根据米兰科维奇理论, 天文强迫所诱导的大气顶部日照的周期性变化是地球气候长期变化的主要驱动力(Berger, 1988; Hinnov, 2000; Laskar et al., 2004)。由于地球上的气候系统在反馈外部的天文强迫过程中具有线性和非线性特征(Nobes et al., 1991; Rial et al., 2004), 且传统的米兰科维奇周期, 如偏心率(~100 kyr和~400 kyr)、斜率(~40 kyr)和岁差(~20 kyr)以及振幅调制周期(~1200 kyr和~2400 kyr), 对日照具有强烈影响, 均可以在调节气候变化方面发挥关键作用(Hays et al., 1976), 因此推测研究区白云石形成于受气候变化控制的同沉积— 早成岩阶段的某种白云石化作用, 如微生物诱导模型或温度与pH循环诱导模型(Vasconcelos et al., 1995; Hobbs and Xu, 2020)。

针对白云石化强度时间序列中~1200 kyr周期的起源问题, 笔者采用Taner-Hilbert滤波分析(带宽: 0.0225~0.0265; 中心频率: 0.0245)获取该时间序列斜率周期滤波曲线的包络线作为其振幅曲线(图5), 并利用多窗谱分析方法获取该斜率振幅曲线中的主要周期(图4-B), 结果显示该时间序列中存在显著的~1200 kyr周期(图4-B)。

图5

Fig.5

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	图5 东营凹陷FY1井白云石化强度、斜率滤波曲线包络线、~1200 kyr周期滤波曲线与同时期天文解中斜率振幅曲线之间的相位关系Fig.5 Phase relationship between dolomitization intensity, envelope of its obliquity filtering curve, ~1200 kyr periodic iltering curve of Well FY1 in Dongying sag, and obliquity amplitude in an astronomical solution at same period

再采用Taner-Hilbert滤波分析(带宽: 0.00073~0.00093; 中心频率: 0.00083)获取~1200 kyr周期滤波曲线, 并分析其与斜率振幅曲线之间的相位关系, 结果发现强斜率振幅阶段与~1200 kyr滤波曲线高值期耦合良好(图5), 这符合超长斜率周期对斜率的调制。因此, 白云石化强度时间序列中的~1200 kyr周期属于斜率振幅调制周期。白云石化强度时间序列与La2010d天文解的斜率振幅曲线之间存在显著的耦合关系(图5), 即高振幅对应于高白云石化强度, 指示渤海湾盆地中始新世深水白云石化强度可能受控于斜率振幅调制周期对气候的调控效应。

二叠纪— 三叠纪之交白云石化事件和土耳其Van湖第四系白云石旋回中均记录了轨道尺度的深水白云石化波动, 且相关研究成果较为丰富, 大量已发表的数据(Song et al., 2012, 2014; Sun et al., 2012; Litt et al., 2014; Stockhecke et al., 2014; Li et al., 2016, 2018; Tomonaga et al., 2017; McCormack et al., 2018)为本研究提供了良好的基础。

4.2.1 土耳其Van湖第四系白云石旋回

Van湖位于安纳托利亚高原(土耳其)东部, 靠近伊朗边境(北纬38.5° , 东经43° )(Landmann et al., 1996)。该湖处于一个构造洼陷内, 水深约460 m, 最大延伸130 km。当前的湖面海拔1646 m, 面积约3570 km², 体积约为 607 km³, 是地球上第四大终端湖和最大的苏打湖。高碳酸盐浓度、活跃的区域火山活动以及水下热液喷发是造成该湖水体碱度高(pH值9.8, 盐度 21.4‰ )的主要原因。Van湖位于一个复杂的构造运动带, 其形成与南部的非洲/阿拉伯板块和北部的欧亚板块的碰撞有关。2010年国际大陆科学钻探项目在Van湖Ahlat Ridge复合钻孔累计取心220 m, 时间跨越600 kyr。岩心共揭露出4种岩相, 分别为带状和/或层状粉砂岩相、均质含黏土粉砂岩相、火山凝灰岩相和砂岩相(Ç ağ atay et al., 2014), 其中前2种岩相是正常的湖泊沉积, 而后2种岩相是事件沉积, 整体上均形成于半深湖— 深湖环境(Ç ağ atay et al., 2014)。

前人研究表明, 在土耳其Van湖第四纪冰期沉积物中存在含量呈周期性波动的白云石, 且白云石的含量高曾被认为与蒸发作用增强、Mg/Ca值高、低水位或水体完全干涸有关(Landmann et al., 1996)。

