甘肃张掖白垩纪早Aptian期黑色页岩揭示的气候岁差驱动及其意义*

2022-04-06陈家胜刘晓静刘秀铭

古地理学报 2022年2期

关键词：偏心率黑色页岩

谢琴陈家胜刘晓静刘秀铭，3

1 福建师范大学地理研究所，福建福州350007

2 福建师范大学湿润亚热带生态—地理过程教育部重点实验室，福建福州350007

3 麦考瑞大学环境与地理系，澳大利亚悉尼NSW 2109

1 概述

地球轨道参数的周期性变化影响不同纬度和时间尺度上的太阳辐射量的周期性变化，进而导致气候的周期性变化，因此在地球表层沉积系统中会记录着地球轨道的周期信号（米兰科维奇旋回）（Milankovitch，1941；Hinnov，2000）。将地质记录中的米兰科维奇旋回信号与标准天文理论曲线对比，可以更准确地认识地质记录的旋回与天文周期之间的联系，确定气候的主导周期以及地层的相对年代（Hinnov，2000；Hinnov，2013），对认识地质演化历史具有重要意义。

根据Ruddiman（2001）所绘制的近30万年以来不同纬度和不同季节太阳辐射量变化图可知夏季高纬和低纬的太阳辐射量主要以岁差周期为主；汪品先等（2018）所绘制的2Ma以来的高低纬度月均太阳辐射量的频谱分析表明，低纬（15°N）地区显示强烈的岁差周期；Short等（1991）通过数值模拟表明中低纬度地区受到～20 ka岁差周期影响大，岁差周期受到偏心率的调控作用明显。以上研究表明低纬气候过程有强烈的岁差周期，岁差受偏心率周期调控。

第四纪的气候驱动机制研究较为成熟。低纬地区的非洲季风是受岁差影响的典型例子，如热带大西洋ODP659站点（18°05′N，21°02′W）风尘含量交叉频谱分析的结果表明北非季风呈现明显的岁差和偏心率周期（Tiedemann et al.，1994）；被吹到热带大西洋的非洲干涸湖泊的硅藻记录着～23 ka的岁差周期（Ruddiman，2001）。中低纬区域的亚洲季风区石笋δ18O 数据记录都表明主导周期为岁差周期，如：中国新疆科桑洞（42°52′N，81°45′E）（Cheng et al.，2012）、湖北三宝洞（31°40′N，110°26′E）和林竹洞（31°31′N，110°19′E）（Cheng et al.，2016）、江苏葫芦洞（32°30′N，119°10′E）（Cheng et al.，2009）、贵州董哥洞（25°17′N，108°5′E）（Wang et al.，2005）、云南小白龙洞（24°12′N，103°21′E）（Cai et al.，2015），印度北部Bittoo洞（30°47′N，77°46′E）（Kathayat et al.，2016）等。同时，中国广东省湖光岩玛珥湖（29°9′N，110°17′E）的孢粉记录（Wang et al.，2007）和赤道印度洋MD900963站点（5°N，73°E）的海水表层生产力频谱分析都显示出明显的岁差周期（Beaufort et al.，1997）。从上述研究来看，～20 ka岁差周期确实对低纬地区影响较大。

白垩纪中期（Aptian-Turonian：125—89Ma）是地质历史中的极热期，深海与极地表层的极端温度（15～20℃）（Huber et al.，2002；Jenkyns et al.，2004；Friedrich et al.，2012）以及热带海水表层温度（33℃到35～36℃）（W ilson et al.，2002；Forster et al.，2007；Bornemann et al.，2008）都大大超过了现代值；大气CO2浓度是工业革命前的4～10倍（Berner and Kothavala，2001）；赤道到两极的温度梯度比现在更低（Littler et al.，2011）。白垩纪中期全球广泛发育了黑色页岩（Schlanger and Jenkyns，1976）。Aptian期的黑色页岩的沉积尤为显著，且在欧洲海相地层中对其研究程度高。在Aptian早期，意大利中部Piobbico岩心（古纬度约20°N；Tiraboschi et al.，2009；图1）的黑色页岩层段和邻近地层记录的主导周期为斜率周期（Huang et al.，2010）；意大利北部的Cismon APTICORE（古纬度约20°N；图1）黑色页岩层的频谱分析显示主导周期为短偏心率、斜率和岁差周期（Li et al.，2008）；墨西哥东北部Santa Rosa峡谷剖面（古纬度约20°～30°N，图1）的磁学参数频谱分析结果均表明短偏心率与斜率周期信号强烈，岁差周期较弱（Li et al.，2008）；北大西洋DSDP398站点（古纬度介于20°～30°N之间；图1）的磁学参数频谱分析结果表明偏心率周期较强（Li et al.，2008）；古纬度为约30°N的法国南部Vocontian盆地（图1）岩心的自然伽马射线数据EHA分析结果表明岁差、斜率和偏心率都存在，但偏心率和斜率周期信号较强（Beil et al.，2020）。以上结果都是基于欧洲海相地层的研究，并且Aptian期的低纬度海相地层（20°～30°N）的主导周期多数以斜率周期为主。

