開魯盆地陸東凹陷白堊系九佛堂組上段米蘭科維奇旋回及沉積響應(yīng)特征

摘要：

開魯盆地陸東凹陷九佛堂組油氣資源量巨大，但關(guān)于米蘭科維奇旋回與沉積規(guī)律，尤其是與細(xì)粒沉積巖之間的關(guān)系研究較少，從而制約了對烴源巖分布的預(yù)測。此次研究通過對自然伽馬測井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行頻譜和小波分析，對九佛堂組上段的沉積巖進(jìn)行米蘭科維奇旋回劃分，并將當(dāng)時(shí)的沉積環(huán)境與所劃分的旋回進(jìn)行對比分析，明確地層沉積響應(yīng)特征。結(jié)果表明：九佛堂組上段共識(shí)別出13個(gè)Ⅳ級旋回，25個(gè)Ⅴ級旋回，66個(gè)Ⅵ級旋回。根據(jù)九佛堂組上段沉積巖的巖性和長偏心率特征可將其劃分為溫暖潮濕氣候半周期和寒冷干燥氣候半周期2個(gè)沉積環(huán)境演化階段。溫暖潮濕氣候半周期內(nèi)，水體的深度較深，導(dǎo)致沉積的細(xì)粒沉積巖增多;寒冷干旱氣候半周期內(nèi)，水體的深度較淺，導(dǎo)致沉積的細(xì)粒沉積巖減少。溫暖潮濕氣候時(shí)期是烴源巖發(fā)育時(shí)期，寒冷干旱氣候時(shí)期是儲(chǔ)層發(fā)育時(shí)期，結(jié)合相關(guān)地球化學(xué)數(shù)據(jù)可以預(yù)測儲(chǔ)層和烴源巖的發(fā)育部位。

關(guān)鍵詞：

開魯盆地；陸東凹陷；米蘭科維奇旋回；九佛堂組上段；沉積響應(yīng)；細(xì)粒沉積巖；烴源巖

doi：10.13278/j.cnki.jjuese.20230122

中圖分類號：P62；P618.13

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Milankovitch Cycle and Sedimentary Response Characteristics of Upper Member of Cretaceous Jiufotang Formation in Ludong Depression， Kailu Basin

Yuan Jiapeng^1，2，Zhang Yunfeng^1，2

1. Heilongjiang Oil and Gas Reservoir Forming Mechanism and Resource Evaluation Key Laboratory， Daqing 163318， "Heilongjiang， China

2. School of Earth Sciences， Northeast Petroleum University， Daqing 163318，Heilongjiang， China

Abstract：

The Jiufotang Formation has huge hydrocarbon resources in the Ludong depression of Kailu basin， but there is less research on the relationship between Milankovitch cycle and sedimentation patterns， especially fine-grained sedimentation， which restricts the prediction of source rock distribution. In this study， wavelet and spectrum analyses of natural gamma log data were used to divide the Milankovitch cycle of the Upper Member of the Jiufotang Formation， and the sedimentary environment at that time was compared with the divided cycle to clarify the stratigraphic sedimentary response characteristics. The results show that 13 Class Ⅳ cycles， 25 Class Ⅴ cycles and 66 Class Ⅵ cycles can be identified in the Upper Member of "Jiufotang Formation. According to the lithology and long eccentricity characteristics of the sedimentary rocks in the Upper Member of "Jiufotang Formation， it can be divided into two stages of sedimentary environment evolution： Warm and humid climate half-cycle and cold and dry climate half-cycle. In the warm and humid climate half-cycle， the increasing depth of waterbody benefits the deposition of fine-grained sedimentary rocks. The warm and humid climate period is the period of hydrocarbon source rock development， and the cold and dry climate period is the period of reservoir development. Combining with relevant geochemical data， the development sites of reservoirs and hydrocarbon source rocks can be predicted.

