塔里木盆地奧陶系薩爾干組旋回地層學研究

摘 要 【目的】中—上奧陶統薩爾干組是一套在塔里木盆地廣泛分布的海相烴源巖，其沉積模式尚不明確。高分辨率地質年代學的約束有助于精確刻畫薩爾干組沉積過程。【方法】對新疆阿克蘇市柯坪地區蘇巴什溝剖面長度為9.0 m的薩爾干組進行質量磁化率測試，并利用獲得的701個數據進行詳細的旋回地層學分析。【結果】通過頻譜分析識別出0.741～1.283 m、0.204～0.267m、0.057～0.071 m和0.035～0.039 m的顯著譜峰，其比例約為21.14∶7.71∶5.71∶1.86∶1.11∶1，與中—晚奧陶世天文軌道旋回周期的比值相近。利用405 ka長偏心率旋回的周期進行天文校準，得到短偏心率、斜率和歲差旋回的周期分別為100 ka、30.6～31.2 ka和20.0～21.8 ka。利用識別出的長偏心率旋回建立了研究剖面持續時間為～3.9 Ma的“浮動”天文年代標尺。以Nemagraptusgracilis 筆石帶底界作為等時界面，實現了蘇巴什溝剖面和大灣溝剖面（上奧陶統底界全球輔助層型剖面）在405 ka時間尺度上的旋回地層對比，計算出蘇巴什溝剖面薩爾干組開始沉積的時間比大灣溝剖面晚約1.03 Ma。【結論】上述研究支持薩爾干組形成于逐步海侵過程。此外，～1.2 Ma的超長斜率旋回可能控制著薩爾干組沉積期的海平面變化。

關鍵詞 塔里木盆地；中—上奧陶統；旋回地層對比；1.2 Ma斜率旋回；沉積模式

第一作者簡介 高源，男，2001年出生，本科，海洋科學，E-mail： 1011191126@cugb.edu.cn

通信作者 房強，男，副教授，古生物學與地層學、旋回地層學，E-mail： fangqiang@cugb.edu.cn

中圖分類號 P534.42 文獻標志碼 A

0 引言

塔里木盆地中—上奧陶統薩爾干組是一套滯留盆地相沉積地層[1?2]，是我國著名的海相烴源巖之一[3?5]。前人從巖石學、地球化學、地球物理學、層序地層學等方面對薩爾干組頁巖進行廣泛的研究[1，6?11]，并為薩爾干組黑色頁巖的形成提出兩種可能的沉積模式，分別為海侵模式和海退模式[12]。海侵模式認為薩爾干組沉積于明顯的海侵過程，海水逐漸淹沒碳酸鹽臺地的同時，富含有機質的沉積物在臺地上堆積形成黑色頁巖；海退模式則傾向薩爾干組形成于海退過程，該過程使盆地與開闊海洋溝通變差，底層水循環減弱，導致富含有機質的沉積物形成黑色頁巖[12]。全球廣泛分布的與薩爾干組同時期的富含有機質黑色頁巖似乎證實了海侵模式[13?14]，但柯坪地區不同剖面間碳同位素的變化趨勢與該模式相矛盾[12]。由大灣溝組灰巖到薩爾干組黑色頁巖的巖性突變被認為是海平面下降使得盆地與開闊海洋溝通變差，底層水缺氧導致，這是海退模式的主要證據。但是，上奧陶統最底部Nemagraptus gracilis 筆石帶并未在柯坪地區四石場剖面識別出，關鍵生物帶的缺失不支持這種解釋[16]。因此，巖性、生物和化學地層學等結果的不吻合，使得準確判斷薩爾干組沉積模式更為困難[12]。高精度的地質年代可以約束薩爾干組的沉積時限，實現高精度的區域地層對比，為薩爾干組的沉積模式提供更高分辨率的年代學證據。

旋回地層學通過識別和解釋地層中保存的由地球軌道力（如偏心率、斜率和歲差旋回）控制的（準）周期性沉積旋回信號，建立精度可達20～400 ka的天文年代標尺，從而精確約束各種地質事件及地質過程的絕對年代和持續時間[17]。前人在中—晚奧陶世旋回地層學研究中取得顯著成果[18?19]，在此期間發生的氣候變冷和碳同位素漂移等重大事件均被證明可能與地球軌道旋回控制的古氣候變化有關[19?20]。目前，～1.2 Ma超長斜率旋回已經被證明是奧陶紀氣候和冰川—海平面變化的重要驅動因素之一[18?19]。

