Question

旋回层序中的沉积间断

Answer 1

W.Schwarzacher

（School of Geosciences，Queen's University，Belfast，U.K.）

摘要　本文讨论了一种具有随机分布间断的旋回沉积简单模式。这种不完整的沉积剖面会随着间断的大小和频率的改变而改变。大的间断和缺失可通过差异而辨认出来，本文以西西里岛上新统的Trubi泥灰岩为例加以说明。

关键词　旋回层序　随机分布间断　西西里岛　泥灰岩

1　引言

确定沉积间断的最好方法是先定下完整的（无间断）地层剖面，再反向进行。如果地层沉积完整，则年代表上的点和地层表上的点是明显对应的，后者通过沉积厚度表示出来。有间断的沉积通常比完整的沉积其相应的点的数目要少，因此它们就较短一些（图1）。

图1　确定间断的图解说明

G代表间断

我们清楚地知道，地层的完整性需依靠标定，间断也是如此。地层上分辨不出的间断是很难辨认的。

对沉积间断的研究，旋回层序显得特别重要，因为沉积旋回提供了一个尺度，这个尺度可以作为研究沉积间断分布情况的一个参考。如果地层的分辨率与旋回的持续时间在同一级别上，则沉积间断的问题就很容易弄清楚。在一个完整的剖面上，地层记录确实包含着与时间序列相同数目的旋回。如果地层间断达到一个完整的旋回，则这类间断只能通过与平行相关剖面的对比来识别；在这种情况下，我们将无法判断哪一个旋回已经缺失。当然，我们假定的是理想的旋回，即所有的旋回都是能识别的。

对那些仅仅是完整旋回一部分的沉积间断，其识别是一个更有意义的问题。这些沉积间断使剖面缩短，但是旋回（包括非完整旋回）的频率与时间标志的频率相一致。

2　不完整沉积旋回模式

为了检验那些比旋回波长要小的间断的影响，我们建立了一个简单的模式。假如一个旋回的标志用正弦波和在时间刻度上的n（t）点来表示，t=0，1，2，…，n（t）。该系列包含波长（A）的周期f。如果地层记录是完整的，则在地层表中应包含相应的点n（z）。我们假设在地层记录中有许多随机出现的间断、概率为p。间断的大小为g并假定为常数，用波长的单位来计算。一个包含n个点的剖面长度被缩短到l（z），它应包含有λpg个间断。

地层学

图2是两个模拟记录的例子，缩短量均为50%。A例具有小的沉积间断（g=0.1，p=0.5），B例具有大的沉积间断（g=0.2，p=0.25）。

图2　具有随机间断的正弦波的两个实例

剖面的缩短量由pg的积所决定。很明显，地层间断的大小与频率之间许多不同的配合可以得到一个剖面上相同的缩短量。很不相同的记录可以有相同的缩短量，认识到这一点是很重要的。如果间断的范围相当大，那么一些间断可能去掉了一些完整的旋回，从而减少了旋回的总数目。并且，大的沉积间断可引起沉积记录上相的突变和功率谱的下降。而当沉积间断小且频繁时，可能引起剖面相当大的缩短量，但功率谱却没有改变。

图3表示了谱的下降，这从图2的两个功率谱比较例子中已经清楚地显示出来。

图3　图2中两个功率谱的例子

在大多数情况下，剖面的缩短将减小旋回记录的数目，并且导致频率最大值到最小值的突变。频率值的真正变化是难以精确计算的，这是因为旋回的截短改变了它们的形状，并且不完整旋回如何计算也还难以肯定。

为了获得带有沉积间断的旋回剖面的一些信息，我们已建立了许多模型。每个都包括了1000个时间点，形成一个正弦波，振幅从—1到＋1。每一系列包含有f（t）个旋回。一旦加入间断的大小gλ和密度p后，剩余的旋回就能被计算出来。旋回的界限被定在从负值到正值的变化处。这种界限的数目代表减少的频率和f（z）/f（n）的比值，它由图4的纵坐标表示出来，代表不同频率、间断大小和密度的频率减小量。

图4　具有间断和频率时模拟正弦波的频率减少量（y轴）

实线表示每次40个旋回，虚线表示每次80个旋回。x轴表示间断出现的概率

既然间断的出现是靠标定尺度表示的，那么间断的存在将对不同频率的旋回产生不同的效应。模拟结果表明：随着信号频率、间断大小和间断密度的增加，频率比f（z）/f（n）的值将减小。与波长较长的旋回相比，高频率的旋回更易消除，高频率最大值的变化更快。

尽管在实践上要获得在实际剖面上的间断大小及其分布的定量数据很困难，但模拟的结果对于含有不同级别旋回的解释还是很有用的。

例如，在有米兰科维奇旋回的剖面中，我们可以看到波长比约为1∶5的两个旋回（岁差和偏心率）。随机分布的间断可以使1∶5的比率减少到1∶4甚至1∶3。沉积速率的随机起伏和生物扰动作用也会造成同样的比率减小^[3]。

