APC式自动轨道调谐及其应用以兴化二孔为例Word下载.docx
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对兴化二孔自然伽玛数据、粘土含量、及粒度数据进行调谐并进行分析，发现兴化二孔气候代用指标存在明显的lOOka、41ka及21ka周期，与深海钻孔数
据及宝鸡黄土数据对应较好。
关键词：
调谐标尺自动轨道调谐地球轨道三要素峰谷匹配
ABSTRACT
APCautomaticorbitaltuningprogramanditsapplications
Researchoverthepastglobalchange，Geologicaltimeisthefoundation，timeisakeyinallthebasicelementsoftheenvironmentalevolution，suchastime，space，materialanddynamic．Onlybyestablishingaprecisetimescale，andotherworkcanbecarriedout．Therefor，toestablishthetimescaleisthefirststepintheprocessofthegeographicanalysis．Orbitaltuningmethodisanimportantmethodtoestablishthetimescale．Therearesomedefectsintheuseofartificialorbitaltuningtodeterminethetimescale，suchaspooroperable，poorobjectivity，heavyworkload
anddifficulttOgetthebestresults．Itisagoodmethodtosolvethatartificialtuningproblemby
theuseofcomputertotune，whichistheautomaticorbitaltuningmethodputforwardbyYu
Zhiwei，andaccesstoanextremelywiderangeofapplicationscurrently．Thatmethodhavehigherdemandstocontrolpoints，forexample，generalneedthenumberofcontrolpointsmore，thekeycontrolpointscallnotbemissing，thedepositionratebetweenthecontrolpointscannotbechange
toomuch，otherwiseitwillhavegreatimpact0ntheaccuracyofthetuningscale．Thistitletrackis
therereseachforautomaticorbitaltuningbyincreasingtheAPCtuningmode，changingthetuningmethodsandprocesses，establishingtheprocessofautomaticorbitaltuning，anditcanuseautomaticorbitaltuningtOestablishmoreaccuratetimescale，enhancethereliabilityoftherelatedgeographyanalysiswhenitattempttoappearmorechangeinlesscontrolpointsorbetweenthem。
Soithasgreaterpracticalsignificance．
TheAPCautomaticorbitaltuningmethodimprovestheautomaticorbitaltuningmethodand
establishesonthebasisofautomaticorbitaltuning．Itincreasedthetuningpaaemofusingthecurvevalleypointtomatchtheautomaticcurve，introducedsomemethodsoftuningthereliabilityofcorrelationcoefficienttestingandfuzzytuningandSOon．，brokethroughthelowcorrelationcoefficienttuningstabilityboaleneck，mightdefinethetuningorderandpattemself,tunedtimescalemoreaccuratelyandcredibly．，
Theell'
orofthetimescalewhichproducedbyautomaticorbitaltuninghasthefollowingseveralaspects：