前人已經對塔里木盆地大灣溝剖面薩爾干組進行詳細的旋回地層學研究，建立的高精度天文年代標尺，為中—晚奧陶世提供了高分辨率的年代地層框架[18]。本文對塔里木盆地蘇巴什溝剖面中—上奧陶統薩爾干組進行系統樣品采集并進行質量磁化率測試，利用獲得的數據開展詳細的旋回地層學研究，識別剖面地層中記錄的米蘭科維奇旋回，利用地質歷史時期穩定的405 ka長偏心率旋回建立高精度的天文年代標尺，旨在：（1）實現40萬年偏心率時間尺度上薩爾干組的地層對比；（2）確定薩爾干組的沉積模式；（3）探討薩爾干組沉積時期海平面變化驅動機制。

1 地質背景與研究剖面

塔里木盆地位于中國的西北部，面積約占5.6×105 km2，是世界上最大的內陸盆地之一。其內部主要被塔克拉瑪干沙漠所覆蓋，露頭僅見于西北部和東北部地區（圖1b）。塔里木盆地發源于前震旦紀陸殼基底[10]，古生代位于岡瓦納大陸和勞倫大陸之間的古特提斯洋[22]。中—晚奧陶世，塔里木盆地位于北半球岡瓦納大陸西北緣，毗鄰西伯利亞、華南、華北以及澳大利亞板塊[23?24]（圖1a）。前人將塔里木盆地分為十二個一級構造單元，分別為三個隆起（塔北隆起、中央隆起和塔南隆起）、五個坳陷（庫車坳陷、北部坳陷、西南坳陷、東南坳陷和塘古孜巴斯坳陷）和四個邊緣斷隆構造（柯坪斷隆、庫魯克塔格斷隆、鐵克力克斷隆和阿爾金山斷隆）[25]。研究剖面所在的柯坪地區位于中央隆起的西部，奧陶紀屬于斜坡相沉積環境[1，12]。該地區沉積層序所對應的海進—海退旋回結構在塔里木盆地范圍內可以很好地對比，并且與全球海平面變化曲線類似，反映了該地區沉積地層的發育受到全球海平面變化的控制[10]。

塔里木盆地薩爾干組出露厚度為6.0～13.0 m，巖性為夾少量灰巖薄層或透鏡體的黑色碳質泥頁巖，局部含有少量泥質條帶[15]。在柯坪地區沿北東—南西向出露于蘇巴什溝以東、四石廠以西、沙井子—三岔口以北以及烏什以南等地[26]。薩爾干組產出四個筆石帶，從下到上依次為Pterograptus elegans 帶、Didymograptus murchisoni 帶、Dicellograptus vagus 帶和Nemagraptus gracilis 帶[16]，其時代為奧陶紀達瑞威爾晚期到桑比早期（圖1c）。本文研究的蘇巴什溝地區（地理坐標為40°35′27″ N，78°57′20″ E）是所有產出薩爾干組沉積序列中最西端的剖面[1]。蘇巴什溝剖面從底部到頂部依次出露大灣溝組、薩爾干組和坎嶺組。其中薩爾干組厚度為9.0 m（圖2a），巖性主要為黑色頁巖夾薄層灰巖透鏡體，與下伏大灣溝組薄層灰巖和上覆坎嶺組灰巖界線清晰且均為整合接觸，夾于薩爾干組上部和下部的薄層灰巖差異顯著，下部可見泥粒灰巖或顆粒灰巖，上部主要為含生屑泥質灰巖[1]。N. gracilis 帶首次出現層位（firstappearance datum，FAD）為桑比階的底界[12]，蘇巴什溝剖面N. gracilis 帶FAD大致在薩爾干組6.1 m處[16]（圖2a）。

大灣溝剖面（40°43′16″ N，79°31′51″ E）在2000 年被推薦為上奧陶統底界全球輔助層型剖面[14]，是目前薩爾干組實測厚度最大、研究程度最高的剖面[1]（圖1b）。該剖面位于蘇巴什溝剖面東北約50 km處的柯坪縣印干村西北側，該剖面的薩爾干組實測厚度為12.0 m，由黑色頁巖夾灰黑色薄層或透鏡狀泥屑灰巖組成。沿大灣溝剖面，海相地層從大坪階到凱迪階中部連續出露，依次為大灣溝組、薩爾干組、坎嶺組和印干組（圖1c）。在大灣溝剖面的薩爾干組黑色頁巖中還可見草莓狀黃鐵礦[1]。大灣溝剖面薩爾干組的旋回地層學結果已經由前人發表[18]，作為本研究對比依據。

