天文旋回理論在天文年代校準中的應(yīng)用

天文旋回理論在天文年代校準中的應(yīng)用

地質(zhì)年代的正確確定是很重要的。地質(zhì)年代的發(fā)展歷史和過程是必須解決的科學問題。20世紀40年代,塞爾維亞數(shù)學家提出的天文因素導致的地球軌道周期性變化的理論被稱為米蘭科維奇理論即天文旋回理論,經(jīng)過近半個世紀的科學實踐,于20世紀70年代科學家通過分析深海沉積物的氧同位素證明了米蘭科維奇提出的地球軌道周期與冰期旋回的正確性,尤其在最近20~30年,基于古氣候?qū)W研究的天文旋回理論獲得了普遍認可和廣泛應(yīng)用［１－７］。利用米蘭科維奇旋回理論進行地質(zhì)定年的方法被認為是地層學解讀時間的第三里程碑［８］。應(yīng)用天文旋回理論,通過對高分辨率的旋回地層記錄進行天文調(diào)諧來建立天文年代標尺,從而來提高地質(zhì)年代精度,彌補這些時間段缺少同位素測年的不足,尤其在最近幾年,旋回地層學研究在地質(zhì)年代校正方面取得突破性進展,這已成為現(xiàn)代地質(zhì)學研究的一個新的亮點［３，５，７，９－１０］。目前,應(yīng)用全球海洋沉積物中具有米蘭科維奇旋回的地層記錄編制的天文年代表已近乎100%覆蓋了新生代。這些旋回地層記錄為我們提供了一個連續(xù)的天文年代標尺。新近紀的天文年代表精確度可達2萬年,它已經(jīng)被校準到高精度的地球軌道參數(shù)即La2004的天文參數(shù)模型［１１］,結(jié)合同位素測年和磁性地層學的資料,從而獲得每個主要旋回及地質(zhì)事件的精確年齡。然而在老的地層中,地球軌道的短周期旋回不容易識別,但穩(wěn)定的405ka偏心率長周期較易識別,被認為是中生代地質(zhì)定年的一個主要周期［９，１１－１２］。目前國際上正致力于建立全球中生代的天文地質(zhì)年代表,白堊紀和侏羅紀的天文年代校準已經(jīng)取得很大的成功,但是三疊紀的研究還存在著挑戰(zhàn),下面本文將簡單介紹天文旋回理論及其在中生代的天文地質(zhì)年代校準中的應(yīng)用現(xiàn)狀及其研究實例。1地球軌道狀況地球自轉(zhuǎn)和圍繞太陽公轉(zhuǎn)時由于其他行星的運動導致的地球軌道參數(shù)的(準)周期性的變化驅(qū)動了地球表面接受的日照量在緯度上和季節(jié)上的變化,從而導致地球氣候在局部和全球尺度上的萬年到百萬年時間尺度上的變化,這些變化可用地球軌道參數(shù)(偏心率、斜率和歲差)來表達［４－５］。Laskar等人［１１］給出了定量計算這些軌道參數(shù)的公式和解析方法,通過對一些重要變量如相對論效應(yīng),地球、太陽和月球的扁率以及地球的潮汐減速和氣候摩擦作用等因素的影響,利用數(shù)值積分來計算和模擬過去2.5億年和將來2.5億年的天文參數(shù)及日照量的變化。下面簡單介紹一下地球軌道的偏心率、斜率和歲差這3個天文參數(shù)的來由和意義。(1)歲差(Precession)。即地球軌道的歲差指數(shù)(Precessionindex,esinue546)是指由地球-太陽距離以及偏心率的變化和地球自轉(zhuǎn)軸方向的漂移的共同影響(即地球自轉(zhuǎn)軸繞著地球公轉(zhuǎn)軌道面的垂直軸旋轉(zhuǎn),它以25765年的周期繪出一個圓錐面)產(chǎn)生的信號,并且其變化幅度強烈地被偏心率所調(diào)制,其現(xiàn)在的變化主周期約為24、22、19和17ka(圖1A);在地質(zhì)歷史時期,由于地球的旋轉(zhuǎn)速度比現(xiàn)在快,因此歲差周期要比現(xiàn)在短［５，１１，１３］,由圖1A也可以看出,30~40MaBP的歲差周期要比0~10MaBP的短些,地質(zhì)歷史時期如侏羅紀更短(表1)。約20ka的歲差周期即是地球在繞太陽公轉(zhuǎn)時的軌道面上到達近日點的變化,如果北半球夏至到達遠日點,冬至位于近日點(即接受到的太陽輻射量就會增加),那么冬季就會變得不太冷而且短,冬夏差別不大,一年內(nèi)季節(jié)差異就不太明顯;反之,如果北半球冬至到達遠日點(即接受到的太陽輻射量變少),而夏至到達近日點,那么冬季就會變得漫長而寒冷,一年內(nèi)的季節(jié)差異就會變大［１４］(圖1A)。(2)斜率(Obliquity)。地球軌道的斜率(即地軸的傾斜度,它是地球公轉(zhuǎn)的軌道面與地球赤道面的夾角)是在22.5°~24.5°之間變化(現(xiàn)在的斜率值是23.26°),現(xiàn)在具有41ka的主要周期以及39、54和29ka的次要周期,這些短周期信號振幅的調(diào)制周期1.2和2.4Ma;1.2Ma的超長斜率周期來源于火星和地球軌道的傾角的變化(即s４-s３),而2.4Ma來源于g４-g３［４，１１，１３］(圖1B)。