基于小波分析的層序地層劃分及識(shí)別
——以川東地區(qū)上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M為例

余瑜，林良彪，藍(lán)彬桓，洪薇，郭炎

(1.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工大學(xué))，四川 成都 610059；2.成都理工大學(xué)沉積 地質(zhì)研究院，四川 成都 610059；3.國家電網(wǎng)遂寧供電公司，四川 遂寧 629000)

層序地層學(xué)最初由VAIL等人于20世紀(jì)70年代提出(VAIL P R, et al., 1977)，經(jīng)過這數(shù)十年的發(fā)展，在得到廣泛應(yīng)用的同時(shí)也被地質(zhì)學(xué)家賦予了新的地質(zhì)意義。近年來，層序地層學(xué)在沉積演化、油氣勘探領(lǐng)域被越來越多的使用(陳洪德等，2011；林良彪等，2007；于波，2016；尹青等，2015)，陳洪德等(2011)通過分析中上揚(yáng)子克拉通華力西—印支期的層序剖面結(jié)構(gòu)、體系域疊加樣式等，揭示了中上揚(yáng)子地區(qū)華力西—印支期的盆地層序充填特征；林良彪等(2007)通過野外剖面、鉆井和地震資料，在識(shí)別層序界面的基礎(chǔ)上進(jìn)行層序劃分，將四川盆地上三疊統(tǒng)劃分為3個(gè)構(gòu)造層序。技術(shù)方法的更新進(jìn)步使得層序地層學(xué)的研究向著高頻層序的方向發(fā)展，受冰川型海平面變化和氣候影響的高頻程序(四級(jí)—六級(jí)層序)引起越來越多的地質(zhì)學(xué)家重視(尹青等，2015；張運(yùn)波等，2011；趙宗舉等，2010；徐偉等，2012)。高頻層序的時(shí)間跨度不到1Myr，甚至可能僅數(shù)個(gè)10Ka。傳統(tǒng)的層序地層學(xué)研究方法與技術(shù)手段在高頻層序的研究中效果甚微，不少的學(xué)者利用頻譜分析技術(shù)對(duì)地層的測井曲線進(jìn)行高頻旋回層序研究，更新和完善了高頻層序識(shí)別與劃分相關(guān)的方法與技術(shù)(尹青等，2015；張運(yùn)波等，2011；趙宗舉等，2010；徐偉等，2012；陳鋼花等，2007；王起琮，2009)。

隨著四川盆地下寒武統(tǒng)筇竹寺組、上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組的頁巖氣勘探相繼獲得重大突破(管全中等，2015；張海全等，2011)，同樣作為四川盆地古生代三套泥質(zhì)烴源巖之一的龍?zhí)督M(吳家坪組)相應(yīng)的研究卻相對(duì)缺乏。前人對(duì)于龍?zhí)督M/吳家坪組的研究主要集中在層序格架、沉積環(huán)境及烴源巖的評(píng)價(jià)上(徐強(qiáng)等，2004；林良彪等，2009；李鳳杰等，2009；張廷山等，2017；騰格爾等，2010；趙宗舉等，2012)，且對(duì)于地層層序的劃分存在著一定的爭議(徐強(qiáng)等，2004；林良彪等，2009；李鳳杰等，2009)?；诖?，結(jié)合前人研究成果，筆者以川東地區(qū)上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M的鉆測井資料為主要依據(jù)，利用頻譜分析和Fischer圖解對(duì)龍?zhí)督M進(jìn)行高頻層序地層識(shí)別、劃分的研究，分析其可容納空間變化的規(guī)律及對(duì)米蘭科維奇沉積旋回的記錄。