2 研究方法

2.1 古氣候替代指標及其測試

磁化率（magnetic susceptibility，MS）是衡量一個物質被磁化難易程度的無量綱巖石磁學參數。通常情況下，經測試的樣品磁化率為巖石中各種磁性礦物（順磁性、反磁性和鐵磁性礦物）的磁化率值總和[27]。磁化率值的變化可以作為陸源輸入的指標[28?29]。在海相地層中，當日照量處于較高（低）階段時，氣溫升高（降低），降水增加（減少），地表徑流增強（減弱），因此巖石磁化率值較高（低）。磁化率的變化還能夠記錄冰期—間冰期旋回以及更高頻的氣候振蕩等[30?31]。

蘇巴什溝剖面薩爾干組厚9.0 m，野外共計采集701個樣品。馬璐等[1]對大灣溝剖面和蘇巴什溝剖面薩爾干組灰巖夾層進行沉積微相分析，結果表明這些灰巖形成于斜坡上部的淺水灰巖沉積區，經重力流作用后被運移到此處，屬于異源鈣質濁積巖，因此本文將蘇巴什溝剖面薩爾干組0.99～1.02 m、1.89～1.92 m、2.91～2.94 m、7.80～7.82 m、8.40～8.42 m 采集的灰巖數據移除，從而排除異源鈣質濁積巖的影響（圖2）。合理的采樣間距可以確保采集的樣品數據記錄所需天文周期的最高頻率信號[32]。根據Nemagraptus gracilis 等筆石生物年代框架的約束[15]和對大灣溝剖面薩爾干組頁巖0.19 cm/ka沉積速率的估計[18]，對蘇巴什溝剖面薩爾干組以1～2 cm間距采樣。將濁積巖移除后的沉積序列共8.9 m，對野外采集樣品進行碎樣裝塑料方盒，使用中國地質大學（北京）古地磁實驗室MFK1-FA卡帕橋磁化率儀測得數據。大灣溝剖面的磁化率數據源于Fang et al.[18]。

2.2 數據處理與旋回分析

剖面移除灰巖后的數據序列為8.9 m，共測得691組數據，對其進行間隔為0.013 m的線性插值。使用Matlab軟件中的smooth.m函數，采用“moving”方法計算并去除大于1.3 m的長周期和趨勢，保留高頻旋回信號[32]。為了識別米蘭科維奇信號，對插值、平滑處理后的等間距深度域序列進行多窗口頻譜（Multi-Taper Method，MTM）分析[33]，同時對預處理后的序列進行滑動頻譜分析來確定不同深度的周期分布特征[27]。利用穩定的405 ka周期建立年齡模型，在Matlab中通過depthtotime.m函數[27]將磁化率深度域序列轉換為時間序列。對獲得的時間域序列進行頻譜分析和帶通濾波分析的天文旋回檢驗。除濾波分析在R[34] 的“Astrochron”軟件包中的“Bandpass”函數[35]下執行外，其余分析均在Matlab中完成。

2.3 中奧陶世天文學參數

奧陶紀雖然沒有可靠的天文解決方案，但利用地質歷史時期穩定的405 ka長偏心率周期[36?37]，可以實現天文校準。Fang et al.[38]在華北板塊上奧陶統平涼組中，識別出的斜率周期為30.6 ka，歲差周期為19.6 ka和16.3 ka。塔里木盆地大灣溝剖面的中—晚奧陶世薩爾干組記錄的短偏心率、斜率和歲差周期分別為100 ka、31 ka 和～20 ka[18]。前人計算出，458.4 Ma時地球斜率周期為33.2±3.8 ka，歲差周期為20.8±1.5 ka和17.0±1.1 ka[39]。Svensen et al.[40]從挪威奧斯陸地區獲得斜率周期為30.3 ka，歲差周期為19.2 ka和16.3 ka，并得到了高精度鋯石U-Pb年代學的支持。前人基于405 ka長偏心率校準獲得的奧陶紀軌道周期與估算的天文軌道周期基本一致（表1），因此本文采用405 ka長偏心率周期進行校準。