Key words：

Kailu basin; "Ludong depression; Milankovitch cycle; Upper Member of Jiufotang Formation; sedimentary response; fine-grained sedimentary rock; source rock

0"引言

米蘭科維奇理論最早由米蘭科維奇在20世紀(jì)中期提出^[1]，其認(rèn)為北半球的高緯度地區(qū)冰期旋回產(chǎn)生的主要原因是由于夏季太陽輻射量的變化。對于全球而言，地球軌道三要素（偏心率、地軸斜率和歲差）的變化決定了太陽輻射量的多少。米蘭科維奇理論的時(shí)間性可實(shí)現(xiàn)連續(xù)地層的時(shí)間標(biāo)定，從而相對準(zhǔn)確地把地質(zhì)事件的發(fā)生時(shí)間記錄下來^[2]。該理論起初并不被地質(zhì)學(xué)家所承認(rèn)，但隨著一系列資料、理論和技術(shù)的發(fā)展，使其得到了許多地質(zhì)資料的支撐，由此建立了利用天文循環(huán)時(shí)間的變化來充當(dāng)?shù)刭|(zhì)年代標(biāo)志這一新方法的基礎(chǔ)^[3]。另外，一直以來米蘭科維奇理論也被認(rèn)為是理想的研究地層高精度旋回特征的工具之一^[4-6]。

米蘭科維奇理論主要用于研究古時(shí)期的沉積速率^[7]、與有機(jī)質(zhì)富集的耦合關(guān)系^[8]和與沉積巖性特征的耦合關(guān)系^[9]等。目前該理論已經(jīng)成功地應(yīng)用于多個(gè)盆地，包括珠江口盆地、

松遼盆地、鄂爾多斯盆地和渤海灣盆地等。

李劭杰等^[7]在珠江口盆地研究了該理論與沉積速率的關(guān)系，指出適宜的沉積速率有利于有機(jī)質(zhì)的保存，沉積速率過高導(dǎo)致沉積物質(zhì)稀釋，使有機(jī)質(zhì)豐度降低，沉積速率過低則不利于有機(jī)質(zhì)保存；

馮路堯等^[8-12]在松遼盆地和鄂爾多斯盆地研究了米蘭科維奇旋回與有機(jī)質(zhì)富集的耦合關(guān)系，指出當(dāng)偏心率為極大值時(shí)，有利于有機(jī)質(zhì)的生成和保存，接近極小值時(shí)則不利于有機(jī)質(zhì)的生成和保存；彭軍等^[13]在渤海灣盆地討論了該理論與沉積巖性特征的耦合關(guān)系，指出大的偏心率主要形成紋層狀構(gòu)造特征，小的偏心率主要形成塊狀構(gòu)造特征。

近年來，陸東凹陷已成為遼河勘探區(qū)增儲(chǔ)上產(chǎn)的重要地區(qū)，據(jù)第四次油氣資源評價(jià)結(jié)果，陸東凹陷油氣資源量為1.28×10⁸"t，目前探明石油地質(zhì)儲(chǔ)量為2.24×10⁷"t，剩余資源量大，是實(shí)現(xiàn)規(guī)?？碧叫б嬖鰞?chǔ)的有利地區(qū)。陸東凹陷屬于松遼盆地西南緣開魯盆地的次級負(fù)向構(gòu)造單元，主要經(jīng)歷了斷陷、坳陷和萎縮3個(gè)構(gòu)造發(fā)育階段^[14]，其中主要油氣富集層段為下白堊統(tǒng)九佛堂組^[15]。九佛堂組上段沉積了大段的暗色油頁巖，可能有較為完整的米氏旋回（米蘭科維奇旋回的簡稱，下文同）的存在。本地區(qū)的交38井在勘探過程中未鉆遇到明顯的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，是理想的研究目標(biāo)。此次研究運(yùn)用米蘭科維奇方法研究了發(fā)育的巖性與當(dāng)時(shí)沉積環(huán)境的關(guān)系，以期為下一步有利烴源巖（即甜點(diǎn)）的發(fā)育部位做出預(yù)測，提高日產(chǎn)油量。同時(shí)，此次研究將以自然伽馬曲線為參數(shù)，運(yùn)用頻譜分析、小波變換等方法對陸東凹陷九佛堂組進(jìn)行高精度劃分，以明確沉積旋回的成因。

