基于自然伽馬測(cè)井曲線的旋回識(shí)別及古氣候判斷

陳云,唐聞強(qiáng),張承志,伍新和,楊蕓,邢浩婷

(1.成都理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院,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.中國(guó)石油青海油田公司,甘肅敦煌736202;4.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心,北京100083)

0 引 言

尼瑪盆地是發(fā)育在班公湖-怒江縫合帶之上的新生代陸相沉積盆地[1],自21世紀(jì)以來(lái)隨著西藏油氣勘探工作的深入,尼瑪盆地的油氣勘探工作取得重大突破[2-3]。2017年成都理工大學(xué)伊海生團(tuán)隊(duì)與中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心在尼瑪盆地發(fā)現(xiàn)了長(zhǎng)達(dá)55 km的瀝青顯示帶,并發(fā)現(xiàn)規(guī)模巨大的暗色烴源巖系,顯示出良好的油氣勘探潛力[4]。但是由于勘探程度較低,有關(guān)尼瑪盆地沉積旋回和層序地層的研究尚處于較低階段,存在進(jìn)一步研究空間。本文以西藏中部尼瑪盆地古近系牛堡組為研究對(duì)象,基于自然伽馬測(cè)井曲線,采用頻譜分析及Matlab帶通濾波處理方法,明確尼瑪盆地始新世高原腹地氣候的演化過(guò)程及其成因控制,為尼瑪盆地沉積旋回和層序地層研究提供基礎(chǔ)技術(shù)資料。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

尼瑪盆地地處青藏高原中部,大地構(gòu)造區(qū)劃主體位于班公湖-怒江縫合帶與雅魯藏布江結(jié)合帶之間,由南向北約5～15 km,由東向西延伸175 km以上,面積約3 000 km2。盆地內(nèi)構(gòu)造復(fù)雜,總體上具有兩坳一隆的構(gòu)造格架,即北部坳陷、南部坳陷和中央隆起[5-6],依次沉積了古近系牛堡組、新近系康托組及第四系地層,下伏白堊系、侏羅系和三疊系地層(見(jiàn)圖1)。其中,牛堡組為湖相沉積,巖性以紫紅色、灰綠色和青灰色砂巖為主,夾多層灰黑色泥頁(yè)巖、頁(yè)巖,并在底部和中部可見(jiàn)2層礫巖沉積,產(chǎn)孢粉、輪藻和介形類化石組合[7-8]。地震資料顯示研究區(qū)沉積地層產(chǎn)狀平整,未發(fā)生大規(guī)模構(gòu)造運(yùn)動(dòng),褶皺不發(fā)育,古近系牛堡組地層發(fā)育完整未見(jiàn)缺失且?guī)r性變化明顯。

圖1 尼瑪盆地區(qū)域地層分布及尼1井位置圖

2 米蘭科維奇旋回基本原理及定量表示

米蘭科維奇旋回地層學(xué)是從復(fù)雜沉積層中獲取高精度年代地層的優(yōu)質(zhì)方法之一。米蘭科維奇在前人研究基礎(chǔ)上,于上世紀(jì)40年代提出了米蘭科維奇旋回理論[9-10],指出地球軌道參數(shù)的周期變化控制著地球日照量的大小,而日照量的改變則會(huì)引起溫度、海洋環(huán)流及降雨量的變化,這些變化進(jìn)一步控制了風(fēng)化、沉積、搬運(yùn)等作用,最終形成了不同的沉積地層,這些信息也同樣被記錄在沉積地層中[11-13]。自“層序”概念提出以來(lái)[14],眾多學(xué)者根據(jù)全球海平面的歷史變化周期,將地層層序劃分為6個(gè)級(jí)別,并認(rèn)為1～3級(jí)層序主要受構(gòu)造因素所控制,4～6級(jí)主要受天文因素控制(即米蘭科維奇旋回)。諸多學(xué)者根據(jù)旋回厚度對(duì)地層層序進(jìn)行了劃分[14-18](見(jiàn)表1),認(rèn)為氣候因素所控制的精細(xì)地層旋回主要受米蘭科維奇旋回控制,因此,可以利用沉積地層的米蘭科維奇旋回特征來(lái)反演區(qū)域乃至全球的古氣候變化。