由于潮汐耗散作用的存在,在地質(zhì)歷史時期,地球的旋轉(zhuǎn)速率要比現(xiàn)在快,因此斜率的周期就比現(xiàn)在要短,這在圖1B的頻率周期譜圖上也可以看出［５］,比如在2.5億年前的中生代與古生代之交,斜率的主要周期是約33ka而不是現(xiàn)在的41ka(表1)。由于斜率即地軸傾斜度的變化,導致地球表面接受的太陽輻射量隨著緯度發(fā)生變化,當斜率增大時,高緯度夏季接受的太陽輻射量增加,冬季則減少,氣溫年較差增大;反之,當斜率變小時,高緯度夏季接受的太陽輻射量減少,冬季則增加,冬暖夏涼,氣溫年較差變小,夏季溫度變低更有利于冰川的發(fā)育［１４］。(3)偏心率(Eccentricity)。從過去45Ma至今,地球軌道的偏心率在0.00021~0.067范圍內(nèi)周期性地變化,現(xiàn)在的偏心率的值是0.0167,具有95、99、124、131、405ka和約2.4Ma主要的周期(圖1C)。這種周期性的變化是由于其他行星的運動產(chǎn)生的萬有引力作用在地球軌道上造成的;其中,405ka的偏心率長周期,是由g２-g５即金星和木星軌道近日點之間的相互作用造成的,它是約100ka的偏心率信號的調(diào)制周期,這個405ka在地質(zhì)記錄中非常穩(wěn)定的存在;而約2.4Ma偏心率超長周期,是由g４-g３即火星和地球軌道近日點之間的相互作用造成的,它是405ka偏心率信號的調(diào)制周期,這個長偏心率周期已經(jīng)在地質(zhì)記錄中被識別出來,而且被認為是特殊氣候事件的一個主要因素,但這個約2.4Ma周期不太穩(wěn)定,常由2.4Ma(即6個405ka周期)變化到2Ma(即5個405ka周期)［５，１２，１５－１７］。地球繞太陽公轉(zhuǎn)的軌道在近圓形和橢圓形之間變化,偏心率越小四季變化越不明顯,反正,偏心率越大則四季變化越明顯,這也是冰川易形成期;當?shù)厍蛭挥诮拯c時,地球表面接受到的太陽輻射量就多,當位于遠日點時,接受到的太陽輻射量就少。但這對地球氣候的影響很小,它影響氣候的變化主要是靠調(diào)控歲差周期變化的幅度,即歲差變化的幅度越大,偏心率值就越大,那么歲差造成的氣候變化也越大［７，１４］。天文旋回理論是從全球尺度上研究太陽輻射量與地球氣候之間關(guān)系的天文理論。該理論認為,北半球高緯度夏季太陽輻射量的變化是驅(qū)動第四紀冰期旋回的主因。由于太陽系各星體對地球的萬有引力使地球在繞太陽公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)運動時而造成的地球軌道的偏心率、斜率和歲差參數(shù)的周期性變化,這種天文因素導致的地球軌道參數(shù)的周期性變化進一步引起地球表面接受的日照量也呈周期性的變化,從而驅(qū)動地球表層氣候系統(tǒng)的周期性波動,這種周期性波動的氣候變化信息就被對氣候變化敏感的沉積物保留在地球表層的沉積地層中,使沉積地層具有韻律性的旋回特征。通過收集反映古氣候變化(如碳氧同位素、巖性、碳酸鈣含量、鐵、有機碳、黏土、巖石磁學、顏色和古生物等)的天文信號的替代指標參數(shù)數(shù)據(jù),應(yīng)用天文旋回理論來研究這些旋回地層記錄的分支學科發(fā)展成為了今天的天文旋回地層學［５，９］。240層序地層格架和地質(zhì)戰(zhàn)時第5位的確定—5ka偏心率長周期的地質(zhì)計時鐘總體上,由于潮汐耗散作用和地-月距離的增大,與地質(zhì)歷史時期相比,現(xiàn)在地球自轉(zhuǎn)速率是逐漸減慢的,由于地球自轉(zhuǎn)減速,使得現(xiàn)在的斜率和歲差周期要比地質(zhì)歷史時期長,比如地球在5億年時,斜率周期是35ka和29ka,而現(xiàn)在是54ka和41ka;歲差周期是19ka和16ka,而現(xiàn)在是23ka和19ka［１３］。表1給出了最新的依據(jù)La2004標準模型計算的過去250Ma以來的主要斜率和歲差周期變化值［４，１１］。由于斜率和歲差這兩個周期不穩(wěn)定,特別是在老地層中識別這兩個周期存在一定的困難,因此,我們一般不選這兩個周期作為天文年代校準的主要周期。但偏心率周期不受地-月距離的影響,因此在地史時期變化較小。