柴西開特米里克地區(qū)干柴溝組米氏旋回及湖平面變化特征

徐為鵬，伊海生*，唐聞強(qiáng),，陳 云，陳曉冬，邢浩婷，宋 偉，崔榮龍，喬富海

（1.成都理工大學(xué)沉積地質(zhì)研究院，四川 成都 610059；2.成都理工大學(xué) 油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059；3.中國石油青海油田分公司，甘肅 敦煌 736202）

0 引言

自新生代以來，柴達(dá)木盆地連續(xù)巨厚的地層為米蘭科維奇旋回研究提供了良好的材料，先后有人在柴西南七個(gè)泉地區(qū)油砂山組、扎哈南地區(qū)下干柴溝組、尕斯地區(qū)上干柴溝組等地層中發(fā)現(xiàn)米蘭科維奇旋回特征的存在（李堃宇等，2018；唐聞強(qiáng)等，2020），但早期研究對象基本上是山前淺水沉積相地層，深水相地層常因缺乏好的地表露頭剖面而被討論較少。柴達(dá)木盆地西部開特米里克地區(qū)鉆井深度較淺，主要集中在獅子溝組(N23)、上油砂山組(N22)、下油砂山組(N21)等淺部地層（李軍等，2019）。近些年來，隨著勘探力度的不斷加大，該地區(qū)部署了開2 井等深部鉆探井，從而獲取了一系列深井鉆探的高分辨率測井資料。其中，干柴溝組就發(fā)育一個(gè)可供進(jìn)行米蘭科維奇旋回特征研究的完整深水相沉積序列。該地層為深水相泥巖與灰?guī)r旋回，有別于山前淺水相砂泥巖旋回，補(bǔ)充了柴達(dá)木盆地深水沉積米蘭科維奇旋回周期記錄，同時(shí)也在一定程度上減弱了造山帶構(gòu)造活動(dòng)對山前沉積地層的影響。

上個(gè)世紀(jì)40 年代，米蘭科維奇在前人工作的基礎(chǔ)上提出米蘭科維奇旋回理論（Milankovitch,1941;Berger et al.,1989）。該理論指出各地區(qū)日照量的周期變化主要受地球軌道三要素控制，即偏心率、軸斜率和歲差。日照量的周期性變化控制著全球氣候變化，氣候的變化直接導(dǎo)致沉積環(huán)境的改變，而這些變化的信息也被記錄在了沉積地層中（Idnurm and Cook,1980;Paul and Dennis,1999;Weedon,2003）。因此，本文以柴達(dá)木盆地開特米里克地區(qū)干柴溝組為研究對象，基于自然伽馬測井曲線，運(yùn)用頻譜分析與濾波分析的方法，并結(jié)合Fischer 圖解，探討該時(shí)期的湖平面變化情況以及地層中高頻沉積旋回的控制因素。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

柴達(dá)木盆地位于亞洲腹地，是我國重要的含油氣盆地之一。該盆地總體呈北西西—南東東方向延伸，其西北、東北和南面分別為阿爾金山、祁連山和昆侖山，是一個(gè)典型的陸相沉積盆地（王艷清，2014）。其中的開特米里克油田位于柴達(dá)木盆地西部坳陷區(qū)茫崖坳陷亞區(qū)，屬于油泉子背斜帶上的一個(gè)三級(jí)構(gòu)造（圖1）。新生代古近系以來，盆地長期穩(wěn)定下降，連續(xù)沉積了新生代古近系和新近系地層（鄭希民等，2019）。在漸新世末由于差異升降作用，形成了一系列的構(gòu)造雛形，中新世早期由于水平擠壓作用形成目前的構(gòu)造形態(tài)。開2 井位于該構(gòu)造高部位，鉆遇的地層由新到老依次有獅子溝組(N23)(未見頂)、上油砂山組(N22)、下油砂山組(N21)、上干柴溝組(N1)、下干柴溝組上段(E32)(未見底)五套地層，地層層序正常，其中本次用于研究的上干柴溝組(N1)與下干柴溝組上段(E32)是典型的深水湖相沉積（湯良杰等，2000；周斌等，2013；付國民，2001）。上干柴溝組(N1)巖性主要以灰色、深灰色泥巖、砂質(zhì)泥巖、泥灰?guī)r為主，地層厚度為912 m，古地磁地層年代為35.5～26.5 Ma（張偉林，2006）。下干柴溝組上段(E32)巖性以深灰色泥巖、砂質(zhì)泥巖為主，夾少量泥灰?guī)r，未見底界。地層總體發(fā)育完整，未見缺失，是理想的研究對象。

