(xì)討論。

4 討論

4.1 蘆草溝組持續(xù)時(shí)間和沉積速率

蘆草溝組時(shí)代上歸屬早二疊世，屬于缺乏準(zhǔn)確理論天文曲線的古生代地層。對(duì)于這種地層，一般選取在地質(zhì)歷史時(shí)期穩(wěn)定存在的偏心率周期（405 kyr和～100 kyr）進(jìn)行天文調(diào)諧，將數(shù)據(jù)序列從深度域轉(zhuǎn)換到時(shí)間域。由于早二疊世準(zhǔn)噶爾盆地位于北半球的中高緯度地區(qū)，除偏心率周期外，也記錄了較強(qiáng)烈的斜率波段信號(hào)。因此，嘗試采用斜率波段信號(hào)和斜率振幅周期信號(hào)（s3-s6）進(jìn)行天文調(diào)諧。這三種信號(hào)相互獨(dú)立，可能對(duì)得到較準(zhǔn)確的沉積持續(xù)時(shí)間有所幫助。

Huanget al.[24]對(duì)準(zhǔn)噶爾盆地吉木薩爾凹陷蘆草溝組五口鉆井的自然伽馬測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行了旋回地層學(xué)綜合分析，選取405 kyr 長(zhǎng)偏心率周期進(jìn)行天文調(diào)諧，得到結(jié)果為蘆草溝組的沉積持續(xù)時(shí)間約3±0.2 Myr，沉積速率介于8.9～10.3 cm/kyr?？赡苡捎诰缓凸艢夂蛑笜?biāo)的原因，吉174井沒有記錄到強(qiáng)的405 kyr 長(zhǎng)偏心率周期，這在吉木薩爾凹陷其他鉆井中也有體現(xiàn)[24]。選取短偏心率信號(hào)進(jìn)行天文調(diào)諧，得到蘆草溝組3 109.22～3 338.10 m 的持續(xù)時(shí)間約為2 515 kyr（圖4a）。此外，對(duì)34.5 kyr 的斜率周期進(jìn)行了濾波和天文調(diào)諧，得到持續(xù)時(shí)間為2 555 kyr。選取173 kyr 的s3-s6斜率振幅調(diào)制周期進(jìn)行濾波，首先需要將深度域代表斜率波段的信號(hào)（O1∶～4.4 m、O2∶～3.2 m）都包含在內(nèi)進(jìn)行濾波，而后在斜率振幅調(diào)制序列中濾出代表17 萬年振幅調(diào)制周期（s3-s6）的信號(hào)，將每個(gè)周期賦予173 kyr的時(shí)間間隔，最終得到結(jié)果為2 471 kyr。

圖4 短偏心率信號(hào)、斜率信號(hào)和s3-s6 斜率振幅調(diào)制信號(hào)的天文調(diào)諧結(jié)果（a）短偏心率信號(hào)調(diào)諧，每個(gè)周期時(shí)間間隔為100 kyr；（b）斜率信號(hào)調(diào)諧，每個(gè)周期時(shí)間間隔為34.5 kyr；（c）s3-s6信號(hào)調(diào)諧，每個(gè)周期時(shí)間間隔為173 kyrFig.4 Astronomical tuning results of short eccentricity,obliquity,and s3-s6 obliquity amplitude modulation cycles(a) tuning of short eccentricity cycles with a time interval of 100 kyr per cycle;(b) tuning of obliquity cycles with a time interval of 34.5 kyr per cycle;tuning of s3-s6 obliquity amplitude modulation cycles with a time interval of 173 kyr per cycle

一般來說，天文調(diào)諧的誤差范圍為結(jié)果加減一個(gè)調(diào)諧信號(hào)周期[46-48]，短偏心率、斜率和斜率振幅信號(hào)的結(jié)果及誤差范圍分別為2 515±100 kyr、2 555±34.5 kyr和2 471±173 kyr。不難發(fā)現(xiàn)，所選取的信號(hào)周期越長(zhǎng)，得到的持續(xù)時(shí)間越短。其原因是長(zhǎng)周期信號(hào)的調(diào)諧分辨率較低，不確定范圍較大；而短周期信號(hào)調(diào)諧分辨率較高，不確定范圍較小?？紤]到短偏心率信號(hào)在整個(gè)深度域均較穩(wěn)定，因此認(rèn)為吉174井蘆草溝組3 109.22～3 338.10 m 的持續(xù)時(shí)間約為2.515 Myr。由于數(shù)據(jù)密度原因，研究的數(shù)據(jù)序列并未將蘆草溝組全部囊括，缺失了底部3 338.10～3 358.00 m 和頂部3 104.00～3 109.22 m的研究結(jié)果?？紤]到蘆草溝組沉積時(shí)期構(gòu)造背景較穩(wěn)定，無明顯沉積間斷出現(xiàn)，所以仍按照約9 cm/kyr 的沉積速率估計(jì)3 104.00～3 109.22 m和3 338.10～3 358.00 m空缺部分的持續(xù)時(shí)間。將其與2.515 Myr 相加后，最終得到的結(jié)果約為2.8 Myr，與Huanget al.[24]的結(jié)果高度一致。

