2017, Vol. 36
2. 中国地质大学(北京) 海洋学院, 北京 100083
2. School of Ocean Sciences, China University of Geosciences, Beijing 100083, China
古生代是显生宙距今最为久远且持续时间最长的“代”，它始于寒武纪早期的生物大爆发，止于显生宙最大规模的生物灭绝事件，跨越了从541 Ma至252.17 Ma的2.89亿年。在古生代漫长的演化进程中，地球系统经历了多次重大的构造、气候和生物事件(图 1)，是地球演化史上重要的阶段。早寒武世潘诺西亚(Pannotia)超级大陆发生裂解，气候转暖(Powell et al., 1995; Smith，2009)，发生了寒武纪生物大爆发事件。早-中奥陶世地球处于温室时期，海平面最高时比现今高200 m以上(Munnecke et al., 2010)，发生了海洋生物大辐射(Sepkoski and Sheehan, 1983；Sepkoski，1995)。奥陶纪末期，气候变冷进入冰室时期，发生了显生宙首次生物大灭绝事件，49%~60%属级和85%种级的海洋生物消失(Christie et al., 2013)。志留纪气候转暖，冰川逐渐消退(Munnecke et al., 2010)，生物逐渐复苏，陆地生物开始全面进化(Rittner，2009)。地球在泥盆纪进入了鱼类时代，陆生植物在此期间迎来了一次快速发展，早期的“树”和“种子”开始形成，两栖动物开始出现。泥盆纪晚期发生了显生宙第二次生物大灭绝事件(Walliser，1996)。早石炭世全球温度急剧下降，地球再次进入了冰期(Grossman et al., 2008)。二叠纪早期，全球主要大陆开始聚合形成潘基亚(Pangea)超大陆(Scotese，2001)。超级大陆的形成使内陆地区气候干燥，季节性明显(Kessler et al., 2001)。二叠纪末发生了显生宙最大规模的生物大灭绝事件，95%的海洋生物和70%的陆地生物在地球上消失(Erwin，1994；Retallack，1995)。
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修改自：戎嘉余和黄冰(2014) 图 1 古生代三次生物大灭绝事件、全球热带海洋表层温度变化曲线、海平面升降曲线、碳同位素偏移、冰期事件和旋回地层学研究实例 Figure 1 Three mass extinction events, curves for the temperature variation of surface layers of global tropical oceans, curve for the sea-level change, shifts of carbon isotopes, and glacial events in the Paleozoic, and examples of representative cyclostratigraphy studies |
高精度的年代地层格架对于理解地史时期的地球构造、气候和生物事件的触发机制、演化过程和最终结果都极为关键(Erwin，2006；吴怀春等，2011a)。经典的生物地层学研究难以为古生代重大地质事件提供精确绝对年龄的控制，生物地层单元的穿时性与生物地理分区也严重阻碍着区域或全球高精度对比(王训练和吴怀春，2016)。尽管高分辨率放射性定年技术获得的古生代绝对年龄误差达到0.1%甚至更优(如，Shen et al., 2011；Burgess et al., 2014)，但在沉积地层中获取多层火山灰并对地质事件的持续时间进行精确约束仍十分困难。
地球轨道参数(偏心率、斜率和岁差)的(准)周期性变化控制着不同纬度和不同季节地球表面接收到的日照量(Hays et al., 1976；Berger and Loutre, 1994)。日照量变化引起的气候周期性变化可记录在沉积系统中。旋回地层学方法是在识别地层中由地球轨道力引起的米兰科维奇沉积旋回的基础上，将其对比到天文理论曲线，获得连续的、分辨率达2~40万年的时间标尺，进而精确确定出各种地质事件和地质过程的年代和持续时间的一门地层学分支学科。人们不但在海相地层中识别出米兰科维奇旋回并建立天文年代标尺，在陆相地层中也获得诸多进展(Hinnov，2013; Wu et al., 2009, 2013a, 2014)。地球轨道力还是过去气候变化和一些重要生物、环境与地质事件的主要驱动因素之一(Zachos et al., 2001；van Dam et al., 2006；Li et al., 2016)。目前，国际地质年代表的中、新生代部分已基本完成天文年代的校正，但古生代部分仍远未完成。因此，本文将简单介绍旋回地层学的基础理论，系统总结古生代旋回地层学研究现状并对未来研究提出展望。
2 地球轨道参数与天文地质年代表 2.1 地球轨道参数及其古气候意义地球轨道参数主要包括偏心率、斜率和岁差(Milankovitch，1941；Hinnov，2013)。偏心率与日-地系统的距离有关，而斜率和岁差是由地-月系统相互作用引起的。3个轨道参数对地球气候的影响方式不同。下面简单介绍这3个地球轨道参数的定义、周期和气候意义。