圖1 柴西開特米里克地區(qū)地理位置圖（a）及年代地層表（b）Fig.1 Geographical location map (a) and chronostratigraphic table (b) of Katimirik area,western Qaidam

2 數(shù)據(jù)及方法

2.1 數(shù)據(jù)選擇

米氏旋回研究中數(shù)據(jù)的選擇具有多樣性。在地層中符合采樣密度的地球物理數(shù)據(jù)或地球化學(xué)數(shù)據(jù)均可作為米氏旋回分析的原始數(shù)據(jù)（Abels et al.,2010）。在地下鉆井剖面中，自然伽馬測井曲線（GR）具有等間距采樣，連續(xù)測量和縱向分辨率高的特點(diǎn)，且可以敏感地反映巖性旋回和巖相韻律互層在深度域上的變化（陳茂山，1999），可作為檢測米氏旋回及湖平面變化趨勢的良好資料（鄭興平等，2004；李斌等，2005；伊海生，2011），因此廣泛應(yīng)用于旋回地層研究中。

本文選取開特米里克地區(qū)開2 井4 422～4 962 m段的自然伽馬曲線作為米氏旋回周期分析的參數(shù)曲線，其采樣間隔為0.125 m。上干柴溝組（4 422～4 692 m）自然伽馬曲線值介于53.72～144.95 API 之間，平均值為100.71 API；下干柴溝組上段（4 692～4 965 m）自然伽馬曲線介于46.55～137.71 API 之間，平均值為94.18 API。地層中的泥質(zhì)層對應(yīng)自然伽馬高值，而自然伽馬低值對應(yīng)地層中的泥灰層（Wei et al.,2020），自然伽馬曲線本身顯示出良好的旋回性（圖2）。

圖2 柴西開特米里克地區(qū)開2 井干柴溝組綜合柱狀圖Fig.2 Comprehensive histogram of the Ganchaigou Formation in Well K2,Kaitemilike,western Qaidam

2.2 頻譜分析

頻譜分析技術(shù)是研究周期性現(xiàn)象中最為常用的一種統(tǒng)計(jì)分析方法，其主要原理是運(yùn)用傅立葉變換，將復(fù)合波分解成若干振幅和相位不同的簡諧波，并找出其中振幅最大的波作為該復(fù)合波的主要頻率（王永軍等，2007）。在旋回地層學(xué)研究中，頻譜分析主要用于分析氣候變化所引起的地層沉積記錄變化。將地層記錄的不同周期所疊加的沉積旋回通過數(shù)學(xué)解析，分解成獨(dú)立的周期旋回，以頻率的形式記錄成頻譜曲線。

在進(jìn)行米氏旋回分析之前，需要運(yùn)用帶通濾波的方法對上干柴溝組和下干柴溝組上段自然伽馬曲線進(jìn)行預(yù)處理，即去除其中的超高頻信號(hào)和超低頻信號(hào)，從而消除環(huán)境和噪聲帶來的干擾。本文采用past 軟件中的Spectral analysis 程序進(jìn)行計(jì)算，選取0.1 的顯著性水平（90%置信度）頻率進(jìn)行分析。