1"區(qū)域地質(zhì)概況

陸東凹陷是在海西褶皺運(yùn)動(dòng)形成的基底上發(fā)育的凹陷，位于開魯盆地陸家堡坳陷的東部^[16-17]。其主要為斷坳型凹陷，在晚侏羅世沉積時(shí)為斷陷期，而在白堊紀(jì)和第四紀(jì)沉積時(shí)為坳陷期^[18]。陸東凹陷的面積約為1 700 km²，構(gòu)造走向大體為北東向。凹陷內(nèi)部可劃分為東部斷階帶、西北斜坡帶、三十方地洼陷、中央構(gòu)造帶、交力格洼陷和交南斷階帶6個(gè)構(gòu)造單元（圖1）。陸東凹陷大體上沉積于湖泊環(huán)境。

據(jù)文獻(xiàn)[19]修編。

陸東凹陷除石炭系二疊系和第四系外，沉積的地層從下到上依次發(fā)育了義縣組、九佛堂組、沙海組、阜新組、姚家組、嫩江組、四方臺(tái)組及明水組（圖2）。其中九佛堂組主要發(fā)育于盆地快速沉降期，發(fā)育有大量的油頁巖和砂巖，因此，九佛堂組為陸東凹陷的主要產(chǎn)油氣層和儲(chǔ)層。九佛堂組的巖性以粉砂巖和油頁巖為主，夾有少量細(xì)砂巖和火山物質(zhì)等。油頁巖主要集中在九佛堂組上段的中上部，九佛堂組上段的泥巖主要分布在頂部以及中下部、粉砂巖和砂巖主要集中在中部和下部。此地區(qū)也有一定的火山活動(dòng)存在，其主要發(fā)生在九佛堂組下段。九佛堂組上段主要沉積微相類型為深湖泥和半深湖泥、水下分流河道和席狀砂微相。

2"數(shù)據(jù)選擇及預(yù)處理

可用于米氏旋回分析的數(shù)據(jù)有很多，符合要求的地球化學(xué)和地球物理數(shù)據(jù)都可以用來進(jìn)行分析。其中，在地下鉆井過程中所取得的自然伽馬測井曲線，因其具有采樣間隔等間距、測量連續(xù)、縱向分辨率高，以及可準(zhǔn)確反映地層中的巖性旋回和巖相互層變化等特點(diǎn)^[20]，可以將其作為劃分高頻和米氏旋回的有利材料^[21-23]。

本次研究選擇陸東凹陷交38井的自然伽馬（GR）曲線作為劃分米氏旋回周期的標(biāo)準(zhǔn)線。此井在地下鉆探過程中并未鉆遇到斷層，地層連續(xù)性好，樣品的采樣間隔為0.125 m。交38井的九佛堂組上段主要位于1 521～1 900 m之間，巖心總長度為379 m，自然伽馬值主要介于52～162 API之間。

數(shù)據(jù)的預(yù)處理主要包括插值、歸一化、消噪和去趨勢化。由于本次為0.125 m的等間距取樣，而且數(shù)值差距不是很大，因此可以不用進(jìn)行插值和歸一化。本次消噪主要利用Matlab的小波工具箱中的Specialized Tool 1-D模塊進(jìn)行消噪處理，消噪前后的數(shù)據(jù)曲線如圖3所示（紅色為初始信號，黑色為消噪后的信號），可發(fā)現(xiàn)有較好的對應(yīng)性。然后將消噪后的數(shù)據(jù)進(jìn)行去趨勢化處理，主要是為了消除由地質(zhì)沉積環(huán)境和構(gòu)造原因而出現(xiàn)的長周期趨勢。本次去趨勢化的處理主要使用的是Matlab軟件中的detrend函數(shù)，調(diào)用代碼為y=detrend（x），其中x代表原始信號，y代表去趨勢處理后的輸出工作區(qū)。