1 地質(zhì)背景

研究區(qū)位于四川盆地東部，構(gòu)造單元上屬于上揚(yáng)子地區(qū)(四川油氣區(qū)石油地質(zhì)編寫組，1989)。根據(jù)現(xiàn)今地表地形，四川盆地劃分為川西低陡構(gòu)造區(qū)、川北低平構(gòu)造區(qū)等6個(gè)構(gòu)造單元，研究區(qū)位于川東高陡構(gòu)造區(qū)(圖1)。中晚二疊世之交的東吳運(yùn)動(dòng)致使揚(yáng)子板塊西南緣的康滇古陸隆升成陸，并成為四川盆地的主要物源區(qū)之一，四川盆地整體上呈現(xiàn)出西南地勢相對(duì)較高、向北逐漸降低的特點(diǎn)，在盆地內(nèi)西部和南部發(fā)育了一套海陸交互相地層，巖性以暗色泥巖、碳質(zhì)泥巖為主，夾有煤線，即龍?zhí)督M(P3l)；向盆地內(nèi)北部、東部相變?yōu)楹Ｏ嗟貙樱磪羌移航M(P3w)(四川油氣區(qū)石油地質(zhì)編寫組，1989)，筆者為簡便，統(tǒng)稱為龍?zhí)督M。

1.井位；2.研究區(qū)位置；3.盆地邊界；4.構(gòu)造分區(qū)圖1 研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造位置圖Fig.1 Regional tectonics location of study area

2 數(shù)據(jù)的選擇與處理

對(duì)于高頻層序的研究，不同學(xué)者采用的原始數(shù)據(jù)有不小的差別，夏國清等(2010)根據(jù)野外露頭的地層顏色、巖性等特征進(jìn)行了米級(jí)沉積旋回的劃分；趙宗舉等(2010)利用GR及LLD測井曲線，結(jié)合鉆井巖心、地震反射特征及碳氧同位素曲線等資料，研究了塔中—巴楚地區(qū)上奧陶統(tǒng)碳酸鹽巖發(fā)育的高頻層序特征；尹青等(2015)、張運(yùn)波等(2011)、王起琮(2009)、彭博等(2013)均利用GR測井資料進(jìn)行了高頻(米蘭科維奇旋回)層序的研究，并得到了較為理想的結(jié)果。研究區(qū)內(nèi)龍?zhí)督M野外露頭出露情況較差，為了追求更加精確的結(jié)果，本次研究采用川東地區(qū)龍?zhí)督M鉆井的測井資料進(jìn)行分析。研究區(qū)內(nèi)龍?zhí)督M整體上是一套以泥頁巖為主的夾碎屑巖或碳酸鹽巖的地層，相對(duì)于砂巖和碳酸鹽巖來說，泥巖顆粒更為細(xì)小，比表面積相對(duì)更大，更易吸附放射性元素。如K、Th、U等元素，從而具有相對(duì)更高的伽馬值，因此，在研究中選擇相對(duì)于泥質(zhì)含量較為敏感的自然伽馬(GR)曲線進(jìn)行分析研究。

選取研究區(qū)內(nèi)未發(fā)育斷層及不發(fā)育火山巖的井位的GR曲線，應(yīng)用Matlab軟件的小波分析工具箱(Wavelet Toolbox)對(duì)鉆井自然伽馬數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。首先，對(duì)井位的GR數(shù)據(jù)進(jìn)行0.125 m的等間距數(shù)據(jù)采集，即在厚度為1m的地層采集8個(gè)數(shù)據(jù)；其次，因?yàn)闇y井曲線可能記錄了與地質(zhì)作用不相關(guān)的數(shù)據(jù)，為消除人為因素及環(huán)境因素對(duì)自然伽馬測井曲線的影響，在小波工具箱中對(duì)原始的GR數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪(D-noise)處理；之后，根據(jù)前人的研究方法(王起琮，2009；彭博等，2013)，將降噪處理后的GR數(shù)據(jù)放入Matlab軟件的小波工具箱進(jìn)行dbN小波變換。dbN小波能夠有效地分解含多種頻率成分的復(fù)雜信號(hào)(王起琮，2009)，最終得到了多層的小波分解曲線；最后，再對(duì)降噪處理后的GR數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)小波變換(Continuous Wavelet)，選取morl小波對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，得到了相應(yīng)的二維能量譜圖(圖2、圖3)。