圖3a 是開2 井上干柴溝組自然伽馬數(shù)據(jù)頻譜分析結(jié)果。橫坐標(biāo)表示頻率，縱坐標(biāo)表示相對功率，處于90%置信度以上的主要頻率值依次為：0.1 m-1、0.181 4 m-1、0.240 7 m-1、0.429 6 m-1、0.529 6 m-1，對應(yīng)的波長分別為10 m、5.51 m、4.15 m、2.33 m、1.88 m。圖中雖然存在其他超過90%置信度的頻率，但所尋找的頻率之間的比值既要符合米蘭科維奇旋回周期之間的比值，且根據(jù)該頻率所求得的沉積速率要與該研究區(qū)沉積速率一致，因此選取以上頻率值。在具體的地層中，波長表現(xiàn)為該旋回的沉積厚度，所以在開2 井上干柴溝組中檢驗(yàn)出的高頻沉積旋回厚度分別為10 m、5.51 m、4.15 m、2.33 m、1.88 m。同樣，對開2 井下干柴溝組上段自然伽馬數(shù)據(jù)進(jìn)行相同的處理，如圖3b 所示，處于90%置信度以上的主要頻率值分別為0.096 7 m-1、0.178 4 m-1、0.226 8 m-1、0.420 1 m-1、0.505 6 m-1，對應(yīng)的高頻沉積旋回厚度為10.35 m、5.60 m、4.41 m、2.38 m、1.98 m。

圖3 柴西開特米里克地區(qū)上干柴溝組（a）、下干柴溝組上段（b）自然伽馬頻譜分析Fig.3 Natural gamma spectrum charts of the upper Ganchaigou Formation (a) and the upper part of the lower Ganchaigou Formation (b) in the Kaitemilike area,western Qaidam

2.3 Fischer 圖解

Fischer 圖解最早由Fischer 在上個(gè)世紀(jì)六十年代提出（Fischer,1964），經(jīng)過幾十年的發(fā)展，其適用性、使用條件、坐標(biāo)軸表示等得到了多次改良，目前被廣泛用于討論相對海平面變化（Osleger,1991;Scholle et al.,1989;Iii and Read,1990;Montaez and Read,1992;Sadler and Strauss,1990）。該圖解中平均厚度累計(jì)殘差是將每個(gè)旋回層序單元厚度減去平均旋回厚度后得到的殘差進(jìn)行累計(jì)，是經(jīng)過線性沉降校正的，當(dāng)可容納空間的變化速率大于沉積速率時(shí)，旋回厚度則與可容納空間的大小呈正相關(guān)，即旋回的頂點(diǎn)連線代表了可容納空間的變化情況。而可容納空間是指沉積作用可以利用的新空間，即海平面變化與線性構(gòu)造沉降速率的總和。因此經(jīng)過線性沉降速率校正后的平均厚度累計(jì)殘差隨時(shí)間的變化即代表了海平面的升降變化。

湖盆可容納空間受湖平面變化的影響，因此我們可以利用Fischer 圖解來分析湖盆可容納空間的變化情況，進(jìn)而反演湖平面升降變化特征。本文首先對原始自然伽馬曲線進(jìn)行峰值判別，得到對應(yīng)的峰值點(diǎn)深度及GR 值，再將各峰值點(diǎn)深度相減得到各旋回厚度，然后求取平均旋回厚度值為1.28 m，接著將各旋回厚度減去平均旋回厚度得到殘差，最后將殘差進(jìn)行累計(jì)，從而做出以井深為橫坐標(biāo)，以每個(gè)旋回的平均厚度累計(jì)偏差為縱坐標(biāo)的Fischer圖解（尹青等，2015；龔大興等，2011；伊海生，2015），該圖解反映了干柴溝組的湖平面變化趨勢（圖4）。

圖4 柴西開特米里克地區(qū)上干柴溝組、下干柴溝組上段Fischer 圖解（長周期）Fig.4 Fischer plot of the upper Ganchaigou Formation and the upper part of lower Ganchaigou in the Kaitemirike area,western Qaidam (long period)

3 結(jié)果與討論

3.1 米氏旋回確定

確定米蘭科維奇旋回在地層中是否存在最常用的方法是將頻譜分析計(jì)算出的各級(jí)高頻旋回厚度間的比值與天文軌道周期間的比值進(jìn)行對比，若兩者誤差較小，且根據(jù)旋回厚度和軌道周期計(jì)算出的沉積速率與研究區(qū)沉積規(guī)律符合，則表明該地區(qū)地層的旋回性受天文軌道周期控制（李鳳杰等，2004；夏國清等，2010;Osleger and David,1991）。

