地球物理與地球化學(xué)方法在陸相層序識(shí)別中的應(yīng)用——以新生代敦化盆地為例

韓嬌艷，胡菲

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地球物理與地球化學(xué)方法在陸相層序識(shí)別中的應(yīng)用——以新生代敦化盆地為例

韓嬌艷1，胡菲2

（1.中石化東北油氣分公司勘探開發(fā)研究院，長春 130062；2.吉林大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，長春 130061）

層序地層單元的識(shí)別是層序地層學(xué)研究的基礎(chǔ)，通常對(duì)于不同級(jí)別層序地層單元的識(shí)別要依據(jù)不同的資料和手段，不同的研究方法在劃分不同級(jí)別的層序上各具優(yōu)勢(shì)。當(dāng)傳統(tǒng)的層序識(shí)別手段（巖心、測(cè)井、地震）遇到困難時(shí)，就需要運(yùn)用地球物理特殊處理和地球化學(xué)的方法來輔助層序的識(shí)別。在敦化盆地地震資料品質(zhì)差、測(cè)井和巖心資料相對(duì)缺乏的條件下，本文在地球物理方法上應(yīng)用小波變換、“門檻值特殊處理”的瞬時(shí)相位剖面來輔助三級(jí)層序和體系域的識(shí)別，在地球化學(xué)方法上應(yīng)用有機(jī)碳（TOC）、微量元素、稀土元素的方法來輔助三級(jí)層序、體系域和準(zhǔn)層序的識(shí)別，從而彌補(bǔ)了傳統(tǒng)的單一方法識(shí)別層序產(chǎn)生的不足。

層序識(shí)別; 敦化盆地; 地球物理; 地球化學(xué)

層序地層學(xué)是分析基準(zhǔn)面變化的沉積響應(yīng)、研究可容納空間（充填沉積物的空間）與沉積作用相互影響及其引起的沉積趨勢(shì)變化的一門學(xué)科（Catuneanu O，2006）[1]。其經(jīng)典理論起源于對(duì)被動(dòng)大陸邊緣海相地層的研究，后經(jīng)國內(nèi)外學(xué)者多年發(fā)展和完善逐漸推廣到陸相地層研究之中。層序地層單元的識(shí)別是層序地層學(xué)研究的基礎(chǔ)，對(duì)于不同級(jí)別層序地層單元的識(shí)別要依據(jù)不同的資料和手段。在陸相層序識(shí)別中，前人已應(yīng)用相應(yīng)的方法對(duì)不同級(jí)別的層序識(shí)別作了大量的研究。

圖1 敦化盆地地理位置圖

Harder H B（1970）和Couch E L（1971）強(qiáng)調(diào)，在一個(gè)層序地層單元形成過程中，在古氣候驅(qū)動(dòng)下的湖平面變化旋回中，沉積巖中的地球化學(xué)元素會(huì)發(fā)生周期性變化，從而拉開了應(yīng)用地球化學(xué)元素進(jìn)行層序劃分的序幕，從而引起了學(xué)者們的熱潮，在前人研究的基礎(chǔ)上，Peters（2000）與Bohacs（2000）先后提出了層序地球化學(xué)概念，Peters（2000）在研究印度尼西亞Mahakam 三角洲時(shí)，充分利用有機(jī)碳等化學(xué)數(shù)據(jù)建立了Mahakam地區(qū)新的層序地層模式[2]。同時(shí)國內(nèi)學(xué)者也相繼應(yīng)用地球化學(xué)方法對(duì)層序進(jìn)行了識(shí)別與劃分[4-9]，并取得了較好的效果[3-9]，而田景春等[10]總結(jié)了地球化學(xué)標(biāo)志與體系域變化的關(guān)系[10]。

對(duì)于地球物理方法，前人應(yīng)用較多的是應(yīng)用瞬時(shí)相位和小波變換來進(jìn)行層序劃分，朱建偉等（2001）通過對(duì)比杏山66測(cè)線瞬時(shí)相位剖面和其相應(yīng)的解釋剖面中的層序發(fā)現(xiàn)，層序界面及層序內(nèi)部體系域之間的接觸關(guān)系都十分清晰，取得了較好的效果[11]，李勤學(xué)等[12]應(yīng)用瞬時(shí)相位特殊處理，在徐家圍子地區(qū)的層序劃分中也取得了較好的效果[12]。小波變換是通過時(shí)頻窗來對(duì)原信號(hào)進(jìn)行分析的（陳桂明等，2000），小波變換用來劃分層序的方法已日趨成熟，不同的學(xué)者分別在各自的領(lǐng)域取得了較好的成果[13-16]。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