此外, 150 kyr BP以来Van湖第四系白云石化强度波动还被归因于亚轨道尺度气候变化(Ç ağ atay et al., 2014)。在最近的研究中, McCormack等(2018)对Ahlat Ridge复合钻孔岩心进行了系统性的重新采样, 并依据全岩衍射分析获得0~150 kyr BP的高分辨率白云石化强度时间序列, 认为在高水位沉积物界面氧化还原条件突变期(高水位向低水位转变), 微生物生态压力增大, 从而促进了白云石的发育。笔者汇总了相关控制因素的时间域数据, 包括蒸发程度(乔木花粉百分比)、古盐度(孔隙水盐度)、湖平面相对变化、冰期与间冰期时间范围、白云石化强度和天文解中的岁差与岁差振幅(图6), 通过对比与耦合分析, 对Van湖白云石旋回的控制因素进行了重新评估。研究发现, 与冰期相比, 间冰期Van湖的白云化强度要大得多, 但蒸发程度和古盐度更低(图6); 除此之外, 间冰期白云石化强度峰值(> 20%)与高低水位转换期之间存在对应关系的数量为4个, 占总峰值数量的33.3%, 显著低于冰期的100.0%(图6)。前人有关研究区白云石发育的控制因素观点似乎都更适合冰期而非间冰期, 而同时期天文解的岁差在间冰期表现出了相比冰期更强烈的振幅(图6), 这表明岁差振幅与白云石化强度之间具有耦合关系, 并进一步指示Van湖第四系深水白云石化强度可能也受控于岁差振幅调制周期对气候的调控效应。

图6

Fig.6

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	图6 Van湖第四系白云石旋回多因素分析图(红色虚线代表与高低水位转换期耦合的白云石化强度峰值, 蓝色虚线代表 未耦合峰值)(修改自McCormack et al., 2018)Fig.6 Multi-factor analysis diagram of the Holocene dolomite cycle in Lake Van(red dashed line represents peak dolomitization intensity oupled with sediment reventilation period, blue dashed line represents uncoupled peak)(modified from McCormack et al., 2018)

4.2.2 二叠纪— 三叠纪之交白云石化事件

2018年, Li等对全球范围内22个二叠纪— 三叠纪之交的剖面中的浅水陆架— 斜坡— 深海环境的白云石化强度开展了系统分析, 结果表明该时期海洋化学跃变层(斜坡— 深海环境)存在白云石化强度突增的现象, 并称其为二叠纪— 三叠纪之交白云石化事件(Li et al., 2018)。在该研究中, Li等(2018)采用Mg/(Mg+Ca)值作为白云石化作用强度的替代指标, 通过与海洋缺氧事件和海洋硫酸盐还原速率的对比, 认为该事件可能是在海洋缺氧条件下由化学跃变层加速的硫酸盐还原微生物过程引发的。

基于Li等(2018)的研究成果, 笔者采用巢湖剖面伽马资料(GR)的偏心率滤波曲线及其包络线作为同时期地球轨道参数替代指标, 进一步开展了深水白云石化强度与多种环境因素耦合关系的重新评估(图7)。研究表明巢湖剖面二叠纪— 三叠纪之交发生的5次海洋缺氧事件中有4次对应于不同程度的白云石化作用增强(Song et al., 2012), 但缺氧事件Ⅲ 并没有与白云石化强度升高耦合(图7)。

图7

Fig.7

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	图7 二叠纪— 三叠纪之交白云石化事件多因素分析图(修改自Li et al., 2018)Fig.7 Multi-factor analysis diagram of dolomitization event during the Permian-Triassic(modified from Li et al., 2018)

通过对比可以发现, 缺氧事件I、Ⅱ 、Ⅳ 、V及其硫酸盐还原速率的增加与白云石化强度增大耦合良好, 且白云石化强度与缺氧程度或硫酸盐还原速率大致保持正相关(图7)。该现象符合前人观点, 即海水氧化还原条件是白云石化作用的主要控制因素(Li et al., 2018)。而缺氧事件Ⅲ 的缺氧程度虽然与最强的缺氧事件I相似, 但在相似的硫酸盐还原速率条件下, 缺氧事件Ⅲ 的白云石化作用强度又明显弱于缺氧程度明显更弱的事件Ⅳ 和事件V(图7), 这说明缺氧条件并不一定是白云石化作用增强的主控因素, 特别是在缺氧事件Ⅲ 。基于此, 笔者引入偏心率振幅变化参数进行分析, 发现该参数的变化趋势与海洋化学跃变层白云化强度变化趋势高度相似(图7), 指示缺氧事件Ⅲ 的白云石化强度很可能受偏心率振幅影响更大。以上分析说明, 仅从缺氧程度和厌氧微生物作用的角度来解释二叠纪— 三叠纪之交的白云石化事件全过程是十分困难的。与其他控制因素相比, 偏心率振幅与同时期海洋化学跃变层白云石化强度演化趋势之间的耦合关系更为良好, 表明偏心率振幅调制周期的气候效应可能与厌氧微生物作用共同调节了二叠纪— 三叠纪之交化跃层白云石化事件整体的演化趋势。

