珠江口盆地中中新世韓江組天文調(diào)諧地質(zhì)年代表

田世峰，陳中強(qiáng)，查明

（1.中國(guó)石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東青島 266555;2.西澳大利亞大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，澳大利亞佩斯 6009）

珠江口盆地中中新世韓江組天文調(diào)諧地質(zhì)年代表

田世峰1，2，陳中強(qiáng)2，查明1

（1.中國(guó)石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東青島 266555;2.西澳大利亞大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，澳大利亞佩斯 6009）

利用多種頻譜分析方法，對(duì)珠江口盆地Langhian階韓江組三角洲相硅質(zhì)碎屑巖及淺海相碳酸鹽巖韻律性交替地層進(jìn)行旋回地層學(xué)分析，然后選擇最新天文周期解決方案中的北緯65°夏半年日照量曲線(xiàn)及斜率曲線(xiàn)作為目標(biāo)曲線(xiàn)，對(duì)自然伽馬測(cè)井曲線(xiàn)進(jìn)行天文調(diào)諧，得到高分辨率天文調(diào)諧地質(zhì)年代表。結(jié)果表明:珠江口盆地中中新世韓江組地層旋回受天文軌道周期變化的驅(qū)動(dòng);利用天文調(diào)諧地質(zhì)年代表進(jìn)行的定年結(jié)果與前人利用古地磁對(duì)南中國(guó)海相鄰盆地的定年一致;通過(guò)天文調(diào)諧地質(zhì)年代表求得的研究層段高分辨率沉積速率變化與天文軌道周期偏心率曲線(xiàn)可以對(duì)應(yīng)，推測(cè)沉積速率變化的主要控制因素是405 ka長(zhǎng)周期偏心率。

旋回地層學(xué);珠江口盆地;中中新世;Langhian階;韓江組;米蘭科維奇旋回;沉積速率

旋回地層學(xué)（Cyclostratigraphy）一詞首次由Fischer于1988年在意大利Perugia召開(kāi)的學(xué)術(shù)會(huì)議上提出。它是地層學(xué)的一個(gè)分支學(xué)科，用于識(shí)別、描述、對(duì)比以及解釋地層中周期性或準(zhǔn)周期性的旋回變化，尤其可應(yīng)用于地質(zhì)年代學(xué)中，用來(lái)提高時(shí)間地層格架的精確性和分辨率［1］。雖然有關(guān)地球軌道理論很早就有學(xué)者提出［2］，但南斯拉夫?qū)W者M(jìn)ilankovitch對(duì)地球軌道參數(shù)的定量計(jì)算是旋回地層學(xué)發(fā)展的分水嶺，他根據(jù)3個(gè)地球軌道參數(shù)，計(jì)算了北緯65°上1Ma以來(lái)日照量的變化，1 Ma以來(lái)日照量的9個(gè)極小值與第四紀(jì)冰期非常吻合，因此認(rèn)為夏半年日照量的減少是冰期形成的主要因素。由于計(jì)算精度不夠，且只能解釋第四紀(jì)大冰期中幾次冰期的存在，限制了米氏理論的普及。直至1976年Hays等［3］對(duì)取自赤道大西洋的深海第四紀(jì)鉆探巖心作了詳細(xì)的古氣候研究，并以δ18O、海水表面溫度及CaCO3百分含量等作為古氣候的替代性指標(biāo)進(jìn)行譜分析，得到了42、23、19及100 ka周期的氣候變化成分，從而證實(shí)了Milankovitch理論，并引起了天文古氣候?qū)W家和地質(zhì)學(xué)家對(duì)米蘭科維奇理論的重視［4］。繼Hays之后，更多的學(xué)者選擇不同的替代指標(biāo)對(duì)前第四紀(jì)－前寒武紀(jì)不同時(shí)期地層進(jìn)行研究，均發(fā)現(xiàn)了米氏旋回的存在［5］。研究范圍也進(jìn)一步擴(kuò)大，幾乎涉及各種沉積相類(lèi)型?？傊m然不同研究存在細(xì)節(jié)上的分歧，但天文軌道周期在沉積地層中留下記錄的思想已經(jīng)得到越來(lái)越多的認(rèn)同［6－7］。珠江口盆地中中新世韓江組地層普遍發(fā)育三角洲相硅質(zhì)碎屑巖及淺海相碳酸鹽巖的韻律性互層，顯示出較強(qiáng)的周期性變化規(guī)律。為了探討該韻律性旋回的驅(qū)動(dòng)機(jī)制，筆者以珠江口盆地Langhian階韓江組硅質(zhì)碎屑巖及淺海碳酸鹽巖韻律性交替地層為例，對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)的旋回地層學(xué)分析。

