乐平统含煤岩系旋回地层的天文周期驱动:以黔西北毕节地区为例

高祥宇邵龙义王学天华芳辉鲁静

中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院,北京 100083；煤炭资源与安全开采国家重点实验室,北京 100083

米兰科维奇旋回理论认为,地球轨道参数(偏心率、地轴斜率、岁差)的周期性变化会导致地球表面接受的日照量在纬度和季节上的变化,进而引起全球和地区气候的周期性变化,所有这些变化都会记录在当时的沉积物中[1-2]。地球轨道参数周期具有年龄分辨率高、相对误差小的特点[3],识别地层中由地球轨道参数周期驱动形成的旋回,并进行天文调谐、建立天文年代标尺,能够提高地质年代精度[2]。目前,学术界比较一致的看法是,四、五、六级高分辨率层序的形成主要受控于天文轨道驱动[3-5]。已有不少学者成功地对不同地球轨道参数周期性变化下形成的地层旋回与相应级别的层序进行了比对,实现了高精度的地层划分[2-8]。

相较于中生代和新生代,古生代的旋回地层学研究程度较低。贵州西部发育的乐平统海陆过渡相含煤岩系具有很好的旋回性,为研究乐平世天文周期及其对煤系旋回性的驱动机制提供了良好的天然场所。为此,笔者选取黔西北毕节地区乐平统含煤岩系KL1301、KL17305、CH1602、DJ702 四个钻孔剖面的自然伽马测井数据,进行旋回地层学分析和天文检验,进而建立由地球轨道参数周期约束的高分辨率层序地层格架以及乐平统的天文年代标尺,研究成果旨在为乐平世古气候、古环境和重大历史事件的演化研究提供高分辨率的年代地层框架。

1 研究区地质背景及层序地层格架

研究区位于贵州省西北部的毕节地区,在东经104°9′～105°47′、北纬26°40′ ～27°19′之间,大地构造上处于扬子地块西南部的上扬子克拉通盆地内,乐平世时期区内发育彝良凹陷、威宁隆起以及黔中隆起(图1)。

图1 毕节地区大地构造位置（据文献[9]修改）以及同沉积构造轮廓（据文献[10]修改）Fig.1 Geotectonic locations（modified according to reference[9]）and synsedimentary structure（modified according to reference[10]）in Bijie area

区内乐平统由陆相宣威组、海陆过渡相龙潭组、海相长兴组和大隆组组成(图2)[11]。宣威组划分为上、中、下三段,主要岩性有砂岩、泥质岩和煤,底部与峨眉山玄武岩呈不整合接触,顶部与卡以头组整合接触。龙潭组主要岩性有砾岩、砂岩、泥质岩、煤层和薄层石灰岩,底部与峨眉山玄武岩或茅口组灰岩多呈不整合接触,顶部与长兴组整合接触,可对应于宣威组的中、下段。长兴组岩性有石灰岩、泥质灰岩、泥质岩、煤层和薄层砂岩,顶部与飞仙关组呈整合接触,可对应于宣威组的上段[11]。

图2 毕节地区乐平统（晚二叠世）地层分布（据文献[11]修改）Fig.2 Distribution and correlation of the stratigraphic units of the Lopingian in Bijie area（modified according to reference[11]）

前人基于露头剖面和钻孔等数据,对西南地区乐平统含煤岩系层序地层格架进行了研究[11-12]。在黔西地区,根据乐平统底部区域不整合面、下切谷砂体底部冲刷面、沉积相转换面、河道间古土壤层、煤层以及二叠—三叠系界线等关键层序地层界面,作为乐平统煤系三级层序界面,共识别出SB1、SB2、SB3 和SB4 四个层序界面,以4 个层序界面将黔西地区乐平统从下向上划分为CSⅠ、CSⅡ、CSⅢ3 个三级复合层序(图3)。

