青藏高原东北缘尖扎盆地晚中新世地层绝对天文年代标尺的建立

杨彦峰，符超峰,*，徐新文，王 凤，孟媛媛,4，强小科

(1. 长安大学 地球科学与资源学院，陕西 西安 710054; 2. 中国科学院地球环境研究所 黄土与第四纪地质国家重点实验室，陕西 西安 710061; 3. 西北大学 城市与环境学院，陕西 西安 710127； 4. 西北大学 地质学系，陕西 西安 710069)

0 引 言

自新生代以来，全球气候环境发生了重大的变化，全球的海陆分布和地形地貌也发生了很大变化，如青藏高原的隆升、两极冰盖形成和特提斯海的消亡[1-3]。青藏高原的隆升对全球以及区域气候的变化影响重大：高原隆升改变大气环流格局，加大海陆间的热力差异，形成季风性降水[4-6]；高原隆升也有利于硅酸盐风化，降低了大气中CO2浓度，导致全球气候环境发生变化[7-10]。因此，青藏高原隆升是新生代以来全球气候变冷的主要驱动机制之一，也是驱动东亚季风和亚洲内陆干旱化相继形成的重要影响因素。青藏高原东北缘是青藏高原构造隆升向北东向延伸的前缘部位，处于东部季风湿润区、西北干旱区和青藏高原高寒区的交汇地带，又受东亚季风、西风环流和印度季风的共同影响，对气候变化比较敏感[11-12]。青藏高原东北缘新生代以来形成诸多断陷盆地，盆地内发育有连续巨厚的新生代沉积物，青藏高原的隆升过程、东亚季风的演化及亚洲内陆干旱化过程等信息都蕴含其中，是研究青藏高原隆升和气候环境演变的理想区域。

近年来，米兰科维奇旋回已经从不同地质年代的沉积地层中被揭示出来[13-15]，天文旋回理论在古气候研究中已得到了普遍认可和广泛应用，基于米兰科维奇旋回理论建立高分辨率的天文年代标尺被认为是地层学解读时间的第三里程碑[16]。在中国北方黄土高原，更新世以来斜率周期主导着夏季降雨，这可能与北方夏季太阳辐射有关[17]；磁化率和粒度数据记录的地球轨道周期在约0.9 Ma发生明显变化，0.9 Ma之前以41 ka的斜率周期为主，0.9 Ma之后以100 ka的短偏心率周期为主[18-19]；上新世红黏土的磁化率和粒度数据分析都显示出较强的405 ka长偏心率周期和较弱的100 ka短偏心率周期[19-21]。在中国南方地区，石笋中的δ18O值记录显示20 ka的岁差周期在过去1.8 Ma以来占主导地位[22-23]。

由于采样分辨率的影响，旋回地层学在青藏高原东北缘盆地中的研究工作相对较少，已有的一些工作也主要分布在湖相地层中。柴达木盆地湖相地层的旋回地层学研究表明：在8.5～7.0 Ma的湖泊扩张主要受到100 ka周期控制[24]；贵德盆地阿什贡组(14～10 Ma)的湖泊记录显示强的100 ka周期和弱的41 ka周期[25-26]；天水盆地湖相地层旋回地层学分析认为，中新世中晚期(14～7 Ma)青藏高原北部湖盆演化主要受100 ka周期调控[27]，然而在13.7～13.2 Ma天水盆地的沉积记录显示41 ka的斜率周期，是驱动青藏高原东北缘盆地降雨量的主控周期[28]。青藏高原东北缘尖扎盆地沉积有巨厚的风成沉积物夹杂有河湖相沉积物层段，在已有高分辨率的磁性地层学和环境磁学研究基础上[29]，在尖扎盆地开展晚中新世风成沉积地层的的旋回地层学研究具有重要意义。

