膠萊盆地K/Pg界線下陸相紅層的旋回地層學分析

楊雨，付文釗，余繼峰，寧振國，崔建軍，李卿，禚喜準，陳建平

1.遼寧工程技術大學礦業學院，遼寧阜新 123000

2.山東科技大學地球科學與工程學院，山東青島 266590

3.山東省地質調查研究院，濟南 250014

4.中國地質科學院地質力學研究所，北京 100081

5.中國地質科學院地質力學研究所，自然資源部古地磁與古構造重建重點實驗室，北京 100081

6.中油集團東方地球物理公司研究院，河北涿州 072751

0 引言

旋回地層學是在識別地層中由地球軌道作用力控制的沉積旋回（米蘭科維奇旋回）的基礎上，將其對比到天文理論曲線，獲得連續的、分辨率達2～40萬年的時間標尺，進而精確確定出各種地質事件、地質過程的年代和持續時間的一門地層學分支學科。米蘭科維奇沉積旋回對應于3個地球軌道參數，分別為偏心率、斜率與歲差。偏心率周期主要有95 ka，99 ka，124 ka，131 ka和405 ka；斜率周期主要有41 ka、39 ka、54 ka和29 ka；歲差的周期為24 ka、22 ka和19 ka[1-3]。目前，運用全球海洋沉積物中具有米蘭科維奇旋回的地層記錄編制的天文地質年代表已接近100%覆蓋了新生代[4]。米蘭科維奇旋回正在不斷地從新生代至中生代甚至古生代等不同地質歷史時期的海相地層沉積中識別出來[5-7]，個別時代的陸相地層中也保存有完美的米蘭科維奇旋回[8-10]。白堊紀[（145±0.8～66±0.1）Ma]是目前中生代旋回地層學研究程度最高的一個時段，整個白堊紀的地質時期的大部分時段都經過了米蘭科維奇旋回405 ka偏心率長周期的年代調諧與校準[4]。Wuet al.[9-10]利用頻譜分析方法對松遼盆地嫩江組、四方臺組、明水組陸相碎屑巖的自然伽瑪及能譜數據曲線進行了分析，揭示出了良好的米蘭科維奇旋回，據此對相關地質事件的發生時間進行了地質解譯。海洋鉆探項目ODP122、207、208與DSDP74的 深 海 沉 積 記 錄Maastrichtian階層段中均識別出了米蘭科維奇旋回，并據此計算了K/Pg界線的年代時限[11]。多項研究表明白堊紀時期的海、陸相地層中保存了良好的米蘭科維奇旋回，適于開展旋回地層學研究[9-11]。

紅層在中國的分布比較廣泛，在形成時代上有古生代奧陶紀中晚期的海相瘤狀紅色灰巖，志留紀濱外海、淺海相的紅色泥質巖[12-15]，白堊紀的大洋紅層（Cretaceous Oceanic Red Beds，CORB）[16-17]，以 及中、新生代炎熱干旱古氣候環境條件下形成的陸相紅色碎屑巖[12]。陸相紅層因為其含古生物化石稀少，在生物地層學上曾被稱為“啞地層”，這給高精度生物地層、年代地層的對比帶來了較大的困難[18]。旋回地層學可以將地層與地時結合起來，解決地層沉積的時限問題。膠萊盆地紅土崖組及上覆的膠州組下部為一套陸相紅層沉積，膠州組下部時代為晚白堊世馬斯特里赫特期、上部為古新世[19-20]，紅土崖組沉積時期火山、構造活動頻發，為了揭示膠萊盆地晚白堊世—古近紀的沉積構造演化歷程及紅土崖組與膠州組的時間界線，本文對膠萊盆地ZK1井K/Pg界線之下的陸相紅層開展了旋回地層學分析與研究。

