高祥宇邵龍義王學(xué)天華芳輝魯靜

中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院,北京 100083；煤炭資源與安全開采國家重點實驗室,北京 100083

米蘭科維奇旋回理論認(rèn)為,地球軌道參數(shù)(偏心率、地軸斜率、歲差)的周期性變化會導(dǎo)致地球表面接受的日照量在緯度和季節(jié)上的變化,進而引起全球和地區(qū)氣候的周期性變化,所有這些變化都會記錄在當(dāng)時的沉積物中[1-2]。地球軌道參數(shù)周期具有年齡分辨率高、相對誤差小的特點[3],識別地層中由地球軌道參數(shù)周期驅(qū)動形成的旋回,并進行天文調(diào)諧、建立天文年代標(biāo)尺,能夠提高地質(zhì)年代精度[2]。目前,學(xué)術(shù)界比較一致的看法是,四、五、六級高分辨率層序的形成主要受控于天文軌道驅(qū)動[3-5]。已有不少學(xué)者成功地對不同地球軌道參數(shù)周期性變化下形成的地層旋回與相應(yīng)級別的層序進行了比對,實現(xiàn)了高精度的地層劃分[2-8]。

相較于中生代和新生代,古生代的旋回地層學(xué)研究程度較低。貴州西部發(fā)育的樂平統(tǒng)海陸過渡相含煤巖系具有很好的旋回性,為研究樂平世天文周期及其對煤系旋回性的驅(qū)動機制提供了良好的天然場所。為此,筆者選取黔西北畢節(jié)地區(qū)樂平統(tǒng)含煤巖系KL1301、KL17305、CH1602、DJ702 四個鉆孔剖面的自然伽馬測井?dāng)?shù)據(jù),進行旋回地層學(xué)分析和天文檢驗,進而建立由地球軌道參數(shù)周期約束的高分辨率層序地層格架以及樂平統(tǒng)的天文年代標(biāo)尺,研究成果旨在為樂平世古氣候、古環(huán)境和重大歷史事件的演化研究提供高分辨率的年代地層框架。

1 研究區(qū)地質(zhì)背景及層序地層格架

研究區(qū)位于貴州省西北部的畢節(jié)地區(qū),在東經(jīng)104°9′～105°47′、北緯26°40′ ～27°19′之間,大地構(gòu)造上處于揚子地塊西南部的上揚子克拉通盆地內(nèi),樂平世時期區(qū)內(nèi)發(fā)育彝良凹陷、威寧隆起以及黔中隆起(圖1)。

圖1 畢節(jié)地區(qū)大地構(gòu)造位置（據(jù)文獻(xiàn)[9]修改）以及同沉積構(gòu)造輪廓（據(jù)文獻(xiàn)[10]修改）Fig.1 Geotectonic locations（modified according to reference[9]）and synsedimentary structure（modified according to reference[10]）in Bijie area

區(qū)內(nèi)樂平統(tǒng)由陸相宣威組、海陸過渡相龍?zhí)督M、海相長興組和大隆組組成(圖2)[11]。宣威組劃分為上、中、下三段,主要巖性有砂巖、泥質(zhì)巖和煤,底部與峨眉山玄武巖呈不整合接觸,頂部與卡以頭組整合接觸。龍?zhí)督M主要巖性有礫巖、砂巖、泥質(zhì)巖、煤層和薄層石灰?guī)r,底部與峨眉山玄武巖或茅口組灰?guī)r多呈不整合接觸,頂部與長興組整合接觸,可對應(yīng)于宣威組的中、下段。長興組巖性有石灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、泥質(zhì)巖、煤層和薄層砂巖,頂部與飛仙關(guān)組呈整合接觸,可對應(yīng)于宣威組的上段[11]。

圖2 畢節(jié)地區(qū)樂平統(tǒng)（晚二疊世）地層分布（據(jù)文獻(xiàn)[11]修改）Fig.2 Distribution and correlation of the stratigraphic units of the Lopingian in Bijie area（modified according to reference[11]）

