论湖相叠层石纹层生长节律记录的天文周期信号

叠层石是蓝藻类微生物藻席通过生命活动粘结、捕集沉积矿物颗粒而形成的一种生物沉积构造[1]。根据20 世纪60－70 年代对现代巴哈马台地碳酸盐沉积环境的观察资料，当时将海相叠层石的深色和浅色纹层组成的明暗交替的纹层结构解释为蓝绿藻席生长的昼夜节律，认为每个节律代表一个太阳日，即一个深浅纹层组成一对，对应一个日际生长层。有学者根据叠层石纹层中蓝绿藻席的生长和繁殖对应潮汐周期这一认识，曾提出叠层石纹层厚度的周期变化与潮汐韵律纹层类似，记录了地质时期的月节律和年节律，可以用来计算地球和月球之间的轨道参数[2～3]。陆地湖泊水位涨落与月球周日运动驱动的潮汐现象并不明显，那么陆地湖泊环境产出的叠层石生长周期受什么因素控制？这是一个极有价值的科学问题[4]。

　　本文对采自青藏高原新生代地层中的叠层石样品，采用数字图像分析方法进行了纹层厚度的测量,试图通过湖相叠层石纹层生长节律中周期信号的分析，探讨影响湖泊环境叠层石生长韵律的天文控制因素。

　　1 采样位置和样品制备

样品采自距青藏公路线约30km 处的通天河剖面，地理坐标分别为N33°55′45″,E92°37′13″。这一地区是青藏高原北部目前发现的渐新统雅西措组地层剖面出露最好的地段, 地层序列连续，产状清楚。野外剖面上雅西措群岩性主要为黄褐色砂岩、灰色泥岩与紫红色砂岩、粉砂岩韵律互层, 间夹灰色碳酸盐岩和灰白色石膏层，地层厚度1741m。底部与下伏始新世风火山群之间以细砾岩出现作为分界的标志，顶部灰色泥灰岩段划归中新世五道梁组[5～6]。在通天河剖面中，雅西措组中下部二个层位见有湖相叠层石，单层厚度15－25cm，纹层形态以微波状和柱状为主。我们在剖面32 层采集了4 块叠层石样品，编号Yp，室内进行切面观测。

　　室内样品的制备过程中，首先沿叠层石微层生长方向标定切面方向，沿生长线方向每2cm 间隔平行切割成一系列薄板状标本，两面打磨成抛光断面，共计制成4 个光面用于观察和测量。在与磨光面平行的同一方向切割样品，制成透光薄片，供显微镜下研究纹层的矿物组成和结构类型。

　　2 叠层石纹层形态和类型

垂直于叠层石生长方向的纵切面观察，明暗相间的生长韵律纹层清晰可见，而且纹层常呈波状和柱状产出。波状纹层生长带宽度介于10－30mm 之间，侧向延伸表现为平坦水平状或缓波状起伏的带状形态，波长25－35mm 左右，最大起伏高度12mm。柱状纹层生长带强烈上凸呈现穹窿状或锥状，宽度介于5－16mm 之间，一般为8－12mm；柱体高度变化于6.5－45mm 之间。柱体纵切面直径变化不大，柱体顶部一般呈圆弧形或穹窿状，单个纹层形态显示向上凸起，侧向合并。进一步观察叠层石波状和柱状生长纹层带的空间关系，可以发现柱状和波状生长纹层带在纵向上呈旋回性交替出现。一般波状纹层带出现在一个叠层石生长层系的下部，而柱状生长纹层带丛生在波状纹层带之上，形成一个生长层系。在同一个生长层系内部，柱状纹层带一般出现在波状纹层带的凸起之上，可能反映它们生长在相似的水体环境。但在二个生长层系之间，可以观察到风暴成因的冲刷界面或暴露溶蚀面，指示纹层系生长节律的终止和间断。