1 區域地質特征

膠萊盆地位于山東省膠州半島，面積約12 000 km2，為一個典型的晚中生代陸相沉積盆地（圖1）。盆地東側為NE走向的牟平—即墨斷裂帶，西側為NNE走向的郯廬斷裂帶，南部為蘇魯超高壓變質帶，北部為膠北隆起[22-23]。膠萊盆地陸相沉積發育，由三套地層組成，自下而上依次為下白堊統萊陽群、下白堊統青山群和上白堊統—古新統王氏群。膠萊盆地王氏群是一套位于青山群火山巖之上的紅色碎屑巖沉積，下部為灰紫色、灰色礫巖和砂礫巖，夾紫紅色細砂巖、粉砂巖，即陸相紅層沉積。膠州組是整合于紅土崖組之上的一套紫色粉砂巖、泥巖為主，夾灰綠色、黃綠色粉砂巖、泥灰巖及少量砂礫巖組合，屬于王氏群頂部沉積，巖石色調雜，具有厚層狀平行層理，偶見斜層理，沉積環境以淺湖環境為主，局部出現河流相，下部屬晚白堊世，中、上部屬古新世。膠州組在膠州市局部可達1 000 m以上，與下伏的紅土崖組整合接觸為主，局部地區斷層接觸。在諸城和膠州地區的王氏群紅土崖組上部地層中，發育晚白堊世噴發的基性—超基性玄武巖，分布局限，僅在膠州北部及張應地區可以發現[19]。閆峻等[24]通過玄武巖的Ar-Ar年代學限定該期玄武巖的年齡為73.5±0.3 Ma，孟繁聰等[25]采用全巖K-Ar法測定該期的玄武巖的年齡為76.2±1.6 Ma。安偉等[26]對山東諸城王氏群恐龍化石層中6個砂巖樣品的碎屑鋯石U-Pb定年表明，樣品中最年輕的單顆粒鋯石年齡為77.3 Ma。

圖1 膠萊盆地區域地質圖（據文獻[21]修改）Fig.1 Regional geologic map of Jiaolai Basin(modified from reference[21])

膠萊盆地的膠州組包含有晚白堊世及古新世的連續沉積，為了研究K/Pg界線，山東地質調查院與中國地質科學院地質研究所合作在膠州地區實施了科學鉆井ZK1井，ZK1井位于膠州市東辛置村北，完鉆井深664.7 m，完鉆層位為晚白堊統紅土崖組上部的玄武巖夾層，玄武巖未鉆穿，全取巖心，鉆進的主要層位為第四系及其下伏的膠州組與紅土崖組[27]，ZK1井K/Pg界線之下、紅土崖組上部玄武巖夾層之上為一套連續的、以陸相紅色碎屑巖沉積為主的地層序列。

2 數據與方法

2.1 測井數據的選取

ZK1井進行了自然伽瑪（GR）、三測向電阻率（RLL3）與自然電位（SP）測井，測井數據采樣間距均為0.2 m。通過連續取樣測試分析，根據明顯的GR異常、RLL3異常、銥（Ir）元素異常、孢粉屬種的絕滅新生及巖性變化確定ZK1井K/Pg界線位于537.4 m處[27]，ZK1井在628 m處開始出現青灰色玄武巖，即在玄武巖形成后距古近紀這段時期內膠州地區沉積形成約90.6 m厚的陸相紅層。

在眾多用于旋回地層學分析的古氣候替代性指標中，測井曲線，尤其是自然伽馬測井曲線（GR曲線）是進行旋回地層學分析的理想目標之一[28]。與其他測井曲線相比，自然伽馬測井曲線最能敏感地反映沉積物中泥質和有機質含量的變化，進而反映古環境和古氣候的變化[28-30]，已有不少學者成功利用GR曲線進行旋回地層分析[5,8-9,31]。本文主要對ZK1井的GR數據進行了分析。