前人基于露頭剖面和鉆孔等數(shù)據(jù),對西南地區(qū)樂平統(tǒng)含煤巖系層序地層格架進行了研究[11-12]。在黔西地區(qū),根據(jù)樂平統(tǒng)底部區(qū)域不整合面、下切谷砂體底部沖刷面、沉積相轉(zhuǎn)換面、河道間古土壤層、煤層以及二疊—三疊系界線等關(guān)鍵層序地層界面,作為樂平統(tǒng)煤系三級層序界面,共識別出SB1、SB2、SB3 和SB4 四個層序界面,以4 個層序界面將黔西地區(qū)樂平統(tǒng)從下向上劃分為CSⅠ、CSⅡ、CSⅢ3 個三級復(fù)合層序(圖3)。

前人在黔西地區(qū)識別出17 個反映了海侵范圍的海相標(biāo)志層,根據(jù)這些海相標(biāo)志層的橫向展布特征以及相關(guān)的四級層序界面,在研究區(qū)內(nèi)劃分出17 個四級層序,基于四級層序的疊加模式或四級最大海泛面對應(yīng)的濱岸線遷移特征,可進一步劃分出低位層序組(LSS)、海侵層序組(TSS)和高位層序組(HSS)(圖3)。

圖3 黔西地區(qū)樂平統(tǒng)海侵范圍及層序劃分方案（據(jù)文獻(xiàn)[11-13]修改）Fig.3 The transgression range and sequence division scheme of the Lopingian in western Guizhou（modified according to reference[11-13]）

2 研究數(shù)據(jù)、旋回分析與天文檢驗方法

2.1 研究數(shù)據(jù)

自然伽馬(GR)測井?dāng)?shù)據(jù)作為一種理想的用于旋回地層學(xué)分析的古氣候替代性指標(biāo),具有數(shù)據(jù)易于獲取、連續(xù)性好、能敏感地分辨出沉積物中泥質(zhì)和有機質(zhì)含量,進而反映出古氣候和古環(huán)境的變化特征等優(yōu)勢[1,14-15]。因此,本文選擇區(qū)內(nèi)4 個鉆孔剖面的GR 測井?dāng)?shù)據(jù)(0.125 m 采樣間隔)進行旋回地層學(xué)研究。

2.2 時間序列分析法

時間序列分析法在地學(xué)領(lǐng)域的運用快速地推動了旋回地層學(xué)的發(fā)展。旋回地層學(xué)時間序列分析的基本步驟包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、頻譜分析、濾波、調(diào)諧、建立年代(時間)標(biāo)尺等。Acycle 軟件[16]集合了上述各步驟功能,是旋回分析的理想工具。

2.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理可以消除非軌道因素對分析結(jié)果造成的影響,主要包括插值與重取樣、去極值、去趨勢化、預(yù)白化等,其中的去趨勢化操作對于時間序列分析十分關(guān)鍵[17]。由于受到沉積盆地構(gòu)造活動等因素的影響,古氣候替代性指標(biāo)數(shù)據(jù)中常常會存留一些長周期趨勢[18]。去除這些長周期趨勢,可以避免頻譜分析中的低頻成分對高頻成分的影響,從而提高頻譜分析結(jié)果的準(zhǔn)確度。本文使用Acycle 軟件中提供的局部加權(quán)回歸(LOWESS)方法來去除GR 測井?dāng)?shù)據(jù)中的長周期趨勢。

2.2.2 頻譜分析

頻譜分析可識別出古氣候替代性指標(biāo)數(shù)據(jù)中保存的地球軌道參數(shù)周期信息。本文選用Acycle軟件中提供的多窗譜(MTM)分析法進行頻譜分析。此方法是一種低方差、高分辨率的頻譜分析方法,能提供頻譜分辨力與方差間的最好權(quán)衡[19]。同時,選用穩(wěn)健AR(Robust AR)模型來估算頻譜分析結(jié)果的置信水平[20]。

2.2.3 濾波

濾波是提取古氣候替代性指標(biāo)數(shù)據(jù)中目標(biāo)地球軌道參數(shù)周期信號的操作,包括高通濾波、低通濾波、帶通濾波等,其中帶通濾波在旋回分析中應(yīng)用較多[17]。本文使用Acycle 軟件中提供的高斯(Gaussian) 帶通濾波器對GR 測井?dāng)?shù)據(jù)中的405 kyr 長偏心率周期信號進行提取[21]。