4.2 蘆草溝組中的17萬年周期記錄

在上述的旋回地層學(xué)研究中，除常規(guī)天文周期之外，TOC數(shù)據(jù)中記錄到一個(gè)顯著的200～170 kyr的周期信號(hào)（圖5b），NGR 數(shù)據(jù)同樣記錄了一個(gè)顯著的～170 kyr的周期信號(hào)（圖5e）。在去掉長(zhǎng)期趨勢(shì)之后的TOC和NGR時(shí)間序列上把這個(gè)信號(hào)單獨(dú)提取出來（圖5a，d），可以發(fā)現(xiàn)TOC和NGR的波動(dòng)變化與這個(gè)周期信號(hào)密切相關(guān)。除去趨勢(shì)時(shí)間序列中的17萬年信號(hào)之外，對(duì)吉174井蘆草溝組TOC和NGR數(shù)據(jù)的斜率振幅調(diào)制曲線進(jìn)行了MTM頻譜分析，結(jié)果顯示有高置信度的17萬年s3-s6斜率振幅調(diào)制周期。這個(gè)17萬年的周期與前人研究海相地層記錄得出的斜率調(diào)制周期在時(shí)間上比較接近[10]，因此認(rèn)為準(zhǔn)噶爾盆地蘆草溝組的TOC和NGR 數(shù)據(jù)可能記錄了這個(gè)斜率調(diào)制周期信號(hào)。

圖5 TOC 和NGR 時(shí)間序列及其斜率振幅曲線的頻譜分析結(jié)果（a，d）TOC和NGR數(shù)據(jù)中的斜率信號(hào)及其約17萬年振幅調(diào)制周期，灰線代表去趨勢(shì)時(shí)間序列中提取的約17萬年周期，濾波帶寬為0.005 8±0.001周期數(shù)/kyr，斜率周期的濾波帶寬為0.026±0.006周期數(shù)/ky（rTOC）和0.026 5±0.006周期數(shù)/kyr（NGR），s3-s6斜率振幅調(diào)制周期的濾波帶寬為0.005 8±0.001周期數(shù)/kyr；（b，c，e，f）對(duì)去趨勢(shì)的TOC和NGR時(shí)間序列及其斜率振幅曲線進(jìn)行頻譜分析Fig.5 Spectral analysis of TOC and NGR time series and their obliquity amplitude series(a,d) obliquity signals in TOC and NGR series and～170 kyr obliquity amplitude modulation cycles,the gray line represents the～170 kyr cycles extracted from the detrended time series with a bandpass of 0.005 8±0.001 cycles/ kyr;the obliquity cycles were extracted from the detrended TOC series with a bandpass of 0.026±0.006 cycles/kyr,and from detrended NGR series with a bandpass of 0.026 5±0.006 cycles/kyr;the s3-s6 obliquity amplitude modulation cycles were extracted with a bandpass of 0.005 8±0.001 cycles/kyr;(b,c,e,f) spectral analysis of the detrended TOC and NGR time series and their obliquity amplitude series

據(jù)天文理論方程計(jì)算，17 萬年周期可以是地球公轉(zhuǎn)軌道的傾角周期（inclination），也可能來源于斜率的振幅調(diào)制周期s3-s6。地球公轉(zhuǎn)軌道傾角即地球公轉(zhuǎn)軌道和太陽(yáng)系所在平面的夾角[1]。然而由軌道傾角周期性變化引起的平均太陽(yáng)總輻射量變化非常小，與偏心率引起的平均太陽(yáng)總輻射量變化相差三個(gè)數(shù)量級(jí)[49]。因此軌道傾角來源過于微弱，很難被記錄在古氣候指標(biāo)中。蘆草溝組的斜率信號(hào)較強(qiáng)，且對(duì)斜率振幅調(diào)制曲線的頻譜分析顯示了高置信度17萬年周期，因此認(rèn)為本研究TOC 數(shù)據(jù)中的17 萬年的周期信號(hào)可能來自斜率的調(diào)制周期s3-s6[10]（與地球和土星節(jié)點(diǎn)的進(jìn)動(dòng)相對(duì)應(yīng)，約173 kyr）。