1 区域地质概况

尖扎盆地位于青藏高原东北缘(图1)，处于东部季风湿润区、西北干旱区和青藏高原高寒区的交汇地带，造就了研究区复杂多样的气候变化[5-6,11,30-31]。尖扎盆地主体受多种大型断裂带(阿尔金断裂、东昆仑断裂等)控制，同时还受到SN向挤压作用，盆地构造格局主要受西秦岭北缘断裂带、东昆仑断裂带和拉脊山断裂带的共同影响[12,32]。盆地东为德恒隆—加吾力吉隆起带，西邻扎马山，南为巴吉山隆起带，北靠拉脊山，是典型的因强烈构造变形作用而形成的山间断陷盆地，受断裂带与构造隆起的影响，尖扎盆地与周边的西宁盆地、循化盆地和贵德盆地分割开来[33-34](图1)。尖扎盆地海拔为1 960～4 616 m，盆地内地势西北高、东南低[35]，地形以山地为主，处于干旱—半干旱气候区，年均降水量为340～495 mm，主要集中在夏季，冬季降雨较少，年平均温度为8.3 ℃，温度落差较大。

图片引自文献[29]，有所修改图1 青藏高原东北缘尖扎盆地加让剖面地理位置 Fig.1 Geographical Location of Jiarang Section in Jianzha Basin, the Northeastern Margin of Tibetan Planteau

研究剖面位于青海省尖扎县马克堂镇加让村，被称为“加让剖面”，距尖扎县城约9 km，厚度为361 m，底部高程为2 200 m，经纬度为(35°57′43.1″N，101°58′24.1″E)[36-38]。基于野外对加让剖面的岩性和地层观察，根据前人的研究成果以及与周边盆地的对比分析，将尖扎盆地新生代沉积划分为下东山组和加让组[29]。加让剖面顶部(0～21.8 m)为加让组，以河流相夹风成沉积为主，沉积物以青灰色细砂和砂砾为主，夹有红黏土沉积，分选、磨圆较差，含胶结程度差的钙质胶结；加让剖面21.8～361.0 m为下东山组，以风成堆积夹浅湖相沉积为主，风成堆积以无层理、块状结构的棕黄色黏土质粉砂为主，分选、磨圆较好，浅湖相沉积以灰绿色土状堆积物为主，粒度较细，分选、磨圆较好。加让剖面地层整体近水平展布，地层中含有水平分布的钙质结核薄层，沉积物结构大都以块状为主，垂直节理发育，冲沟和黄土洞等微地貌类型沿节理方向发育，典型的黄土-红黏土剖面也有类似的沉积特征。因此，尖扎盆地沉积物以风成红黏土堆积为主，夹杂有短暂的湖相及河流相沉积[29]。根据磁化率和沉积相的变化(图2)，将加让剖面分为3个阶段：①152.2～361.0 m，该阶段磁化率总体较低，岩性以棕黄色土状堆积物夹青灰色浅湖相堆积物为主，指示该阶段整体较寒冷干旱,青灰色湖相堆积物对应的磁化率稍有增大，指示气候较湿润；②90.0～152.2 m，磁化率上升趋势明显，岩性主要为巨厚层棕黄色粉砂质黏土，表示气候向暖湿转变；③0.0～90.0 m，磁化率大幅波动减小，岩性为棕黄色粉砂质黏土，顶部夹有青灰色砂砾与细砂，表示该阶段气候由暖湿向干冷转变。

2 数据选择与处理

选取合理的古气候替代性指标对旋回地层学研究意义重大。合理的古气候替代性指标应该具有对气候变化十分敏感、能够较完整保存古气候变化信息、受后期沉积环境变化的影响较小等特点[39-41]。目前常采用的古气候替代指标主要有：地球化学参数(CaCO3含量、Al2O3含量、总有机碳(TOC)及稳定碳氧同位素)和地球物理参数(自然伽马、磁化率、色度和岩石密度)等[42-44]。

本研究采用频率磁化率(χfd)作为古气候替代性指标进行旋回分析，对青藏高原东北缘尖扎盆地加让剖面样品进行高分辨率磁化率测量。每个样品在高频(4 700 Hz)和低频(470 Hz)下分别测量两次，然后平均计算得到高频磁化率(χhf)和低频磁化率(χlf)，进而计算出频率磁化率和频率磁化率百分比。磁化率指样品在外加弱磁场中感应磁化强度与外场磁场强度的比值，磁化率变化受到沉积物中磁性矿物种类、含量、粒度的综合影响，常被用作度量样品中铁磁性及亚铁磁性矿物含量变化[45-46]。在中国黄土-古土壤序列中，古土壤的磁化率较高，指示夏季风主导的温暖湿润气候；黄土的磁化率较低，指示冬季风主导的寒冷干旱气候[47-48]。频率磁化率是低频磁化率与高频磁化率的相对差值，细小的超顺磁矿物颗粒具有较高的频率磁化率[45-46]，这往往指示了成壤作用的效应。频率磁化率也是古降水量的定量指标，与东亚夏季风有直接关系。磁化率对地球轨道驱动的气候变化响应十分敏感，可用于古气候及古环境重建工作；用磁化率作为一种高效且可靠的古气候替代性指标来解译地球轨道的周期变化已经在众多研究中得到证实[49-52]。

