彭 軍，于樂(lè)丹，許天宇，韓浩東，楊一茗

（1.西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610500；2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中心，四川 成都 610081）

旋回地層學(xué)（cyclostratigraphy）一詞最早由A.G.Fischer在意大利佩魯賈（Perugia）和法國(guó)迪涅（Digne）舉辦的全球沉積地質(zhì)大會(huì)上正式提出。它是對(duì)地層記錄的（準(zhǔn)）周期性變化進(jìn)行識(shí)別、描述、對(duì)比和成因解釋，以期提高年代地層格架的精度，進(jìn)而能更高精度地開(kāi)展地層高精度劃分與對(duì)比的一門地層學(xué)分支學(xué)科［1-3］。天文地層學(xué)是由旋回地層學(xué)等演變而成的一個(gè)新名詞，強(qiáng)調(diào)了由地球引力場(chǎng)的周期性攝動(dòng)導(dǎo)致地球表面接收到的太陽(yáng)日照量發(fā)生周期性變化，并引起沉積地層序列相應(yīng)的周期性變化，且將地層旋回性的最終驅(qū)動(dòng)力歸結(jié)為地球軌道參數(shù)（偏心率、地軸斜率及歲差）的周期性變化［3-5］，從而避免和旋回地層學(xué)相混淆。綜合來(lái)看，天文地層學(xué)是研究受地球軌道周期性變化控制形成沉積地層序列的地層學(xué)分支學(xué)科，是以米蘭科維奇理論為基礎(chǔ)的一門新興的地層學(xué)分支學(xué)科，米蘭科維奇旋回序列是天文地層學(xué)的研究重點(diǎn)［5］。

天文地層學(xué)在解決重大地質(zhì)事件問(wèn)題、探究氣候和生物的演化以及分析全球碳循環(huán)等方面都起到了關(guān)鍵作用，即天文軌道驅(qū)動(dòng)力是解決這些問(wèn)題的重要驅(qū)動(dòng)力［6-11］。在天文地層學(xué)研究過(guò)程中，經(jīng)常被提及的一個(gè)問(wèn)題就是米蘭科維奇旋回信號(hào)是否存在，而天文地層學(xué)研究就是通過(guò)技術(shù)方法和研究手段將地質(zhì)信號(hào)中的干擾剔除，提取出有效的地層序列替代參數(shù)，發(fā)現(xiàn)記錄在沉積地層中的米蘭科維奇旋回信號(hào)，即偏心率、斜率及歲差周期等軌道參數(shù)［12-13］。天文地層學(xué)研究方法主要分為兩大類，包括巖性直觀識(shí)別法和時(shí)間序列分析法，前者主要依據(jù)露頭剖面和鉆井巖心資料，受此類資料不連續(xù)和取樣密度的限制，其運(yùn)用難度大且易造成旋回信息的遺漏，同時(shí)還要求研究者具有很強(qiáng)的地質(zhì)專業(yè)知識(shí)和豐富的研究經(jīng)驗(yàn)；而后者是一種數(shù)字處理技術(shù)，得到了廣泛的應(yīng)用。該方法主要基于廣泛應(yīng)用的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，基本步驟包括數(shù)據(jù)的預(yù)處理、頻譜分析、時(shí)-頻分析和相關(guān)性研究［14-18］，而這些研究的前提是借助大量的先進(jìn)測(cè)試技術(shù)手段獲取可用于天文旋回研究的連續(xù)數(shù)據(jù)序列作為沉積地層序列的替代參數(shù)（以下簡(jiǎn)稱“替代參數(shù)”），即選擇能夠反映古氣候變化的測(cè)井參數(shù)曲線（主要包括自然伽馬、自然電位、聲波時(shí)差、電阻率等）、碳-氧同位素、磁化率和各種地球化學(xué)分析數(shù)據(jù)以及高分辨率的連續(xù)元素錄井?dāng)?shù)據(jù)等［19-26］，并應(yīng)用天文旋回理論來(lái)研究這些數(shù)據(jù)資料中反映的軌道周期。再結(jié)合放射性同位素年齡、生物地層和磁性地層年齡，建立更加精細(xì)的天文地質(zhì)年代標(biāo)尺，在精細(xì)時(shí)間尺度上理解沉積旋回的地質(zhì)意義，以期達(dá)到精細(xì)定年的目的。其后在單井單剖面天文旋回劃分基礎(chǔ)上，開(kāi)展高精度的等時(shí)地層對(duì)比，建立高時(shí)間精度的等時(shí)地層對(duì)比格架，為編制高精度大比例尺等時(shí)沉積微相平面分布圖、探討儲(chǔ)層的時(shí)空展布及演化、預(yù)測(cè)生儲(chǔ)蓋組合等奠定地質(zhì)基礎(chǔ)［27-32］。

近幾年，天文地層學(xué)發(fā)展迅速，但由于存在多種替代參數(shù)及時(shí)頻分析方法，導(dǎo)致諸多學(xué)者給出的同一研究區(qū)天文旋回劃分結(jié)果存在多解性，致使其劃分結(jié)果的可靠性存在爭(zhēng)議［33-36］。因此，本文調(diào)研了近幾年國(guó)內(nèi)外米蘭科維奇旋回的研究成果和進(jìn)展，從替代參數(shù)的選取、時(shí)頻分析方法的運(yùn)用及天文調(diào)諧等3個(gè)方面入手，闡述各替代參數(shù)和分析方法的優(yōu)缺點(diǎn)，總結(jié)天文旋回劃分研究中存在的問(wèn)題及今后的研究方向，并以渤海灣盆地濟(jì)陽(yáng)坳陷東營(yíng)凹陷沙河街組三段和四段天文旋回劃分作為具體的研究實(shí)例，闡述天文地層學(xué)的研究思路和方法、研究流程，優(yōu)選適用的替代參數(shù)和數(shù)據(jù)處理方法，為其他地區(qū)天文旋回研究提供參考和借鑒，推動(dòng)天文地層學(xué)的向前發(fā)展。

1 地球軌道參數(shù)

太陽(yáng)系中地球與太陽(yáng)、月亮和其他行星之間的萬(wàn)有引力作用導(dǎo)致地球繞太陽(yáng)的公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和地球的自轉(zhuǎn)軸發(fā)生（準(zhǔn)）周期性的攝動(dòng)，表現(xiàn)為地球軌道參數(shù)的偏心率、地軸斜率和歲差發(fā)生近似周期性的變化。

1.1 地球軌道偏心率

地球軌道偏心率是指地球公轉(zhuǎn)軌道由于受到太陽(yáng)之外的其他星體引力作用而偏離正圓軌道的程度，定義為地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)橢圓軌道的赤道半徑與極半徑之差再與赤道半徑之比，其值在0.000 21～0.067 00周期性波動(dòng)，現(xiàn)在為0.016 70［5］（圖1）。偏心率主要周期有405，95，99，124，131，2360和1 000 kyr。偏心率的變化主要受地球和太陽(yáng)的相對(duì)位置影響，會(huì)對(duì)地球公轉(zhuǎn)的橢圓軌道產(chǎn)生影響，其循環(huán)形式造成了日地距離微小的季節(jié)性變化，即當(dāng)偏心率較大時(shí)，地球繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)軌跡越趨近于橢圓形，地球整體接受日照量多，為間冰期，氣候暖濕，同時(shí)季節(jié)變化明顯；當(dāng)偏心率較小時(shí)，地球繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)軌跡越趨近于圓形，地球整體接受日照量少，為冰期，氣候干冷，同時(shí)四季變化不明顯［3-4，37］。

