旋回地层学是近年来国际上兴起的一个地层学分支学科,用于识别、描述、对比以及解释地层中周期性的旋回变化,尤其可应用于地质年代学中,用来提高时间地层格架的精确性和分辨率。旋回地层学的研究运用了已知的天文周期对沉积记录进行解释,偏心率、斜率、岁差作为描述地球的轨道的扰动及其转动轴的参数,成为解释沉积地层受天文旋回控制最重要的三要素。偏心率、斜率、岁差的周期在20 ka至400 ka之间,这些旋回周期可以转换为在地质历史时期潜在记录在沉积建造中的气候、海洋、生物及沉积过程的变化。旋回地层学研究使得层序得到更精细的划分,绝对年龄的控制可以达到10至100千年,并且很好的解释了天文气候周期对沉积过程的控制作用。旋回地层学的研究对象是具有等时间间隔的地层或沉积旋回,而事实上由于天文因素是控制地球内、外动力地质作用的根本原因。因此在构造运动、气候变迁、沉积物供给以及海或湖平面变化综合作用的影响下,地层的旋回性是受天文周期影响形成的。地球轨道参数周期性的变化引起气候变化,进而对沉积环境产生影响,并在沉积地层中留下了旋回性的记录。旋回地层研究能够识别并建立轨道沉积旋回的层序系谱,同时了解它的旋回时限及频率变化,即周期间隔。应用轨道旋回固定周期变化的特性,通过地层段、事件层、生物带及层序中高频旋回发育特征的研究,得到他们相应的年代间隔,从而旋回地层学的研究就具有了年代学的意义。国际地层学界对旋回地层学的研究做出许多努力,试图建立地质年代与天文旋回的对应关系,而在国内却一直没有得到较大的发展。本文首先详细介绍了国内外对旋回地层的研究现状,揭露研究区存在的问题及研究条件,总结旋回地层学的相关概念、发展历程、研究方法,然后对酒泉盆地青西凹陷下沟组地层进行详细的研究,分析了三级层序的发育机制,并探讨了研究区下沟组沉积时期的古气候条件。第一章分为国外和国内两部分介绍了高频旋回的研究现状。近年来也有学者将该起源于国外海相地层的,地层学与天文学相结合的新边缘学科引入到陆相地层中进行研究。其研究阶段总体上可分为：(1)20世纪前的萌芽阶段,天文学家将地球轨道的周期性变化引入到气候变化的解释中；(2)理论证实快速发展阶段,提出了完整的理论体系,并通过技术手段获得了理论证实的确凿证据；(3)20世纪80年代之后,地质学家、环境学家、古气候学家、古海洋学家从多个角度和不同方向对米兰科维奇旋回进行了深入的探讨和研究,使之成为大洋沉积、古气候恢复等研究的有效手段。旋回地层学的研究对象也从第四纪地层拓展到了古生代地层,从海相沉积盆地发展到陆相沉积盆地。二十世纪60年代李四光已经提出了天文、地质、古生物的命题；1983年徐道一也在其著作中介绍了米兰科维奇旋回研究的动向；1989年陆元法编译了《旋回地层学》向国内学者系统介绍了旋回地层学。按照方法和对象的不同,在我国的研究和应用分为两种,其一是对替代性指标(测井曲线、岩心取样的矿物含量、元素含量变化、磁化率、同位素等)进行频谱分析、数字滤波及小波分析等,提取了替代指标中的天文周期,并计算了旋回的持续时间；其二是基于对露头、岩芯等岩性剖面的旋回性沉积识别。根据各级别旋回沉积在垂向上的叠加关系,参照国际地层年代表,计算各级旋回的平均持续时间,从而确定沉积序列的轨道周期控制作用。目前国内学者的研究内容主要集中在：高频旋回的识别,沉积时限和界面年龄的确定、沉积速率和剥蚀量的计算、天文标尺的建立、沉积地层的高分辨率划分与对比。第二章介绍了酒泉区域地质概况。酒泉盆地处于祁连加里东褶皱带北缘和华北地台阿拉善地块两大构造单元,发育前震旦系结晶基底、震旦系—下古生界浅变质基底,上古生界—三叠系盖层、中生界断陷沉积和新生界坳陷沉积五大构造层。白垩系地层在酒泉盆地内仅发育下统,并广泛分布于酒泉盆地的中生代沉积中,是研究区的主要生油岩系和勘探的目的层。受发育于早白垩的北东向张性断裂的控制,研究去地层大部分具有东断西超的特征。下白垩地层从下至上分别发育了赤金堡组、下沟组、中沟组。其中下沟组为本文的研究目的层段,分布范围大,是酒泉盆地的主要烃原岩和青西凹陷的主要含油层系。由于缺少古生物资料,目前酒泉盆地内各凹陷未做系统的、精确的地层年代分析,这对进行酒泉盆地高频旋回的研究造成了一定的困难。