表1 層序及旋回等級(jí)劃分及特征

米蘭科維奇旋回的日地軌道參數(shù)變化周期主要由3個(gè)參數(shù)變化引起[19]:①地球公轉(zhuǎn)軌道偏心率,指地球在圍繞太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中偏離正圓軌道的程度,偏心率值一般在0.000 5～0.060 7周期性波動(dòng)(現(xiàn)代值為0.016 7),包含405 kyr和100 kyr這2個(gè)主要周期,長(zhǎng)偏心率周期(405 kyr)是最穩(wěn)定周期,被廣泛用于天文年代標(biāo)尺的建立;②地球軌道軸斜率(地球自轉(zhuǎn)面與公轉(zhuǎn)軌道面之間的交角,也稱黃赤交角),它引起地球四季的變化,這種變化主要影響高緯度地區(qū),而對(duì)低緯度地區(qū)影響較小,包含54 kyr和41 kyr這2個(gè)主要周期;③地球軌道歲差(地球角動(dòng)量對(duì)太陽(yáng)和月球之間的干擾),歲差本身不對(duì)地球日照量產(chǎn)生影響,但是與偏心率結(jié)合便引起日照量的季節(jié)性分布,導(dǎo)致季節(jié)性作用加強(qiáng),包含23 kyr和19 kyr這2個(gè)主要周期,其中23 kyr為主周期。如果在沉積地層中找到與地球軌道3要素相同比率關(guān)系的沉積旋回,那么就表明地層中存在米蘭科維奇旋回,但是這些地層信息需要連續(xù)(即沒(méi)有沉積間斷或不整合面),相對(duì)穩(wěn)定(即未出現(xiàn)快速沉積,快速沉積可能是構(gòu)造作用引起,不屬于米蘭科維奇冰川型沉積),且具有指示意義(即替代指標(biāo)要與氣候或湖平面變化相關(guān)的信號(hào))[18]。

自然伽馬測(cè)井測(cè)量井內(nèi)巖層的放射性元素在衰變過(guò)程中釋放的射線強(qiáng)度。不同巖石的放射性元素含量差異很大,泥巖對(duì)鈾的吸附能力較強(qiáng)具有較高的自然伽馬值,灰?guī)r等碳酸鹽巖只在晶格中含有少量的放射性元素自然伽馬值較低,因此,自然伽馬值可以作為不同沉積環(huán)境下形成沉積物的良好替代指標(biāo)。自然伽馬測(cè)井曲線具有等間距、高分辨、連續(xù)等特征,同時(shí)具備反映氣候變化的信息且不受其他因素影響,可以作為良好的環(huán)境替代指標(biāo)用于研究地層中米蘭科維奇旋回信息[20]。近年來(lái),隨著測(cè)井曲線分析地層層序及周期旋回的研究與日俱增[21-22],自然伽馬測(cè)井曲線被廣泛應(yīng)用于古海洋和古湖泊的氣候反演等研究[23-25]。

3 自然伽馬特征及數(shù)據(jù)處理方法

米蘭科維奇旋回在不同沉積環(huán)境中均有所體現(xiàn)[26],目前研究方法主要為高精度地球化學(xué)或地球物理數(shù)據(jù)[27-28]。該研究以尼瑪盆地尼1井自然伽馬曲線為樣本,采樣間隔0.125 m,鉆井資料和取心樣本顯示其地層連續(xù),鉆進(jìn)過(guò)程中未見(jiàn)斷層。其中牛堡組地層共分為3段:牛堡組三段以砂、泥巖為主;牛堡組二段巖性單一以大套砂巖為主且旋回性差;牛堡組一段(未鉆穿)巖性組合以砂巖、泥巖等為主,具有良好的旋回性變化,是米蘭科維奇旋回研究的優(yōu)質(zhì)層位。牛堡組一段(1 324～1 980 m)自然伽馬值介于28.81～168.98 API,平均值67.66 API。此外,自然伽馬低值對(duì)應(yīng)砂巖層、高值對(duì)應(yīng)泥巖層,曲線本身也顯示了較好的旋回變化(見(jiàn)圖2)。

