謝 琴 陳家勝 劉曉靜 劉秀銘，3

1 福建師范大學(xué)地理研究所，福建福州350007

2 福建師范大學(xué)濕潤亞熱帶生態(tài)—地理過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建福州350007

3 麥考瑞大學(xué)環(huán)境與地理系，澳大利亞悉尼NSW 2109

1 概述

地球軌道參數(shù)的周期性變化影響不同緯度和時(shí)間尺度上的太陽輻射量的周期性變化，進(jìn)而導(dǎo)致氣候的周期性變化，因此在地球表層沉積系統(tǒng)中會(huì)記錄著地球軌道的周期信號（米蘭科維奇旋回）（Milankovitch，1941；Hinnov，2000）。將地質(zhì)記錄中的米蘭科維奇旋回信號與標(biāo)準(zhǔn)天文理論曲線對比，可以更準(zhǔn)確地認(rèn)識地質(zhì)記錄的旋回與天文周期之間的聯(lián)系，確定氣候的主導(dǎo)周期以及地層的相對年代（Hinnov，2000；Hinnov，2013），對認(rèn)識地質(zhì)演化歷史具有重要意義。

根據(jù)Ruddiman（2001）所繪制的近30萬年以來不同緯度和不同季節(jié)太陽輻射量變化圖可知夏季高緯和低緯的太陽輻射量主要以歲差周期為主；汪品先等（2018）所繪制的2Ma以來的高低緯度月均太陽輻射量的頻譜分析表明，低緯（15°N）地區(qū)顯示強(qiáng)烈的歲差周期；Short等（1991）通過數(shù)值模擬表明中低緯度地區(qū)受到～20 ka歲差周期影響大，歲差周期受到偏心率的調(diào)控作用明顯。以上研究表明低緯氣候過程有強(qiáng)烈的歲差周期，歲差受偏心率周期調(diào)控。

第四紀(jì)的氣候驅(qū)動(dòng)機(jī)制研究較為成熟。低緯地區(qū)的非洲季風(fēng)是受歲差影響的典型例子，如熱帶大西洋ODP659站點(diǎn)（18°05′N，21°02′W）風(fēng)塵含量交叉頻譜分析的結(jié)果表明北非季風(fēng)呈現(xiàn)明顯的歲差和偏心率周期（Tiedemann et al.，1994）；被吹到熱帶大西洋的非洲干涸湖泊的硅藻記錄著～23 ka的歲差周期（Ruddiman，2001）。中低緯區(qū)域的亞洲季風(fēng)區(qū)石筍δ18O 數(shù)據(jù)記錄都表明主導(dǎo)周期為歲差周期，如：中國新疆科桑洞（42°52′N，81°45′E）（Cheng et al.，2012）、湖北三寶洞（31°40′N，110°26′E）和林竹洞（31°31′N，110°19′E）（Cheng et al.，2016）、江蘇葫蘆洞（32°30′N，119°10′E）（Cheng et al.，2009）、貴州董哥洞（25°17′N，108°5′E）（Wang et al.，2005）、云南小白龍洞（24°12′N，103°21′E）（Cai et al.，2015），印度北部Bittoo洞（30°47′N，77°46′E）（Kathayat et al.，2016）等。同時(shí)，中國廣東省湖光巖瑪珥湖（29°9′N，110°17′E）的孢粉記錄（Wang et al.，2007）和赤道印度洋MD900963站點(diǎn)（5°N，73°E）的海水表層生產(chǎn)力頻譜分析都顯示出明顯的歲差周期（Beaufort et al.，1997）。從上述研究來看，～20 ka歲差周期確實(shí)對低緯地區(qū)影響較大。

白堊紀(jì)中期（Aptian-Turonian：125—89Ma）是地質(zhì)歷史中的極熱期，深海與極地表層的極端溫度（15～20℃）（Huber et al.，2002；Jenkyns et al.，2004；Friedrich et al.，2012）以及熱帶海水表層溫度（33℃到35～36℃）（W ilson et al.，2002；Forster et al.，2007；Bornemann et al.，2008）都大大超過了現(xiàn)代值；大氣CO2濃度是工業(yè)革命前的4～10倍（Berner and Kothavala，2001）；赤道到兩極的溫度梯度比現(xiàn)在更低（Littler et al.，2011）。白堊紀(jì)中期全球廣泛發(fā)育了黑色頁巖（Schlanger and Jenkyns，1976）。Aptian期的黑色頁巖的沉積尤為顯著，且在歐洲海相地層中對其研究程度高。在Aptian早期，意大利中部Piobbico巖心（古緯度約20°N；Tiraboschi et al.，2009；圖1）的黑色頁巖層段和鄰近地層記錄的主導(dǎo)周期為斜率周期（Huang et al.，2010）；意大利北部的Cismon APTICORE（古緯度約20°N；圖1）黑色頁巖層的頻譜分析顯示主導(dǎo)周期為短偏心率、斜率和歲差周期（Li et al.，2008）；墨西哥東北部Santa Rosa峽谷剖面（古緯度約20°～30°N，圖1）的磁學(xué)參數(shù)頻譜分析結(jié)果均表明短偏心率與斜率周期信號強(qiáng)烈，歲差周期較弱（Li et al.，2008）；北大西洋DSDP398站點(diǎn)（古緯度介于20°～30°N之間；圖1）的磁學(xué)參數(shù)頻譜分析結(jié)果表明偏心率周期較強(qiáng)（Li et al.，2008）；古緯度為約30°N的法國南部Vocontian盆地（圖1）巖心的自然伽馬射線數(shù)據(jù)EHA分析結(jié)果表明歲差、斜率和偏心率都存在，但偏心率和斜率周期信號較強(qiáng)（Beil et al.，2020）。以上結(jié)果都是基于歐洲海相地層的研究，并且Aptian期的低緯度海相地層（20°～30°N）的主導(dǎo)周期多數(shù)以斜率周期為主。