总结前人的研究结果：酒泉盆地红柳峡中沟组底部测得火山岩锆石U-Pb SHRIMP年龄大约为114Ma左右(旷红伟,2013；彭楠,2011),与(杨金绥,李海兵等,2009)在酒西地区火山岩中测得的K-Ar年龄(106-118Ma)基本一致。由于下沟组和中沟组之间没有明显的沉积间断,加之前人对中国北方下白垩统地层的对比研究表明,酒西地区的白垩系地层绝对年龄应当在130-110Ma之间,大致可推测早白垩下沟组的年龄在120-115Ma左右。第三章结合测井,岩芯和三维地震剖面反射特征,以大量的单井测井层序分析和连井对比为基础,利用地震剖面对整个工区对这些界面进行了追索。文中重点选取了5条测线进行了同沉积断面分析,其中北东向NE1:W6-W7-W8-W9;NE2: W21-W20-W19-K5-W12-W22-W23;南东向SE1:W18-K5-K3-K4;SE2:W14-W13-W12-W10-L2-W7；SE3:W16-W15-W8-Q1。根据所识别的层序界面,青西凹陷下白垩统下沟组可划分3个三级层序,自下而上分别为下沟组K1g0段、下沟组Kig1段和下沟组K1g2+3段。识别出青西凹陷下沟组沉积类型以扇三角洲—湖泊沉积体系组合为主,在扇三角洲前缘的半深湖—深湖区还有浊积体系发育。凹陷的西缘由于受西部物源的影响,发育了扇三角洲沉积体系,其扇三角洲平原相和前缘相发育,其前缘的半深湖—深湖区有浊积体系发育。与此同时有物源由凹陷的北东角进入湖盆,发育鸭西扇三角洲沉积体系,其前缘的半深湖—深湖区有浊积体系发育。南东角同样接受南东物源,发育扇三角洲沉积体系。第四章具体阐述了旋回地层的理论基础,并介绍了地球轨道参数的详细概念。偏心率(eccentricity)是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,周期为100-400 Ma。天体力学的研究表明,偏心率的变化主要由极半径变化所致,赤道半径通常变化不大。冰期均发育于偏心率的最小值,这相当于日地距离增加,地球获得的日照量减少。斜率(obliquity)或黄赤交角(ecliptic and equator)是地球绕太阳公转的轨道平面(黄道面)与赤道面的夹角,变化周期在第四纪约为41 ka。黄赤交角影响不同纬度和季节气候的差异程度,黄赤交角变化对极区影响大,对赤道影响小。岁差(precession)是指地球自转轴的运动(地球自转轴绕黄道轴旋转的运动),春分点沿黄道向西缓行,使回归年(太阳视圆面中心两次过春分点所经历的时间)短于恒星年(地球绕太阳公转一周所经历的时间)的现象,岁差周期在第四纪为19-23 ka。岁差变化对赤道地区影响大,对极区影响小。由于受到地月系统围绕太阳公转,和地月相互作用的影响,地球轨道要素在对地球施加影响的同时,自身也发生了改变。地月引力导致的地表潮汐摩擦力和轨道重力会影响地球自转速度和地球形状,使得地球的转动速率减慢。斜率与岁差首期随地质年代的增加而减少。立足于轨道三要素,本文采用La(2004)解决方案计算了青西凹陷115 Ma-120 Ma地球轨道参数(偏心率、斜率、岁差)的理论变化数据,运用频谱分析、连续小波变换等方法,得出早白垩世115Ma到120 Ma期间偏心率主要周期为400 Ma、124 Ma和95 Ma,斜率周期为47 ka、37ka、36 ka和28ka,岁差周期为22 ka、21 ka和18 ka。进而提取出各主要周期的理论变化曲线,并计算了115 Ma至120 Ma期间各主要轨道参数的比例关系。这种比例关系可以保存于稳定沉积环境的地层中,也就是说各级天文周期的比值关系与各级旋回厚度的比值关系能够相互对应起来。这种对应关系将作为后两章的高频旋回识别的理论依据。从自然伽马曲线、碳酸盐含量、有机碳含量、磁化率、主量、微量元素中提取出的旋回厚度比值与天文周期比值中的某一比例关系相符合的时候,就可以认为这一厚度的地层旋回受相应的天文周期所驱动。第五章具体分析了多种替代性指标的运用,通过频谱分析及连续小波分析,计算并识别出下沟组地层记录的天文旋回。由于米兰科维奇旋回为天文旋回,在地质历史时期变化比较缓慢且具有相对的稳定性,其周期比率在某段地质历史时期保持稳定,如果能在地层所包含的各种旋回中找到与米氏周期比率相等的关系,就可以认为该层段受米氏旋回的影响,记录了天文旋回的信息。