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論湖相疊層石紋層生長節律記錄的天文周期信號
疊層石是藍藻類微生物藻席通過生命活動粘結、捕集沉積礦物顆粒而形成的一種生物沉積構造[1]。根據20 世紀60－70 年代對現代巴哈馬臺地碳酸鹽沉積環境的觀察資料，當時將海相疊層石的深色和淺色紋層組成的明暗交替的紋層結構解釋為藍綠藻席生長的晝夜節律，認為每個節律代表一個太陽日，即一個深淺紋層組成一對，對應一個日際生長層。有學者根據疊層石紋層中藍綠藻席的生長和繁殖對應潮汐周期這一認識，曾提出疊層石紋層厚度的周期變化與潮汐韻律紋層類似，記錄了地質時期的月節律和年節律，可以用來計算地球和月球之間的軌道參數[2～3]。陸地湖泊水位漲落與月球周日運動驅動的潮汐現象并不明顯，那么陸地湖泊環境產出的疊層石生長周期受什么因素控制？這是一個極有價值的科學問題[4]。
本文對采自青藏高原新生代地層中的疊層石樣品，采用數字圖像分析方法進行了紋層厚度的測量,試圖通過湖相疊層石紋層生長節律中周期信號的分析，探討影響湖泊環境疊層石生長韻律的天文控制因素。
1 采樣位置和樣品制備
樣品采自距青藏公路線約30km 處的通天河剖面，地理坐標分別為N33°55′45″,E92°37′13″。這一地區是青藏高原北部目前發現的漸新統雅西措組地層剖面出露最好的地段, 地層序列連續，產狀清楚。野外剖面上雅西措群巖性主要為黃褐色砂巖、灰色泥巖與紫紅色砂巖、粉砂巖韻律互層, 間夾灰色碳酸鹽巖和灰白色石膏層，地層厚度1741m。底部與下伏始新世風火山群之間以細礫巖出現作為分界的標志，頂部灰色泥灰巖段劃歸中新世五道梁組[5～6]。在通天河剖面中，雅西措組中下部二個層位見有湖相疊層石，單層厚度15－25cm，紋層形態以微波狀和柱狀為主。我們在剖面32 層采集了4 塊疊層石樣品，編號Yp，室內進行切面觀測。
室內樣品的制備過程中，首先沿疊層石微層生長方向標定切面方向，沿生長線方向每2cm 間隔平行切割成一系列薄板狀標本，兩面打磨成拋光斷面，共計制成4 個光面用于觀察和測量。在與磨光面平行的同一方向切割樣品，制成透光薄片，供顯微鏡下研究紋層的礦物組成和結構類型。
2 疊層石紋層形態和類型
垂直于疊層石生長方向的縱切面觀察，明暗相間的生長韻律紋層清晰可見，而且紋層常呈波狀和柱狀產出。波狀紋層生長帶寬度介于10－30mm 之間，側向延伸表現為平坦水平狀或緩波狀起伏的帶狀形態，波長25－35mm 左右，最大起伏高度12mm。柱狀紋層生長帶強烈上凸呈現穹窿狀或錐狀，寬度介于5－16mm 之間，一般為8－12mm；柱體高度變化于6.5－45mm 之間。柱體縱切面直徑變化不大，柱體頂部一般呈圓弧形或穹窿狀，單個紋層形態顯示向上凸起，側向合并。進一步觀察疊層石波狀和柱狀生長紋層帶的空間關系，可以發現柱狀和波狀生長紋層帶在縱向上呈旋回性交替出現。一般波狀紋層帶出現在一個疊層石生長層系的下部，而柱狀生長紋層帶叢生在波狀紋層帶之上，形成一個生長層系。在同一個生長層系內部，柱狀紋層帶一般出現在波狀紋層帶的凸起之上，可能反映它們生長在相似的水體環境。但在二個生長層系之間，可以觀察到風暴成因的沖刷界面或暴露溶蝕面，指示紋層系生長節律的終止和間斷。