1 頻譜分析及米氏旋回的確定

在時(shí)間序列中尋找隱伏周期性的常用方法是頻譜分析。頻譜分析把時(shí)間序列看成一組頻率的組合。在數(shù)學(xué)上，任何周期函數(shù)都可以用不同方式的正弦和余弦組合進(jìn)行逼近，任意周期信號(hào)均可分解成不同頻率的諧波分量之和，各諧波分量的頻率都是基頻的整數(shù)倍?？焖俑道锶~變換是目前最廣泛應(yīng)用的頻譜分析。因此，在旋回地層學(xué)研究中，為找出某一地層旋回的厚度，可以使用快速傅里葉變換（FFT）。

頻譜分析前，在Matlab7.1中消除了研究層段自然伽馬測(cè)井曲線(xiàn)的線(xiàn)性趨勢(shì)，然后編寫(xiě)Matlab程序?qū)ψ匀毁ゑR測(cè)井曲線(xiàn)進(jìn)行濾波（波長(zhǎng)大于150 m和小于1 m），濾掉的頻帶可能為噪音，與天文軌道無(wú)關(guān)。然后，利用SSA－MTM工具包［8］中基于FFT算法的Blackman－Tukey Method和更加成熟的頻譜分析方法（Multitaper Method）對(duì)測(cè)井曲線(xiàn)進(jìn)行頻譜分析。結(jié)果顯示兩種方法峰值頻率基本相同。因此，本文中主要展示更加成熟的頻譜分析方法。頻譜分析及天文調(diào)諧主要以珠江口盆地HzA井、HzB井進(jìn)行展示（圖1）。如圖2所示，橫坐標(biāo)為頻率（旋回·m－1），縱坐標(biāo)為相對(duì)功率，無(wú)量綱，其相對(duì)大小表示該頻率的沉積旋回在地層中的重要性，功率值越大，表明該周期的沉積旋回在地層中出現(xiàn)得越頻繁，90%、95%、99%分別代表置信度為90%、95%、99%時(shí)的功率譜，M為紅噪音功率譜。綜合考慮采樣頻率，幾個(gè)明顯的譜峰對(duì)應(yīng)的地層旋回厚度分別約為32、8、3、1.82和1.53 m。地層主要旋回厚度之比為32∶8∶3∶1.82∶1.53≈4∶1∶0.41∶0.23∶0.19，與最新的天文軌道周期解決方案中米氏旋回周期比率一致［9］。

圖1 珠江口盆地構(gòu)造單元?jiǎng)澐旨般@井位置（據(jù)鄧宏文2009，有改動(dòng)）Fig.1 Map show ing the structural sub-units of the Pearl River M outh Basin，A and B denote the location of w ell HzA and HzB（After DENG Hongwen，2009）

圖2 HzA井M ultitaper method頻譜分析結(jié)果Fig.2 M ultitaper method log-power spectrum of well HzA