圖1 120 Ma全球板塊分布以及相關(guān)研究區(qū)域的地理位置Fig.1 Map of global plate distribution at 120 Ma and geographical location of relevant study areas

歐洲海相白堊紀(jì)地層出露廣泛，研究程度較高，亞洲的中國區(qū)域陸相白堊系分布較廣，類型復(fù)雜多樣（Xi et al.，2019）。中國西北地區(qū)陸相白堊紀(jì)地層在六盤山盆地、酒泉盆地等區(qū)域廣泛分布（Xi et al.，2019）。酒泉盆地研究程度較高，并已經(jīng)將盆地內(nèi)下溝組黑色頁巖段的年代確定為早Aptian期（Li et al.，2013；Suarez et al.，2013）。古緯度約為23°N（Frost et al.，1995）的西北甘肅張掖南臺(tái)子地區(qū)也發(fā)育很好的白堊紀(jì)陸相沉積，地層與酒泉盆地劃分一致，存在相同時(shí)間段相似的黑色頁巖（楊雨，1997）。理論上說，其氣候過程極有可能呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的歲差周期，如果確實(shí)如此，這與歐洲白堊紀(jì)中期的低緯海相地層所呈現(xiàn)的斜率周期不同。因此有必要深入對南臺(tái)子下溝組黑色頁巖段氣候周期開展實(shí)驗(yàn)與分析，補(bǔ)充認(rèn)識白堊紀(jì)中期低緯地區(qū)陸相沉積的軌道周期變化規(guī)律。

2 地質(zhì)背景

白堊紀(jì)甘肅位于走廊潮水盆地，發(fā)育內(nèi)陸開闊盆地湖相泥質(zhì)—泥灰質(zhì)沉積，該地區(qū)的氣候以潮濕亞熱帶—熱帶氣候?yàn)橹鳎◤執(zhí)m生和方修琦，2012）。早期將巨厚黑色頁巖劃為赤金堡組的頂部，作為赤金堡組與下溝組的分界線（楊雨，1997）。Li等（2013）將黑色頁巖劃為下溝組的底部，根據(jù)鋯石U-Pb定年、植物化石的年齡參考以及與OAE1a事件相聯(lián)系，共同確定黑色頁巖的年代為早Aptian期（124—125Ma）。另外Suarze等（2013）在下溝組湖相地層通過碳同位素對比也確定黑色頁巖的年代為早Aptian期。因此河西走廊下溝組黑色頁巖年代應(yīng)屬于白堊紀(jì)早Aptian期。

研究區(qū)地處甘肅省西北部、河西走廊中段、祁連山北麓（圖2-a）。研究剖面位于臨澤縣倪家營鄉(xiāng)南臺(tái)子村彩色丘陵景區(qū)西側(cè)（圖2-b）。彩色丘陵是由下溝組和中溝組所組成（張荷生和崔振卿，2007），黑色頁巖位于下溝組底部（圖2-c）。為了便于采樣，在黑色頁巖的平行剖面開展研究，將該剖面命名為冰溝剖面（圖2-d）。

冰溝剖面發(fā)育了4段黑色頁巖，這4段頁巖之間間隔相似，厚度相當(dāng)，與黑色頁巖段相鄰的黃色段主要由礫石和砂巖組成。黑色頁巖Ⅱ段（38°57′N，99°59′E）出露更加完整且更具代表性（圖2-d），因此在黑色頁巖Ⅱ段進(jìn)行采樣。黑色頁巖Ⅱ段總厚29.85m，按照巖性主要分為3段（圖3）：剖面下段（0～11.75m）主要為黑色和灰色的泥巖和頁巖互層；中段（11.75～17.35m）主要為黃色、棕黃色、暗灰色粉砂巖，偶夾灰色、黑色泥頁巖；上段（17.35～29.85m）主要為黑色和灰色泥頁巖，偶夾黃色粉砂條帶。本次對黑色頁巖Ⅱ段從下至上進(jìn)行采樣（圖3），首先去除表層風(fēng)化物，在黑色和灰色區(qū)域以0.05m等間距連續(xù)采樣，黃色粉砂巖處根據(jù)巖性變化將采樣間距設(shè)為0.1～0.3m，在Ⅱ段共采樣523個(gè)。