地球轨道偏心率为地球绕太阳公转椭圆轨道的赤道半径与极半径之差与赤道半径之比，反映了地球与太阳的距离变化(图 2a)。根据Laskar等(2004)的计算模型，偏心率在过去40 Ma里的变化范围为0.00021318~0.0669575。偏心率主要周期有95 ka，99 ka，124 ka，131 ka和405 ka(图 3d)。405 ka的长偏心率周期来自于g2和g5，即由金星和木星轨道近日点之间相互作用形成。由于木星质量极大，长偏心率周期在地史时期十分稳定。2.4 Ma周期由g4-g3火星和地球的轨道近日点相互作用造成，是对偏心率振幅调制的周期(图 3)。偏心率越小，地球季节性越弱，反之，季节性越明显。
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(a)据Laskar等(2004); (b)据Berger等(1989) 图 2 地球轨道参数示意图(a)和岁差、斜率周期在地史时期的变化(b) Figure 2 A sketch showing orbital parameters of the Earth(a), and a plot showing variations of periodicities of the precession and obliquity with geologic time(b) |
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(a~c)的地球轨道参数数据据Laskar等(2004)；(d)为10 Ma以来地球轨道参数标准化数据滑动窗口频谱分析结果，滑动窗口为500 ka。黑色虚线分别显示偏心率和斜率的超长周期(调制)曲线；E，e，O，P分别代表长偏心率(紫)，短偏心率(绿)，斜率(蓝)和岁差(红)。轨道近日点相互作用造成，是对偏心率振幅调制的周期(图 3)。偏心率越小，地球季节性越弱，反之，季节性越明显 图 3 一千万年以来地球轨道参数的变化 Figure 3 Variations of orbital parameters of the Earth in the past 10 Ma |
地轴斜率为地球绕太阳公转的轨道平面与赤道面的夹角(图 2a)，其变化范围为22.5 °~24.5 °(图 3b)，现在它具有41 ka的主周期(图 3d)，以及39 ka、54 ka和29 ka的次周期。周期为41 ka斜率信号的振幅受到s4-s3的调制，其周期在新生代为1.2 Ma(图 3b)。斜率的变化对高纬度地区影响较大。斜率越大，高纬度夏季接受到的日照量越多，冬季接受到的日照量越少，年气温差越大；反之，斜率越小，高纬度夏季接受到的日照量越少，冬季接受到的日照量越多，年气温差越小。
岁差又称章动，为地球自转轴绕黄道面垂直轴的进动。当前岁差的主周期为24 ka、22 ka和19 ka(图 3d)，并明显受到偏心率和g4-g3超长偏心率周期的调制(图 3d)。岁差决定季节发生的时间。如果北半球夏至到达远日点，冬至位于近日点，那么冬季变短且温度升高，季节变化不明显；反之，如果北半球冬至达到远日点，而夏至到达近日点，那么冬季变长且温度降低，季节差异增大。
地史时期以来，由于地-月距离不断增大加上潮汐耗散等因素的影响，使得地球自转速率变慢，岁差和斜率周期也不断增大(Berger and Loutre, 1994；Laskar et al., 2004)(图 2b)，地质历史时期岁差和斜率的估计值见表 1。
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表 1 地质历史时期的岁差和斜率周期估计值 Table 1 Estimated values of periodicities of the precession and obliquity in the geological history |
旋回地层学主要关注受轨道驱动力影响的旋回性沉积记录，是对米兰科维奇周期气候理论的“深时”应用与发展(孙枢和王成善，2009；吴怀春等，2011a)。通过对沉积记录的分析，可建立沉积旋回或古气候替代性指标与轨道驱动力之间的关系。Hays等(1976)首次将深海氧同位素记录与日照量曲线进行对比，将原始数据滤波得到岁差和斜率信号并调谐至天文轨道模型，证明第四纪冰期-间冰期气候旋回受地球轨道力控制。Imbri等(1984)使用相同的方法，将底栖有孔虫氧同位素数据调谐至780 ka以来的轨道信号，建立了标准的同位素曲线，并成为晚更新世以来深海氧同位素的对比模板。Laskar等(2011a, 2011b)建立的La2010和La 2011天文参数模型提供了50 Ma以来可靠的地球轨道参数演化模型。但是，由于太阳系的混沌现象(Laskar, 1990, 1999)，天文参数模型的计算每向前追溯10 Ma，初始不定性就要以10倍增长，很难建立早于50 Ma的精确天文参数模型(Laskar et al., 2011a)。
旋回地层学是地质年代学研究最重要的进展之一(龚一鸣等，2008; 吴怀春等，2011b)。目前，运用全球海洋沉积物中具有米兰科维奇旋回的地层记录编制的天文年代表已接近100%覆盖了新生代(Hinnov，2013；吴怀春等，2016)。新近纪天文年代表已经调谐至地球轨道参数模型，精度可达2万年，古近纪天文年代表调谐至偏心率标准曲线，精度为10万年。中生代地球轨道参数模型的精确度下降，仅有长偏心率模型比较稳定(Wu et al., 2012, 2013b, 2014)，2.5亿年前的误差仅为~ 500 ka(Laskar et al., 2011)。因此，人们主要依据长偏心率旋回建立具有相对时间概念的“浮动”天文年代标尺，基本完成了中生代地质年代表的天文年代标定(吴怀春等，2011b；Hinnov，2013; 黄春菊，2014)，但古生代的旋回地层学和天文年代学研究仍处于起步阶段。
