Question

　旋回层序的理论基础

Answer 1

旋回一词由Weller用于表示宾夕法尼亚系常见的旋回类型中的一个沉积旋回期间沉积的一套岩层，旋回层被看作为地层术语范畴中的组（formation）。早在1895年，G.K.Gilbert就提出，一定的韵律层理型式记录了敏感的、相对于地球轨道韵律的反应，这可能是地质年代学的基础。在20世纪，由于Milankovitch（1941）,Berger（1978）及其他学者的工作，人们逐渐增长了洞察轨道变化及其气候效应的能力。气候和海洋对于外部力的灵敏性越来越清楚（Barron,Arthur＆Rauffman,1985），更新世冰川作用的韵律轨道控制特点非常清楚，因此旋回地层学的理论基础已经形成。同时，现代的测试技术和手段已应用于地层学中，如测定沉积序列物理和化学特征的扫描和元素方法，计算机的应用等。

一、地球轨道的变化

几个世纪以来详细的天文观察为计算地球轨道特征提供了依据。包括有可能影响气候的轨道周期性变化。Berger（1978）图解说明晚第三纪时可能影响气候的种种变化—即日射方式按纬度和季节的分布，这为研究久远的过去打下了基础。两种变化很重要：与地球的轴向斜度的循环有关的变化，与岁差及偏心率有关的变化。

1.斜度

地球的斜度变化自始至终约为3.5弧度，大约4.1万年一个周期。Berger作出了投影图（图6-1），可以看出在该图上这个周期的振幅号有些变化，但仍相对稳定，地球循环的周期可能和地球的自转速率一起变慢。气候信号影响两极极相。斜度增加，日射的平均年纬度分布变得更均匀，而季节变长。这在两极地区气候效应最明显，斜度增加扩大了极区范围，增长了极地冬夜的持续时间。

2.岁差－偏心率复合影响

如果不是行星群的影响，地球轨道应当是圆的。行星群的影响使轨道变成偏心率变动着的椭圆形，并始终拖曳地轴。Berger的计算表明主要偏心率周期数在大约100（其主要分量在98和126）、400、1290、2030和3400千年。单因素看，偏心率对气候的影响是很轻微的。由于穿越太空的椭圆轨道的阻力是可变的，所以与椭圆轨道（近日点）有关的岁差周期在14千年和28千年两个极值间变动。椭圆轨道和岁差相结合，改变了太阳能量的分布：当某设定的半球处于轨道的夏天近日点部分，即靠近太阳又面对太阳时，就经历一个

图6-1　古代80多万个偏心率，斜度和岁差指数的变化（据Berger.1978）

右：从这些时间序列中标明的显著峰值的主要周期（千年）所计算的离散谱图（据Imbric等，1984）；

斜度的刻度为度短而热的夏天和长而冷的冬天，即比正常季节长。同时，相反的那个半球就有远日点的夏天和近日点的冬天，经历较短的季节。这种影响直接随偏心率变化。这样就导致产生岁差周期的气候循环，其幅度随偏心率而变化，即随有较长周期循环的等级层次而变化。

岁差－偏心率复合影响产生的旋进气候循环中，两半球将是180°的异相，这种复合影响不仅移动干、湿带之间的带界，而且干扰了纬向带风和季风环流之间的平衡。因此，这种影响在中纬度的气候中特别明显。

二、地层的旋回性特点

地层的旋回性特点归纳成表6-1。

表6-1　地层的旋回性特点

三、地球轨道引起的地层旋回性的识别

1.季纹泥

依靠季纹（即年）数推断层理旋回，用于部分季纹泥化的序列。Braelley,Van Houten和Olsen在确定绿河组和网状岩系中地层韵律时间时所采用该方法。Anderson（1982,1984）在一个长而连续的蒸发岩组中测量季纹泥，鉴定出施加于二叠系Castile组中的岁差和偏心率。

2.从生物地层和磁性地层推断沉积速率

大多数海洋沉积物缺乏季纹理，因此其韵律的时间只能依据计算平均速率，借助于诸如Harland等（1982）,Kennedy和Odin（1982）、Hallam等（1985），以及其他人用的放射性测量数据来校准。该方法都包含一种不确定的因素：各阶段的持续时间一般是不很固定的，一个阶段期间的沉积速率也可能有变化，而且地层序列可能包含地层的间断（Sadler,1981;Anders等，1987），特别是存在明显的岩性变化或（和）地层不连续性的时候更是如此。因此，靠该方法定年，在其他方法证实之前，一般作为一种暂时的初步方法。

磁性年代学为精确定年提供了另一种研究在磁场经常倒转时旋回持续时间的途径（Schwargacher,1987）。

使用以各种大化石和微体化石群，以及磁性年代地层学和地质年代地层学为基础的综合地层学方法，为提高分辨率起到巨大的作用。一旦沉积物中的轨道旋回被清楚地确立，而且了解了整个地质时代轨道频率的变化，那么旋回地层可能对年代地层学的精确定年作出贡献。

