青藏高原新生代倫坡拉盆地丁青湖組測井剖面凝灰?guī)r標志層的識別

文一雄，馬鵬飛，2，馬　超，孟　俊，李亞林，胡　濱，劉中絨

(1.中國地質大學(北京)地球科學與資源學院 生物地質與環(huán)境地質國家重點實驗室，北京 100083；2.同濟大學 海洋地質國家重點實驗室，上海 200092；3.約翰霍普金斯大學地球與行星科學系，馬里蘭 巴爾的摩 21218；4.中國石油化工勘探分公司，四川 成都 610041)

青藏高原新生代倫坡拉盆地丁青湖組測井剖面凝灰?guī)r標志層的識別

文一雄1，馬鵬飛1，2，馬超3，孟俊1，李亞林1，胡濱1，劉中絨4

(1.中國地質大學(北京)地球科學與資源學院 生物地質與環(huán)境地質國家重點實驗室，北京 100083；2.同濟大學 海洋地質國家重點實驗室，上海 200092；3.約翰霍普金斯大學地球與行星科學系，馬里蘭 巴爾的摩 21218；4.中國石油化工勘探分公司，四川 成都 610041)

摘要：確立含油氣盆地內(nèi)部的標志層是建立盆地地層格架、基礎沉積學研究以及油氣勘探開發(fā)過中地層對比的基礎?；鹕交叶逊e形成的凝灰?guī)r往往大范圍分布，這些層位保存了精確年代信息而且具有明顯區(qū)別于其他沉積巖的巖性特征，是理想的標志層。在青藏高原唯一發(fā)現(xiàn)工業(yè)油流的新生代倫坡拉盆地中即存在一套約23.5Ma的凝灰?guī)r層。雖然倫坡拉盆地經(jīng)歷了一定規(guī)模的勘探開發(fā)，但大部分鉆井并沒有鉆取巖心。因此，雖然該套凝灰?guī)r僅在地表露頭中可見，但是在測井剖面上尚未標定，這也導致了盆地內(nèi)部鉆井剖面不能精確對比。本研究對旺1井丁青湖組中下段一部分進行了旋回地層學分析，并與含凝灰?guī)r露頭剖面進行對比，進而確定了測井剖面中凝灰?guī)r的準確位置(853m)。該套23.5Ma沉積于丁青湖組中的凝灰?guī)r層具有高自然伽馬、高聲波時差、高電阻率、低自然電位的特征。

關鍵詞：凝灰?guī)r；自然伽馬測井；地層對比；湖相沉積；旋回地層學分析

青藏高原中部沿班公湖-怒江縫合帶，發(fā)育了一系列東西向受構造活動控制的新生代陸相盆地，包括倫坡拉盆地、尼瑪盆地、洞錯盆地以及阿翁錯盆地等。盆地中堆積的沉積地層連續(xù)記錄了青藏高原新生代以來的古氣候和構造事件[1-5]，是我們探究青藏高原形成、演化及其與全球、區(qū)域古氣候相互作用的重要載體。另外，這些盆地均沉積了大量的烴源巖，是青藏高原最具有油氣勘探前景的陸相盆地群[6]，其中位于班戈縣境內(nèi)的倫坡拉盆地20世紀50～90年代經(jīng)歷了較大規(guī)模的勘探開發(fā)，是青藏高原地區(qū)唯一發(fā)現(xiàn)工業(yè)油流的盆地。然而由于技術原因未能實現(xiàn)突破性進展。近年來隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展和國內(nèi)能源供給壓力的日益增大，青藏高原也迎來了新一輪的油氣勘探，目前為止倫坡拉盆地完成了1口預探井(旺1井)的綜合測試。

盡管倫坡拉盆地在勘探開發(fā)中積累了大量的鉆井資料，前人在露頭和巖心上也對盆地內(nèi)沉積地層的沉積學、巖石學、年代學以及含油氣特性進行了詳細的研究[7-11]。然而這些研究均缺乏有效的年代制約；另外，盆地內(nèi)部尚未確立有效的地層對比標志層，各單井地質剖面與露頭地質剖面無法建立可靠的等時性地層格架單元，嚴重阻礙了勘探開發(fā)中后續(xù)的油藏精細描述、沉積相和微相建立、儲層幾何形態(tài)描述等工作。

