基于米兰科维奇高频旋回的地...盆地西缘奥陶系重点层系为例_吴昊.pdf

收稿日期：；修订日期：。作者简介：吴昊（）男，在读硕士研究生，现从事沉积与储层地质研究。：。通信作者：陈朝兵（），男，副教授，现从事沉积学与石油地质研究。：。基金项目：国家自然科学基金（）、国家科技重大专项（）、陕西省自然科学研究基础计划项目（）、刘宝珺地学科学基金（）联合资助。文章编号：（）基于米兰科维奇高频旋回的地层划分与对比方法 以鄂尔多斯盆地西缘奥陶系重点层系为例吴 昊，赵当妮，蒋婷婷，巩肖可，陈江萌，陈朝兵，（西安石油大学地球科学与工程学院，陕西西安；陕西省油气成藏地质学重点实验室，陕西西安；中国石油长庆油田分公司第二采气厂，陕西西安）摘要：鄂尔多斯盆地奥陶纪构造活动频繁，中央古隆起将鄂尔多斯盆地分隔为盆地西缘和盆地中东部，两侧海域沉积体系和地层系统不同，导致盆地西缘奥陶系重点层系的小层划分困难。为解决此难题，利用米兰科维奇高频旋回对西缘奥陶系重点层系进行地层划分与对比。结果表明，基于米兰科维奇高频旋回识别层序界面的方法，利用自然伽马测井数据求得的累计旋回厚度偏差曲线拐点与三级 四级层序界面具有良好的对应关系，可以建立与鄂尔多斯盆地中东部奥陶系地层对接的、等时的地层格架；并在此基础上，通过分析累计旋回厚度偏差曲线的形态特征，将西缘奥陶系地层旋回划分为“中东部型”、“相对海进型”、“相对海退型”和“倒 型”四种类型。关键词：鄂尔多斯盆地；奥陶纪；地层划分；米兰科维奇高频旋回中图分类号：文献标识码：，（，；，；，）：，：年 月石 油 地 质 与 工 程 第 卷 第 期，：；鄂尔多斯盆地西缘奥陶纪受秦岭 祁连山 贺兰山三叉裂谷系贺兰拗拉槽影响，发育海相深水沉积，岩性以厚层灰岩、白云岩为主，层序旋回不明显，缺少层内标志层，地层划分和对比存在较大争议，且地层系统及命名与盆地中东部不同，严重制约了盆地西缘奥陶系天然气勘探开发的进程。因此，对鄂尔多斯盆地西缘奥陶系重点层系进行小层划分是当务之急。经文献调研发现，盆地西缘奥陶系地层划分有三大难点：构造体系不同，不能简单套用盆地中东部海平面升降旋回来划分西缘地层。奥陶纪鄂尔多斯盆地处于地质事件频发时期，且由于中央古隆起两侧位于不同古海域（中东部位于古华北海，而西缘处于古祁连海），导致该时期盆地中东部和西缘的岩石沉积和化石形成有较大差异；盆地西缘奥陶系岩性测井表象单一，实则复杂多变。盆地西缘测井岩性往往显示大段的灰岩和白云岩，且自然伽马和自然电位曲线很难反映碳酸盐岩的构造及岩性。根据岩心观察可知，奥陶系碳酸盐岩的沉积环境比较复杂，且伴随着滑塌和角砾的存在；化石、同位素及年代地层无法满足小层（四级层序）划分精度。古生物保存条件复杂，很难对多井进行精确的小层划分对比；元素录井难以对岩石的结构和粒度以及生物进行分析，部分亚相难以划分。本文将自然伽马（）测井数据作为指标，利用米兰科维奇高频旋回对西缘奥陶系重点层系测井岩性单一的井进行地层划分和对比，取得了良好效果。区域地质概况 构造沉积特征鄂尔多斯盆地位于华北西部，横跨五个省区，是历经漫长演化于中生代晚期之后逐渐从大华北盆地中分离所形成。现如今的格局主要分为三个区块，即西缘、中东部和南缘，是我国第二大含油气克拉通盆地，主体面积约为 ，广义的盆地面积约为 。盆地内地质构造较平缓，背斜和断层较少，总体上东部较高，西部较低。早奥陶世鄂尔多斯盆地构造继承寒武纪构造，祁连海槽呈“”型包围西南部地区，海水入侵时，由于西缘暴露出海面，故该时期西部未沉积，缺少下奥陶统地层；中奥陶世海水入侵鄂尔多斯盆地西缘，发育三道坎组、桌子山组、克里摩里组地层，直到中奥陶世末，华北台地两侧洋盆发生相向俯冲作用，华北台地逐渐抬升；晚奥陶世海水退出盆地东部，故盆地东部缺失上奥陶统地层，盆地中部形成一个古隆起，该时期盆地西缘逐渐沉积乌拉力克组及其他地层。鄂尔多斯盆地马家沟组沉积期经历过三次海进和三次海退，具有一套完整的旋回，利用该套旋回可以将盆地西缘部分旋回性较好的井进行地层划分和对比。