尤其是源于金星和木星萬有引力作用的405ka偏心率長周期,由于地球的軌道是受金星和木星的軌道的近日點的影響,即g２-g５,產(chǎn)生了這個占主導地位的高振幅的405ka偏心率長周期;由于木星質(zhì)量非常大,這保證了405ka偏心率長周期在過去幾億年的穩(wěn)定性,其在250Ma處的計算誤差僅為約500ka,因此,這個405ka偏心率長周期,是天文上最為穩(wěn)定的地球軌道參數(shù),被譽為地質(zhì)計時的最佳“節(jié)拍器”,用作旋回地層學和天文年代學的一個基本的地質(zhì)計時單位來用于地質(zhì)年代的校準,這也是Laskar等［１１］以及很多其他科學家在其文章中所提倡的方法［４－５，７，９，１１－１２，１８－２１］。目前,405ka的偏心率旋回已經(jīng)在很多旋回地層層序中被識別出來?，F(xiàn)在很多中生代地層中解釋的所謂的“三級層序”好像是對405ka偏心率長周期的響應(yīng),這個405ka的旋回是通過歲差指數(shù)載體產(chǎn)生的氣候驅(qū)動力從而驅(qū)動了“三級層序”的發(fā)育［２２－２４］,這為層序地層向定量地層的發(fā)展以及等時地層對比提供了研究手段。為了便于建立地質(zhì)年代標尺,Laskar等［１１］給出了在誤差允許范圍內(nèi)的一個最適合的計算方法,對于頻率g２-g５的最佳值是ν４０５=3.200″/a,它正好對應(yīng)于P４０５=405000a,那么計算這個405ka的地質(zhì)計時“節(jié)拍器”的公式就是:e４０５=0.027558-0.010739cos(2434″+3.200″t),其中t的單位是a,即年,但是,該公式只適用于0~100MaBP。為了提供一個0~249MaBP精確的時間節(jié)拍器,我們把La2004的軌道偏心率序列應(yīng)用帶通濾波來提取405ka旋回［４］,這個濾波信號就是405ka計時“節(jié)拍器”,用E表示,假如從最近1萬年開始,第一個405ka旋回是E1,到中新生代界線附近的66Ma處是第163個405ka旋回即E163,到白堊紀與侏羅紀界線145Ma處是第358個405ka旋回即E358,到侏羅紀與三疊紀界線201.3Ma處是第497個405ka旋回即E497,到古生代與中生代界線252.2Ma時是第622.7個旋回E622.7(圖2),目前最新的國際地質(zhì)年表GTS2012,已經(jīng)對中、新生代采用了405ka偏心率編號,這說明我們的地質(zhì)時代已經(jīng)進入天文地層學的時代［４，７，２５］。當前,國際地層委員會旋回地層工作組正在進行的研究,目的是找出所有地質(zhì)記錄中的這個405ka天文旋回周期,那么天文年代學工作的長遠目標就是將旋回地層分配(調(diào)諧)到合適的405ka周期［４］。3建立旋回地層學的天敵調(diào)諧和未來的沖突因子地層的絕對年齡主要來自對火山灰層中所含鋯石的放射性同位素測年,而火山灰在地層序列中是非常稀少而且其分布是沒有規(guī)律性的,又由于測年的標樣和測試方法的不同,實驗室不同以及不同的學者測的同一層火山灰所得的年齡值都各不相同,這就迫使我們尋求一種更有效的方法來提高地質(zhì)定年的精度［７１］。通過研究天文驅(qū)動的旋回地層段的天文年代,來重建該段的高精度連續(xù)天文年代標尺,從而提高火山灰缺乏段的地層年代的精度,可以彌補缺少同位素測年的不足。目前天文年代學已經(jīng)發(fā)展成為地球科學的一個重要工具［５］。最近發(fā)表的國際地質(zhì)年代表GTS2012［７２］采用了過去250Ma以來的旋回地層學的最新研究成果,利用所獲得的連續(xù)的、高分辨率的天文年代標尺,對一些事件如生物帶和磁極性反轉(zhuǎn)帶等的持續(xù)時間及界線年齡進行調(diào)整。天文調(diào)諧是旋回地層學中建立天文年代標尺的關(guān)鍵。通過天文調(diào)諧建立高精度的和連續(xù)的天文地質(zhì)年代,是地質(zhì)定年的新途徑［７３］。天文調(diào)諧是指將古氣候變化的替代性指標直接校準到偏心率、斜率、歲差或日照量理論目標曲線上。對于新生代的地層,濾波曲線可以直接與Laskar等［１１－１２］理論的目標曲線直接進行對比,進而通過天文調(diào)諧來建立天文地質(zhì)年代標尺;但對于中生代或者更老的地層來說,只能通過天文調(diào)諧來建立“浮動”的天文年代標尺。如果這些研究層段有絕對年齡,用這些絕對年齡作為控制點,進而就可以把所建立的浮動天文年代標尺轉(zhuǎn)換成高精度的連續(xù)的絕對地質(zhì)年代標尺。如果研究層段有生物地層、磁性地層或放射性同位素測年等研究基礎(chǔ),它們可以為利用旋回地層學建立研究層段的天文年代標尺提供大致的年代框架,減少了旋回地層學研究的盲目性。天文年代校準是基于把旋回地層中可以觀察到的頻率信號與天文旋回理論模型中預(yù)測的一個或多個頻率相關(guān)聯(lián)的一種假設(shè),如405ka偏心率旋回。