1.2 地軸斜率

地軸斜率是指地軸的傾斜度，它是地球公轉(zhuǎn)的軌道面與地球赤道面的夾角，其值在22.5°～24.5°變化，現(xiàn)在斜率值為23.26°?，F(xiàn)在斜率的主要周期為41.0 kyr還包括39.6，54.6和29.0 kyr次要周期［3-5］（圖1）。斜率大小影響地球上不同緯度日照量分布均勻程度，以及某一固定緯度不同季節(jié)氣候差異性大小，即地軸斜率增大，太陽(yáng)直射點(diǎn)在南回歸線與北回歸線間移動(dòng)，全球日照量分布均勻，且某一固定緯度一年之中日照量差異明顯，高緯度夏季日照量越多，冬季日照量越少，四季分明；若地軸斜率為零，太陽(yáng)直射赤道，一年之中日照量差異小，不同緯度間氣候差異大，但對(duì)于某一固定緯度，高緯度夏季日照量越少，冬季日照量越多，幾乎無(wú)四季之分［3-5，37-40］。

1.3 歲差

歲差是指在固體潮汐作用下導(dǎo)致“地球差異旋轉(zhuǎn)”，即地球自轉(zhuǎn)軸的進(jìn)動(dòng)（圖1），從而導(dǎo)致回歸年與恒星年產(chǎn)生時(shí)間差的天文現(xiàn)象，它能夠反映偏心率和地軸斜率的綜合影響。歲差的主要周期為23.7，22.4，19.0和17.0 kyr［3-5］。歲差本身并不改變地球日照量的分布，其對(duì)地球氣候產(chǎn)生影響主要受偏心率的調(diào)控作用。歲差決定了季節(jié)發(fā)生的時(shí)間，當(dāng)歲差較小時(shí)，對(duì)于北半球來(lái)說(shuō)，夏季日照量極大，冬季日照量極小，即北半球冬至日到達(dá)遠(yuǎn)日點(diǎn)，夏至日位于近日點(diǎn)，經(jīng)歷了一個(gè)短暫而炎熱的夏季和一個(gè)漫長(zhǎng)而寒冷的冬季，此時(shí)，由于整體接受日照量少，氣候表現(xiàn)為干冷，但是由于冬夏日照量差異大，表現(xiàn)為季節(jié)性強(qiáng)；反之，當(dāng)歲差較大時(shí)，北半球經(jīng)歷了一個(gè)漫長(zhǎng)而溫暖的夏季和一個(gè)短暫而溫暖的冬季，氣候表現(xiàn)為暖濕但季節(jié)性弱［3-5，35，37］。

圖1 地球軌道參數(shù)地球軌道偏心率、地軸斜率和歲差周期示意圖（據(jù)參考文獻(xiàn)［5］修改）Fig.1 Schematic diagrams showing the Earth orbital parameters，i.e.the eccentricity，obliquity and precession period（modified after reference［5］）

2 沉積地層序列替代參數(shù)

沉積地層序列替代參數(shù)指的就是能夠反映過(guò)去沉積介質(zhì)條件變化尤其是氣候變化的各類古生物、地球物理和地球化學(xué)等參數(shù)，由于氣候變化與軌道參數(shù)之間具有密切聯(lián)系，因此從理論上來(lái)說(shuō)，各類與氣候變化相關(guān)聯(lián)的指標(biāo)均可作為替代參數(shù)用于天文地層學(xué)研究［3，41］。通過(guò)調(diào)研前人研究成果可知，用于天文旋回分析的替代參數(shù)包括古生物參數(shù)、環(huán)境磁學(xué)參數(shù)、地球物理參數(shù)和地球化學(xué)參數(shù)等，通過(guò)對(duì)各類參數(shù)進(jìn)行綜合分析，從而構(gòu)建包含地層環(huán)境變化信息的時(shí)間序列。

2.1 古生物參數(shù)

眾所周知，生物豐度、生物滅絕速率和微體化石組合特征可作為層序界面、體系域界面的識(shí)別標(biāo)志，從而為層序及體系域的劃分提供新的研究思路。前人在旋回識(shí)別中多運(yùn)用蟲(chóng)孔及生物擾動(dòng)、腕足類等低鎂方解石生物殼、牙形石帶、孢粉、有孔蟲(chóng)、鈣質(zhì)超微、溝鞭藻等古生物化石，生物豐度、種類及分異度隨著海/湖平面的升降表現(xiàn)為周期式的增減，基本反映了海/湖平面升降旋回性變化［42-45］。尤其值得關(guān)注的是，湖相沉積中的孢粉能夠反映古氣候條件及其變化，同時(shí)，結(jié)合孢粉母體對(duì)生長(zhǎng)溫度及濕度的不同適應(yīng)性，將孢粉分別劃分為喜熱組、喜溫組、廣溫組及濕生組、旱生組和中生組，基于孢粉的發(fā)育情況對(duì)氣候條件進(jìn)行表征［37］。古生物參數(shù)在旋回劃分中能夠發(fā)揮重要作用，但是古生物化石的系統(tǒng)取樣很難，在細(xì)粒沉積巖中尤其困難，且在數(shù)量較少的情況下，生物數(shù)據(jù)又無(wú)法很好地說(shuō)明問(wèn)題，因此，古生物參數(shù)的運(yùn)用要與其他旋回劃分方法相結(jié)合，開(kāi)展綜合分析。

2.2 地球物理參數(shù)

在用于天文旋回分析的替代參數(shù)中，測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)（或測(cè)井曲線）是最理想的參數(shù)之一。測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)不僅分辨率高，達(dá)到分米級(jí)尺度，而且能夠敏感、連續(xù)地反映所測(cè)地層的巖性及物性特征［46］。不同規(guī)模、不同尺度地球軌道參數(shù)的周期性變化必定引起氣候變化，這種變化會(huì)記錄在沉積物的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、巖性及巖相等周期性變化上，并反映在測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)中，表現(xiàn)為不同幅度、形態(tài)及頻率特征［3，41］，刻錄了地層的沉積旋回信息，故測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)是分析地層天文旋回的主要資料。不同類型測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)雖然對(duì)地層物理特征敏感程度不同，但所反映的地層沉積旋回是一致的［5］。

調(diào)研前人研究成果可知，在天文旋回分析中可以運(yùn)用單一測(cè)井曲線或多種測(cè)井曲線相結(jié)合來(lái)識(shí)別旋回，而使用最多的是自然伽馬測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)［5，17，22-23，47-49］，其次是將自然伽馬和自然電位測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)相結(jié)合［16］，還有學(xué)者采用自然伽馬、自然電位和電阻率數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法［15，50］，部分學(xué)者采用自然伽馬能譜測(cè)井識(shí)別旋回［51-55］，少數(shù)學(xué)者采用了自然電位測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)識(shí)別旋回［56］。綜上可知，多數(shù)學(xué)者選用自然伽馬測(cè)井曲線識(shí)別米蘭科維奇周期，該類曲線對(duì)巖性及巖相的變化較為敏感，能夠較好地反映其隨深度的變化情況，從而能反映沉積環(huán)境的變化，因此自然伽馬測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)已經(jīng)被廣泛用于古環(huán)境、古氣候的重建，在天文旋回地層研究中得到了廣泛的應(yīng)用。

2.3 地球化學(xué)參數(shù)