　　在光学显微镜下观察，可鉴别出明亮的碎屑纹层（富屑纹层）和深色的生物纹层（富藻纹层）。当纹层上凸成叠锥形时，明暗带清晰；当纹层呈微波状伸延时，有时几个亮带或暗带逐步合并加宽，亮带和暗带之间的界限模糊不清。进一步放大观察，发现富藻的暗色有机质纹层致密，一般由暗褐色藻斑块、藻丝体有机质残迹和泥微晶方解石构成，含有星散状分布的石英粉砂颗粒，含量变化于5－20％之间。富碎屑的明亮纹层疏松多孔，主要由粒径大小0.025－0.005mm 石英粉砂和泥晶粉屑组成，砂粒呈棱角状，含量20－50％，常混有磨圆的浑圆形、椭球状泥晶结构的粉屑颗粒。有时也可见到单一的仅由泥晶粉屑或石英粉砂组成的富屑纹层。富屑纹层粒间填隙物的微细粒基质部分，无论颜色和成分都与富藻有机质纹层类似，但局部也出现微亮晶粒状方解石晶体，环绕砂粒呈薄膜状产出。有机质纹层、石英粉砂纹层、泥晶粉屑纹层组合成为明暗相间的层偶，层偶内的纹层之间一般呈现渐变过渡关系。

　　3 叠层石纹层生长周期分析

研究叠层石的纹层生长周期的方法，目前普遍采用在显微镜下或反光镜下，通过目测直接对纹层进行计数和统计分析[2,3,7]。这种方法对长序列连续的纹层韵律进行测量时，费时费力，而在纹层界线模糊的区域进行测量时又存在明显的误差。本文引进在洞穴石笋、树木年轮、湖泊季节纹泥中广泛采用数字图像分析方法[8～10]，以样品数字图像的灰度值作为计量纹层个数和厚度变化的指标，通过测量样品切面上沉积纹层色度变化，求取纹层个数和厚度，利用纹层厚度数据序列的频谱分析方法，识别叠层石多级生长周期的信息。

　　3.1 灰度数据采集

将样品抛光面和厚度标尺同时放置在常用扫描仪玻璃面板上进行图像扫描，图像扫描时参数仪器设定为自动对比度和8－bit 灰度模式，扫描仪分辨率采用600dpi。图像灰度数据采集选用UTHSCSA ImageTool 图像处理软件，导入扫描图像后进行反相处理，提高图像分辨。采用线性剖面工具沿路径采集灰度数据，测线路径一般选择在纹层清晰、生长带明显的剖面线上，采用折线法连续测量，测线宽度和步长设定为1pixel 点。测量结果以灰度值表示，它反映单位像元的反射光强度，其值介于0（黑色）～256（白色）之间，亮度越大，灰度级越高。ImageTool 软件输出的原始测点坐标位置以像素表示，根据样品扫描时同步放置的刻度标尺，也可以将以像素单位标定的测线路径转换为mm 刻度的深度单位，最终得到深度-灰度数据序列。

　　3.2 纹层厚度计算

叠层石生长节律的最小结构单元是浅色富屑纹层和暗色富藻纹层组成的共轭对偶纹层，它在每一个生长节律中的显示的数目或厚度变化，是研究叠层石生长周期的基础。样品数字图像的灰度变化曲线具有等间距采样，而且数据序列连续、纵向分辨率高的特点，根据我们提出的计算方法和步骤，通过对灰度数据处理，可以快速而精确的求取纹层个数和纹层厚度。

　　图2 示例表示利用图像灰度测量数据分步计算样品纹层数目和厚度的过程，具体方法和步骤说明如下：

　　1、为了消除样品表面因为颜色差异造成的灰度测量数据偏移，首先采用最小二乘法对原始灰度曲线进行拟合，取其与原数据序列之差作为新数据序列；2、采用移动平均法过滤背景噪音，突出纹层韵律的周期波动。移动平均点的取值视单个纹层厚度而定，实际计算过程中采用3 点移动平均值消除高频噪音。