判斷地層中發(fā)現(xiàn)的旋回是否為米蘭科維奇旋回，絕大多數(shù)觀點(diǎn)認(rèn)為［10］，米氏旋回在地質(zhì)歷史時(shí)期具有相對(duì)的穩(wěn)定性，其周期間的比率在一定的地質(zhì)歷史時(shí)期是穩(wěn)定的。如果能在地層所包含的各種旋回中找到與米氏周期比率相等的關(guān)系，就可以認(rèn)為該層段受米氏旋回影響。反之，則旋回性可能是與米氏頻率無(wú)關(guān)的變化（如成巖作用的階段性、濁流頻率或其他沉積現(xiàn)象）作用的結(jié)果。但有學(xué)者也持反對(duì)意見(jiàn)［11］，認(rèn)為地層中存在的旋回，雖然與米氏周期比率相同，也有可能是沉積過(guò)程和盆地構(gòu)造沉降變化產(chǎn)生的。為提高可信度，學(xué)者提出了不同的驗(yàn)證方法。Bailey［12］認(rèn)為在研究區(qū)臨近地區(qū)相同層段地層中若也能找到相同頻率的峰值，則米氏旋回確實(shí)存在。Lever［13］、Poletti等［14］認(rèn)為應(yīng)當(dāng)分析同一研究層段其他不同的替代指標(biāo)或不同地區(qū)利用同一替代指標(biāo)進(jìn)行分析以提高精確度。Pestiaux等［15］、Hinnov等［16］建議應(yīng)用不同的方法進(jìn)行頻譜分析尋找峰值頻率，以得到更可信的結(jié)論。但是，Ghil等［17］認(rèn)為，不同頻譜分析技術(shù)得出的結(jié)論應(yīng)該是相似的，頻譜分析的結(jié)果與所分析時(shí)間序列的質(zhì)量及空間特征有關(guān)，而不應(yīng)取決于所應(yīng)用的頻譜平滑技術(shù)。

綜合以上觀點(diǎn)，在之前不同頻譜分析技術(shù)得出結(jié)論相似的基礎(chǔ)上，利用Multitaper Method對(duì)其他數(shù)十口井相同層段進(jìn)行頻譜分析，結(jié)果顯示它們峰值頻率間比值與HzA井都比較一致（以HzB井為例，如圖3）。因此，可以判斷HzA井旋回受天文軌道周期變化的驅(qū)動(dòng)。

圖3 HzA和HzB井頻譜分析結(jié)果對(duì)比Fig.3 Com parison between power spectrum of well HzA and HzB

2 目標(biāo)曲線(xiàn)及相位關(guān)系

頻譜分析表明地層記錄中存在米蘭科維奇旋回，下一步便可將地層記錄中天文軌道驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生的旋回向最新的天文周期解決方案［9］中的目標(biāo)曲線(xiàn)進(jìn)行調(diào)諧，以建立天文地質(zhì)年代表。在進(jìn)行天文調(diào)諧之前，選擇合適的目標(biāo)曲線(xiàn)是非常重要的。

偏心率導(dǎo)致明顯的歲差幅度變化，但僅導(dǎo)致輕微的氣候變化。歲差曲線(xiàn)是進(jìn)行天文調(diào)諧常用的曲線(xiàn)，包括偏心率的影響，不包括斜率的影響，但是斜率也是影響氣候，進(jìn)而影響地層記錄的天文參數(shù)之一。Lourens等［18］建議利用北緯65°夏半年日照量曲線(xiàn)作為目標(biāo)曲線(xiàn)，因?yàn)槠漭^好地記錄了斜率的影響。北緯65°夏半年日照量曲線(xiàn)目前也廣泛應(yīng)用于中低緯度的天文調(diào)諧中［19］，而且也被證實(shí)，在過(guò)去的大約30 Ma內(nèi)，它可以較好地作為天文調(diào)諧的目標(biāo)曲線(xiàn)［20］。假設(shè)研究區(qū)從新近紀(jì)開(kāi)始緯度變化不大（N21°），選擇北緯65°夏半年日照量曲線(xiàn)作為目標(biāo)曲線(xiàn)。另外，再?gòu)淖钚碌奶煳慕鉀Q方案中選擇斜率曲線(xiàn)作為目標(biāo)曲線(xiàn)，旨在為以日照量曲線(xiàn)進(jìn)行的天文調(diào)諧提供一個(gè)先期的年齡控制。