圖2 尼瑪盆西部地區(qū)尼1井牛堡組一段綜合柱狀圖

自然伽馬曲線的米蘭科維奇旋回?cái)?shù)據(jù)處理方法主要用到Past軟件和Matlab軟件。數(shù)據(jù)處理步驟:①將預(yù)處理后的自然伽馬數(shù)據(jù)以0.125 m等間距格式導(dǎo)入Past軟件進(jìn)行計(jì)算,得到頻率、相對(duì)強(qiáng)度及置信度3組數(shù)據(jù);②將這3組數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel表格,并制作頻率、相對(duì)強(qiáng)度和置信度的相關(guān)關(guān)系圖;③在相關(guān)關(guān)系圖中尋找置信度90%以上的相對(duì)強(qiáng)度顯著譜峰,這些峰對(duì)應(yīng)了米蘭科維奇旋回的周期頻率(包括偏心率、軸斜率及歲差的主要周期),而這些頻率的相對(duì)強(qiáng)度與窗譜圖進(jìn)行比對(duì)則可以確定米蘭科維奇旋回;④確定地層中存在米蘭科維奇旋回后,利用Matlab軟件進(jìn)行帶通濾波處理(包括數(shù)據(jù)調(diào)諧處理、將深度域轉(zhuǎn)換為時(shí)間域),將自然伽馬數(shù)據(jù)導(dǎo)入Matlab軟件,選取自然伽馬頻譜分析對(duì)應(yīng)峰值頻率的左、右截止頻率值f1和f2,確定采樣間距,進(jìn)行運(yùn)算;⑤將成果數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel表格,便得到帶通濾波調(diào)諧曲線,該曲線的總旋回周期個(gè)數(shù)與對(duì)應(yīng)旋回周期年齡之積即為研究地層的沉積時(shí)限。

4 尼1井牛堡組一段自然伽馬旋回頻譜特征

4.1 自然伽馬曲線頻譜分析

目前傅里葉變換、數(shù)字濾波及小波分析被引入米蘭科維奇旋回分析中,極大地提高了米蘭科維奇旋回分析的準(zhǔn)確性,使地層記錄的氣候變化被揭示[29-30]。在實(shí)際測(cè)井過(guò)程中,由于各種外界因素的影響自然伽馬曲線存在一定的誤差,在分析開(kāi)始之前,應(yīng)首先對(duì)尼1井牛堡組一段的自然伽馬測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,消除環(huán)境及噪聲所產(chǎn)生的影響。牛堡組一段的處理結(jié)果顯示:自然伽馬數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的主要頻率點(diǎn)(置信度90%)的頻率值依次為0.056 4、0.224 1、0.422 3、0.559 5、0.981 7,波長(zhǎng)與頻率為倒數(shù)關(guān)系,因此,可知對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)分別為17.730 5、4.462 3、2.368 0、1.787 3、1.088 6。旋回波長(zhǎng)的實(shí)質(zhì)為沉積地層中沉積物的厚度,周期旋回平均沉積厚度分別為:17.730 5 m(405 kyr)、4.462 3 m(100 kyr)、2.368 0 m(54 kyr)、1.787 3 m(41 kyr)、1.088 6 m(23 kyr)(見(jiàn)圖3)。