4.3 古生代的17萬年周期記錄

先前的古生代旋回地層學(xué)研究中，對(duì)常規(guī)天文周期的識(shí)別和提取已較為成熟。一些學(xué)者在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步對(duì)“非常規(guī)天文周期”進(jìn)行了研究，但大部分集中在百萬年尺度的超長(zhǎng)振幅調(diào)制周期，如s4-s3斜率振幅調(diào)制周期和g4-g3偏心率振幅調(diào)制周期等。在海相地質(zhì)記錄中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了17 萬年天文周期，但缺乏對(duì)其解釋，也并沒有對(duì)其來源進(jìn)行詳細(xì)探討。de Vleeschouweret al.[50]在晚泥盆世海相地層的Th/U 時(shí)間序列中觀察到200 kyr 的周期，認(rèn)為可能是s3-s6斜率振幅調(diào)制周期，但并未給出明確的解釋。馬坤元等[23]對(duì)奧陶系淺海相亮甲山剖面Fe/Ca 數(shù)據(jù)序列的研究結(jié)果中存在178 kyr 的周期，但并未展開討論。Zhonget al.[25]對(duì)古生代晚奧陶世華南海相剖面古地磁序列進(jìn)行了綜合的旋回地層學(xué)分析，結(jié)果顯示該剖面記錄了包含偏心率、斜率和歲差在內(nèi)的完整常規(guī)天文周期。進(jìn)一步對(duì)斜率振幅調(diào)制信號(hào)的頻譜分析顯示了1.32 Myr 的s4-s3和173.4 kyr 的s3-s6斜率振幅調(diào)制周期。在陸相地層中，Huanget al.[24]已在準(zhǔn)噶爾盆地中五口鉆井中發(fā)現(xiàn)16.5～19.3 m 的周期，并認(rèn)為可能來源于斜率振幅調(diào)制周期s3-s6，但并未對(duì)斜率振幅曲線做進(jìn)一步分析。本文報(bào)道了古生代陸相地層中的17 萬年地質(zhì)記錄，并首次對(duì)其來源和對(duì)古氣候的調(diào)控作用進(jìn)行討論。

去趨勢(shì)數(shù)據(jù)序列斜率振幅曲線中高置信度的17 萬年周期來源為s3-s6斜率振幅調(diào)制周期。該周期來源于地球和土星的引力相互作用，其中s3和s6分別為地球和土星升交點(diǎn)進(jìn)動(dòng)的長(zhǎng)期頻率，僅僅與行星公轉(zhuǎn)軌道有關(guān)[10]。這個(gè)周期可以解釋斜率振幅曲線中的高置信度17 萬年信號(hào)，但無法很好地解釋去趨勢(shì)TOC 和NGR 數(shù)據(jù)序列中的17 萬年信號(hào)。我們認(rèn)為去趨勢(shì)時(shí)間序列中的17 萬年信號(hào)可能來源于地球氣候系統(tǒng)的非線性特征。地球氣候系統(tǒng)具有許多非線性特征，如具有“閾值”效應(yīng)、突變事件和混沌效應(yīng)等[51]?；谶@種非線性特征，認(rèn)為即使蘆草溝組沉積時(shí)期的斜率信號(hào)影響較穩(wěn)定，但一系列非線性過程和多重平衡仍可以將微小的斜率振幅變化放大處理，并出現(xiàn)在指示碳埋藏的TOC 值中[7,52]。

早二疊世，準(zhǔn)噶爾盆地位于北半球中高緯度地區(qū)。而斜率可通過調(diào)控中高緯地區(qū)日照量來對(duì)氣候系統(tǒng)產(chǎn)生影響?；谔J草溝組中強(qiáng)烈的斜率信號(hào)，認(rèn)為斜率周期對(duì)蘆草溝組沉積時(shí)期的古氣候條件具有控制作用，并最終在巖性旋回、物理性質(zhì)曲線（NGR）和有機(jī)碳含量曲線（TOC）中得到體現(xiàn)。而17萬年斜率振幅調(diào)制周期可以調(diào)控斜率角度的極值來調(diào)控斜率驅(qū)動(dòng)力的強(qiáng)弱，進(jìn)而通過一系列“非線性”進(jìn)程來調(diào)控古氣候和碳埋藏。

