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米兰科维奇，米兰科维奇假说的介绍

发布在法甲2 年前文章来源：天下足球网作者：不思量ミ自难忘

一、米兰科维奇假说的介绍

米兰科维奇，米兰科维奇假说的介绍

米兰科维奇假说（英语：Milankovitch hypothesis）是前南斯拉夫土木工程师兼数学家米卢廷·米兰科维奇于1930年创立的一种关于古气候变化的理论，又叫做“米兰科维奇循环”。假说认为地球运动的变化，特别是绕太阳轨道的变化，这些变化会导致太阳到达地球能量的不同。并且正是这些从太阳到达地球能量的不同导致了地球气候的变化。

二、米兰科维奇的夏季日照曲线

提要米兰科维奇假说是解释地球气候变动的重要理论，最新同位素稀释质谱分析的铀系年代学和全球“标准”高分辨率氧同位素地层学的研究都证实了这个理论的正确性；更重要的是，米兰科维奇的夏季日照曲线可以提供一个可靠的时间尺度。

关键词米兰科维奇说，日照曲线，铀系测年，同位素稀释质谱分析，氧同位素地层学

1941年米兰科维奇（Milankovitch）提出，随着黄赤交角的变化，地球轨道偏心率和地球旋转轴岁差的变化，也就是说随着地球旋转运动某些几何学参数的变化，地球接受的太阳能量的分布也要发生相应的变化，从而导致了更新世的气候波动，这就是著名的米兰科维奇假说。米兰科维奇还计算了北半球不同纬度（北纬80°、北纬65°、北纬10°）夏季日照强度随着时间的变化曲线（1978年由W.H.Berger重新计算过），坐标的纵轴表示夏季大气圈顶层每天接受日照的平均值（已减去了现在值），横轴表示年代。这条曲线常被人们用来和其他独立方法测得的时间尺度曲线进行对比，以达相互验证之目的。

按照这个理论，间冰期夏季日照时间增加使全球温暖，冰盖融化，海平面上升；冰期夏季日照时间减少，则相反。如果以海平面的高度作为时间的函数应可与米兰科维奇日照曲线相对比。匀速上升的珊瑚礁阶地代表了过去海平面的高度，测定不同珊瑚礁阶地年代和海拔高度等于测定了不同年代时海平面的位置，这些年代应该接近米兰科维奇日照曲线上波峰的年代或稍许滞后一些。测定珊瑚礁阶地的年代，除了极小部分用14C法，大部分用的是铀系法，如对巴巴多斯岛的3个最低阶地的珊瑚做了230Th/234U法测年，分别是8.2万a、10.5万a和12.5万a，这几个年龄值与米兰科维奇日照曲线上（北纬45°）相应的年代吻合。然而也有不十分吻合的，研究得最多的是末次间冰期的高海平面期，在米兰科维奇日照曲线上最大峰值位于12.8万a，但一些铀系测年的结果表明此时最高海平面却有两个峰（12.5万a和14万a），这就使人怀疑海平面的变化是否仅是由米兰科维奇轨道驱动力引起的。其实，产生这个问题的原因在铀系测年本身。我们现在通常用a粒子计数技术进行铀系测年，这种技术是通过测量铀系核素单位时间内a衰变的次数来确定这种核素的含量，而不是直接测定样品中这种核素的多少来确定含量。应该说这种技术的精确度还不够高，如测定的年龄是12.5万a，统计误差为±1.5万a，属正常范围。显然，这样的精度不能适应更深入研究的需要。最近美国学者采用同位素稀释质谱分析的方法测定铀系核素的含量，使铀系测年的精度大大提高，也使米兰科维奇的日照曲线进一步得到证实。同位素稀释质谱法和常规a粒子计数法相比，具有样品用量少、效率高、精确度好的特点，具体指标见下表。

采用这种新技术对已用a粒子计数法测定过认为有两个峰的样品重新测量，发现末次间冰期高海平面期的年代仍在米兰科维奇日照曲线的波峰范围内，在此期间高海平面至少在7ka，这些年代数据和高海平面事件皆可用米兰科维奇的理论解释。Kaufman(1986）曾以统计学的观点研究了100余个末次间冰期高海平面时期可用的铀系测年数据，得出的结论是末次间冰期高海平面期不能老于12.9万a，若有两个峰的话，第二次出现也不能晚于12.2万a，这一结论和用同位素稀释质谱法测定的结果一致，这一新技术可以对过去50a的时间尺度做出精确的测定。