圖2 甘肅張掖南臺(tái)子下溝組黑色頁巖段Google Earth圖和野外實(shí)景照片F(xiàn)ig.2 Google Earth map and field photos of the black shale of Xiagou Formation in Nantaizi，Zhangye of Gansu Province，China

圖3 甘肅張掖南臺(tái)子下溝組黑色頁巖Ⅱ段的巖性地層Fig.3 Lithologic stratigraphy of the black shale sectionⅡof Xiagou Formation in Nantaizi，Zhangye of Gansu Province，China

3 方法

3.1 碳酸鈣含量測定

碳酸鈣（CaCO3）含量采用氣量法測定，其實(shí)驗(yàn)步驟如下：首先將0.5 g樣品放入烘箱（＜65℃）烘干，用瑪瑙研缽將樣品研磨至均勻；其次使用碳酸鈣簡易裝置測試，加過量的濃度為10%的稀鹽酸于待測樣品中，等待鹽酸與樣品中的CaCO3完全反應(yīng)；最后讀取CaCO3與鹽酸反應(yīng)后產(chǎn)生的二氧化碳?xì)鈮褐?，根?jù)該氣壓值進(jìn)行換算就可得到樣品的CaCO3含量。本研究將全部樣品進(jìn)行CaCO3含量測試。

3.2 總有機(jī)碳和總有機(jī)氮含量測定

總有機(jī)碳（TOC）和總有機(jī)氮（TN）含量測定的實(shí)驗(yàn)步驟如下（Suarez et al.，2013；Zhang et al.，2016）：首先將1～2 g樣品研磨成粉狀，加入過量0.5mol的鹽酸去除無機(jī)碳。其次將樣品與過量鹽酸反應(yīng)直至把無機(jī)碳全部去除，再用去離子水將樣品洗滌多次直至pH 值達(dá)到中性。最后將樣品放置在45～50℃烘箱干燥后，重新研磨至均質(zhì)狀。本研究以0.25m 間隔選取153個(gè)樣品測試TOC。土壤總有機(jī)碳和總有機(jī)氮使用碳氮元素分析儀（Elementar Vario ELⅢ，德國）測量。以上實(shí)驗(yàn)在福建師范大學(xué)濕潤亞熱帶山地生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。

3.3 旋回地層學(xué)研究方法

3.3.1 頻譜分析（MTM 和EHA）

Multi-Taper Method（MTM）分析是將深度域信號轉(zhuǎn)化為頻率信號，并識別數(shù)據(jù)中的周期信號（Thomson，1982）。但MTM 僅能反映一段深度（時(shí)間）內(nèi)平均譜結(jié)構(gòu)，不能反應(yīng)頻率隨深度（時(shí)間）的變化情況（Meyers et al.，2001）。Evolutive Harmonic Analysis（EHA）是在數(shù)據(jù)窗口上使用滑動(dòng)MTM方法來分析深度（時(shí)間）域數(shù)據(jù)序列，可得到動(dòng)態(tài)空間頻率的譜結(jié)構(gòu)，該方法可以識別地層數(shù)據(jù)序列中的主導(dǎo)頻率周期的沉積速率變化情況（Meyers et al.，2001）。本研究有關(guān)MTM和EHA的分析全部根據(jù)R軟件“astrochron”包下的m tm和eha方法計(jì)算。

3.3.2 理論天文軌道周期

本研究的天文參數(shù)模型來自La2004（Laskar et al.，2004）天文解決方案（提供過去250Ma到未來的250Ma的參數(shù)模型），La2004方案已經(jīng)考慮地月的潮汐耗散與太陽系的混沌運(yùn)動(dòng)等影響因素，可建立不確定性為0.2%的浮動(dòng)天文年代標(biāo)尺。作者利用La2004天文解決方案計(jì)算早Aptian（120—125Ma）時(shí)期的偏心率、斜率和歲差周期變化理論值（圖4），經(jīng)過頻譜分析后得到5個(gè)偏心率周期（400.08 ka、131.61 ka、123.48 ka、99.03 ka、94.36 ka）、3個(gè)斜率周期（46.74 ka、36.77 ka、35.72 ka）和3個(gè)歲差周期（22.23 ka、21.06 ka、17.99 ka）。本研究關(guān)于黑色頁巖段的旋回分析將以頻譜分析得到的理論天文周期為基準(zhǔn)。整個(gè)冰溝剖面的旋回周期分析采用的理論周期為1600 ka、405 ka、100 ka（Huang et al.，2010）。