天文軌道參數(shù)的周期性變化會(huì)引起地球表面氣候的變化，進(jìn)而引起地層記錄中地球化學(xué)的相應(yīng)變化，因此，以能表征沉積介質(zhì)條件的地化數(shù)據(jù)作為替代參數(shù)開(kāi)展天文旋回分析是可行的。目前，用于天文旋回分析的地球化學(xué)數(shù)據(jù)主要包括碳和氧同位素、有機(jī)地球化學(xué)和元素分析數(shù)據(jù)等。δ13C和δ18O同位素?cái)?shù)據(jù)主要應(yīng)用于碳酸鹽巖和深水沉積體系的旋回劃分研究［42，57］。在巖心和露頭資料缺乏、地震分辨率受限的情況下，利用有機(jī)地球化學(xué)數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)深水細(xì)粒沉積地層精細(xì)的層序單元?jiǎng)澐郑?8-59］。元素地球化學(xué)數(shù)據(jù)既可用于碳酸鹽巖旋回地層的劃分，也可用于陸相細(xì)粒沉積地層旋回的識(shí)別［21，60］。從理論上來(lái)說(shuō)地球化學(xué)參數(shù)在天文旋回研究中的適用范圍是非常廣泛的，但從已有的研究成果來(lái)看，實(shí)際使用的卻較少，這是由于測(cè)試技術(shù)及成本和樣品的限制，地球化學(xué)數(shù)據(jù)的獲取具有局限性，很難獲得高分辨率且連續(xù)性較好的數(shù)據(jù)系列進(jìn)行天文旋回分析。需要特別注意的是，在研究混積巖發(fā)育的地層時(shí)，其同位素或元素含量會(huì)由于火山碎屑等物質(zhì)的注入發(fā)生失真，使得參數(shù)值發(fā)生畸變，故在使用該參數(shù)開(kāi)展天文旋回分析時(shí)，要與其他旋回分析方法結(jié)合，相互驗(yàn)證。

2.4 環(huán)境磁學(xué)參數(shù)——磁化率和非磁滯剩磁

以環(huán)境磁學(xué)參數(shù)作為替代參數(shù)的天文地層學(xué)研究認(rèn)為，地質(zhì)歷史時(shí)期的環(huán)境解釋可以運(yùn)用巖石磁性參數(shù)這一指標(biāo)，其主要是依據(jù)磁性礦物含量以及磁性礦物粒度的大小建立與沉積環(huán)境之間的關(guān)系，并對(duì)包括磁性礦物含量在內(nèi)的一些數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間序列分析，進(jìn)而利用環(huán)境磁學(xué)參數(shù)——磁化率（MS）和非磁滯剩磁（ARM）作為替代參數(shù)進(jìn)行天文地層學(xué)的研究［18，55，60-64］。由于天文旋回的研究對(duì)替代參數(shù)數(shù)據(jù)的連續(xù)性要求高，需要大量等間距采集樣品開(kāi)展測(cè)試分析，這就要求測(cè)試分析方法簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠且易于解釋，而環(huán)境磁學(xué)參數(shù)的測(cè)量較為方便且成本低，正好適用于天文地層學(xué)分析，因此高分辨率磁化率數(shù)據(jù)作為沉積地層序列的替代參數(shù)，與自然伽馬測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)一樣，應(yīng)用范圍較為廣泛［65-69］。但該方法的不足就是測(cè)試時(shí)可能受到人為因素的干擾，因此在測(cè)試時(shí)應(yīng)創(chuàng)造良好的測(cè)試環(huán)境。

3 天文地層學(xué)分析的研究方法

天文地層學(xué)研究多選擇在地層連續(xù)且露頭良好的剖面上進(jìn)行，而常用的研究方法分為巖性直觀識(shí)別法和時(shí)間序列分析法。巖性直觀識(shí)別法是基于沉積學(xué)理論的巖性和巖相韻律性變化的識(shí)別和劃分，一般用于出露完整、有顯著韻律性的野外剖面和連續(xù)的長(zhǎng)井段巖心，直接用肉眼觀察其巖性組合特征，識(shí)別出紋層等不同級(jí)次的旋回，分析地層中是否記錄有天文軌道周期信號(hào)。時(shí)間序列分析法是一種廣泛應(yīng)用的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，該方法主要涉及地層序列的數(shù)據(jù)選取、預(yù)處理、頻譜分析、時(shí)頻分析和相關(guān)性研究，從而實(shí)現(xiàn)多尺度、多分辨率信號(hào)分解［18］。各種地層學(xué)（放射性同位素年代地層學(xué)、生物地層學(xué)和磁性地層學(xué)等）的約束是天文旋回分析和可靠性驗(yàn)證的重要依據(jù)［3］。

3.1 巖性直觀識(shí)別法

天文地層學(xué)研究最直接的方法就是通過(guò)觀察巖性和巖相的變化來(lái)識(shí)別旋回界面，從而達(dá)到劃分旋回的目的。對(duì)于沉積巖性差異較大的韻律性地層而言，通過(guò)對(duì)連續(xù)露頭或巖心的觀察，可以識(shí)別出相似的沉積韻律組合和不同級(jí)次的韻律組合特征［70］。前人研究表明，可通過(guò)紋層/層等的組合特征、方式及級(jí)序結(jié)構(gòu)來(lái)判別沉積過(guò)程是否受到地球軌道參數(shù)的影響［3，71］；通過(guò)露頭及巖性測(cè)井資料識(shí)別韻律性湖進(jìn)-湖退沉積充填序列，探究其與米蘭科維奇旋回的關(guān)系［47，72］；運(yùn)用巖心資料，結(jié)合地球化學(xué)和磁化率數(shù)據(jù)，分析湖相細(xì)粒沉積地層（巖相）疊加樣式，劃分沉積旋回，并探究基于米蘭科維奇理論的高頻層序定量劃分［25，34，73］。從前人的研究成果可以看出，旋回的巖性直觀識(shí)別法需要與其他數(shù)據(jù)或方法相結(jié)合使用，尤其對(duì)于深海相和部分湖相細(xì)粒沉積巖巖性的差異往往肉眼難以識(shí)別，需要借助其他替代參數(shù)和巖性識(shí)別手段共同開(kāi)展旋回分析；另外在缺乏精確定年的絕對(duì)年齡數(shù)據(jù)情況下，也很難確定旋回界面的級(jí)次。

在東營(yíng)凹陷樊頁(yè)1井沙四上亞段純上次亞段（深度3 251.00～3 441.00 m）的巖心觀察中，可見(jiàn)到由紋層狀構(gòu)造、塊狀構(gòu)造或條帶狀構(gòu)造組成的韻律層。以3 380.94～3 382.94 m深度段為例，自下而上劃分出由厚層灰色紋層狀灰質(zhì)粘土巖（A）和薄層深灰色塊狀粘土巖（B）組成的8.5個(gè)韻律組合（圖2）。該韻律組合的識(shí)別，為運(yùn)用時(shí)間序列分析法識(shí)別旋回提供了沉積學(xué)證據(jù)，測(cè)井時(shí)間序列研究得出該韻律組合發(fā)育2個(gè)22.00 kyr歲差尺度的天文旋回，進(jìn)一步通過(guò)沉積學(xué)的精細(xì)研究，可以開(kāi)展更小時(shí)間尺度（18.82 kyr和18.69 kyr）天文旋回的識(shí)別與劃分。

圖2 東營(yíng)凹陷樊頁(yè)1井沙四上亞段純上次亞段（埋深3 380.94～3 382.94 m）巖心韻律特征Fig.2 The core rhythmcharacteristics of the pure upper sub-interval of the E s4U in Well Fanye 1 in the Dongying Sag（at burial depth of 3 380.94-3 382.94 m）

