大洋铁锰结壳年代框架模型的天文调谐校正：方法与应用

doi:10.11867/j.issn.1001-8166.2022.103

地球科学进展 ›› 2023, Vol. 38 ›› Issue (2): 125 -136. doi: 10.11867/j.issn.1001-8166.2022.103

郭栋山 ¹ ^, ²(

), 韩喜球 ¹ ^, ² ^, ³(

), 范维佳 ², 邱中炎 ², 李谋 ², 容雅鑫 ¹ ^, ²

^1.浙江大学海洋学院，浙江舟山 316021
^2.自然资源部海底科学重点实验室，自然资源部第二海洋研究所，浙江杭州 310012
^3.上海交通大学海洋学院，上海 200240

收稿日期:2022-10-18 修回日期:2022-12-07 出版日期:2023-02-10
通讯作者: 韩喜球 E-mail:22034200@zju.edu.cn;xqhan@sio.org.cn
基金资助:
国家自然科学基金项目“海山结壳高分辨率地球化学记录：上新世以来中北太平洋经向环流演化”(41606061);浙江省“万人计划”杰出人才项目(2018R51003)

Astronomical Tuning and Calibration for Age Model of Pelagic Fe-Mn Crust: Methods and Application

Dongshan GUO ¹ ^, ²( ), Xiqiu HAN ¹ ^, ² ^, ³( ), Weijia FAN ², Zhongyan QIU ², Mou LI ², Yaxin RONG ¹ ^, ²

^1.Ocean College, Zhejiang University, Zhoushan Zhejiang 316021, China
^2.Key Laboratory of Submarine Geosciences, Second Institute of Oceanography, Ministry of Natural Resources, Hangzhou 310012, China
^3.School of Oceanography, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China

Received:2022-10-18 Revised:2022-12-07 Online:2023-02-10 Published:2023-03-02
Contact: Xiqiu HAN E-mail:22034200@zju.edu.cn;xqhan@sio.org.cn
About author:GUO Dongshan (1998-), female, Lüliang City, Shanxi Province, Master student. Research areas include polymetalic crusts and paleoceanography. E-mail: 22034200@zju.edu.cn
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China “High-resolution geochemical records of seamount crusts: evolution of meridional circulation in the Central North Pacific since Pliocene”(41606061);The “Ten-thousand Talents Plan” of Zhejiang Province(2018R51003)

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海山铁锰结壳是记录古海洋环境演化的重要载体，建立可靠且高分辨率的年代框架是解译其中信息的关键。结壳定年有多种方法，但是在定年范围、定年精度及准确性等方面仍各具局限性。地球轨道印记法及天文调谐校正技术是建立结壳高分辨率年龄框架的有效途径，为利用结壳研究万年尺度的古气候与古海洋环境演化提供了可能。首先对结壳的现有定年方法进行了简要回顾和总结，重点综述了地球轨道印记法及天文调谐校正技术，并分析了各种天文检验与调谐方法在结壳中的适用性与可靠性。认为探究结壳记录中天文信号的影响因素、选择合适的环境替代指标并高分辨率提取其空间序列等，是应用地球轨道周期印记法为海山结壳建立可靠年代框架亟待努力的方向。

关键词: 大洋铁锰结壳, 定年, 地球轨道周期印记法, 天文调谐校正

Ferromanganese crusts on seamounts are critical archives of the evolutionary history of paleo-oceanic environmental history, and a high-resolution age framework is essential for interpreting the information therein. Several approaches are available for determining the age of crusts, however, each still has limitations in terms of the time scale, resolution, or precision. The Earth orbital pacing method in combination with astronomical tuning can provide an effective way to establish a high-resolution age framework for crusts, which offers the possibility of using crusts to study the 10 000-year-scale evolution of paleo-climatic and paleo-oceanic environments. This study first briefly reviews the existing dating methods for crusts, then introduces in detail the Earth orbital pacing method combined with astronomical tuning and examines the applicability and reliability of various astronomical tests and tuning methods in crusts. The investigation of the specific influence mechanism of astronomical signals, the selection of suitable environmental proxies, and the high-resolution extraction of their spatial series are considered to be the most important directions for the establishment of a reliable age framework for crusts using the Earth orbital pacing method.