在进行旋回分析之前，需要对数据进行预处理，目的是去除数据中的超低频和超高频信号。本文采用Acycle软件程序包[53]进行数据预处理和频谱分析的相关计算。首先要去除数据的异常值，以降低异常值对正常轨道周期的影响；然后利用Sort/Unique/Delete-empty程序包[53]对数据按时间或深度排序，删除空值以及平均相同时间或深度的多个数据点；因采样时采样间隔会根据野外地质情况调整，而频谱分析要求等间距的数据序列，所以需要用Interpolation程序包[53]对数据进行线性插值获得等间距的数据序列；原始数据如果有逐渐增加或逐渐降低的趋势，那么需要用Detrending程序包[53]将这个趋势去除(去趋势化)，目的是去除因构造或者沉积环境变化影响而引起的趋势背景值噪音信号，选择Lowess或Loess这两种去趋势拟合线，窗口宽度根据去趋势程度的大小选择，默认35%的窗口宽度可满足多数去趋势的要求；使用Spectral Analysis程序包[54]通过Multi-taper Method (MTM)方法[55]进行频谱分析，添加Robust AR(1)的噪声模型[56]，选择20%滑动窗口；使用Evolutionary Spectral Analysis程序包[57]绘制深度域和时间域的演化图谱，选择Fast Fourier Transform(LAH)方法[57]，滑动窗口根据实际情况选择，一般选择主导周期的2～4倍；使用Wavelet Transform程序包[58]绘制时间域的小波分析图谱；使用Filtering软件包的高斯带通滤波[57]进行滤波输出处理。

R和N指极性；古地磁年龄引自文献[29]；标准极性柱数据引自文献[59]图2 加让剖面岩性特征、古地磁年龄、沉积速率和频率磁化率数据序列Fig.2 Lithologic Characteristics, Paleo-magnetism Age, Sedimentation Rate and Frequency-dependent Magnetic Susceptibility Data Series of Jiarang Section

3 地层年代学研究方法

连续完整的沉积地层是进行旋回地层学研究的基础，在此基础上需要有磁性地层学、放射性同位素年代学等良好的年代控制点，良好的年代控制点能够估算出沉积阶段的平均沉积速率[43]，为进一步的深度域频谱分析计算沉积旋回提供依据。地球轨道参数约20 ka岁差周期、约41 ka斜率周期、约100 ka短偏心率周期和约405 ka长偏心率周期的比例为1∶2∶5∶20；通过比较识别出的几个主要沉积旋回的比值与地球轨道参数周期的比值，可以判别青藏高原东北缘尖扎盆地加让剖面的沉积旋回是否受到天文旋回的影响[60]。

在野外采样时，足够分辨率的采样间隔对旋回地层学研究极为重要。采样间隔过大，在频谱分析过程中会导致识别不出高频部分的旋回周期；采样间隔过小，会增加工作量和成本。可结合前人研究结果大致估算年代框架，计算出沉积速率和旋回厚度，进而确定出采样密度，一般每个旋回应至少包含4个等间距分布数据点[60]。

地球轨道参数的(准)周期性变化引起地球接受日照量发生纬度梯度上和季节性的变化，从而导致全球尺度的气候(准)周期性变化，这样气候变化可以用地球轨道参数(偏心率、斜率和岁差)来表达[42,61]。周期性变化的气候信息会记录在对气候敏感的地层中，使沉积地层具有韵律性的旋回特征[62]。通过对气候环境替代性指标数据的频谱分析，可识别出地层中存在的旋回周期。在数据处理的基础上，首先对深度域数据进行频谱分析识别出主要的沉积旋回，计算出每个沉积旋回所对应的周期；然后利用识别出的稳定主导沉积旋回天文调谐来建立年代标尺；最后利用调谐后的时间域频谱分析来验证建立的年代标尺可靠性以及分析主导的天文轨道周期。

