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.     

认识偏心率周期的地层古气候意义

介绍了偏心率周期在地层和古气候研究方面的新发展.现有地球轨道模式对250Ma以来的轨道运算误差能控制在0.2%之内, 使基于偏心率周期来划分地层年代成为可能.新的国际标准地层年代表以405ka长偏心率周期为基础来划分主要地层界线.新生代将包括E1-E162偏心率长周期, 底界年龄(65.5±0.3) Ma.这一地层年代表的建立, 标志着轨道地层学时代的到来.偏心率的100ka短周期和405ka长周期在诸多地质记录中都有反映, 特别是来自深海钻孔的物理化学古气候指标.很多古气候重大事件往往发生在偏心率周期的弱振幅时期, 表明弱振幅时期易受其他因素的干扰影响, 这些因素包括碳储库、冰盖和海平面变化、电磁场, 以及区域构造重组等等.越来越多的研究发现碳同位素在偏心率周期上与地球轨道驱动相关, 且常领先于氧同位素的变化, 表明热带碳循环过程是影响全球气候变化的关键因素之一.      

黄土高原黄土序列松山-布容地磁极性倒转界线空间分布特征与影响因素探讨

松山-布容（M/B）地磁极性倒转是第四纪发生的最近一次地磁极性倒转事件,其确切位置是黄土-古土壤序列磁性地层学的关键。然而,松山-布容地磁极性倒转界线（MBB）在黄土中记录的位置在不同区域存在一定差异,制约了高分辨率黄土磁性地层学和黄土古气候学的区域格局分析以及海陆气候对比研究。本文对黄土高原不同黄土序列MBB的记录位置进行总结,分析了MBB在黄土高原的空间分布特征,并对MBB的记录位置及厚度与L8黄土厚度的相关关系及其影响因素进行了探讨。通过对比黄土高原不同黄土-古土壤序列研究结果发现,MBB的记录位置差异较大,黄土高原西北部多位于L8黄土顶部甚至S7古土壤,而东南部则位于L8黄土底部或L8/S8过渡带附近。代表性剖面中MBB的空间分布特征显示,MBB的记录位置与L8黄土受成壤作用影响强度以及沉积速率之间关系密切。黄土高原西北部沉积速率高,L8黄土受成壤作用影响较弱,MBB的记录位置基本不受成壤作用影响;黄土高原中部和东南部沉积速率相对较低,L8黄土受成壤作用影响显著,并呈现一定的穿时性特征。MBB记录位置对成壤作用影响较为敏感,L8厚度的微小变化都可能会引起MBB记录位置的显著移动。因此在黄土高原不同区域MBB的记录位置受成壤作用强度的影响,并影响到黄土与古土壤的地层划分而使MBB的记录位置产生区域差异;除此之外还受Lock-in效应、地磁场信息记录等在不同区域差异性响应,使MBB的位置呈现多因素影响,相互叠加放大造成了显著的区域差异。     

2.48Ma以来中国境内的地磁极性倒转

本文对中国境内晚新生代火山岩和第四纪地层的古地磁学研究，肯定了一些短周期极性事件的存在。在对比了世界各地的古地磁资料后，建立了２．４８Ｍａ以来的地磁极性年代表。     

米兰科维奇冰期旋回理论中的“4万年周期问题”：回顾与展望

米兰科维奇理论认为地球轨道的天文周期调控北半球高纬地区夏季接收太阳辐射的强度,进而驱动第四纪地表的冰期-间冰期旋回。20世纪60年代以来,米兰科维奇理论预测的天文周期在第四纪海洋沉积物中得到了印证,看似证明了该理论的正确性。但大量新记录的出现给经典米兰科维奇理论带来了挑战,早更新世的“4万年周期问题”——即为何早更新世的冰期旋回中没有岁差周期——就是其中之一。目前对于该问题的两种回答包括：1)南、北半球冰盖分别受当地夏季太阳辐射强度的驱动;2)早更新世冰期受北半球夏季累积太阳辐射量驱动。不难发现,这两种假说均默认了米兰科维奇理论中“高纬地区是驱动地球气候演变关键区域”的假设,争议的点仅在于岁差是否影响了高纬度冰盖的变化,这或许是“4万年周期问题”至今悬而未决的原因。未来要解决早更新世乃至整个第四纪冰期旋回的问题,或许目光要跳出高纬地区,考虑低纬过程以及高-低纬之间的相互作用。

     