astronomicalcycleofsolarradiationandthreeelementsinEarthorbitisnotstrictlycorrespond；
ThreeelementsinEarthorbitandthelengthofsolarradiationisinstability；
Filteringinaccurate；
100／41／21kathreecycleuncoordinated；
instabilityofdelayedclimate；
InterpolationimpreciseandtuningparametersandSOon，Throughcontrollingtheaboveerrorsources，tuningtimescalewouldbeabletomoreaccurately，andthroughthetestoftuningfound
thetimescalewhichmadebytheAPCautomaticorbitmoreaccuracy．
Throughtuningandanalysisthenaturalgammadata，claycontentandsizeofXinghuatwo
holesfoundXinghuatwoholesintheproxyindicatorsofclimatemarkedl00ka．41kaand2lkacycle，andcorrespondbetterthedeep·
seadrillingdatawithBaojiloessdata．
Keywords：
tuningscale,automatic，orbitaltuning,threeelementsofEarthorbit，apexandva}}ey
matching’
n
学位论文独创性声明
本人郑重声明：
1、坚持以“求实、创新一的科学精神从事研究工作。
2、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成
果。
3、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的
4、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构已经发表或撰写过的研究成果。
5、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示了谢意。
作者签名：
日期：
学位论文使用授权声明
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有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅；
有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索；
有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。
保密的学位论文在解密后适用本规定。
第一章绪论
第一章绪论．
第一节选题的意义与依据
1．1．1建立地质年代时间标尺的意义
研究过去全球变化（PAGES），地质年代是基础，在时、空、物质和动力诸环境演变的基本要素中时间成为关键（刘嘉麒等，1997）。
古气候记录有4个基本特征需要确定，分别为时间标尺、周期性、频谱特征以及古气候记录与气候驱动因子的相位关系和各气候替代性指标之间的相位关系。
只有确定了这些基本特征，才能进一步发展古气候变化演化模型。
在这些基本特征中，首要条件是建立一条较精确的第四纪古气候变化替代性指标曲线的时间标尺。
只有建立了精确的时间标尺，其它工作的进行才有可能（余志伟等，1994，2001）。
因此，在进行地学分析的过程中，第一步工作就是建立时间标尺。
如何建立时间标尺，是年代地质学研究的主要内容。
年代地质学主要包括相对地质年代学和绝对地质年代学两个方面。
l、相对地质年代：
只确定地质事件发生先后顺序的方法称为相对地质年代
方法。
在没有找到合适的定年方法之前，采用的是相对地质年代学的方法来确定地质事件发生的先后顺序。
相对地质年代学的方法是研究地质过程的一种重要手段，主要依据N．Steno地层层序三定律与w．Smith化石层序律（生物地层学）进行年代顺序的排列。
2、绝对地质年代：
绝对地质年代方法是以绝对的天文单位“年’’来表达地质时间的方法，绝对地质年代学可以用来确定地质事件发生、延续和结束的时间。
在找到合适的定年方法之前，对地球的年龄和地质事件发生的时间更多含有估计的成分。
目前较常见也较准确的测年方法是放射性同位素法。
其中主要有U
--Pb法、钾一氩法、氩一氩法、Rb—Sr法、Sm—Nd法、碳法、裂变径迹法等，根据所测定地质体的情况和放射性同位素的不同半衰期选用合适的方法可以获得比较理想的结果。
除此之外，轨道调谐法也是建立时间标尺的一种重要手段。
轨道调谐方法主要利用地球轨道三要素与太阳辐射的关系，进行长时段的地质年代的测定。