鄂尔多斯盆地西缘奥陶纪位于中央古隆起西部，处于裂谷拗拉槽（边缘海），全球海平面的升降影响着西缘的沉降速率和沉积速率。由于盆地西缘处于边缘海，岩性较单一，旋回性较差，标志层较少；此时，盆地中东部为陆表海沉积。地层特征区内桌子山组与下伏三道坎组地层呈整合接触，以大段灰岩或白云岩为主（表，图、），可见大段事件沉积的滑塌构造，经短距离搬运后的砾石具有一定磨圆度，后被方解石充填（图）。克里摩里组与下伏桌子山组地层呈整合接触，岩性为薄层灰岩与黑色钙质页岩互层（表，图、），指示克里摩里组的沉积水深接近碳酸盐岩补偿深度，为稳定的开阔陆棚环境，底部灰岩常见滑塌角砾岩（图），偶见生物碎屑，钙质页岩内可见笔石类化石（图）。乌拉力克组沉积期海平面下降，主要发育黑色页岩，该时期页岩相对克里摩里组沉积期页岩较黑，为硅质页岩（表，图、），偶见笔石等生物化石（图），该时期盆地西缘沉积环境为深海环境。表 鄂尔多斯盆地西缘奥陶系重点层系地层统计地层岩性厚度 乌拉力克组以黑色硅质页岩为主，偶见笔石化石 克里摩里组以薄层灰岩为主、灰岩与钙质页岩互层 桌子山组以大段灰岩或白云岩为主，部分灰岩可见方解石充填 米兰科维奇高频旋回识别层序界面前人运用米兰科维奇高频旋回识别层序界面，已取得了许多有益成果。毛凯楠等（）采用自然伽马曲线作为米兰科维奇旋回周期分析的参数曲线，对琼东南盆地梅山组和三亚组地层进行层序界石 油 地 质 与 工 程 年 第 期 桌子山组，灰岩；桌子山组，灰岩；桌子山组，被方解石充填的灰岩；克里摩里组，笔石化石；克里摩里组，钙质页岩；克里摩里组，滑塌角砾岩；乌拉力克组，硅质页岩；乌拉力克组，硅质页岩；乌拉力克组，笔石页岩图 研究区重点层系野外剖面及岩心特征面识别，建立天文年代标尺对地层进行划分和对比。张运波等（）在观察露头的基础上，使用自然伽马能谱曲线对四川盆地茅口组开展频谱分析及滤波处理，识别了对应的米兰科维奇高频旋回，并建立了高频层序划分方案。张运波等（）利用频谱分析法对塔里木盆地塔中 巴楚地区米兰科维奇旋回进行分析，进行六级层序划分。唐闻强等（）选取自然伽马曲线作为米兰科维奇高频旋回周期参数进行频谱分析，从而对旋回厚度与轨道周期进行对比，对沉积速率和古气候进行讨论。宗毅等（）利用自然伽马数据作为米兰科维奇高频旋回替代指标进行频谱分析，对地层进行划分和对比，建立地层格架。整体来看，米兰科维奇高频旋回的研究方法主要分为两种：其一，通过观察岩性来直观地判别地层是否存在明显的旋回。该方法需要研究者具有丰富的野外考察工作经验，能够准确地进行岩性判别。但野外的岩性和岩相变化有时很难反映出轨道参数的变化，因此该方法易造成旋回信息的误差和遗漏。其二，利用能够反映岩性特征的数值或者能够反映地层古气候的数值指标（如测井曲线、地层中的化学元素含量的变化等），来构建包含地层古环境信息的深度（时间）序列，进行数据处理和定量分析。本文采用第二种方法，对自然伽马（）数据进行处理和定量分析。基本原理 世纪，天文学家发现地球轨道的几何形态呈周期性变化，并控制着地球的气候变化，对沉积作用产生影响。世纪 年代，气候学家米兰科维奇认为天文作用力影响着地球的气候变化，表现为地球轨道的偏心率、黄赤交角（斜率）和岁差受天文因素的影响发生周期性变化，这些变化控制着地球接收太阳辐射的变化，进而影响气候和地层层序的变化。米兰科维奇循环控制着全球冰期和高频海平面升降，并在地层中保留了普遍印迹。目前，古代碳酸盐岩地层可识别出四级、五级、六级（）的高频沉积旋回，通过分析高频沉积旋回分布模式及叠加样式可反映低频海平面升降变化，进而标定三级层序界面，完成等时地层划分。在正常的海洋沉积环境中，沉积速率一般大于沉降速率，如图 所示（据伊海生，）：旋回厚度累计偏差曲线与海平面变化曲线相比发生了变化，且旋回厚度累计偏差曲线幅值变化小于海平面曲线的幅值变化，但两者之间的升降转换节点的位置相同。由此可知，高频旋回厚度累计偏差曲线不一定能够直接反映低频海平面的变化趋势，但曲线的升降拐点可以指示沉积层序界面的位置。