3 結果

3.1 磁化率數據結果

蘇巴什溝剖面薩爾干組磁化率值整體在（1～8）×10-8 m3/kg之間變化，平均值為4.36×10-8 m3/kg。在0～3.5 m厚度范圍內磁化率值先迅速降低，此后磁化率值緩慢下降，波動范圍較小，整體處于低值狀態；在3.5～5.8 m厚度范圍內，磁化率值逐步升高后保持穩定，整體為趨勢平穩的高值；5.8～9.0 m處磁化率值較前一段有所降低，磁化率值的變化幅度也較明顯（圖2a）。大灣溝剖面薩爾干組磁化率值的變化范圍為（1～12）×10-6 SI，平均值為5.5×10-6 SI（圖2b）。大灣溝剖面磁化率的變化趨勢整體與蘇巴什溝剖面的磁化率序列相似。蘇巴什溝剖面在0～3.5 m處與大灣溝剖面2.4～6.0 m處磁化率均呈降低趨勢，蘇巴什溝剖面在3.5～5.8 m處與大灣溝剖面6.0～8.8 m處磁化率值均迅速達到高值并呈波動變化，在N.gracilis 筆石的首現層位處，磁化率均為低值，以及蘇巴石溝剖面6.0～9.0 m與大灣溝剖面9.0～10.5 m均具有兩處明顯峰值（圖2）。蘇巴什溝剖面與大灣溝剖面[18]具有相似的變化趨勢，磁化率的高值對應了黑色頁巖，磁化率的低值對應了夾雜薄層灰巖的頁巖。

3.2 旋回地層學分析結果

對蘇巴什溝剖面薩爾干組深度域磁化率序列進行頻譜分析和滑動頻譜分析，識別到多個高置信優勢峰譜，分別在0.741～1.283 m、0.204～0.267 m、0.057～0.071 m和0.035～0.039 m具有優勢峰值，其置信度均大于95%，在滑動窗口頻譜分析中也可以找到對應的能量信號（圖3a，b）。以上顯著譜峰與Fanget al.[18]在大灣溝剖面識別的0.7～1.0 m、0.20～0.26 m、0.042～0.055 m 和0.030～0.034 m 的峰值接近。其比值約為21.14∶7.71∶5.71∶1.86∶1.11∶1，與前人預測的奧陶紀地球軌道參數周期吻合（表1），這些峰值可能分別代表長偏心率（E）、短偏心率（e）、斜率（O）和歲差（P）周期（圖3a，b）。這表明蘇巴什溝剖面薩爾干組的沉積可能受到了天文軌道力的控制。

3.3 “浮動”天文年代標尺的建立

根據MTM頻譜分析的結果，對蘇巴什溝剖面深度域磁化率數據序列進行帶通濾波，以提取地層中記錄的長偏心率信號。蘇巴什溝剖面濾波帶寬為1.0±0.2 旋回/m，大灣溝剖面濾波帶寬為1.2±0.3旋回/m。濾波結果共識別出10個長偏心率旋回（圖2a）。利用405 ka年齡模型進行天文調諧，將磁化率的深度域序列轉化為時間域序列。為了檢驗旋回周期識別的合理性以及天文校準的可靠性，將校準后得到的磁化率時間序列進行頻譜分析。蘇巴什溝剖面時間域的頻譜分析結果顯示在405 ka、100 ka、31.2ka、30.6 ka、21.8 ka、20.6 ka和20.0 ka處有顯著波峰（圖3c，d）。因此，根據405 ka年齡模型的天文校準，將剖面深度域序列轉化為時間域序列，建立了蘇巴什溝剖面薩爾干組～3.9 Ma的“浮動”天文年代標尺。

4 討論

4.1 薩爾干組旋回地層對比

柯坪地區和北部坳陷區阿瓦提斷陷的薩爾干組是在快速海進背景下，發育于滯留盆地相的一套欠補償的凝縮段沉積[1?2]。Fang et al.[18]依據N.gracilis 筆石帶的FAD對應于桑比階底界（458.4 Ma），將大灣溝剖面的浮動天文年代標尺校準到國際地質年代標尺上。因此，將N.gracilis 筆石帶的首現層位作為基準，將兩個剖面的天文年代標尺共同校準到國際地質年代表上進行剖面間對比（圖4）。對比結果顯示，不論是405 ka長偏心率周期的良好對應關系還是磁化率數據序列的變化趨勢，均證實了兩個剖面間薩爾干組高精度旋回地層對比的可靠性。