Key words: Fe-Mn Crust, Dating, Earth orbital pacing method, Astronomical tuning and calibration

中图分类号:

表1 结壳年代框架建立方法

Table 1 Dating methods of ferromanganese crusts

	结壳定年方法		定年上限	分辨率	主要特点
同位素定年法	宇宙成因同位素定年法	¹⁰Be/⁹Be^{［ 3 ］}	约10 Ma	百万年	可靠性、准确度最高
同位素定年法	放射性同位素定年法	²³⁰Th_ex/²³²Th^{［ 4 ］}	约0.5 Ma	万年至十万年	可靠性、准确度最高
经验公式法	Mn/Fe经验公式定年法^{［ 5 - 6 ］}		—	—	定年范围不受限，分辨率取决于采样分辨率，要求结壳不存在生长间断，年龄可靠性低，不同经验公式得到的结果有较大差别
经验公式法	Co经验公式定年法^{［ 7 - 9 ］}		—	—	定年范围不受限，分辨率取决于采样分辨率，要求结壳不存在生长间断，年龄可靠性低，不同经验公式得到的结果有较大差别
地层学方法	古生物地层学定年法^{［ 10 - 11 ］}		—	—	可靠性高，定年范围与精度取决于结壳中生物化石赋存深度与频率，分辨率低
	古地磁地层学定年法^{［ 12 - 14 ］}		约7 Ma	十万年	可靠性高，分辨率高，难以识别生长间断，适用于壳层存在可测极性、生长速率快的结壳
	同位素曲线对比定年法	¹⁸⁷Os/¹⁸⁸Os^{［ 15 - 18 ］}	约80 Ma	百万年	定年范围大，可靠性高，精度低，误差较大，受限于区域Os同位素曲线建立情况
	同位素曲线对比定年法	⁸⁷Sr/⁸⁶Sr^{［ 19 ］}	约50 Ma	百万年	可靠性低，精度低于Os同位素定年法
	地球轨道周期印记法^{［ 2 ， 20 - 21 ］}		—	万年	分辨率高，与放射性测年方法联用校验后可为结壳建立可靠的年代框架，定年范围不受限
基岩年龄外推法	K-Ar法^{［ 22 ］}		—	—	仅能得到结壳定年下限
	氨基酸外消旋定年法^{［ 23 - 24 ］}
	生物地层学方法^{［ 25 ］}
	U-Pb定年法^{［ 15 ］}

表1 结壳年代框架建立方法

Table 1 Dating methods of ferromanganese crusts

	结壳定年方法		定年上限	分辨率	主要特点
同位素定年法	宇宙成因同位素定年法	¹⁰Be/⁹Be^{［ 3 ］}	约10 Ma	百万年	可靠性、准确度最高
同位素定年法	放射性同位素定年法	²³⁰Th_ex/²³²Th^{［ 4 ］}	约0.5 Ma	万年至十万年	可靠性、准确度最高
经验公式法	Mn/Fe经验公式定年法^{［ 5 - 6 ］}		—	—	定年范围不受限，分辨率取决于采样分辨率，要求结壳不存在生长间断，年龄可靠性低，不同经验公式得到的结果有较大差别
经验公式法	Co经验公式定年法^{［ 7 - 9 ］}		—	—	定年范围不受限，分辨率取决于采样分辨率，要求结壳不存在生长间断，年龄可靠性低，不同经验公式得到的结果有较大差别
地层学方法	古生物地层学定年法^{［ 10 - 11 ］}		—	—	可靠性高，定年范围与精度取决于结壳中生物化石赋存深度与频率，分辨率低
	古地磁地层学定年法^{［ 12 - 14 ］}		约7 Ma	十万年	可靠性高，分辨率高，难以识别生长间断，适用于壳层存在可测极性、生长速率快的结壳
	同位素曲线对比定年法	¹⁸⁷Os/¹⁸⁸Os^{［ 15 - 18 ］}	约80 Ma	百万年	定年范围大，可靠性高，精度低，误差较大，受限于区域Os同位素曲线建立情况
	同位素曲线对比定年法	⁸⁷Sr/⁸⁶Sr^{［ 19 ］}	约50 Ma	百万年	可靠性低，精度低于Os同位素定年法
	地球轨道周期印记法^{［ 2 ， 20 - 21 ］}		—	万年	分辨率高，与放射性测年方法联用校验后可为结壳建立可靠的年代框架，定年范围不受限
基岩年龄外推法	K-Ar法^{［ 22 ］}		—	—	仅能得到结壳定年下限
	氨基酸外消旋定年法^{［ 23 - 24 ］}
	生物地层学方法^{［ 25 ］}
	U-Pb定年法^{［ 15 ］}