4 结果分析

4.1 深度域频谱分析

青藏高原东北缘尖扎盆地加让剖面的采样间距为20 cm，3～361 m的地层共获得1 718个样品的频率磁化率数据。基于磁性地层学研究估算了地层的沉积速率变化(图2)，平均沉积速率约为6.07 cm·ka-1。本文选取频率磁化率数据序列进行旋回分析。经数据处理后，共得到1 791个数据点的剩余值序列，然后进行频谱分析，获得频谱分析图谱。

3～361 m层段频率磁化率数据序列深度域频谱分析[图3(b)]显示出约150.0 m、约50.0 m、约26.0 m、约14.0 m、约6.7 m、约3.0 m、约2.5 m、约1.4 m和约1.2 m的主要沉积旋回。按照平均沉积速率(6.07 cm·ka-1)推算：约150.0 m的沉积旋回代表了约2.4 Ma的超长偏心率周期，这是火星对地球的万有引力作用引起的[63]，这个长周期并不稳定，可能演变成其他的天文共振周期；约50.0 m的沉积旋回代表了约820 ka的周期，这可能是受不稳定的约2.4 Ma超长偏心率周期的影响；约26.0 m的沉积旋回代表了约405 ka的长偏心率周期；约14.0 m的沉积旋回代表了约230 ka的周期；约6.7 m的沉积旋回代表了约100 ka的短偏心率周期；约3.0 m和约2.5 m的沉积旋回均代表了约41 ka的斜率周期；约1.4 m和约1.2 m的沉积旋回均代表了约20 ka的岁差周期。从滑动窗口深度域演化图谱[图3(a)]可以看出，代表约405 ka长偏心率周期的约26.0 m沉积旋回是稳定存在的，而其他沉积旋回随着深度有所变化。上述沉积旋回置信度均超过95%，表明本文对频率磁化率数据序列深度域频谱分析是可靠的。

E为长偏心率周期；e为短偏心率周期；O为斜率周期；P为岁差周期图3 加让剖面频率磁化率数据深度域演化图谱及频谱分析Fig.3 Evolution Profile and Spectrum Analyses of Frequency-dependent Magnetic Susceptibility Data in Depth Domain in Jiarang Section

4.2 天文年代标尺的建立

在地质历史时期，405 ka的长偏心率周期变化较小，是最为稳定的地球轨道参数，被誉为“地质计时钟”[62]，在旋回地层学的研究中可作为一个地质计时单位来校准地质年代。Fu等研究表明加让剖面频率磁化率用作古气候替代性指标，高值指示暖湿气候，低值指示冷干气候[29]。地球轨道参数的变化影响地球表面接受日照量的多少，峰值代表北半球夏季辐射量的最大值，在本次研究中将频率磁化率的峰值对应于长偏心率的峰值，指示暖湿气候。

粗虚线为选取的古地磁年龄控制点及其对应深度；E1～E14为识别出的14个代表长偏心率周期的26 m沉积旋回；天文理论数据引自文献[63]图4 加让剖面频率磁化率数据天文调谐综合分析Fig.4 Comprehensive Analyses of Astronomical Tuning for Frequency-dependent Magnetic Susceptibility Data in Jiarang Section

基于识别出的沉积旋回，选取Laskar等提出的长偏心率[63]作为目标曲线，对深度域的频率磁化率数据序列进行天文调谐，结合磁性地层年龄，建立具有绝对年龄的天文年代标尺[62,64]。经过高斯带通滤波，在3～361 m层段中识别出14个代表长偏心率周期的26 m沉积旋回(图4)，高斯带通滤波带宽为(0.039±0.010)cycles·m-1；对偏心率曲线进行高斯带通滤波，滤波带宽为(0.002 5±0.000 6)cycles·ka-1，获得天文调谐目标曲线。在天文调谐中，将古地磁年龄作为绝对年龄控制点，但由于K-Ar定年有误差，所以在调谐过程中古地磁年龄在误差范围内有所调整(表1)。在加让剖面磁性地层年代框架内，选取6个古地磁年龄作为绝对年龄控制点(表1)，将频率磁化率数据序列26 m滤波曲线的极大值与长偏心率滤波曲线的极大值对应，选取明显的周期，共读取16个旋回控制点，将频率磁化率数据序列从深度域转换到时间域[65]，获得了11.758～5.890 Ma的频率磁化率数据时间序列(图4)。