米兰科维奇的理论同样引起古海洋学家们的兴趣，假若米兰科维奇驱动力是控制地球气候的主要因素，由于同位素分馏作用，气候变化势必影响海水的同位素组成，从而在有孔虫壳的δ18O记录中有所反映，作为时间的函数应产生一条与米兰科维奇日照曲线相应的曲线。这种关系已为多个深海沉积物的岩心所证明，更新世的气候波动存在着10.5万a、4.1万a和2.1万a3种周期，它们分别和地球轨道偏心率、黄赤交角和岁差的平均周期一致。但是由于氧同位素地层学受到许多因素的影响，虽然从世界各大洋取得的许多深海沉积物岩心都反映了冷暖交替的气候旋回，却没能得到一个统一的时间尺度，这就影响了氧同位素曲线与米兰科维奇日照曲线的对比。Martison等一批著名的科学家（1987）把全球7个用底栖有孔虫测定的氧同位素记录叠加起来，组成一个30万a以来深海沉积物的“标准”高分辨率氧同位素地层学，这个地层学的时间尺度已用14C和铀系年代标定，然后用4种不同假设的轨道旋转计算法，分别得到各自独立的年代学，最后进行误差分析和处理再转换成一个时间尺度，他们认为这个年代地层学是代表全球气候的记录。他们的数据表明，大约有50%的气候记录（作为δ180记录下来）可以用对轨道驱动力单一地线性反映来描述，而其余的信号则无法用米兰科维奇假说来解释，需要进一步研究，而最重要的是轨道旋转技术能够提供看来可靠的年龄估算（在和放射性同位素测年比较的基础上）。这个研究表明地球的气候变化还有其他因素的影响。

诚然，除了地球旋转轨道变化外还有许多因素影响气候的变化，如灾变事件、造山运动、火山喷发以及现代的人类活动等，不过就更新世的气候变化来说，无论从年代学还是氧同位素地层学都有大量的证据表明米兰科维奇的轨道动力起着主导作用。米兰科维奇假说是一个重要的理论，它不但使我们能了解地球的过去，更可贵的是可以预测未来地球的气候变化。积极开展这一理论及其相关学科的研究无疑是十分有意义的。

（海洋地质动态，1987，第8期，7～8页）

三、米兰科维奇(米氏)旋回分析

米氏旋回主要由日地轨道参数的周期性变化产生，因此，米氏旋回又称为米氏轨道周期或简称为米氏周期。米氏旋回的峰值时间跨度为20～500ka，主要包含约20，40，100，400ka的周期，分别由以下不同的日地轨道参数变化引起。

图3.28 98266二维地震层序解释剖面

图3.29 981118二维地震层序解释剖面

图3.30 98318二维地震层序解释剖面

图3.31台南6井至驼中4井层序地层对比剖面图

图3.32台吉2井至涩中8井层序地层对比剖面图

第一，地球公转轨道的岁差变化周期。岁差是地球角动量对日、月干扰的反映，存在两个主周期，分别为18.9ka和22.4～23.7ka。

第二，地球自转面与公转轨道面间交角变化周期，主周期为39.7～41ka，还有53.6ka的弱周期。

第三，地球公转轨道的偏心率变化周期。其包含三个主要周期，412.8ka的周期最强，其次为95～99.5ka和12.3ka的周期。地球公转轨道偏心率变化还存在一个约2Ma的长周期，但幅度较小，在地层记录中不易识别。

米氏轨道周期主要通过改变地球表面日照量对沉积作用产生重要影响。太阳辐射能量一部分为大气和地表吸收，另一部分被地球表面反射或以热能的形式散发。吸收太阳能的变化改变了气候条件和地球表面的物理、化学和生物条件，从而对沉积作用产生重要影响。这种影响保存于地层记录中，成为识别米氏旋回沉积的前提。