为进行长时段高分辨率气候波动过程的分析与对比，轨道调谐方法是取得相应时标的首选方法之一（袁林旺等，2003）。
1．1．2利用轨道调谐法建立时间标尺
一、轨道调谐法的理论依据与原理地球在围绕太阳转动的轨道上，有三个非常重要的参数：
l、地球轨道的偏心率（Eccentricity），表示运动轨道的形状（现为0．016）
其变化周期约为96000年。
2、地轴的倾斜角（黄赤夹角，Obliquity，axialtilt），表示转动轴的倾斜
程度（现为23。
27’），变化周期约为41000年。
3、分点进动（岁差，precessionofequinoxes），表示某季地球一太阳的距
离（现冬季近只点），变化周期为23000／19000年。
根据相关的研究可知：
l、偏心率对太阳辐射的影响主要表现为以下几个方面：
1）调节季节差别大小；
2）两半球效应相反；
3）两季最大差别可达30％
4）可对辐射总量微调（O．2％）
2、地轴变化对太阳辐射的影响：
1）决定极圈、回归线纬度，极昼、极夜天数
2）角度越大，高纬夏季辐射越多，冬季越少
3）两半球影响一致
4）其影响高纬大，低纬小
3、岁差变化的辐射效应：
1）决定近同点何季出现
2）其影响两半球相反
3）低纬影响大于高纬
4）受偏心率调控（偏心率越大，其调控作用越大）地球大气层顶部所接受的太阳辐射强度是太阳常数和地球轨道三要素的函
数。
需强调的是：
参数变化，但接受的辐射总量基本不变，只调节其纬度何季节分配。
轨道调谐的理论基础来自第四纪古气候记录周期性研究和动力因子研究。
第四纪古气候记录曲线的一个主要特征是其表现为相当有规律的振荡，反映了第四纪时期气候呈冰期一间冰期旋回。
米兰科维奇理论认为，北纬65度附近夏季太阳辐射变化是驱动冰期旋回的主因。
地球轨道3个几何参数（偏心率、地轴倾斜度和岁差）的周期性变化导致了第四纪时期气候呈冰期一间冰期旋回。
近20年来的多角度研究表明，在第四纪古气候变化时间序列中，与地轴倾斜度对应的4l
2
000a周期和与岁差对应的23000a／19000a周期呈较稳定的状态，在气候变化中，地轴倾斜度和岁差变化是主要的线性驱动因子。
但第四纪古气候变化时间序列中另一个主要周期即0．1Ma的产生原因，则一直困惑着第四纪和古气候研究工作者，即所谓的“lOOka周期问题"
。
在“中更新革命"
事件后，lOOka周期占据了主导地位（邬光剑等，2002），尽管地球轨道偏心率的主要变化周期也为0．1鼢左右，但它引起的太阳辐射量变化似乎不足以构成第四纪气候呈O．1Ma的周期变化。
因此，普遍认为，在第四纪古气候替代性指标曲线中保存有地轴倾斜度和岁差变化的“节拍’’。
这种响应是很复杂的，既有非线性的，也有线性的，或在某一时期某一成分是以线性为主的。
如果响应是线性的，第四纪古气候替代性指标曲线中的某些周期成分与驱动力地球轨道三要素中的某些成分的变化周期
（频率）应该一致，不同的只是振幅和相位，借助滤波这一数学工具，可从第四纪古气候替代性指标曲线中滤出这些成分与地球轨道几何参数变化曲线相对比。
（余志伟等，2001）
对Orbit91数据（Berger等）进行研究，可以发现以下几点：
l、2．2MaB．P．以来太阳辐射96ka周期滤波曲线与地球轨道偏心率曲线成正相关，相关系数在0．723左右（见图卜1）。
I棚枞◆尸
图卜l太阳辐射96ka周期滤波曲线与地球轨道偏心率曲线
2、2．2MaB．P．以来太阳辐射41ka周期滤波曲线与地轴的倾斜角曲线成正相关，相关系数在0．989左右（见图1-2）。
l·
5
O·
5O
吨5
—l一1·
图卜2太R{辐射41ka周期滤波曲线与地轴的倾斜角曲线
3、2．2MaB．P．以来太阳辐射21k周期滤波曲线与岁差曲线成反比，相关系数在一0．864左右（见图1-3）。
3
图卜3太阳辐射21k周期滤波（相反数）曲线与岁筹曲线
．
4、图1-5中蓝色曲线代表偏心率的变化，粉红色曲线为偏心率数值相反数的曲线，黄色曲线代表岁差变化。
由图可以看出偏心率曲线为岁差曲线的包络线（见图卜4）。
图卜4偏心率曲线为岁差曲线包络线
5、偏心率曲线存在2Ma的长周期（见图I-5）。
图1-5偏心率曲线中存在的2Ma周期
6、分别对1000kaB．P．与2500kaB．P．以来北纬65度太阳辐射进行功率谱分析（见图1—6，l一7），可以看出太阳辐射数据主要存在41ka与23．8ka／22．3ka／18．9ka的周期，lOOka周期并不明显，这可能与lOOka周期长度
4
并不固定有关（参见本文第四章第一节内容）。
；
图I--61000kaB．P．以来的太阳辐射功率谱分布
图l一72500kaB．P．以来的太阳辐射功率谱分布
7、通过在Matlab中进行计算，太阳辐射与地球轨道三要素的关系可以用以下公式进行模拟表示：
ETP=O．54551木E+0．45173．T-0．5013．P
式中，ETP为太阳辐射模拟值，E为地球轨道偏心率，T为地轴倾斜角，P为岁差。
由此公式也可以看出岁差与太阳辐射23ka／19ka成反相关（见图卜8）。
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1．5l一合成FTPI