天文調(diào)諧的過程就是把由于沉積速率的變化,導致的在頻譜圖上同一個天文參數(shù)顯示多個峰值,通過調(diào)諧使這些旋回都歸位到同一個頻率,即首先需要從古氣候替代指標的旋回地層記錄數(shù)據(jù)序列中識別出這些旋回來,特別是穩(wěn)定的405ka的周期旋回,由于沉積環(huán)境的變化,這些旋回的沉積厚度可能被拉長或者凝縮(圖3),但它們所代表的沉積時間都應(yīng)該是一樣的,因而就可以根據(jù)這一原理建立年代模型,從而使數(shù)據(jù)序列從深度域轉(zhuǎn)換到時間域。然后通過反復試驗,建立一個較為合理的天文年代標尺。判斷通過天文調(diào)諧所建立的天文年代標尺的成功與否,主要是根據(jù)所建立的天文年代標尺的時間序列的頻譜來分析,在頻譜圖上觀察根據(jù)除所選用的天文軌道參數(shù)的周期的峰值較強外,其他參數(shù)周期的峰值是否也都出現(xiàn)并且都在置信區(qū)間之上。4固定的400ma質(zhì)量研究表明,405ka的偏心率長周期旋回廣泛存在于中生代的地層中,無論是海相沉積環(huán)境還是陸相沉積環(huán)境的沉積序列,盡管旋回的沉積厚度不同,但通過古氣候替代指標參數(shù)的分析認為它們都記錄的是這個穩(wěn)定的405ka的偏心率長周期(圖3)。應(yīng)用全球受天文旋回驅(qū)動的地層記錄,在中生代地層中識別出具有主導控制因素的穩(wěn)定的405ka的偏心率長周期旋回,應(yīng)用它作為地質(zhì)計時器建立過去地球歷史上250Ma的天文年代表將是新生代天文年代表完美的延伸。目前的GTS2012中,“浮動”天文年代標尺已經(jīng)被擴展到中生代,并且已覆蓋了超過75%的中生代范圍［４］(圖2)。下面將分別簡述中生代的3個時間段三疊紀、侏羅紀和白堊紀的旋回地層研究現(xiàn)狀及其經(jīng)典研究實例。4.1晚三疊世為旋回地層學研究薄弱環(huán)節(jié)提供了一個好的證據(jù)中三疊世的安尼階(Anisian)和拉丁階(Ladin-ian),意大利的Latemar碳酸鹽臺地相的旋回地層學研究表明,其沉積持續(xù)了10Ma［８１－８２］,這與U-Pb測年的2~4Ma相比存在著很大的差異［８３－８５］,也因此展開了長期的爭論［８６－９０］。中三疊世的旋回地層學研究實例是來自日本深海相的含豐富放射蟲的燧石-頁巖互層序列,在30多米的地層中識別出720層燧石和頁巖層并提取出燧石和頁巖厚度變化序列,基于現(xiàn)有的年代框架,推算出每一個燧石-頁巖層偶代表約20ka的旋回,指示出每5層代表約100ka短偏心率和每20層代表405ka長偏心率的旋回驅(qū)動特征,并且識別出了1.8Ma的超長偏心率旋回,估算出30多米地層記錄了約15Ma的沉積持續(xù)時間［９１］。雖然這一結(jié)果還有待于其他研究手段以及其他剖面的對比驗證,但這無疑為旋回地層學研究薄弱的中三疊世提供了很好的素材。晚三疊世(包括卡尼階(Carnian)、諾利階(Nor-ian)和瑞替階(Rhaetian))的經(jīng)典旋回地層學研究實例是來自美國Newark盆地的陸相湖盆9個鉆孔組成的約6700m的綜合地層剖面,記錄了從晚三疊世的卡尼階到早侏羅的赫塘階(Hettangian)約33Ma較連續(xù)沉積序列［１９－２１］,每個5m左右的歲差周期的沉積旋回反映了與氣候干-濕變化有關(guān)的湖平面向上變淺的沉積特征,由此而提取出來的湖水相對深度分級序列(depthrank)的頻譜分析圖顯示了很強的歲差周期旋回以及其振幅的調(diào)控周期約100ka和405ka的長短偏心率周期,利用405ka天文調(diào)諧建立的時間序列的頻譜圖上顯示出非常強的約1.7Ma、405ka、95ka、125ka以及約20ka旋回的峰值,斜率周期不明顯(圖4)。除了應(yīng)用天文調(diào)諧建立浮動的天文標尺,Newark盆地的磁性地層經(jīng)過了天文校準后并且與同位素絕對測年吻合較好,建立了標準的天文校準的磁極性年代標尺(APTS),值得指出的是,在英國的St.Audrieue10bs海灣的晚三疊世諾利階的非海相地層通過天文調(diào)諧建立的約3.7Ma的磁極性帶的時間標尺與Newark盆地對應(yīng)段的APTS可以較好地對比,這為陸相地層的盆地間對比提供了一個很好的思路［２０，９２］。