要進(jìn)行天文調(diào)諧，選擇完天文調(diào)諧目標(biāo)曲線(xiàn)，必須建立替代指標(biāo)與目標(biāo)曲線(xiàn)之間詳細(xì)的相位關(guān)系。假設(shè)高自然伽馬值對(duì)應(yīng)于溫暖、濕潤(rùn)的氣候，此時(shí)風(fēng)化作用更多地產(chǎn)生黏土物質(zhì)，在高地表徑流量作用下被帶入海洋，降低了生物活動(dòng)能力，提高了有機(jī)質(zhì)生產(chǎn)率，往往容易形成暗色地層。具體到天文參數(shù)配置則該過(guò)程對(duì)應(yīng)于日照量高值［21］。反之，自然伽馬曲線(xiàn)低值對(duì)應(yīng)于日照量低值所導(dǎo)致的干旱、寒冷氣候［21］。斜率曲線(xiàn)采用Shackleton［22］之前的調(diào)諧策略，將自然伽馬曲線(xiàn)極小值對(duì)應(yīng)于斜率的極大值。

雖然前人已經(jīng)從無(wú)論海相還是陸相地層中都得到了年代和古氣候記錄［23－24］，但是替代指標(biāo)對(duì)天文軌道參數(shù)響應(yīng)的延遲時(shí)間卻一直沒(méi)有解決。本文中假定它們之間沒(méi)有延遲，如果將來(lái)有研究能提供精確的延遲時(shí)間，則僅需要對(duì)天文年代地質(zhì)表進(jìn)行輕微改動(dòng)即可。

3 天文調(diào)諧

有了目標(biāo)曲線(xiàn)及其與替代指標(biāo)的相位關(guān)系，便可進(jìn)行天文調(diào)諧。限于勘探現(xiàn)狀，珠江口盆地只有少量的放射性測(cè)年及古地磁測(cè)年數(shù)據(jù)，并且這些測(cè)年數(shù)據(jù)絕大部分是用于基巖的。因此，珠江口盆地年代地層學(xué)主要是依靠分析巖屑中微古生物。鉆井過(guò)程中井下巖屑容易下掉而污染下伏地層，上層的化石種可能出現(xiàn)在下伏較老地層的井段中，故對(duì)于巖屑樣品，只有化石種在井孔中的首現(xiàn)面才具有年代地層意義。一般浮游有孔蟲(chóng)和鈣質(zhì)超微化石在井孔中的首現(xiàn)面為這些生物演化的絕滅面。由地質(zhì)年代表2004［25］，將Praeorbulina glomerosa（深度2.22 km）和S.heteromorphus（深度2.0 km）的首現(xiàn)面分別定年為15.97和13.65 Ma，同時(shí)其分別為L(zhǎng)anghian階的底、頂面。本文中將其作為天文調(diào)諧的起始點(diǎn)。

首先，利用自由軟件AnalySeries2.0.4［26］在斜率頻帶（中心頻率0.315，帶寬0.035，單位為旋回/米）對(duì)2.0～2.22 km自然伽馬測(cè)井曲線(xiàn)進(jìn)行濾波，過(guò)濾出的頻率組分與最新天文周期解決方案中41 Ka周期斜率曲線(xiàn)13.65～15.97 Ma段有相同數(shù)量的旋回，將旋回從底至頂進(jìn)行編號(hào)（如圖4）。由上一節(jié)確定的相位關(guān)系，將自然伽馬曲線(xiàn)極小值與斜率的極大值進(jìn)行對(duì)應(yīng)。由此確定的深度－年齡對(duì)應(yīng)關(guān)系就為更高一級(jí)的天文調(diào)諧提供了年齡控制。

其次，在最新天文解決方案的Insolation曲線(xiàn)13.65～15.97 Ma段發(fā)現(xiàn)107個(gè)旋回，從底至頂分別進(jìn)行編號(hào)（如圖4）?；谏瞎?jié)的相位關(guān)系，直接將自然伽馬測(cè)井曲線(xiàn)中的極大值與Insolation曲線(xiàn)中的極大值進(jìn)行對(duì)照。但是，這個(gè)步驟沒(méi)有絕對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)應(yīng)，需要反復(fù)進(jìn)行。?