2.2.4 調(diào)諧及建立時間標(biāo)尺

調(diào)諧是將沉積物或古氣候替代性指標(biāo)中的旋回記錄(濾波曲線)與偏心率、地軸斜率、歲差的理論目標(biāo)曲線進行對比的操作[2,22],目的是以此為基礎(chǔ)建立高分辨率的天文年代標(biāo)尺。由于古生代缺乏可靠的天文模型,沒有合適的目標(biāo)曲線可供濾波曲線對比,因此只能相對簡略地將濾波曲線從深度域轉(zhuǎn)化到時間域[17]。本文使用Acycle 軟件中“建立年齡模型(Build Age Model)”功能,給每個長偏心率濾波旋回賦值為405 kyr,將深度域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為時間域數(shù)據(jù),然后使用“時間標(biāo)尺(Age Scale)”功能生成時間標(biāo)尺。

2.3 相關(guān)系數(shù)法

相關(guān)系數(shù)法(COCO)是一種基于多個統(tǒng)計學(xué)算法的用于評估地層是否受到天文驅(qū)動的天文檢驗方法。該方法能夠通過測試一系列可能的沉積速率,計算天文解決方案的功率譜與經(jīng)時間校準(zhǔn)的古氣候替代指標(biāo)的功率譜之間的積差相關(guān)系數(shù)ρ,同時運用蒙特卡洛算法計算出地層旋回不受天文驅(qū)動的零假設(shè)(H0)的置信水平[23],最終實現(xiàn)古氣候替代指標(biāo)數(shù)據(jù)和天文軌道參數(shù)周期記錄之間的最佳匹配[24]。本文在Acycle 軟件平臺使用相關(guān)系數(shù)法進行天文檢驗。

3 分析結(jié)果

3.1 地球軌道參數(shù)周期的識別

受到太陽系混沌現(xiàn)象的影響,50 Ma 之前的地質(zhì)歷史時期的天文參數(shù)模型一般都存在很大的誤差[25],同樣,樂平世也缺乏可靠的天文年代模型。Wu 等[26]對上寺剖面、煤山剖面樂平統(tǒng)進行了詳細(xì)的野外巖性觀察、厘米級采樣,取得了精確的磁化率、非磁滯剩磁參數(shù)數(shù)據(jù)。通過系統(tǒng)的頻譜分析并加以多個高精度鋯石定年數(shù)據(jù)作為約束,識別出了405 kyr 長偏心率周期、125 kyr 和95 kyr 短偏心率周期、40.6 kyr 和33 kyr 地軸斜率周期以及20.7 kyr、19.7 kyr、17 kyr 歲差周期。上述天文旋回研究中識別出的軌道參數(shù)周期是最為精確和可靠的,故將其作為此次旋回地層學(xué)分析的理論軌道參數(shù)周期。

對去除長周期趨勢的GR 測井?dāng)?shù)據(jù)進行多窗譜(MTM)分析(圖4),結(jié)果顯示:KL1301 鉆孔中厚度為13.8 m 的沉積旋回置信度達(dá)到95%,厚度為4.3 m、4 m、3.2 m、1.5 m、1.3 m、1.1 m、1.03 m、1 m 的沉積旋回置信度均超過99% ；KL17305 鉆孔中厚度為19 m 的沉積旋回置信度接近95% ,厚度為1.15 m 的沉積旋回置信度達(dá)到95% ,厚度為4.3 m、4 m、3.7 m、3.2 m、1.4 m、1.39 m、1.2 m 的沉積旋回置信度均超過99%；CH1602 鉆孔中厚度為4.7 m 和4.3 m 的沉積旋回置信度都達(dá)到95%以上,厚度為15.4 m、3.4 m、1.69 m、1.58 m、1.46 m、1.27 m的沉積旋回置信度均超過99%；DJ702 鉆孔中厚度為11.1 m、3.1 m、2.9 m、2.8 m、2.6 m、1.1 m 的沉積旋回置信度均達(dá)到99%及以上。