盡管Olsen等人［２０］建立的Newark盆地APTS2010估算出瑞替階、諾利階和卡尼階的持續(xù)時間分別為4~8Ma、16~20Ma和8~16Ma,但這仍然還存在著爭議,因此Olsen等人［９３］提出了一個新的鉆探計劃,準備在美國科羅拉多高原鉆探以獲取整個三疊紀和侏羅紀100Ma左右的連續(xù)沉積記錄來進行旋回地層和磁性地層等年代學研究以及全球?qū)Ρ取?.2加強旋回地層學研究的層壓持續(xù)時間和質(zhì)量侏羅紀((201.3±0.2)~(145±0.8)Ma)的旋回地層學研究比三疊紀的研究程度要高很多,基本上每個階都有不同程度的研究成果發(fā)表,通過天文調(diào)諧建立的浮動天文年代表來校準地質(zhì)年代已經(jīng)成為侏羅紀地質(zhì)年代的一個重要組成部分,使侏羅紀的地質(zhì)年表的誤差有原來GTS2004的最高±4Ma降低到現(xiàn)在GTS2012的1Ma左右［９４］(圖2,表3)。在早侏羅世,赫塘階(Hettangian)的旋回地層學研究最早始于20世紀80年代,通過研究英國南部半深海相的灰?guī)r、泥灰?guī)r與頁巖互層的BlueLias組地層,對采集的磁化率數(shù)據(jù)序列利用38ka的斜率周期進行調(diào)諧,估算出赫塘階的沉積持續(xù)時間至少為1.29Ma［４８］。Ruhl等人［６３］通過研究英國StAudrieue10bs海灣的早侏羅世的海相灰?guī)r和黑色泥巖互層的沉積層序,對獲取的有機碳同位素、總有機碳、碳酸鈣含量以及磁化率數(shù)據(jù)等多個古氣候替代指標數(shù)據(jù)序列進行旋回地層分析,結(jié)果表明研究層段沉積過程主要受約100ka短偏心率周期控制,并且赫塘階的沉積持續(xù)時間估算為1.8Ma,這一研究結(jié)果可以很好地跟美國Hartford盆地的旋回地層進行對比［６２，６４］。辛涅繆爾階(Sinemurian)的旋回地層學研究成果很少,僅Weedon等人［４８］研究BlueLias組地層以及從Ruhl等人［６３］StAudrieue10bs時涉及bucklandi菊石帶并且估算其持續(xù)時間分布為0.34和0.6Ma,而重新對BlueLias的磁化率序列進行偏心率旋回調(diào)諧校準獲得的bucklandi菊石帶沉積持續(xù)時間為0.73Ma［９５］,而其他5個菊石帶至今還沒有被天文年代所校準。Weedon和Jenkyns［６１］通過研究英國南部Dorset普林斯巴階(Pliensba-chian)半深海相的Belemnite深色和淺色的泥灰?guī)r層偶序列,利用20ka歲差周期的天文調(diào)諧,以及與英國北部的Yorkshire剖面、阿爾比斯南部的剖面和瑞士的剖面的綜合旋回地層對比分析,估算普林斯巴階的持續(xù)時間至少為4.82Ma,但通過與8７Sr/８６Sr校準后為6.67Ma;而Hinnov和Park［５７］通過研究意大利的灰?guī)r-頁巖互層序列,指出下部以歲差為主而上部轉(zhuǎn)為歲差-偏心率為主控周期,估算的普林斯巴階的持續(xù)時間至少為5Ma。托阿爾階(Toarcian)因為其早期發(fā)育了全球大洋缺氧事件(T-OAE)的黑色泥頁巖沉積,使得此階的旋回地層學研究成為熱門［５７－５９，９６］,校準的T-OAE的持續(xù)時間為約0.6Ma。Huang等人［９５］通過研究法國Sancerre鉆孔的深海相的磁化率序列,識別出20.5個405ka的長偏心率旋回,估算出托阿爾階持續(xù)時間為(8.3±0.4)Ma,這被GTS2012所采用［９４］(表3)。中侏羅世的旋回地層學研究程度相對較低,巴通階(Bathonian)和卡洛夫階(Callovian)基本上還沒有開展,最近,通過對法國Chaudon-Norante碳酸鹽剖面的旋回地層學研究識別出405ka的天文旋回,估算出巴柔階(Bajocian)的持續(xù)時間約為4.1Ma［９７］,這與沒有經(jīng)過天文年代校準的最新的GTS2012給出的(2±1.4)Ma有較大出入,因此還有待于更多的研究工作的進一步驗證。只有阿林階(Aalenian),Hinnov和Park［５７］通過對意大利的Sogno組地層的旋回地層學研究,估算出托阿爾階和阿林階一起的持續(xù)時間為11.37Ma,而后Huret等人［５６］通過研究法國Sancerre鉆孔深海相的磁化率序列估算出阿林階的持續(xù)時間為3.85Ma,這一研究成果被GTS2012所采用［９４］(表3)。晚侏羅世的旋回地層學研究程度較高,最新的GTS2012地質(zhì)年代表基本上都已經(jīng)過天文年代和磁性地層的校準(圖2)。牛津階(Oxfordian)中-下部在法國Vocontian盆地的TerresNoires組地層指示了由405ka偏心率長周期控制的旋回層序,估算的下面4個菊石帶的持續(xù)時間為4.1Ma［５２－５５］,而Strasser［５１］通過對中牛津階到欽莫利階(Kim-meridgian)的瑞士淺水碳酸鹽臺地和法國Jura山脈的兩個剖面的高頻海平面變化旋回對比分析,識別出約20ka的歲差旋回和約100ka,以及約400ka的偏心率旋回,并且估算出上部幾個菊石帶的持續(xù)時間以及欽莫利階的持續(xù)時間約為3.2Ma。