圖4 HzA井自然伽馬測(cè)井曲線(xiàn)的天文調(diào)諧Fig.4 Astronom ical tuning of natural gamm a-ray well-logging record of well HzA

最后，通過(guò)上面兩次調(diào)諧，共標(biāo)出164個(gè)時(shí)間控制點(diǎn)，但利用斜率和日照量曲線(xiàn)進(jìn)行的調(diào)諧，二者之間有沖突，刪除沖突點(diǎn)。在剩下的時(shí)間控制點(diǎn)之間按原始自然伽馬測(cè)井曲線(xiàn)采樣頻率進(jìn)行線(xiàn)性插值，得到高頻率的天文調(diào)諧地質(zhì)年代表。

4 天文地質(zhì)年代表的應(yīng)用

傳統(tǒng)的地層數(shù)字定年主要依據(jù)古生物、巖石中的放射性元素、磁性反轉(zhuǎn)等標(biāo)志來(lái)確定。由于生物地層和磁性地層等年齡控制點(diǎn)較少，這些方法得到的年齡值通常分辨率較低、誤差大、影響因素多且成本較高。將高分辨率的自然伽馬測(cè)井曲線(xiàn)向最新的天文周期解決方案調(diào)諧，可以得到高分辨率的地質(zhì)年代表（理論上精度可達(dá)20 Ka）。該地質(zhì)年代表可用于對(duì)研究層段的地質(zhì)事件及生物事件進(jìn)行精確定年。

4.1 生物事件定年

盡管研究區(qū)浮游生物豐度較高，但縱向上的分辨率卻不高。在研究層段Langhian階從底至頂，只發(fā)現(xiàn)了Globigerinoides sicanus（深度2.12 km）和Globorotalia peripheroronda（深度2.08 km）的井下首現(xiàn)面?；诘玫降奶煳恼{(diào)諧地質(zhì)年代表，將這兩個(gè)生物事件分別定年于14.919和14.546 Ma。Globigerinoides sicanus的末現(xiàn)面是中中新世非常重要的生物事件［27］，其在全球不是等時(shí)的［28］，低緯度地區(qū)比中緯度地區(qū)年齡要大［29］。Thompson和Abbott［30］建立了瓊東南盆地和鶯歌海盆地的年代地層格架，絕對(duì)年齡通過(guò)將微古生物末現(xiàn)面與深海鉆探巖心所得到的古地磁年代地層格架中的同一事件進(jìn)行對(duì)比而得到。他們將Globigerinoides sicanus和Globorotalia peripheroronda在井下的首現(xiàn)面定年于14.8和14.6 Ma，與預(yù)測(cè)的天文年齡有0.119和0.054 Ma的不同。分析認(rèn)為，Thompson和Abbott［30］對(duì)微古生物的定年主要依靠地磁反轉(zhuǎn)間的線(xiàn)性插值，對(duì)具體生物事件的定年缺乏足夠的分辨率。

4.2 沉積速率變化

以往利用古地磁、古生物或放射性同位素定年時(shí)，求得的沉積速率通常為某層段的平均沉積速率，無(wú)法顯示沉積速率在一定時(shí)間間隔的精確變化。這種低分辨率導(dǎo)致無(wú)法精確地研究其中蘊(yùn)含的地質(zhì)事件。由高分辨率天文年代地質(zhì)表推導(dǎo)出的沉積速率變化顯示，研究區(qū)沉積速率在50 m/Ma至143 m/Ma之間波動(dòng)，研究層段平均沉積速率大約為95 m/Ma。在早中中新世，研究區(qū)為濱岸淺海相沉積，水體較淺，一直處于透光帶，該環(huán)境對(duì)氣候以及海平面變化非常敏感，所以，沉積速率較高，且變化相對(duì)頻繁［31］。但如此高頻變化的沉積速率的主控因素卻因?yàn)楸姸嘁蛩囟伎赡苡绊懗练e速率而難以確定。由圖5可知，沉積速率包含大約為400 ka的旋回，可以與偏心率周期曲線(xiàn)很好地對(duì)應(yīng)。因此，推測(cè)沉積速率變化的主要控制因素可能是約405 ka長(zhǎng)周期偏心率。