白垩纪大洋缺氧事件2(OAE 2)的天文年代学对比研究

白垩纪中期大洋缺氧事件2(OAE 2)是地史时期一次全球性重大古海洋和古气候事件, 记录了地球温室期全球碳循环扰动和地球系统反馈过程的重要信息。由于全球不同剖面OAE 2年代学约束仍存在争议, 制约了对这一全球性事件成因机制的认识。针对上述问题, 本研究选取了全球不同纬度带的8个剖面, 通过对碳同位素和硬等温剩余磁化率数据进行旋回地层分析, 开展了OAE 2天文年代学研究。结果显示, 研究剖面的OAE 2发生时间被约束在94.55~93.98 Ma, 结束时间被约束在93.80~93.17 Ma, 持续时间为430~910 ka, 不同剖面的OAE 2起止时间和持续时间存在差异。火山活动为海洋环境提供了营养物质, 暂时性的全球海洋连通性影响了火山喷发物质搬运, 季风强弱影响了陆源物质风化速率和火山喷发物、陆源剥蚀物的搬运, 故剖面地理位置及其与火山活动区域的距离、海洋连通性和季风活动共同影响OAE 2的起止时间和持续时间。OAE 2的发生阶段大致与短偏心率调制周期极大值时期(即约2.4 Ma超长偏心率周期)或从较大值向极大值过渡时期对应, 且天文理论曲线La2010d中约2.4 Ma超长偏心率周期也为极大值时期或从较大值向极大值过渡时期。在此天文轨道配置下, 气候季节对比性明显增加, 增强的季风降水导致陆地向海洋输送的营养物质增加, 海洋初级生产力提高, 造成海水缺氧, 随后大量有机质的分解进一步导致了O₂消耗, 这些因素的共同作用可能促进了大洋缺氧事件的形成。相反, OAE 2的结束阶段与超长偏心率周期较小值时期对应, 此时气候以低季节性对比为特征, 季风降水减弱, 水柱混合良好, 从而提高海洋中间和底部水域O₂浓度, 这些因素的共同作用可能导致大洋缺氧事件的结束。在OAE 2期间, 天文轨道周期驱动的季风强度的变化, 通过影响陆源物质的剥蚀以及陆源和火山喷发物质的搬运、海洋水体分层状况等, 在OAE 2演化中扮演着重要角色。

     

酒西盆地、酒东盆地第三系磁性地层的划分与对比

本文运用磁性地层学理论和方法对酒西盆地、酒东盆地第三系进行了划分对比,部分修正了前人的划分方案,在此基础上对两盆地第三纪各时期沉降速率进行了估算和比较,并对它们的构造运动特征提出了见解。     

地球气候变化的米兰科维奇理论研究进展

米兰科维奇理论是从全球尺度上研究日射量与地球气候之间关系的天文理论（以下简称为“米氏理论”）。该理论认为,地球轨道偏心率、黄赤交角及岁差等三要素变化引起的到达北半球中高纬度夏季日射量变化是造成冰期—间冰期旋回的根本原因。详细回顾了米氏理论的发展历程,并以南极东方站过去42万年大气和气候变化的历史资料为例,讨论了经典米氏理论中有待研究的若干问题。     

基于米氏旋回的三角洲前缘油层对比研究

基于米兰科维奇天文旋回理论在三角洲前缘开展砂岩组和单层级别的油层对比研究,频谱分析和小波变换揭示萨尔图油层Ⅲ油层组存在米兰科维奇天文旋回,可识别出比值接近5∶2∶1的3个旋回厚度,分别对应于偏心率100 ka、斜率40 ka和岁差20 ka周期,推测地层在沉积时受到米兰科维奇天文轨道周期性变化的影响。根据岁差20 ka周期带通滤波（BPF）和堆积速率变化特征,将萨尔图油层Ⅲ油层组划分为9个砂岩组和20个单层。研究表明,岁差20 ka周期调控气候波动的机制与超短期基准面升降变化之间存在着一定的协调作用,利用米兰科维奇天文旋回划分出的单层具有严格的等时性。20个单层砂体的展布特征表明,萨尔图油层Ⅲ油层组经历了多期水进—水退事件,与砂岩组的划分具有较好的对应关系。     