根據校準結果顯示，大灣溝剖面在462.5～461.5 Ma的磁化率值為高值，直到～460.1 Ma兩個剖面的磁化率值一直呈緩慢下降趨勢，振幅較小。此后兩個剖面的磁化率值均呈上升狀態，并且呈波動狀變化（圖4）。磁化率的降低已被證明是由于日照量增大，海平面升高所導致[43]。值得注意的是，薩爾干組上、下部夾層灰巖透鏡體不同的微相也指示了海平面的上升。由西南至東北的方向，蘇巴什溝和大灣溝剖面的薩爾干組下部的灰巖薄層微相中可見粗砂屑顆粒堆積層，指示海侵前相鄰的淺海碳酸鹽巖臺地被機械搬運異地快速沉積成巖，上部的含生屑泥狀灰巖可能代表海平面上升后在滯留盆地內的正常沉積[1]。薩爾干組沿柯坪—阿克蘇一線經歷了從無到有，從薄到厚的變化，同時下部灰巖透鏡體夾層數量呈現大灣溝剖面多，蘇巴什溝少的特點。夾層數量呈現大灣溝剖面多，蘇巴什溝少的特點。前人在大灣溝的黑色頁巖中觀察到了草莓狀黃鐵礦[18]，而在蘇巴什溝剖面目前尚未發現，說明大灣溝剖面薩爾干組沉積于還原環境，指示大灣溝剖面相對蘇巴什溝剖面薩爾干組更靠近下部，水體更深。

綜上所述，本文建立了中—晚奧陶世大灣溝剖面和蘇巴什溝剖面的沉積古地理相對位置，并根據海平面升降關系，確定大灣溝剖面在～462.5 Ma時先開始沉積薩爾干組（圖5a），隨著海侵的進行，海平面不斷上升，蘇巴什溝剖面直到～461.5 Ma時薩爾干組才開始沉積（圖5b），晚于大灣溝剖面～1.03 Ma。此后海平面短時間內雖略有下降，但整體仍為上升趨勢，兩個剖面薩爾干組均連續沉積至～457.7 Ma（圖5c）。上述分析表明大灣溝和蘇巴什溝剖面的薩爾干組在明顯的海侵中先后接受沉積（圖5），支持了前人所提出的海侵模式[12]。

4.2 斜率調制周期與海平面變化

生物地層學、層序地層學以及氣候模擬等方面的大量研究均證明了中奧陶世冰川的存在[44?49]。塔里木盆地蘇巴什溝剖面薩爾干組黑色頁巖是一套連續的中奧陶世海相地層沉積，為研究斜率超長周期對該時期冰川—海平面變化的驅動機制解釋提供了理想的材料。大灣溝和蘇巴什溝兩個剖面斜率周期的振幅調制記錄（圖6d，e）顯示～30.6 ka斜率旋回的振幅變化具有～1.2 Ma的主要周期。～462.5 Ma大灣溝剖面薩爾干組開始沉積時期，此階段磁化率值整體偏高，對應了～1.2 Ma斜率周期的振幅增大階段，恰好與薩爾干組沉積處于海平面上升時期相吻合（圖6a，b）；隨后直到～460.3 Ma時，磁化率值一直呈現降低的趨勢，對應了～1.2 Ma斜率周期的振幅減小階段。～459.9 Ma 薩爾干組的磁化率值升高，斜率振幅增大，此時對應海平面上升時期。～1.2 Ma斜率長周期與全球海平面變化具有共同的相位關系，～1.2 Ma斜率長周期的最低值對應了海平面的低位。在～1.2 Ma斜率周期的低值階段，地軸斜率長期處于較弱的狀態，振幅波動較小，季節性反差不大，夏季較為涼爽，冬季較為溫和，利于高緯地區冰川逐年積累，最終導致海平面的降低[19，50]；相反，當～1.2 Ma斜率周期處于高值階段時，振幅波動較大，季節性增強，炎熱的夏季和寒冷的冬季不利于高緯地區冰川的積累，從而使得海平面升高。綜上所述，薩爾干組沉積時期的海平面變化受到了～1.2 Ma超長斜率旋回的控制。

5 結論

（1） 塔里木盆地蘇巴什溝剖面地層記錄了完整的米蘭科維奇信號，其中包括405 ka 長偏心率、100 ka短偏心率、30.6～31.2 ka斜率以及20.0～21.8 ka歲差旋回。

（2） 利用405 ka長偏心率周期進行天文年代校準，建立了蘇巴什溝剖面薩爾干組的天文年代標尺，以Nemagraptus gracilis筆石帶的首現層位作為等時界面，將大灣溝剖面和蘇巴什溝剖面薩爾干組在405 ka長偏心率時間尺度上進行了高精度對比，證明了中—晚奧陶世時期薩爾干組的沉積模式為海侵模式。

（3） 中奧陶世海平面變化或受控于～1.2 Ma超長斜率旋回。

致謝 感謝兩位審稿專家和編輯部各位老師對本文提出的寶貴建議，感謝中國地質大學（北京）海洋學院許俊杰博士、紀永朝和王志鵬碩士在野外的采樣工作，感謝海洋學院陳昱、劉郅航、熊志杰同學參與了樣品的處理。

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基金項目：國家自然科學基金項目（41925010，42072039）