基于米蘭科維奇天文旋回恢復(fù)地層剝蝕厚度
——以松遼盆地X油田青山口組為例

趙 軍，曹 強，付憲弟，張飛飛，秦國英，閆文雯

(1.中國石油 大慶油田有限責(zé)任公司 第十采油廠，黑龍江 大慶 166405；2.中國石油 大慶油田有限責(zé)任公司勘探開發(fā)研究院，黑龍江 大慶 163618； 3.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 資源學(xué)院，武漢 430074)

地層剝蝕與區(qū)域性的構(gòu)造運動有關(guān)，其分布受到盆地局部差異翹傾的控制，對油氣生成、運移和聚集等產(chǎn)生重要的影響。同時，地層剝蝕厚度是恢復(fù)原型盆地、重建盆地沉積—構(gòu)造演化史及模擬成藏過程研究的重要參數(shù)[1-2]。

目前，恢復(fù)地層剝蝕厚度的方法主要有鏡質(zhì)體反射率法[3]、磷灰石裂變徑跡法[4-5]、流體包裹體法[6]、地質(zhì)分析對比法[6]、泥巖聲波時差法[7]和宇宙成因核素法[8]等。上述方法各有其適用范圍和特點，除地質(zhì)分析對比法和泥巖聲波時差法外，其他方法成本較高，而地質(zhì)分析對比法需要研究人員具有較強的地質(zhì)認(rèn)識能力，泥巖聲波時差法受到模型和壓實規(guī)律等嚴(yán)格限制。近年來，有學(xué)者提出基于米蘭科維奇旋回理論[9]，運用旋回地層分析方法恢復(fù)地層剝蝕厚度，但該方法在地層剝蝕厚度研究方面還沒有得到很好的應(yīng)用。本文選取遍布松遼盆地X油田全區(qū)的42口探井，基于測井曲線提取米蘭科維奇旋回信息，計算地層剝蝕厚度。

1 研究概況

地球繞太陽公轉(zhuǎn)的橢圓軌道形狀、黃赤交角(地球自轉(zhuǎn)軌道面與地球公轉(zhuǎn)軌道面的夾角)和地球自轉(zhuǎn)軸的周期性變化，分別用偏心率(e)、斜率(o)和歲差(p)來描述。天文軌道參數(shù)(偏心率、斜率和歲差)周期性變化驅(qū)動地球表層氣候周期性波動，對氣候變化敏感的沉積物呈旋回性保留在沉積地層中[10]，稱為米蘭科維奇旋回(簡稱米氏旋回)。通過頻譜分析、小波變換等技術(shù)手段，可以識別出地層中的米氏旋回信息。LASKAR等[11]認(rèn)為米氏旋回用于定量計算可以追溯到距今250 Ma，研究層段松遼盆地X油田青山口組符合時限條件。旋回地層的研究常用替代指標(biāo)提取天文周期，其中自然伽馬(GR)、自然電位(SP)測井曲線最為常用[12]，對砂泥巖反應(yīng)敏感，本次研究使用GR或SP測井曲線提取青山口組地層中的米氏旋回信息。基于米氏旋回理論，運用頻譜分析、小波變換和濾波技術(shù)，探索性地恢復(fù)研究區(qū)42口探井(直井且未鉆遇斷層)的青山口組(K2qn)剝蝕厚度，繪制X油田的地層剝蝕厚度平面分布圖，總結(jié)全區(qū)及4個三級構(gòu)造帶的地層剝蝕厚度分布特征，對青山口組沉積末期區(qū)域構(gòu)造運動差異性的深入認(rèn)識具有一定意義。