圖4 甘肅張掖南臺(tái)子下溝組黑色頁巖Ⅱ段早Aptian期（120—125Ma）的歲差、斜率和偏心率的頻譜分析結(jié)果Fig.4 Spectrum analysis results of precession，obliquity，and eccentricity cycles of the black shale sectionⅡof Xiagou Formation in Nantaizi，Zhangye of Gansu Province，China during early Aptian（120-125 Ma）

3.3.3 平均頻譜擬合差（ASM）

Average Spectral Misfit（ASM）方法能夠準(zhǔn)確識別和校正地層中的軌道信號。它通過計(jì)算每個(gè)沉積速率下對應(yīng)的地層軌道信號與理論天文信號的平均差值（ASM值），并利用蒙特卡洛模擬測試無軌道信號的零假設(shè)可信度，從而得到最優(yōu)沉積速率（Meyers and Sageman，2007）。預(yù)處理后的CaCO3數(shù)據(jù)進(jìn)行ASM分析，在整個(gè)ASM 計(jì)算中用到的理論天文周期為123.48 ka、94.36 ka、36.77 ka、22.23 ka、17.99 ka。置信度水平設(shè)為0.95%，設(shè)置100個(gè)等間距沉積速率，沉積速率范圍設(shè)為1～100 cm／ka，進(jìn)行10 000次蒙特卡洛模擬。本研究有關(guān)ASM的分析全部根據(jù)R軟件“astrochron”包下的asm方法計(jì)算。

3.3.4 年代標(biāo)尺優(yōu)化法（Tim eOp t）

Time-scale Optimization（TimeOpt）綜合考慮地層數(shù)據(jù)周期間層級關(guān)系和地層數(shù)據(jù)計(jì)算的軌道信號調(diào)制屬性，識別氣候主導(dǎo)周期，從而根據(jù)地層厚度計(jì)算最優(yōu)沉積速率（Meyers，2015；Meyers，2019）。TimeOpt方法的核心是對天文信號的2個(gè)屬性進(jìn)行評估，即歲差和偏心率的頻譜功率與歲差信號的偏心率幅度調(diào)制屬性的集中度，這2個(gè)屬性都是根據(jù)線性概率統(tǒng)計(jì)模型來評估的。包絡(luò)線回歸模型評估通過帶通濾波以及希爾伯格變換提取的歲差振幅包絡(luò)線與偏心率模型之間的擬合程度，利用最小二乘估計(jì)確定每個(gè)沉積速率下所對應(yīng)的最佳擬合，每個(gè)沉積速率下“擬合”質(zhì)量是根據(jù)偏心率模型和歲差包絡(luò)線之間的Pearson相關(guān)系數(shù)來量化的，從而得到相關(guān)性頻譜功率回歸模型是評估經(jīng)過沉積速率校正后的時(shí)間校準(zhǔn)序列的天文目標(biāo)周期（歲差與偏心率）頻譜功率集中度，擬合質(zhì)量是通過時(shí)間校準(zhǔn)序列與天文模型序列之間的相關(guān)性確定，得到最終的擬合度結(jié)合了振幅包絡(luò)線與頻譜功率評估的信息，通過蒙特卡洛模擬對無天文信號的零假設(shè)進(jìn)行正式評估，確定的統(tǒng)計(jì)顯著性。Meyers等（2015）對OPD 926B站點(diǎn)的底棲有孔蟲δ18O數(shù)據(jù)進(jìn)行TimeOpt方法分析，在功率譜圖中表現(xiàn)出了強(qiáng)烈的斜率信號。當(dāng)有強(qiáng)烈的斜率信號時(shí)，在頻譜功率圖中仍然能識別出斜率周期。因此TimeOpt方法不僅能夠識別偏心率與歲差，也能識別出斜率周期。

對整個(gè)冰溝剖面（圖2-d）進(jìn)行旋回周期分析時(shí)，首先提取該剖面的紅度值，將紅度值標(biāo)準(zhǔn)化，并且進(jìn)行傾角（60°）校正。隨后將紅度值進(jìn)行預(yù)處理（間隔設(shè)置為0.22m）以及TimeOpt分析，在整個(gè)TimeOpt計(jì)算中，線性概率回歸模型使用超長偏心率（1600 ka）、長偏心率周期和短偏心率周期（405 ka、100 ka），Taner濾波器帶寬范圍設(shè)置為1／250～1／650 cycles／ka（roll-off rate設(shè) 置 為103）；設(shè)置100個(gè)等間距沉積速率，沉積速率范圍設(shè)置為1～40 cm／ka。

