科学研究

周茂阳:旋回地层学对25亿年来的地月及太阳系动力学参数的经验重建【GRL,2022】
2022-09-09 阅读:6040

对太阳系动力学参数的预测,主要包括行星轨道的基本长期频率gisii=1-8,分别指水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星)和地球的进动频率k,它们直到约5000万年前都是稳定的。太阳系固有的混沌行为会导致微小的误差会被持续放大导致预测的不可控,5000万年之前的模型参数无法准确计算,从而导致了岁差(k+gi)、斜率(k+gi)和偏心率(gi -gj)周期的不确定性。尤其是进动频率k的长期演化过程的不确定,使得岁差和斜率在新生代之前没有准确的天文模型解决方案。地质记录可以为计算天文模型提供可靠的约束。目前,新生代可靠的天文模型已经可以作为旋回地层学调谐的目标,中生代天文模型和旋回地层学记录可以相互对比校准,但在古生代和更古老的时期,旋回地层学则能够提供关键性的约束从而在经验基础上重建太阳系动力学参数的历史。

与地月动力学参数相关的另一个问题是,目前大部分天文解决方案基于接近现代值的恒定潮汐耗散模型,而该模型对潮汐耗散的过高估计使对月球起源时间的推断不足15亿年,与目前公认的月球起源于约45亿年前的认识相违背。如果月球的起源于45亿年前,则潮汐耗散在大部分地球历史时期应该低于现在的水平。海洋模型等理论计算提出过类似的演化过程,但是缺乏实际证据的支持。根据旋回地层学约束的地月距离演化可以计算潮汐耗散因子的变化,从而对已有潮汐耗散模型的准确性进行评估。

针对以上科学问题,我校海洋学院博士生周茂阳在“深时生命与环境协同演化”研究团队的吴怀春教授和美国乔治梅森大学Linda A. Hinnov教授的指导下,利用最新的贝叶斯反演方法“TimeOptMCMC”对华南二叠纪吴家坪组(~259 Ma)、华北奥陶纪平凉组(~455 Ma)、华南新元古代成冰纪大塘坡组~655 Ma)和澳大利亚古元古代Brockman IronDales Gorge段(~2465 Ma)的旋回地层记录进行了反演计算(图1),并引入随机单调插值等方法重建地月距离演化和潮汐耗散历史,得到以下几点创新性认识:

(1)      利用最新的贝叶斯反演方法从约25亿年至约259百万年的旋回地层记录中获得了新的地月及太阳系动力学参数的估计,该方法通过假设检验客观地给出了基本长期频率g1-g5,进动频率k的后验分布,并利用已有k和日长及地月距离序列模型获得了四个点位的日长、地月距离的后验分布。

(2)      引入贝叶斯随机单调插值的方法,根据上述的地月距离后验分布结果,并结合已有的采用相同反演方法获得的可靠结果,共同获得了从25亿年至今的连续地月距离演化历史(图2a)。这种方法具有较好的可扩展性,即可以方便地加入新的具有误差估计的数据,连续地在整体上修正误差估计结果。

(3)      根据上述重建的地月距离,计算了约束点之间的潮汐耗散因子变化,并和现有理论模型进行了对比(图2b)。结果表明,现有的海洋模型在14亿年之后高估了潮汐耗散因子,并且在455百万年至655百万年可能存在一个潮汐耗散的高值。

以上结果揭示了旋回地层学在描述地月系统随地质时间演化方面的独特潜力,可扩展的随机单调插值方法便于在未来添加更多的反演数据。



图1 用于重建动力学参数的四个旋回地层学替代性指标序列及其根据TimeOptMCMC结果转换到时间域的滤波和频谱



图2 地月距离演化和潮汐耗散因子的重建结果

(a)重建的地月距离(红线,阴影部分为贝叶斯单调随机插值给出的连续误差范围);(b)重建的约束点之间的潮汐耗散因子及其与理论模型的对比


上述成果发表在国际权威期刊《Geophysical Research Letters》上:Zhou, M.Y., Wu, H.C.*, Hinnov, L. A.*, Fang, Q., Zhang, S.H., Yang, T.S., Shi, M.N., 2022. Empirical reconstruction of Earth-Moon and Solar System dynamical parameters for the past 2.5 billion years from cyclostratigraphy. Geophysical Research Letters, 49, e2022GL098304. [IF2021 = 5.576]

全文链接:https://doi.org/10.1029/2022GL098304


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