前人的鋯石定年研究表明,樂平統(tǒng)的持續(xù)沉積時間在5.1 ～7.69 Myr 之間[7,27-30],區(qū)內(nèi)鉆孔剖面KL1301、KL17305、CH1602、DJ702 中的樂平統(tǒng)厚度分別為205.3 m、266.2 m、261.4 m、208.4 m(表1)。據(jù)此,以上各鉆孔剖面的樂平統(tǒng)平均沉積速率分別在2.7 ～4.0 cm/kyr、3.5 ～5.2 cm/kyr、3.4 ～5.1 cm/kyr、2.7 ～4.1 cm/kyr 之間。根據(jù)平均沉積速率的范圍可以求得各鉆孔剖面中長偏心率周期、短偏心率周期、地軸斜率周期控制的沉積旋回厚度范圍,通過旋回厚度范圍可得知對應(yīng)的頻率范圍(圖4)。在上述各地球軌道參數(shù)周期所對應(yīng)的頻率范圍內(nèi)選擇置信度較高的譜峰,將其對應(yīng)的地層旋回作為優(yōu)勢旋回,得出在各鉆孔剖面中,長偏心率周期驅(qū)動的優(yōu)勢沉積旋回厚度分別為13.8 m、19.0 m、15.4 m、11.1 m；短偏心率周期驅(qū)動的優(yōu)勢沉積旋回厚度分別為3.2 ～4.3 m、3.2 ～4.3 m、3.4 ～4.7 m、2.6 ～3.1 m；地軸斜率周期驅(qū)動的優(yōu)勢沉積旋回厚度分別為1 ～1.5 m、1.15 ～1.4 m、1.27 ～1.69 m、1.1 m?？赡苁怯捎贕R 測井?dāng)?shù)據(jù)采樣的實際分辨率不足,或是因為短周期信息易受各種地質(zhì)作用的影響而缺失[15,18],此次在畢節(jié)地區(qū)未能識別出歲差周期。

表1 各鉆孔剖面樂平統(tǒng)地層厚度、沉積時間及平均沉積速率Tab.1 Thickness,deposition time and average deposition rate of the Lopingian strata in each borehole section

圖4 畢節(jié)地區(qū)4 個鉆孔剖面去趨勢化的自然伽馬測井?dāng)?shù)據(jù)功率譜分析結(jié)果Fig.4 The power spectrum analysis results of the detrended GR series of 4 borehole section in Bijie area

根據(jù)上述分析,畢節(jié)地區(qū)樂平統(tǒng)含煤巖系中保存有明顯的米蘭科維奇旋回信號,識別出405 kyr 長偏心率周期、124.3 ～126.9 kyr 和91 ～95.6 kyr 短偏心率周期、40.6 ～44.5 kyr 和31.3 ～33.8 kyr 的地軸斜率周期,分別對應(yīng)于理論軌道參數(shù)周期中的405 kyr 長偏心率周期、125 kyr 和95 kyr 短偏心率周期以及40.6 kyr 和33 kyr 地軸斜率周期。

3.2 天文檢驗

由時間序列分析建立的時間標(biāo)尺可知,鉆孔剖面KL1301、KL17305、CH1602、DJ702 中樂平統(tǒng)的沉積時限分別為6.48 Myr、6.47 Myr、7.06 Myr、7.16 Myr,從而計算出各鉆孔的平均沉積速率分別為3.17 cm/kyr、4.11 cm/kyr、3.7 cm/kyr、2.91 cm/kyr(表1)。

使用相關(guān)系數(shù)法對旋回分析結(jié)果進行檢驗,結(jié)果顯示,各鉆孔的沉積速率最佳值(相關(guān)系數(shù)較大值對應(yīng)的沉積速率) 分別為3.6 cm/kyr 和4.6 cm/kyr、 3.4 cm/kyr、3.6 cm/kyr、2.8 cm/kyr(圖5),與通過旋回分析計算出的平均沉積速率相差不大；同時各鉆孔剖面沉積速率最佳值所對應(yīng)的不受天文驅(qū)動的零假設(shè)的顯著性水平均遠(yuǎn)小于1%,表明該地層受到天文驅(qū)動的可能性大于99%。上述結(jié)果可以證實,前文旋回地層學(xué)分析的結(jié)果是可靠的。