通過(guò)巖性觀察來(lái)識(shí)別天文旋回的級(jí)序結(jié)構(gòu)和組合特征，要求研究者具有扎實(shí)的地質(zhì)基礎(chǔ)知識(shí)和豐富的野外工作與巖心觀察經(jīng)驗(yàn)［41］，要搞清楚露頭剖面和巖心中頻繁變換的巖性和巖相，從而識(shí)別出不同級(jí)次的天文旋回［3］。然而，并非所有的軌道參數(shù)變化都能夠引起巖性或巖相的明顯變化，尤其在深湖-半深湖、遠(yuǎn)洋-半遠(yuǎn)洋等環(huán)境的細(xì)粒沉積巖組合中，依靠巖性直觀識(shí)別方法易于造成旋回信息的遺漏［3，41］。目前隨著各種技術(shù)手段、儀器設(shè)備和實(shí)驗(yàn)方法的進(jìn)步，露頭剖面工作和巖心觀察不再局限于肉眼，可以借助一些儀器設(shè)備和測(cè)試分析手段將剖面和巖心地質(zhì)信息或樣品采集回實(shí)驗(yàn)室測(cè)試轉(zhuǎn)化為連續(xù)的數(shù)據(jù)信息，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理來(lái)開(kāi)展天文旋回分析，這就要借助于一種廣泛應(yīng)用的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)——時(shí)間序列分析法。

3.2 時(shí)間序列分析法

在天文地層學(xué)研究領(lǐng)域，時(shí)間序列分析法得到了廣泛應(yīng)用，無(wú)論是野外露頭剖面還是巖心觀察，時(shí)間序列分析方法的應(yīng)用，其重要的第一步就是要獲取用于研究的連續(xù)數(shù)據(jù)序列，進(jìn)而開(kāi)展時(shí)間序列分析。也就是說(shuō)，運(yùn)用該方法開(kāi)展旋回識(shí)別的關(guān)鍵就是要把深度域數(shù)據(jù)向頻率域轉(zhuǎn)化，再完成頻率域到時(shí)間域的轉(zhuǎn)變，通過(guò)一系列的時(shí)頻分析方法獲得可以與天文軌道周期參數(shù)理論值對(duì)比的頻譜來(lái)劃分旋回。

3.2.1 數(shù)據(jù)取樣及預(yù)處理

時(shí)間序列分析最基礎(chǔ)和最關(guān)鍵的工作是確定采樣密度和采樣間距，采樣密度過(guò)疏會(huì)造成旋回遺漏而無(wú)法確保旋回的完整性，采樣密度過(guò)密則會(huì)費(fèi)時(shí)費(fèi)力且成本高。因此，在采集數(shù)據(jù)時(shí)，多運(yùn)用奈奎斯特（Nyquist）采樣定理，從而保證最短的旋回至少有2個(gè)點(diǎn)控制［3，74］。在具體操作中，可根據(jù)現(xiàn)有的生物地層、古地磁等確定的初始年代框架估計(jì)出沉積速率，進(jìn)而確定出采樣密度。例如，如果一個(gè)歲差旋回代表20 kyr，沉積速率是5 cm/kyr，對(duì)應(yīng)的歲差旋回厚度約100 cm，取樣間隔至少應(yīng)控制在50 cm以下，而這種密度是旋回分析數(shù)據(jù)采集的最低標(biāo)準(zhǔn)，而實(shí)際上，一個(gè)20 kyr的歲差旋回有3～4個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)控制是較為合適的，也就是采樣間距在5～7 kyr，取樣間隔就是25～30 cm，這樣既不會(huì)造成不必要的時(shí)間和資金浪費(fèi)，也可以保證獲得真實(shí)的旋回信息［18］。

由于對(duì)古氣候變化反應(yīng)敏感的各種沉積序列替代性參數(shù)中，會(huì)包含一些除了正常信號(hào)之外的干擾信號(hào)，即“噪音”，因此，要對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。預(yù)處理的方法包括插值、消噪和去趨勢(shì)化［3，74］，插值是為了對(duì)用于時(shí)間序列分析的不等間距數(shù)據(jù)進(jìn)行等間距處理；消噪是為了去除信號(hào)中除了軌道周期信號(hào)之外的所有因素造成的信息干擾，當(dāng)噪聲過(guò)大時(shí)會(huì)使軌道周期信號(hào)難以識(shí)別［75］；去趨勢(shì)化是指消除由于構(gòu)造和沉積作用影響而出現(xiàn)的假長(zhǎng)周期，這種周期的存在會(huì)導(dǎo)致真實(shí)長(zhǎng)周期被壓制而漏失。本文借助Matlab軟件提供的一維連續(xù)小波工具箱，對(duì)樊頁(yè)1井沙三下亞段（深度3 051～3 251 m）自然伽馬和電阻率測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)開(kāi)展消噪和去趨勢(shì)化的預(yù)處理，通過(guò)分析預(yù)處理后的數(shù)據(jù)可知，自然伽馬測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)信號(hào)“噪音”少，消噪和去趨勢(shì)化后的曲線基本與原始曲線一致；而電阻率曲線存在的“噪音”較大，消噪后去除了一些異常值點(diǎn)，消除了一些假周期信號(hào)的干擾。

3.2.2 頻譜分析

識(shí)別地層中米蘭科維奇旋回信號(hào)的關(guān)鍵一步就是對(duì)沉積地層序列進(jìn)行頻譜分析。將替代參數(shù)數(shù)據(jù)連續(xù)的深度域數(shù)值序列看作時(shí)間域，把時(shí)間序列看成頻率組合，便可對(duì)替代參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行屬性提取分析，其目的就是要確定出時(shí)序信號(hào)中周期性或準(zhǔn)周期性的成分［3，76］。將優(yōu)勢(shì)頻率取倒數(shù)就得到優(yōu)勢(shì)旋回厚度，若旋回厚度的比值與理論地球軌道參數(shù)的長(zhǎng)偏心率、短偏心率、斜率和歲差周期之比近似1∶2∶5∶20，就可以初步判定該數(shù)據(jù)的時(shí)間序列分析結(jié)果記錄了米蘭科維奇旋回信息［3］。

頻譜分析研究常采用包含多種主流頻譜分析方法的Past 3.0統(tǒng)計(jì)分析軟件，選擇其Spectral analysis模塊中的REDFIT軟件包開(kāi)展分析，與其他方法相比，REDFIT程序的一大優(yōu)勢(shì)就是無(wú)需插值就可直接應(yīng)用［16，21，47-48，50，76］。圖3為東營(yíng)凹陷樊頁(yè)1井沙三下亞段自然伽馬測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的頻譜分析結(jié)果圖，即在Significance lines窗口中選擇紅噪曲線（圖3中的綠色虛線）和90%置信區(qū)間曲線（圖3中的黑虛線）。圖中橫坐標(biāo)表示頻率，地層旋回厚度對(duì)應(yīng)于優(yōu)勢(shì)頻率的倒數(shù)，縱坐標(biāo)表示頻譜能量即頻率幅值，為某頻率的顯著程度。結(jié)合頻譜分析結(jié)果，提取圖中的優(yōu)勢(shì)頻率成分，運(yùn)用頻率與其對(duì)應(yīng)的旋回厚度之間的倒數(shù)關(guān)系求出相應(yīng)的旋回厚度，最終通過(guò)優(yōu)勢(shì)旋回厚度比值與理論軌道周期比值對(duì)比判斷所研究地層是否受到天文軌道周期的驅(qū)動(dòng)。