由于沉積系統(tǒng)的復(fù)雜性，天文旋回可能并不總是全部記錄在沉積記錄中（Hajek and Straub,2017;Zhang et al.,2019），根據(jù)前人資料（榮建鋒，2009），本文采用的天文軌道參數(shù)為：偏心率周期100 ka，軸斜率長周期54 ka，軸斜率短周期41 ka，歲差長周期23 ka，歲差短周期19 ka。上述各周期的比值為1：0.54：0.41：0.23:0.19。如表1 所示，開2 井上干柴溝組各級(jí)旋回厚度比值為1：0.551：0.415：0.233：0.189，與天文軌道周期比值非常接近，誤差分別為2.04%，1.31%，1.2%，-0.63%，均未超過3%。因此，可認(rèn)為旋回厚度10 m 對應(yīng)100 ka 的偏心率長周期，5.51 m 和4.15 m 分別對應(yīng)54 ka 和41 ka的軸斜率周期，2.33 m 和1.88 m 對應(yīng)23 ka 和19 ka 的歲差周期；開2 井下干柴溝組上段各級(jí)旋回厚度比值為1：0.56：0.44：0.24：0.20，與天文軌道周期比值相比，誤差分別為0.31%，3.96%，0.04%，0.62%，均未超過4%。因此可認(rèn)為旋回厚度10.35 m 對應(yīng)100 ka 的偏心率長周期，5.60 m 和4.41 m分別對應(yīng)54 ka 和41 ka 的軸斜率周期，2.38 m 和1.98 m 對應(yīng)23 ka 和19 ka 的歲差周期。

表1 柴西開特米里克地區(qū)上干柴溝組和下干柴溝組上段自然伽馬曲線頻譜分析結(jié)果及比例關(guān)系Table 1 Spectrum analysis results and proportional relationship of the natural gamma curve of the upper Ganchaigou Formation and the upper part of lower Ganchaigou Formation in the Kaitemirike area

3.2 沉積速率討論

此外，確定該地層是否受米氏旋回控制還需要考慮沉積速率，即對比分析通過旋回厚度與軌道周期計(jì)算出來的沉積速率與該研究區(qū)的沉積速率是否一致。Sun 等（2005）通過對柴達(dá)木盆地西北緣紅三旱剖面進(jìn)行詳細(xì)的磁地層學(xué)研究，得到上干柴溝組古地磁地層年代為35.5～26.5 Ma，共9 Ma。根據(jù)中國石油青海油田勘探開發(fā)研究院提供的分層數(shù)據(jù)，上干柴溝組總沉積厚度為912 m，則該地區(qū)上干柴溝組平均沉積速率約為101.3 m/Ma。張偉林（2006）通過對柴達(dá)木盆地路樂河剖面進(jìn)行磁性地層研究，得到柴達(dá)木盆地下干柴溝組高分辨率沉積速率圖譜，其平均沉積速率為110.6 m/Ma。對于開特米里克地區(qū)上干柴溝組，偏心率周期100 ka 對應(yīng)的旋回厚度為10 m，則計(jì)算出沉積速率為100 m/Ma。同理計(jì)算出軸斜率長周期為54 ka、軸斜率短周期41 ka、歲差長周期23 ka、歲差短周期19 ka 時(shí)對應(yīng)的沉積速率分別為102.04 m/Ma、101.31 m/Ma、101.20 m/Ma、99.37 m/Ma，求取平均值，得到由軌道周期求得的上干柴溝組平均沉積速率為100.79 m/Ma。同理求得開特米里克地區(qū)下干柴溝組上段偏心率周期100 ka、軸斜率長周期為54 ka、軸斜率短周期41 ka、歲差長周期23 ka、歲差短周期19 ka 對應(yīng)的沉積速率分別為103.46 m/Ma、103.78 m/Ma、107.55 m/Ma、103.50 m/Ma、104.10 m/Ma，求取平均值，得到開特米里克地區(qū)下干柴溝組上段由軌道周期求得的平均沉積速率為104.48 m/Ma。將由軌道周期求得的平均速率與柴達(dá)木盆地沉積率進(jìn)行對比，我們發(fā)現(xiàn)上干柴溝組與下干柴溝組上段沉積速率誤差分別僅為0.5%和-5.53%，表明通過旋回厚度和軌道周期計(jì)算出的沉積速率與研究區(qū)沉積速率具有一致性。