3 高精度绝对年龄约束的古生代米兰科维奇旋回对古生代来说，除了经典的旋回地层学分析方法外，通过其他方法来证明地层中的旋回性沉积是由地球轨道力引起是十分困难的。最近几年，国际社会通过开展“Earthtime”、“Earthtime-EU”和“Earthtime-CN”研究计划(吴怀春等，2011a)，放射性定年技术得到极大提高，为古生代米兰科维奇旋回记录提供了独立的年代学约束。下文将以华南二叠纪、乌克兰石炭纪和挪威奥陶纪地层中记录的，受高分辨率放射性同位素约束的米兰科维奇旋回作为实例，证明古生代米兰科维奇旋回记录的可靠性，以及通过开展旋回地层学研究建立高分辨率古生代天文年代地层格架的可能性。
3.1 华南二叠纪乐平世米兰科维奇旋回中国华南晚二叠世-早三叠世(2.6~2.5亿年前)沉积了连续的地层，其中浙江煤山剖面和四川上寺剖面分别为二叠/三叠系界线的层型剖面(GSSP)和候选层型剖面，记录了二叠纪末期(~ 2.52亿年前)的生物大灭绝事件。煤山剖面地层由下而上分别为龙潭组、长兴组和殷坑组。长兴组岩性以碳酸盐台地相/斜坡相的含硅质结核的微晶灰岩为主，殷坑组岩性以浅水台内钙质页岩和灰岩为主。上寺剖面下部二叠纪吴家坪组由浅海陆架微晶灰岩组成，上覆地层大隆组的下部为灰黑色硅质灰岩和页岩，上部为灰色、深灰色硅质岩、硅质微晶灰岩，在露头剖面上可直接观察到米兰科维奇旋回组合特征(图 4a)。
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修改自Wu等(2013b)；频谱分析结果由上而下分别为:磁化率(b)/非磁滞剩磁(c)数据在深度域、La 2004天文模型240~249 Ma的ETP数据、锆石U-Pb年龄校正后的磁化率/非磁滞剩磁数据在时间域，以及40.5万年长偏心率旋回调谐后的磁化率/非磁滞剩磁数据在时间域的频谱分析结果 图 4 华南上寺剖面大隆组露头照片(a)和煤山剖面磁化率(b)、上寺剖面非磁滞剩磁(c)的频谱分析结果 Figure 4 Photo showing rocks of the Dalong Formation at the Shangsi section in southern China(a), and spectral analytical results of the magnetic susceptibility for rocks of the Meishan section(b) and the anhysteretic remanent magnetization for rocks of the Shangsi section |
Wu等(2013b)对上寺剖面和浙江煤山剖面进行详细的野外地层岩性观察、测量和厘米级采样，获得了连续的磁化率、非磁滞剩磁等岩石磁学参数变化序列。岩石磁学参数为古气候-古环境替代性指标，开展了详细的频谱分析和小波分析，并以这两个剖面多个高精度锆石U-Pb年龄为约束(Shen et al., 2011)，确定出地球轨道参数深刻地影响着二叠纪晚期(~2.55亿年前)的气候和沉积过程，且长偏心率、短偏心率、斜率和岁差的周期分别为40.5万年、10万年、3.4万年和2万年(图 4b、4c)。
Wu等(2013b)根据40.5万年长偏心率沉积旋回建立了煤山剖面和上寺剖面晚二叠世天文年代标尺，结果表明乐平统的持续时间为7.8 Ma(图 5)，煤山剖面二叠纪末期生物大灭绝事件主灭绝期持续时间为8.3万年，稳定碳同位素急剧负偏持续时间为1.5万年(Wu et al., 2013b)。地层中鉴定出的3.4万年的斜率周期和2万年的岁差周期与天文理论模型一致(图 4b，4c)，表明~2.5亿年前地球自转一周时间(天)约为现在的22 h，公转一周时间(年)为400天。该研究完成了国际地质年代表天文年代校正由中生代向古生代延伸，代表了向建立高分辨率古生代天文地质年代表迈出重要一步。研究成果还增进了人们对二叠纪末期生物大灭绝事件的理解，为天文学家计算古生代的天文模型提供了可靠的地质证据，将促进古生代旋回地层学研究(Hinnov，2013)。
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修改自Wu等(2013b)；a-由上至下分别为煤山剖面的磁化率随深度变化，由锆石U-Pb年龄插值的磁化率数据，405 ka长偏心率旋回调谐后的磁化率序列和煤山剖面磁化率序列调谐至上寺剖面和天文解决方案La2010d的结果。罗马数字ⅰ，ⅱ，ⅲ，ⅳ，ⅴ和ⅵ代表不同深度的锆石U-Pb年龄(Shen et al., 2011)，分别为(252.10±0.06)Ma，(252.28±0.08)Ma，(252.50±0.11)Ma，(252.85±0.11)Ma，(253.45±0.08)Ma和(253.49±0.07)Ma。罗马数字ⅶ，ⅷ，ⅸ，ⅹ和xi代表了由U-Pb年龄确定的持续时间，分别为(0.18±0.1)Ma，(0.22±0.14)Ma，(0.35±0.16)Ma，(0.60±0.14)Ma和(0.04±0.11)Ma。