圖3 尼瑪盆西部尼1井牛堡組一段自然伽馬曲線頻譜分析

4.2 旋回厚度與軌道周期對(duì)比

目前,通常利用頻譜分析法計(jì)算各級(jí)周期旋回厚度之間的比值,再與天文軌道周期比值進(jìn)行對(duì)比,進(jìn)而判斷沉積地層中是否存在米蘭科維奇旋回。太陽(yáng)輻照量的大小在一定程度上影響了全球溫度及干濕的變化,導(dǎo)致全球氣候條件出現(xiàn)周期性變化。通過(guò)對(duì)天文軌道周期參數(shù)進(jìn)行分析,結(jié)果顯示尼瑪盆地尼1井各級(jí)旋回周期分析比值與理論周期比值間的誤差率很小,均未超過(guò)2%(見(jiàn)表2)。表明尼1井牛堡組一段地層存在米蘭科維奇旋回,且各級(jí)沉積旋回厚度比值與天文軌道周期理論比值基本吻合。根據(jù)不同天文軌道周期的頻率強(qiáng)度及波長(zhǎng)數(shù)值,可知各旋回周期的沉積速率(沉積速率=波長(zhǎng)/周期)分別為43.78、44.62、43.86、43.60、44.29 m/Ma,平均沉積速率為44.03 m/Ma,這一結(jié)論與相鄰倫坡拉盆地的模擬沉積速率基本一致[31]。

表2 尼瑪盆地尼1井牛堡組一段自然伽馬曲線頻譜分析結(jié)果及比例關(guān)系

4.3 沉積速率討論

在頻譜分析的基礎(chǔ)上,利用Matlab軟件對(duì)自然伽馬曲線進(jìn)行帶通濾波處理,可以得到各級(jí)周期旋回濾波曲線,并劃分出了405、100、54 kyr周期對(duì)應(yīng)的理論旋回曲線圖(見(jiàn)圖4),顯示405 kyr周期旋回37個(gè)、100 kyr周期旋回148個(gè)、54 kyr周期旋回274個(gè)。表明牛堡組一段沉積時(shí)限(沉積時(shí)限=平均沉積速率×旋回個(gè)數(shù))約為14.8 Ma,平均沉積速率44.03 m/Ma。由于尼瑪盆地缺乏相關(guān)研究,關(guān)于尼瑪盆地的沉積速率還需進(jìn)一步討論,與之相鄰的倫坡拉盆地也是形成于班公湖-怒江縫合帶之上的新生代裂谷盆地,牛堡組地層發(fā)育且研究較為成熟,可以與尼1井進(jìn)行對(duì)比。研究認(rèn)為倫坡拉盆地在漸新世-中新世的地層平均沉積速率約為60～80 m/Ma[32-33],但始新世沉積速率波動(dòng)較大,約為40～90 m/Ma[31,34],其中牛堡組三段沉積速率較高,而一段與二段沉積速率較低,在40 m/Ma左右,這與該文的研究成果基本一致。

圖4 尼瑪盆地尼1井牛堡組一段高分辨率天文年代標(biāo)尺

5 尼瑪盆地牛堡組古氣候判斷

米蘭科維奇旋回具備的天文成因,使其常用于年代標(biāo)尺的建立[35-36]。根據(jù)相鄰倫坡拉盆地牛堡組地層界線年齡[31]結(jié)合頻譜分析數(shù)據(jù),估算出尼瑪盆地尼1井牛堡組一段地質(zhì)年齡約為56.8～42 Ma,正好處于岡底斯山脈隆起時(shí)間段內(nèi)。Zachos等[37-38]利用深海巖芯對(duì)米蘭科維奇旋回與氣候的相關(guān)關(guān)系研究時(shí),發(fā)現(xiàn)當(dāng)氣候溫暖時(shí)偏心率帶通濾波振幅強(qiáng)度較大,而氣候寒冷時(shí)偏心率帶通濾波振幅強(qiáng)度較小,因此,偏心率濾波的振幅強(qiáng)度可用于判斷區(qū)域氣候的相對(duì)高低及演化過(guò)程[見(jiàn)圖5(a)和(b)]。從尼1井建立的年代標(biāo)尺來(lái)看,最穩(wěn)定周期(405 kyr)的帶通濾波振幅從老到新具有明顯的逐漸變大趨勢(shì);通過(guò)時(shí)深轉(zhuǎn)換可知,在42～49.5 Ma期間偏心率振幅相對(duì)較高,而在49.5～56.8 Ma期間偏心率的振幅相對(duì)較低,這與Zachos通過(guò)深海氧同位素反演的全球溫度變化趨勢(shì)具有反相關(guān)關(guān)系[見(jiàn)圖5(c)];表明青藏高原中部在始新世的氣候演化是不一致的,他們之間可能存在某種更深層次的關(guān)系或某種因素影響了該地區(qū)的氣候演化。