2.2 分析方法

本文主要采用了一維連續小波變換尺度分析法與頻譜分析法對ZK1井紅土崖組玄武巖夾層之上的層段進行了研究。

2.2.1 一維連續小波變換尺度分析法

一維連續小波變換的主要過程可簡單表示為：取一個小波（小波母函數，本文采用morl小波），將其與原始信號（長度為b）分節進行比較，計算其相似程度C（可解釋為相關系數），然后用不同的尺度（a）控制小波的大小分別與原始信號進行比較，得到一個小波系數矩陣Ca×b，從而將一維的時間函數展成為一個二維參數空間（a，b），形成一種能在時間（或空間）坐標位置b和尺度（時間周期或空間范圍）a上具有變化的相對振幅的一種度量[32]。小波變換可以有效地識別原始信號中的不同周期及周期變化情況，并通過不同的尺度（a）表現出來。為了得到原始信號中的平均周期，需將小波系數矩陣Ca×b中的所有數值取絕對值，然后按不同的尺度（a）將坐標位置的數據取平均值得到尺度（a）值的變化曲線，曲線中的峰值點對應的尺度即代表原始信號中存在的不同周期。根據小波母函數的中心頻率及采樣間距可以計算得出不同尺度（a）對應的頻率大小，從而計算出其響應的周期大小。尺度與頻率之間的計算公式為：

式中：a為尺度，為無量綱值；△為采樣間距，可以為時間間距（例如太陽日照量曲線，單位為y等），也可以為距離采樣間距（例如測井曲線，單位為m等）；Fc為小波母函數的中心頻率，本文的一維連續小波變換采用的小波母函數為morl小波，所以Fc＝0.812 5；Fa為尺度a的準頻率，其倒數即為尺度（a）對應的周期大小。

2.2.2 頻譜分析方法

頻譜分析方法是國際上識別米蘭科維奇旋回的主流方法，本文是在基于Matlab平臺上的Acycle軟件中實現的[33]，主要與一維連續小波變換尺度分析法的識別結果進行對比驗證與補充說明。

3 結果

3.1 GR數據分析結果

3.1.1 一維連續小波變換尺度分析

本文運用一維連續小波變換對ZK1井紅土崖組玄武巖夾層至K/Pg界線層段的GR數據進行分析，可以分別得到GR數據的小波變換能譜圖（根據小波系數矩陣Ca×b繪制，圖2）。根據尺度分析法計算得到ZK1井紅土崖組玄武巖夾層至K/Pg界線層段包含六個周期，它們的尺度（a）值分別為22、34、51、85、107、254（圖2），根據公式（1）可以求得每個尺度對應的實際距離周期分別為5.415 m、8.369 m、12.55 m、20.92 m、26.34 m、62.52 m。

圖2 ZK1井GR數據一維連續小波變換尺度分析結果Fig.2 Wavelet scale series analysis result of GR from well ZK1

根據采樣定理，如果地層記錄中包含了歲差、地軸斜率和偏心率的信號成分，采樣頻率必須高于歲差頻率的兩倍才能識別出上述3類信號[34]。旋回地層分析中在滿足采樣定理的前提下，選擇根據沉積速率確定的一個歲差周期內地層沉積厚度的一半作為采樣間隔，可以用最少的工作量來識別出地層中包含的穩定的地球軌道要素信號。旋回地層學上的采樣頻率是采樣間隔的倒數，滿足采樣定理反映在采樣間隔上就是要滿足采樣間隔小于包含一個完整歲差周期地層厚度的一半。所以，92 m的層段內不能包含兩個62.52 m厚的周期，在92 m厚的層段內識別出62.52 m的周期是不可靠的，即62.52 m周期不可信。

根據一維連續小波變換的原理及小波變換對固定周期信號的分析可知，小波能譜圖中的紅黑色圓環代表著原始分析信號中存在的周期，而紅黑色圓環所處的位置對應的尺度根據換算關系可以求得周期的大小。由圖3可以看出，ZK1井紅土崖組玄武巖夾層至K/Pg界線層段周期存在并不是很穩定。例如，20.92 m與26.34 m兩個周期在圖中為同一組紅黑色圓環，而且本組圓環對應的尺度存在小范圍的上下波動，可以認為周期大小不穩定，兩個周期值應該為原始信號中較穩定的平均周期大小。在圖3中同樣可以發現20.92 m與26.34 m兩個周期對應的紅黑色圓環在575～628 m層段明顯，代表此層段周期保存較好，而537.4～575 m層段由于紅黑色圓環不明顯代表周期響應相對較差。在GR數據的小波變換能譜圖（圖2）中還可以發現高頻部分（尺度a<22）中也存在著不太明顯的淡綠色小圓環，但由于上下波動較大且不同層段的明顯程度不同并未求出它們的平均周期大小。