圖5 各鉆孔剖面去除趨勢的自然伽馬測井?dāng)?shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)法分析結(jié)果Fig.5 Correlation coefficient analysis results of the detrended GR series of each borehole section

4 討 論

4.1 地球軌道參數(shù)周期約束的高分辨率層序地層格架的建立

由于一個長偏心率周期的時間(0.405 Myr)與Vail 等[31]提出的四級旋回的時間(0.2 ～0.5 Myr)相符,并且通過頻譜分析和濾波在各鉆孔剖面中識別出的長偏心率旋回個數(shù)為17 個,與劃分出的四級層序個數(shù)一致,因此可以嘗試將長偏心率旋回與四級層序進行對比。將從去趨勢的自然伽馬測井?dāng)?shù)據(jù)中過濾出的長偏心率旋回曲線的波峰與四級層序中海相標(biāo)志層(灰?guī)r,含海洋生物化石泥巖)所代表的最大海泛面相對應(yīng),將波谷與層序界面相對應(yīng),加之部分旋回中的煤層能夠與圖3 中相應(yīng)層序中的煤層相對應(yīng),由此實現(xiàn)了層序地層和天文旋回的匹配,從而建立了畢節(jié)地區(qū)樂平統(tǒng)含煤巖系受長偏心率周期約束的高分辨率層序地層格架(圖6)。

圖6 畢節(jié)地區(qū)樂平統(tǒng)含煤巖系受長偏心率周期約束的高分辨率層序地層格架Fig.6 High-resolution sequence stratigraphic framework of the Lopingian coal-bearing series constrained by long eccentricity cycles in Bijie area

由此可見,在黔西北地區(qū)結(jié)合旋回地層學(xué)分析來劃分高分辨率層序地層是可行的,所建立的層序地層格架對于該區(qū)樂平統(tǒng)含煤巖系高精度的地層對比具有指導(dǎo)意義。同時,通過觀察地層格架發(fā)現(xiàn)煤層多發(fā)育在405 kyr 濾波曲線中各個周期的波峰附近,而波峰對應(yīng)于相應(yīng)的四級層序的最大海泛面,說明了黔西北地區(qū)在樂平世時期多在四級層序的最大海泛期成煤。

4.2 天文年代標(biāo)尺的建立

據(jù)國際地層委員會最新發(fā)布的國際年代地層表[32],二疊紀(jì)—三疊紀(jì)界線年齡為(251.902±0.024) Ma。相較于其他幾個鉆孔剖面,CH1602中保存的旋回信息更加完整,因此本文錨定CH1602 鉆孔剖面樂平統(tǒng)含煤巖系頂界年齡為251.902 Ma,并利用通過Acycle 軟件生成的時間標(biāo)尺,建立了畢節(jié)地區(qū)樂平統(tǒng)含煤巖系的天文年代標(biāo)尺(圖7)。標(biāo)尺中樂平統(tǒng)底界年齡與國際年代地層表所注明的(259.1±0.5) Ma 相吻合,故證明所建立的年代標(biāo)尺是準(zhǔn)確的。

圖7 CH1602 鉆孔剖面樂平統(tǒng)含煤巖系天文年代標(biāo)尺Fig.7 Floating astronomical time scale of the Lopingian coal-bearing series in borehole section CH1602

利用上述天文年代標(biāo)尺能夠為樂平統(tǒng)煤系提供一個高分辨率的年代地層框架,可精確地估計出樂平世古氣候、古環(huán)境和重大歷史事件的演化以及沉積過程的持續(xù)時間。

4.3 沉積時限和沉積速率

為了進一步討論區(qū)內(nèi)樂平統(tǒng)高分辨率的沉積特征,基于所建立的層序地層格架和天文年代標(biāo)尺,將旋回地層、層序地層、年代標(biāo)尺、沉積速率變化進行綜合對比(圖8),由此可確定和分析樂平統(tǒng)含煤巖系的沉積時限和沉積速率變化特征。