b-由上至下分别为上寺剖面非磁滞剩磁(ARM)随深度变化，锆石U-Pb年龄校正后的ARM序列和405 ka长偏心率调谐后的ARM序列。罗马数字ⅰ，ⅱ，ⅲ，ⅳ，ⅴ，ⅵ，ⅶ，ⅷ和ⅸ代表不同深度的锆石U-Pb年龄(Mundil et al., 2004; Shen et al., 2011)，分别为(252.16±0.09)Ma，(252.28±0.13)Ma，(252.37±0.08)Ma，(252.68±0.12)Ma，(253.10±0.12)Ma，(253.60±0.08)Ma，(254.31±0.07)Ma，(257.79±0.14)Ma和(259.5±0.9)Ma。黑色和红色数字分别代表U-Pb绝对年龄和相应深度的天文调谐年龄。字母E和e分别代表长(短)偏心率旋回; 红虚线和蓝线分别代表405 ka长偏心率和100 ka短偏心率旋回。IN：印度阶; WP：吴家坪阶; YK：殷坑组; LT：龙潭组；FXG：飞仙关组 图 5 煤山剖面(a)和上寺剖面(b)晚二叠世天文年代标尺 Figure 5 The astronomical time scales for Late Permian sedimentary rocks in the Meishan and Shangsi sections |
乌克兰顿涅茨克(Donets)盆地是第聂伯-顿涅茨克克拉通内部裂谷盆地的一部分，宽约200 km，长约700 km(McCann et al., 2003；Stephenson et al., 2006)。Izart等(1996, 2003, 2006)根据盆地岩性标志层和生物地层对比结果，建立了顿涅茨克盆地石炭系谢尔普霍夫阶到格舍尔阶层序地层格架(图 6)，提出盆地沉积旋回受轨道作用力控制，其中高频层序，四级层序和三级层序的持续时间分别为40~100 ka，400 ka和1 Ma。但这一“数旋回”的方法受到很大争论(Hess and Lippolt, 1986；Hess et al., 1999)。
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修改自Davydov等(2010) 图 6 乌克兰顿涅茨克盆地莫斯科阶受高精度绝对年龄约束的旋回地层解释 Figure 6 The high-resolution radiometric age calibrated cyclostratigraphy of the Moscovian succession in the Donets Basin, Ukraine |
Davydov等(2010)获得的高精度定年结果证明地球轨道力控制着顿涅茨克盆地的沉积系统。盆地k3到n1煤层中的5层火山灰的高分辨率定年结果分别为(314.40±0.06)Ma，(313.16±0.08)Ma，(312.01±0.08)Ma，(310.55±0.1)Ma和(307.26±0.11)Ma(图 6)。Izart等(1996)利用海侵-海退旋回将盆地莫斯科阶划分为18个四级层序，这5层火山灰跨越了其中的16个4级层序(图 6)。使用这5个年龄中的任意2个对旋回层的持续时间进行估计，表明每个旋回层的持续时间约为400 ka。由此，可确定出这些由冰川型海平面变化导致的4级层序是受400 ka长偏心率控制的。I1和I3煤层之间的绝对年龄相差200 ka，这一结果表明高频层序的持续时间约为100 ka，证明100 ka短偏心率旋回控制的高频层序受到~400 ka长偏心率旋回控制的4级层序的调制。将4级层序调谐至长偏心率周期可以为盆地莫斯科阶提供高分辨率(~400 ka)的天文年代格架，精确约束了莫斯科阶顶、底界年龄，以及阶内各化石带的绝对年龄和持续时间(图 6)。
3.3 挪威奥斯陆晚奥陶世米兰科维奇旋回挪威奥斯陆地区晚奥陶世地层中发育了一系列火山灰层，其中Kinnekulle斑脱岩广泛发育，可在欧洲西北部进行追踪，为地层划分对比提供了很好的约束。
Svensen等(2015)对该地区1 m厚的Kinnekulle斑脱岩层和之上7 m位置的Grimstorp薄层火山灰开展同位素测年工作，获得这两套火山灰的高精度U-Pb年龄分别为(454.52±0.50)Ma和(453.91±0.37)Ma(图 7a)。两层火山灰之间7.06 m的地层主要为页岩夹少量结核状灰岩。通过对该剖面获得的磁化率序列开展频谱分析，结合Berger和Loutre(1994)提供的晚奥陶世450 Ma的斜率周期，将1 m和0.28 m的沉积旋回分别解释为109 ka的短偏心率旋回和30.3 ka的斜率旋回(图 7b)。据此估计出两套火山灰之间地层的持续年龄为766 ka，与U-Pb年龄确定的持续时间600 ka相近。因此，在放射性年龄误差范围内证明了该套地层的旋回性受到地球轨道力的驱动。假定沉积速率不变，可估计出该地区桑比阶/凯迪阶的界线年龄为(451.88±0.37)Ma(Svensen et al., 2015)。尽管所研究的地层时间跨度不大，但高精度U-Pb年龄为早古生代米兰科维奇沉积旋回提供了有力的证据。
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修改自Svensen等(2015)；a-挪威奥斯陆Vollen地区Arnestad组岩性柱状图、磁化率序列和火山灰U-Pb锆石年龄；b-磁化率序列频谱分析结果 图 7 挪威奥斯陆高精度年龄约束的晚奥陶世米兰科维奇旋回 Figure 7 The high-resolution radiometric age calibrated Late Ordivician Milankovitch cycle in the Oslo region, Norway |