前人在黔西地区识别出17 个反映了海侵范围的海相标志层,根据这些海相标志层的横向展布特征以及相关的四级层序界面,在研究区内划分出17 个四级层序,基于四级层序的叠加模式或四级最大海泛面对应的滨岸线迁移特征,可进一步划分出低位层序组(LSS)、海侵层序组(TSS)和高位层序组(HSS)(图3)。

图3 黔西地区乐平统海侵范围及层序划分方案（据文献[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 研究数据、旋回分析与天文检验方法

2.1 研究数据

自然伽马(GR)测井数据作为一种理想的用于旋回地层学分析的古气候替代性指标,具有数据易于获取、连续性好、能敏感地分辨出沉积物中泥质和有机质含量,进而反映出古气候和古环境的变化特征等优势[1,14-15]。因此,本文选择区内4 个钻孔剖面的GR 测井数据(0.125 m 采样间隔)进行旋回地层学研究。

2.2 时间序列分析法

时间序列分析法在地学领域的运用快速地推动了旋回地层学的发展。旋回地层学时间序列分析的基本步骤包括数据预处理、频谱分析、滤波、调谐、建立年代(时间)标尺等。Acycle 软件[16]集合了上述各步骤功能,是旋回分析的理想工具。

2.2.1 数据预处理

数据预处理可以消除非轨道因素对分析结果造成的影响,主要包括插值与重取样、去极值、去趋势化、预白化等,其中的去趋势化操作对于时间序列分析十分关键[17]。由于受到沉积盆地构造活动等因素的影响,古气候替代性指标数据中常常会存留一些长周期趋势[18]。去除这些长周期趋势,可以避免频谱分析中的低频成分对高频成分的影响,从而提高频谱分析结果的准确度。本文使用Acycle 软件中提供的局部加权回归(LOWESS)方法来去除GR 测井数据中的长周期趋势。

2.2.2 频谱分析

频谱分析可识别出古气候替代性指标数据中保存的地球轨道参数周期信息。本文选用Acycle软件中提供的多窗谱(MTM)分析法进行频谱分析。此方法是一种低方差、高分辨率的频谱分析方法,能提供频谱分辨力与方差间的最好权衡[19]。同时,选用稳健AR(Robust AR)模型来估算频谱分析结果的置信水平[20]。

2.2.3 滤波

滤波是提取古气候替代性指标数据中目标地球轨道参数周期信号的操作,包括高通滤波、低通滤波、带通滤波等,其中带通滤波在旋回分析中应用较多[17]。本文使用Acycle 软件中提供的高斯(Gaussian) 带通滤波器对GR 测井数据中的405 kyr 长偏心率周期信号进行提取[21]。

2.2.4 调谐及建立时间标尺

调谐是将沉积物或古气候替代性指标中的旋回记录(滤波曲线)与偏心率、地轴斜率、岁差的理论目标曲线进行对比的操作[2,22],目的是以此为基础建立高分辨率的天文年代标尺。由于古生代缺乏可靠的天文模型,没有合适的目标曲线可供滤波曲线对比,因此只能相对简略地将滤波曲线从深度域转化到时间域[17]。本文使用Acycle 软件中“建立年龄模型(Build Age Model)”功能,给每个长偏心率滤波旋回赋值为405 kyr,将深度域数据转换为时间域数据,然后使用“时间标尺(Age Scale)”功能生成时间标尺。

2.3 相关系数法

相关系数法(COCO)是一种基于多个统计学算法的用于评估地层是否受到天文驱动的天文检验方法。该方法能够通过测试一系列可能的沉积速率,计算天文解决方案的功率谱与经时间校准的古气候替代指标的功率谱之间的积差相关系数ρ,同时运用蒙特卡洛算法计算出地层旋回不受天文驱动的零假设(H0)的置信水平[23],最终实现古气候替代指标数据和天文轨道参数周期记录之间的最佳匹配[24]。本文在Acycle 软件平台使用相关系数法进行天文检验。