图1 120 Ma全球板块分布以及相关研究区域的地理位置Fig.1 Map of global plate distribution at 120 Ma and geographical location of relevant study areas

欧洲海相白垩纪地层出露广泛，研究程度较高，亚洲的中国区域陆相白垩系分布较广，类型复杂多样（Xi et al.，2019）。中国西北地区陆相白垩纪地层在六盘山盆地、酒泉盆地等区域广泛分布（Xi et al.，2019）。酒泉盆地研究程度较高，并已经将盆地内下沟组黑色页岩段的年代确定为早Aptian期（Li et al.，2013；Suarez et al.，2013）。古纬度约为23°N（Frost et al.，1995）的西北甘肃张掖南台子地区也发育很好的白垩纪陆相沉积，地层与酒泉盆地划分一致，存在相同时间段相似的黑色页岩（杨雨，1997）。理论上说，其气候过程极有可能呈现出强烈的岁差周期，如果确实如此，这与欧洲白垩纪中期的低纬海相地层所呈现的斜率周期不同。因此有必要深入对南台子下沟组黑色页岩段气候周期开展实验与分析，补充认识白垩纪中期低纬地区陆相沉积的轨道周期变化规律。

2 地质背景

白垩纪甘肃位于走廊潮水盆地，发育内陆开阔盆地湖相泥质—泥灰质沉积，该地区的气候以潮湿亚热带—热带气候为主（张兰生和方修琦，2012）。早期将巨厚黑色页岩划为赤金堡组的顶部，作为赤金堡组与下沟组的分界线（杨雨，1997）。Li等（2013）将黑色页岩划为下沟组的底部，根据锆石U-Pb定年、植物化石的年龄参考以及与OAE1a事件相联系，共同确定黑色页岩的年代为早Aptian期（124—125Ma）。另外Suarze等（2013）在下沟组湖相地层通过碳同位素对比也确定黑色页岩的年代为早Aptian期。因此河西走廊下沟组黑色页岩年代应属于白垩纪早Aptian期。

研究区地处甘肃省西北部、河西走廊中段、祁连山北麓（图2-a）。研究剖面位于临泽县倪家营乡南台子村彩色丘陵景区西侧（图2-b）。彩色丘陵是由下沟组和中沟组所组成（张荷生和崔振卿，2007），黑色页岩位于下沟组底部（图2-c）。为了便于采样，在黑色页岩的平行剖面开展研究，将该剖面命名为冰沟剖面（图2-d）。

冰沟剖面发育了4段黑色页岩，这4段页岩之间间隔相似，厚度相当，与黑色页岩段相邻的黄色段主要由砾石和砂岩组成。黑色页岩Ⅱ段（38°57′N，99°59′E）出露更加完整且更具代表性（图2-d），因此在黑色页岩Ⅱ段进行采样。黑色页岩Ⅱ段总厚29.85m，按照岩性主要分为3段（图3）：剖面下段（0～11.75m）主要为黑色和灰色的泥岩和页岩互层；中段（11.75～17.35m）主要为黄色、棕黄色、暗灰色粉砂岩，偶夹灰色、黑色泥页岩；上段（17.35～29.85m）主要为黑色和灰色泥页岩，偶夹黄色粉砂条带。本次对黑色页岩Ⅱ段从下至上进行采样（图3），首先去除表层风化物，在黑色和灰色区域以0.05m等间距连续采样，黄色粉砂岩处根据岩性变化将采样间距设为0.1～0.3m，在Ⅱ段共采样523个。

图2 甘肃张掖南台子下沟组黑色页岩段Google Earth图和野外实景照片Fig.2 Google Earth map and field photos of the black shale of Xiagou Formation in Nantaizi，Zhangye of Gansu Province，China