3.1.2 頻譜分析

為了驗證研究層段內周期的保存情況，本文利用頻譜分析法（MTM，利用Acycle軟件完成[33]）再次對ZK1井該層段的GR數據進行了分析（圖3）。頻譜分析法（MTM）識別出了GR曲線更多的周期信息，特別是周期長度低于5 m的高頻信息，例如，2.62 m、2.82 m、2.036 m、1.539 m、1.598 m、1.237 m等。一維連續小波變換尺度分析法識別出的5.415 m、8.369 m、12.55 m、20.92 m、26.34 m周期在頻譜分析結果均可找到相近的對應，例如，5.415 m與4.88～5.22 m相近，8.369 m與8.9～8.11 m相近。需要特別說明的是頻譜分析識別的20.64 m周期雖然置信度未達到99%，但也達到了95%以上，這也與一維連續小波變換尺度分析法識別出的20.92 m、26.34 m周期相對應，置信度偏低的原因應該是該周期在不同的層段保存程度有差別。

通過對比兩種分析方法的周期識別結果可以發現，一維連續小波變換尺度分析法得出的小波能譜圖中顯示406.2 ka的周期在540～580 m層段識別效果不好，而在其下部580～628 m層位識別效果相對較好（圖2），同時406.2 ka的天文驅動周期在頻譜分析方法中識別的置信度偏低（圖3，20.64 m的周期）。周期的不穩定性可能與紅層是陸相沉積環境有關，沉積過程中陸相相對海相環境存在多變性，從而導致沉積速率等因素的變化，所以造成了這樣的地質現象。

圖3 ZK1井GR數據頻譜分析結果Fig.3 Spectrum analysis result of GR from well ZK1

3.2 太陽日照量曲線分析結果

為了準確確定測井數據中所包含的周期與米蘭科維奇旋回的關系，本文利用了同樣的兩種分析方法對Laskar軌道周期計算方案得出的66～72.75 Ma期間太陽日照量變化曲線（2010d）進行了分析[35]（圖4，5）。由圖5可以看出，一維連續小波變換尺度分析法識別出太陽日照量變化曲線中的兩個平均周期，分別為406.2 kyr與98.46 kyr，分別對應小波變換的兩個尺度330、80。代表406.2 kyr周期的紅黑色圓環連續穩定存在于小波能譜圖中，意味著406.2 kyr周期在太陽日照量變化曲線中是穩定存在的，而98.46 kyr的周期則相對不穩定，存在著小范圍內的上下浮動。頻譜分析法則可以識別出太陽日照量變化曲線中更多的高頻周期，例如，76.05～78.13 kyr、53.9～55.7 kyr、43 kyr等。

圖4 66～72.75 Ma太陽日照量曲線[35]一維連續小波變換尺度分析結果Fig.4 Wavelet scale series analysis result of sunshine curve for 66?72.75 Ma(results from[35])

圖5 66～72.75 Ma太陽日照量曲線[35]頻譜分析結果Fig.5 Spectrum analysis result of sunshine curve for 66?72.75 Ma(results from[35])

3.3 浮動天文年代標尺的建立

根據一維連續小波變換尺度分析法與頻譜分析方法識別的ZK1井GR曲線與太陽日照量變化曲線中周期的大小之比，可以認為ZK1井GR曲線中的周期20.92～45.39 m、4.88～5.415 m、2.036～2.82 m、1.237～1.598 m是米蘭科維奇旋回偏心率大小周期、斜率與歲差周期的響應，即一維連續小波變換尺度分析得到的5.415 m和20.92 m周期是偏心率大小周期的響應。提取20.92 m與5.415 m周期對應的小波系數曲線（a=22，a=85），采用累計旋回數的方式建立ZK1井K/Pg界線之下的“浮動天文年代標尺”（圖6），5.17 m和20.92 m周期對應的尺度曲線（a=21，a=85）分別代表短、長偏心率旋回曲線，可以得出ZK1井K/Pg界線之下至玄武巖夾層層段包含約18個短偏心率旋回、5個長偏心率旋回，持續時長約為1.77 Ma，據此可以計算得出，紅土崖組與膠州組的時間界線約為67.28 Ma。