圖3 東營(yíng)凹陷樊頁(yè)1井沙三下亞段GR曲線Redfit頻譜分析Fig.3 Redfit spectrumanalysis diagramof GRcurve of the E s3L in Well Fanye 1 in the Dongying Sag

頻譜分析方法實(shí)現(xiàn)了周期信號(hào)從時(shí)域到頻域的轉(zhuǎn)化，但無(wú)法從時(shí)頻雙域?qū)χ芷谛盘?hào)進(jìn)行觀察分析，也不能反映周期性的深度位置，因而不能從整體上劃分出不同級(jí)別的沉積旋回界面［3，75，77］。

3.2.3 小波變換和功率譜分析

小波變換能通過(guò)不同尺度和頻率對(duì)信號(hào)進(jìn)行觀察處理，是一種時(shí)頻雙域分析方法，即小波變換能夠?qū)?fù)雜信號(hào)分解為不同頻率或者周期的旋回曲線，被分解為各自周期獨(dú)立的沉積旋回且以不同尺度的形式展示出來(lái)，從而考察小波時(shí)頻能量圖局部能量團(tuán)的變化和多種伸縮尺度的周期性振蕩特征［25，77-79］，通過(guò)分析旋回性與各級(jí)層序界面建立對(duì)應(yīng)關(guān)系，這是運(yùn)用小波變換劃分沉積旋回的依據(jù)［51，56，80-82］。

圖4是借助Matlab軟件提供的一維連續(xù)小波工具箱，運(yùn)用Morlet小波作為子波對(duì)東營(yíng)凹陷樊頁(yè)1井沙三下亞段的GR數(shù)據(jù)進(jìn)行小波分析處理的結(jié)果，該圖從上到下依次為：樊頁(yè)1井沙三下亞段預(yù)處理后得到的GR測(cè)井信號(hào)；經(jīng)過(guò)Morlet一維連續(xù)小波變換得到的時(shí)頻能譜圖，紅色代表高能量，藍(lán)色代表低能量；尺度值為512時(shí)的小波變換系數(shù)曲線；時(shí)頻能譜圖所對(duì)應(yīng)的小波變換系數(shù)等值線圖，縱坐標(biāo)代表不同小波尺度。在小波能譜圖中，顏色越亮代表能量越強(qiáng)，一個(gè)亮色的能量環(huán)即代表一個(gè)周期［83］，而頻率的成分相對(duì)單一穩(wěn)定，結(jié)合頻譜分析等結(jié)果可進(jìn)一步證明研究層段存在較為明顯的米蘭科維奇旋回。

圖4 東營(yíng)凹陷樊頁(yè)1井沙三下亞段一維連續(xù)小波處理結(jié)果示意圖（尺度值=512）Fig.4 Schematic diagram of one-dimensional continuous wavelet processing results of the E s3L in Well Fanye 1 in the Dongying Sag（scale value：512）

小波變換方法在識(shí)別不同級(jí)別沉積旋回方面具有多分辨率的特點(diǎn)，克服了頻譜分析不能反映時(shí)域、頻域局部性特征的缺點(diǎn)，它可以將不同的頻率（周期）成分的變化情況較為精確地顯示在時(shí)間（深度）域上，進(jìn)而能更好地識(shí)別存在的沉積間斷和反映沉積速率的變化［18，41］。但運(yùn)用小波時(shí)頻能譜圖劃分沉積旋回界面時(shí)會(huì)存在一定誤差，往往使界面讀取不準(zhǔn)確。因此，在小波變換分析的基礎(chǔ)上，采用Morlet小波基對(duì)測(cè)井曲線進(jìn)行小波多尺度分解，即借鑒一種基于小波變換的功率譜分析提取不同級(jí)別旋回的方法，以便能反映地層沉積單元級(jí)別從小尺度到大尺度的能量變化［77］。

為了進(jìn)一步判斷這些相對(duì)單一穩(wěn)定的頻率成分是否受某一具體天文軌道周期的控制，在小波分析的基礎(chǔ)上開(kāi)展功率譜分析，提取小波系數(shù)矩陣以計(jì)算模極值，將不同尺度的能譜值累加作相應(yīng)的模極值圖［83-84］。圖5是將不同尺度能譜經(jīng)過(guò)矩陣計(jì)算得到的東營(yíng)凹陷樊頁(yè)1井沙三下亞段模極值圖，從圖中可看出存在兩個(gè)明顯的模極大值點(diǎn)，從小波能譜圖中也可發(fā)現(xiàn)，亮色能量環(huán)主要集中于尺度值108和331兩線附近，說(shuō)明了這兩個(gè)尺度值附近的頻率為信號(hào)中的優(yōu)勢(shì)頻率，可選擇這兩個(gè)極值尺度用于分析信號(hào)的小波周期。

圖5 東營(yíng)凹陷樊頁(yè)1井沙三下亞段GR曲線小波分析模極值Fig.5 Diagramshowing the module maximum from GRcurve wavelet analysis of the E s3L in Well Fanye 1 in the Dongying Sag

3.2.4 短時(shí)傅里葉變換

短時(shí)傅里葉變換、小波變換、S變換等均屬于線性時(shí)頻分析方法。短時(shí)傅里葉變換是一種固定時(shí)間窗的時(shí)頻分析方法，它用窗函數(shù)來(lái)截取信號(hào)，假定信號(hào)在窗內(nèi)是平穩(wěn)的，采用傅立葉變換來(lái)分析窗內(nèi)信號(hào)，確定該時(shí)間存在的頻率，然后沿著信號(hào)時(shí)間移動(dòng)窗函數(shù)，得到信號(hào)頻率隨時(shí)間的變化關(guān)系［85］。短時(shí)傅里葉變換方法中窗口是固定的，時(shí)頻網(wǎng)格等寬，不能隨頻率需要使網(wǎng)格變寬或變窄，不利于低頻、高頻信號(hào)的檢測(cè)；時(shí)間和頻率的精度無(wú)法兼顧，使用長(zhǎng)時(shí)間滑動(dòng)窗，在頻域獲得高精度，但時(shí)域精度降低；反之，使用短時(shí)間滑動(dòng)窗，在時(shí)域獲得高精度，又會(huì)使頻域精度降低［86］。在運(yùn)用短時(shí)傅里葉變換開(kāi)展時(shí)頻分析時(shí)，多與小波變換方法相結(jié)合，從而更好地識(shí)別沉積地層中存在的軌道周期［87-90］。

3.2.5 S變換和廣義S變換

在S變換時(shí)頻分析中，首先將原始信號(hào)從時(shí)間域經(jīng)過(guò)S變換變到時(shí)間-頻率域，在對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析后，又將時(shí)頻信號(hào)變換到時(shí)間域，體現(xiàn)了S變換的無(wú)損可逆性［91］。S變換構(gòu)建的高斯窗函數(shù)包含與頻率有關(guān)的因子，頻率的倒數(shù)決定了窗函數(shù)的大小，而當(dāng)頻率變大時(shí)，其窗函數(shù)的寬度可以自適應(yīng)變小，一般來(lái)說(shuō)，高頻信號(hào)時(shí)窗較窄，時(shí)域分辨率高，低頻信號(hào)時(shí)窗較寬，時(shí)域分辨率低，當(dāng)頻率變大時(shí)，S變換中所構(gòu)建的高斯窗函數(shù)寬度就變窄，對(duì)應(yīng)的信號(hào)幅值增大［91］。而廣義S變換比S變換具有更好的時(shí)頻分辨率，并且具有多分辨率特性。小波變換因具有更多的小波類型作為信號(hào)分析的選擇，因此小波變換和廣義S變換對(duì)數(shù)據(jù)處理具有更好的靈活性，同時(shí)，該類時(shí)頻分析方法除了單獨(dú)使用外，還常與小波變換時(shí)頻能譜圖結(jié)合使用識(shí)別旋回［92-96］。