對黑色頁巖段的CaCO3含量和TOC含量數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理（CaCO3含量的間隔設(shè)置為0.05m，TOC含量的間隔設(shè)置為0.1m）。預(yù)處理后進(jìn)行TimeOpt分析，在整個(gè)TimeOpt計(jì)算中，線性概率回歸模型使用4個(gè)偏心率周期（131.61 ka、123.48 ka、99.03 ka、94.36 ka）和3個(gè)歲差周期（22.23 ka、21.06 ka、17.99 ka），歲差包絡(luò)線利用Taner過濾器提取，其濾波器帶寬范圍設(shè)置為0.035～0.065 cycles／ka（roll-off rate設(shè)置為103）；設(shè)置100個(gè)等間距沉積速率，CaCO3沉積速率范圍為1～100 cm／ka，TOC的沉積速率范圍設(shè)置為1～20 cm／ka。本研究有關(guān)TimeOpt的分析全部根據(jù)R的“astrochron”包下的TimeOpt和TimeOptSim 方法計(jì)算。

4 結(jié)果

4.1 古氣候替代性指標(biāo)

研究沉積地層氣候數(shù)據(jù)的軌道周期需要選擇合理古氣候替代性指標(biāo)。CaCO3含量和TOC含量都是常用的古氣候替代性指標(biāo)。根據(jù)前人研究表明TOC含量是指示古湖泊的初級生產(chǎn)力的良好指標(biāo)（陳發(fā)虎等，2001），在同樣條件下，湖泊的生產(chǎn)力越高，則沉積物中的有機(jī)質(zhì)含量高，TOC含量也就越高。但TOC的來源復(fù)雜多樣，來源不同的TOC所攜帶的氣候信息不同。TOC／TN值大小能明顯區(qū)分湖泊中的TOC是湖泊水生植物還是受陸源植物碎屑影響而形成的（錢君龍 等，1997；Meyers and Ishiwatari，1993；Meyers et al.，1998），陸源有機(jī)質(zhì)的TOC／TN值為20～30，湖泊自身的浮游藻類和大型水生植物的TOC／TN值分別為4～10和10～20之間（Meyers and Lallier-vergés，1999）。從圖5可知，黑色頁巖Ⅱ段的TOC／TN值都小于20，因此黑色頁巖Ⅱ段沉積物的TOC主要來源于湖泊本身。影響湖泊水生植物生長的主要因素是溫度與營養(yǎng)鹽，溫度升高，植物光合作用加強(qiáng)，水生植物大量繁殖，因此湖泊生產(chǎn)力提高（楊倫慶等，2009）。在生物生產(chǎn)力高的湖泊中，大量水生植物生長所需的光合作用會(huì)消耗大量CO2，進(jìn)而導(dǎo)致CaCO3發(fā)生沉淀（宋磊等，2012）。因此湖泊中生物生產(chǎn)力的提高與CaCO3含量的增加具有良好的相關(guān)性（Hodell et al.，1999；陳敬安等，2002）。從 圖5中可見TOC與CaCO3含量曲線變化相近，并且在隨深度變化趨勢以及幅度上具有較好的可對比性。因此TOC與CaCO3的同時(shí)富集主要是因?yàn)楹此参锏拇罅糠敝乘鶎?dǎo)致的。與TOC相比，CaCO3含量的分辨率較高，對后期的周期分析更有益，且CaCO3含量測試更便捷、快速和有效。因此綜合考慮，最終將CaCO3含量作為古氣候替代性指標(biāo)。

圖5 甘肅張掖南臺(tái)子下溝組黑色頁巖Ⅱ段CaCO3含量、TOC含量和TOC／CN值變化Fig.5 Variation of content of CaCO3 and TOC，TOC／CN values of the black shale sectionⅡof Xiagou Formation in Nantaizi，Zhangye of Gansu Province，China