在光學顯微鏡下觀察，可鑒別出明亮的碎屑紋層（富屑紋層）和深色的生物紋層（富藻紋層）。當紋層上凸成疊錐形時，明暗帶清晰；當紋層呈微波狀伸延時，有時幾個亮帶或暗帶逐步合并加寬，亮帶和暗帶之間的界限模糊不清。進一步放大觀察，發現富藻的暗色有機質紋層致密，一般由暗褐色藻斑塊、藻絲體有機質殘跡和泥微晶方解石構成，含有星散狀分布的石英粉砂顆粒，含量變化于5－20％之間。富碎屑的明亮紋層疏松多孔，主要由粒徑大小0.025－0.005mm 石英粉砂和泥晶粉屑組成，砂粒呈棱角狀，含量20－50％，常混有磨圓的渾圓形、橢球狀泥晶結構的粉屑顆粒。有時也可見到單一的僅由泥晶粉屑或石英粉砂組成的富屑紋層。富屑紋層粒間填隙物的微細�；|部分，無論顏色和成分都與富藻有機質紋層類似，但局部也出現微亮晶粒狀方解石晶體，環繞砂粒呈薄膜狀產出。有機質紋層、石英粉砂紋層、泥晶粉屑紋層組合成為明暗相間的層偶，層偶內的紋層之間一般呈現漸變過渡關系。
3 疊層石紋層生長周期分析
研究疊層石的紋層生長周期的方法，目前普遍采用在顯微鏡下或反光鏡下，通過目測直接對紋層進行計數和統計分析[2,3,7]。這種方法對長序列連續的紋層韻律進行測量時，費時費力，而在紋層界線模糊的區域進行測量時又存在明顯的誤差。本文引進在洞穴石筍、樹木年輪、湖泊季節紋泥中廣泛采用數字圖像分析方法[8～10]，以樣品數字圖像的灰度值作為計量紋層個數和厚度變化的指標，通過測量樣品切面上沉積紋層色度變化，求取紋層個數和厚度，利用紋層厚度數據序列的頻譜分析方法，識別疊層石多級生長周期的信息。
3.1 灰度數據采集
將樣品拋光面和厚度標尺同時放置在常用掃描儀玻璃面板上進行圖像掃描，圖像掃描時參數儀器設定為自動對比度和8－bit 灰度模式，掃描儀分辨率采用600dpi。圖像灰度數據采集選用UTHSCSA ImageTool 圖像處理軟件，導入掃描圖像后進行反相處理，提高圖像分辨。采用線性剖面工具沿路徑采集灰度數據，測線路徑一般選擇在紋層清晰、生長帶明顯的剖面線上，采用折線法連續測量，測線寬度和步長設定為1pixel 點。測量結果以灰度值表示，它反映單位像元的反射光強度，其值介于0（黑色）～256（白色）之間，亮度越大，灰度級越高。ImageTool 軟件輸出的原始測點坐標位置以像素表示，根據樣品掃描時同步放置的刻度標尺，也可以將以像素單位標定的測線路徑轉換為mm 刻度的深度單位，最終得到深度-灰度數據序列。
3.2 紋層厚度計算
疊層石生長節律的最小結構單元是淺色富屑紋層和暗色富藻紋層組成的共軛對偶紋層，它在每一個生長節律中的顯示的數目或厚度變化，是研究疊層石生長周期的基礎。樣品數字圖像的灰度變化曲線具有等間距采樣，而且數據序列連續、縱向分辨率高的特點，根據我們提出的計算方法和步驟，通過對灰度數據處理，可以快速而精確的求取紋層個數和紋層厚度。
圖2 示例表示利用圖像灰度測量數據分步計算樣品紋層數目和厚度的過程，具體方法和步驟說明如下：
1、為了消除樣品表面因為顏色差異造成的灰度測量數據偏移，首先采用最小二乘法對原始灰度曲線進行擬合，取其與原數據序列之差作為新數據序列；2、采用移動平均法過濾背景噪音，突出紋層韻律的周期波動。移動平均點的取值視單個紋層厚度而定，實際計算過程中采用3 點移動平均值消除高頻噪音。
3、對經過前處理的灰度數據序列，進行一階差分法計算，提取明暗紋層對應的坐標位置，求取對偶紋層的個數和厚度。