微晶白云石多形成于某些局限和高碱度的环境中, 如sabkha环境、高盐潟湖和盐湖(Arvidson and Mackenzie, 1999), 而这些环境除了具备干旱与高盐度条件外, 均具有较强的环境波动。以Coorong潟湖为例, 该地区年均气温在18~38 ℃之间, 湖底温度在5~50 ℃之间, 水体pH值在8~10之间(Warren, 2000)。基于前人对白云石发育的沉积环境波动特征的观察和实验验证, 笔者就环境波动促进白云石形成的机理进行总结:(1)生物成因观点, 即沉积环境的物理和化学性质的波动可以依次对白云石的成核和稳定起作用; 在成核阶段, 盐度、温度和氧化还原条件的波动可以刺激生物应激反应, 产生更多的胞外聚合物(EPS), 为富镁碳酸盐矿物成核提供更多成核点位(Diloreto et al., 2021); 而在稳定阶段, 在有利的Mg/Ca值条件下, 更多EPS降解过程中所导致的碱度增加有可能促进形成持续的浅埋藏白云石沉淀反应(Petrash et al., 2017)。(2)非生物成因观点, 即一系列的溶解和沉淀可以导致浸出亚稳相矿物(如文石)并有利于稳定相矿物(白云石)含量的增加(即熟化)(Deelman, 1999); 这一过程可能发生在现代或古代蒸发潟湖/盐湖环境中, 这些环境的共同特点是具有强烈的日际温度变化和pH值波动(Hobbs and Xu, 2020)。其中后一个观点已被用于解释中亚赛里木湖早全新世原生白云石层和卡塔尔新生代海岸白云石沉积的起源(Cheng et al., 2021; Rivers et al., 2021)。虽然环境波动性促进白云石沉淀的详细机理目前尚未有定论, 但可以确定的是以上2种路径是振幅调制周期高值期白云石化强度增强的重要潜在原因。

在天文周期中, 斜率是指地球自转轴的倾斜程度, 其在控制经向日照梯度、调控中低纬度印度夏季风强度、影响中至高纬度大气环流和向极地水汽输送等方面发挥主要作用(Raymo and Nisancioglu, 2003; Peckmann and Goedert, 2005)。岁差是指地球自转轴像陀螺般周期性的晃动, 主要影响季节性特征(Berger, 1988)。偏心率是指黄道偏离正圆的程度, 其可以调控岁差的幅度, 在影响地球接收太阳辐射的总量与太阳辐射季节性变化的强度方面具有重要作用(Wang, 2021)。在地球轨道参数振幅调制周期的高值期, 日照量、季节性差异、大气湿度或降雨量等常具有强烈的波动特征。

针对显生宙3个不同地质时期的白云石化作用及对其相关数据集进行的时间序列分析与耦合关系分析表明, 天文周期中的多种振幅调制周期的气候效应很可能对显生宙轨道尺度的深水白云石化作用强度波动产生重要影响, 主要表现为高振幅期对应于较强的白云石化作用。以位于中始新世、中纬度的渤海湾盆地东营凹陷为例, 该地区广泛发育季节性纹层, 具有十分强烈的季节性特征(Zhao et al., 2019)。Sr/Ba值被认为是研究区始新世湖水盐度较为有效的替代指标(Wei et al., 2018), 高盐度通常导致渤海湾盆地博南洼陷沙三下亚段湖水分层、湖底缺氧与初级生产力勃发, 相比之下低盐度的淡水湖则不易形成分层的水体(朱光有等, 2004)。而藻类等初级生产力可以通过光合作用影响湖水中CO₂浓度, 从而调控湖水pH值(沈青, 2011)。因此, 湖水盐度的波动同样可以引起分层程度、初级生产力、氧化还原性质与pH值等多方面湖水性质的变化。通过对已发表的FY1井Sr/Ba值进行分析(Miao et al., 2023), 发现FY1井沙三下亚段Sr/Ba值在超长斜率高值期具有比低值期更强的波动性(图8), 表明在斜率高振幅期湖底水体具有更为强烈的盐度、氧化还原性质与pH值的波动, 而根据斜率对中纬度地区气候的影响方式, 这种湖底水体性质的波动可以在季节尺度上得以体现。除此之外, 岁差振幅也可以通过影响季节性差异强度与季风强度来调控研究区中始新世湖泊水体性质(Shi et al., 2019)。现代青海湖雨季的日温差与盐度波动显著强于旱季(金章东等, 2013), 所以季节性的水体性质波动同样可以体现在日际尺度上。综上, 笔者推测, 振幅调制周期可能通过多尺度的沉积或孔隙水物理化学性质波动促进显生宙深水白云石沉淀, 具体机制可分为2类: (1)强烈的氧化还原性质波动, 加大了微生物生态压力促进EPS释放, 进而加强了深水环境下白云石的成核与熟化; (2)强烈的水体温度变化或pH值波动, 通过一系列的沉淀与溶解滤除了文石(亚稳定相), 并促进深水环境下白云石(稳定相)的形成。简而言之, 地球轨道参数振幅通过气候系统调控深水环境多尺度的波动, 而深水环境波动通过影响微生物生态压力和流体温度与pH值促进白云石成核与熟化。

图8

Fig.8

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	图8 东营凹陷 FY1井沙三下亚段干旱期Sr/Ba值与同时期天文解斜率振幅演化特征Fig.8 Sr/Ba value of Well FY1 in Dongying sag during the dry period of Es3l and obliquity amplitude of astronomical solution at same period