4.2 黑色頁巖研究區(qū)浮動(dòng)年代標(biāo)尺

地質(zhì)樣品的紅色與氧化鐵的含量有關(guān)，F(xiàn)e3+代表相對干旱的氧化環(huán)境；灰黑色與有機(jī)質(zhì)和碳酸鹽的含量有關(guān)，代表相對還原的濕潤環(huán)境（劉秀銘等，2014）。張掖南臺(tái)子下溝組冰溝剖面的影像（圖6-a）進(jìn)行紅度（a*）提取，將傾角（60°）進(jìn)行校正，可初步建立a*變化曲線（圖6-a）。將紅度值代入TimeOpt分析，根據(jù)包絡(luò)回歸模型以及頻譜功率回歸模型確定紅色的包絡(luò)線擬合曲線和黑色的頻譜功率擬合曲線（圖6-b），包絡(luò)線擬合曲線顯示了在沉積速率為29.7 cm／ka下最大的值為0.58，頻譜功率擬合曲線顯示了在沉積速率為12.6 cm／ka下最大的的值0.16。與的乘積確定了在沉積速率為28.6 cm／ka下最大的的值0.114（圖6-c）。使用與數(shù)據(jù)相同的lag-1自相關(guān)系數(shù)的AR1替代值（ρARI=0.80）進(jìn)行2000次蒙特卡羅模擬，得出沉積速率28.6 cm／ka下觀測的=0.114的ρ-value值為0.005，這表明可以在99.5%的置信水平上拒絕非天文驅(qū)動(dòng)的零假設(shè)（圖6-d）。圖6-e顯示在最佳沉積速率28.6 cm／ka時(shí)天文目標(biāo)周期（紅色虛線）與地層周期（黑色曲線）的擬合情況，目標(biāo)周期與地層周期在超長偏心率、長偏心率處擬合良好，短偏心率擬合較弱，表示在地層中超長偏心率與長偏心率周期信號較強(qiáng)，短偏心率周期信號較弱。TimeOpt重建的超長偏心率模型（黃線）與超長偏心率振幅包絡(luò)線（藍(lán)線）的擬合結(jié)果如圖6-a所示，2條曲線波動(dòng)大致相同，表明二者的擬合情況較好，并且從圖6-a中能明顯看出紅度值（紅線）的變化波動(dòng)與長偏心率振幅大小（黑線）一致性良好，由此看出冰溝剖面的40萬年長偏心率周期顯著，并且在地質(zhì)歷史當(dāng)中40萬年碳周期較為常見（汪品先等，2018）。根據(jù)TimeOpt方法計(jì)算的浮動(dòng)年代標(biāo)尺如圖6-a所示，整個(gè)冰溝剖面的持續(xù)沉積時(shí)間為2.884Ma。因此，將a*代入TimeOpt方法得到南臺(tái)子冰溝剖面的沉積速率為28.6 cm／ka，沉積持續(xù)時(shí)間為2884 ka，且具有顯著的40萬年長偏心率周期。

圖6 甘肅張掖南臺(tái)子下溝組冰溝剖面紅度（a*）的TimeOpt分析Fig.6 TimeOpt analysis of a* of the Binggou section of Xiagou Formation in Nantaizi，Zhangye of Gansu Province，China

4.3 下溝組黑色頁巖Ⅱ段主導(dǎo)周期

4.3.1 ASM 計(jì)算結(jié)果

甘肅張掖南臺(tái)子下溝組黑色頁巖Ⅱ段的CaCO3含量序列ASM分析結(jié)果如圖7所示。MTM頻譜分析揭示了CaCO3含量序列中有2個(gè)超過95%置信水平的天文信號（圖7-a），將這2個(gè)顯著天文信號與理論天文信號擬合匹配，利用蒙特卡洛模擬計(jì)算地層軌道信號與天文目標(biāo)信號的平均差值即ASM值，當(dāng)二者一致性最好時(shí)即ASM的值最小，對應(yīng)的最優(yōu)沉積速率為17.074 cm／ka（圖 7-b）。17.074 cm／ka的沉積速率對應(yīng)的零假設(shè)水平（Ho-SL）為0.066%，小于1%的臨界值，通過了置信度檢驗(yàn)，表明CaCO3含量序列中有99.934%的可能性記錄了米蘭科維奇信號（圖7-b）。圖7-c顯示了經(jīng)最優(yōu)沉積速率17.074 cm／ka校正后的CaCO3含量序列的周期信號（黑色虛線）與理論周期信號（紅色實(shí)線）擬合情況，結(jié)果顯示CaCO3含量序列中的周期信號與理論偏心率和歲差擬合情況良好，說明地層中的偏心率和歲差信號顯著。同時(shí)，根據(jù)最優(yōu)沉積速率17.074 cm／ka計(jì)算29.85m 長的黑色頁巖段的沉積持續(xù)時(shí)間為175 ka。因此，根據(jù)ASM分析得知黑色頁巖Ⅱ段的主導(dǎo)周期為偏心率與歲差周期。

圖7 甘肅張掖南臺(tái)子下溝組黑色頁巖Ⅱ段CaCO3含量序列ASM分析Fig.7 ASM analysis of CaCO3 centent sequence in the black shale section Ⅱ of Xiagou Formation in Nantaizi，Zhangye of Gansu Province，China