3 分析结果

3.1 地球轨道参数周期的识别

受到太阳系混沌现象的影响,50 Ma 之前的地质历史时期的天文参数模型一般都存在很大的误差[25],同样,乐平世也缺乏可靠的天文年代模型。Wu 等[26]对上寺剖面、煤山剖面乐平统进行了详细的野外岩性观察、厘米级采样,取得了精确的磁化率、非磁滞剩磁参数数据。通过系统的频谱分析并加以多个高精度锆石定年数据作为约束,识别出了405 kyr 长偏心率周期、125 kyr 和95 kyr 短偏心率周期、40.6 kyr 和33 kyr 地轴斜率周期以及20.7 kyr、19.7 kyr、17 kyr 岁差周期。上述天文旋回研究中识别出的轨道参数周期是最为精确和可靠的,故将其作为此次旋回地层学分析的理论轨道参数周期。

对去除长周期趋势的GR 测井数据进行多窗谱(MTM)分析(图4),结果显示:KL1301 钻孔中厚度为13.8 m 的沉积旋回置信度达到95%,厚度为4.3 m、4 m、3.2 m、1.5 m、1.3 m、1.1 m、1.03 m、1 m 的沉积旋回置信度均超过99% ；KL17305 钻孔中厚度为19 m 的沉积旋回置信度接近95% ,厚度为1.15 m 的沉积旋回置信度达到95% ,厚度为4.3 m、4 m、3.7 m、3.2 m、1.4 m、1.39 m、1.2 m 的沉积旋回置信度均超过99%；CH1602 钻孔中厚度为4.7 m 和4.3 m 的沉积旋回置信度都达到95%以上,厚度为15.4 m、3.4 m、1.69 m、1.58 m、1.46 m、1.27 m的沉积旋回置信度均超过99%；DJ702 钻孔中厚度为11.1 m、3.1 m、2.9 m、2.8 m、2.6 m、1.1 m 的沉积旋回置信度均达到99%及以上。

前人的锆石定年研究表明,乐平统的持续沉积时间在5.1 ～7.69 Myr 之间[7,27-30],区内钻孔剖面KL1301、KL17305、CH1602、DJ702 中的乐平统厚度分别为205.3 m、266.2 m、261.4 m、208.4 m(表1)。据此,以上各钻孔剖面的乐平统平均沉积速率分别在2.7 ～4.0 cm/kyr、3.5 ～5.2 cm/kyr、3.4 ～5.1 cm/kyr、2.7 ～4.1 cm/kyr 之间。根据平均沉积速率的范围可以求得各钻孔剖面中长偏心率周期、短偏心率周期、地轴斜率周期控制的沉积旋回厚度范围,通过旋回厚度范围可得知对应的频率范围(图4)。在上述各地球轨道参数周期所对应的频率范围内选择置信度较高的谱峰,将其对应的地层旋回作为优势旋回,得出在各钻孔剖面中,长偏心率周期驱动的优势沉积旋回厚度分别为13.8 m、19.0 m、15.4 m、11.1 m；短偏心率周期驱动的优势沉积旋回厚度分别为3.2 ～4.3 m、3.2 ～4.3 m、3.4 ～4.7 m、2.6 ～3.1 m；地轴斜率周期驱动的优势沉积旋回厚度分别为1 ～1.5 m、1.15 ～1.4 m、1.27 ～1.69 m、1.1 m。可能是由于GR 测井数据采样的实际分辨率不足,或是因为短周期信息易受各种地质作用的影响而缺失[15,18],此次在毕节地区未能识别出岁差周期。

表1 各钻孔剖面乐平统地层厚度、沉积时间及平均沉积速率Tab.1 Thickness,deposition time and average deposition rate of the Lopingian strata in each borehole section

图4 毕节地区4 个钻孔剖面去趋势化的自然伽马测井数据功率谱分析结果Fig.4 The power spectrum analysis results of the detrended GR series of 4 borehole section in Bijie area