觀察和對比圖2 中原始灰度數據和處理后的曲線，可以發現樣品灰度變化清晰的反映了紋層節律的變化，灰度值高對應紋層淺色帶，低值峰則指示暗色紋層；經過最小二乘法擬合和移動平均處理，消除了灰度值的長趨勢漂移和高頻噪音，而通過一階差分處理的新數據序列反映了明暗紋層的分布及其坐標位置。計算結果顯示，在圖2 實驗測線長度為6cm 的路徑上，可識別的紋層層偶計有75 個，紋層厚度變化于2－16 像素單位（pix），換算為mm單位為0.17－1.36mm。
據此方法，選取紋層韻律清晰的4 件樣品進行了灰度測量和紋層厚度計算，結果如表1所示。從表1 可見，研究樣品疊層石紋層明暗紋層對厚度變化于0.17－1.62mm 之間，平均厚度為0.53－0.56mm，4 條測線的紋層個數為164－186，可以滿足頻譜分析對數據點長度的要求3.3 紋層厚度頻譜分析頻譜分析技術是研究周期性現象中最為常用的一種統計分析方法，其基本原理是通過對復合波系進行數據變換，將其分解成若干振幅和相位不同的簡諧波，進而根據子波的主頻率求取周期值[11～12]。目前廣泛采用的頻譜分析方法包括功率譜分析法和最大熵譜分析法[13～14]。本文采用頻譜分析程序POWGRAF2 對四條測線的紋層厚度數據序列分別進行了紅噪音和白噪音背景下的離散傅立葉轉換（DFT）和快速傅立葉轉換（FFT）的計算，通過對比，證實二者結果相似。茲以圖3 所示紅噪音背景下離散傅立葉轉換計算的結果，說明紋層厚度的特征周期分布。
圖3 中橫坐標為頻率, 縱坐標為功率譜，一般功率值愈高, 表明這一周期在數據序列中出現的信號越強。功率譜曲線中高點處對應的橫坐標值就是數據點的主頻率點或主頻分布區間，頻率值取倒數就可以獲得相應的周期或旋回數，其單位為紋層層偶數目。圖中同時標出紅噪聲90％、95％和99％置信度曲線。從圖2 中可見，在2A1 測線和3A2 測線的頻譜圖中，通過紅噪音置信度99％檢驗的最大周期值，即最低頻率的譜峰，分別出現在頻率點0.0085到0.0089 附近，其對應的紋層對個數為11.19-11.64,即每間隔11 到12 個紋層，紋層層偶厚度出現一個變化周期。3B1 和3B2 測線的低頻周期相對要小，最大周期介于8.90－10.91 之間。另外，在中頻波段還可以檢出4－7 紋層對組成的顯著周期，而高頻段旋回周期不明顯，出現一系列彌散的波峰，偶爾可觀察到2－3 個紋層組成的優勢峰。
4 討論
沉積節律記錄了地質歷史中的天文周期。這些天文周期包括陰歷頻段、陽歷頻段和米蘭柯維奇頻段。但是，要判定疊層石生長節律與天文周期的關系，關鍵取決于我們對疊層石紋層生長時間長度的認識。目前對疊層石韻律紋層是代表日生長節律還是年際紋層卻有不同的解釋,而且現在通常采用的放射性同位素測年方法，還達不到直接分辨疊層石韻律紋層生長周期的精度。但是，如果我們能夠根據現代環境觀測資料和沉積韻律類比，認識疊層石紋層的形成機理與自然周期過程的關系，揭示湖泊環境中最有可能最有可能造成紋層沉積旋回的環境因素，仍然可以說明其時間含義。
