地球物理與地球化學方法在陸相層序識別中的應用——以新生代敦化盆地為例

韓嬌艷，胡菲

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地球物理與地球化學方法在陸相層序識別中的應用——以新生代敦化盆地為例

韓嬌艷1，胡菲2

（1.中石化東北油氣分公司勘探開發研究院，長春 130062；2.吉林大學地球科學學院，長春 130061）

層序地層單元的識別是層序地層學研究的基礎，通常對于不同級別層序地層單元的識別要依據不同的資料和手段，不同的研究方法在劃分不同級別的層序上各具優勢。當傳統的層序識別手段（巖心、測井、地震）遇到困難時，就需要運用地球物理特殊處理和地球化學的方法來輔助層序的識別。在敦化盆地地震資料品質差、測井和巖心資料相對缺乏的條件下，本文在地球物理方法上應用小波變換、“門檻值特殊處理”的瞬時相位剖面來輔助三級層序和體系域的識別，在地球化學方法上應用有機碳（TOC）、微量元素、稀土元素的方法來輔助三級層序、體系域和準層序的識別，從而彌補了傳統的單一方法識別層序產生的不足。

層序識別; 敦化盆地; 地球物理; 地球化學

層序地層學是分析基準面變化的沉積響應、研究可容納空間（充填沉積物的空間）與沉積作用相互影響及其引起的沉積趨勢變化的一門學科（Catuneanu O，2006）[1]。其經典理論起源于對被動大陸邊緣海相地層的研究，后經國內外學者多年發展和完善逐漸推廣到陸相地層研究之中。層序地層單元的識別是層序地層學研究的基礎，對于不同級別層序地層單元的識別要依據不同的資料和手段。在陸相層序識別中，前人已應用相應的方法對不同級別的層序識別作了大量的研究。

圖1 敦化盆地地理位置圖

Harder H B（1970）和Couch E L（1971）強調，在一個層序地層單元形成過程中，在古氣候驅動下的湖平面變化旋回中，沉積巖中的地球化學元素會發生周期性變化，從而拉開了應用地球化學元素進行層序劃分的序幕，從而引起了學者們的熱潮，在前人研究的基礎上，Peters（2000）與Bohacs（2000）先后提出了層序地球化學概念，Peters（2000）在研究印度尼西亞Mahakam 三角洲時，充分利用有機碳等化學數據建立了Mahakam地區新的層序地層模式[2]。同時國內學者也相繼應用地球化學方法對層序進行了識別與劃分[4-9]，并取得了較好的效果[3-9]，而田景春等[10]總結了地球化學標志與體系域變化的關系[10]。

對于地球物理方法，前人應用較多的是應用瞬時相位和小波變換來進行層序劃分，朱建偉等（2001）通過對比杏山66測線瞬時相位剖面和其相應的解釋剖面中的層序發現，層序界面及層序內部體系域之間的接觸關系都十分清晰，取得了較好的效果[11]，李勤學等[12]應用瞬時相位特殊處理，在徐家圍子地區的層序劃分中也取得了較好的效果[12]。小波變換是通過時頻窗來對原信號進行分析的（陳桂明等，2000），小波變換用來劃分層序的方法已日趨成熟，不同的學者分別在各自的領域取得了較好的成果[13-16]。

1 區域地質概況

敦化盆地位于敦密斷裂帶中段，地理上位于吉林省延邊地區敦化市境內，北鄰寧安盆地，南接樺甸盆地，盆地整體呈北東向展布，面積4 400 km2（圖1）。目前仍處于勘探的初級階段，前人研究表明其具有一定的油氣資源潛力[17-21]，且中-新生代地層為主要的目的層，其油氣勘探前景備受關注。

敦化盆地經歷過拉張、走滑等多種應力作用，盆地性質、構造與沉積充填特征較復雜，油氣分布規律不明確。因此，本文開展盆地的層序地層學研究，這將為后期的沉積特征、構造特征以及生儲蓋等特征研究都會起到鋪墊的作用，同時，也將為未來在敦化盆地的油氣勘探決策提供科學的依據。

敦化盆地地層自下而上依次發育古生界泥盆系和二疊系、中生界侏羅系和白堊系、新生界古近系、新近系以及第四系。其中中生界主要包括侏羅系托盤溝組（J1-2），下白堊統屯田營組（K1）、西山坪組（K1）、長財組（K1）、泉水村組（K1）和大砬子組（K1）；新生界為研究目的層，主要包括古近系琿春組（E2-3），新近系土門子組（N1）和船底山組玄武巖，第四系主要發育火山噴發玄武巖。