由圖1 和表1 可知,KL1301 鉆孔位于彝良凹陷西側(cè),樂平統(tǒng)地層厚205.3 m,沉積時限為6.48 Myr；KL17305 鉆孔位于彝良凹陷內(nèi),樂平統(tǒng)地層厚度在4 個鉆孔中最厚,達(dá)到266.2 m,沉積時限為6.47 Myr；CH1602 和DJ702 鉆孔都位于黔中隆起北坡帶,樂平統(tǒng)地層厚度分別為261.4 m 和208.4 m,沉積時限分別為7.06 Myr和7.16 Myr。從圖8 中可以清晰地看出,畢節(jié)地區(qū)樂平統(tǒng)含煤巖系底部存在穿時性,由西向東,KL1301、KL17305、CH1602 和DJ702 鉆孔剖面開始沉積的年齡分別是258.38 Ma、258.37 Ma、258.96 Ma、259.06 Ma,最早開始沉積的時間與最晚開始沉積的時間相差0.69 Myr。由于貴州省在樂平世時期的海侵方向是由東向西[13],反映了靠海一側(cè)沉積開始得更早。同時,以沉積時限最長的DJ702 鉆孔為基準(zhǔn),得出CSⅠ、CSⅡ、CSⅢ的沉積時限分別是2.34 Myr、1.98 Myr、2.84 Myr(圖8)。

研究區(qū)在樂平世位于克拉通盆地內(nèi),整體沉降穩(wěn)定,平均沉積速率在2.91 ～4.11 cm/kyr 之間(表1)。用劃分出的各四級層序的地層厚度除以沉積時限,計算出相應(yīng)的沉積速率并生成沉積速率柱狀圖和沉積速率變化趨勢曲線(圖8)。觀察沉積速率柱狀圖和沉積速率變化趨勢曲線發(fā)現(xiàn),整體上CS Ⅰ因為不完整,所以其存在“慢—快”和“快—慢—快”兩種沉積過程；CS Ⅱ中沉積速率變化不規(guī)律；CS Ⅲ存在“快—慢—快—慢—快”的沉積過程。

圖8 畢節(jié)地區(qū)樂平統(tǒng)含煤巖系旋回地層、層序地層、年代標(biāo)尺、沉積速率綜合對比Fig.8 Integrated correlation scheme of cycle stratigraphy,sequence stratigraphy,age scale and sedimentation rate of the Lopingian coal-bearing series in Bijie area

5 結(jié) 論

(1) 對畢節(jié)地區(qū)樂平統(tǒng)含煤巖系4 個鉆孔剖面的GR 數(shù)據(jù)進行時間序列分析,識別出了11.1 ～19 m、2.6 ～4.7 m、1 ～1.69 m 的優(yōu)勢沉積旋回,分別對應(yīng)于405 kyr 長偏心率周期、125 kyr 和95 kyr 短偏心率周期以及40.6 kyr 和33 kyr 地軸斜率周期。利用相關(guān)系數(shù)法證實了樂平統(tǒng)的沉積旋回受到了天文周期驅(qū)動。

(2) 在畢節(jié)地區(qū)樂平統(tǒng)共識別出17 個405 kyr 長偏心率周期驅(qū)動的沉積旋回,長偏心率旋回和四級層序之間有著良好的對應(yīng)關(guān)系,煤層多發(fā)育在濾波曲線波峰(四級層序最大海泛面)附近。

(3) 基于旋回地層分析建立了畢節(jié)地區(qū)樂平統(tǒng)天文年代標(biāo)尺。據(jù)此估算,樂平統(tǒng)沉積時限最短為6.47 Myr,最長為7.16 Myr,說明區(qū)內(nèi)樂平統(tǒng)底部可能存在0.69 Myr 的穿時現(xiàn)象；3 個三級層序CSⅠ、CS Ⅱ、CS Ⅲ的沉積時限分別為2.34 Myr、1.98 Myr、2.84 Myr。

(4) 樂平統(tǒng)平均沉積速率在2.91 ～4.11 cm/kyr之間。沉積速率整體的變化特征,CSⅠ呈現(xiàn)出“慢—快”或“快—慢—快”的變化趨勢；CS Ⅱ規(guī)律不明顯；CS Ⅲ呈現(xiàn)出“快—慢—快—慢—快”的變化趨勢。