3.2.2.2确定米兰科维奇旋回的方法

要直接分析沉积地层中的时间周期，准确的地层测年数据是必不可少的。在缺乏准确测年数据的情况下，只能在空间域用间接的方法分析地层中的米兰科维奇旋回。间接分析方法是基于地球轨道变化周期的复杂性，即沉积环境变化对气候变化的响应在时间域和空间域都不是一个简单的周期函数，而是一组不同周期函数的叠加。地层中常常记录了这种复杂的叠加形式。如果空间域和时间域的叠加型式符合同一模式，则认为可以用空间域的旋回分析代替时间域的周期分析。在研究中，利用地层中旋回厚度的峰值之比和天体轨道周期之比进行比较，如果两者的比值有很好的相似性，也就是说在空间域和时间域的叠加模式相同，那么就认为这样的地层旋回是由天体轨道的周期性变化引起的。

图3.33涩中5井至涩中7井层序地层对比剖面图

地层旋回的定量表示是米兰科维奇旋回分析的基础。用于定量分析的资料根据来源可分为三类：露头资料、岩心分析资料和测井曲线。用于分析气候变化的定量数据，要求其中必须包涵气候变化的成分，但并不要求该数据只反映气候变化而不受其他因素的影响。

自然伽马测井是测量井内岩层内放射性元素衰变过程中放射出的伽马射线的强度。自然伽马的强度主要与40K，232Th和238U有关。不同岩石的放射性元素的含量和种类间存在着一定的差异，如粘土物质和有机质对U的吸附能力较强。纯碳酸盐岩中因只有少量40K，232Th和238U能被碳酸盐岩晶格所包含，则几乎不含上述放射性元素。而泥质物质颗粒小，沉积缓慢，放射性元素有足够时间从溶液中分离，自然伽马曲线即是泥质含量的指示曲线。研究表明，除快速堆积的粗相带外，绝大多数陆相沉积环境，其沉积物粒度变化、泥质含量的多少和沉积速率的大小均与岩石的自然放射性之间有很好的对应关系。因此，自然伽马曲线能很好地满足分析气候变化对数据的要求。

自然伽马曲线是各种地质因素引起的地层周期性变化的综合反映，但其中也包括了与地质因素无关的测井过程产生的一些干扰信号。为了保留和分离出反映气候变化的有用信号，对测井曲线进行了两种预处理：高频干扰的抑制和低频背景的消除。

高频干扰是通过频率域滤波方法来抑制的，先对曲线进行频谱分析，确定要消除的高频干扰的频率范围。设计一个低通滤波器，将干扰波频段的频率变为零，再进行傅立叶逆变换。这样得到的信号中高频干扰成分就被消除了。

低频背景是按照地质变化将其划分为不同的小层进行消除的，对每个小层采用线性回归模型来消除低频背景。消除低频变化以后的伽马曲线就成为一种呈“平稳状态”的序列，这样，就可以用来分析其中的米兰科维奇旋回（图3.34）。

频谱分析技术是研究周期性现象中最常用的一种统计分析方法。米兰科维奇理论揭示了地层记录中周期现象的成因，频谱分析技术很自然地成为研究地层记录中米兰科维奇旋回存在的最好方法。

首先对区内井自然伽马曲线按深度等间距0.125m的间隔取值进行数字化，进行一次小波变换除去高频、低频干扰信号，再进行1m等间距取值，并将其离散化，然后对所得离散化数据进行快速傅立叶变换（FFT），进行时-频转换，将资料的时间（深度）域转换到频率域，得出频谱曲线（图3.35）。经过计算所得到的频谱曲线，其地质学意义在于：由多个不同周期的沉积旋回叠加测井曲线，通过数学变换，被分解成各自独立的周期旋回，以频率的形式记录成频谱曲线。频率值低，表明该沉积周期长，表现为地层旋回厚度大；反之频率值高，表明该沉积周期短，地层旋回厚度就小。而图中功率高点表示该频率的沉积旋回在地层中的重要性。功率值越大，表明该周期的沉积旋回在地层中出现的越频繁，因此高点处的频率对应于曲线的主要频率，这样可以找出频谱曲线中的主要频率值，进而可以求出相应的波长，得出旋回周期。