图1 地球轨道周期变化对地球表层系统的影响（据参考文献［ 28 - 29 ］修改）

Fig. 1 Orbitally induced Earth surface system cycle （modified afrer references ［28-29］）

图2 结壳天文时间序列分析流程图

Fig. 2 Flow chart of astronomical time series analysis of crusts

图3 结壳形成机制（据参考文献［ 33 - 34 ］修改）

Fig. 3 Mechanism of the formation of crusts （modified after references ［33-34］）

图4 ASM天文检验结果
（a）平均频谱误差（ASM）；（b）零假设检验水平（阴影部分为小于临界水平部分）；（c）天文参数（灰色虚线）；（d）目标频率（红色实线）与序列显著频率（灰色虚线）

Fig. 4 Plots for results of ASM analysis performed in Astrochron
（a） Average Spectral Misfit （ASM）；（b） H ₀ significance level （the shaded area indicates that H ₀-SL is less than the critical level）；（c） The number of contributing astronomical parameters；（d） The target frequencies （red lines） and the significant frequencies （dashed gray lines） of the data series

图5 COCO天文检验结果
（a）相关系数（COCO）；（b）零假设检验水平（ H ₀-SL）；（c）天文参数

Fig. 5 Plots for results of COCO analysis performed in Acycle
（a） Correlation Coefficient （COCO）；（b） H ₀ Significance Level （ H ₀-SL）；（c） The number of contributing astronomicalparameters

图6 TimeOpt天文检验结果（据参考文献［ 2 ］修改）
（a） ²⁰⁷Pb/ ²⁰⁶Pb深度域序列；（b）在生长速率2.7 mm/Ma下校正序列的频谱结果（黑线为线性频谱，灰线为对数频谱），黄色阴影区代表计算岁差振幅包络线的频率带宽（0.035~0.065 cycles/ka），红色虚线为偏心率和岁差目标频率；（c）时间域序列的岁差滤波曲线（黑线）及其振幅包络线（红线）；（d）序列岁差振幅包络（红线）线与偏心率模型（黑线）；（e）不同生长速率对应的振幅包络拟合（红点）以及频谱拟合（灰线）的皮尔逊相关系数 r

e n v o l o p e 2

和 r

s p e c t r a l 2

；（f）不同生长速率对应的包络线与频谱综合拟合度 r

o p t 2

；（g） 2 000次蒙特卡洛模拟结果（ ρ _AR1=0.826），用以评估 r

o p t 2

=0.038的置信水平（ P值为0.005）；（h）为序列岁差振幅包络线与偏心率模型交叉图（红色虚线横纵坐标之比1∶1）

Fig. 6 Plots for results of TimeOpt analysis performed in Astrochron （modified after reference ［ 2 ］）
（a） The depth-domain ²⁰⁷Pb/ ²⁰⁶Pb data. （b） Periodogram for the ²⁰⁷Pb/ ²⁰⁶Pb data， given the TimeOpt derived average growth rate of 2.7 mm/Ma （black line = linear spectrum； gray line = log spectrum）. The yellow shaded region illustrates the bandpass filter for evaluation of the precession amplitude envelope （0.035 ~ 0.065 cycles/ka）. The dashed red lines indicate the eccentricity and precession target periods. （c） Comparison of the band-passed precession signal （black line）， and the data amplitude envelope （red line）. （d） Comparison of the data amplitude envelope （red line） and the TimeOpt-reconstructed eccentricity model （black line）. （e） Squared Pearson correlation coefficient for the amplitude envelope fit （ r