石炭纪早期至中二叠世为晚古生代冰期，受轨道力控制的冈瓦纳冰川的扩张和消融导致全球性的高频率、大振幅的冰川型海平面变化，使米兰科维奇旋回信号在包括低纬度地区的全球范围内均有良好记录。但是，早古生代的寒武纪至泥盆纪大部分时间处于温室气候，加之缺乏高精度绝对年龄的控制，可靠的米兰科维奇旋回记录相对要少。以下将按“纪”为单位分别介绍古生代旋回地层学研究的相关进展。
4.1 二叠纪美国西南部晚二叠世早期的Castile组中保存了超过20万个蒸发硬石膏-碳酸盐岩纹层，里面清晰的保存了从年际旋回到偏心率旋回的记录(Anderson，2011)。Ellwood等(2013)利用旋回地层学分析和磁化率事件(MSEC)的解释方法，在美国中二叠统全球标准层型剖面和点位(GSSP)剖面识别出米兰科维奇旋回，对各地质事件的持续时间进行了天文年代估计。
中国二叠纪旋回地层学研究取得了诸多重要进展。Wu等(2013b)获得了受高精度年龄约束的乐平世米兰科维奇旋回证据，并建立了乐平统天文年代标尺(图 4、图 5)，对开展古生代旋回地层学研究具有重大意义。Huang等(2011)利用天文年代标尺对P-T生物绝灭事件的持续时间进行了天文年代约束。Yao等(2015)对巢湖地区的中二叠统放射虫硅质岩-泥岩序列开展旋回地层学研究，对来自3个剖面的岩层厚度数据进行频谱分析，结果显示很强的斜率信号，天文校准结果确定出沃德阶底部的年龄为268.8 Ma。Fang等(2015)利用非磁滞剩磁(ARM)序列对上寺剖面早-中二叠世茅口组进行旋回地层学研究，利用405 ka调谐结果建立了一个“浮动”年代标尺，得出罗德阶和沃德阶的持续时间分别为(3.7±0.4)Ma和(2.9±0.4)Ma。此外，还在华南上寺和渡口剖面识别出的~2 Ma的偏心率和~1 Ma的斜率超长天文轨道周期(Fang et al., 2015, 2017)。这些超长周期比新生代的略短，但仍然保持着2 ︰ 1的天文共振，全球海平面三级层序受s4-s3周期控制(图 8)。
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修改自Fang等(2015, 2017)；(a)将J. postserrata在上寺剖面的首现点带入卡匹敦阶底部年龄(265.1 Ma)建立的天文年代标尺。上寺剖面(b)和渡口剖面(d)405 ka长偏心率调谐后的ARM曲线和低频滤波输出曲线，滤波频率分别为0~0.0016旋回/ka和0~0.0013旋回/ka。上寺剖面(c)和渡口剖面(d)斜率信号振幅包络线。(e)全球海平面三级层序界面(Gradstein et al., 2012)。K，R，W和C分别代表空谷阶、罗德阶、沃德阶和卡匹敦阶 图 8 华南上寺(红)和渡口(蓝)剖面中二叠世超长斜率旋回与全球海平面三级层序的关系 Figure 8 The relationship between long-period obliquity cycles of the middle Permian sedimentary rocks of the Shangsi(red) and Dukou(blue)sections in southern China and global sea-level third-order sequences |
薛武强等(2015)在广西来宾铁桥剖面识别出米兰科维奇旋回，计算出卡匹敦阶7个牙形石带的时限并估算出峨眉山大火成岩省喷发启动时间为262.67 Ma，位于瓜德鲁普-乐平统界线之下1.42 Ma。陈建业等(2007)对广西东攀二叠/三叠系界线剖面不同磁学数据进行频谱分析，识别出偏心率、斜率和岁差沉积旋回。李凤杰等(2010)对四川东北宣汉县渡口镇羊鼓洞二叠系剖面和普光4井的长兴组进行旋回层序研究，运用Fischer图解绘制了二叠系可容空间变化曲线，发现其与相对海平面升降曲线之间有良好的对应关系。测井曲线的频谱分析结果显示，长兴组中广泛地保存着124 ka，44.89 ka，35.11 ka，21.16 ka和17.72 ka的米兰科维奇沉积周期。
4.2 石炭纪北美中大陆地区石炭系广泛发育，受构造影响较小，地层显示出非常好的沉积旋回(图 9)。Wanless和Shepard(1936)首先提出北美中大陆普遍存在的旋回性沉积是受冰川型海平面变化控制，此后大量的研究开始关注米兰科维奇旋回对石炭纪沉积旋回的控制(Heckel, 1986, 2008；Algeo and Wilkinson, 1988；Boardman and Heckel, 1989；deV Klein and Willard, 1989；deV Klein，1990；Dickinson et al., 1994；Soreghan and Dickinson, 1994；Soreghan and Giles, 1999)。这一推论也得到了高精度放射性同位素定年结果(Greb et al., 2008；Davydov et al., 2010；Eros et al., 2012；Martin et al., 2012；Pointon et al., 2012；Schmitz and Davydov, 2012；Waters and Condon, 2012)和古气候模拟结果的支持(Crowley et al., 1993；Horton and Poulsen, 2009；Horton et al., 2010, 2012；Heavens et al., 2015)。