　　3、对经过前处理的灰度数据序列，进行一阶差分法计算，提取明暗纹层对应的坐标位置，求取对偶纹层的个数和厚度。

　　观察和对比图2 中原始灰度数据和处理后的曲线，可以发现样品灰度变化清晰的反映了纹层节律的变化，灰度值高对应纹层浅色带，低值峰则指示暗色纹层；经过最小二乘法拟合和移动平均处理，消除了灰度值的长趋势漂移和高频噪音，而通过一阶差分处理的新数据序列反映了明暗纹层的分布及其坐标位置。计算结果显示，在图2 实验测线长度为6cm 的路径上，可识别的纹层层偶计有75 个，纹层厚度变化于2－16 像素单位（pix），换算为mm单位为0.17－1.36mm。

　　据此方法，选取纹层韵律清晰的4 件样品进行了灰度测量和纹层厚度计算，结果如表1所示。从表1 可见，研究样品叠层石纹层明暗纹层对厚度变化于0.17－1.62mm 之间，平均厚度为0.53－0.56mm，4 条测线的纹层个数为164－186，可以满足频谱分析对数据点长度的要求3.3 纹层厚度频谱分析频谱分析技术是研究周期性现象中最为常用的一种统计分析方法，其基本原理是通过对复合波系进行数据变换，将其分解成若干振幅和相位不同的简谐波，进而根据子波的主频率求取周期值[11～12]。目前广泛采用的频谱分析方法包括功率谱分析法和最大熵谱分析法[13～14]。本文采用频谱分析程序POWGRAF2 对四条测线的纹层厚度数据序列分别进行了红噪音和白噪音背景下的离散傅立叶转换（DFT）和快速傅立叶转换（FFT）的计算，通过对比，证实二者结果相似。兹以图3 所示红噪音背景下离散傅立叶转换计算的结果，说明纹层厚度的特征周期分布。

　　图3 中横坐标为频率, 纵坐标为功率谱，一般功率值愈高, 表明这一周期在数据序列中出现的信号越强。功率谱曲线中高点处对应的横坐标值就是数据点的主频率点或主频分布区间，频率值取倒数就可以获得相应的周期或旋回数，其单位为纹层层偶数目。图中同时标出红噪声90％、95％和99％置信度曲线。从图2 中可见，在2A1 测线和3A2 测线的频谱图中，通过红噪音置信度99％检验的最大周期值，即最低频率的谱峰，分别出现在频率点0.0085到0.0089 附近，其对应的纹层对个数为11.19-11.64,即每间隔11 到12 个纹层，纹层层偶厚度出现一个变化周期。3B1 和3B2 测线的低频周期相对要小，最大周期介于8.90－10.91 之间。另外，在中频波段还可以检出4－7 纹层对组成的显着周期，而高频段旋回周期不明显，出现一系列弥散的波峰，偶尔可观察到2－3 个纹层组成的优势峰。

　　4 讨论

沉积节律记录了地质历史中的天文周期。这些天文周期包括阴历频段、阳历频段和米兰柯维奇频段。但是，要判定叠层石生长节律与天文周期的关系，关键取决于我们对叠层石纹层生长时间长度的认识。目前对叠层石韵律纹层是代表日生长节律还是年际纹层却有不同的解释,而且现在通常采用的放射性同位素测年方法，还达不到直接分辨叠层石韵律纹层生长周期的精度。但是，如果我们能够根据现代环境观测资料和沉积韵律类比，认识叠层石纹层的形成机理与自然周期过程的关系，揭示湖泊环境中最有可能最有可能造成纹层沉积旋回的环境因素，仍然可以说明其时间含义。