敦化盆地位于敦密斷裂帶中段，地理上位于吉林省延邊地區(qū)敦化市境內(nèi)，北鄰寧安盆地，南接樺甸盆地，盆地整體呈北東向展布，面積4 400 km2（圖1）。目前仍處于勘探的初級(jí)階段，前人研究表明其具有一定的油氣資源潛力[17-21]，且中-新生代地層為主要的目的層，其油氣勘探前景備受關(guān)注。

敦化盆地經(jīng)歷過拉張、走滑等多種應(yīng)力作用，盆地性質(zhì)、構(gòu)造與沉積充填特征較復(fù)雜，油氣分布規(guī)律不明確。因此，本文開展盆地的層序地層學(xué)研究，這將為后期的沉積特征、構(gòu)造特征以及生儲(chǔ)蓋等特征研究都會(huì)起到鋪墊的作用，同時(shí)，也將為未來在敦化盆地的油氣勘探?jīng)Q策提供科學(xué)的依據(jù)。

敦化盆地地層自下而上依次發(fā)育古生界泥盆系和二疊系、中生界侏羅系和白堊系、新生界古近系、新近系以及第四系。其中中生界主要包括侏羅系托盤溝組（J1-2），下白堊統(tǒng)屯田營組（K1）、西山坪組（K1）、長財(cái)組（K1）、泉水村組（K1）和大砬子組（K1）；新生界為研究目的層，主要包括古近系琿春組（E2-3），新近系土門子組（N1）和船底山組玄武巖，第四系主要發(fā)育火山噴發(fā)玄武巖。

2 地球物理方法識(shí)別

地球物理方法近年來已經(jīng)成為層序識(shí)別的一種有效手段，尤其是當(dāng)盆地內(nèi)鉆井和測(cè)井資料有限時(shí)，更需要應(yīng)用地球物理的方法來進(jìn)行層序的輔助識(shí)別，本次在敦化盆地新生界層序地層研究中主要采用了小波變換和通過“門檻值特殊處理”的三瞬剖面來對(duì)層序界面進(jìn)行輔助識(shí)別。層序的劃分采用劉招君等[15，26]提出的四分體系域觀點(diǎn)[22]，即一個(gè)三級(jí)層序包括低水位體系域（LST）、水進(jìn)體系域（TST）、高水位體系域（HST）和水退體系域（RST）。

2.1 小波變換

劉招君等（2002）根據(jù)進(jìn)積型、退積型和加積型的準(zhǔn)層序的疊加方式，設(shè)計(jì)了不同類型的準(zhǔn)層序組的聲波時(shí)差曲線（圖2）。通過小波變換得到了其小尺度時(shí)頻譜特征，從頻譜特征分布可以看出，對(duì)于進(jìn)積型準(zhǔn)層序組，振幅能量由深至淺有加大趨勢(shì)，加積型準(zhǔn)層序組振幅能量基本保持不變，而退積型準(zhǔn)層序組，振幅能量由深至淺有減小加大趨勢(shì)，這表明不同類型的準(zhǔn)層序組其小波變換頻譜特征是有區(qū)別的，這就為利用小波變換頻譜特征研究層序、體系域的劃分和內(nèi)部疊加方式提供了有效的手段。

圖2 不同類型準(zhǔn)層序時(shí)頻譜特征

（a）進(jìn)積型；（b）退積型；（c）加積型（據(jù)劉招君等，2002）

根據(jù)不同類型準(zhǔn)層序的時(shí)頻譜特征，對(duì)敦化盆地的體系域進(jìn)行了識(shí)別（圖3）。從圖中可以看出，單從自然GR曲線上很難發(fā)現(xiàn)層序的旋回特征，但是通過小波變換之后，可以明顯看出敦化盆地新生代地層在小波變化頻譜圖上明顯表現(xiàn)為6個(gè)完整的旋回，從而將新生代地層分為6個(gè)三級(jí)層序。其中古近系琿春組發(fā)育4個(gè)三級(jí)層序，新近系土門子組發(fā)育2個(gè)三級(jí)層序。而在層序劃分的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步進(jìn)行了更大精度的小波變換，從而對(duì)體系域進(jìn)行了識(shí)別。從圖中可以看出，低水位體系域（LST）在時(shí)頻譜上由進(jìn)積型準(zhǔn)層序組組成，能量譜向上有變大的趨勢(shì)，水進(jìn)體系域（TST）在時(shí)頻譜上由退積型準(zhǔn)層序組組成，能量譜向上有變小的趨勢(shì)；高水位體系域（HST）在時(shí)頻譜上由加積型準(zhǔn)層序組組成，能量譜幾乎保持不變；而水退體系域（RST）在時(shí)頻譜上由進(jìn)積型準(zhǔn)層序組組成，能量譜向上有明顯變大的趨勢(shì)。