圖1 松遼盆地X油田青山口組頂面埋深及構(gòu)造區(qū)劃據(jù)徐啟[13]等修改。

圖2 松遼盆地白堊系地層綜合柱狀圖據(jù)張順等[14]、任延廣等[14]和吳懷春等[15]修改。

X油田位于松遼盆地中央坳陷區(qū)東部朝陽溝階地，呈NE-SW向展布(圖1)。東西向的剖面顯示，朝陽溝階地西北陡、東南緩。X油田劃分為H背斜、M鼻狀構(gòu)造、J背斜和N鼻狀構(gòu)造等4個三級構(gòu)造帶[13]。青山口組地層沉積于晚白堊世初期，距今88.8～94 Ma，處于裂后熱沉降坳陷發(fā)育階段。由下至上，青山口組劃分為青一段、青二段和青三段。青一段泥巖發(fā)育，見油頁巖；青二、三段上部主要為紫紅、灰綠色泥巖，淺灰色粉砂巖及泥質(zhì)粉砂巖沉積?？傮w上，青一段至青三段沉積末期，盆地經(jīng)歷了緩慢的構(gòu)造抬升，湖泊面積逐漸減小，相對湖平面逐漸降低，氣候由潮濕逐漸變得干燥，沉積層序呈現(xiàn)反旋回特征(圖2)。在青一段沉積時期，全區(qū)處于半深湖—深湖沉積環(huán)境；青三段沉積時期，研究區(qū)南部處于半深湖—深湖，而北部逐漸演變?yōu)闉I淺湖沉積環(huán)境。青山口組沉積末期，由于構(gòu)造隆升作用，盆地邊緣大部分區(qū)域處于剝蝕狀態(tài)，與上覆姚家組呈平行不整合接觸，局部出現(xiàn)角度不整合接觸。青山口組在哈爾濱—綏化地區(qū)遭受強烈剝蝕[16]，呼蘭隆起帶和長春嶺背斜遭受局部剝蝕[17]；而處于凹隆過渡帶的朝陽溝階地，青山口組是否遭受剝蝕、剝蝕量多少的相關(guān)研究較少。過TX51井南北向的地震剖面顯示，6號斷層兩側(cè)地震同向軸數(shù)目不等(圖1)。本文通過提取地層的天文旋回信息，揭示研究區(qū)的構(gòu)造運動特征，為盆地的沉積—構(gòu)造歷史演化和油氣成藏過程提供參考。

2 旋回地層分析

2.1 數(shù)據(jù)與方法

選取X油田鉆穿青山口組且未鉆遇斷層的42口直探井(表1)。優(yōu)先使用GR曲線，如無GR曲線，則用SP曲線代替。基于米氏旋回理論，利用Redfit3.8軟件[18]對GR或SP曲線進行頻譜分析，同時使用TORRENCE等[19]提供的小波工具包進行小波變換，綜合識別米氏旋回。通過對米氏旋回周期進行高斯帶通濾波，以提取地層中記錄的米氏周期個數(shù)。由于米氏旋回受到構(gòu)造運動、沉積環(huán)境等因素的影響，旋回厚度呈現(xiàn)波動變化，因此，頻譜分析結(jié)果顯示的旋回厚度是平均值。小波變換對準(zhǔn)周期時變信號的檢測效果非常好，能夠檢測出偏心率、斜率和歲差在沉積過程中的能量變化。

2.2 處理結(jié)果與分析

LASKAR等[11]計算了新生代和中生代天文周期。在地史中，偏心率周期基本保持在100 ka左右，而斜率周期與歲差周期逐漸增大，但三者比值接近5∶2∶1。據(jù)此，如果在地層中識別出旋回厚度比值與天文周期3個參數(shù)比值相近的3種旋回，則認(rèn)為X油田青山口組沉積時期受到天文周期的影響。

以TX37井和TX50井為例。TX37井地震剖面反射軸橫向連續(xù)性較好，振幅能量較強，為穩(wěn)定沉積環(huán)境。在TX37井青山口組頻譜分析(圖3)結(jié)果中，找到11.5，4.5，2.3 m3個天文旋回厚度的比值為5∶1.957∶1，比值接近5∶2∶1，分別對應(yīng)偏心率100 ka、斜率40 ka和歲差20 ka天文周期，且振幅譜曲線的相對振幅能量是偏心率>斜率>歲差，反映出青山口組沉積序列受到偏心率的影響最大，其次是斜率，影響最小的是歲差；小波變換驗證了頻譜分析的結(jié)果。同樣，在TX50井青山口組頻譜分析的結(jié)果中找到了11.4，4.5，2.2 m3個天文旋回厚度(圖3)，其比值為5.18∶2.05∶1，接近于5∶2∶1，小波變換揭示出100ka偏心率周期的能量最強；其中100 ka偏心率周期對應(yīng)的旋回厚度，頻譜分析的結(jié)果11.4 m和濾波計算的結(jié)果11.76 m略有差異，但在允許的范圍內(nèi)。對研究區(qū)42口探井進行頻譜分析和小波變換，均得到相同的結(jié)論。在青山口組沉積過程中，偏心率信息比較完整地保存在地層中，能量較強；而斜率和歲差受到構(gòu)造運動、氣候周期等的強烈干擾，其信息斷斷續(xù)續(xù)地被記錄下來，能量較弱。因此，選擇信息連續(xù)、能量較強的100 ka偏心率周期計算地層剝蝕厚度。