　　根据早期对巴哈马安德鲁斯岛现代碳酸盐沉积物的观察，Monty[15～16]最早提出叠层石明暗交替的纹层指示蓝绿藻生长的昼夜节律。他认为白天阳光充足, 藻类的光合作用强, 并且向光生长, 所以藻丝体向上生长；夜晚光线弱，藻类则处于休眠状态，停止生长，这时潮汐携带的泥砂开始沉降，这样就形成叠层石中的富藻纹层和富屑纹层，每一对纹层的生长周期正好是一个昼夜。曹瑞骥[17]根据古代叠层石中残留的微生物排列方式的观察，发现叠层石中原始藻丝体有直立和水平状生长方式的变化。他的解释是，亮层形成于白天，藻丝体分布稀疏，垂直向上生长；暗层形成于夜晚，藻丝通常水平匍匐状生长，相互重叠或缠绕在一起，叠层石中亮带和暗带的周期性交替反映了藻丝体生长模式的昼夜更替。由于叠层石一般生长在滨海环境, 其生长和繁殖受潮汐涨落及其所携带泥沙量的影响，因此叠层石纹层厚度的周期性变化可以反映古代的潮汐周期。根据这个认识，Vanyo 等[17]和Cao[18]曾用天、月、季来解释叠层石中的纹层、纹层组和纹层带的周期，并提出可由此来推断过去地球－月球－太阳位置的变化，计算古地月距离和古日长度。如朱士兴等[2]根据华北蓟县系雾迷山组叠层石月节律中的昼夜节律数和年节律中的月节律数，指出13 亿年前月球绕地球旋转一周至少需要42 天，地球绕太阳公转一周至少需要有546 天。屈原皋等[3]对周口店地区铁岭组叠层石纹层厚度变化周期进行了研究，认为10 亿年前叠层石纹层对的厚度变化反映了月节律和年节律，提出那时每个月有40 天，一年至少有516 天。

　　但是，据Pannella[19]和Jones[20]对海相叠层石纹层厚度节律的研究，发现在叠层石中很少能观察到现代和古代潮汐沉积中见到的14 个纹层对和28 个纹层对组成的双周潮和月潮周期，而这二个生长周期是海洋生物介壳最明显的生长节律[21]。通过14C 测年也发现，现代叠层石生长速率每年仅有0.16－0.35mm，这也不支持将叠层石纹层解释为日生长的观点[22～23]。

　　而且应用藻席周日向光性生长的理论也很难解释洞穴黑暗带淡水叠层石和深水大洋锰质叠层石的韵律纹理的形成机理。Davies[24]对澳大利亚西部鲨鱼湾潮间带叠层石的观察证实，只有冬季潮汐和冬季风带来泥和沙才能在藻席表面形成富屑纹层，要到下一年夏季藻席重新开始生长繁盛时才能形成富藻纹层，因此叠层石的明暗纹层记录的是冬半年和夏半年的季节性周期。Park[25]认为，藻席中蓝绿藻可能是逐日生长的，也可能存在季节性生长周期，但富屑纹层形成的明显受季节控制。这是因为正常情况下日潮涨落搬运的泥沙量很少，因此很难形成富屑纹层，只有在一年中的季节性高潮期或者是风暴潮期间形成的碎屑纹层才能保存下来，所以叠层石的纹层是年际纹层。

　　陆地湖泊水体与滨海环境不同，它很少受潮汐影响，日月引潮力驱动的湖平面升降变化十分微弱，因此很难采用潮汐周期来解释叠层石纹层的生长模式。据Anderson 等[26]对现代湖泊的观测，现代底栖和浮游蓝绿藻群落一般生活在温暖浅水环境。夏季水温上升，日照与光合作用增强，藻类生长繁茂，生物生产力大为增加，藻类分解的有机质以及藻类生物化学作用诱发的碳酸盐矿物沉淀形成富有机质的微晶碳酸盐纹层；单个有机纹层的厚度与季节性水体温度高低以及降水量影响的陆源注入营养成分多少有关。而冬季水温下降，藻类生长受到抑制或进入休眠期，陆源石英碎屑和泥晶粉屑含量相对增加，出现富屑纹层。蓝绿藻生长期短，它的繁殖受季节控制，而富屑纹层是正常的湖泊沉积，其纹层厚度主要受水动力强度变化的影响，因此叠层石纹层层偶可能指示季节韵律或年际纹层，气候因素驱动的湖水化学性质的周期性波动可能是控制湖相叠层石生长节律的关键因素。伊海生等[27]对湖湘叠层石的单个暗色纹层和浅色纹层进行了碳氧同位素分析，证实纹层同位素成分反映季节性气候变化信号，提出陆地湖泊环境中叠层石的对偶纹层为年纹层成因。现代和古代湖泊沉积记录中由于季节演替而形成的年纹层的广泛出现为此提供了佐证。例如，Chafeta 等[28]和Kano 等[29]对陆地环境钙化和泉华中叠层石的研究，也发现这些具有与湖相叠层石相似纹层结构的碳酸盐沉积，反映的是春夏季和秋冬季节水体化学性质和沉淀速率的变化。