3.2.6 旋回劃分結(jié)果檢驗(yàn)方法

在對(duì)各種地球物理參數(shù)和地球化學(xué)參數(shù)等旋回分析的替代參數(shù)開(kāi)展時(shí)頻分析時(shí)，要特別注意驗(yàn)證旋回分析結(jié)果是否受到天文軌道周期的控制。天文旋回劃分結(jié)果的檢驗(yàn)常用的是理論軌道周期比值法，還有學(xué)者采用假設(shè)檢驗(yàn)法和天文調(diào)制法。

在距今500 Myr中，地軸斜率和歲差的周期值都在不斷的變化，而地球軌道偏心率周期值，尤其是振幅最大的404 kyr周期值，受金星和木星萬(wàn)有引力的影響，在地質(zhì)歷史時(shí)期非常穩(wěn)定，變化較少［5］。因此，在運(yùn)用理論軌道周期比值法時(shí)，要先研究地層所處的地質(zhì)時(shí)代，運(yùn)用Laskar具有代表性的軌道要素計(jì)算方法［97］，計(jì)算得出用于研究層段地質(zhì)時(shí)代的理論軌道周期。各級(jí)天文周期間存在相對(duì)穩(wěn)定的比例關(guān)系，這種比例關(guān)系可保存于穩(wěn)定沉積環(huán)境中相對(duì)整合的沉積地層里，也就是說(shuō)各級(jí)天文周期的比值響應(yīng)于相對(duì)整合的各級(jí)旋回厚度的比值。一般而言，天文軌道的長(zhǎng)偏心率、短偏心率、斜率和歲差周期的比值近似為20∶5∶2∶1，故在頻譜分析獲得優(yōu)勢(shì)旋回厚度之后，將優(yōu)勢(shì)旋回厚度的比值與理論軌道周期比值作對(duì)比，如果比值一致或者相近，就可以認(rèn)為沉積地層受到天文旋回的控制，該方法目前運(yùn)用最多、范圍最廣［35，47，52-53，98-100］。

根據(jù)前期研究可知，東營(yíng)凹陷沙四上亞段至沙三中亞段地層年齡在50～30 Ma［74］，故本次采用Laskar的方案計(jì)算了北緯38°夏至日（6月21日）50～30 Ma期間軌道周期變化的理論值，最終計(jì)算出偏心率、斜率和歲差周期之間的比例關(guān)系（表1）。而由圖3的頻譜分析結(jié)果可知，主要峰值的旋回厚度分別為38.95，12.98，4.10，2.40和1.95 m等，旋回厚度比值為38.95 m∶12.98 m∶4.10 m∶2.40 m∶1.95 m=19.974∶6.656∶2.103∶1.231∶1，該比值與古近紀(jì)米蘭科維奇旋回理論軌道周期405 kyr∶124.22 kyr∶39.76 kyr∶23.28 kyr∶22 kyr的 比 值18.409∶5.646∶1.807∶1.058∶1很接近。因此進(jìn)一步確定樊頁(yè)1井沙三下亞段受米蘭科維奇旋回控制。

表1 50～30 Ma地球軌道參數(shù)周期及其比值關(guān)系Table 1 Earth orbital parameter periodsand their ratios during the 30—50 Ma

除理論軌道周期比值法之外，少數(shù)學(xué)者還使用天文調(diào)制法［101］和假設(shè)檢驗(yàn)法［102］驗(yàn)證旋回識(shí)別的結(jié)果。但是天文調(diào)制法由于調(diào)制過(guò)程中人為因素干擾大而不可單獨(dú)使用；假設(shè)檢驗(yàn)法則是要先提出信號(hào)與天文旋回?zé)o關(guān)的假設(shè)，然后再拒絕該假設(shè)，但該方法對(duì)信號(hào)的穩(wěn)定性要求很高，若信號(hào)失真則會(huì)產(chǎn)生很大誤差。綜上可知，旋回識(shí)別的檢驗(yàn)方法，首選的是理論軌道周期比值法。

3.2.7 調(diào)諧方法

天文調(diào)諧就是將替代參數(shù)的數(shù)據(jù)序列對(duì)比到偏心率、斜率或歲差理論目標(biāo)曲線上，即分析由替代參數(shù)獲得的米蘭科維奇旋回與理論軌道周期曲線之間的關(guān)系，然后將放射性同位素測(cè)年數(shù)據(jù)、古地磁數(shù)據(jù)、生物化石記錄確定的年齡數(shù)據(jù)作為“錨點(diǎn)”，將天文軌道周期值與放射性同位素年齡、生物地層年齡、磁性地層年齡相互校正，最終建立精確的天文年代標(biāo)尺［3，18，54，103-106］，從而為地質(zhì)年代提供更精確的時(shí)間約束。

濾波是對(duì)信號(hào)中特定波段頻率濾除的操作，在天文地層學(xué)天文調(diào)諧研究中應(yīng)用廣泛。一般來(lái)說(shuō)，數(shù)字濾波的方法有低通濾波、高通濾波以及帯通濾波［3］。高通濾波和低通濾波可濾除時(shí)間序列中與米蘭科維奇旋回?zé)o關(guān)的超高頻和超低頻信息，帶通濾波能提取出目標(biāo)頻率信號(hào)（如歲差、斜率和偏心率旋回信號(hào)），將其與原始時(shí)間序列信號(hào)疊加在一起，以顯示目標(biāo)信號(hào)在時(shí)間（深度）域上的變化特征［3，107-108］。天文地層學(xué)研究中一般使用帶通濾波的方法來(lái)提取符合地球軌道周期的濾波頻率信號(hào)，并且將其與原始的深度域（時(shí)間域）數(shù)據(jù)序列疊置在一起，以突出目標(biāo)周期信號(hào)（偏心率、斜率、歲差）在深度域（時(shí)間域）上的變化特征，以及這些目標(biāo)周期信號(hào)之間的相位和振幅變化關(guān)系［103-105］。

例如，尺度值為108時(shí)，對(duì)應(yīng)124.22 kyr的短偏心率周期。尺度值為331時(shí)，則對(duì)應(yīng)405 kyr的長(zhǎng)偏心率周期。在小波分析基礎(chǔ)上分別提取出尺度值為108和331所對(duì)應(yīng)的小波系數(shù)曲線（圖6），用以代表東營(yíng)凹陷樊頁(yè)1井沙三下亞段的周期旋回曲線［74］，識(shí)別出研究層段存在的軌道周期。

圖6 東營(yíng)凹陷樊頁(yè)1井沙三下亞段旋回周期曲線Fig.6 Cyclicity curve of the E s3L in Well Fanye 1 in the Dongying Sag