3.天文循环的干涉型式特征

在缺乏详细的时间控制的情况下，利用轨道运动的复杂性推断地层旋回，因为轨道对气候和沉积相的影响在时间和空间上不是简单的正弦曲线型式，而是由于不同轨道运动的干涉，再加上每一轨道运动又以一长列的不同频率和振幅为特征，因此产生了颇为复杂的型式。例如，在Umbrian序列，可清楚地表现出层理厚度的旋回型式，这类旋回表现出了与赤道上凉爽的春分点的最大值是可完全对比的，但需经偏心率和斜度的调制。

四、Milankovitch旋回

Milandovitch旋回是指月球、木星等天体对地球绕太阳自转和公转运动的影响，使地球的3个轨要素：偏心率e、黄赤交角（或地轴倾斜度）ε和岁差p发生周期性变化的现象。南斯拉夫学者Milankovitch（米兰柯维奇）于20世纪初（1920年）提出了第四纪冰期形成的天文假说，他认为北半球下半年日照量的减少，是冰期形成的原因，任一纬度日照量w的大小，是太阳常数s₀，偏心率e，黄赤交角ε和岁差p的函数，即w=f（s₀,e，ε，p），其中s。变化很小，可视为常数。米氏根据地球的3个轨道要素，计算了北半球650纬度上1Ma米日照量的变化。1Ma来日照量的9个极小值与第四纪冰期非常吻合，并与第四纪从深湖沉积物、黄土、冰雪沉积物建立的温度系列一致。因此，第四纪中的Milankovitch旋回沉积已被地质学者证实，而且可追溯到泥盆纪，甚至更早的地史时期。由于Milanvitch旋回是天文因素和圈层尺度因素作用的产物，它在空间分布和等时性上必然具有全球性，在整个地史时期均应有记录。

偏心率是地球绕太阳公转椭圆轨道的赤道半径与极半径之差与赤道半径之比，其值在0.0005～0.0607之间，变化周期约为0.1Ma。天体力学的研究表明，偏心率的变化主要由极半径变化所至，赤道半径通常变化不大。冰期均发育于偏心率的最小值，这相当于日地距离增加，地球获得的能量减少。

黄赤交角或斜度是地球绕太阳公转的轨道平面（黄道面）与赤道的夹角，变化于22°02′～24°30′间，变化周期约为0.04Ma，现在的ε＝23°27′。黄赤交角影响不同纬度和季节气候的差异程度，黄赤交角变化对极区影响大，对赤道影响小。

岁差是指地球自转轴的运动（地球自转轴绕黄道轴旋转的运动）使春分点沿黄道向西绕行，使回归年（太阳视图面中心两次过春分点所经历的时间）短于恒星年（地球绕太阳公转一周到经历的时间）的现象，岁差值为20′30″，岁差周期为0.02Ma。岁差变化对赤道地区影响大，对极区影响小。

由于地史时期日－地距离的缩小（590Ma以来，缩小速度为3.16cm/a；前寒武纪为1.36cm/a）和地球自转速度的变慢，这些变化在岁差和斜度的变化周期和幅度上也有不同程度的体现。天文地质计算结果（Berger等，1992）表明：2500Ma以来岁差和斜度的周期值是增大的，中元古代和第四纪的差值分别是7655～10341和24307～35493;2500Ma以来，斜度值的变化幅度减少了约60%，岁差值的变化幅度则很小。由于偏心率不受日—地距离的影响，在地史时期变化较小，200Ma以来约为1.5%。

从上述的资料和分析中可以看出，Milankovitch旋回是一种全球范围的高频变化力，它在地层记录中的烙印是通过气候（温度、雨量等）和海平面变化而实现的。因此，在构造稳定期和稳定区，当其他噪音较小时，Milankovitch旋回沉积是可以识别和进行跨区域对比的。但识别和对比的关键是地层记录所反映的古气候的高频冷暖干湿变化或高频冰川型海平面变化及其级序结构和谱系关联的确定。在不同地史时期和不同纬度带，Milankovitch旋回沉积的级序结构、谱系关联、量值变化幅度和显示度是不同的。如在泥盆纪时，一个偏心率周期可近似地对应6个岁差周期和3个斜度周期，它们间的级序结构应为1∶6和1∶30，而不应简单地套用第四纪1∶5和1∶2的量值。在低纬度地区1∶6的级序结构应更清楚，在高纬度地区1∶3的级序结构则应更清楚。如果泥盆纪时低纬度地区的Milkovitch旋回沉积是通过层组—层—纹层—微层体现的，那么一个层组中应该包括6个单层或2个单层中应包括6个纹层，或一个纹层中应包括6个微层。Milankovitch旋回沉积也可通过对气候和海平面变化敏感的参数体现，如CaCO₃、Al₂O₃和δ¹⁸O等在地层中含量的频谱变化体现。

由于Milankovitch旋回力可作用于整个地史时期，所以其旋回沉积可以不同的显示度发育于各种沉积环境和泥质载体中，如深海－半深海沉积，湖泊沉积和冰雪沉积等，这为我们在1984年以来全球界线层型剖面和界线层型点工作基础上，进行十万年至万年级高分辨率地层划分对比和高分辨率地质时代表的建立奠定了基础，也为进行高分辨率层序地层分析提供了理论基础。

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