He等[13]報導了丁青湖組中下段的一套23.5Ma的凝灰?guī)r層?？紤]到凝灰?guī)r沉積時間短、分布范圍大且有獨特的巖性特征，可以作為倫坡拉盆地地層對比有效的標志層。然而，倫坡拉盆地中的鉆井大部分均未鉆取或僅少量鉆取巖心，無法在鉆井剖面上識別出凝灰?guī)r層。為解決該問題，本研究使用旋回地層學分析的方法，將含凝灰?guī)r剖面與鉆井剖面進行對比分析進而精確標定鉆井剖面上的凝灰?guī)r層，并初步歸納出倫坡拉盆地丁青湖組中下部凝灰?guī)r夾層測井曲線特征，為后續(xù)建立盆地內(nèi)部高分辨率的巖石—年代地層格架打下基礎；同時將一種國際上旋回地層學分析的新方法(平均頻譜擬合差，Average Spectral Misfit[14])介紹給國內(nèi)讀者。

1區(qū)域地質背景

新生代倫坡拉盆地位于青藏高原班公湖-怒江縫合帶中部，盆地呈狹長近東西向展布，東西長約200km，南北寬約20km。盆地的構造格局上呈現(xiàn)出南北分帶，東西分塊的特征[15]。盆地中發(fā)育新生代沉積物最大厚度達到4000m，通過沉積相組合與孢粉、介形化石帶[6-7，16-17]，可將其分為下部牛堡組與上部丁青湖組。牛堡組以紅色碎屑沉積物為特征，其下段為棕紅色砂巖、礫巖，化石稀少，局部夾灰綠紫紅色泥巖，與下伏中生界呈不整合接觸[17]，中上段以灰色、灰綠色泥頁巖為主[16]，整體呈現(xiàn)出河流相-濱淺湖相的沉積環(huán)境。上部丁青湖組主要為一套深湖、半深湖相碎屑巖，巖性以灰色泥巖、細砂巖，深色頁巖為主[8]，與下部牛堡組呈局部不整合接觸。

前人研究主要使用介形類化石與孢粉組合將牛堡組標定為始新世—漸新世，丁青湖組為漸新世—上新世[3，16，18-19]。He等[13]在倫坡拉盆地中下部丁青湖組粉砂質泥巖中發(fā)現(xiàn)了順層展布的凝灰?guī)r層，其U-Pb鋯石年齡為23.5±0.2Ma，首次得到了倫坡拉盆地丁青湖組中下段的準確年齡約束，指示其沉積時代為晚漸新世-早中新世，這與Sun等[3]在同一剖面上磁性地層學的研究結果相符。這一系列新的成果為后續(xù)盆地巖性、年代地層格架的建立打下了基礎。

本次研究所用測井曲線來自于旺1井，旺1井(N31°57′35″E89°52′36″)是中國石油化工股份有限公司勘探分公司于2014年在倫坡拉盆地中央凹陷帶倫坡日山以北部署的一口預探井，鉆探深度2410m，鉆遇丁青湖組(三段、二段、一段)，牛堡組三段(上亞段、中亞段、下亞段)、牛堡組二段(上亞段、下亞段)。旺一井僅在牛堡組三段少量取心。

2數(shù)據(jù)處理與剖面對比

為確定旺1井凝灰?guī)r位置，研究中選擇丁青湖組中下段一部分(800～900m)自然伽馬測井曲線(圖 2A)進行旋回地層學分析，并將分析結果與含凝灰?guī)r標準剖面旋回地層特征進行對比。