英國南部Dorset的欽莫利階—提塘階(Tithonian)的KimmeridgeClay組是北海油田的主要生油巖段,顯示出深灰色的泥灰?guī)r、灰?guī)r與深灰色-黑色的頁巖以及泥巖的韻律明顯的半深海相的地層序列,很多學者對此進行過旋回地層學地層研究［４７－５０］,其中Huang等人［４９］通過對KimmeridgeClay組地層的總有機碳數(shù)據(jù)序列進行分析,認為在黑色泥頁巖段主要受斜率周期控制,而其他層段主要受歲差-偏心率驅(qū)動,如圖5B展示出明顯的歲差、斜率、偏心率旋回分級序列,5個左右的歲差旋回組成一個約100ka短偏心率旋回,而4個約100ka偏心率旋回又組成一個405ka長偏心率旋回,通過對識別出來的斜率和長短偏心率建立年代模型,并分別進行了36ka斜率及100ka和405ka的長短偏心率周期的天文調(diào)諧,獲得較為一致的持續(xù)時間,中-晚欽莫利階的持續(xù)時間為3.47Ma以及早提塘階(elegans到fit-toni菊石帶)的持續(xù)時間為3.72Ma,綜合Boulila等人［５２］對法國南部Vocontian盆地的LaMéouge剖面的早欽莫利階的磁化率序列旋回地層學研究成果,以及格陵蘭島-挪威海峽的VolgianHekkingen地層與KimmeridgeClay的旋回對比［４６］及參考古地磁年代模型的計算結(jié)果,GTS2012校準的欽莫利階和提塘階的沉積持續(xù)時間分別為(5.2±1)Ma和(7.1±0.9)Ma［９４］(表3)。4.3沖積旋回-ssr-ma-rovieri-白堊紀((145±0.8)~(66±0.1)MaBP)是目前中生代旋回地層學研究程度最高的一個時段,白堊紀的最新地質(zhì)年代表GTS2012大部分都經(jīng)過了天文驅(qū)動的旋回地層的405ka偏心率長周期的年代校準(圖2)。早在19世紀,Gilbert［９８］就已經(jīng)對美國西Interior盆地中部的白堊紀地層記錄中顯示的沉積旋回進行了旋回地層學研究,建立了第一個深時軌道年代標尺,最近,對同一套地層序列,Sage-man等人［３２］和Meyers等人［３１］用現(xiàn)代的旋回地層學研究方法建立了塞諾曼階(Cenomanian)和土倫階(Turonian)的天文年代標尺,并對建立的天文年代標尺與放射性同位素所測得的絕對年齡進行相互校準與標定。早白堊世的6個階已經(jīng)都有旋回地層學的研究成果發(fā)表,Sprenger和TenKate［４５］早在1993年就對西班牙東南部的貝里阿斯階(Berriasian)深海相的鈣質(zhì)泥巖與泥灰?guī)r互層的Miravetes組地層進行旋回地層學研究,利用獲取的碳酸鈣含量數(shù)據(jù)序列估算出Simplex和oblonga兩個生物帶的持續(xù)時間約為1.3Ma。Huang等人［４６］通過對格陵蘭島-挪威海峽處鉆孔的顏色反射率數(shù)據(jù)序列進行旋回地層學分析及405ka偏心率長周期的天文調(diào)諧,獲得上Volgian、Ryazanian和瓦蘭今階(Valanginian)的持續(xù)時間分別為約5.2、1.8和約5.3Ma,通過生物地層對比認為上Volgian的上部加上Ryazanian相當于貝里阿斯階,這與GTS2012根據(jù)旋回地層及其古地磁年代模型校準的貝里阿斯階的持續(xù)時間約5.6Ma一致［９９］(表4)。Sprovieri等人［４１］研究意大利的Umbria-Marche綜合地質(zhì)記錄包括從中貝里阿斯階到下阿普特階(Aptian)的碳同位素曲線,通過天文調(diào)諧獲得了約19Ma的連續(xù)時間標尺,其中,瓦蘭今階、歐特里夫階和巴雷姆階(Barremian)3個完整階的沉積持續(xù)時間分別為約6.9、約3.5和約4.4Ma。Huang等人［４３］通過對法國Vocontian盆地以及中大西洋西部的旋回地層學研究,天文調(diào)諧獲得了瓦蘭今階和歐特里夫階(Hauterivian)的持續(xù)時間分別為5.9和5.3Ma;而Giraud等人［４４］分析的Vocontian盆地的碳酸鈣含量曲線識別出91個歲差旋回和137個斜率旋回,估算的瓦蘭今階的持續(xù)時間約為7Ma;最新的法國東南部的Vocontian盆地的GSSP候選剖面的405ka天文調(diào)諧的伽馬曲線數(shù)據(jù)獲得的瓦蘭今階的持續(xù)時間5.08Ma［１００］,這與GTS2012校準的瓦蘭今階的持續(xù)時間5.5Ma接近［９９］。