图3 甘肃张掖南台子下沟组黑色页岩Ⅱ段的岩性地层Fig.3 Lithologic stratigraphy of the black shale sectionⅡof Xiagou Formation in Nantaizi，Zhangye of Gansu Province，China

3 方法

3.1 碳酸钙含量测定

碳酸钙（CaCO3）含量采用气量法测定，其实验步骤如下：首先将0.5 g样品放入烘箱（＜65℃）烘干，用玛瑙研钵将样品研磨至均匀；其次使用碳酸钙简易装置测试，加过量的浓度为10%的稀盐酸于待测样品中，等待盐酸与样品中的CaCO3完全反应；最后读取CaCO3与盐酸反应后产生的二氧化碳气压值，根据该气压值进行换算就可得到样品的CaCO3含量。本研究将全部样品进行CaCO3含量测试。

3.2 总有机碳和总有机氮含量测定

总有机碳（TOC）和总有机氮（TN）含量测定的实验步骤如下（Suarez et al.，2013；Zhang et al.，2016）：首先将1～2 g样品研磨成粉状，加入过量0.5mol的盐酸去除无机碳。其次将样品与过量盐酸反应直至把无机碳全部去除，再用去离子水将样品洗涤多次直至pH 值达到中性。最后将样品放置在45～50℃烘箱干燥后，重新研磨至均质状。本研究以0.25m 间隔选取153个样品测试TOC。土壤总有机碳和总有机氮使用碳氮元素分析仪（Elementar Vario ELⅢ，德国）测量。以上实验在福建师范大学湿润亚热带山地生态国家重点实验室完成。

3.3 旋回地层学研究方法

3.3.1 频谱分析（MTM 和EHA）

Multi-Taper Method（MTM）分析是将深度域信号转化为频率信号，并识别数据中的周期信号（Thomson，1982）。但MTM 仅能反映一段深度（时间）内平均谱结构，不能反应频率随深度（时间）的变化情况（Meyers et al.，2001）。Evolutive Harmonic Analysis（EHA）是在数据窗口上使用滑动MTM方法来分析深度（时间）域数据序列，可得到动态空间频率的谱结构，该方法可以识别地层数据序列中的主导频率周期的沉积速率变化情况（Meyers et al.，2001）。本研究有关MTM和EHA的分析全部根据R软件“astrochron”包下的m tm和eha方法计算。

3.3.2 理论天文轨道周期

本研究的天文参数模型来自La2004（Laskar et al.，2004）天文解决方案（提供过去250Ma到未来的250Ma的参数模型），La2004方案已经考虑地月的潮汐耗散与太阳系的混沌运动等影响因素，可建立不确定性为0.2%的浮动天文年代标尺。作者利用La2004天文解决方案计算早Aptian（120—125Ma）时期的偏心率、斜率和岁差周期变化理论值（图4），经过频谱分析后得到5个偏心率周期（400.08 ka、131.61 ka、123.48 ka、99.03 ka、94.36 ka）、3个斜率周期（46.74 ka、36.77 ka、35.72 ka）和3个岁差周期（22.23 ka、21.06 ka、17.99 ka）。本研究关于黑色页岩段的旋回分析将以频谱分析得到的理论天文周期为基准。整个冰沟剖面的旋回周期分析采用的理论周期为1600 ka、405 ka、100 ka（Huang et al.，2010）。

图4 甘肃张掖南台子下沟组黑色页岩Ⅱ段早Aptian期（120—125Ma）的岁差、斜率和偏心率的频谱分析结果Fig.4 Spectrum analysis results of precession，obliquity，and eccentricity cycles of the black shale sectionⅡof Xiagou Formation in Nantaizi，Zhangye of Gansu Province，China during early Aptian（120-125 Ma）

3.3.3 平均频谱拟合差（ASM）

Average Spectral Misfit（ASM）方法能够准确识别和校正地层中的轨道信号。它通过计算每个沉积速率下对应的地层轨道信号与理论天文信号的平均差值（ASM值），并利用蒙特卡洛模拟测试无轨道信号的零假设可信度，从而得到最优沉积速率（Meyers and Sageman，2007）。预处理后的CaCO3数据进行ASM分析，在整个ASM 计算中用到的理论天文周期为123.48 ka、94.36 ka、36.77 ka、22.23 ka、17.99 ka。置信度水平设为0.95%，设置100个等间距沉积速率，沉积速率范围设为1～100 cm／ka，进行10 000次蒙特卡洛模拟。本研究有关ASM的分析全部根据R软件“astrochron”包下的asm方法计算。