第一节针对自然伽马测井曲线,选取区内发育于深湖—半深湖的七口钻井分别为：W14,W13,L2,Q1, K3,K4,K5,伽马曲线经过环境校正和标准化处理之后,运用频谱分析、小波分析分别从下沟组一段(SQKig1)与下沟组二加三段(SQK1g2+3)识别出米兰科维奇旋回。识别出的天文周期与对应的旋回厚度算出的沉积速率符合沉积规律,并且尽可能多的识别出地层中的天文周期个数,旋回厚度之间的比例关系与第四章算得的天文轨道参数理论周期的差异控制在5%以内(95%的置信度)。其中下沟组一段(SQK1g1)地层主要受400 ka偏心率长周期控制(W14、K3、K5井),下沟组二加三段(SQK1g2+3)地层主要受124 ka和95 ka偏心率短周期控制(W14、L2、Q1井)。第二节对研究区内五口井L2、Q1、K3、K4、K5共171个样品进行了碳酸盐含量、有机碳含量、磁化率测试。每口井样品连续取样,采样间隔为0.5m(L2、 Q1、K5、K4井)和1.0 m(K3井)。采用Lomb-Scargle谱分析法对测试结果进行分析,在较少样品点的条件下获得分辨率较高的频谱,得到的旋回厚度及天文周期和自然伽马测井曲线替代指标经过频谱分析计算出的旋回厚度及天文周期基本保持相对一致。第三节分析了主量、微量元素作为替代性指标对下沟组地层的天文旋回的识别,系统介绍了手持X-Ray衍射分析仪的实验原理及使用方法,并将其应用于五口井171个粉末样品的主量、微量元素含量的测定研究。由于对所需求的大量元素含量数据,并不追求单个样品的精确元素含量,而着重于研究不同元素含量随样品的沉积时间的变化趋势,在频谱分析下寻找数据中记录的天文旋回信息。因此使用手持X-Ray衍射分析仪(Bruker AXS TRACER IV-SD)用于对各个样品中的主量、微量元素的定量分析,并且能保证较高的准确度。按照碳酸钙含量的从高到低选取十个样品为标准样,送至加拿大Bureau Veritas矿产研究室获得标准数据。利用这十个标准样的标准数据和手持X-Ray衍射分析仪测试下的数据建立一个适用于这171个粉末样品的算法,并用该算法对剩下的161个样品进行了单个样品420秒(高能210秒,低能210秒)的测试。并介绍了SPECTRAEDX S2 CONFIGURATION软件的使用,通过二次修正、α调试和省略标准样(每种元素省略不超过两个)的校正,使得算法的偏差不超过5%,获得了171个样品的19种元素的含量。继而又通过测试值与标准值的对比分析出,A1、K、Ca、Si、Fe、Ti、 Mn、Ni、Zn、Pb等十种元素在手持X-ray衍射仪的分析下得到的结果与标准值偏差最小,并且其化学性质可以作为记录沉积旋回的特征的元素,利用频谱分析来确定地层是否记录了天文旋回。五口井的分析结果表明,大部分元素都有高峰值显示,峰值所对应的频率的比值与下沟组115 Ma-120 Ma的天文理论曲线比值有良好的对应关系,并且与自然伽马曲线作为替代指标进行的频谱分析的比值结果相一致。除此之外,频繁出现的主要频率所对应的旋回厚度也有部分与天文周期并无任何对应关系,推测是元素记录的地层中的其他旋回信息。第六章,多种替代性指标在频谱分析的应用下,证明了地层记录中存在米兰科维奇旋回之后,下一步便可将地层记录中天文轨道驱动所产生的旋回向天文周期解决方案中的目标曲线进行调谐,以建立天文地质年代表。在区域地层格架的基础上,以下沟组与中沟组界面U-Pb锆石年龄115.6 Ma为控制点,建立了下沟组各段地层的高分辨率天文年代标尺,较精确的确定了各个界面对应的地质年龄以及不同深度对应的地质年龄。而在进行天文调谐之前,偏心率长周期400 ka,偏心率短周期124 ka和95 ka,斜率47 ka,37 ka和36 ka被选为对应的目标曲线,并建立了与之相对应的相位关系。以W14、L2、Q1、K5、K4、K3为目标井,对整个下沟组(SQK1g),及下沟组一段(SQK1g1)与下沟组二加三段(SQK1g2+3)分别进行连续小波变换,过滤出的频率组分在下沟组(SQK’g)与目标曲线115.60 Ma-120.73 Ma段有相同数量的旋回,下沟组二加三段(SQK1g2+3)与目标曲线115.60Ma-117.57 Ma段有相同数量的旋回,下沟组一段(SQK1g1)与目标曲线117.57 Ma-119.27 Ma段有相同数量的旋回,并将旋回从顶至底进行编号,由此确定了深度与年龄的对应关系。