2 地球物理方法識別

地球物理方法近年來已經成為層序識別的一種有效手段，尤其是當盆地內鉆井和測井資料有限時，更需要應用地球物理的方法來進行層序的輔助識別，本次在敦化盆地新生界層序地層研究中主要采用了小波變換和通過“門檻值特殊處理”的三瞬剖面來對層序界面進行輔助識別。層序的劃分采用劉招君等[15，26]提出的四分體系域觀點[22]，即一個三級層序包括低水位體系域（LST）、水進體系域（TST）、高水位體系域（HST）和水退體系域（RST）。

2.1 小波變換

劉招君等（2002）根據進積型、退積型和加積型的準層序的疊加方式，設計了不同類型的準層序組的聲波時差曲線（圖2）。通過小波變換得到了其小尺度時頻譜特征，從頻譜特征分布可以看出，對于進積型準層序組，振幅能量由深至淺有加大趨勢，加積型準層序組振幅能量基本保持不變，而退積型準層序組，振幅能量由深至淺有減小加大趨勢，這表明不同類型的準層序組其小波變換頻譜特征是有區別的，這就為利用小波變換頻譜特征研究層序、體系域的劃分和內部疊加方式提供了有效的手段。

圖2 不同類型準層序時頻譜特征

（a）進積型；（b）退積型；（c）加積型（據劉招君等，2002）

根據不同類型準層序的時頻譜特征，對敦化盆地的體系域進行了識別（圖3）。從圖中可以看出，單從自然GR曲線上很難發現層序的旋回特征，但是通過小波變換之后，可以明顯看出敦化盆地新生代地層在小波變化頻譜圖上明顯表現為6個完整的旋回，從而將新生代地層分為6個三級層序。其中古近系琿春組發育4個三級層序，新近系土門子組發育2個三級層序。而在層序劃分的基礎上，進一步進行了更大精度的小波變換，從而對體系域進行了識別。從圖中可以看出，低水位體系域（LST）在時頻譜上由進積型準層序組組成，能量譜向上有變大的趨勢，水進體系域（TST）在時頻譜上由退積型準層序組組成，能量譜向上有變小的趨勢；高水位體系域（HST）在時頻譜上由加積型準層序組組成，能量譜幾乎保持不變；而水退體系域（RST）在時頻譜上由進積型準層序組組成，能量譜向上有明顯變大的趨勢。

2.2 “門檻值特殊處理”的三瞬剖面

由于敦化盆地地震資料品質的限制，有時需要對地震剖面進行特殊處理，這是用于層序劃分的一種有效輔助方法。瞬時相位模塊應用普遍，其效果往往取決于地震剖面的質量，由于敦化盆地地震品質差，將瞬時相位技術直接應用得到的效果并不理想，因此，將瞬時相位處理剖面作全新的輸入，進行“門檻值特殊處理”，即給屬性剖面賦予一個門檻值k，k之上數值經振幅加強，k之下數值全部為零。k值通過反復的試驗進行確定，通過處理后的剖面背景干凈，使得剖面上反射結構、幾何特征更為清晰，從而能夠對層序界面和體系域特征進行更好的識別，取得了較好的效果（圖4）。

圖3 敦化盆地敦參1井層序與體系域小波變換識別特征

從圖中可以看出，在原始地震剖面上，地震反射結構特征并不明顯，經過地球物理特殊處理之后，地震反射特征變的更加清楚。每個層序發育4個體系域，每個體系域識別特征明顯，在層序界面之下發育削截現象，界面之上發育上超點，第一個上超點對應于首次湖泛面，限定了低水位體系域（LST）的范圍；最長最連續的軸為最大湖泛面（mfs），對應了最大湖泛時期，其與首次湖泛面之間為水進體系域（TST），水進體系域在湖盆邊緣上超于層序界面之上；最大湖泛面與下超面之間為高水位體系域（HST），表現為連續的反射軸；水退體系域（RST）發育明顯的前積現象，在地震反射結構上表現為下超。除此之外，還可以在體系域內識別出一些特殊的地震反射形態，如在水進體系域（TST）和水退體系域（RST）之內識別出透鏡體，這將為沉積體系分析以及相模式的建立提供有利的證據。

3 地球化學方法識別

層序是基準面變化的產物，而基準面的變化往往會影響地球化學元素和有機碳含量在沉積物中的富集程度，因此，我們可以應用沉積物中地球化學元素和有機碳含量變化特征來進行層序的劃分。

3.1 微量元素與稀土元素與層序劃分

敦化盆地巖性發育主要為大套砂巖層或砂泥巖互層，泥巖顏色變化不明顯，而且缺乏測井曲線資料，單純的從單井上很難進行層序地層單元的劃分。因此研究中借助了地球化學手段，在微量元素中，主要選取了V、Ni和Sr/Ba，稀土元素主要選取了∑REE和∑LREE來進行層序和體系域的劃分（圖5）。從圖中可以看出，在敦化1井Sq4各體系域中，微量元素與稀土元素富集規律與基準面變化成較好的對應關系，隨著基準面的升降，4個體系域表現出不同的微量元素和稀土元素特征：在LST時期，各元素含量較低，在TST時期含量增高，在HST時期達到最高，而RST時期降低。