　　如果叠层石一个共轭对偶纹层沉积的时间周期为一年，则湖湘叠层石生长节律对应的天文周期可以得到最合理的解释。频谱分析图中检出的纹层层偶个数为9-12 的特征频谱峰，换算为以年为单位的周期，则对应太阳黑子活动的11 年周期（Schwabe sunspot cycle）。目前，在现代气候参数测量记录中，如气温、气压、降雨量以及冰芯、树轮都发现这个周期的存在[30]。另外，在古代岩石记录如石炭纪、二叠纪、侏罗纪乃至前寒武纪冰川湖纹泥沉积韵律中也普遍出现[31～32]。中频波段出现的4－7 年周期的频谱峰比较分散，显着性不明显。

　　这个周期在非洲肯尼亚的Magadi 湖和美国绿河组纹层状沉积中也有报道[33～34]，一般解释为它与厄尔尼诺－南方涛动（ENSO）事件有关。2－3 年的高频谱峰可能反映降水量变化的准两年振荡周期（(QBO)。

　　太阳活动是全球气候与环境变化的主要驱动因素，太阳黑子数是反映太阳辐照量变化的重要指标。Schwabe 在1843 年就发现太阳黑子的出现具有平均约11 年最为显着的周期，嗣后还发现有与之存在倍频关系的22 年双重黑子旋回。现代气象和水文观测资料已经证实，年际降水量和河流径流量都与太阳活动周期之间存在对应关系，太阳黑子活动的峰值年和谷值年与气候异常现象如厄尔尼诺和拉尼娜事件的振荡周期之间也可能有一定的联系[30]。

　　Fischer 等 [35]和Ripepe 等[33] 在研究美国怀俄明州着名的始新统绿河组沉积时发现，湖相油页岩的年际纹层厚度变化记录有6 年周期的ENSO 旋回和11 年周期的太阳黑子周期。黄瑾等[7]在现代太平洋深海锰质叠层石纹层韵律中也发现纹层组的平均生长周期为10.7 年，接近太阳黑子活动的11 年周期。这些证据进一步说明，天文因素驱动的气候因素和水文状态变化，是影响湖泊环境中蓝绿藻微生物生长和繁盛主要因素，而湖相叠层石的生长节律，可以作为记录我们研究地质历史时期天文周期信号的地质载体。

　　5 结论

1) 采自青藏高原北部雅西措组的湖相叠层石具有明显的富藻生物纹层和富屑碎屑纹层交替的特征，纹层生长带呈波状和柱状产出。湖相叠层石与海相叠层石纹层结构序列相似，也具有多级生长节律。

　　2) 采用数字图像的灰度测量技术，可以利用岩石样品磨光面的灰度值作为纹层计数和纹层厚度变化的指标，快速有效地求取高分辨率毫米级纹层厚度数据序列，进而对沉积韵律的周期信号进行分析。

　　3) 根据湖湘叠层石样品光面实测的纹层厚度进行的频谱分析结果，表明叠层石纹层的生长节律与太阳黑子活动的11 年天文周期具有一定的对应关系，太阳辐照量的周期变化驱动湖泊流域的气候要素和水文状态波动，可能是控制湖相叠层石生长模式的主导因素。