3.3.4 年代标尺优化法（Tim eOp t）

Time-scale Optimization（TimeOpt）综合考虑地层数据周期间层级关系和地层数据计算的轨道信号调制属性，识别气候主导周期，从而根据地层厚度计算最优沉积速率（Meyers，2015；Meyers，2019）。TimeOpt方法的核心是对天文信号的2个属性进行评估，即岁差和偏心率的频谱功率与岁差信号的偏心率幅度调制属性的集中度，这2个属性都是根据线性概率统计模型来评估的。包络线回归模型评估通过带通滤波以及希尔伯格变换提取的岁差振幅包络线与偏心率模型之间的拟合程度，利用最小二乘估计确定每个沉积速率下所对应的最佳拟合，每个沉积速率下“拟合”质量是根据偏心率模型和岁差包络线之间的Pearson相关系数来量化的，从而得到相关性频谱功率回归模型是评估经过沉积速率校正后的时间校准序列的天文目标周期（岁差与偏心率）频谱功率集中度，拟合质量是通过时间校准序列与天文模型序列之间的相关性确定，得到最终的拟合度结合了振幅包络线与频谱功率评估的信息，通过蒙特卡洛模拟对无天文信号的零假设进行正式评估，确定的统计显著性。Meyers等（2015）对OPD 926B站点的底栖有孔虫δ18O数据进行TimeOpt方法分析，在功率谱图中表现出了强烈的斜率信号。当有强烈的斜率信号时，在频谱功率图中仍然能识别出斜率周期。因此TimeOpt方法不仅能够识别偏心率与岁差，也能识别出斜率周期。

对整个冰沟剖面（图2-d）进行旋回周期分析时，首先提取该剖面的红度值，将红度值标准化，并且进行倾角（60°）校正。随后将红度值进行预处理（间隔设置为0.22m）以及TimeOpt分析，在整个TimeOpt计算中，线性概率回归模型使用超长偏心率（1600 ka）、长偏心率周期和短偏心率周期（405 ka、100 ka），Taner滤波器带宽范围设置为1／250～1／650 cycles／ka（roll-off rate设置为103）；设置100个等间距沉积速率，沉积速率范围设置为1～40 cm／ka。

对黑色页岩段的CaCO3含量和TOC含量数据进行预处理（CaCO3含量的间隔设置为0.05m，TOC含量的间隔设置为0.1m）。预处理后进行TimeOpt分析，在整个TimeOpt计算中，线性概率回归模型使用4个偏心率周期（131.61 ka、123.48 ka、99.03 ka、94.36 ka）和3个岁差周期（22.23 ka、21.06 ka、17.99 ka），岁差包络线利用Taner过滤器提取，其滤波器带宽范围设置为0.035～0.065 cycles／ka（roll-off rate设置为103）；设置100个等间距沉积速率，CaCO3沉积速率范围为1～100 cm／ka，TOC的沉积速率范围设置为1～20 cm／ka。本研究有关TimeOpt的分析全部根据R的“astrochron”包下的TimeOpt和TimeOptSim 方法计算。

4 结果

4.1 古气候替代性指标

研究沉积地层气候数据的轨道周期需要选择合理古气候替代性指标。CaCO3含量和TOC含量都是常用的古气候替代性指标。根据前人研究表明TOC含量是指示古湖泊的初级生产力的良好指标（陈发虎等，2001），在同样条件下，湖泊的生产力越高，则沉积物中的有机质含量高，TOC含量也就越高。但TOC的来源复杂多样，来源不同的TOC所携带的气候信息不同。TOC／TN值大小能明显区分湖泊中的TOC是湖泊水生植物还是受陆源植物碎屑影响而形成的（钱君龙等，1997；Meyers and Ishiwatari，1993；Meyers et al.，1998），陆源有机质的TOC／TN值为20～30，湖泊自身的浮游藻类和大型水生植物的TOC／TN值分别为4～10和10～20之间（Meyers and Lallier-vergés，1999）。从图5可知，黑色页岩Ⅱ段的TOC／TN值都小于20，因此黑色页岩Ⅱ段沉积物的TOC主要来源于湖泊本身。影响湖泊水生植物生长的主要因素是温度与营养盐，温度升高，植物光合作用加强，水生植物大量繁殖，因此湖泊生产力提高（杨伦庆等，2009）。在生物生产力高的湖泊中，大量水生植物生长所需的光合作用会消耗大量CO2，进而导致CaCO3发生沉淀（宋磊等，2012）。因此湖泊中生物生产力的提高与CaCO3含量的增加具有良好的相关性（Hodell et al.，1999；陈敬安等，2002）。从图5中可见TOC与CaCO3含量曲线变化相近，并且在随深度变化趋势以及幅度上具有较好的可对比性。因此TOC与CaCO3的同时富集主要是因为湖泊水生植物的大量繁殖所导致的。与TOC相比，CaCO3含量的分辨率较高，对后期的周期分析更有益，且CaCO3含量测试更便捷、快速和有效。因此综合考虑，最终将CaCO3含量作为古气候替代性指标。