4.3.2 Tim eOp t計(jì)算結(jié)果

TimeOpt方法對CaCO3含量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的結(jié)果如圖8。包絡(luò)線擬合曲線顯示了在沉積速率為54.62 cm／ka下最大的值為0.99，頻譜功率擬合曲線顯示了在沉積速率為18.74 cm／ka下最大的的值0.24（圖8-a）。的乘積確定了最大的的值0.228，對應(yīng)的沉積速率為18.74 cm／ka（圖8-b）。使用與數(shù)據(jù)相同的lag-1自相關(guān)系數(shù)的AR1替代值（ρARI=0.65）進(jìn)行2000次蒙特卡羅模擬，得出在沉積速率18.74 cm／ka下觀測的值為0.228時(shí)的ρ-value值為0.005，表明有99.5%的可能性拒絕非天文驅(qū)動(dòng)的零假設(shè)（圖8-c）。圖8-d顯示在最佳沉積速率18.74 cm／ka時(shí)天文目標(biāo)周期（紅色虛線）與地層周期（黑色曲線）的對比情況，目標(biāo)周期與地層周期在歲差與偏心率處一致性良好，而斜率周期的頻譜功率較弱，表示在地層中歲差與短偏心率周期信號較強(qiáng)，斜率周期信號弱。歲差振幅包絡(luò)線（圖8-e的紅色曲線）與TimeOpt重建的偏心率模型（圖8-e的黑色曲線）的對比結(jié)果（圖8-e）以及二者的交叉圖中的2條曲線（圖8-f）近乎重合，表明二者的一致性良好。時(shí)間域CaCO3含量曲線（藍(lán)色）與所提取的歲差濾波（黑色）清晰地反映CaCO3與歲差的對應(yīng)關(guān)系較好（圖8-g），歲差的低值對應(yīng)著CaCO3含量的低值，由此看出CaCO3含量的歲差周期明顯。不僅如此，這也反映出了偏心率對歲差的調(diào)制作用，當(dāng)偏心率（紅色曲線）幅度小時(shí)，歲差的變化幅度也小。因此，將CaCO3含量數(shù)據(jù)代入TimeOpt方法得到南臺(tái)子下溝組黑色頁巖的主導(dǎo)周期都為歲差與短偏心率周期。

圖8 甘肅張掖南臺(tái)子下溝組黑色頁巖Ⅱ段CaCO3含量數(shù)據(jù)的TimeOpt分析Fig.8 TimeOpt analysis of CaCO3 content of the black shale sectionⅡof Xiagou Formation in Nantaizi，Zhangye of Gansu Province，China

冰溝剖面黑色頁巖持續(xù)沉積時(shí)間為1.575Ma（圖6-a的灰色陰影），每個(gè)黑色頁巖段與其鄰近的黃色砂巖段的持續(xù)沉積時(shí)間為400 ka，其中旋回Ⅱ（圖6-a）總長為100m，平均沉積速率25 cm／ka。旋回Ⅱ黑色頁巖部分總厚約30m，沉積持續(xù)時(shí)間為160 ka（圖8-e），沉積速率為18.74 cm／ka，沉積速率比整個(gè)冰溝剖面的平均沉積速率（28.6 cm／ka）低。砂巖段總厚70m，沉積持續(xù)時(shí)間為240 ka，沉積速率為29.2 cm／ka，砂巖段沉積速率比整個(gè)冰溝剖面的平均沉積速率高。

另外，將TOC數(shù)據(jù)用TimeOpt方法得到的周期頻譜圖如圖8-h所示，地層數(shù)據(jù)的偏心率周期與天文目標(biāo)周期一致性良好，歲差擬合度較差以及斜率的頻譜功率較弱，表明主導(dǎo)周期為偏心率周期，而斜率與歲差周期信號微弱。這也能反映CaCO3含量指標(biāo)更具優(yōu)勢，CaCO3含量周期圖（圖8-d）顯示有顯著的偏心率與歲差周期，而TOC含量周期圖（圖8-h）只顯示有明顯的偏心率周期，TOC含量沒有顯著的歲差周期可能與TOC含量分辨率不高、反應(yīng)不靈敏有關(guān)，因而只顯示出較大的偏心率周期。

4.3.3 頻譜分析

南臺(tái)子下溝組黑色頁巖Ⅱ段的天文浮動(dòng)年代標(biāo)尺是根據(jù)TimeOpt經(jīng)沉積速率調(diào)諧后所建立的，將深度域CaCO3含量序列轉(zhuǎn)化為時(shí)間域序列，黑色頁巖Ⅱ段的沉積持續(xù)時(shí)間約160 ka（圖9-a）。Ca-CO3時(shí)間域序列的MTM 頻譜分析（圖9-b）顯示在99.77 ka、25.75 ka和17.74 ka處有顯著譜峰，置信度水平分別在90%以上。時(shí)間域序列的EHA分析（圖9-b）結(jié)果發(fā)現(xiàn)，99.77 ka、25.75 ka和17.74 ka信號在整個(gè)EHA中呈現(xiàn)連續(xù)的功率強(qiáng)的紅色信號，表明短偏心率和歲差周期顯著。綜上，張掖南臺(tái)子下溝組黑色頁巖剖面具有顯著的短偏心率周期與歲差周期。