2.2 “門檻值特殊處理”的三瞬剖面

由于敦化盆地地震資料品質(zhì)的限制，有時(shí)需要對(duì)地震剖面進(jìn)行特殊處理，這是用于層序劃分的一種有效輔助方法。瞬時(shí)相位模塊應(yīng)用普遍，其效果往往取決于地震剖面的質(zhì)量，由于敦化盆地地震品質(zhì)差，將瞬時(shí)相位技術(shù)直接應(yīng)用得到的效果并不理想，因此，將瞬時(shí)相位處理剖面作全新的輸入，進(jìn)行“門檻值特殊處理”，即給屬性剖面賦予一個(gè)門檻值k，k之上數(shù)值經(jīng)振幅加強(qiáng)，k之下數(shù)值全部為零。k值通過反復(fù)的試驗(yàn)進(jìn)行確定，通過處理后的剖面背景干凈，使得剖面上反射結(jié)構(gòu)、幾何特征更為清晰，從而能夠?qū)有蚪缑婧腕w系域特征進(jìn)行更好的識(shí)別，取得了較好的效果（圖4）。

圖3 敦化盆地敦參1井層序與體系域小波變換識(shí)別特征

從圖中可以看出，在原始地震剖面上，地震反射結(jié)構(gòu)特征并不明顯，經(jīng)過地球物理特殊處理之后，地震反射特征變的更加清楚。每個(gè)層序發(fā)育4個(gè)體系域，每個(gè)體系域識(shí)別特征明顯，在層序界面之下發(fā)育削截現(xiàn)象，界面之上發(fā)育上超點(diǎn)，第一個(gè)上超點(diǎn)對(duì)應(yīng)于首次湖泛面，限定了低水位體系域（LST）的范圍；最長最連續(xù)的軸為最大湖泛面（mfs），對(duì)應(yīng)了最大湖泛時(shí)期，其與首次湖泛面之間為水進(jìn)體系域（TST），水進(jìn)體系域在湖盆邊緣上超于層序界面之上；最大湖泛面與下超面之間為高水位體系域（HST），表現(xiàn)為連續(xù)的反射軸；水退體系域（RST）發(fā)育明顯的前積現(xiàn)象，在地震反射結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)為下超。除此之外，還可以在體系域內(nèi)識(shí)別出一些特殊的地震反射形態(tài)，如在水進(jìn)體系域（TST）和水退體系域（RST）之內(nèi)識(shí)別出透鏡體，這將為沉積體系分析以及相模式的建立提供有利的證據(jù)。

3 地球化學(xué)方法識(shí)別

層序是基準(zhǔn)面變化的產(chǎn)物，而基準(zhǔn)面的變化往往會(huì)影響地球化學(xué)元素和有機(jī)碳含量在沉積物中的富集程度，因此，我們可以應(yīng)用沉積物中地球化學(xué)元素和有機(jī)碳含量變化特征來進(jìn)行層序的劃分。

3.1 微量元素與稀土元素與層序劃分

敦化盆地巖性發(fā)育主要為大套砂巖層或砂泥巖互層，泥巖顏色變化不明顯，而且缺乏測(cè)井曲線資料，單純的從單井上很難進(jìn)行層序地層單元的劃分。因此研究中借助了地球化學(xué)手段，在微量元素中，主要選取了V、Ni和Sr/Ba，稀土元素主要選取了∑REE和∑LREE來進(jìn)行層序和體系域的劃分（圖5）。從圖中可以看出，在敦化1井Sq4各體系域中，微量元素與稀土元素富集規(guī)律與基準(zhǔn)面變化成較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，隨著基準(zhǔn)面的升降，4個(gè)體系域表現(xiàn)出不同的微量元素和稀土元素特征：在LST時(shí)期，各元素含量較低，在TST時(shí)期含量增高，在HST時(shí)期達(dá)到最高，而RST時(shí)期降低。

圖5 敦化1井Sq4不同體系域稀土元素和微量元素變化特點(diǎn)

在以上分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步總結(jié)出了在層序四分體系域格架內(nèi)不同體系域與地球化學(xué)標(biāo)志的對(duì)應(yīng)關(guān)系（圖6），在LST時(shí)期，各元素含量較低，在TST時(shí)期含量增高，在HST時(shí)期達(dá)到最高，而RST時(shí)期降低。

圖6 不同體系域稀土元素、微量元素變化特點(diǎn)