旋回地層學分析的基本原理為確定連續(xù)地質記錄中保存的地球軌道周期信號(偏心率，斜率和歲差)，因為軌道參數(shù)的周期性變化引起的太陽輻射變化會導致古氣候的隨之波動，而古氣候的變化會保存到沉積地層中。地質記錄除了周期性氣候變化以外還保存了其他控制因素造成的誤差，如突發(fā)的氣候事件、不穩(wěn)定的沉積過程等。為了準確獲取測井曲線中的地球軌道周期信號，本文主要使用MTM頻譜分析(Multitaper Method，MTM)[21]和平均頻譜擬合差計算(Average Spectral Misfit，ASM)[14]等兩種方法對原始數(shù)據(jù)進行處理。所有數(shù)據(jù)分析均使用以R語言為平臺開發(fā)的軟件包ASTROCHRON。

自然伽馬曲線原始數(shù)據(jù)測量間距為0.125m，整體來看表現(xiàn)出明顯的旋回性(圖1(a)、圖1(b))。首先根據(jù)自然伽馬測井曲線的特征將旺1井待處理數(shù)據(jù)分為800～865m、865～900m兩段；然后對分段后數(shù)據(jù)分別進行去均值、去趨勢化處理處理后，使用5-3π MTM分析，建立強度頻譜和振幅頻譜、并測試在被分析的數(shù)據(jù)序列中是否存在相干正弦波(諧波分量)[21](圖1(c)～(f))，在測試諧波分量步驟中對于上下兩段數(shù)據(jù)的最低可信度分別設置為80%和70%(圖1(c)、圖1(d))。檢測到的諧波分量如果在強度頻譜和振幅頻譜中均顯示出峰值則說明其可能為潛在的地球軌道周期信號，如圖1(e)、圖1(f)所示，800～865m、865～900m潛在的地球軌道周期信號分別分布于0～1m-1及0～1.5m-1范圍內(nèi)。

圖1　旺1井自然伽馬曲線旋回地層學分析

隨后我們對這些潛在的地球軌道信號進行ASM分析(圖1(g)、圖1(h))，以確定其準確的米蘭科維奇旋回。原理上，ASM分析與通常使用的“比率選擇法”(如，大約5∶2∶1與地球軌道參數(shù)短偏心率、斜率和歲差的比值較為一致)相似。但是相對于比率選擇，ASM方法使用精確的統(tǒng)計學方法將頻譜分析中檢測到的潛在地球軌道周期信號頻率擬合到理想的目標參數(shù)序列，同時評估其時間尺度的誤差(平均頻譜擬合差ASM，圖1(g)、圖1(h))；并使用蒙特卡羅模擬測試零假設(無軌道周期影響)的可信度(H0)[22]。根據(jù)前人的研究成果，丁青湖組的沉積時代為漸新世—中新世，沉積速率在6 cm/k.y.左右[3-4，13]，因此丁青湖組中下段(～600m)沉積持續(xù)時間約在10Ma左右，另外考慮到Laskar 等[23-24]2004年、2011年提出的地球軌道參數(shù)計算方案在50Ma內(nèi)有較高的精度，在此我們以露頭剖面凝灰?guī)r年齡(～24Ma)為中值前后各擴展5Ma(19M～29Ma)的La04[23]天文周期(偏心率：E1、E2、E3；斜率O1、O2、O3；歲差P1、P2)作為目標參數(shù)，具體為：406k.y.(E1)、124k.y.(E2)、95k.y.(E3)、55k.y.(O1)、41k.y.(O2)、29k.y.(O3)、23k.y.(P1)和19k.y.(P2)；然后我們對2～9cm/k.y.之間遞增的200個潛在沉積速率進行ASM分析，零假設可信度測試中使用10000次蒙特卡洛模擬。