图5 甘肃张掖南台子下沟组黑色页岩Ⅱ段CaCO3含量、TOC含量和TOC／CN值变化Fig.5 Variation of content of CaCO3 and TOC，TOC／CN values of the black shale sectionⅡof Xiagou Formation in Nantaizi，Zhangye of Gansu Province，China

4.2 黑色页岩研究区浮动年代标尺

地质样品的红色与氧化铁的含量有关，Fe3+代表相对干旱的氧化环境；灰黑色与有机质和碳酸盐的含量有关，代表相对还原的湿润环境（刘秀铭等，2014）。张掖南台子下沟组冰沟剖面的影像（图6-a）进行红度（a*）提取，将倾角（60°）进行校正，可初步建立a*变化曲线（图6-a）。将红度值代入TimeOpt分析，根据包络回归模型以及频谱功率回归模型确定红色的包络线拟合曲线和黑色的频谱功率拟合曲线（图6-b），包络线拟合曲线显示了在沉积速率为29.7 cm／ka下最大的值为0.58，频谱功率拟合曲线显示了在沉积速率为12.6 cm／ka下最大的的值0.16。与的乘积确定了在沉积速率为28.6 cm／ka下最大的的值0.114（图6-c）。使用与数据相同的lag-1自相关系数的AR1替代值（ρARI=0.80）进行2000次蒙特卡罗模拟，得出沉积速率28.6 cm／ka下观测的=0.114的ρ-value值为0.005，这表明可以在99.5%的置信水平上拒绝非天文驱动的零假设（图6-d）。图6-e显示在最佳沉积速率28.6 cm／ka时天文目标周期（红色虚线）与地层周期（黑色曲线）的拟合情况，目标周期与地层周期在超长偏心率、长偏心率处拟合良好，短偏心率拟合较弱，表示在地层中超长偏心率与长偏心率周期信号较强，短偏心率周期信号较弱。TimeOpt重建的超长偏心率模型（黄线）与超长偏心率振幅包络线（蓝线）的拟合结果如图6-a所示，2条曲线波动大致相同，表明二者的拟合情况较好，并且从图6-a中能明显看出红度值（红线）的变化波动与长偏心率振幅大小（黑线）一致性良好，由此看出冰沟剖面的40万年长偏心率周期显著，并且在地质历史当中40万年碳周期较为常见（汪品先等，2018）。根据TimeOpt方法计算的浮动年代标尺如图6-a所示，整个冰沟剖面的持续沉积时间为2.884Ma。因此，将a*代入TimeOpt方法得到南台子冰沟剖面的沉积速率为28.6 cm／ka，沉积持续时间为2884 ka，且具有显著的40万年长偏心率周期。

图6 甘肃张掖南台子下沟组冰沟剖面红度（a*）的TimeOpt分析Fig.6 TimeOpt analysis of a* of the Binggou section of Xiagou Formation in Nantaizi，Zhangye of Gansu Province，China