根據早期對巴哈馬安德魯斯島現代碳酸鹽沉積物的觀察，Monty[15～16]最早提出疊層石明暗交替的紋層指示藍綠藻生長的晝夜節律。他認為白天陽光充足, 藻類的光合作用強, 并且向光生長, 所以藻絲體向上生長；夜晚光線弱，藻類則處于休眠狀態，停止生長，這時潮汐攜帶的泥砂開始沉降，這樣就形成疊層石中的富藻紋層和富屑紋層，每一對紋層的生長周期正好是一個晝夜。曹瑞驥[17]根據古代疊層石中殘留的微生物排列方式的觀察，發現疊層石中原始藻絲體有直立和水平狀生長方式的變化。他的解釋是，亮層形成于白天，藻絲體分布稀疏，垂直向上生長；暗層形成于夜晚，藻絲通常水平匍匐狀生長，相互重疊或纏繞在一起，疊層石中亮帶和暗帶的周期性交替反映了藻絲體生長模式的晝夜更替。由于疊層石一般生長在濱海環境, 其生長和繁殖受潮汐漲落及其所攜帶泥沙量的影響，因此疊層石紋層厚度的周期性變化可以反映古代的潮汐周期。根據這個認識，Vanyo 等[17]和Cao[18]曾用天、月、季來解釋疊層石中的紋層、紋層組和紋層帶的周期，并提出可由此來推斷過去地球－月球－太陽位置的變化，計算古地月距離和古日長度。如朱士興等[2]根據華北薊縣系霧迷山組疊層石月節律中的晝夜節律數和年節律中的月節律數，指出13 億年前月球繞地球旋轉一周至少需要42 天，地球繞太陽公轉一周至少需要有546 天。屈原皋等[3]對周口店地區鐵嶺組疊層石紋層厚度變化周期進行了研究，認為10 億年前疊層石紋層對的厚度變化反映了月節律和年節律，提出那時每個月有40 天，一年至少有516 天。
但是，據Pannella[19]和Jones[20]對海相疊層石紋層厚度節律的研究，發現在疊層石中很少能觀察到現代和古代潮汐沉積中見到的14 個紋層對和28 個紋層對組成的雙周潮和月潮周期，而這二個生長周期是海洋生物介殼最明顯的生長節律[21]。通過14C 測年也發現，現代疊層石生長速率每年僅有0.16－0.35mm，這也不支持將疊層石紋層解釋為日生長的觀點[22～23]。
而且應用藻席周日向光性生長的理論也很難解釋洞穴黑暗帶淡水疊層石和深水大洋錳質疊層石的韻律紋理的形成機理。Davies[24]對澳大利亞西部鯊魚灣潮間帶疊層石的觀察證實，只有冬季潮汐和冬季風帶來泥和沙才能在藻席表面形成富屑紋層，要到下一年夏季藻席重新開始生長繁盛時才能形成富藻紋層，因此疊層石的明暗紋層記錄的是冬半年和夏半年的季節性周期。Park[25]認為，藻席中藍綠藻可能是逐日生長的，也可能存在季節性生長周期，但富屑紋層形成的明顯受季節控制。這是因為正常情況下日潮漲落搬運的泥沙量很少，因此很難形成富屑紋層，只有在一年中的季節性高潮期或者是風暴潮期間形成的碎屑紋層才能保存下來，所以疊層石的紋層是年際紋層。
陸地湖泊水體與濱海環境不同，它很少受潮汐影響，日月引潮力驅動的湖平面升降變化十分微弱，因此很難采用潮汐周期來解釋疊層石紋層的生長模式。據Anderson 等[26]對現代湖泊的觀測，現代底棲和浮游藍綠藻群落一般生活在溫暖淺水環境。夏季水溫上升，日照與光合作用增強，藻類生長繁茂，生物生產力大為增加，藻類分解的有機質以及藻類生物化學作用誘發的碳酸鹽礦物沉淀形成富有機質的微晶碳酸鹽紋層；單個有機紋層的厚度與季節性水體溫度高低以及降水量影響的陸源注入營養成分多少有關。而冬季水溫下降，藻類生長受到抑制或進入休眠期，陸源石英碎屑和泥晶粉屑含量相對增加，出現富屑紋層。藍綠藻生長期短，它的繁殖受季節控制，而富屑紋層是正常的湖泊沉積，其紋層厚度主要受水動力強度變化的影響，因此疊層石紋層層偶可能指示季節韻律或年際紋層，氣候因素驅動的湖水化學性質的周期性波動可能是控制湖相疊層石生長節律的關鍵因素。