经过天文调谐后，尖扎盆地加让剖面3～361 m的地层显示了11.758～5.890 Ma的沉积记录；年龄误差由约405 ka长偏心率周期的带通滤波误差以及选取的古地磁年龄控制点的误差造成，进行带通滤波分析时选取的带宽一般约为滤波波长的1/4[25,65]，即利用405 ka长偏心率周期进行天文调谐时具有约100 ka的误差。天文调谐选取的旋回控制点与对应的深度具有很好的相关性(图5)，这也表明本文所建立的天文年代标尺的可靠性。

表1 绝对年龄控制点及误差

图5 加让剖面天文调谐年龄与深度的相关关系Fig.5 Relationship Between Age and Depth Based on the Astronomical Tuning in Jiarang Section

4.3 时间域频谱分析

依据天文调谐建立的天文年代标尺时间域频谱分析，可以评估所建立的天文年代标尺的准确性和合理性。在时间域频谱分析中，除显示较强的天文调谐所使用的地球轨道参数周期外，其他参数周期的峰值也都在置信区间之内，则建立的天文年代标尺较为可靠[62]。对经过天文调谐的11.758～5.890 Ma(对应深度从361 m到3 m)频率磁化率数据序列进行时间域频谱分析[图6(b)和图7]，结果显示主要周期有：约2 Ma和约800 ka的超长周期，这可能是约2.4 Ma超长偏心率的调制周期；约405 ka的长偏心率周期和约105 ka的短偏心率周期；约210 ka的周期，这可能受到偏心率周期影响；约41 ka的斜率周期和约20 ka的岁差周期。上述周期的置信度均超过99%，时间域频谱分析与深度域频谱分析的结果一致，除显示较强的长偏心率周期外，其余天文轨道周期也都有体现，这表明建立的天文年代标尺是可靠的。

图6 加让剖面频率磁化率数据时间域演化图谱及频谱分析Fig.6 Evolution Profile and Spectrum Analyses of Frequency-dependent Magnetic Susceptibility Data in Time Domain in Jiarang Section

图7 加让剖面频率磁化率数据时间域分段频谱分析Fig.7 Segmented Spectrum Analyses of Frequency-dependent Magnetic Susceptibility Data in Time Domain in Jiarang Section

天文轨道参数的周期在时间域演化图谱[图6(a)]上也有体现，各个周期在时间维度都有变化。为进一步分析加让剖面天文轨道参数周期的具体变化，依据频率磁化率数据序列的变化，分别对7.200～5.890 Ma(对应深度从90.0 m到3.0 m)、8.500～7.200 Ma(对应深度从152.2 m到90.0 m)和11.758～8.500 Ma(对应深度从361.0～152.2 m)频率磁化率数据序列进行频谱分析(图7)。结果表明：在7.200～5.890 Ma，以强105 ka的短偏心率周期为主，约190 ka的周期可能受到偏心率周期影响；在8.500～7.200 Ma，以强41 ka的斜率周期为主，19 ka的岁差周期次之；在11.758～8.500 Ma，405 ka的长偏心率周期、41 ka的斜率周期和20 ka的岁差周期较为突出，约180 ka的周期可能受到长偏心率周期影响。加让剖面深度域频谱分析和时间域频谱分析都显示有约200 ka的周期，这一周期在古环境记录中早已被证实存在，甚至被认为是偏心率周期的另一频率分量[66]。Westerhold等研究东南大西洋晚中新世氧同位素记录的180 ka周期，认为其是斜率周期的调制周期[67]。大西洋渐新世晚期—中新世早期的海底稳定同位素记录中也发现了弱的约200 ka周期，该周期代表斜率周期或长偏心率周期的调谐周期[68]。