表1 松遼盆地X油田青山口組天文周期分析和剝蝕厚度計算

圖3 松遼盆地X油田TX37井和TX50井青山口組旋回地層分析

對研究區(qū)42口探井青山口組的100 ka偏心率周期進行高斯帶通濾波，提取旋回地層信息。以TX14、TX6、TX50和TX37井為例，總體特點是在地層頂?shù)滋幍男匦畔⑤^明顯，而其間的信息能量較弱，反映出青山口組沉積開始與結(jié)束時，沉積環(huán)境發(fā)生明顯變化。沉積開始時發(fā)生明顯的水進，沉積結(jié)束時發(fā)生明顯的水退，而其間出現(xiàn)多幕次級水進—水退事件(圖2)。經(jīng)過濾波，TX14、TX6、TX50和TX37井分別檢測出40、42、43和39個100 ka偏心率周期(圖4)。在同一穩(wěn)定沉積區(qū)域內(nèi)，地層記錄的100 ka偏心率周期個數(shù)應(yīng)相同，但研究區(qū)濾波結(jié)果顯示，42口探井記錄的100 ka偏心率周期的數(shù)量不盡相同(表1)，介于35～43個之間，說明存在地層缺失現(xiàn)象，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因極有可能是剝蝕作用。因此，利用地層記錄的100 ka偏心率周期個數(shù)的差異，可以用來恢復(fù)剝蝕厚度。

3 地層剝蝕厚度

3.1 計算方法及過程

根據(jù)研究區(qū)42口探井青山口組100 ka偏心率周期的濾波結(jié)果，最大值為43，最小值為35，將記錄43個100 ka偏心率周期的地層定為完整的沉積序列(未遭受剝蝕)，而低于此值的地層被認(rèn)定為遭受剝蝕，此剝蝕厚度為青山口組現(xiàn)今埋藏深度下的“最小視剝蝕厚度”。

圖4 松遼盆地X油田青山口組濾波結(jié)果

以TX37井為例，姚家組底深為732.5m，青山口組底深為1 184 m，研究層段共記錄39個100 ka偏心率周期，平均旋回厚度為(1 184-732.5)/39=11.58 m，與頻譜分析的結(jié)果近乎一致。由于缺失4個100 ka偏心率周期，因此缺失的地層厚度應(yīng)為(43-39)×11.58=46 m，即TX37井青山口組被剝蝕地層厚度為46 m。按照上述方法，對研究區(qū)42口探井青山口組的剝蝕厚度進行計算并統(tǒng)計結(jié)果(表1)。

3.2 對比分析

基于研究區(qū)目的層段現(xiàn)有的泥巖聲波時差資料，以TX44井計算結(jié)果為例進行剝蝕厚度對比分析。TX44井青山口組頂深為429 m，底深為826 m，目的層段上部主要發(fā)育綠灰色和紫紅色泥巖，下部主要發(fā)育灰黑色、黑色泥巖和黑褐色油頁巖。

旋回地層分析法顯示，TX44井青山口組共記錄36個100 ka偏心率周期，平均旋回厚度為11.03 m，因此，其青山口組“最小視剝蝕厚度”為(43-36)×11.03=77 m。