e n v o l o p e 2

； red dots） and the spectral power fit （ r

s p e c t r a l 2

， gray line） at each evaluated growth rate. （f） Combined envelope and spectral power fit （ r

o p t 2

） at each evaluated growth rate. （g） Summary of 2 000 Monte Carlo simulations with AR1 surrogates （ ρ _AR1= 0.826）， used to evaluate the significance of the maximum observed r

o p t 2

of 0.038 （ P = 0.005）. （h） Cross plot of the data amplitude envelope and the TimeOpt-reconstructed eccentricity model （dashed red line is the 1∶1 line）

e n v o l o p e 2

和 r

s p e c t r a l 2

；（f）不同生长速率对应的包络线与频谱综合拟合度 r

o p t 2

；（g） 2 000次蒙特卡洛模拟结果（ ρ _AR1=0.826），用以评估 r

o p t 2

=0.038的置信水平（ P值为0.005）；（h）为序列岁差振幅包络线与偏心率模型交叉图（红色虚线横纵坐标之比1∶1）

e n v o l o p e 2

； red dots） and the spectral power fit （ r

s p e c t r a l 2

， gray line） at each evaluated growth rate. （f） Combined envelope and spectral power fit （ r

o p t 2

） at each evaluated growth rate. （g） Summary of 2 000 Monte Carlo simulations with AR1 surrogates （ ρ _AR1= 0.826）， used to evaluate the significance of the maximum observed r

o p t 2

of 0.038 （ P = 0.005）. （h） Cross plot of the data amplitude envelope and the TimeOpt-reconstructed eccentricity model （dashed red line is the 1∶1 line）

图7 结壳085_004^{［

2
］}校正后 ²⁰⁷Pb/²⁰⁶Pb时间序列 ρ₁ 沉积噪声模型以及不同红噪强度（ ρ_AR1 为0.3~0.9）标准天文模型的天文检验统计功效（据参考文献［ 41 ］修改）
序列 ρ ₁沉积噪声模型基于Acycle软件获得 ^{［

46
］}，置信水平通过2 000次蒙特卡洛模拟评估得到，滑动窗口设置为750~1 000 ka；红噪强度 ρ _AR1由0.3变化到0.9时，运用调幅（包络线）拟合方法（灰色区域及黑色箭头）、频率拟合方法（蓝色区域与箭头）以及调幅—周期综合拟合方法（红色区域与箭头）计算得到的统计功效的变化范围与趋势于图中所示

Fig. 7 Plots for ρ₁ model of tuned ²⁰⁷Pb/²⁰⁶Pb time-series of crust 085_004^{［

2
］}and the ρ_AR1-dependent （0.3~0.9） of statistical power trends for the detection of astronomical cycles in the standardized Eccentricity + Precession （EP） model （modified after reference ［ 41 ］）
The ρ ₁ model of tuned series is derived from the Acycle software ^{［

46
］}. The confidence levels are estimated by a Monte Carlo analysis with 2 000 iterations and a running window of 750~1 000 ka. The variable ranges and the trends of the statistical power （ ρ _AR1 change from 0.3 to 0.9） evaluated by amplitude envelope fit （gray area and black arrow）， spectral power fit （blue area and arrow） and combined fit （red area and arrow） are reported

图8 eCOCO天文检验结果
（a）相关系数演化图（eCOCO）；（b）零假设检验水平演化图（e H ₀-SL）；（c）天文周期数演化图：白线代表参考文献［ 2 ］的调谐校正结果

Fig. 8 Plots for results of eCOCO analysis performed in Acycle
（a） Evolutionary correlation coefficient （eCOCO）；（b） Evolutionary H ₀ significance level；（c） An evolutionary map of the number of contributing astronomical parameters shown with published growth rate curve by reference ［ 2 ］（white lines）

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