3"米氏旋回識(shí)別

3.1"米蘭科維奇理論

由于太陽系中的星球和地球存在著相互吸引的作用，導(dǎo)致地球軌道的三要素（偏心率、地軸斜率和歲差）參數(shù)發(fā)生規(guī)律性的變化，使地球上的氣候也產(chǎn)生規(guī)律的改變。這種氣候的變化使某些沉積物發(fā)生規(guī)律性的沉積成巖，并且可以穩(wěn)定地保存在地層中不被破壞，繼而使地層的巖性具有了周期特征^[24]。

本文所采用的是由Laskar J等^[25]建立的白堊紀(jì)米氏旋回的標(biāo)準(zhǔn)（表1）。各軌道參數(shù)比的相對穩(wěn)定預(yù)示著米氏旋回周期的相對穩(wěn)定^[27-28]，因此在一定的誤差范圍內(nèi)，利用各個(gè)參數(shù)之間的比值，通過各種測井曲線（主要為自然伽馬）的數(shù)據(jù)分析出來的譜峰比值與標(biāo)準(zhǔn)的旋回比值具有相同或相近的特征，可以初步確定地層中是否具有米氏旋回的存在^[29-30]。

圖例下同。

3.2"米氏旋回識(shí)別

米氏旋回造成沉積物特征的周期性變化在測井?dāng)?shù)據(jù)中有所體現(xiàn)^[31-32]。沉積物中自然伽馬曲線主要由鈾、釷和鉀含量所決定，在湖泊沉積環(huán)境中，自然伽馬曲線可以靈敏地反映出地層中黏土含量及氣候的變化，所以它成為了地質(zhì)學(xué)家們進(jìn)行米氏旋回分析的理想數(shù)據(jù)類型^[33]。目前，使用由頻譜分析得出的各級旋回厚度比值與理論天文軌道周期所對應(yīng)的厚度比值進(jìn)行對比，是判斷地層中米氏旋回存在與否的常用方法^[34-35]。

本文選擇自然伽馬測井?dāng)?shù)據(jù)作為識(shí)別地層中是否存在米氏旋回的主要證據(jù)。首先將上述經(jīng)過預(yù)處理過的自然伽馬曲線值導(dǎo)入Past軟件中，然后調(diào)用Time欄目下的REDIFIT spectral功能進(jìn)行頻譜分析。本次研究選擇了Welch窗口，并且選擇了紅噪曲線和95%置信度兩條曲線。圖4為九佛堂組上段自然伽馬曲線的頻譜分析圖，橫坐標(biāo)表示頻率，旋回地層厚度等于橫坐標(biāo)所代表的優(yōu)勢頻率的倒數(shù)與采樣間隔的乘積；縱坐標(biāo)表示頻譜能量，即頻率幅值，表示某頻率的顯著程度。

由圖4可知，九佛堂組上段位于95%置信度之上所對應(yīng)優(yōu)勢頻率的主要旋回厚度分別為26.60、8.17、3.19、2.57、1.48和1.31 m（表2），它們的比值為

20.32∶6.24∶2.44∶1.97∶1.13∶1.00，與白堊紀(jì)的理論周期比值即20.01∶6.79∶2.61∶2.04∶1.22∶1.00十分接近，誤差在10%以內(nèi)。以上表明陸東凹陷九佛堂組存在較為完好的受天文軌道驅(qū)動(dòng)影響的米氏旋回。從圖4還可以看出偏心率和地軸斜率的能量相對較強(qiáng)，上段的偏心率周期所對應(yīng)的幅度值是最大的，說明該套地層總體上受偏心率周期的影響。

3.3"米氏旋回劃分

小波變換理論是一種在時(shí)間域和頻率域都具有較高分辨率的方法，因此，也常被稱為數(shù)學(xué)顯微鏡。其經(jīng)常用于數(shù)值信號處理工作，隨著地球物理技術(shù)的日益發(fā)展，它在地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域也被廣泛應(yīng)用^[9]。