为了分析晚中新世主导周期在7.2 Ma前后的变化，对南海底栖有孔虫氧同位素记录进行频谱分析。在7.2～5.8 Ma显示出强的短偏心率周期和斜率周期[图8(a)]；在11.8～7.2 Ma显示出强的斜率周期和弱的短偏心率周期[图8(b)]。这一结果与加让剖面天文调谐后频率磁化率数据序列时间域频谱分析基本吻合(图8)，即7.2 Ma之前都存在强的41 ka斜率周期，7.2 Ma之后存在强的100 ka短偏心率周期。基于已识别出的主导周期，以7.2 Ma为分界点，对频率磁化率数据序列和南海底栖有孔虫氧同位素数据滤波，100 ka短偏心率周期的滤波带宽为(0.010±0.002)cycles·ka-1，41 ka斜率周期的滤波带宽为(0.025±0.006)cycles·ka-1。在7.2～5.8 Ma的频率磁化率和氧同位素的100 ka滤波曲线基本吻合(图9)，由于这一时期氧同位素受强的短偏心率周期和斜率周期共同影响，所以100 ka的部分滤波曲线存在偏差；在11.8～7.2 Ma的频率磁化率和氧同位素的41 ka滤波曲线有很好的对应关系(图9)。

深海氧同位素数据引自文献[7]图8 加让剖面频率磁化率与深海氧同位素记录的频谱分析对比Fig.8 Comparisons of Spectrum Analyses for Frequency-dependent Magnetic Susceptibility in Jiarang Section and Marine Oxygen Isotope Records

比较天文调谐后的频率磁化率数据序列和深海氧同位素序列发现：在约8.5 Ma之前，频率磁化率较低，变化平缓且周期性波动，深海氧同位素升高，表明这段时期可能受全球变冷影响，气候较干冷，成壤作用弱；在8.5～7.2 Ma的频率磁化率急剧升高，深海氧同位素降低，指示这一阶段由于青藏高原的隆升和全球冰量减少，使东亚夏季风增强，降雨增多，气候温暖湿润；约7.2 Ma之后，频率磁化率降低，深海氧同位素升高，说明约7.2 Ma之后北极冰盖开始形成[69-70]和全球变冷导致东亚夏季风减弱[29]，亚洲内陆水汽供应不足，尖扎盆地又转变为寒冷干燥气候。约7.2 Ma的控制东亚夏季风演化的主导周期转变可能也与此有关。

深海氧同位素数据引自文献[7]图9 加让剖面天文调谐后频率磁化率数据序列和深海氧同位素记录的对比Fig.9 Comparisons of Frequency-dependent Magnetic Susceptibility Data Series After Astronomical Tuning in Jiarang Section and Marine Oxygen Isotope Records

5 结 语

(1)通过对青藏高原东北缘尖扎盆地加让剖面3～361 m沉积地层系统的旋回地层学研究，频率磁化率数据序列深度域频谱分析表明：3～361 m层段存在稳定的代表长偏心率周期的26 m沉积旋回，代表其他天文轨道周期的沉积旋回也有所体现，但并不稳定，随深度有所变化。

(2)基于识别出的主导沉积旋回，利用稳定的405 ka长偏心率周期对3～361 m深度域频率磁化率数据序列进行天文调谐，结合加让剖面磁性地层年代框架，建立了11.758～5.890 Ma绝对天文年代标尺。经过天文调谐的频率磁化率数据序列时间域与古地磁年代结果吻合较好，表明建立的天文年代标尺是可靠的。

(3)南海底栖有孔虫氧同位素记录的频谱分析表明：在7.2～5.8 Ma显示出强的短偏心率周期和斜率周期；在11.8～7.2 Ma显示强的斜率周期和弱的短偏心率周期。这一结果与加让剖面的频率磁化率数据序列频谱分析基本吻合。约7.2 Ma，北半球冰盖开始形成，致使全球变冷，海平面下降，东亚夏季风减弱，亚洲内陆水汽供应不足，尖扎盆地气候开始向寒冷干旱转变。约7.2 Ma的控制东亚夏季风演化的主导周期转变可能与北极冰盖开始形成、全球变冷有关。

中国地质大学(北京)吴怀春教授在论文修改过程中给予了建设性建议，长安大学左俊同学和中国科学院地球环境研究所董俊超老师等在野外考察和采样中提供了大量帮助,在此一并表示感谢！