3 龍?zhí)督M旋回劃分

3.1 地層旋回劃分

以普光5井為例，得到小波分析的圖解和層序地層劃分(圖2)。結(jié)合二維能量譜圖和具較強(qiáng)的旋回性質(zhì)的dbN曲線進(jìn)行龍?zhí)督M內(nèi)部的三級(jí)層序劃分。

普光5井龍?zhí)督M厚度為197 m，巖性以灰?guī)r和泥巖為主，morl小波分析得到的二維能量譜圖顯示，普光5井龍?zhí)督M底部具有相對(duì)較強(qiáng)的能量，這與底部泥巖相對(duì)發(fā)育致使GR測井曲線數(shù)據(jù)具正高值有關(guān)。據(jù)能量譜圖和d9、d8小波分解曲線，普光5井龍?zhí)督M可劃分為3個(gè)三級(jí)層序，分別是SQ1、SQ2、SQ3。其中，SQ1深度分布范圍為5 696.5～5 747.5 m，SQ2為5 659.5～5 696.5 m，SQ3為5 550.5～5 659.5 m，泥巖、灰質(zhì)泥巖主要分布于SQ1、SQ2。據(jù)前人研究表明，受東吳運(yùn)動(dòng)和海平面下降的影響，龍?zhí)督M底界面為造山侵蝕不整合界面，屬于I型層序界面(林良彪等，2009)，龍?zhí)镀谠缙谒拇ㄅ璧貣|部廣泛發(fā)育低位體系域(LST)。因此，將SQ1劃分為低位體系域、海侵體系域(TST)及高位體系域(HST)，厚度上TST與HST大致相等，LST厚度較小。而SQ2、SQ3底界面均屬于II型層序界面，均缺乏陸棚邊緣體系域沉積，只識(shí)別出了海侵體系域與高位體系域，且TST與HST厚度近似，發(fā)育TST、HST近完全對(duì)稱型的層序。前人研究表明，這類型層序是形成于較高的可容納空間及較低的沉積物供給的沉積環(huán)境下，水動(dòng)力條件相對(duì)較弱(鄭榮才等，2010)。

據(jù)前人研究顯示，川東北的吳家坪組與川南、川西的龍?zhí)督M呈漸變過渡關(guān)系，具低能環(huán)境沉積特征，發(fā)育碳酸鹽緩坡沉積。吳家坪組后期，由于持續(xù)的海侵導(dǎo)致的快速沉積作用及碳酸鹽巖生產(chǎn)率的增加，碳酸鹽緩坡向臺(tái)地轉(zhuǎn)變，最終形成了晚二疊世長興期的碳酸鹽臺(tái)地沉積(張帆等，1993)。沉積環(huán)境的變化控制著龍?zhí)督M層序厚度及巖性的變化，發(fā)育泥頁巖的SQ1、SQ2厚度明顯小于以灰?guī)r沉積為主的SQ3，SQ1和SQ2主要發(fā)育深水碳酸鹽緩坡沉積，主要為低能環(huán)境的泥頁巖、薄層灰?guī)r等沉積。SQ3發(fā)育淺水碳酸鹽緩坡沉積，沉積了一套以灰?guī)r為主夾少量泥質(zhì)灰?guī)r的巖石，泥巖幾乎不發(fā)育，沉積環(huán)境整體上水動(dòng)力條件依然較弱，灰?guī)r以泥-微晶灰?guī)r為主。

應(yīng)用同樣的方法對(duì)自深1井進(jìn)行小波分析與層序劃分(圖3)，得到SQ1、SQ2、SQ3三個(gè)層序。自深1井龍?zhí)督M巖性以泥巖、頁巖夾薄層狀砂巖為主，在層序劃分上，與普光5井不同的是，自深1井的SQ1層序未發(fā)育LST,這也是造成自深1井與普光5井發(fā)育米級(jí)旋回?cái)?shù)量存在差異的原因。