从而得知三级层序下沟组二加三段(SQK1g2+3)的延续时限大致为1.97 Ma,下沟组一段(SQK1g1)的延续时限为1.7 Ma,下沟组零段(SQK1g0)延续时限为1.46 Ma。以上多口钻井,多项替代性指标较一致的周期性变化,均说明了酒泉盆地青西凹陷下沟组地层中确实记录着明显的天文周期信号。这一定程度上反应了在构造相对稳定的背景下,下沟组的层序发育受控于天文成因气候旋回。此研究结果除了揭示出三级层序的成因,也为三级层序的延续时限在1-2 Ma提供了相应的理论解释。其次,下沟组地层总的延续时限为5.13 Ma,这与前人在该区域的地层研究结论相一致,也在一定程度上验证了本文研究结论的合理性。L2、Q1、K5、K4、K3五口井共55个样品进行了碳氧同位素测试,首先对55个样品处于的深度位置进行时间转换。由于不可能对每个样品的年龄进行计算,所以本文采用了间接的办法获得相对较为精确的样品年龄：认为整个三级层序内沉积速率保持稳定,通过沉积厚度与三级层序的延续时限计算出每个层序内的沉积速率；单个样品年龄=已知界面年龄+样品所在深度与界面的距离/沉积速率,从而得到每个样品对应的精确年龄。由于岩芯样品不连续,单口井的样品大多处于同一年龄段附近,故将五口井的样品联合起来并按时间顺序成图。发现δ13C全为正值并有正向偏移趋势,δ180全为负值并有负向偏移趋势。δ13C与δ18O之间具有略相关性(Q1井、K4井)或不相关性(L2井、K5井、K3井)说明当时的湖泊水文条件处于开放和封闭之间不断转化的过程,Q1井δ13C与δ18O的相关系数为0.85指示湖泊水文条件相对处于比较封闭且蒸发较强的沉积环境。文章最后将酒泉盆地青西凹陷与中国西南沉积盆地稳定同位素进行了对比研究,发现具有良好的对应关系：都具有较高值的δ13C(青西凹陷中613C含量最高达到5.1%o)和较低值的δ18O(青西凹陷中δ18O含量最低达到-10.3‰),说明了当时的沉积环境为相对的高温强蒸发环境；青西凹陷下沟组δ18O含量比全球早白垩同时期(115 Ma- 120 Ma) δ18O的含量更低,推测是因为高纬度的影响所致。本文的创新点主要包括：(1)在建立了三级层序地层格架的基础上,根据自然伽马测井曲线、碳酸盐含量、有机碳含量、磁化率及主量微量元素含量等替代性指标的研究,通过频谱分析及连续小波变换技术对各级层序内地层进行了旋回地层研究,较大程度的提高了酒泉盆地青西凹陷下沟组地层层序划分的精度和准确性。(2)详细研究酒泉盆地青西凹陷高频旋回地层主控因素,分析地层中包含的轨道信号及天文轨道参数影响沉积的可能途径,结合天文轨道理论,分析频谱变换结果中与天文轨道周期之间相对应的周期信号,从中识别出形成该区域在天文气候周期控制作用下的层序发育机制。经典层序地层学中的层序发育控制三要素为海(湖)平面变化、沉积物供给的变化以及构造沉降的影响。而沉积层序是海平面变化的产物,还是反映构造影响,以及海平面变化对沉积作用控制的解释,一直持有争论。其中海(湖)平面变化受气候因素影响,而实际地层记录中的旋回都是构造和古气候联合作用下的产物。本文多口钻井、多项替代性指标较一致的周期性变化均说明青西凹陷下沟组地层中确实记录着明显的周期性信号,从而揭示了三级层序与天文轨道周期之间的对应关系,反映了该区的层序发育形成于天文气候周期对沉积过程的控制作用。(3)通过天文周期的标定和计算,能够较精确的提供一种定年的方法：本文识别出下沟组的延续时限大致为5.13Ma,三级层序SQK1g2+3的延续时限大致为1.97 Ma,SQKig1的延续时限为1.7 Ma,SQK1g0延续时限为1.46 Ma,在中沟组底部的锆石绝对年龄的控制下,通过对沉积速率的计算,能够对下沟组三个三级层序内进行精细的定年。同时对应于地球轨道的三个参数组合形成的天文周期,一定程度上反映了下沟组的层序发育受控于天文成因的气候旋回,同时也为三级层序的延续时限为什么是1～2 Ma提供了合理的理论解释。