3.2 有機(jī)碳（TOC）與層序劃分

Creaney和Passey（1990，1993）詳細(xì)研究了海相烴源巖TOC含量隨體系域變化的特征：在最大海泛面之上，由于高水位體系域的進(jìn)積作用，沉積物被稀釋，有機(jī)碳含量降低；在該海泛面之下，由于前一個(gè)水進(jìn)體系域有較高的沉積速率，TOC也降低，并指出可以應(yīng)用TOC來進(jìn)行層序劃分。Peters等（2000）總結(jié)的層序地球化學(xué)模型中強(qiáng)調(diào)了TOC與層序的關(guān)系，在LST時(shí)TOC低，形成差烴源巖，TST時(shí)TOC含量加大，形成好烴源巖，到Mfs時(shí)TOC達(dá)到最大，HST時(shí)TOC含量又降低。近年來，應(yīng)用TOC的變化對(duì)深水泥巖段進(jìn)行層序地層的劃分取得了較大的成果（楊玉峰等，2003；陳建平等，2005；劉招君等，2011）[24-26]，但同時(shí)，在巖性識(shí)別特征不明顯的條件下，我們也可以應(yīng)用TOC來對(duì)層序進(jìn)行輔助識(shí)別。

在敦化盆地，TOC在準(zhǔn)層序劃分上具有明顯的識(shí)別特征，每個(gè)TOC 單元代表著一次水深變化過程，而TOC單元的底部突變恰代表了水體突然變深的過程，與準(zhǔn)層序界面的水體變化十分相似。底部突變的TOC單元的底部對(duì)應(yīng)的界面應(yīng)該為一個(gè)準(zhǔn)層序的界面，而一個(gè)單一的TOC單元就應(yīng)該對(duì)應(yīng)于一個(gè)準(zhǔn)層序，每一個(gè)準(zhǔn)層序在TOC上都表現(xiàn)為突然增大然后逐漸減小的旋回（圖7）

圖7 敦化盆地敦化1井Toc識(shí)別準(zhǔn)層序

4 結(jié)論

1）應(yīng)用小波變換可以很好的對(duì)三級(jí)層序和體系域單元進(jìn)行良好的識(shí)別，敦化盆地新生代地層在小波變化頻譜圖上明顯表現(xiàn)為6個(gè)完整的旋回，從而將新生代地層分為6個(gè)三級(jí)層序。在體系域識(shí)別上，低水位體系域能量譜向上有變大的趨勢(shì)，水進(jìn)體系域能量譜向上有變小的趨勢(shì)；高水位體系域能量譜幾乎保持不變；而水退體系域能量譜向上有明顯變大的趨勢(shì)。通過“門檻值特殊處理”后的剖面，背景干凈，剖面上反射結(jié)構(gòu)、幾何特征更為清晰，能夠?qū)有蚪缑婧腕w系域特征進(jìn)行更好的識(shí)別。

2）應(yīng)用微量元素和稀土元素可以很好的劃分體系域，隨著基準(zhǔn)面的升降，4個(gè)體系域表現(xiàn)出不同的微量元素和稀土元素特征：在LST時(shí)期，各元素含量較低，在TST時(shí)期含量增高，在HST時(shí)期達(dá)到最高，而RST時(shí)期降低。而應(yīng)用TOC可以很好的識(shí)別準(zhǔn)層序單元，每個(gè)準(zhǔn)層序底部對(duì)應(yīng)著TOC突然增大的特征，每一個(gè)準(zhǔn)層序在TOC上都表現(xiàn)為突然增大然后逐漸減小的旋回。

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The Application of Geophysical and Geochemical Methods to Continental Sequence Recognition——by the example of the Cenozoic Dunhua basin

HAN Jiao-yan1HU Fei2

（1-Research Institute of Exploration and Exploitation, Northeast Oil and Gas Field, SINOPEC Company Limited, Changchun 130062; 2-Institute of Earth Science, Jilin University, Changchun 130061）

The identification of sequence stratigraphic units is the basis of sequence stratigraphy research. Generally, the identification of different sequence stratigraphic units should be based on different data and means, and different research methods have their own advantages in the classification of different levels of sequence. When the traditional methods of sequence identification （core, logging, seismic） encounter difficulties, it is necessary to use special geophysical treatment and geochemical methods for assisting the identification of sequences. In the Dunhua basin, due to poor quality of seismic data and scarce well logging and core data, geophysical methods such as wavelet transform and the "threshold special processing" instantaneous phase profile are used to assist the identification of the three grade sequence and system tracts, geochemical methods such as organic carbon（TOC）,trace elements and rare earth elements are used to assist the identification of the three grade sequence, system tracts and subsequence, which makes up the shortage of single method of traditional sequence recognition.

sequence recognition; Dunhua basin; geophysical method; geochemical method

2017-11-08

韓嬌艷（1986-），女，工程師，碩士研究生，現(xiàn)主要從事石油地質(zhì)研究工作

P631、32；P618.13

A

1006-0995（2018）03-0513-05

10.3969/j.issn.1006-0995.2018.03.037