涠西南凹陷流沙港组一段天文旋回识别及高频层序划分*

时间：2024-09-03

魏小松陆江刘蕾何卫军严德天魏之焜左洁

(1. 中国地质大学(武汉)构造与油气资源教育部重点实验室湖北武汉 430074； 2. 中海石油(中国)有限公司湛江分公司广东湛江 524034；3. 中国石油长庆油田分公司第一采油厂陕西延安 716000)

20世纪中叶，米兰科维奇[1]系统研究了地球轨道参数(偏心率、斜率和岁差)的变化规律，提出地球的轨道变化决定了太阳光照量的大小，北纬65°附近夏季太阳光照量的变化正是第四纪冰期旋回的主因。20世纪70年代，Hays 等[2]对印度洋钻孔氧同位素的古气候研究证明了米兰科维奇提出的轨道周期和第四纪冰期旋回一致的正确性。从此，以米兰科维奇本人命名的米氏旋回(即104～106年的米氏频道的天文轨道驱动)被创新性地应用到全球不同的中、新生代地层中，来理解和揭示地质历史时期的古气候变化、太阳系的轨道配置对沉积地层的控制、“深时”地层中的高精度年代构建等。

近年来，大洋、湖泊、三角洲等沉积记录中不断有天文信号的发现，利用米兰科维奇旋回理论，结合放射性同位素，建立高精度天文年代标尺已被认为是地层学解读时间的第三里程碑[3-5]。随着研究的不断拓展，利用米兰科维奇旋回对沉积地层的高频层序进行划分得到了广泛应用[4-8]，如四川盆地中二叠统茅口组以长偏心率(413.0 ka)和短偏心率(123.0 ka)对四级层序(准层序组)和五级层序(准层序)的划分[9]。神狐海域第四纪沉积充填序列划分的20个优势旋回[10]，以及对准噶尔盆地玛湖凹陷百口泉组[11]、东营凹陷沙四上亚段湖相深水细粒沉积[12]、哈萨克斯坦南图尔盖盆地Aryskum地堑 Ary301井卡拉甘塞组[13]的米兰科维奇旋回识别和高频层序划分等。

北部湾盆地涠西南凹陷油藏储量丰富，然而近年来的勘探实践表明低渗油藏储量较大，非均质性很强，勘探效果不佳，现有的区域三级层序格架下的沉积相分析已经远远不能满足区带优选，且四级层序格架下沉积相研究不能满足勘探目标的精细评价，因此更高层序的精细刻画成为主要的研究目标。米兰科维奇旋回约束下的高频层序划分可为层序地层研究提供重要指导，然而很少有研究报道该地区的沉积记录受天文轨道参数的约束及高频层序划分的实例。本文在涠西南凹陷已有的研究基础上，以测井GR曲线为替代指标，分别进行了天文旋回识别、天文年代标尺建立和高频旋回划分，为下一步高精度层序刻画和气候变化研究奠定了基础。

1 区域地质概况

北部湾盆地位于中国南海近海西端(图1a)，北与粤桂隆起相接，南临海南隆起，西接越南地块。涠西南凹陷位于北部湾盆地北部坳陷北部，受区域近北西—南东向拉张应力作用，凹陷内发育3条北东—南西走向的正断层，控制了整个凹陷的构造格局[14](图1b)。北部湾盆地充填系列由下至上依次可分为3个部分：以古近系陆相沉积为主的长流组、流沙港组、涠洲组，以新近系海相沉积为主的下洋组、角尾组、灯楼角组和望楼港组(图1)，以及沉积了灰黄色砂层和灰色黏土的第四系[15]。

流沙港组主要为湖泊相暗色泥岩，从凹陷中心向凸起方向厚度减薄，岩性变粗，一般厚度为1 000 m，最大厚度大于4 400 m，是北部湾盆地的主力生油岩[16]。按岩性变化，流沙港组从上而下可分为3段：①流三段，岩性为滨浅湖相砂岩，厚度约300 m；岩石粒度纵向上呈下粗上细，下部为砾状砂岩与泥岩的不等厚互层，上部为粉砂质泥岩、泥岩与泥质粉砂岩、含砾砂岩互层；流三段顶界为砂泥岩互层的砂岩层[16]。②流二段，在涠西南凹陷是一个中深湖相沉积区，厚度大于300 m，最厚在1 800 m以上；流二段顶界为大套泥岩段或以泥岩为主的泥岩层。③流一段，沉积中心位于凹陷北部，属中深湖相沉积；流一段底部以一套砂泥互层为界，下部为含砾砂岩、细砂岩、砂砾岩与深灰色泥页岩不等厚互层[16],中、上部为深灰色泥、页岩夹粉砂岩。