圖9 甘肅張掖南臺(tái)子下溝組黑色頁巖Ⅱ段調(diào)諧后年代數(shù)據(jù)的MTM和EHA結(jié)果Fig.9 Result of MTM and EHA with tuned age data of the black shale sectionⅡof Xiagou Formation in Nantaizi，Zhangye of Gansu Province，China

5 討論：低緯歲差驅(qū)動(dòng)

白堊紀(jì)中期歐洲海相地層（古緯度約20°～30°N）以斜率周期為主導(dǎo)。但是相似的緯度，本研究區(qū)（古緯度約23°N）以歲差和偏心率為主導(dǎo)周期。主導(dǎo)周期與歐洲海相地層不同。

第四紀(jì)以來低緯地區(qū)的洞穴石筍氧同位素?cái)?shù)據(jù)、孢粉記錄以及赤道大西洋、南海等記錄的氣候變化主要以～20 ka歲差周期為主，低緯區(qū)域顯示出了顯著的～20 ka歲差周期。理論上，歲差主要控制著中低緯度的太陽輻射量的變化，偏心率影響較為微弱（Cheng et al.，2021），例如東亞季風(fēng)區(qū)的石筍記錄都呈現(xiàn)出歲差信號顯著，而偏心率信號相對微弱（Wang et al.，2016；程海等，2020）。但在地質(zhì)記錄中發(fā)現(xiàn)歲差與偏心率周期同樣顯著的案例，并將偏心率顯著的原因解釋為偏心率對歲差的調(diào)諧作用，如地中海所形成的淺色的石灰?guī)r序列是因?yàn)槭艿狡穆收{(diào)諧后的弱季風(fēng)降水無法阻斷地中海循環(huán)，從而形成淺色石灰?guī)r序列；深色腐泥層序列的形成是在偏心率調(diào)諧下的強(qiáng)季風(fēng)降水導(dǎo)致更多的淡水資源流入地中海，從而阻斷地中海循環(huán)，在缺氧條件下形成腐泥層序列，該腐泥層序列的歲差與偏心率周期都非常顯著（Ruddiman，2001）。研究區(qū)不僅顯示出顯著的歲差信號，同時(shí)也顯示了強(qiáng)烈的偏心率信號（圖6-d），并將這一現(xiàn)象解釋為偏心率對歲差的調(diào)諧作用。因此南臺(tái)子下溝組黑色頁巖Ⅱ段顯示的歲差和偏心率周期與低緯太陽輻射相關(guān)。

青藏高原約55～50Ma開始隆升（Searle et al.，1987；Jiang et al.，2001），Jiang等（2001）根據(jù)沙漠的緯向分布特點(diǎn)以及沙漠盛行風(fēng)的相關(guān)記錄認(rèn)為在青藏高原隆起前東亞是由行星風(fēng)系所控制。白堊紀(jì)亞歐非大陸的位置與形態(tài)（圖1）接近于第四紀(jì)以來的亞歐非大陸，相當(dāng)于現(xiàn)代歐洲—亞洲—非洲大陸，西側(cè)與美洲大陸相鄰，因此這樣的地形條件下中低緯度區(qū)域可能存在大規(guī)模的季風(fēng)以及由季風(fēng)帶來的大范圍降水（程海等，2020）。四川盆地與思茅盆地（圖1）的緯度與研究區(qū)相近，屬于干旱的沙漠氣候（江新勝和李玉文，1996；Hasegawa et al.，2012）。本研究區(qū)黑色頁巖年代屬于青藏高原未隆起的Aptian早期（124Ma），位于23°N，以河湖相沉積為主，存在大量黑色頁巖，黑色頁巖的存在代表著濕潤環(huán)境（戴霜等，2012）。研究區(qū)緊靠副熱帶高壓控制下的沙漠干旱區(qū)南緣（圖1），當(dāng)時(shí)的張掖地區(qū)應(yīng)該與今天的非洲撒哈拉沙漠南緣較為接近，其氣候型為熱帶干濕季氣候，與非洲季風(fēng)的氣候過程相當(dāng)，可能受到熱帶輻合帶南北移動(dòng)和海陸熱力差異的影響。但這還需要古氣候模擬等更多證據(jù)支撐。

6 結(jié)論

本研究對白堊紀(jì)中期低緯中國甘肅張掖南臺(tái)子下溝組黑色頁巖段進(jìn)行分析，探討了白堊紀(jì)低緯度與軌道周期間的關(guān)系，得出主要結(jié)論如下：

1）以CaCO3含量作為高分辨率氣候替代性指標(biāo)，用ASM、TimeOpt和頻譜分析方法計(jì)算得到南臺(tái)子黑色頁巖的主導(dǎo)周期都為歲差和偏心率。

2）Aptian期歐洲低緯海相黑色頁巖揭示的氣候主導(dǎo)周期的多為斜率周期，而處于相同緯度的中國陸相南臺(tái)子黑色頁巖的主導(dǎo)周期為歲差周期。