圖2 川東地區(qū)上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M小波變換與層序劃分圖(普光5井)Fig.2 Sequence division and wavelet transform of the Longtan Formation in eastern Sichuan Basin (Puguang 5 Well)

3.2 Fischer圖解

Fischer圖解是一個(gè)以時(shí)間為橫坐標(biāo)，以米級(jí)旋回經(jīng)過線性沉降校正的累計(jì)厚度偏移為縱坐標(biāo)的一個(gè)變化圖解(蘇德辰等，1995)。曲線代表著沉積時(shí)可容納空間的變化，因此Fischer圖解被廣泛應(yīng)用于以碳酸鹽為主的海相地層的旋回地層劃分及海平面升降變化的研究中(彭博等，2013；蘇德辰等，1995)。在這需要指出的是米級(jí)旋回是指地層記錄的在野外露頭上可以直接識(shí)別出的、幾十厘米到幾米厚的地層堆積巖石單元(ANDERSON E J.，et al.，1990；梅冥相等，2000)。米級(jí)旋回又稱之為高頻旋回(MITCHUM R M.et al.,1991)，在經(jīng)典層序地層學(xué)的劃分中通常指的是四級(jí)層序，即準(zhǔn)層序(VAIL P R.et al.,1991)，是在米蘭科維奇天文周期旋回的影響下形成的巖石地層。在構(gòu)造相對(duì)穩(wěn)定地區(qū)，米蘭科維奇旋回常受控于氣候的影響，而氣候的變化與地球軌道參數(shù)有著緊密的聯(lián)系。

圖3 川東地區(qū)上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M小波變換與層序劃分圖(自深1井)Fig.3 Sequence division and wavelet transform of the Longtan Formation in eastern Sichuan Basin (Zhishen 1 Well)

在野外剖面上，識(shí)別米級(jí)旋回的方法主要根據(jù)露頭的巖性、巖相、沉積構(gòu)造及垂向沉積序列進(jìn)行識(shí)別。在本次研究中，筆者采用對(duì)自然伽馬測井曲線進(jìn)行小波分解，提取顯示相對(duì)高頻的d4曲線進(jìn)行旋回劃分(圖2)，劃分依據(jù)是將d4分解曲線上相鄰的兩個(gè)波峰之間的部分劃分為一個(gè)米級(jí)旋回。應(yīng)用這個(gè)方法，將普光5井龍?zhí)督M劃分為51個(gè)米級(jí)旋回，普光5井龍?zhí)督M厚度為197 m，因此得到每個(gè)米級(jí)旋回平均厚度為3.86 m；自深1井龍?zhí)督M劃分為46個(gè)米級(jí)旋回，自深1井厚度為121.5 m，每個(gè)米級(jí)旋回萍姐厚度為2.64 m。

普光5井龍?zhí)督M的Fischer圖解如圖4，可以看出與前文三級(jí)層序的劃分具有良好的契合程度：曲線由左向右可以劃分為3個(gè)旋回，其中旋回1至旋回14劃分對(duì)應(yīng)層序SQ1，曲線先后經(jīng)歷了降低、升高、再降低的趨勢，累計(jì)方差大部分情況下小于0，表明可容納空間經(jīng)歷了降低—升高—降低；旋回15至旋回24對(duì)應(yīng)層序SQ2，累計(jì)方差均小于0，曲線在旋回20升至最高，之后持續(xù)降低，曲線的上升和下降對(duì)稱性較明顯，表明海平面的升降變化較穩(wěn)定；旋回25至旋回51對(duì)應(yīng)為SQ3，發(fā)育了大套的灰?guī)r及泥灰?guī)r，可容納空間經(jīng)過短暫的下降之后快速上升，在旋回34升至最高，之后進(jìn)入可容納空間下降階段。對(duì)比自深1井與普光5井的Fischer圖解，二者間存在著較大的差異，普光5井的SQ1旋回1-旋回3可容納空間存在著降低的現(xiàn)象，即SQ1發(fā)育有LST，而自深1井未見LST的發(fā)育，反映可容納空間的曲線快速上升，然后經(jīng)過震蕩波動(dòng)后再次下降；普光5井SQ2呈現(xiàn)對(duì)稱性的上升—下降形態(tài)，自深1井SQ2從旋回13至旋回33呈震蕩下降，巖性剖面上表現(xiàn)為泥頁巖夾薄層砂巖；普光5井SQ3巖性以碳酸鹽巖為主，厚度顯著大于以泥頁巖為主的自深1井SQ3。