Fiet等人［１０１］的對Vocontian盆地的歐特里夫階的天文調(diào)諧時間為(5.3±0.4)Ma,這與Huang等人［４３］的研究結(jié)果相近。Fiet和Gorin［４２］通過分析意大利中部Umbria-Marche盆地的深海相的泥灰?guī)r-灰?guī)r序列,識別出49個短偏心率和12個約400ka長偏心率旋回,估算的巴雷姆階持續(xù)時間為(5.13±0.34)Ma;這與在意大利中部和南部的兩個淺水碳酸鹽相鉆孔在巴雷姆階識別出13個405ka偏心率旋回所估算的持續(xù)時間約5.2Ma基本一致［１０２］。由于各研究剖面階與階之間的界線劃分不一致,綜合磁性地層和旋回地層的研究結(jié)果,GTS2012校準的歐特里夫階和巴雷姆階的持續(xù)時間分別為(3.1±0.6)Ma和(4.5±0.5)Ma［９９］(表4),這與Sprovieri等人［４１］的結(jié)果一致。Fiet等人［３９］通過研究意大利Umbria-Marche盆地的MarneaFucoidi組地層連續(xù)的泥灰?guī)r-灰?guī)r深海沉積序列,識別出多個約100ka和約400ka的長短偏心率旋回,估算出阿爾布階的沉積持續(xù)時間為(11.6±0.2)Ma。意大利的Piobbico巖芯覆蓋了整個阿普特階(Aptian)和阿爾布階(Albian)成為深海沉積序列旋回地層學研究的經(jīng)典,在近77m長的巖芯中,通過掃描獲得了分辨率為0.08cm的高分辨率的灰度(greyscale)序列,Grippo等人［４０］在阿爾布階識別出約28個405ka長偏心率旋回,加上通過地層對比獲得的幾個缺失旋回,通過天文調(diào)諧建立了12.4Ma天文年代標尺;Huang等人［１８］在阿普特階識別出33個405ka長偏心率旋回,通過天文調(diào)諧建立了13.4Ma的天文年代標尺;綜合這兩個研究成果,約77m長的Piobbico鉆孔可以建立約25.8Ma的高分辨率連續(xù)浮動天文年代標尺(圖6),并且其時間序列的頻譜圖展示出其主要頻率周期與La2004理論模型在100~126MaBP的ETP(歲差、斜率和偏心率綜合曲線)的頻譜圖一致。結(jié)合阿爾布階頂界的同位素測年的絕對年齡100.5MaBP,獲得從100.5MaBP到126.3MaBP的阿爾布階和阿普特階的絕對地質(zhì)年代標尺及其對應(yīng)的405ka的E旋回數(shù)(圖6),這成為中生代旋回地層學研究的一個標準。參考剖面為GTS2012所采用［５，１８，４０，９９］(表4)。晚白堊世的塞諾曼階(Cenomanian)與土倫階(Turonian),因為其界線附近存在著一全球大洋缺氧事件OAE2,其持續(xù)時間從0.1到0.9Ma,存在很大爭議,因而這兩個階的旋回地層學和放射性同位素測年的研究變得非常熱門［３２－３５，１０３］。Gale［３７］通過研究歐洲西部塞諾曼階的半深海-深海相的沉積序列,識別出212個歲差旋回,獲得塞諾曼階的最小持續(xù)時間為4.45Ma,稍后他利用印度東南部和歐洲西北部的海相沉積序列,在塞諾曼階識別出10個受405ka偏心率驅(qū)動的海平面變化的層序［２３］;而Herbert等人［３６］通過研究南大西洋的大洋鉆探的DSDP的356、357、516F、525A、527、528和529鉆孔資料以及西班牙和意大利的深海沉積序列,估算出塞諾曼階的沉積持續(xù)時間為(6±0.5)Ma。塞諾曼階與土倫階的界線年齡由同位素絕對測年年齡與天文調(diào)諧校準為(93.9±0.15)MaBP［３１］,綜合塞諾曼階與阿爾布階的界線年齡100.5MaBP,因此GTS2012將塞諾曼階的持續(xù)時間校準為(6.6±0.4)Ma［９９］(表4)。關(guān)于整個土倫階的旋回地層學研究很少,除了中國松遼盆地的青山口組的陸相湖盆沉積中心可能記錄了完整的土倫階的沉積層序,通過天文調(diào)諧建立了5.2Ma的浮動天文年代標尺,可估算出土倫階的持續(xù)時間約為4.2Ma［１０４］,但由于陸相地層缺乏可全球?qū)Ρ鹊纳锏貙淤Y料,因此綜合同位素測年資料和磁性地層資料將是未來與全球地層對比的關(guān)鍵。康尼亞克階(Coniacian)和圣通階(Santonian),在美國的西Interior盆地半深海相的Linsack43-27鉆孔,泥巖與泥灰?guī)r、白堊泥灰?guī)r互層的韻律性明顯的Niobrara組地層的電阻率數(shù)據(jù)記錄了完整的這兩個階的沉積序列,通過約400ka的濾波估算的康尼亞克階和圣通階的持續(xù)時間分別為3.34和2.61Ma［３０］。