因此，柴達(dá)木盆地開特米里克地區(qū)上干柴溝組與下干柴溝組上段存在米蘭科維奇旋回，該地區(qū)地層旋回性受天文軌道周期控制，即地球軌道效應(yīng)造成的高頻湖平面變化是該地層發(fā)生沉積旋回的主要因素。

此外，利用MATLAB 軟件對上干柴溝組與下干柴溝組上段的自然伽馬曲線分別進(jìn)行帶通濾波處理，得到上干柴溝組與下干柴溝組上段100 Ka、54 Ka和23 Ka 周期對應(yīng)的理論旋回分布圖（圖5）。由圖可知，上干柴溝組中由偏心率、軸斜率和歲差控制的旋回個(gè)數(shù)分別為28 個(gè)、50 個(gè)和117 個(gè)，由于不同軌道周期的單個(gè)旋回時(shí)間代表了其單次的沉積時(shí)間（黃春菊，2014;Hinnov and Ogg,2007），可求得上干柴溝組平均沉積時(shí)限約為2.73 Ma；下干柴溝組上段中由偏心率、軸斜率和歲差控制的旋回個(gè)數(shù)分別為27 個(gè)、48 個(gè)和113 個(gè)，則平均沉積時(shí)限約為2.62 Ma。整個(gè)柴達(dá)木盆地干柴溝組的古地磁年代以35.5 Ma 為界分為上、下干柴溝組，所以本文通過軌道周期求得的干柴溝組上、下界線附近的沉積時(shí)限是從38.1 Ma到32.8 Ma。

3.3 湖平面變化討論

通過Fischer 圖解可以看出，開特米里克地區(qū)干柴溝組湖平面總體上經(jīng)歷了一次相對長周期的上升與下降過程（圖4）。其中下干柴溝組上段湖平面總體呈上升趨勢，直到末期達(dá)到最大湖平面，進(jìn)入上干柴溝組湖平面總體呈下降趨勢。再利用PAST 軟件的Sinusoidal 模塊對Fischer 圖解進(jìn)行濾波處理，得到湖平面的總體波動(dòng)情況。圖6 表明上干柴溝組湖平面相對較低，處于低位期，而下干柴溝組上段總體湖平面相對較高，處于高位期。

圖6 柴西開特米里克地區(qū)上干柴溝組及下干柴溝組上段湖平面變化趨勢（c）、偏心率濾波曲線（b）與新生代全球溫度變化（a）對比圖Fig.6 Comparisons of lake level change trends (c),eccentricity filter curves (b) of the upper Ganchaigou Formation and the upper part of lower Ganchaigou Formation and Cenozoic global temperature change (a),Kaitemirike area,western Qaidam