圖4 普光5井、自深1井龍?zhí)督MFischer圖解與層序劃分圖Fig.4 Fischer plots and sequence division of Puguang 5 Well and Zhisheng 1 Well

普光5井與自深1井的Fischer圖解與三級(jí)層序具有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)于可容納空間變化的記錄有著較好的顯示，表明利用小波變換對(duì)自然伽馬測井曲線進(jìn)行三級(jí)層序及米級(jí)層序的劃分是一種有效地方法。

4 頻譜分析

結(jié)合PAST2.0軟件Spectral analysis程序?qū)ζ展?井及自深1井龍?zhí)督M自然伽馬曲線進(jìn)行頻譜分析(夏國清等，2010；伊海生，2011)，得到普光5井及自深1井的頻譜分析如圖5所示。頻譜分析結(jié)果顯示具有多個(gè)能量峰值點(diǎn)，普光5井的頻譜分析在置信度90%以上的分別對(duì)應(yīng)的頻率數(shù)值為0.002 93、0.009 76、0.017 56、0.026 37、0.033 20、0.052 73、0.092 773；自深1井的頻譜分析分別對(duì)應(yīng)的頻率數(shù)值為0.012 295、0.015 369、0.025 615、0.032 787、0.048 156、0.056 352、0.146 27。頻譜分析中能量峰值對(duì)應(yīng)的頻率的倒數(shù)為旋回平均厚度(平均旋回厚度=1/頻率/采樣密度)，表1列出了頻率及對(duì)應(yīng)的平均旋回厚度。已知普光5井龍?zhí)督M厚度為197 m，自深1井龍?zhí)督M厚度為121.5 m，用龍?zhí)督M厚度除以相應(yīng)的旋回平均厚度可得相應(yīng)的旋回個(gè)數(shù)。

井位序號(hào)頻率平均旋回厚度(m)旋回個(gè)數(shù)(個(gè))旋回周期(ka)沉積速率(m/ka)普光5井10.002 9342.662 12520.009 7612.807 3815偏心率長周期0.032 030.017 567.118 452840.026 374.740 244250.033 203.765 0652偏心率短周期0.037 760.052 732.370 578370.092 771.347 38146斜率周期0.035 5自深1井10.012 2910.166 731220.015 368.133 2615偏心率長周期0.020 330.025 624.879 952540.032 793.812 493250.048 162.595 7347偏心率短周期0.026 060.056 352.218 205570.146 270.854 58142斜率周期0.022 5

BERGER A et al.(1994)認(rèn)為地球在不同時(shí)期軌道周期存在著周期性的變化，軌道周期據(jù)時(shí)間跨度的不同包括了偏心率周期、斜率周期、歲差周期，其中偏心率周期分為長周期和短周期，長周期為413 ka，短周期為123 ka、95 ka(平均為100 ka)，斜率周期為50.6 ka、38.0 ka，歲差周期為21.3 ka、17.6 ka。普光5井中，如果①點(diǎn)對(duì)應(yīng)的偏心率長周期(時(shí)間跨度413 ka)，即f=0.002 93時(shí)，則龍?zhí)督M時(shí)限為5(個(gè))×413 ka=2.65 Myr。根據(jù)最新的國際年代地層表(ICS，2016)，晚二疊世包括了吳家坪階[Wuchiapingian，(259.8±0.4)～(254.14±0.07 Ma)、長興階[Changhsingian，(254.14±0.07)～(252.17±0.06)Ma]。其中，吳家坪階時(shí)限大致為5.19～6.13 Myr，顯然f=0.002 93的峰值不能代表普光5井的偏心率長周期。若②點(diǎn)即f=0.009 76對(duì)應(yīng)的是偏心率長周期，則龍?zhí)督M時(shí)間跨度為15×413 ka=6.195 Myr，接近于當(dāng)今國際公認(rèn)的吳家坪介時(shí)限。將f=0.033 20峰值點(diǎn)確認(rèn)為偏心率短周期，即發(fā)育了52個(gè)偏心率短周期旋回。而⑦點(diǎn)f=0.092 773峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的是斜率周期。自深1井分別發(fā)育15個(gè)偏心率長周期、47個(gè)偏心率短周期及142個(gè)斜率周期。