上述模式一般可通过一些统计参数控制的、在允许范围内变化的间断的大小来获得。改变间断的分布是可能的。在许多实例中，间断并不是随机出现的。例如，在由于海平面升降变化而形成的旋回中，剥蚀或间断的形成可能被控制在海平面低的情况或持续暴露的情况下。通过记录缩短的结果，就会发现，它与众所周知的具有不同沉积速率（包括沉积停止和侵蚀）的旋回式（呈摆线状）很不相同^[2]。如果旋回的截短处总是发生在同一地点，那么时间记录的频率将被保存下来，同时还有相变和谱的下降。

3　大的沉积间断和缺失的识别

如前所述，随机分布的间断，其效应同随机波动的沉积速率的作用是非常一致的。大量的沉积间断的出现，实际上控制了小范围内的沉积速率。再说，地层间断的定义是一个尺度问题。一个间断式缺失通常被认为是由一个足够长的时间间断所产生的，这个时间间断就是消失了在地层演化中可识别出的那段地层。这一段可能是一个旋回的一部分，或可能是沉积史发展趋势中的某一部分，地层缺失可被认为是这种趋势的中断。由于一些限制因素，使趋势的识别变得很困难。这些限制因素中最重要的是地层分辨数据的可靠性，还有由于沉积速率变化而引起的随机性干扰或确实是由于原始时间记录的干扰。在原始记录中如果随机因素太强，沉积演化趋势将可能无法被识别出来，那么一个像缺失一样的间断将不可能被识别。干扰因素可以用各种过滤方法来减少它的影响，并且使用过滤法通常是调查重要沉积间断的第一步。值得庆幸的是，有许多可观察到的沉积特征可以指示出沉积作用中的这种间断。

如果记录中保存有沉积发展趋势，那么不连续可通过时间系列中的差异识别出来。这是通过计算几种级别中有限的差别得到的。如果系列很好（没有不连续），则较高级别旋回中的差异性将会减少，并且可能在一个常数值附近上下摆动。

如果系列中包含一个不整合，则将产生一个在排列上和数量增加上有更大差别的干扰。如果涉及到一系列随机性，则在较高级别旋回中就难以趋同，有差别的排序在任何级别旋回上都会保持不变。因此，差异分析的应用常常需要在实践中具有相当经验。上新世Trubi泥灰岩中的钻孔提供了如下三种信息：

（1）在切割平滑的岩心表面进行了肉眼观察；

（2）每隔5cm，在正常范围内估计了颜色和生物的扰动作用；

（3）每隔20cm有生物地层数据（包括对浮游和底栖的有孔虫的统计）。

上述信息都表明这是一个具有旋回厚度约为1m的强烈旋回沉积，这个旋回被认为是岁差控制的^[1]。首先看一下生物地层资料，很明显，每一个旋回仅有约4～5个数据点，这些点与旋回的波长相比，来认识旋回中的变化，其分辨率是不够的。另一方面，颜色和生物扰动资料则过于详细，因而干扰因素过多。为了从这些资料中获得有用的结果，它们必须经过过滤处理。过滤处理的程度最好通过实验获得，因为如果过滤太多，则所有的不连续性会消失；但如果过滤不够，我们又不能在有差别的系列中得到一个稳定的最大值。一个简单的流程平均重复三次可获得满意的结果。比第三级更高的差别，会保存在相同的位置并和肉眼观察岩心所出现的沉积间断部位相一致（图5）。这个与实际观察到的间断的吻合，进一步证明旋回层序的一部分已缺失，但它不能告诉我们到底是一个旋回的一部分，还是一个或更多个完整的旋回缺失了。有意义的是最大差别是由于岩心中的间断造成的，而这个间断没有被正确的解释；如果没有差别分析，它就不会引起人们的注意。

图5　上新统Trubi泥灰岩岩心颜色指示值的第三级差别

箭头表示岩心中观察到的不连续，最大值由岩心中的一个间断造成

4　结论

间断的正弦波模式研究表明：沉积间断可强烈地影响时间历史的记录，并且高频率旋回的变化要比低频率旋回快得多。关于旋回长度，间断的大小是最重要的。在识别沉积间断时，详细的沉积学研究很可能比分析方法更有用。

（聂浩刚译，余青校）

参考文献

[1]F.J.Hilgen.Sedimentary rhythms and high-resolution chronostratigraphic correlations in the Mediteranian Pliocene.Newsl.Stratigr.，1987，17，109～127.

[2]W.Schwarzacher.Sedimentation models and quantitative stratigraphy.Elsevier，Amsterdam，1975.

[3]W.Schwarzacher.Cyclostratigraphy and the Milankovitch Theory.Elsevier，Amsterdam，1993.