在MTM頻譜分析中獲取的頻率為周期/m-1，而標準的天文年代周期頻率為周期/k.y.，因此我們只需要通過賦予實測頻率沉積速率(cm/k.y.)就可以將實測數(shù)據(jù)轉化為年代周期。這一步中我們依次從低到高測試一系列沉積速率，并獲取最適沉積速率。當某一沉積速對應的H0明顯小于顯著性水平0.5%(%，100/模擬沉積速率數(shù)量)、具有最小的ASM值和H0且實測諧波分量和目標參數(shù)較為接近時，我們可以認為該沉積速率為該段地層最接近實際情況的最適平均沉積堆積速率[14，22，25]。實際操作中我們首先檢測一個粗略的沉積范圍(如0～50cm/k.y.)，然后根據(jù)粗略結果使用更加精細的分辨率檢測最可能的沉積區(qū)間(0～20cm/k.y.、1～10cm/k.y.；圖1g-h)分析結果顯示，上下兩端地層的最適擬合分別為9.6cm/k.y.和5.1cm/k.y.(圖1(g)、圖1(h))。根據(jù)這兩個沉積速率，檢測到的諧波分量可以轉化為地球軌道周期信號(圖1(i)、圖1(j))。

由于車布里實測剖面中數(shù)值點較少[3]，只能獲取其長偏心率旋回曲線(圖2)，在此我們也僅濾波提取旺1井該段地層的長偏心率曲線作為對比(圖2)，在這一過程中使用高斯函數(shù)[25]，上下兩段的濾波范圍分別為0.016～0.035m-1和0.032～0.06m-1。隨后使用旺1井長偏心率周期計算其沉積速率，長偏心率曲線獲取的較高精度的結果與ASM方法獲取的平均沉積速率有相似的變化趨勢(圖2)。對比旺1井和車布里剖面結果可以發(fā)現(xiàn)：兩條剖面長偏心率振幅變化特征一致；沉積速率方面，兩條剖面下部均為穩(wěn)定沉積階段，上部沉積速率波動較大且存在一個異常大的沉積階段。因此通過丁青湖組沉積速率變化可以將古湖泊劃分為下部低沉積速率階段和上部高沉積速率階段，根據(jù)該湖泊事件，兩條剖面可以進行關聯(lián)。以凝灰?guī)r年代23.5±0.2Ma為基準控制點，將車布里剖面長偏心率曲線調諧到標準天文年代周期后，該湖泊演化事件的年代可以標定為23.71Ma，凝灰?guī)r的年代也可以更加精確的校準為23.59Ma(圖2)。因此倫坡拉盆地的湖泊演化事件和凝灰?guī)r沉積之間存在0.12Ma的時間間隔，而旺1井剖面上湖泊演化事件發(fā)生于864m處(圖2)，根據(jù)0.12Ma的時間間隔和旺1井該段沉積速率可以計算出在864m之上11m處(853m)可能存在一套凝灰?guī)r層。

3標志層測井曲線特征

旺一井常規(guī)數(shù)字測井包括自然伽馬、自然電位、聲波時差、電阻率以及補償中子等。在凝灰?guī)r層與砂、泥質巖石共同沉積時，其測井曲線特征一般表現(xiàn)為具有較高的自然伽馬值，高聲波時差以及相對低的自然電位[26]。邱欣衛(wèi)等[26]對鄂爾多斯盆地延長組大量凝灰?guī)r夾層的實際巖心觀察并將其與測井曲線相對比分析，總結歸納出延長組凝灰?guī)r夾層的常規(guī)測井曲線表現(xiàn)為相對低電位、高自然伽馬、高電阻率、高聲波時差值的特征，并且高值常略低于致密泥巖段。

通過對旺一井凝灰?guī)r夾層位置的確定，在旺一井鉆井深度為853m處，我們用灰色區(qū)域進行了標注(圖3)，這一層段整體上具有高自然伽馬、相對高電阻率、高聲波時差與相對低自然電位，與鄂爾多斯延長組凝灰夾層測井曲線具有相似的特征。一般而言，泥巖由于顆粒小、比表面積大、吸附能力強，所以在沉積過程中會吸附一定量的有機質，所以泥巖一般會有較高的自然伽馬測井值[26]，當火山灰沉降后，常與泥巖混染而形成凝灰質泥巖或泥質凝灰?guī)r，使得其自然伽馬值具有泥巖的特征[28]，同時由于凝灰?guī)r由于其成分為火山灰，顆粒相比于泥質顆粒更細，所以整體上具有相對高的自然伽馬值。相比于泥巖低電阻的測井特征，凝灰?guī)r段往往具有中等-高的電阻率。整體上，旺一井丁青湖組853m處測井曲線與前人所描述的凝灰?guī)r夾層測井曲線特征基本符合[26-28]，可以確定為凝灰?guī)r層。