经过充分考虑，结合盆地西缘奥陶系实际地质情况，选用自然伽马数据作为沉积旋回的计算及解析对象，主要理由：西缘陆缘海背景下，自然伽马反映的泥质含量的周期性变化比岩性鉴别的沉积旋回精度高；碳酸盐岩中的泥质组分相对比较稳定，很少因受到成岩期的溶解作用或交代作用而损失；泥质含量主要受进入海洋的河流径流量以及沉积物输入量控制，而河流的泥沙通量又与气候的冷暖干湿变化周期有关。选取自然伽马（）数据不但可以反映米兰科维奇旋回驱动的陆地气候变化，还可能同步放大高频海平面波动的信号。其主要步骤包括：使用线性内插法对原始数据进行校正，求取等间距数据序列；使用最小二乘法对原始曲线进行拟合，取其与原始数据序列之差作为新数据序列，消除系统误差和测井曲线的长趋势偏移；采用移动平均法过滤背景噪音，突出沉积旋回的周期波动。移动平均的周期视旋回的大小而定，实际计算过程中采用 点移动平均值消除高频噪音；由于预处理过程中采用参数的差异，可能造成计算结果的误差，因此必须使数据中心化或归一化。实际计算过程采用一阶差分法处理，保证最终计算结果具有一致性；最后采用逻辑判别函数，提取归一化伽马测井数据序列正吴 昊等 基于米兰科维奇高频旋回的地层划分与对比方法图 累计旋回厚度偏差与全球海平面变化关系（据伊海生，）负偏差数据，计算出沉积旋回厚度。效果分析综上所述，选用自然伽马（）数据处理后获得的累计旋回厚度偏差曲线可以反映高频海平面升降。以银探 井为例，自然伽马数据经过处理后的结果如图 所示。分析旋回组合及其叠加样式在地层剖面中的变化，可以识别层序界面和层序结构。对于旋回不清晰的“单一”岩性地层，能够有效放大相对海平面波动信号，清晰划分三级、四级层序界面。银探 井在桌子山组沉积期相对海平面逐渐上升，长期处于深水区沉积环境，沉积以灰岩为主。克里摩里组沉积期相对海平面相对平稳，沉积大段灰岩。乌拉力克组沉积期相对海平面相对上升，但由于陆源物质的影响，该时期主要沉积砂岩和泥岩。由此可知，该方法可以较好地划分旋回。受盆地西缘拗拉槽构造活动影响，盆地西缘奥陶纪相对海平面升降变化有别于盆地中东部，构造沉降及相对古构造位置对层序旋回具有一定控制作用。根据累计旋回厚度偏差曲线的形态，将与盆地“中东部”相似的高频旋回划分为“中东部型”旋回，将累计旋回厚度偏差曲线整体上升的旋回划分为“相对海进型”旋回，将累计旋回厚度偏差曲线整体下降的旋回划分为“相对海退型”旋回，将累计旋回厚度偏差曲线整体呈“倒”形态的旋回划分为“倒 型”旋回（图）。其中，“中东部型”旋回的井主要位于古隆起边缘，“相对海进型”旋回的井主要处于长期深水区，“相对海退型”旋回的井主要处于持续抬升的斜坡区，“倒 型”旋回的井主要处于构造抬升 沉降高频部位。“中东部型”旋回该类型的层序旋回海平面变化与全球海平面变化基本同步（图）。其中桌子山组划分为 段，该时期的累计旋回厚度偏差曲线的变化与盆地“中东部”马五、马四、马三和马二时期海平面变化一致。克里摩里组划分为 段，该时期累计旋回厚度偏差曲线变化与盆地“中东部”马五 的海平面旋回变化一致，乌拉力克组与盆地“中东部”对应层位缺失。古隆起边部及水下隆起区常发育此类旋回，层序界限清晰，可以明显看出鄂尔多斯盆地西缘累计旋回厚度偏差与盆地“中东部”的层序旋回及海平面升降具有良好对应关系，表明基于米兰科维奇天文周期原理获取的高频旋回曲线可以有效划分西缘奥陶系三级 四级层序界面，该方法具有重要的实际应用价值。“相对海进型”旋回该类型基本不受全球海平面及构造沉降的影响，累计旋回厚度偏差曲线整体上是不断增大的，相对海平面不断上升，长期处于深水区，呈“单一”岩性（主要以大段灰岩为主）（图），常规方法分层困难。石 油 地 质 与 工 程 年 第 期图 银探 井自然伽马数据处理及解析结果图 盆地西缘奥陶系四种基本旋回谱系模式吴 昊等 基于米兰科维奇高频旋回的地层划分与对比方法图 “中东部型”累计旋回厚度偏差曲线剖面石 油 地 质 与 工 程 年 第 期采用累计旋回厚度