根据上述分析,毕节地区乐平统含煤岩系中保存有明显的米兰科维奇旋回信号,识别出405 kyr 长偏心率周期、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 的地轴斜率周期,分别对应于理论轨道参数周期中的405 kyr 长偏心率周期、125 kyr 和95 kyr 短偏心率周期以及40.6 kyr 和33 kyr 地轴斜率周期。

3.2 天文检验

由时间序列分析建立的时间标尺可知,钻孔剖面KL1301、KL17305、CH1602、DJ702 中乐平统的沉积时限分别为6.48 Myr、6.47 Myr、7.06 Myr、7.16 Myr,从而计算出各钻孔的平均沉积速率分别为3.17 cm/kyr、4.11 cm/kyr、3.7 cm/kyr、2.91 cm/kyr(表1)。

使用相关系数法对旋回分析结果进行检验,结果显示,各钻孔的沉积速率最佳值(相关系数较大值对应的沉积速率) 分别为3.6 cm/kyr 和4.6 cm/kyr、 3.4 cm/kyr、3.6 cm/kyr、2.8 cm/kyr(图5),与通过旋回分析计算出的平均沉积速率相差不大；同时各钻孔剖面沉积速率最佳值所对应的不受天文驱动的零假设的显著性水平均远小于1%,表明该地层受到天文驱动的可能性大于99%。上述结果可以证实,前文旋回地层学分析的结果是可靠的。

图5 各钻孔剖面去除趋势的自然伽马测井数据相关系数法分析结果Fig.5 Correlation coefficient analysis results of the detrended GR series of each borehole section

4 讨 论

4.1 地球轨道参数周期约束的高分辨率层序地层格架的建立

由于一个长偏心率周期的时间(0.405 Myr)与Vail 等[31]提出的四级旋回的时间(0.2 ～0.5 Myr)相符,并且通过频谱分析和滤波在各钻孔剖面中识别出的长偏心率旋回个数为17 个,与划分出的四级层序个数一致,因此可以尝试将长偏心率旋回与四级层序进行对比。将从去趋势的自然伽马测井数据中过滤出的长偏心率旋回曲线的波峰与四级层序中海相标志层(灰岩,含海洋生物化石泥岩)所代表的最大海泛面相对应,将波谷与层序界面相对应,加之部分旋回中的煤层能够与图3 中相应层序中的煤层相对应,由此实现了层序地层和天文旋回的匹配,从而建立了毕节地区乐平统含煤岩系受长偏心率周期约束的高分辨率层序地层格架(图6)。

图6 毕节地区乐平统含煤岩系受长偏心率周期约束的高分辨率层序地层格架Fig.6 High-resolution sequence stratigraphic framework of the Lopingian coal-bearing series constrained by long eccentricity cycles in Bijie area

由此可见,在黔西北地区结合旋回地层学分析来划分高分辨率层序地层是可行的,所建立的层序地层格架对于该区乐平统含煤岩系高精度的地层对比具有指导意义。同时,通过观察地层格架发现煤层多发育在405 kyr 滤波曲线中各个周期的波峰附近,而波峰对应于相应的四级层序的最大海泛面,说明了黔西北地区在乐平世时期多在四级层序的最大海泛期成煤。

4.2 天文年代标尺的建立

据国际地层委员会最新发布的国际年代地层表[32],二叠纪—三叠纪界线年龄为(251.902±0.024) Ma。相较于其他几个钻孔剖面,CH1602中保存的旋回信息更加完整,因此本文锚定CH1602 钻孔剖面乐平统含煤岩系顶界年龄为251.902 Ma,并利用通过Acycle 软件生成的时间标尺,建立了毕节地区乐平统含煤岩系的天文年代标尺(图7)。标尺中乐平统底界年龄与国际年代地层表所注明的(259.1±0.5) Ma 相吻合,故证明所建立的年代标尺是准确的。

图7 CH1602 钻孔剖面乐平统含煤岩系天文年代标尺Fig.7 Floating astronomical time scale of the Lopingian coal-bearing series in borehole section CH1602