根据杨藩等人对柴达木盆地第四系介形虫化石带与磁性柱分析对比确定柴达木盆地第四系下界年限在3Ma左右，刘泽纯等在对盆地东部三湖地区多井取样的磁性地层分析的基础上，结合生物地层及电性标志层对比，建立了盆地东部地层综合磁性柱。并按沉积学年代计算方法，确定柴达木盆地第四系沉积速率在0.87～0.9m/ka。从台南4井、台南5井、涩26井、涩19、涩深6井频谱曲线中明显可见主频在41，19和23ka，即米兰科维奇旋回周期中的地轴倾斜度周期和岁差周期（表3.2）。

图3.34台南5井、涩25井滤波后的GR曲线旋回与米兰科维奇旋回理论值的对比

（A）、（B）、（C）表示2.5Ma以来偏心率（A）、地轴倾斜度（B）和岁差（C）的米氏旋回理论值；（1），（2）为GR曲线经滤波后得到的旋回特征

表3.2各井的GR曲线记录的周期分布

可见柴达木盆地第四纪以来地轴倾斜度41ka周期一直较为明显，41ka周期为第四纪全球气候变化的一个主导周期；岁差19和23ka周期在本阶段的作用也较明显，而偏心率100ka周期作用不明显。柴达木盆地古气候、古环境变化与全球气候变化具有万年尺度上的一致性，说明柴达木盆地同样受到太阳辐射变化诱导的全球气候变化波动的控制。

图3.35台南5井、台南4井、涩25井频谱曲线

Fischer图解是一种对可识别高频旋回累加厚度偏差的成图来识别不同沉积旋回，研究其可容空间变化的统计分析方法。其基本假设是所要分析的旋回组成中，最高频的组分可以很好地被识别和作为基本统计单元。

在绘制Fischer图解时，纵坐标为平均厚度累积偏移，横坐标为旋回数。亦即，将旋回层序单元的厚度减去所有旋回层序单元的平均厚度后可得到该旋回层序单元的净加积量，以该旋回层序单元前面所有旋回层序单元净加积量累积值为纵坐标的起点，绘在以旋回数为横坐标的图解上。图解中各旋回顶点坐标连线即为以旋回数为函数的平均厚度累积偏移曲线，它代表了沉积物形成时的实际可容空间，此即为Fischer图解。

台南5井Fischer曲线沿横坐标轴上下波动，类似于正弦曲线。曲线的升降表示容纳空间的变化，上升表示容纳空间增加，下降表示容纳空间减小。图解明显可分成五个部分，相当于五个旋回。从K13至K10，表现为湖平面后下降又上升，构成一个旋回（Sq1）；K9至K7构成一个旋回（Sq2）；K6、K5及K4部分构成一个旋回（Sq3）；K4部分、K3及K2部分构成一个旋回（Sq4），K2、K1部分构成一个旋回（Sq5）。由此可见，Fischer图解反映的是容纳空间变化旋回，不同于岩性旋回（图3.36，表3.3）。

图3.36台南5井七个泉组Fischer图解曲线

台南4井Fischer曲线沿横坐标轴上下波动，类似于正弦曲线。曲线的升降表示容纳空间的变化，上升表示容纳空间增加，下降表示容纳空间减小。图解明显可分成五个部分，相当于五个旋回。从K13至K10，表现为湖平面后下降又上升，构成一个旋回（Sq1）；K9至K7构成一个旋回（Sq2）；K6、K5及K4部分构成一个旋回（Sq3）；K4部分、K3及K2部分构成一个旋回（Sq4）；K2、K1部分构成一个旋回（Sq5）。由此可见，Fischer图解反映的是容纳空间变化旋回，不同于岩性旋回（图3.37，表3.4）。

图3.37台南4井七个泉组Fischer图解曲线

涩25井Fischer曲线沿横坐标轴上下波动，类似于正弦曲线。曲线的升降表示容纳空间的变化，上升表示容纳空间增加，下降表示容纳空间减小。图解明显可分成五个部分，相当于五个旋回。从K6、K5及K4部分构成一个旋回（Sq3）；K4部分、K3及K2部分构成一个旋回（Sq4）；K2、K1部分构成一个旋回（Sq5）；K1、K0部分构成一个旋回（Sq6）；K0上半部分构成一个旋回（Sq7）。由此可见，Fischer图解反映的是容纳空间变化旋回，不同于岩性旋回（表3.5，图3.38）。

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