涠西南凹陷湖盆发育可划分为3个阶段：湖盆扩张阶段、湖盆全盛阶段和湖盆萎缩阶段。湖盆扩张阶段(流三段)：流三段主要为滨浅湖沉积，沉积中心有小范围的中—深湖相，①号断裂作用下受次物源影响发育扇三角洲。湖盆全盛阶段(流二段)：随着断陷活动的进一步加剧，湖盆发育达到极盛时期，全区水体较深，沉积一套巨厚的中—深湖相灰色泥岩；主要物源方向有一定继承性，仍来自于西边，在近物源区发育浊流沉积。湖盆萎缩阶段(流一段)：始新世到早渐新世断裂活动暂时停缓，凹陷内沉积速率和沉降速率均低，且前者略大于后者，湖盆开始萎缩，湖水变浅，堆积三角洲(图2)。

图1 北部湾盆地区域地质背景及地层柱状图Fig .1 Geological setting and stratigraphic column of Beibuwan basin

图2 涠西南凹陷流一段PSL13四级层序沉积相图Fig .2 Sedimentary facies map of the PSL13 sequence in the First Member of Liushagang Formation, Weixinan sag

2 研究材料及方法原理

2.1 研究材料

在沉积记录中，出现周期性变化的沉积旋回往往能和古气候的变化相联系(如米兰科维奇认为的北半球65°的太阳辐射是驱动第四纪冰期旋回的主因[17])。理论上讲，只要与气候变化相关联的参数均能作为旋回地层学分析的替代性指标[18]，所以在研究米氏旋回时基本都是以最能反映某个地区的替代指标来作为研究对象。伽马射线强度能够反映黏土矿物的变化，通常由钾、钍和有机质组成，也包括铀[19-20]。湖相盆地中的黏土矿物和有机质通量通常对环境和气候条件敏感，GR曲线能够保存相关的气候周期信号[21-23]。变暖和潮湿的时间间隔通常与增加的黏土矿物和有机质输入有关，导致高伽马值;而由于黏土矿物和有机质输入的减少，变冷、干旱的时间间隔导致低的伽马值[24-26]。因此,GR曲线可以作为沉积旋回的替代指标。

选择涠西南凹陷Wei-1和Wei-2井(图2)流一段的GR曲线进行旋回地层分析。其中，Wei-1井位于涠西南凹陷北部陡坡的扇三角洲边缘，选取井段为2 250～2 950 m；Wei-2井位于涠西南凹陷南部扇三角洲边缘，选取井段为2 700～3 150 m。

2.2 方法原理

2.2.1数据预处理

地层记录中的旋回信息并非只与天文轨道力相关，由于还存在构造运动、气候变化、海平面升降等因素，所以在提取米氏旋回信号前需要对数据进行预处理，将与天文轨道力无关的噪音信号消除，才能有效地解释频谱分析的结果，使得提取的频率更为可靠。数据预处理步骤包括插值、去均值、去极值、去趋势化等。

2.2.2频谱分析

功率谱表示信号功率在频率值域范围内的分布状况。频谱分析即将时间序列的信号强度按频率序列展开，成为频率的函数，目的是识别其中的准周期成分[27]。在旋回地层分析中，首先要确定米氏旋回信号是否存在，通常采用频谱分析；当谱峰周期(即波长)之比近似于地球轨道参数的长、短偏心率、斜率及岁差的周期时，可初步判断地层记录中存在米氏旋回信号。然后对信号进行滤波提取。滤波是提取地层数据中目标序列的过程，可分为低通滤波、高通滤波和波通滤波[27-28]。本文采用波通滤波方式，并利用R软件(SR.Meyers)[29]中MTM功能及EHA功能(演化谐波分析)对深度域数据序列进行频谱分析，获得具有置信区间的频谱分析图[30]。

2.2.3天文调谐

确定沉积记录中存在米氏旋回信号时，就可以将信号调谐到理论曲线上，继而获得高分辨率的天文年代标尺(Astronomical Time Scale,ATS)。由于天文调谐的复杂性和替代指标中噪音的干扰，不是每个地层数据都能进行天文调谐。如果验证了地层数据与天文轨道力驱动有关，可以利用其中含有的旋回个数和天文周期进行调谐，从而建立浮动的天文年代标尺。