另外，Ellwood(2007)将美国内华达州Arrow Canyon密西西比-宾夕法尼亚界线GSSP及周边的两个剖面进行对比，使用磁化率事件(MSEC)和旋回地层对比方法，将地层划分为多个磁化率带，显示出很好的400 ka的长偏心率控制的海侵-海退旋回。Algeo和Heckel(2008)在北美中大陆Kansas型韵律层中，根据详细的相分析识别出100 ka和20 ka的旋回，稳定同位素分析表明该时期的冰量与更新世相近(Joachimski et al., 2006)。乌克兰顿涅茨克(Donets)盆地石炭纪的高频层序、四级层序和三级层序已被证明分别对应了斜率、短偏心率、长偏心率沉积旋回(图 6；Davydov et al., 2010)。在中国，Liu(2012)对塔里木盆地中部的石炭系卡拉沙依组的自然伽马测井序列进行旋回分析，识别出了若干个三级层序，每一个层序的持续时间约为2.4 Ma，可能代表了超长偏心率周期。
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修改自Heckel(2008) 图 9 北美中大陆石炭系沉积旋回 Figure 9 Carboniferous Milankovitch cycles in Midcontinent, North America |
石炭纪受天文轨道信号控制的冰川消长导致的气候和海平面变化是众多海洋生物群落整体面貌更替的重要原因。Atakul-Özdemir等(2011)将土耳其南部谢尔普霍夫阶-巴什基尔阶附近的有孔虫生物地层和沉积旋回结合起来，认为有孔虫的演化或与100 ka短偏心率旋回有关。Khodjanyazova等(2014)认为顿涅茨克盆地宾西法尼亚亚系䗴类组合的更替受全球海平面变化和区域的气候共同影响，每个旋回的周期大约为0.6~1.2 Ma，与405 ka的偏心率和1 Ma的超长偏心率旋回周期十分相近。米兰科维奇旋回对于石炭系沉积旋回的控制，不仅可以提高对冈瓦纳大陆冰川的消长和气候变化的控制机制的认识(Montañez et al., 2007；Poulsen et al., 2007；Birgenheier et al., 2009)，还可以作为校准全球生物地层和层序地层对比的时间标尺(Haq and Schutter, 2008；Davydov et al., 2010)。
4.3 泥盆纪泥盆纪大部分时期都为温室气候，许多地质记录表明该时期气候受到天文轨道力的驱动，并叠加于长期的气候变化趋势之上，但对天文轨道力在温室气候条件下如何驱动气候变化的机制仍缺乏足够的认识。在北美，Elrick(1995)对Great Basin东部的中泥盆统碳酸盐台地相地层进行研究，识别出了4个斜坡与盆地之间可对比的三级层序，每一个三级层序又包含了多个向上变浅的米级旋回，这些旋回的持续年龄为50~130 ka。Algeo等(2006)对Appalachian盆地上泥盆统北美中大陆石炭系狄莫阶中期-弗吉尔中期从俄克拉荷马州前陆盆地到陆架以及北部深水区的侧向延展范围将旋回层分为大、中和小3种类型。
法门阶4口岩心地层进行旋回分析，识别出了波长比例接近5 ︰ 1的沉积旋回，分别代表了~100 ka的短偏心率旋回和~20 ka的岁差旋回。De Vleeschouwer等(2012a)对加拿大阿尔伯塔西部地区晚泥盆统弗拉阶地层开展研究，综合多个剖面的磁化率序列，根据地层厚度和生物地层约束估计出沉积速率，然后结合频谱分析和小波分析识别出了长偏心率和短偏心率旋回，并依据405 ka调谐结果建立了“浮动”天文年代标尺，得出弗拉阶的持续时间为(6.5±0.4)Ma。
在欧洲，De Vleeschouwer等(2012b)对比利时迪南复向斜南部边界的中泥盆统艾菲尔阶上部-吉维特阶下部地层进行研究，对磁化率序列进行频谱分析，根据年代地层和生物地层以及不同沉积环境沉积速率的经验估计，将高频沉积旋回解释为岁差旋回。认为在岁差最小时(近日点经度约为270°)，东北季风性环流增强，向陆地输送的水分增多，降水和陆地径流加强，导致输入海洋的陆源碎屑物质增多，磁性矿物增多，磁化率相应增大，反之亦然。De Vleeschouwer(2013)对波兰Holy Cross山脉的Kowala剖面上泥盆统韵律沉积序列进行研究，识别出了400 ka和100 ka的偏心率旋回，并建立了“浮动”天文年代标尺，估计出Cambrian Kellwasser和Permian Kellwasser缺氧事件之间的年龄间隔为~800 ka。该剖面法门阶地层出现了代表厌氧的3个页岩层，Annulata与Dasberg之间和Dasberg与Hangenberg之间的年龄间隔分别为2.2 Ma和2.4 Ma，可能受到~2.4 Ma超长偏心率周期的驱动。