圖6 ZK1井白堊系上部綜合柱狀圖Fig.6 Comprehensive histogram of well ZK1,Upper Cretaceous

根據小波變換尺度分析法識別的周期結果及太陽日照量曲線中識別的米氏周期，可以得到ZK1井玄武巖夾層至K/Pg界線層段紅層的平均沉積速率約為5.15 cm/kyr。

4 討論

4.1 地層周期的識別方法與結果

頻譜分析方法與一維連續小波變換分析方法對周期的識別結果略有差異。根據兩種分析方法的數學推演過程，可以發現頻譜分析方法更加強調某一層段中周期的存在性，而一維連續小波變換分析方法側重于層段中周期的變化性。

一維連續小波變換尺度分析法計算得出的周期為平均周期大小，實際周期大小存在小范圍內的波動情況，這與地層中包含的周期吻合，地層形成時如果沉積物的沉積速率發生變化，沉積巖的粒度大小變化時會造成在固定時間內沉積巖的厚度不同；當沉積速率及沉積物粒度較為穩定時，形成的周期厚度才能較為穩定。一維連續小波變換尺度分析法對保存不好的高頻周期識別效果較差，分析過程中不能確定保存程度較弱的高頻周期的存在。頻譜分析可以識別原始信號中所有高中低頻周期信號，但是其不能分辨周期存在的連續性。圖5對太陽日照量的頻譜分析結果說明頻譜分析所得的周期也與實際周期存在一個誤差，實際周期的大小應為兩個峰值之間的平均值，而在實際曲線的分析過程中，很難將兩個或幾個峰值合并分析，即頻譜分析識別的周期均存在一定程度的誤差。本文利用兩種方法相結合，相互補充、相互驗證，很好地解決了陸相紅層中米蘭科維奇旋回的識別問題。

綜合兩種分析方法對太陽日照量曲線及實際GR測井數據的周期識別結果，膠萊盆地K/Pg界線附近的陸相紅層中斜率與歲差周期信息保存相對不明顯，大、小偏心率周期則相對較好，其原因可能是多方面的。第一，ZK1井的GR數據采樣間距為0.2 m，較大的采樣間距會丟失地層中更多的高頻信息，這可能是原因之一；第二，陸相紅層相對于海相地層沉積橫向變化大，容易產生巖性尖滅、透鏡狀層理等地質現象，它們的形成會導致地層中高頻信息的不穩定性，可能是斜率與歲差不明顯的原因之一；第三，高頻周期在地層中容易受到各種地質作及多種因素的影響，可能會導致周期信息的丟失或紊亂。