新生代405 ka长周期偏心率周期在地质历史时期一直比较显著和稳定，本文选择405 ka长周期偏心率旋回来建立浮动天文年代标尺。若要把相对地层间隔时间转化为绝对年龄值，需要在计算的地层中提出含一个或几个可以作为绝对年龄值的面来标定为“基准面”[31]。依据研究层段的厚度以及米氏旋回的次数可计算出地层的持续时间，若再加上已知年龄的控制，就能对研究层段进行较为精确的定年。

3 结果分析

3.1 深度域频谱分析

3.1.1Wei-1井

将Wei-1井分成上、中、下3段，将目标层位处理后的GR数据导入R软件，进行MTM频谱分析和深度域滑动窗口频谱分析，得到研究层段的振幅分析结果(图3～5)。Wei-1井上段和中段频谱分析图(图3b、4b)显示，在频率0.02～0.03、0.08～0.12及0.22～0.26范围有较显著的超过置信水平的峰值，可以解释为长偏心率E，短偏心率e和斜率O。从Wei-1井下段频谱分析图(图5b)可以看出，0.32～0.36范围有显著峰值，解释为岁差P。同时，演化功率谱分析、演化谐波分析和经EHA标准化后的振幅图上都能够追踪到405 ka长偏心率(E)、123 ka与100 ka短偏心率(e1、e2)、40 ka斜率(O)、23 ka(P1)和19 ka(P2)岁差(图3c—e;图4c—e;图5c—e)，表明沉积地层受到地球轨道参数偏心率、斜率和岁差的调控。

3.1.2Wei-2井

Wei-2井频谱分析结果见图6b，可以看出，在频率0.02～0.04、0.08～0.12及0.20～0.28范围有明显的超过置信水平的峰值，波长分别为40、10、4.1 m，波长比(40∶10∶4.1)大约等于地球轨道周期比(405 ka∶100 ka∶41 ka)。同时，在演化的滑动窗口也能够追踪到405 ka长偏心率(E)、100 ka短偏心率(e2)及40 ka斜率(O)的信号(图6c～e)，表明沉积地层受地球轨道参数的调控。

3.2 沉积速率分析

3.2.1Wei-1井

利用R软件中多窗口频谱分析功能可以得到分析层段对应的沉积速率变化图。通过多窗口频谱分析分别得到Wei-1井3个沉积段的沉积速率变化(图7—9):在2700～2920m层段，沉积速率在5～25 cm/ka变化，总体上呈下降趋势(图9)；在2 450～2 700 m层段，沉积速率在5～ 20 cm/ka变化，由初始的5～10 cm/ka增加到15～20 cm/ka，总体呈上升趋势(图8)；在2 250～2 450 m层段，沉积速率在10～ 30 cm/ka变化，但在2 400～2 450 m层段较稳定，2 450 m以上从30 cm/ka逐渐减小为10～15 cm/ka，总体为下降趋势(图7)。因此，Wei-1井流沙港组一段从下往上沉积速率呈现“降低—升高—稳定—降低”的变化趋势。

图3 Wei-1井流一段上段频谱分析Fig .3 Spectral analysis in upper section of the First Member of Liushagang Formation of Well Wei-1,Weixinan sag

图4 Wei-1井流一段中段频谱分析Fig .4 Spectral analysis in middle section of the First Member of Liushagang Formation of Well Wei-1,Weixinan sag

图5 Wei-1井流一段下段频谱分析Fig .5 Spectral analysis in lower section of the First Member of Liushagang Formation of Well Wei-1,Weixinan sag

图6 Wei-2井流一段频谱分析Fig .6 Spectral analysis of the First Member of Liushagang Formation of Well Wei-2,Weixinan sag

图7 Wei-1井流一段上段沉积速率变化Fig .7 Sedimentary rate in upper section of the First Member of Liushagang Formation of the Well Wei-1,Weixinan sag

图8 Wei-1井流一段中段沉积速率变化Fig .8 Sedimentary rate in middle section of the First Member of Liushagang Formation of the Well Wei-1,Weixinan sag