4.3 下沟组黑色页岩Ⅱ段主导周期

4.3.1 ASM 计算结果

甘肃张掖南台子下沟组黑色页岩Ⅱ段的CaCO3含量序列ASM分析结果如图7所示。MTM频谱分析揭示了CaCO3含量序列中有2个超过95%置信水平的天文信号（图7-a），将这2个显著天文信号与理论天文信号拟合匹配，利用蒙特卡洛模拟计算地层轨道信号与天文目标信号的平均差值即ASM值，当二者一致性最好时即ASM的值最小，对应的最优沉积速率为17.074 cm／ka（图 7-b）。17.074 cm／ka的沉积速率对应的零假设水平（Ho-SL）为0.066%，小于1%的临界值，通过了置信度检验，表明CaCO3含量序列中有99.934%的可能性记录了米兰科维奇信号（图7-b）。图7-c显示了经最优沉积速率17.074 cm／ka校正后的CaCO3含量序列的周期信号（黑色虚线）与理论周期信号（红色实线）拟合情况，结果显示CaCO3含量序列中的周期信号与理论偏心率和岁差拟合情况良好，说明地层中的偏心率和岁差信号显著。同时，根据最优沉积速率17.074 cm／ka计算29.85m 长的黑色页岩段的沉积持续时间为175 ka。因此，根据ASM分析得知黑色页岩Ⅱ段的主导周期为偏心率与岁差周期。

图7 甘肃张掖南台子下沟组黑色页岩Ⅱ段CaCO3含量序列ASM分析Fig.7 ASM analysis of CaCO3 centent sequence in the black shale section Ⅱ of Xiagou Formation in Nantaizi，Zhangye of Gansu Province，China

4.3.2 Tim eOp t计算结果

TimeOpt方法对CaCO3含量数据进行分析的结果如图8。包络线拟合曲线显示了在沉积速率为54.62 cm／ka下最大的值为0.99，频谱功率拟合曲线显示了在沉积速率为18.74 cm／ka下最大的的值0.24（图8-a）。的乘积确定了最大的的值0.228，对应的沉积速率为18.74 cm／ka（图8-b）。使用与数据相同的lag-1自相关系数的AR1替代值（ρARI=0.65）进行2000次蒙特卡罗模拟，得出在沉积速率18.74 cm／ka下观测的值为0.228时的ρ-value值为0.005，表明有99.5%的可能性拒绝非天文驱动的零假设（图8-c）。图8-d显示在最佳沉积速率18.74 cm／ka时天文目标周期（红色虚线）与地层周期（黑色曲线）的对比情况，目标周期与地层周期在岁差与偏心率处一致性良好，而斜率周期的频谱功率较弱，表示在地层中岁差与短偏心率周期信号较强，斜率周期信号弱。岁差振幅包络线（图8-e的红色曲线）与TimeOpt重建的偏心率模型（图8-e的黑色曲线）的对比结果（图8-e）以及二者的交叉图中的2条曲线（图8-f）近乎重合，表明二者的一致性良好。时间域CaCO3含量曲线（蓝色）与所提取的岁差滤波（黑色）清晰地反映CaCO3与岁差的对应关系较好（图8-g），岁差的低值对应着CaCO3含量的低值，由此看出CaCO3含量的岁差周期明显。不仅如此，这也反映出了偏心率对岁差的调制作用，当偏心率（红色曲线）幅度小时，岁差的变化幅度也小。因此，将CaCO3含量数据代入TimeOpt方法得到南台子下沟组黑色页岩的主导周期都为岁差与短偏心率周期。

图8 甘肃张掖南台子下沟组黑色页岩Ⅱ段CaCO3含量数据的TimeOpt分析Fig.8 TimeOpt analysis of CaCO3 content of the black shale sectionⅡof Xiagou Formation in Nantaizi，Zhangye of Gansu Province，China

冰沟剖面黑色页岩持续沉积时间为1.575Ma（图6-a的灰色阴影），每个黑色页岩段与其邻近的黄色砂岩段的持续沉积时间为400 ka，其中旋回Ⅱ（图6-a）总长为100m，平均沉积速率25 cm／ka。旋回Ⅱ黑色页岩部分总厚约30m，沉积持续时间为160 ka（图8-e），沉积速率为18.74 cm／ka，沉积速率比整个冰沟剖面的平均沉积速率（28.6 cm／ka）低。砂岩段总厚70m，沉积持续时间为240 ka，沉积速率为29.2 cm／ka，砂岩段沉积速率比整个冰沟剖面的平均沉积速率高。

另外，将TOC数据用TimeOpt方法得到的周期频谱图如图8-h所示，地层数据的偏心率周期与天文目标周期一致性良好，岁差拟合度较差以及斜率的频谱功率较弱，表明主导周期为偏心率周期，而斜率与岁差周期信号微弱。这也能反映CaCO3含量指标更具优势，CaCO3含量周期图（图8-d）显示有显著的偏心率与岁差周期，而TOC含量周期图（图8-h）只显示有明显的偏心率周期，TOC含量没有显著的岁差周期可能与TOC含量分辨率不高、反应不灵敏有关，因而只显示出较大的偏心率周期。