氣候主要包括兩個(gè)方面，即溫度與濕度。溫度大小表現(xiàn)為相對溫暖與寒冷，而濕度大小表現(xiàn)為相對濕潤與干旱。Zachos 通過對深海巖心的研究發(fā)現(xiàn)，氣候溫暖時(shí)米氏旋回中偏心率帶通濾波強(qiáng)度較大，氣候寒冷時(shí)對應(yīng)的偏心率帶通濾波強(qiáng)度較?。╖achos and James,2001），表明偏心率的強(qiáng)弱能夠用來判斷區(qū)域溫度的相對高低。通過對圖6 中上干柴溝組、下干柴溝組上段偏心率100 ka 帶通濾波分析，結(jié)合對應(yīng)的功率譜圖（Li et al.,2018）（圖7），我們不難發(fā)現(xiàn)，開特米里克地區(qū)上干柴溝組旋回沉積主要受軸斜率54 ka 周期控制，而下干柴溝組上段沉積旋回主要受偏心率100 ka 周期控制。由此判斷，柴達(dá)木盆地開特米里克地區(qū)下干柴溝組上段（38.1～35.5 Ma）溫度相對較高，處于相對溫暖期，而到上干柴溝組（35.5～32.8 Ma）溫度逐漸降低，處于相對寒冷期。另外在N1與E32巖層累計(jì)厚度對比中（圖2），N1中泥灰?guī)r巖層累計(jì)厚度明顯增加，而泥巖巖層累計(jì)厚度減少，表明開特米里克地區(qū)上干柴溝組濕度相對干旱，而下干柴溝組上段濕度較為濕潤?？芍陂_特米里克地區(qū)上、下干柴溝組附近（38.1 Ma～32.8 Ma）存在較為明顯的氣候轉(zhuǎn)變，即由溫暖濕潤逐漸轉(zhuǎn)化為寒冷干旱，這與Zachos 通過深海氧同位素反演的全球溫度變化趨勢具有良好一致性（Zachos,2001）（圖6）。柴達(dá)木盆地新生代古氣候受高原隆升、全球變冷、亞洲季風(fēng)等多因素影響，氣候的響應(yīng)可能更為復(fù)雜。由于開特米里克地區(qū)研究范圍較小，我們的研究結(jié)果只是提供了盆地局部區(qū)域的氣候個(gè)例，至于整個(gè)柴達(dá)木盆地或青藏高原東北部的氣候變化需要進(jìn)一步討論。

圖7 柴西開特米里克地區(qū)上干柴溝組（a）和下干柴溝組上段（b）功率譜圖Fig.7 Power spectrums of the upper Ganchaigou Formation (a) and the upper part of lower Ganchaigou Formation (b) in Ketmilik area,western Qaidam

綜上所述，柴達(dá)木盆地開特米里克地區(qū)下干柴溝組上段沉積旋回主要受天文軌道周期中的偏心率控制，氣候表現(xiàn)為相對溫暖濕潤，對應(yīng)湖平面變化的高位期；上干柴溝組沉積旋回主要受天文軌道周期中的軸斜率控制，氣候表現(xiàn)為相對寒冷干旱，對應(yīng)湖平面變化的低位期。

4 結(jié)論

通過對開2 井自然伽馬曲線進(jìn)行頻譜分析與沉積速率的討論，結(jié)果表明，柴達(dá)木盆地開特米里克地區(qū)上干柴溝組(N1)和下干柴溝組(E32)地層旋回周期與米蘭科維奇地球軌道周期參數(shù)具有良好的對應(yīng)性，說明天文軌道周期旋回對該地區(qū)地層高頻旋回沉積具有顯著影響。其中上干柴溝組中旋回厚度10 m 對應(yīng)100 ka 的偏心率長周期，5.51 m和4.15 m 分別對應(yīng)54 ka 和41 ka 的軸斜率周期，2.33 m 和1.88 m 對應(yīng)23 ka 和19 ka 的歲差周期，由軌道周期求得的平均沉積速率為100.79 m/Ma。下干柴溝組上段中旋回厚度10.35 m 對應(yīng)100 ka的偏心率長周期，5.60 m 和4.41 m 分別對應(yīng)54 ka和41 ka 的軸斜率周期，2.38 m 和1.98 m 對應(yīng)23 ka 和19 ka 的歲差周期，由軌道周期求得的平均沉積速率為104.48 m/Ma。結(jié)合Fischer 圖解及巖性特征，確定了柴達(dá)木盆地開特米里克地區(qū)干柴溝組上、下界線附近(38.1～32.8 Ma）湖平面總體上經(jīng)歷了一次相對長周期的升降過程。下干柴溝組上段處于湖平面上升階段，主要受米氏旋回中的偏心率周期控制，氣候相對溫暖濕潤，對應(yīng)湖平面高位期。上干柴溝組處于湖平面下降階段，主要受米氏旋回中的軸斜率周期控制，氣候相對寒冷干旱，對應(yīng)湖平面低位期。