圖5 全球氧同位素濾波分析及尼1井牛堡組一段帶通濾波趨勢(shì)對(duì)比圖

新生代是全球氣候最為波動(dòng)的時(shí)期,先后出現(xiàn)了早始新世極熱、始新世-漸新世驟冷、漸新世-中新世降溫等事件[37],與此同時(shí)印度板塊也與歐亞板塊發(fā)生碰撞青藏高原開(kāi)始隆升[39-40][見(jiàn)圖6(a)]。二氧化碳作為一種溫室氣體其濃度降低會(huì)導(dǎo)致區(qū)域乃至全球溫度的下降[41-42],高原隆升初期,岡底斯山脈的隆升導(dǎo)致區(qū)域風(fēng)化速率加強(qiáng),強(qiáng)烈的風(fēng)化作用消耗大量的二氧化碳,快速隆起后的山脈又阻擋了二氧化碳的補(bǔ)充,在二者的共同作用下導(dǎo)致始新世初期高原中部溫度相對(duì)較低,帶通濾波在早起振幅相對(duì)較低指示了這一特征[見(jiàn)圖6(b)和(c)]。青藏高原初步形成之后,由于全球溫度下降[見(jiàn)圖6(b)],海陸比熱容的差異導(dǎo)致海洋的冷濕空氣向陸地侵入,當(dāng)它遇到地形阻擋以后便會(huì)形成雨影效應(yīng)和焚風(fēng)效應(yīng)[43]。雨影效應(yīng)即季風(fēng)由海向陸地推進(jìn)時(shí),遇到地形阻擋在迎風(fēng)面與下降氣流碰撞形成大量降雨;焚風(fēng)效應(yīng)即失去水汽的季風(fēng)氣流翻過(guò)山脈以后形成干熱下沉氣流,從而在背風(fēng)面形成干熱的焚風(fēng)。最終在青藏高原中部中始新世形成相對(duì)干熱的氣候,這也與帶通濾波在后期的相對(duì)高振幅對(duì)應(yīng)[見(jiàn)圖6(c)]。因此,最終認(rèn)為青藏高原中部尼瑪盆地西部地區(qū)牛堡組一段偏心率的振幅變化代表了局部的氣候變化,區(qū)域從古到新溫度是逐漸升高的,引起這種變化的因素是岡底斯山脈的隆起和全球溫度的快速變化。這是通過(guò)已有結(jié)論進(jìn)行的推論,要確定這一結(jié)論還需要進(jìn)一步研究。

圖6 青藏高原中部尼瑪盆地牛堡組一段古氣候演化趨勢(shì)及控制因素

6 結(jié) 論

(1)通過(guò)尼1井自然伽馬曲線頻譜分析,在牛堡組一段地層中識(shí)別出米蘭科維奇旋回,表明天文軌道周期旋回對(duì)尼瑪盆地古近系牛堡組湖相沉積物的沉積過(guò)程具有明顯影響。

(2)利用頻譜分析法,在古近系牛堡組一段地層中共識(shí)別出405 kyr周期旋回37個(gè),100 kyr周期旋回148個(gè),54 kyr周期旋回274個(gè)。旋回厚度介于43.60～44.62 m,平均沉積速率44.03 m/Ma,沉積時(shí)限為14.8 Ma。

(3)根據(jù)帶通濾波曲線及眾多學(xué)者關(guān)于偏心率強(qiáng)度變化曲線的研究,認(rèn)為尼瑪盆地尼1井牛堡組一段的古氣候變化是由于高原隆升加強(qiáng)風(fēng)化作用和焚風(fēng)作用共同所引起的,二者綜合控制了尼瑪盆地的古氣候演變過(guò)程。