长江三角洲上新世以来磁性地层及天文调谐年代标尺

长江三角洲地区的磁性地层认识存在很大不确定性.为建立一个可靠的年代标尺,为区内沉积环境和气候演化研究提供约束,在年代地层和磁性地层基础上,以频率磁化率为信号源、ETP为靶曲线,通过轨道调谐方法对区内LZK1孔开展了天文年代标尺研究,建立了年代序列框架.结果显示,M/B界线埋深约为143.0 m、Ga/M界线埋深约为219.0 m、Gi/Ga界线埋深约为296.6 m.受气候和沉积环境控制,沉积旋回特征清楚,沉积速率具有明显的阶段性.调谐后的频率磁化率显示了显著的125 ka、96 ka、41 ka、23 ka、22 ka、18 ka等轨道周期,并在轨道周期上与ETP曲线高度相关,相关性超过了95%检验标准.100 ka、41 ka和23 ka周期的带通滤波曲线与偏心率、斜率和岁差在振幅和相位上吻合较好,但局部时间段有差异,可能与低沉积速率、沉积速率突变或短时间尺度的地层缺失等因素有关.研究表明,在具有短暂沉积缺失的持续沉降区域,只要保证样品分辨率,可以通过轨道调谐方法建立可靠的年代框架.      

泥河湾盆地基于粒度气候指标的轨道调谐时间标尺

泥河湾盆地东部出露一套厚近百米的以湖相为主的地层.我们测量了洞沟剖面的粒度和磁化率.通过磁化率记录的对比, 我们可以将前人确定的古地磁界线转移到我们的深度坐标上来, 并建立了初步的时间标尺.样品中粒径在20~50μm之间的颗粒含量时间序列可以与ETP曲线对比, 即低含量对应高ETP值.这样的对比意味着在北半球夏季太阳辐射量相对增加的时期, 进入泥河湾盆地沉积物中的风尘物质减少了.这与已知的北方风尘的演化历史是吻合的, 所以我们认为粒度(20~50μm) 含量是泥河湾盆地沉积物中比较可靠的古气候变化的替代性指标.对于沉积速率相对高的时段, 即 > 780ka的地层, 我们尝试用轨道调谐的方法建立了高分辨率的时间标尺.新的粒度(20~50μm) 含量时间序列滤波获得的20ka和41ka的周期成分与岁差及地轴倾斜度的理论值可以重合.这显示洞沟剖面的粒度(20~50μm) 含量记录可以作为轨道调谐的气候曲线.      

时间尺度对入库径流基流分割影响的初步研究

以湖北省漳河灌区内非岩溶发育的杨树垱水库小流域和广西桂林市分布有岩溶发育的青狮潭水库流域为研究对象,利用数字滤波技术对杨树垱水库的日径流、旬径流和月径流量,以及青狮潭水库的月径流、季径流和年径流量进行基流分割。结果表明:随着时间尺度的增大,基流分割得出的基流指数呈逐渐增大的趋势。杨树垱水库小流域日径流的基流指数Fr比旬径流与月径流的Fr小,青狮潭水库月径流的基流指数Fr比季径流与年径流的Fr小。杨树垱水库入库径流的基流指数小于青狮潭水库。     

试论工程地质作用的时间尺度问题

地球系统科学对全球变化进程的研究中特别关切对人类有意义的时间尺度上的作用与发展.对几十年到几百年的时间尺度上的工程地质作用进行了探讨.岩石风化作用既是地壳固体物质形态转变的重要途径,也是产生块体运动灾害的必要前提条件,其类型和强度受区域气温及降雨条件的控制;水的侵蚀作用的区域性规律受地貌成因和气候条件的制约,它对陆地环境的最大冲击是对海洋、湖泊及水库岸滩带的侵蚀和改造;流水的溶蚀作用可在几十年内对可溶岩类地区产生影响.人类活动可对自然地质作用的强度、频率和速率产生重要的影响,如酸沉积物是人类活动的间接产物,会对人类环境产生多方面的效应.探索地质作用对长期运行或永久性工程的负效应尤为迫切,需要开展及时的研究.     

Cyclostratigraphic dating in the Lower Badenian (Middle Miocene) of the Vienna Basin (Austria): the Baden-Sooss core

The scientific borehole Baden-Sooss penetrates a succession of Badenian (Langhian, Middle Miocene) sediments at the type locality of the Badenian, the old brickyard Baden-Sooss in the Vienna Basin. The sedimentary succession of the 102-m-cored interval consists of more than 95% bioturbated, medium-to-dark gray marly shales with carbonate contents between 11 and 25% and organic carbon contents between 0.35 and 0.65%. Biostratigraphic investigations on foraminifera (mainly lower part of Upper Lagenid Zone) and calcareous nannoplankton (standard zone NN5) indicate an early Badenian (Langhian) age. Cycles in carbonate content, organic carbon content, and magnetic susceptibility have been identified by power spectra analysis. Correlations between the three variables are extremely significant. Using cross-correlation, periods around 40 m correlate significantly with the 100 kyr⁻¹ eccentricity cycle, the ∼20 m periods with the obliquity cycle, and the 15 to 11-m periods with both precession cycles. Wavelet transformation and decomposition of composite periodic functions were used to obtain the position of the cycle peaks in the profile. Cross-correlation with orbital cycles (La2004) dates the Baden-Sooss core between −14.379 ± 1 and −14.142 my ± 9 kyr.     