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图卜8北纬65度7月份太阳辐射与合成ETP对比
根据前人的研究，及图1-3、图1-4可以看出：
在有合适的控制点的前提下，能够利用地轴倾斜角曲线及岁差曲线与气候要素41ka周期和21ka周期的滤波曲线进行对比，从而确定相应深度的地质年代。
根据图卜1、图卜4以及太阳辐射与地球轨道三要素关系的模拟公式可以得出：
至少在2MaB，P．以来的时间段中，可以使用地球轨道偏心率周期及气候要素的lOOka周期滤波曲线进行对比调谐。
二、轨道调谐法的前提与原则轨道调谐法作为为目前获得时问标尺最有效、最精确的方法，为人们进行古
气候对比研究提出了一条新的途径，但是其应用要有一定的前提和准则：
’
首先，最重要的前提是要有一套完整的地球轨道三要素周期性变化的理论计算值。
比利时科学家Berger的工作（BergerandLoutre，1991）为此打下了坚实的基础。
他根据天体力学理论计算了过去500万年以来地球轨道三要素和太阳辐射率变化的理论值（Bergereta1．，1991）。
这是目前关于地球轨道参数和太阳辐射量变化最准确、最新且历时最长的理论计算值。
（王健力，2007）
另外，还有一些重要的原则需要严格来遵守（余志伟，1994）：
（1）先应用初始的时间标尺（以常规测年数据进行内插得到）对地质记录
中古气候变化曲线作一个初步的谱分析，以确认该记录是否与地球轨道三要素有关。
（2）地层划分必须详尽，即记录一深度一地层关系必须清晰，这是建立时
间标尺和进行周期性探讨的基础。
6
（3）要有一批独立的年龄控制点，这些控制点必须是经过测年手段进行测定过的年龄，如古磁年龄、裂变径迹年龄、氨基酸测年、K-Ar年龄或是放射性14C测年等。
由这些测点年龄基本上构成一个时间框架，所谓的调谐只是在这些年龄控制点之间进行．
以上前提和原则是进行轨道调谐必需的，任何一条的不满足，都将使调谐工作无法进行或出现错误的结果而导致错误的结论。
三、轨道调谐法应用轨道调谐法是确定第四纪地层时间标尺的主要手段，自轨道调谐法产生以
来，在国际上得到了广泛的认可和应用。
迄今为止，影响较大并且被广泛接受的
长时间的标尺主要有以下5条：
①Imbrie等1984年建立的80万年以来的时间标尺，即著名的SPECMAP标尺；
@Martinson等1987年建立的印度洋30万年以来的高分辨率的时间标尺；
@Rudddiman等1989年和Raymo等1989年在北大西洋DSDP607孔基础上建立的2．8MaB．P．以来的长时间标尺；
④shackleton等1990年在赤道太平洋ODP677孔基础上建立的2．6№B．P．以来的长时间标尺。
以上4条时间标尺的古气候替代指标都是深海沉积物中氧同位素的变化；
⑤最后一条标尺即第5条是丁仲礼、余志伟等1991，1994年在黄土高原宝鸡剖面上，以粒度参数的变化作为古气候特别是冬夏季风强度变化指标，建立起来的具有较高分辨率和精确度的2．5MaB．P．以来的时间标尺。
以上5条时问标尺都是用轨道调谐法得到的（王健力，2007）。
1．1．3自动轨道调谐方法一轨道调谐法的新发展
虽然轨道调谐方法在建立长时段的时间标尺方面具有无可比拟的优越性，但是在利用人工进行轨道调谐确定时间标尺时，具有可操作性差、客观性差、工作量大及很难得到最佳结果等缺陷，对此，余志伟等提出了利用计算机进行调谐的自动轨道调谐方法（余志伟等，2001）。
自动轨道调谐方法利用了最优化原理，通过计算机不断调整采样点的年代，对气候代用曲线进行滤波，滤出与地球轨道三要素周期相对应的子曲线，然后计算子曲线与地球轨道三要素曲线的相关系数，找出每个采样点最合适的年代，从而建立一条较为精确的时间标尺。
自动轨道调谐方法的出现，是一次重大的创新，它很好的解决了人工调谐中存在的问题，目前获得了极为广泛的应用。
7
1．1．4选题的意义与依据
自动轨道调谐方法对控制点的要求较高，要求控制点的数量较多，关键控制点不能缺失，控制点问的沉积速率不能变化太大，否则对调谐标尺的精确性具有较大的影响，见图1-9，图中深色标示部分最大误差为20ka。
年代
1400
1200
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800
600
t∞
2∞
U撩压L不J
O．0∞20。
0∞40．000∞．00080．000l∞．咖120．0册l如。
000
图1-9当控制点较少或控制点间沉积速率变化较人时调谐标尺与验证标尺沉积速率的对比
因此，为得到准确的时间标尺需要对自动轨道方法进行改进与完善。
本题是对自动轨道调谐方法的再研究，通过增加新的调谐模式，改变调谐方法与流程，试图在控制点较少或控制点之间沉积速率出现较大变化时，能够利用自动轨道调谐方法建立更为准确的时间标尺，提高相关地学分析的可靠性，因此具有较大的实用意义。
1．1．5轨道调谐的发展历程与现状
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