本文借助Matlab提供的小波工具箱進(jìn)行米氏旋回地劃分。連續(xù)的小波分析具有局部性和多維度性的特點(diǎn)，能反映頻率與深度的關(guān)系特征。此次選擇Daubechies（dbN，N表示階數(shù)，階數(shù)選擇不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致測井信號的能量不集中）小波對九佛堂組自然伽馬數(shù)據(jù)進(jìn)行小波變換。db5小波由于能量集中性相對較強(qiáng)、較好的適用性，常被用于實(shí)際工作中^[36-38]。本文選擇db5小波對自然伽馬數(shù)據(jù)進(jìn)行分解。

此次對GR曲線進(jìn)行1∶1∶1 024的連續(xù)小波變換，圖5小波色譜圖中紅色和藍(lán)色代表能譜值的高低，紅色代表高值，藍(lán)色代表低值，一個(gè)紅色的能量環(huán)即代表一個(gè)循環(huán)，能量環(huán)的個(gè)數(shù)可表示周期個(gè)數(shù)。從圖5可以發(fā)現(xiàn)小波色譜圖中存在3種不同類型的周期。將輸入不同小波系數(shù)（a）值所得到的db5小波與原始信號進(jìn)行對比，選取小波系數(shù)分別為1 024、256、128的3條小波曲線，低頻曲線代表中等地質(zhì)時(shí)間，中頻曲線代表長地質(zhì)時(shí)間，高頻曲線代表相發(fā)生較大變化面^[30]。

不同a值與所對應(yīng)的曲線震蕩幅度不同，由此可以通過選用不同的a值反映出其與層序界面的關(guān)系。通過研究區(qū)九佛堂組的測井、巖心、地震、四級層序劃分資料及其他資料，結(jié)合小波系數(shù)為1 024、256、128的優(yōu)勢頻率的整數(shù)比值約為1∶4∶10≈405.0∶125.0∶37.5（表3），確定當(dāng)小波系數(shù)為1 024時(shí)與Ⅳ級層序?qū)?yīng)，小波系數(shù)為256時(shí)與Ⅴ級層序?qū)?yīng)，小波系數(shù)為128時(shí)與Ⅵ級層序?qū)?yīng)。結(jié)果如圖5所示，可發(fā)現(xiàn)上九佛堂組共識(shí)別出了13個(gè)Ⅳ級旋回，25個(gè)Ⅴ級旋回，66個(gè)Ⅵ級旋回。

4"米蘭科維奇地質(zhì)響應(yīng)

陸東凹陷九佛堂組上段，天文軌道周期長偏心率405.0 ka所對應(yīng)的旋回厚度為26.60 m，由此計(jì)算出九佛堂組上段的沉積速率為6.57 cm/ka。為了保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，又分別求出了偏心率為125.0 ka，地軸斜率為48.0 和37.5 ka，歲差為22.5和18.4 ka時(shí)所對應(yīng)的沉積速率，分別為6.54、6.65、6.85、6.58、7.12 cm/ka，對上述所得沉積速率求取平均數(shù)，得到由軌道周期計(jì)算出的九佛堂組上段沉積速率為6.72 cm/ka?？梢钥闯鼍欧鹛媒M上段沉積時(shí)，沉積速率較慢，整體處于水動(dòng)力較弱

、水體較深的環(huán)境，這已被巖心深度主要為1 836.7～1 840.7 m的垂向巖性序列所證明。此段的巖性主要為塊狀細(xì)砂巖和粉砂巖相（圖6a），礦物成分主要為長石和巖屑，垂向相間型正韻律為塊狀細(xì)砂巖和粉砂巖沉積組合偶夾泥巖層段。自然伽馬測井曲線呈箱型特征（圖6a），粒度概率累積曲線為兩段式，躍移組分占比低、斜率高（圖6b），指示河口快速堆積與濁流混合態(tài)特征，孔隙發(fā)育程度一般，粒內(nèi)溶孔、粒間溶孔為主，判斷為扇三角洲外前緣環(huán)境；該層段主要為外前緣砂質(zhì)碎屑流水道及水道間、席狀砂相帶（圖6c），而且當(dāng)時(shí)的水體相對較深。