区域地下水溶质运移随机理论的研究与进展

在总结近年来国内外区域地下水溶质运动研究的基本理论、方法和部分成果的基础上,论述了溶质在大区域运动的主要影响因素为区域介质的空间变异性。首先总结了野外条件下饱和介质和非饱和介质土壤渗透性能的空间变异性结果,由于野外渗透介质严重的空间变异性,研究溶质在野外条件下的运动采用了随机理论方法。基于Lagrange方法和Euler方法,研究结果表明,在渗透系数为对数正态二阶平稳及一阶扰动近似条件下,平均浓度满足对流－弥散方程,方程中宏观弥散度决定于介质渗透性能的统计特征,总结了一系列宏观弥散系数的表达形式,在此基础上,指出了需要进一步研究的问题。     

基于米兰科维奇理论的高精度旋回识别与划分--以南图尔盖盆地Ary301井中侏罗统为例

将天文轨道周期与不同级别的旋回联系起来,旨在使米兰科维奇周期这一高精度时间标尺纳入高频层序地层划分中,实现高精度旋回的识别与划分。以哈萨克斯坦南图尔盖盆地Aryskum地堑Ary301井为例,基于不同沉积特征,分别对卡拉甘塞组I~IV段自然伽马测井数据进行频谱分析和连续小波变换,结果显示沉积地层中保存完好的米兰科维奇旋回,天文轨道周期对Aryskum地堑沉积过程具有明显影响,并将31.9~39.5 m旋回厚度解释为受400 kyr长偏心率周期控制,11.9~14.2 m,6.7~8.8 m旋回厚度分别受125 kyr和95 kyr短偏心率周期控制。对长、短偏心率周期进行滤波分析后,与天文模型理论周期曲线进行对比,建立卡拉甘塞组的浮动天文年代标尺,分别以400 kyr、125 kyr偏心率周期滤波曲线作为中期和短期旋回划分的参考曲线,共识别出11.5个中期旋回和47个短期旋回,为高频旋回划分提供了一种不受人为因素影响的天然标准,保证了研究区旋回划分的科学性和统一性。     

乌力吉木仁河水文要素时间尺度变异分析

由于气候变化和人类活动的影响,水文要素的分布形式和参数可能在统计意义上产生了变异。为了揭示水文要素在时间尺度上的变异关系,将乌力吉木仁河梅林庙测站1956~2000年的逐月径流资料,按照不同的时间尺度划分为季度、汛/非汛期和年径流序列,利用水文变异诊断系统分别对其进行变异诊断,并查阅相关文献得出剧烈的人类活动是导致变异的主要原因。通过归纳不同时间尺度的变异诊断结果得出,对于按照季度尺度划分的径流序列,不同月份径流量占年径流量的比例是影响季度变异的主要因素,在变异程度方面,第一季度的变异程度最大,而第三季度的变异程度则最小;对于汛/非汛期尺度划分的径流序列,其变异则受所包含月份的综合影响,且月径流量比例系数越大,其影响程度也越大;对于年径流序列,其变异则主要受到第三季度或汛期径流的影响。     

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.     

地球磁极倒转的星地碰撞成因

地球磁场多次发生南北(正负)磁极位置的变换, 即极性倒转, 这已为大家所公认; 但造成这种极性倒转的原因, 则是迄今未能很好解答的一个难题.基于地球磁场的发电机效应理论和星地碰撞的动力效应研究, 探讨了外星撞击地球造成地磁场极性倒转的可能性.研究表明, 当外星沿与地球自转的正逆不同方向撞击地球时引起的地球转速快慢变化, 可导致地球内部核、幔圈层之间的转速相对快慢关系(相对运动方向)发生改变, 从而受其控制的液核涡旋方向及相应的地磁场方向也会随之改变, 于是就形成地磁极性倒转.这是一个新的思路, 它给地磁极性倒转提出了一个简明的动力机制解释.