伊海生等[27]對湖湘疊層石的單個暗色紋層和淺色紋層進行了碳氧同位素分析，證實紋層同位素成分反映季節性氣候變化信號，提出陸地湖泊環境中疊層石的對偶紋層為年紋層成因�，F代和古代湖泊沉積記錄中由于季節演替而形成的年紋層的廣泛出現為此提供了佐證。例如，Chafeta 等[28]和Kano 等[29]對陸地環境鈣化和泉華中疊層石的研究，也發現這些具有與湖相疊層石相似紋層結構的碳酸鹽沉積，反映的是春夏季和秋冬季節水體化學性質和沉淀速率的變化。
如果疊層石一個共軛對偶紋層沉積的時間周期為一年，則湖湘疊層石生長節律對應的天文周期可以得到最合理的解釋。頻譜分析圖中檢出的紋層層偶個數為9-12 的特征頻譜峰，換算為以年為單位的周期，則對應太陽黑子活動的11 年周期（Schwabe sunspot cycle）。目前，在現代氣候參數測量記錄中，如氣溫、氣壓、降雨量以及冰芯、樹輪都發現這個周期的存在[30]。另外，在古代巖石記錄如石炭紀、二疊紀、侏羅紀乃至前寒武紀冰川湖紋泥沉積韻律中也普遍出現[31～32]。中頻波段出現的4－7 年周期的頻譜峰比較分散，顯著性不明顯。
這個周期在非洲肯尼亞的Magadi 湖和美國綠河組紋層狀沉積中也有報道[33～34]，一般解釋為它與厄爾尼諾－南方濤動（ENSO）事件有關。2－3 年的高頻譜峰可能反映降水量變化的準兩年振蕩周期（(QBO)。
太陽活動是全球氣候與環境變化的主要驅動因素，太陽黑子數是反映太陽輻照量變化的重要指標。Schwabe 在1843 年就發現太陽黑子的出現具有平均約11 年最為顯著的周期，嗣后還發現有與之存在倍頻關系的22 年雙重黑子旋回�，F代氣象和水文觀測資料已經證實，年際降水量和河流徑流量都與太陽活動周期之間存在對應關系，太陽黑子活動的峰值年和谷值年與氣候異�，F象如厄爾尼諾和拉尼娜事件的振蕩周期之間也可能有一定的聯系[30]。
Fischer 等 [35]和Ripepe 等[33] 在研究美國懷俄明州著名的始新統綠河組沉積時發現，湖相油頁巖的年際紋層厚度變化記錄有6 年周期的ENSO 旋回和11 年周期的太陽黑子周期。黃瑾等[7]在現代太平洋深海錳質疊層石紋層韻律中也發現紋層組的平均生長周期為10.7 年，接近太陽黑子活動的11 年周期。這些證據進一步說明，天文因素驅動的氣候因素和水文狀態變化，是影響湖泊環境中藍綠藻微生物生長和繁盛主要因素，而湖相疊層石的生長節律，可以作為記錄我們研究地質歷史時期天文周期信號的地質載體。
5 結論
1) 采自青藏高原北部雅西措組的湖相疊層石具有明顯的富藻生物紋層和富屑碎屑紋層交替的特征，紋層生長帶呈波狀和柱狀產出。湖相疊層石與海相疊層石紋層結構序列相似，也具有多級生長節律。
2) 采用數字圖像的灰度測量技術，可以利用巖石樣品磨光面的灰度值作為紋層計數和紋層厚度變化的指標，快速有效地求取高分辨率毫米級紋層厚度數據序列，進而對沉積韻律的周期信號進行分析。
3) 根據湖湘疊層石樣品光面實測的紋層厚度進行的頻譜分析結果，表明疊層石紋層的生長節律與太陽黑子活動的11 年天文周期具有一定的對應關系，太陽輻照量的周期變化驅動湖泊流域的氣候要素和水文狀態波動，可能是控制湖相疊層石生長模式的主導因素。
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