交38井未存在鉆遇到斷層及其他構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的顯示，因此可以將其沉積旋回特征與天文周期進(jìn)行對比研究。在1 673～1 699 m四級層序的總體特征與巖性對應(yīng)關(guān)系表現(xiàn)得較為明顯，故選為此次研究對象（圖7）。在交38井1 673～1 699 m是一個(gè)完整的長偏心率周期，這個(gè)周期中曲線整體特征表現(xiàn)為偏心率先變小再變大，從而使地表接受的每日太陽照射量先減小再增大，氣候由寒冷干旱轉(zhuǎn)變?yōu)闇嘏睗?，因此可將一個(gè)長偏心率周期分為寒冷干旱氣候半周期（1 686～1 699 m）和溫暖潮濕氣候半周期（1 673～1 686 m）。寒冷干旱氣候半周期，由于長偏心率較小，地表接受的每日太陽照射量少，為寒冷干旱氣候半周期，地表降水量減少，導(dǎo)致水體的水位下降，原地沉積的巖性變粗，泥巖占比減少。溫暖潮濕氣候半周期，由于長偏心率較大，地表接受的每日太陽照射量較多，為溫暖濕潤氣候半周期，地表降水量增加，導(dǎo)致水體的水位上升，原地沉積的巖性變細(xì)，泥巖占比增多。因此，在勘探過程中有效的烴源巖層主要分布在溫暖潮濕的氣候環(huán)境周期內(nèi)，有利的砂巖儲(chǔ)層主要發(fā)育于寒冷干旱的氣候周期內(nèi)。此次工作可為下一步與當(dāng)時(shí)的沉積環(huán)境條件結(jié)合，預(yù)測有利烴源巖的發(fā)育部位及有利的儲(chǔ)層發(fā)育部位作出貢獻(xiàn)。

5"結(jié)論

1）通過對交38井九佛堂組上段沉積時(shí)期的理論軌道周期進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)自然伽馬曲線主要的旋回厚度之比與地球軌道參數(shù)厚度的比例基本吻合，說明米蘭科維奇旋回在九佛堂組上段沉積巖地層中有較為完整的保存。

2）九佛堂組上段偏心率405.0 ka對應(yīng)的旋回厚度為26.60 m，偏心率125.0 ka對應(yīng)的旋回厚度為8.17 m，地軸斜率48.0 ka對應(yīng)的旋回厚度為3.19 m，地軸斜率37.5 ka對應(yīng)的旋回厚度為2.57 m，歲差22.5 ka對應(yīng)的旋回厚度為1.48 m，歲差18.4 ka對應(yīng)的旋回厚度為1.31 m。它們所對應(yīng)的沉積速率分別為6.57、6.54、6.65、6.85、6.58、7.12 cm/ka，平均沉積速率為6.72 cm/ka。

3）一個(gè)長偏心率周期由兩個(gè)半周期沉積氣候環(huán)境組成。溫暖潮濕氣候半周期內(nèi)，氣候溫暖潮濕，降雨量多，導(dǎo)致水體上升，原位沉積更多的細(xì)粒沉積物；寒冷干旱氣候半周期內(nèi)，氣候寒冷干燥，降雨量少，導(dǎo)致水體下降，原位沉積更多的粗粒沉積物。溫暖潮濕氣候時(shí)期是有利烴源巖發(fā)育的時(shí)期，在寒冷干旱時(shí)期是有利儲(chǔ)層發(fā)育的時(shí)期。與相關(guān)地球化學(xué)數(shù)據(jù)結(jié)合后可對烴源巖和儲(chǔ)層的發(fā)育部位做出有效的預(yù)測。

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