圖5 沉積速率與天文軌道參數(shù)周期對(duì)比Fig.5 Com parison of sedimentation rate and orbital eccentricity

5 結(jié)論

（1）以珠江口盆地幾十口鉆井中中新世的自然伽馬測(cè)井曲線(xiàn)為替代指標(biāo)，綜合考慮國(guó)際上識(shí)別米蘭科維奇旋回的不同觀點(diǎn)，利用自由軟件SSA－MTM工具包進(jìn)行了頻譜分析。珠江口盆地中中新世地層旋回受天文軌道周期變化驅(qū)動(dòng)。

（2）確定出旋回的驅(qū)動(dòng)機(jī)制后，選擇N65°日照量和斜率曲線(xiàn)作為目標(biāo)曲線(xiàn)，對(duì)自然伽馬測(cè)井曲線(xiàn)進(jìn)行天文調(diào)諧，可以建立高分辨率的天文調(diào)諧地質(zhì)年代表。

（3）利用該地質(zhì)年代表對(duì)研究層段古生物事件的地質(zhì)定年與前人研究結(jié)果一致;建立起的高分辨率沉積速率變化圖，可以與約405 ka天文軌道偏心率曲線(xiàn)相互對(duì)應(yīng)，推測(cè)沉積速率變化的主要控制因素是約405 ka長(zhǎng)周期偏心率。

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Astronom ical tim e scale ofm idd le M iocene Hanjiang form ation in Pearl River M outh Basin，South China Sea

TIAN Shi－feng1，2，CHEN Zhong－qiang2，ZHA Ming1
（1.School of Geosciences in China University of Petroleum，Qingdao 266555，China; 2.School of Earth and Environment in the University ofWestern Australia，35 Stirling Highway，Craw ley，Western Australia 6009，Australia）

Cyclostratigraphic analysiswas undertaken with several different spectral analysismethods on the Hanjiang formation of Langhian age（midd le Miocene）in the Pearl River Mouth Basin of South China Sea，which consists of deltaic siliciclastic and neritic shelf carbonate rhythmic alternations.Within biochronological constraint，a high－resolution astronomical time scale was constructed through astronomical tuning of the natural gamma－ray well－logging record to the 65°N insolation curve and obliquity curve，which are from themost recent astronomically calculated variation of the earth's orbit.The results show that the Hanjiang formation cyclesare controlled by variation of the earth's orbital period.The astronomically tuned time scale can be used to calculate astronomical ages for geological events and bioevents recognized throughout the period，and the results are only slightly different from earlier estimates in South China Sea.The astronomical time scale resolves the sedimentation history for the Langhian stage（middle Miocene）with a variation that strongly resembles that of the earth's orbital eccentricity.Themain factor controlling the variability of the sedimentation rate in the Hanjiang formationmay be related to the 405 ka long period eccentricity.

cyclostratigraphy;Pearl River Mouth Basin;middle Miocene;Langhian stage;Hanjiang formation;Milankovitch cycles;sedimentation rate

P 53

A

10.3969/j.issn.1673－5005.2012.01.005

1673－5005（2012）01－0027－06

2011－06－21

Australian Research Council discovery grant（DP0770938 to ZQC）

田世峰（1981－），男（漢族），山東威海人，博士研究生，從事層序地層學(xué)、旋回地層學(xué)以及油氣成藏機(jī)制與分布規(guī)律研究。

（編輯 徐會(huì)永）