华南泥盆纪具有较好的旋回地层学研究基础。Chen和Tucker(2003)通过对华南多个泥盆系弗拉阶-法门阶剖面开展岩相研究，识别出SFr、SFa两个层序，两层序之间的界线位于法门阶顶界之上，这些剖面的地层沉积于碳酸盐台地或台间盆地，构成每个层序的基本单元为向上变浅、变粗变厚的旋回，且每6~8个旋回构成旋回组(cycle-sets)，多个旋回组又构成中旋回(mesocycle-sets)和大旋回(megacycle-sets)，这种分级的旋回模式表明受到轨道驱动的影响，单个旋回和旋回组分别对应16~18 ka的岁差旋回和~100 ka的短偏心率旋回，推断弗拉-法门阶生物灭绝事件主幕的持续时间为~400 ka，随后的第二次生物灭绝持续时间为~ 50 ka。Gong等(2001, 2005)也采用岩性识别方法在华南广西上泥盆统弗拉阶-法门阶的碳酸盐沉积序列中识别出了米兰科维奇旋回，并估计出弗拉阶的持续时间为4.3 Ma，以及弗拉阶-法门阶过渡期，牙形石生物灭绝和复苏的持续时间分别为100~200 ka和0.6 Ma，并在米兰科维奇旋回尺度上完成了区域地层的高分辨率对比(图 10)。
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修改自Gong等(2001) 图 10 广西上泥盆统弗拉阶-法门阶之交旋回地层对比 Figure 10 The comparison of Late Devonian cyclostratigraphic columns in the Guangxi region, China |
志留纪的持续时间相对较短(24.6 Ma)，发育了8~9个全球海平面升降旋回。最老的3个(Llandoverian)可能与冰碛岩相关(Calner，2008; Johnson，2010)。在这些大的全球海平面升降旋回中也识别出大量的向上变浅的沉积旋回(Nestor et al., 2001, 2003)，但缺少可靠的证据表明这些沉积旋回是米兰科维奇旋回。
中国塔里木盆地是开展志留纪沉积旋回研究的热点区域，多数学者以高分辨率层序地层学理论为指导，通过露头观察，结合岩心、测井和地震资料等，识别出不同级别的旋回层序(张金亮和戴朝强，2006；赵文光等，2006；李明云和孙晓明，2008)。这些研究尽管为塔里木盆地区域地层对比提供了有力依据，但地层层序是否由地球轨道力驱动仍不明确，需要进一步的旋回地层学分析。
4.5 奥陶纪总体来说，奥陶纪在识别高频沉积旋回并对应到三级层序研究方面进展较好，但却普遍缺少高精度绝对地质年龄的约束(图 7；Svensen et al., 2015)。北美地区的奥陶纪旋回受到广泛关注。Goldhammer等(1993)对美国德克萨斯州Diablo台地下奥陶统地层中沉积旋回的成因进行了探讨，发现米兰科维奇周期驱动的冰川型海平面变化机制不足以解释这些高频的沉积旋回及低频三级层序旋回，作者对比了他旋回式、自旋回式和随机式3种模型模拟的高频旋回，认为该地区的旋回问题远比所认识到的要复杂。Gong和Droser(2001)对美国犹他州西部地区早-中奥陶世地层岩性进行直接观测，识别出100 ka短偏心率沉积旋回。Long(2007)对加拿大魁北克Anticosti岛一千多米厚的晚奥陶统-早志留统碳酸盐岩层进行研究，通过暴风频率曲线识别出与三级层序对应的长周期旋回和与四级层序对应的短周期旋回，其中短周期旋回可能代表了100 ka或400 ka的偏心率周期。Elrick等(2013)利用美国肯塔基州Lexington和加拿大魁北克Anticosti岛地区多个上奥陶统剖面的牙形石δ18 O值，证实天文轨道尺度的气候波动控制了大陆冰川的消长，导致海平面波动，使地层中的沉积旋回广泛发育。Ghienne等(2014)对比了低纬度和高纬度两个地区完整的晚奥陶世沉积记录，发现晚奥陶世冰川旋回的形式类似于渐新世，可能代表了1.2 Ma的超长斜率周期。Herrmann等(2003)通过古气候模拟证明晚奥陶世高纬度地区冰川的消长受地轴斜率和大气CO2共同控制。
Williams(1991)利用元素地球化学数据，在澳大利亚西部Canning盆地上奥陶统-下志留统Carribuddy群中的盐岩-泥岩-膏岩-白云岩序列识别出明显的米兰科维奇旋回信号，并认为Carribuddy群的沉积体系主要受偏心率-岁差控制。Kim和Lee(1998)认为朝鲜地区下奥陶统Dumugol组地层的米级沉积旋回对应了短偏心率旋回，与四-五级高频海平面变化相对应。Sutcliffe等(2000)使用沉积学方法对非洲地区冰川型海平面变化控制的沉积序列进行研究，提出晚奥陶世冰川消长受偏心率周期控制，持续时间约为10万年，据此推算晚奥陶世第一次生物集群灭绝的时限约为30万年。Rodionov等(2003)对西伯利亚台地南部Krivaya Luka剖面进行旋回分析，通过对深度域磁化率序列的频谱分析，识别出125 ka短偏心率周期，并推算出其他3谱峰对应的周期为27.9 ka，17.82 ka和16.35 ka，与奥陶纪的斜率和岁差周期相近，据此估计出Volginsky化石带和整个Krivaya Luka剖面的持续时间分别为1 Ma和1.2 Ma。