通過頻譜分析，識(shí)別出了普光5井及自深1井龍?zhí)督M的偏心率長、短周期及斜率周期，表明川東地區(qū)龍?zhí)督M對(duì)于米蘭科維奇旋回具有較為完整的保存。值得注意的是，普光5井和自深1井龍?zhí)督M自然伽馬的頻譜分析均發(fā)育了15個(gè)偏心率長周期，表明即使整體上沉積環(huán)境相異，但是對(duì)于米蘭科維奇旋回的偏心率長周期的記錄依然較為完整，而短周期及斜率周期旋回的不同則是受沉積環(huán)境的控制，普光5井龍?zhí)督M沉積速率為0.032 0～0.037 7 m/ka，自深1井沉積速率為0.020 3～0.02 60 m/ka，普光5井SQ3沉積環(huán)境由碳酸鹽緩坡向碳酸鹽臺(tái)地轉(zhuǎn)變，碳酸鹽生產(chǎn)率大大的提高。如果依據(jù)BERGER等的研究成果，偏心率長周期為413 ka，則頻譜分析得到的數(shù)據(jù)計(jì)算吳家坪介時(shí)間跨度為6.195 Myr，雖然接近于6.13 Myr，但顯然是不合理的，同時(shí)這是建立在地層完整、沒有沉積間斷出現(xiàn)的情形下。LASKAR J et al.,(2004)研究了北緯38°夏至日30～40 Ma的地球軌道周期的理論值，得到偏心率周期為405 ka、125 ka、99 ka、95 ka，表明在地質(zhì)歷史演化過程中，地球的軌道周期是有小幅度波動(dòng)的，并非固定不變的，上揚(yáng)子地區(qū)晚二疊世偏心率長周期應(yīng)略小于413 ka。

遺憾的是，普光5井和自深1井的頻譜分析中，在f>0.1之后(除自深1井的⑦點(diǎn)外)，頻譜分析數(shù)據(jù)均在90%置信度曲線之下，無法進(jìn)一步的識(shí)別出龍?zhí)督M的歲差周期。

5 結(jié)論

(1)應(yīng)用Matlab小波分析工具對(duì)川東地區(qū)龍?zhí)督M鉆井的自然伽馬曲線進(jìn)行分析，得到相應(yīng)的小波分解曲線及二維能量譜圖，可將龍?zhí)督M劃分為3個(gè)三級(jí)層序，其中SQ1發(fā)育低位體系域、海侵體系域及高位體系域，而SQ2、SQ3可分別識(shí)別出海侵體系域與高位體系域。

(2)基于小波分解曲線得到的Fischer圖解與三級(jí)層序具有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)于可容納空間的變化具有良好的顯示效果。

(3)通過對(duì)龍?zhí)督M自然伽馬曲線進(jìn)行頻譜分析，顯示龍?zhí)督M明顯受到了米蘭科維奇天文周期的控制，對(duì)于米蘭科維奇旋回具有較為完整的記錄。川東龍?zhí)督M可識(shí)別出偏心率周期、斜率周期。其中，龍?zhí)督M發(fā)育15個(gè)偏心率長周期，而受沉積環(huán)境不同的影響，發(fā)育的偏心率短周期及斜率周期有所不同。