對(duì)于新生代的地層，濾波曲線可以直接與Laskar等理論目標(biāo)曲線進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)而通過(guò)天文調(diào)諧來(lái)建立天文地質(zhì)年代標(biāo)尺，即在確定了研究層段某一深度的絕對(duì)年齡后，將其作為年齡“錨點(diǎn)”［106］，進(jìn)而可根據(jù)識(shí)別出的米蘭科維奇旋回個(gè)數(shù)建立絕對(duì)天文年代標(biāo)尺，計(jì)算得出地層持續(xù)時(shí)間及沉積速率等；若研究層段有生物地層、磁性地層或放射性同位素測(cè)年得到的頂?shù)捉^對(duì)年齡數(shù)據(jù)［18，106］，則可以確定出研究層段持續(xù)時(shí)間，同時(shí)檢驗(yàn)米蘭科維奇旋回個(gè)數(shù)的正確與否，建立高精度的天文年代標(biāo)尺，也能更加確切地計(jì)算出某一地質(zhì)事件發(fā)生的時(shí)間及持續(xù)時(shí)間。但對(duì)于中生代或者更老的古生代地層來(lái)說(shuō)，只能通過(guò)天文調(diào)諧來(lái)建立“浮動(dòng)”天文年代標(biāo)尺［106］。

除天文調(diào)諧之外，還有其他的一些調(diào)諧方法，包括平均頻譜誤差分析（Averge Spetral Misfit，ASM）和滑動(dòng)相關(guān)系數(shù)（Evolution Correlation Coeffient，ECOCO）等，它們都是基于沉積速率估算的調(diào)諧方法。ASM法是通過(guò)一系列綜合測(cè)試估算受軌道驅(qū)動(dòng)影響的地層間隔中的最佳沉積速率，并且評(píng)估輸出的數(shù)據(jù)是否符合天文軌道信號(hào)，該方法的原理是利用假設(shè)檢驗(yàn)和蒙特卡洛模擬來(lái)估算最優(yōu)沉積速率，從而得出由數(shù)據(jù)的比例和相對(duì)應(yīng)的由天文軌道信號(hào)頻率加權(quán)后降噪的函數(shù)，最終將地層序列轉(zhuǎn)化為時(shí)間序列［21，98］。ECOCO法是一個(gè)強(qiáng)大的工具，該方法是估算天文旋回時(shí)間序列分析的功率譜與替代參數(shù)序列之間的相關(guān)關(guān)系，將替代參數(shù)轉(zhuǎn)換為一系列的時(shí)間序列用于估算沉積速率，同時(shí)還考慮了對(duì)沉積速率有貢獻(xiàn)的天文軌道周期的數(shù)量，并使用蒙特卡洛模擬法對(duì)天文驅(qū)動(dòng)信號(hào)的零假設(shè)進(jìn)行檢驗(yàn)，最終認(rèn)為，最合適的沉積速率由高相關(guān)系數(shù)、多旋回信號(hào)及低零假設(shè)水平共同決定［22，98，102］。通過(guò)調(diào)諧，即結(jié)合放射性同位素測(cè)年、古生物或磁性地層提供的初始年齡估算平均沉積速率，建立高精度年代地層格架，并進(jìn)一步使用ASM法或ECOCO法來(lái)校驗(yàn)沉積速率。根據(jù)建立的高精度年代地層格架，可以精確計(jì)算各種地質(zhì)、氣候和生物事件發(fā)生的時(shí)間，探討不同天文軌道周期信號(hào)與一系列地質(zhì)事件的耦合機(jī)制，為認(rèn)識(shí)地球軌道力對(duì)氣候和環(huán)境變化的影響做出貢獻(xiàn)。

總之，天文旋回調(diào)諧的方法較多，而天文調(diào)諧方法是將運(yùn)用時(shí)間序列方法得到的天文旋回結(jié)果與理論軌道周期和濾波方法結(jié)合起來(lái)完成的，該方法操作簡(jiǎn)單、直觀且應(yīng)用最為廣泛，但是該方法的準(zhǔn)確程度稍低，其前提是理論軌道周期曲線是正確的；ASM法是基于沉積速率估算的一種方法，它不受地質(zhì)年代的限制，但是該方法對(duì)處理中的參數(shù)選取要求較高；ECOCO法的優(yōu)勢(shì)是有助于識(shí)別沉積速率變化和可能存在的沉積間斷［18，98］，但是該方法處理過(guò)程較為繁瑣，需要在固定的窗口長(zhǎng)度內(nèi)進(jìn)行頻譜分析，還要以一定的步長(zhǎng)將頻譜分析窗口滑動(dòng)至?xí)r域內(nèi)其他區(qū)域進(jìn)行頻譜分析［109］。

4 天文地層學(xué)研究流程

天文地層學(xué)的研究要按照沉積地層序列替代參數(shù)選取到時(shí)間序列分析方法優(yōu)選，再到旋回結(jié)果檢驗(yàn)的流程進(jìn)行（圖7），其中最為關(guān)鍵的就是獲取用于旋回研究的沉積地層序列替代性指標(biāo)，并選取最優(yōu)的時(shí)間序列分析方法，從而保證旋回分析的準(zhǔn)確性和可靠性。利用時(shí)間序列法開(kāi)展米蘭科維奇旋回研究的方法涉及數(shù)據(jù)的選取、預(yù)處理、頻譜分析、時(shí)-頻分析、天文調(diào)諧等一系列的研究過(guò)程，常用的時(shí)間序列分析方法有頻譜分析、快速傅里葉變換、小波變換和滑動(dòng)窗口頻譜分析法等，通過(guò)這些方法檢驗(yàn)沉積記錄中的周期信號(hào)是否受到天文軌道驅(qū)動(dòng)的影響，若存在軌道驅(qū)動(dòng)，則需要將信號(hào)調(diào)諧到理論軌道參數(shù)曲線上，從而建立高精度年代地層格架。

圖7 天文地層學(xué)研究的主要工作流程Fig.7 Workflow for astrostratigraphy study

5 存在的問(wèn)題及下步研究方向

5.1 存在的問(wèn)題

1）不同時(shí)-頻分析方法的優(yōu)選問(wèn)題。目前旋回劃分研究中，各種時(shí)-頻分析方法均有涉及，但不同學(xué)者針對(duì)同一研究區(qū)的旋回劃分結(jié)果稍有差異，其根本原因就在于所運(yùn)用的時(shí)-頻分析方法不同，而即使是運(yùn)用同一時(shí)-頻分析方法，不同學(xué)者在參數(shù)值的選取上也存在差異，也會(huì)導(dǎo)致旋回劃分結(jié)果的異同。因此，同一研究區(qū)域不同時(shí)-頻分析方法的對(duì)比研究及參數(shù)優(yōu)選尤為重要，在旋回劃分時(shí)要將多種時(shí)-頻分析方法綜合起來(lái)使用，從而優(yōu)選最為準(zhǔn)確的時(shí)-頻分析方法及參數(shù)值。

2）不同替代參數(shù)的優(yōu)選問(wèn)題。多數(shù)學(xué)者在開(kāi)展旋回劃分工作時(shí)，所選用的替代參數(shù)多為測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)和磁化率，以及少量元素地化分析數(shù)據(jù)。因資金及測(cè)試分析手段有限，成像測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)及元素地化分析數(shù)據(jù)的使用受到限制。成像測(cè)井可以通過(guò)提取基質(zhì)電導(dǎo)率分析旋回，元素地化分析數(shù)據(jù)則需要更廣泛、更全面的使用。針對(duì)同一研究區(qū)，可以將不同替代參數(shù)的旋回劃分結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，從而優(yōu)選適合的替代性參數(shù)，保證旋回分析的準(zhǔn)確性。