在国内，不少学者将米兰科维奇理论运用于高频层序划分及对比方面，取得一定成果。Fang等(2016)对中国华北鄂尔多斯盆地西南缘晚奥陶统平凉组韵律层进行旋回分析，识别出了短偏心率，斜率和岁差旋回。提出岁差是灰岩-页岩韵律层形成的主要控制因素，岁差和斜率可能都控制了生物成因硅产率。斜率驱动了与温度相关的硅质岩保存条件呈周期性变化，使得平凉地区的硅质沉积周期性出现，斜率最小时，海洋由低到高纬度温度梯度大，温盐循环增强。马坤元等(2016)对秦皇岛石门寨亮甲山奥陶系剖面进行研究，选取Fe/Ca、Ti/Ca作为古气候替代指标，开展时间序列分析，识别出405 ka的长偏心率和90 ka的短偏心率旋回，依据长偏心率周期建立了一个“浮动”天文年代标尺，估计出亮甲山组的持续时间为6.2 Ma，平均沉积速率为14.58 m/Ma。赵宗举等(2010)利用测井曲线值频谱分析，在塔里木盆地上奥陶统良里塔格组碳酸盐岩中识别出天文轨道信号，认为六级米级旋回、五级准层序及四级准层序组可能对应岁差、短偏心率及长偏心率周期。张运波等(2011)对塔里木盆地塔中地区塔中162井和塔中43井下奥陶统鹰山组层序OSQ2进行旋回地层学研究，利用自然伽马能谱测井In(Th/k)曲线，识别出具有米兰科维奇旋回特征的高频旋回，其中，对应六级米级旋回的37 ka的斜率旋回最为明显，另外，据高频层序叠置关系分析及平均主旋回个数初步估算，塔中-巴楚地区下奥陶统鹰山组层序OSQ2的形成时限大约为4.92 Ma。郭颖等(2015)利用钍钾比曲线，在塔里木盆地玉北地区东部中-下奥陶统鹰山组中识别出米兰科维奇旋回，为海相碳酸盐岩地层剥蚀特征研究提供了新思路。
4.6 寒武纪寒武纪地层普遍为厚层的碳酸盐岩，一些研究者将碳酸盐岩沉积旋回解释为米兰科维奇旋回。Bond等(1993)通过对北美地区白垩系和寒武系地层沉积旋回研究，发现其频谱结果显示的显著谱峰比例与米兰科维奇周期的一致，其中寒武系剖面(510 Ma和530 Ma)的频谱结果显示的斜率周期，与Berger和Loutre(1994)的估计值相近，认为地球轨道力对早古生代气候变化有一定的影响。Osleger(1995)对北美Appalachian等多个地区寒武纪晚期地层进行的层序地层研究，识别出6个三级层序，尽管在不同剖面岩相和米级旋回的形式有差异，但所有识别的层序结构相似，可清楚进行对比，表明这种层序的形成受到同一外源因素的影响，可能为超长轨道周期。哈萨克斯坦南部的寒武-奥陶浅海碳酸盐台地沉积序列包含几十到数百个向上变浅的米级旋回，Bazykin和Hinnov(2002)对3个地层连续、暴露良好的剖面进行了研究，通过对其岩性变化、旋回厚度分析和时序分析，认为地层中记录了较强的岁差信号，提出研究区浅海相沉积旋回的形成与米兰科维奇驱动的海平面变化有关。
在国内有部分学者对寒武纪米级旋回进行了探讨。例如，杨俊才和马飞宙(2014)通过对4种传统米级旋回成因的讨论，提出了过渡类型，即单岩性米级旋回，并在野外露头对北京西山张夏组碳酸盐岩进行了旋回地层划分，识别出了单岩性米级旋回。王亚萍等(2014)对徐州大北望地区馒头组剖面进行了观测、描述和分析，划分出11种米级旋回序列类型，并认为单个米级旋回多属于六级旋回，以底部的快速海侵面开始，向上构成一个米级向上变浅序列。
5 结语与研究展望旋回地层学属于一门正在发展中的学科，其研究方法和相关术语仍有待进一步规范，但旋回地层学研究为人类在万年尺度上认识和理解地球系统科学提供了前所未有的机遇。国际上有关旋回地层学的研究成果不断涌现，人们不仅利用旋回地层学方法对地质年表进行年代校正，还深入讨论天文因素引起的气候过程与海洋、湖泊沉积系统和生物更替的关系，相关成果均加深了人们对地球轨道力与地球表层系统之间耦合关系的认识(如，汪品先，2006; Hinnov，2013; Wu et al., 2014)。
国际地层委员会即将完成国际地质年代表中显生宙建阶的工作，未来工作重点将是精确确定各阶的持续时间和阶界线年龄。目前已基本完成中、新生代的天文年代校正，但古生代部分尚未开展相关工作(Gradstein et al., 2012)。尽管如此，人们在中国华南晚二叠世、乌克兰顿涅茨克盆地石炭纪和挪威奥斯陆晚奥陶世沉积地层中识别出了受高精度绝对年龄约束的米兰科维奇沉积旋回(Davydov et al., 2010; Wu et al., 2013b; Svensen et al., 2015)，表明建立古生代天文年代标尺并进行地质年代表的天文年代校正具有巨大的潜力，古生代旋回地层学研究将成为地球科学领域新的前缘。
就全球范围来说，晚古生代旋回地层学研究程度相对较高，早古生代仅有奥陶纪的研究程度较好，寒武纪和志留纪仍急需积累更多的旋回地层学研究实例。相信随着天文解决方案的不断完善，地球轨道参数的计算将会更加精确，高精度绝对年龄的定年技术不断提高，将来有可能实现整个显生宙地质年代表的天文调谐。另外，古生代旋回地层学研究基本是依靠稳定的长偏心率周期作为校准标准进行研究，但相比偏心率旋回，岁差和斜率的高频旋回对气候的影响可能更为显著。这就要求在识别出可靠的长偏心率旋回的基础上，结合更多高分辨率放射性年龄，正确识别这些短周期信号有着重要的古气候学、地质年代学和天文学意义，并为检验古生代太阳系行星动力学模型和建立古生代地球轨道天文解决方案提供地质证据。
中国古生界以海相沉积为主，沉积连续，拥有10个“金钉子”剖面，基础地质研究程度高。但是，中国已有的古生代旋回地层学研究大都集中于识别地层中米兰科维奇旋回的信号，或者层序地层的旋回性研究，仅有少量研究涉及到建立高精度天文地质年代框架(Wu et al., 2013b; Fang et al., 2016, 2017)，对古生代重大地质事件与古气候变化对天文轨道力驱动的响应的讨论也有待加强。因此，对中国古生代地层开展旋回地层学研究并建立天文年代标尺，必将为认识地球轨道力对古生代全球气候和环境变化的影响，实现对古生代地质年代表的年代优化做出贡献。
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