利用上述天文年代标尺能够为乐平统煤系提供一个高分辨率的年代地层框架,可精确地估计出乐平世古气候、古环境和重大历史事件的演化以及沉积过程的持续时间。

4.3 沉积时限和沉积速率

为了进一步讨论区内乐平统高分辨率的沉积特征,基于所建立的层序地层格架和天文年代标尺,将旋回地层、层序地层、年代标尺、沉积速率变化进行综合对比(图8),由此可确定和分析乐平统含煤岩系的沉积时限和沉积速率变化特征。

由图1 和表1 可知,KL1301 钻孔位于彝良凹陷西侧,乐平统地层厚205.3 m,沉积时限为6.48 Myr；KL17305 钻孔位于彝良凹陷内,乐平统地层厚度在4 个钻孔中最厚,达到266.2 m,沉积时限为6.47 Myr；CH1602 和DJ702 钻孔都位于黔中隆起北坡带,乐平统地层厚度分别为261.4 m 和208.4 m,沉积时限分别为7.06 Myr和7.16 Myr。从图8 中可以清晰地看出,毕节地区乐平统含煤岩系底部存在穿时性,由西向东,KL1301、KL17305、CH1602 和DJ702 钻孔剖面开始沉积的年龄分别是258.38 Ma、258.37 Ma、258.96 Ma、259.06 Ma,最早开始沉积的时间与最晚开始沉积的时间相差0.69 Myr。由于贵州省在乐平世时期的海侵方向是由东向西[13],反映了靠海一侧沉积开始得更早。同时,以沉积时限最长的DJ702 钻孔为基准,得出CSⅠ、CSⅡ、CSⅢ的沉积时限分别是2.34 Myr、1.98 Myr、2.84 Myr(图8)。

研究区在乐平世位于克拉通盆地内,整体沉降稳定,平均沉积速率在2.91 ～4.11 cm/kyr 之间(表1)。用划分出的各四级层序的地层厚度除以沉积时限,计算出相应的沉积速率并生成沉积速率柱状图和沉积速率变化趋势曲线(图8)。观察沉积速率柱状图和沉积速率变化趋势曲线发现,整体上CS Ⅰ因为不完整,所以其存在“慢—快”和“快—慢—快”两种沉积过程；CS Ⅱ中沉积速率变化不规律；CS Ⅲ存在“快—慢—快—慢—快”的沉积过程。

图8 毕节地区乐平统含煤岩系旋回地层、层序地层、年代标尺、沉积速率综合对比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 结 论

(1) 对毕节地区乐平统含煤岩系4 个钻孔剖面的GR 数据进行时间序列分析,识别出了11.1 ～19 m、2.6 ～4.7 m、1 ～1.69 m 的优势沉积旋回,分别对应于405 kyr 长偏心率周期、125 kyr 和95 kyr 短偏心率周期以及40.6 kyr 和33 kyr 地轴斜率周期。利用相关系数法证实了乐平统的沉积旋回受到了天文周期驱动。

(2) 在毕节地区乐平统共识别出17 个405 kyr 长偏心率周期驱动的沉积旋回,长偏心率旋回和四级层序之间有着良好的对应关系,煤层多发育在滤波曲线波峰(四级层序最大海泛面)附近。

(3) 基于旋回地层分析建立了毕节地区乐平统天文年代标尺。据此估算,乐平统沉积时限最短为6.47 Myr,最长为7.16 Myr,说明区内乐平统底部可能存在0.69 Myr 的穿时现象；3 个三级层序CSⅠ、CS Ⅱ、CS Ⅲ的沉积时限分别为2.34 Myr、1.98 Myr、2.84 Myr。

(4) 乐平统平均沉积速率在2.91 ～4.11 cm/kyr之间。沉积速率整体的变化特征,CSⅠ呈现出“慢—快”或“快—慢—快”的变化趋势；CS Ⅱ规律不明显；CS Ⅲ呈现出“快—慢—快—慢—快”的变化趋势。