图9 Wei-1井流一段下段沉积速率变化Fig .9 Sedimentary rate in lower section of the First Member of Liushagang Formation of the Well Wei-1,Weixinan sag

3.2.2Wei-2井

利用R软件多窗口频谱分析功能得到Wei-2井沉积速率线性变化图(图10)：在2 700～3 150 m层段，沉积速率起初由13 cm/ka减小至5 cm/ka，然后逐渐增加并在15～30 cm/ka摆动；在2 800～2 900 m层段又降低到约12 cm/ka，之后又逐渐升高，反映了沉积速率呈现“升高—稳定—降低—升高”的变化趋势。

图10 Wei-2井流一段沉积速率变化Fig .10 Sedimentary rate of the First Member of Liushagang Formation of the Well Wei-1,Weixinan sag

3.3 天文调谐

以GR值作为替代指标的频谱分析表明，流沙港组沉积地层旋回受到米氏旋回的约束。选取Laskar[32]中长偏心率405 ka作为目标曲线进行时间校准，并且为了更方便对比，图中旋回已被标上序号。利用流沙港组一段和二段的界限年龄39.4 Ma[33]作为基准进行时间标定，建立流沙港组一段的天文年代标尺。Wei-1井流沙港组一段的沉积厚度为660 m，持续时间约为5 Ma，平均沉积速率约为0.132 m/ka。以405 ka长偏心率为周期识别出13个完整的中期旋回，由此划分了13个五级层序。依据123 ka短偏心率为周期识别出39个短期旋回，由此划分了39个六级层序(图11)。

Wei-2井流沙港组一段的GR数据与天文轨道力相关，因此基于天文力旋回的地层旋回能够被识别出来。同样，选取Laskar方案中20°N长偏心率405 ka作为目标曲线进行天文校准。由天文调谐的结果来看，流沙港组一段的沉积厚度约为450 m，持续时间约为4.8 Ma，平均沉积速率约为0.093 75 m/ka。以405 ka长偏心率滤波曲线为对象，以Laskar方案中的偏心率为基准进行比对，识别出13个完整的中期旋回，由此划分了13个五级层序。以123 ka短偏心率滤波曲线，识别出27个短期旋回，由此划分了27个六级层序(图12)。

图11 Wei-1井流一段天文调谐及高频层序划分Fig .11 Astronomical tuning and high resolution sequence units division of the First Member of Liushagang Formation of the Well Wei-1,Weixinan sag

图12 Wei-2井流一段天文调谐及高频层序划分Fig .12 Astronomical tuning and high resolution sequence units division of the First Member of Liushagang Formation of the Well Wei-2,Weixinan sag

4 讨论

依据Laskar方案长偏心率和锆石年龄标定建立的天文年代标尺显示涠西南凹陷流一段的持续时间为4.8～5.0 Ma，而提取的带通滤波的长偏心率旋回个数为13个，流一段实际为12个长偏心率旋回，计算得到持续时间为4.86 Ma。Cao等[33]建立的北部湾盆地福山凹陷流沙港组一段的天文年代标尺显示持续时间约4.2 Ma，这与本文研究结果存在较大差异。实际上，Cao识别的地球轨道旋回为400 ka 长偏心率和96 ka 短偏心率，而本文研究以识别的405 ka为基准，这可能导致持续时间的差异。此外，由于处于不同凹陷内，物源的影响也可能导致沉积的差异。因此，高精度天文年代标尺需要多个传统数字定年控制及精细的天文调谐才能准确的建立。

从高频层序划分结果来看，Wei-1和Wei-2井识别的中期旋回(即五级层序)一致；而短期旋回(即六级层序)存在差异。由于Wei-1、Wei-2井均位于远离断层的位置，且均位于扇三角洲前缘，因此保证了频谱分析不受构造因素干扰，但由于物源与沉积速率差异，导致六级层序划分存在差异；另一个因素可能是Wei-1、Wei-2井以123 ka划分的沉积序列，而不是100 ka。实际上，地层沉积序列是多种周期信号的叠加反映在沉积记录中，加上一些不确定因素，因此很难将测井曲线识别的旋回和沉积变化完全对应起来[30]。如果能够增加井的数量，进行连井综合分析，势必会提高高频层序划分的合理性和准确性。因此，短期旋回(高频层序)的划分是一个相对较难的过程，需要配合岩心资料及多口井对比进一步相互验证，其具体的影响因素及驱动机制有待进一步的探讨。