本區(qū)青山口組埋深較淺，壓實規(guī)律保存較好，適合使用泥巖聲波時差法。選擇厚度超過2 m的泥巖段進行讀值，讀值點盡可能地分布均勻，讀值時讀取1/2幅值處。由于姚家組與嫩江組整合接觸(圖5左)，所以將其作為不整合面上的一個整體進行讀值；由于青山口組上部埋深較淺且發(fā)育大段泥巖(圖5左)，因此，將青山口組上部地層作為不整合面之下的部分進行讀值。對不整合面上、下讀取的泥巖聲波時差取對數(shù)，在散點圖上做回歸分析，恢復(fù)出TX44井青山口組地層的剝蝕厚度約為174 m(圖5右)。

對比分析旋回地層分析法和泥巖聲波時差法，二者計算結(jié)果相差97 m。旋回地層分析法依據(jù)地層中記錄的100 ka偏心率周期計算剝蝕厚度，其精度主要取決于旋回信息的強弱、構(gòu)造運動的程度及沉積間斷是否存在等。而泥巖聲波時差法的準(zhǔn)確性受到泥巖埋深、讀值方式等地質(zhì)和非地質(zhì)因素的影響，得到的剝蝕厚度是個估計值。因此，綜合分析認(rèn)為旋回地層分析法恢復(fù)的剝蝕厚度可靠性較高，可以在研究區(qū)推廣應(yīng)用。

3.3 剝蝕厚度分析

基于研究區(qū)42口探井的計算結(jié)果，繪制X油田青山口組剝蝕厚度平面分布圖(圖6)。H背斜是剝蝕量高值區(qū)，剝蝕厚度呈東北—西南條帶狀分布，剝蝕厚度在34～98 m之間，以60 m以上為主；其西南和東南局部地區(qū)的剝蝕厚度較小，在40 m左右。M鼻狀構(gòu)造是剝蝕量低值區(qū)，剝蝕厚度有向南減弱的趨勢，剝蝕量在20～50 m之間。J背斜東北部繼承了H背斜的剝蝕量高值區(qū)，局部剝蝕厚度高達70 m；其西北方向、靠近三肇凹陷的地區(qū)出現(xiàn)剝蝕量低值區(qū)，普遍低于20 m。N鼻狀構(gòu)造出現(xiàn)大面積的未剝蝕區(qū)，主要位于西南部；其東南方向、靠近長春嶺背斜帶的局部地區(qū)出現(xiàn)剝蝕區(qū)域，剝蝕厚度在40～60 m之間。

圖5 松遼盆地X油田TX44井巖心柱狀圖(左)和泥巖聲波時差計算青山口組剝蝕厚度(右)

圖6 松遼盆地X油田青山口組剝蝕厚度平面分布

總體上，研究區(qū)地層剝蝕厚度呈現(xiàn)出東北高、西南低的特征，剝蝕厚度在0～98 m之間，未剝蝕區(qū)主要分布在西南部N鼻狀構(gòu)造，強烈剝蝕區(qū)主要分布在東北部H背斜。剝蝕厚度的分布特征與盆地的構(gòu)造相吻合。朝陽溝階地東北部與東北隆起區(qū)的呼蘭隆起帶相接，東部與東南隆起區(qū)的長春嶺背斜帶相接，反映出青山口組沉積末期的構(gòu)造隆升作用，對朝陽溝階地產(chǎn)生了局部影響，其構(gòu)造擠壓應(yīng)力主要來自東北方向的呼蘭隆起帶，至朝陽溝階地逐漸減弱；同時反映出當(dāng)時松遼盆地的沉積中心位于西南或西北方向。

4 結(jié)論

(1)松遼盆地X油田青山口組存在米氏旋回天文周期，可檢測出100 ka偏心率、40 ka斜率和20 ka歲差周期，其中以100 ka偏心率周期信號較強且連續(xù)?；诿资闲乩碚撚嬎銊兾g厚度表明，由東北向西南，剝蝕厚度逐漸減薄，直至出現(xiàn)大面積分布的未剝蝕區(qū)，反映出來自東北方向構(gòu)造擠壓應(yīng)力逐漸減弱的過程。