4.3.3 频谱分析

南台子下沟组黑色页岩Ⅱ段的天文浮动年代标尺是根据TimeOpt经沉积速率调谐后所建立的，将深度域CaCO3含量序列转化为时间域序列，黑色页岩Ⅱ段的沉积持续时间约160 ka（图9-a）。Ca-CO3时间域序列的MTM 频谱分析（图9-b）显示在99.77 ka、25.75 ka和17.74 ka处有显著谱峰，置信度水平分别在90%以上。时间域序列的EHA分析（图9-b）结果发现，99.77 ka、25.75 ka和17.74 ka信号在整个EHA中呈现连续的功率强的红色信号，表明短偏心率和岁差周期显著。综上，张掖南台子下沟组黑色页岩剖面具有显著的短偏心率周期与岁差周期。

图9 甘肃张掖南台子下沟组黑色页岩Ⅱ段调谐后年代数据的MTM和EHA结果Fig.9 Result of MTM and EHA with tuned age data of the black shale sectionⅡof Xiagou Formation in Nantaizi，Zhangye of Gansu Province，China

5 讨论：低纬岁差驱动

白垩纪中期欧洲海相地层（古纬度约20°～30°N）以斜率周期为主导。但是相似的纬度，本研究区（古纬度约23°N）以岁差和偏心率为主导周期。主导周期与欧洲海相地层不同。

第四纪以来低纬地区的洞穴石笋氧同位素数据、孢粉记录以及赤道大西洋、南海等记录的气候变化主要以～20 ka岁差周期为主，低纬区域显示出了显著的～20 ka岁差周期。理论上，岁差主要控制着中低纬度的太阳辐射量的变化，偏心率影响较为微弱（Cheng et al.，2021），例如东亚季风区的石笋记录都呈现出岁差信号显著，而偏心率信号相对微弱（Wang et al.，2016；程海等，2020）。但在地质记录中发现岁差与偏心率周期同样显著的案例，并将偏心率显著的原因解释为偏心率对岁差的调谐作用，如地中海所形成的浅色的石灰岩序列是因为受到偏心率调谐后的弱季风降水无法阻断地中海循环，从而形成浅色石灰岩序列；深色腐泥层序列的形成是在偏心率调谐下的强季风降水导致更多的淡水资源流入地中海，从而阻断地中海循环，在缺氧条件下形成腐泥层序列，该腐泥层序列的岁差与偏心率周期都非常显著（Ruddiman，2001）。研究区不仅显示出显著的岁差信号，同时也显示了强烈的偏心率信号（图6-d），并将这一现象解释为偏心率对岁差的调谐作用。因此南台子下沟组黑色页岩Ⅱ段显示的岁差和偏心率周期与低纬太阳辐射相关。

青藏高原约55～50Ma开始隆升（Searle et al.，1987；Jiang et al.，2001），Jiang等（2001）根据沙漠的纬向分布特点以及沙漠盛行风的相关记录认为在青藏高原隆起前东亚是由行星风系所控制。白垩纪亚欧非大陆的位置与形态（图1）接近于第四纪以来的亚欧非大陆，相当于现代欧洲—亚洲—非洲大陆，西侧与美洲大陆相邻，因此这样的地形条件下中低纬度区域可能存在大规模的季风以及由季风带来的大范围降水（程海等，2020）。四川盆地与思茅盆地（图1）的纬度与研究区相近，属于干旱的沙漠气候（江新胜和李玉文，1996；Hasegawa et al.，2012）。本研究区黑色页岩年代属于青藏高原未隆起的Aptian早期（124Ma），位于23°N，以河湖相沉积为主，存在大量黑色页岩，黑色页岩的存在代表着湿润环境（戴霜等，2012）。研究区紧靠副热带高压控制下的沙漠干旱区南缘（图1），当时的张掖地区应该与今天的非洲撒哈拉沙漠南缘较为接近，其气候型为热带干湿季气候，与非洲季风的气候过程相当，可能受到热带辐合带南北移动和海陆热力差异的影响。但这还需要古气候模拟等更多证据支撑。