4.2 膠萊盆地的沉積構造演化

95±5 Ma期間山東東部地區經歷了NW—SE向擠壓作用，整個山東東部強烈隆升，膠萊盆地與近海裂陷盆地遭受剝蝕，無沉積與火山記錄[36]。膠萊盆地晚白堊世到古新世構造應力體制為NNE向右旋走滑伸展，這個過程持續了近30 Ma（從80～50 Ma），引起右旋走滑伸展的動力主要來自青藏地區地塊碰撞產生的遠程效應[23]。Liet al.[37]認為Kohistan-Dras島弧雜巖體與亞洲板塊碰撞對華北克拉通的遠程效應可以解釋膠萊盆地晚白堊世的N—S向伸展與東西向沉降中心的形成。膠萊盆地的K/Pg界線得到眾多學者的關注，Hanet al.[38]對膠州地區的CCSD-LK-1井（36°15′57.98″N，119°57′10.76″E）巖心樣品進行了磁性地層學研究，根據樣品磁性特征及地磁極性年表結合史家屯玄武巖樣品的同位素定年結果認為K/Pg界線位于CCSD-LK-1井的560.62～570.13 m之間；Liet al.[21]通過LK-1井膠州組的輪藻化石種類可以與松遼盆地、平邑盆地的輪藻種類進行對比，結合地磁極性年表推測膠州組可能是晚白堊世沉積；Liet al.[39]對LK-1井史家屯玄武巖進行了40Ar/39Ar定年研究，認為614 m處的玄武巖年齡為73.5±1.1 Ma，757 m處的玄武巖年齡為79.7±2.7 Ma，結合古生物地層學推測膠州組應為晚坎潘階—馬斯特里赫特階時期的沉積。丁聰[40]認為LK-1井中的K/Pg界線應該位于517.94～523.35 m之間，季強[41]認為LK-1井中的K/Pg界線應該位于453～513 m之間。杜圣賢等[20]通過微體化石分類認為JZK02孔的K/Pg界線在40.95～73 m之間，JZK01孔在9.7～35.55 m之間。Wanget al.[42]在諸城地區澗口剖面膠州組發現了豐富的介形蟲化石，根據與松遼盆地的對比認為膠州組屬于坎潘階—馬斯赫里特赫階早期（Campanianeearly Maastrichtian階）。

本文根據ZK1井GR測井數據建立的“浮動天文年代標尺”可以推算，玄武巖夾層之上到K/Pg界線的紅層沉積時限應該在1.77 Ma左右。根據國際地層年代表GTS2016，K/Pg界線的年齡約為66 Ma，由此可以推測玄武巖夾層之上的紅層沉積在約67.77 Ma開始沉積（圖6），約67.28 Ma紅土崖組沉積結束并開始膠州組的沉積作用。結合閆峻等[24]、孟繁聰等[25]對紅土崖組玄武巖夾層的定年結果，可以推測，在67.77 Ma～73.5±0.3 Ma近5.73 Ma之間膠州地區并沒有地層的沉積，在此期間應該是玄武巖噴發冷凝、構造沉降的過程，而且玄武巖成巖后很可能遭受了一定程度的風化作用，所以，玄武巖與其上部的紅色碎屑沉積巖應該是沉積接觸關系，這與鉆孔巖心顯示的玄武巖與上覆陸相紅層的接觸現象一致。由此可以確定，紅土崖組玄武巖的年齡必定早于67.77 Ma。

根據旋回地層分析結果，紅土崖組玄武巖夾層之上的紅層平均沉積速率約為5.15 cm/kyr，這與張岳橋等[23]通過鉆孔與剖面資料計算的諸城凹陷王氏期的沉降速率6～7 cm/kyr基本相符，這也進一步說明了本次研究結論的有效性。

5 結論

（1）頻譜分析和一維連續小波變換尺度分析均可以識別地層中的周期信息，前者強調周期的存在性，而后者可以體現地層中周期的變化性。在陸相地層識別米蘭科維奇旋回過程中，由于地層存在多變性，最好兩種分析方法結合使用。一維連續小波變換尺度分析法可以研究周期的平均大小及變化趨勢，進一步分析周期變化的原因。

（2）膠萊盆地晚白堊世的陸相紅層中保存有米氏旋回周期，歲差、斜率和偏心率各個周期在不同的層段響應程度略有不同。根據周期的識別結果推算陸相紅層的平均沉積速率約為5.15 cm/kyr。

（3）根據旋回地層學的分析結果，膠萊盆地膠州地區67.77 Ma～73.5±0.3 Ma期間應該是玄武巖漿冷凝固結遭受風化剝蝕及構造沉降的時期，紅土崖組與膠州組的時間界線約為67.28 Ma，紅土崖組玄武巖的年齡應早于67.77 Ma。

致謝 本文在研究過程中得到山東省地質調查研究院許克民、張志剛等專家的幫助，就研究方法、研究結果等一系列問題進行了討論；本文的評審專家提供了詳盡的修改意見，對作者的學習具有非常大的幫助，在此向他們表示衷心的感謝。