(2)青山口組沉積末期，在松遼盆地東部整體構(gòu)造隆升的背景下，高出基準(zhǔn)面的地層遭受剝蝕，同時由于區(qū)域構(gòu)造運動的應(yīng)力存在著差異，導(dǎo)致地層剝蝕量分布不均勻。研究結(jié)果對朝陽溝階地深部地層最大埋深、生烴潛力等指標(biāo)的評價提供指導(dǎo)意見，解決了盆地模擬中青山口組沉積時期的構(gòu)造演化問題，為油氣成藏過程的定量研究提供了依據(jù)。

(3)該方法可操作性較強，不受地層定年的影響，不受剝蝕模型的限制，充分考慮到了先沉積后剝蝕、邊沉積邊剝蝕的沉積模式，適用范圍較廣，計算出的地層剝蝕厚度誤差較小。但該方法也存在不足之處，選取數(shù)據(jù)時需要排除斷層的影響，對無井、少井區(qū)域缺乏預(yù)測性的解釋。

參考文獻:

[1] 曹強,葉加仁,王巍.沉積盆地地層剝蝕厚度恢復(fù)方法及進展[J].中國石油勘探,2007,12(6):41-46.

CAO Qiang,YE Jiaren,WANG Wei.Methods of eroded strata thickness restoration in sedimentary basins and its advancement[J].China Petroleum Exploration,2007,12(6):41-46.

[2] 余朝華,肖坤葉,肖高杰,等.乍得Bongor反轉(zhuǎn)裂谷盆地中生界剝蝕厚度恢復(fù)及勘探啟示[J].中國石油勘探,2013,18(5):45-53.

YU Zhaohua,XIAO Kunye,XIAO Gaojie,et al.Mesozoic erosion thickness restoration and its implication to exploration in Bongor inverted rift basin,Chad[J].China Petroleum Exploration,2013,18(5):45-53.

[3] 彭清華,周江羽,揭異新.鏡質(zhì)體反射率法在南堡凹陷東營組剝蝕厚度恢復(fù)中的應(yīng)用[J].沉積與特提斯地質(zhì),2013,33(2):89-94.

PENG Qinghua,ZHOU Jiangyu,JIE Yixin.An application of the vitrinite reflectance trend method to the restoration of erosional thickness in the Dongying Formation,Nanpu Depression[J].Sedimentary Geology and Tethyan Geology,2013,33(2):89-94.

[4] 施小斌,石紅才,楊小秋,等.江漢盆地當(dāng)陽向斜區(qū)主要不整合面剝蝕厚度的中低溫?zé)崮甏鷮W(xué)約束[J].地質(zhì)學(xué)報,2013,87(8):1076-1088.

SHI Xiaobin,SHI Hongcai,YANG Xiaoqiu,et al.Erosion thickness of the main unconformities of Dangyang Subbasin,Jianghan Basin:Constrained by the middle-low thermochronology[J].Acta Geologica Sinica,2013,87(8):1076-1088.

[5] 石紅才,施小斌,楊小秋,等.江南隆起帶幕阜山巖體新生代剝蝕冷卻的低溫?zé)崮甏鷮W(xué)證據(jù)[J].地球物理學(xué)報,2013,56(6):1945-1957.

SHI Hongcai,SHI Xiaobin,YANG Xiaoqiu,et al.The exhumation process of Mufushan granite in Jiangnan Uplift since Cenozoic:Evidence from low-temperature thermochronology[J].Chinese Journal of Geophysics,2013,56(6):1945-1957.

[6] 袁玉松,鄭和榮,涂偉.沉積盆地剝蝕量恢復(fù)方法[J].石油實驗地質(zhì),2008,30(6):636-642.

YUAN Yusong,ZHENG Herong,TU Wei.Methods of eroded strata thickness restoration in sedimentary basins[J].Petroleum Geology & Experiment,2008,30(6):636-642.

[7] 付曉飛,李兆影,盧雙舫,等.利用聲波時差資料恢復(fù)剝蝕量方法研究與應(yīng)用[J].大慶石油地質(zhì)與開發(fā),2004,23(1):9-11.

FU Xiaofei,LI Zhaoying,LU Shuangfang,et al.Recovering denudation thickness by interval transit-time[J].Petroleum Geology & Oilfield Development in Daqing,2004,23(1):9-11.