4結論

1)通過對旺一井丁青湖組中下段一部分(750～950m)自然伽馬測井曲線進行旋回地層學分析，并將分析結果與含凝灰?guī)r標準剖面旋回地層特征進行對比，我們得出在853m處發(fā)育一層凝灰?guī)r夾層，He等[13]對露頭剖面該凝灰?guī)r層進行過精確地U-Pb測年，得出其年齡為23.5±0.2Ma；經(jīng)過旋回地層學分析以及標準天文年代曲線校正，該凝灰?guī)r的年齡為23.59Ma。

圖2　旺1井及車布里剖面長偏心率曲線與沉積堆積速率對比圖

圖3　旺一井丁青湖組中下段(800～900m)測井曲線

2)倫坡拉盆地丁青湖組中下段凝灰?guī)r層在測井曲線上特征為高自然伽馬、高聲波時差、高電阻率、低自然電位?？紤]到凝灰?guī)r夾層特殊的測井曲線特征，分布的廣泛性以及沉積的短時性，可以將其作為倫坡拉盆地甚至周邊其他新生代陸相沉積盆地地層對比的可靠標志。

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Identifying the Dingqinghu tuff layer along well logs in the Cenozoic Lunpola Basin，Tibetan Plateau

WEN Yi-xiong1，MA Peng-fei1，2，MA Chao3，MENG Jun1，LI Ya-lin1，HU Bin1，LIU Zhong-rong4

(1.State Key Laboratory of Biogeology and Environmental Geology，School of Earth Sciences and Resources，China University of Geosciences(Beijing)，Beijing 100083，China；2.State Key Laboratory of Marine Geology，Tongji University，Shanghai 200092；3.Department of Earth and Planetary Sciences，Johns Hopkins University，Baltimore，MD 21218，USA；4.Exploration Company，SINOPEC，Chengdu 610041，China)

Abstract:The establishment of the marker bed in the petroliferous basins is the fundamental to further build the stratigraphic framework，conduct sedimentological study，and correlate the strata during the exploration and exploitation.Tuff layer，as the accumulation of volcanic ash with precise age information，is commonly widespread and characterized by its unique lithologic properties，so it can be used as the marker bed.As the only basin that has been discovered crude oil，the Lunpola Basin contains a tuff layer dated as ca.23.5Ma.Although the Lunpola Basin had undergone large scales of exploration，most of the boreholes did not recover cores，thus this tuff layer exposed in the outcrops has not been identified along the well logs.In this study，we analyze the logging data of the Wang-1 borehole and present the cyclostratigraphy of a part of middle-lower member of the Dingqinghu Formation.We correlate the Wang-1 result to that of the tuff-bearing measured section and accurately identify this tuff layer along the well log (853m).The tuff layer deposited in the Dingqinghu Formation is characterized by high natural gamma-ray values，acoustic traveltime，and resistivity and low spontaneous potential.

Key words：tuff layer；natural gamma-ray logging；strata correlation；lacustrine sediment；cyclostratigraphic analysis

收稿日期：2016-01-02

基金項目：中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金資助(編號：53200859413；2652014037)；國家自然科學基金項目資助(編號：41504059；41572188；41172129)；地質調查項目資助(編號：12120115000201；121115000401)

作者簡介：文一雄(1991-)，男，碩士研究生，礦產(chǎn)普查與勘探專業(yè)。E-mail：wenyx1117@163.com。 通訊作者：馬鵬飛(1990-)，男，博士研究生，主要從事新生代盆地地層學、沉積學研究。E-mail：mpf-1112@163.com。

中圖分類號：P539.5

文獻標識碼：A

文章編號：1004-4051(2016)06-0148-06