圖5 敦化1井Sq4不同體系域稀土元素和微量元素變化特點

在以上分析的基礎上，進一步總結出了在層序四分體系域格架內不同體系域與地球化學標志的對應關系（圖6），在LST時期，各元素含量較低，在TST時期含量增高，在HST時期達到最高，而RST時期降低。

圖6 不同體系域稀土元素、微量元素變化特點

3.2 有機碳（TOC）與層序劃分

Creaney和Passey（1990，1993）詳細研究了海相烴源巖TOC含量隨體系域變化的特征：在最大海泛面之上，由于高水位體系域的進積作用，沉積物被稀釋，有機碳含量降低；在該海泛面之下，由于前一個水進體系域有較高的沉積速率，TOC也降低，并指出可以應用TOC來進行層序劃分。Peters等（2000）總結的層序地球化學模型中強調了TOC與層序的關系，在LST時TOC低，形成差烴源巖，TST時TOC含量加大，形成好烴源巖，到Mfs時TOC達到最大，HST時TOC含量又降低。近年來，應用TOC的變化對深水泥巖段進行層序地層的劃分取得了較大的成果（楊玉峰等，2003；陳建平等，2005；劉招君等，2011）[24-26]，但同時，在巖性識別特征不明顯的條件下，我們也可以應用TOC來對層序進行輔助識別。

在敦化盆地，TOC在準層序劃分上具有明顯的識別特征，每個TOC 單元代表著一次水深變化過程，而TOC單元的底部突變恰代表了水體突然變深的過程，與準層序界面的水體變化十分相似。底部突變的TOC單元的底部對應的界面應該為一個準層序的界面，而一個單一的TOC單元就應該對應于一個準層序，每一個準層序在TOC上都表現為突然增大然后逐漸減小的旋回（圖7）

圖7 敦化盆地敦化1井Toc識別準層序

4 結論

1）應用小波變換可以很好的對三級層序和體系域單元進行良好的識別，敦化盆地新生代地層在小波變化頻譜圖上明顯表現為6個完整的旋回，從而將新生代地層分為6個三級層序。在體系域識別上，低水位體系域能量譜向上有變大的趨勢，水進體系域能量譜向上有變小的趨勢；高水位體系域能量譜幾乎保持不變；而水退體系域能量譜向上有明顯變大的趨勢。通過“門檻值特殊處理”后的剖面，背景干凈，剖面上反射結構、幾何特征更為清晰，能夠對層序界面和體系域特征進行更好的識別。

2）應用微量元素和稀土元素可以很好的劃分體系域，隨著基準面的升降，4個體系域表現出不同的微量元素和稀土元素特征：在LST時期，各元素含量較低，在TST時期含量增高，在HST時期達到最高，而RST時期降低。而應用TOC可以很好的識別準層序單元，每個準層序底部對應著TOC突然增大的特征，每一個準層序在TOC上都表現為突然增大然后逐漸減小的旋回。

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The Application of Geophysical and Geochemical Methods to Continental Sequence Recognition——by the example of the Cenozoic Dunhua basin

HAN Jiao-yan1HU Fei2

（1-Research Institute of Exploration and Exploitation, Northeast Oil and Gas Field, SINOPEC Company Limited, Changchun 130062; 2-Institute of Earth Science, Jilin University, Changchun 130061）

The identification of sequence stratigraphic units is the basis of sequence stratigraphy research. Generally, the identification of different sequence stratigraphic units should be based on different data and means, and different research methods have their own advantages in the classification of different levels of sequence. When the traditional methods of sequence identification （core, logging, seismic） encounter difficulties, it is necessary to use special geophysical treatment and geochemical methods for assisting the identification of sequences. In the Dunhua basin, due to poor quality of seismic data and scarce well logging and core data, geophysical methods such as wavelet transform and the "threshold special processing" instantaneous phase profile are used to assist the identification of the three grade sequence and system tracts, geochemical methods such as organic carbon（TOC）,trace elements and rare earth elements are used to assist the identification of the three grade sequence, system tracts and subsequence, which makes up the shortage of single method of traditional sequence recognition.

sequence recognition; Dunhua basin; geophysical method; geochemical method

2017-11-08

韓嬌艷（1986-），女，工程師，碩士研究生，現主要從事石油地質研究工作

P631、32；P618.13

A

1006-0995（2018）03-0513-05

10.3969/j.issn.1006-0995.2018.03.037