3）天文旋回劃分結(jié)果的校準(zhǔn)問(wèn)題。旋回劃分可運(yùn)用不同替代參數(shù)采用不同時(shí)-頻分析方法，但運(yùn)用不同參數(shù)的不同方法、不同參數(shù)值的選取均會(huì)得出不同的旋回劃分結(jié)果，導(dǎo)致旋回劃分的多解性強(qiáng)，從而導(dǎo)致旋回劃分結(jié)果的可靠性存在爭(zhēng)議。主要存在兩個(gè)方面的問(wèn)題：①同一口井、同一層位不同學(xué)者劃分出了不同的旋回；②不同的測(cè)井資料時(shí)-頻分析方法與不同尺度天文周期、沉積單元之間的匹配關(guān)系研究還不夠深入。因?yàn)樘煳能壍乐芷谂c不同級(jí)次的高頻旋回之間有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系［110-111］，而諸多學(xué)者對(duì)于同一口井、同一層位，運(yùn)用時(shí)-頻分析方法劃分的不同尺度天文旋回與運(yùn)用沉積學(xué)等方法劃分的高頻旋回結(jié)果存在差異，既包括旋回個(gè)數(shù)的差異也包括研究層段持續(xù)時(shí)間的差異［5，34-36，112］。但正常來(lái)說(shuō)，天文軌道參數(shù)與高頻旋回之間有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，故其同一層段計(jì)算得出的持續(xù)時(shí)間應(yīng)該是一致或者極其接近的。因此，在天文旋回研究中，缺少一個(gè)“標(biāo)桿”，而這個(gè)“標(biāo)桿”就是在絕對(duì)年齡測(cè)年數(shù)據(jù)約束下利用沉積學(xué)原理和經(jīng)典層序地層學(xué)理論對(duì)露頭剖面和巖心開(kāi)展研究所建立的旋回劃分方案，有了這個(gè)“標(biāo)桿”后，就可用于校準(zhǔn)使用其他方法得出的旋回劃分結(jié)果，也就可以優(yōu)選替代參數(shù)、優(yōu)選時(shí)頻分析方法和參數(shù)值。

4）天文年代標(biāo)尺建立的問(wèn)題。在調(diào)研天文旋回研究現(xiàn)狀時(shí)，發(fā)現(xiàn)針對(duì)同一研究對(duì)象建立的年代標(biāo)尺不一致，分析其原因主要是在建立年代標(biāo)尺時(shí)，各個(gè)學(xué)者針對(duì)同一層位的同一深度所選擇的“錨點(diǎn)”年齡值不一致，沒(méi)有統(tǒng)一的年齡值標(biāo)準(zhǔn)［36，113-115］。比如本文研究的實(shí)例區(qū)，大部分學(xué)者一般沿用了1992年梁鴻德或2002年姚益民公開(kāi)發(fā)表著作中的年齡值［115-116］，其主要是通過(guò)古地磁和火山巖同位素測(cè)得的年齡值。眾所周知，不同的測(cè)試機(jī)構(gòu)和測(cè)試方法測(cè)試的同一深度地層的絕對(duì)年齡值是不一樣的，且本身也存在一定幅度的誤差。

5）地層分層數(shù)據(jù)（深度）不統(tǒng)一的問(wèn)題。在旋回劃分研究成果調(diào)研中，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致旋回劃分結(jié)果不一致的另一個(gè)原因是地層分層數(shù)據(jù)的不統(tǒng)一，對(duì)同一口井、同一研究層段的頂-底深度使用不一致［5，17，19-20，111］。

5.2 下步研究方向

1）重視天文旋回分析技術(shù)手段和替代參數(shù)的優(yōu)選研究。目前天文旋回分析的技術(shù)手段已經(jīng)相對(duì)完善，替代參數(shù)也豐富多樣，包括古生物參數(shù)、地球物理參數(shù)、地球化學(xué)參數(shù)和環(huán)境磁學(xué)參數(shù)等，通過(guò)對(duì)各類替代參數(shù)的處理，構(gòu)建包含地層環(huán)境變化信息的時(shí)間序列。隨著研究的不斷深入和技術(shù)的進(jìn)步，后期需要進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)不同時(shí)-頻分析方法、不同替代參數(shù)及不同參數(shù)值優(yōu)選的研究，現(xiàn)階段缺少各種方法和各種替代參數(shù)的對(duì)比研究，通過(guò)對(duì)比分析分別優(yōu)選出適用于湖相細(xì)粒沉積泥頁(yè)巖地層、碳酸鹽巖地層和海、陸相碎屑巖地層的旋回劃分方法和技術(shù)流程，按照沉積地層序列替代參數(shù)選取、時(shí)間序列分析方法優(yōu)選、旋回結(jié)果檢驗(yàn)及調(diào)諧的流程展開(kāi)研究。

2）加強(qiáng)元素參數(shù)在天文旋回分析中的使用。目前使用較多的是單一元素分析數(shù)據(jù)，后期要綜合考慮單一元素分析數(shù)據(jù)和元素比值的旋回劃分效果，同時(shí)還要分別考慮表征古氣候、古水深和古鹽度等沉積環(huán)境各項(xiàng)參數(shù)的適用性，全面系統(tǒng)地將表征沉積環(huán)境要素的各項(xiàng)地化數(shù)據(jù)應(yīng)用于旋回時(shí)間序列分析中。

3）重視建立用于旋回劃分校準(zhǔn)的“標(biāo)桿”。時(shí)間序列分析方法劃分天文旋回，由于時(shí)頻分析方法、替代參數(shù)及參數(shù)值選取的差異會(huì)導(dǎo)致旋回劃分結(jié)果的多解性，因此后期在開(kāi)展旋回劃分時(shí)需要建立一個(gè)與之對(duì)比的“標(biāo)桿”用于校準(zhǔn)旋回，也可用于方法、參數(shù)及參數(shù)的優(yōu)選。以湖相細(xì)粒沉積旋回劃分為例，首先從沉積學(xué)和經(jīng)典層序地層學(xué)角度開(kāi)展湖相細(xì)粒沉積地層高頻層序劃分，將劃分結(jié)果與利用不同測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的不同時(shí)-頻分析方法劃分出的天文周期進(jìn)行對(duì)比分析，最終優(yōu)選出天文旋回劃分的最優(yōu)方法、參數(shù)和參數(shù)值。

4）加強(qiáng)天文軌道周期對(duì)沉積作用控制的研究。前人已經(jīng)針對(duì)軌道周期對(duì)古生物、沉積環(huán)境條件、沉積物質(zhì)組分的響應(yīng)特征開(kāi)展了不同程度的研究，但總體研究程度都比較低，特別是對(duì)沉積作用尤其是事件性沉積作用的控制研究更是相當(dāng)薄弱。因此需要重視并加強(qiáng)軌道周期對(duì)沉積作用的控制研究，利用天文旋回的研究成果，建立千年—萬(wàn)年級(jí)的天文年代浮動(dòng)標(biāo)尺，計(jì)算地層沉積速率，分析沉積作用及沉積方式；在建立的高分辨率等時(shí)地層格架中探討軌道周期與事件性沉積的耦合機(jī)制，為事件性沉積作用的研究提供新的思路和方法。

5）拓寬天文地層學(xué)在油氣勘探開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用領(lǐng)域。隨著非常規(guī)泥頁(yè)巖油氣勘探與開(kāi)發(fā)的不斷深入，細(xì)粒沉積的研究越發(fā)受到重視，諸多研究也證實(shí)了中生代-新生代陸相地層較好地記錄了天文地層周期。同時(shí)，針對(duì)厚層泥頁(yè)巖天文地層學(xué)研究也如火如荼的展開(kāi)，這既有助于更好地解決泥頁(yè)巖油氣勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中的地層劃分問(wèn)題并提高地質(zhì)分層的時(shí)間分辨率，也能加強(qiáng)天文地層學(xué)在深湖或深海頁(yè)巖油氣勘探與開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用。