[8] 胡凱,方小敏,趙志軍,等.宇宙成因核素10Be揭示的北祁連山侵蝕速率特征[J].地球科學(xué)進展,2015,30(2):268-275.

HU Kai,FANG Xiaomin,ZHAO Zhijun,et al.Erosion rates of northern Qilian mountains revealed by Cosmogenic10Be[J].Advances in Earth Science,2015,30(2):268-275.

[9] 姚益民,徐旭輝,劉翠榮,等.米氏旋回剝蝕量計算方法在泌陽凹陷的應(yīng)用[J].石油實驗地質(zhì),2011,33(5):460-467.

YAO Yimin,XU Xuhui,LIU Cuirong,et al.Calculation of denudation amount with Milankovitch cycle method:A case study in Biyang Sag[J].Petroleum Geology & Experiment,2011,33(5):460-467.

[10] 黃春菊.旋回地層學(xué)和天文年代學(xué)及其在中生代的研究現(xiàn)狀[J].地學(xué)前緣,2014,21(2):48-66.

HUANG Chunju.The current status of cyclostratigraphy and astrochronology in the Mesozoic[J].Earth Science Frontiers,2014,21(2):48-66.

[11] LASKAR J,ROBUTEL P,JOUTEL F,et al.A long-term numerical solution for the insolation quantities of the Earth[J].Astronomy & Astrophysics,2004,428(1):261-285.

[12] 吳淑玉,劉俊.北黃海東部坳陷始新統(tǒng)米蘭科維奇旋回特征[J].地球科學(xué)(中國地質(zhì)大學(xué)學(xué)報),2015,40(11):1933-1944.

WU Shuyu,LIU Jun.Characteristics of Milankovitch cycle in Eocene Formation,eastern depression of the North Yellow Sea Basin[J].Earth Science(Journal of China University of Geosciences),2015,40(11):1933-1944.

[13] 徐啟.非震結(jié)合油藏非均質(zhì)性刻畫及在朝陽溝油田二三類區(qū)塊中應(yīng)用[D].大慶:東北石油大學(xué),2014.

XU Qi.The method of characterizing reservoir heterogeneity by integrating well-to-seismic and its application in the second and third kinds of blocks in Chaoyanggou Oilfield[D].Daqing:Northeast Petroleum University,2014.

[14] 趙翰卿.大慶油田精細(xì)儲層沉積學(xué)研究[M].北京:石油工業(yè)出版社,2012.

ZHAO Hanqing.Daqing oilfield fine reservoir sedimentology[M].Beijing:Petroleum Industry Press,2012.

[15] 吳懷春,張世紅,黃清華.中國東北松遼盆地晚白堊世青山口組浮動天文年代標(biāo)尺的建立[J].地學(xué)前緣,2008,15(4):159-169.

WU Huaichun,ZHANG Shihong,HUANG Qinghua.Establishment of floating astronomical time scale for the terrestrial Late Cretaceous Qingshankou Formation in the Songliao Basin of Northeast China[J].Earth Science Frontiers,2008,15(4):159-169.

[16] 崔軍平.松遼盆地東部哈爾濱—綏化地區(qū)構(gòu)造演化及其對油氣成藏條件的控制作用[D].西安:西北大學(xué),2007.

CUI Junping.Structural evolution of Haerbin-Suihua area in East Songliao Basin and its control over hydrocarbon formation condition[D].Xi’an:Northwest University,2007.

[17] 萬雙雙.松遼盆地北部構(gòu)造演化研究[D].成都:成都理工大學(xué),2012.

WAN Shuangshuang.The study on tectonic evolution in North Songliao Basin[D].Chengdu:Chengdu University of Techno-logy,2012.

[18] SCHULZ M,MUDELSEE M.REDFIT:Estimating red-noise spectra directly from unevenly spaced paleoclimatic time series[J].Computers & Geosciences,2002,28(3):421-426.

[19] TORRENCE C,COMPO G P.A practical guide to wavelet ana-lysis[J].Bulletin of the American Meteorological Society,1998,79(1):61-78.