Huanget al.[5]提出了適用于兩級(jí)無冰蓋的白堊紀(jì)溫室氣候時(shí)期的斜率調(diào)控有機(jī)碳埋藏模式。該模式認(rèn)為在斜率高值期間，中高緯度地區(qū)具有高熱量、強(qiáng)水循環(huán)和化學(xué)風(fēng)化的特征，因此湖泊富營(yíng)養(yǎng)化，底層水缺氧，利于有機(jī)質(zhì)的保存。而在斜率低值期，中高緯度地區(qū)接收熱量減少，水分和熱量傳輸效率降低，化學(xué)風(fēng)化弱，因此底層水環(huán)境偏氧化，有機(jī)碳埋藏通量降低。Zhanget al.[6]認(rèn)為白堊紀(jì)斜率信號(hào)通過1.2 Myr 振幅調(diào)制周期驅(qū)動(dòng)了湖平面變化，通過介形蟲δ18O負(fù)偏移強(qiáng)降雨事件和斜率、湖平面高值和海平面低值的良好相關(guān)性，認(rèn)為斜率調(diào)節(jié)極大值期間中高緯大陸降水增多，湖面上升，海平面下降。然而早二疊世屬于典型的冰室氣候環(huán)境，岡瓦納大陸南部發(fā)育冰蓋[53]。因此需要對(duì)上述模式是否適用冰室氣候條件進(jìn)行討論。在冰室氣候時(shí)期，高低緯地區(qū)之間的日照量梯度變化可以影響極地冰量和高緯地區(qū)氣候[7]。而斜率信號(hào)在萬年尺度上影響全球日照量分布，因此冰室氣候時(shí)期的斜率周期仍能調(diào)控中高緯地區(qū)氣候系統(tǒng)。在斜率高值期，熱量和水分向高緯度地區(qū)的轉(zhuǎn)移增加，緯向日照量梯度降低，向極地地區(qū)的水汽輸送減少，不利于冰蓋發(fā)育。而在低值期間，極地地區(qū)變冷和水汽輸送增強(qiáng)這兩種效應(yīng)都促進(jìn)了冰蓋的增長(zhǎng)。另外斜率對(duì)地球夏季日照量也有控制作用[52]。對(duì)于中緯度地區(qū)，認(rèn)為斜率高值期帶來的日照量變化影響仍占主導(dǎo)，較高的溫度帶來較強(qiáng)的水循環(huán)和化學(xué)風(fēng)化速率，也可以帶來充分的降水。1.2 Myr周期和17萬年周期都屬于斜率振幅調(diào)制周期，認(rèn)為二者可以通過相似的“非線性”過程調(diào)制斜率驅(qū)動(dòng)力強(qiáng)度。結(jié)合TOC 高值與斜率振幅高值的良好對(duì)應(yīng)關(guān)系，即在冰室氣候條件下，斜率信號(hào)仍然能夠有效地調(diào)控中緯度陸相湖泊碳埋藏，并且通過“閾值響應(yīng)模式”在沉積記錄中留存17萬年周期。

5 結(jié)論

（1）早二疊世準(zhǔn)噶爾盆地蘆草溝組沉積過程中受到了米蘭科維奇周期的調(diào)控。采用旋回地層學(xué)分析方法，在TOC 數(shù)據(jù)序列中可識(shí)別出的常規(guī)天文周期包括：～100 kyr（～10 m）短偏心率、43.3 kyr（～4.4 m）斜率、34.5 kyr（～3.2 m）斜率和20.8 kyr（～2.1 m）歲差周期?？赡苡捎诰辉颍?74 井未記錄到405 kyr長(zhǎng)偏心率信號(hào)。除常規(guī)天文周期外，還發(fā)現(xiàn)了顯著的17萬年信號(hào)。

（2）選取TOC 數(shù)據(jù)中高置信度且在深度域上較穩(wěn)定的短偏心率信號(hào)進(jìn)行天文調(diào)諧，并且結(jié)合高置信度斜率信號(hào)調(diào)諧結(jié)果和s3-s6斜率振幅調(diào)制周期調(diào)諧結(jié)果，得出蘆草溝組沉積持續(xù)時(shí)間約為2.8 Myr。采用相關(guān)系數(shù)分析（COCO）估算出蘆草溝組沉積速率約為9.1 cm/kyr。

（3）將利用TOC 數(shù)據(jù)建立的浮動(dòng)天文年代標(biāo)尺應(yīng)用于缺乏偏心率信號(hào)記錄的NGR 數(shù)據(jù)，得到NGR時(shí)間序列。在去趨勢(shì)的TOC 和NGR 時(shí)間序列中都發(fā)現(xiàn)了17 萬年天文周期。對(duì)斜率信號(hào)進(jìn)行濾波，也發(fā)現(xiàn)高置信度的17 萬年s3-s6振幅調(diào)制周期。首次對(duì)古生代陸相盆地中的17 萬年周期進(jìn)行了系統(tǒng)分析和討論，認(rèn)為沉積閾值響應(yīng)效應(yīng)可將高頻斜率周期中的較低頻17 萬年周期放大，并體現(xiàn)在去趨勢(shì)TOC 和NGR 數(shù)據(jù)中。另外TOC 值和17 萬年周期的關(guān)系可以通過斜率驅(qū)動(dòng)中高緯度地區(qū)有機(jī)碳埋藏的沉積模型來解釋，這一模式在早二疊世冰室氣候條件下仍然可以調(diào)控碳埋藏。而沉積系統(tǒng)自身存在的地球化學(xué)平衡閾值可將高頻的斜率周期中的較低頻17 萬年振幅調(diào)制周期放大，并最終在湖相地質(zhì)記錄中留存。