最近,Wu等人［１０５］通過研究中國松遼盆地的大陸鉆探的SK鉆孔記錄的早土倫階到早坎潘階的連續(xù)湖相記錄,利用識別出來的405ka偏心率旋回進行天文調(diào)諧,估算出康尼亞克階和圣通階的持續(xù)時間分別為3.4和2.7Ma,這與美國Interior盆地的海相沉積序列的持續(xù)時間一致,這說明陸相和海相沉積序列盡管沉積環(huán)境不同,但都記錄了數(shù)目相同的405ka的偏心率長周期。突尼斯中部特提斯洋的碳酸鹽臺地相的Ellès剖面,記錄了灰?guī)r-泥灰?guī)r互層的坎潘階(Campanian)到馬斯特里赫特階(Maastrichtian)的旋回地層沉積,旋回地層學分析認為該剖面記錄了10.2Ma近乎完整的坎潘階及馬斯特里赫特階下部2.6Ma的沉積地層［２９］。此外,德國北部的白堊泥灰?guī)r記錄了完整的晚坎潘階到早馬斯特里赫特階(Maastrich-tian)的地層,旋回地層分析識別出15.25個405ka的偏心率長周期,估算整個晚坎潘階的沉積時間最少為6.2Ma［１０６］。Husson等人［２８］利用深海大洋鉆探ODP的1258A、1267B、762C及DSDP的525A多個鉆孔,通過旋回對比分析以及與Laskar2010的計算模型的405ka的偏心率長周期的天文調(diào)諧,建議K/Pg界線的年齡為(65.59±0.07)MaBP和(66±0.07)MaBP,坎潘階/馬斯特里赫特階界線的年齡為72.34和72.75MaBP,從而估算出馬斯特里赫特階的持續(xù)時間約為6.5MaBP,這被GTS2012所采用;同樣是利用405ka天文調(diào)諧,Hilgen等人［２７］獲得的K/Pg界線的年齡約為66MaBP,Westerhold等人［２６］獲得的K/Pg界線的年齡為65.5~66.1MaBP,這都與Kuiper等人［６］利用天文校準的４０Ar/３９Ar同位素年齡65.95MaBP一致。5第二,關(guān)于旋回地層和地震地質(zhì)的年齡研究因為新生代有大量的高分辨率深海連續(xù)地質(zhì)記錄,所以天文地質(zhì)年代校準工作已近100%覆蓋了新生代。而中生代的天文年代校準工作還存在著很大挑戰(zhàn),尤其是三疊紀和中侏羅及晚白堊中期?，F(xiàn)在中生代天文年代校準過程中存在的問題是大多數(shù)階的旋回地層學研究都只有一個剖面,特別是生物地層、磁性地層以及同位素年代地層缺乏或者是研究程度不夠,這限制了天文年代校準的精度和可信度,要想獲得可靠的高精度年代標尺,我們需要多學科綜合的研究方法和技術(shù)。此外,要想獲得可靠的年代以及持續(xù)時間,我們必須尋找多個不同地區(qū)不同沉積環(huán)境包括陸相和海相的連續(xù)沉積剖面,特別是通過深海和大陸鉆探項目獲取高分辨率的連續(xù)地質(zhì)記錄來進行旋回地層學、磁性地層以及生物地層的研究以及全球?qū)Ρ?。因為深海鉆探計劃如現(xiàn)在的IODP計劃鉆穿的地層大多是新生代的地層記錄,很少涉及中生代,所以很多科學家開展了大陸鉆探項目,如美國哥倫比亞大學的Olsen等人［１９］在Newark盆地鉆取了一系列鉆孔,獲得了6700多米約33Ma的晚三疊世的連續(xù)湖相記錄,成為陸相旋回地層學研究的經(jīng)典;之后,中國王成善教授［１０７］的松遼盆地白堊系大陸科學鉆探計劃,獲得了2500多米的晚白堊世的連續(xù)沉積記錄,Wu等人［１０５］已經(jīng)對此進行了旋回地層學研究,目前即將開鉆的第2次松遼盆地深鉆探計劃將覆蓋早白堊統(tǒng)甚至打到晚侏羅統(tǒng)地層,預(yù)計獲取超過6000m約50Ma的連續(xù)地質(zhì)記錄;目前美國哥倫比亞大學的Olsen等人［９３］提出了一個新的國際大陸鉆探計劃即將在美國科羅拉多高原鉆探一系列深鉆,計劃覆蓋整個三疊紀和侏羅紀100Ma左右的連續(xù)沉積記錄來進行旋回地層和磁性地層等年代學研究以及全球?qū)Ρ?英國牛津大學的Hesselbo等人［１０８］已經(jīng)申請在英國的西海岸鉆取早侏羅系3000多米預(yù)計覆蓋約25Ma地質(zhì)記錄的大陸鉆探研究計劃,這些越來越多的大陸鉆探研究計劃為我們開展中生代的旋回地層學研究和天文年代校準獲得高精度的地質(zhì)年代提供了便利條件,預(yù)計在不久的將來天文年代校準工作也將100%覆蓋中生代。利用旋回地層學的研究方法所建立的天文年代標尺,不僅可以估算所選研究層段的沉積持續(xù)時間和沉積速率,還可以獲得地層界線的絕對年齡以及重大地質(zhì)事件的發(fā)生和持續(xù)時間,同時還可以與同位素絕對測年進行相互校準來獲得高精度的絕對地質(zhì)年代表。我們只有在建立高精度的時間序列的基礎(chǔ)上才可以重建古氣候的演化過程,探尋古氣候的演變規(guī)律以及其驅(qū)動機制等問題。研究表明,一旦不同級別的偏心率周期(如405ka、約2.4Ma)和斜率長周期(約1.