潿西南凹陷流沙港組一段天文旋回識別及高頻層序劃分*

魏小松 陸 江 劉 蕾 何衛軍 嚴德天 魏之焜 左 潔

(1. 中國地質大學(武漢)構造與油氣資源教育部重點實驗室 湖北武漢 430074； 2. 中海石油(中國)有限公司湛江分公司 廣東湛江 524034；3. 中國石油長慶油田分公司第一采油廠 陜西延安 716000)

20世紀中葉，米蘭科維奇[1]系統研究了地球軌道參數(偏心率、斜率和歲差)的變化規律，提出地球的軌道變化決定了太陽光照量的大小，北緯65°附近夏季太陽光照量的變化正是第四紀冰期旋回的主因。20世紀70年代，Hays 等[2]對印度洋鉆孔氧同位素的古氣候研究證明了米蘭科維奇提出的軌道周期和第四紀冰期旋回一致的正確性。從此，以米蘭科維奇本人命名的米氏旋回(即104～106年的米氏頻道的天文軌道驅動)被創新性地應用到全球不同的中、新生代地層中，來理解和揭示地質歷史時期的古氣候變化、太陽系的軌道配置對沉積地層的控制、“深時”地層中的高精度年代構建等。

近年來，大洋、湖泊、三角洲等沉積記錄中不斷有天文信號的發現，利用米蘭科維奇旋回理論，結合放射性同位素，建立高精度天文年代標尺已被認為是地層學解讀時間的第三里程碑[3-5]。隨著研究的不斷拓展，利用米蘭科維奇旋回對沉積地層的高頻層序進行劃分得到了廣泛應用[4-8]，如四川盆地中二疊統茅口組以長偏心率(413.0 ka)和短偏心率(123.0 ka)對四級層序(準層序組)和五級層序(準層序)的劃分[9]。神狐海域第四紀沉積充填序列劃分的20個優勢旋回[10]，以及對準噶爾盆地瑪湖凹陷百口泉組[11]、東營凹陷沙四上亞段湖相深水細粒沉積[12]、哈薩克斯坦南圖爾蓋盆地Aryskum地塹 Ary301井卡拉甘塞組[13]的米蘭科維奇旋回識別和高頻層序劃分等。

北部灣盆地潿西南凹陷油藏儲量豐富，然而近年來的勘探實踐表明低滲油藏儲量較大，非均質性很強，勘探效果不佳，現有的區域三級層序格架下的沉積相分析已經遠遠不能滿足區帶優選，且四級層序格架下沉積相研究不能滿足勘探目標的精細評價，因此更高層序的精細刻畫成為主要的研究目標。米蘭科維奇旋回約束下的高頻層序劃分可為層序地層研究提供重要指導，然而很少有研究報道該地區的沉積記錄受天文軌道參數的約束及高頻層序劃分的實例。本文在潿西南凹陷已有的研究基礎上，以測井GR曲線為替代指標，分別進行了天文旋回識別、天文年代標尺建立和高頻旋回劃分，為下一步高精度層序刻畫和氣候變化研究奠定了基礎。

1 區域地質概況

北部灣盆地位于中國南海近海西端(圖1a)，北與粵桂隆起相接，南臨海南隆起，西接越南地塊。潿西南凹陷位于北部灣盆地北部坳陷北部，受區域近北西—南東向拉張應力作用，凹陷內發育3條北東—南西走向的正斷層，控制了整個凹陷的構造格局[14](圖1b)。北部灣盆地充填系列由下至上依次可分為3個部分：以古近系陸相沉積為主的長流組、流沙港組、潿洲組，以新近系海相沉積為主的下洋組、角尾組、燈樓角組和望樓港組(圖1)，以及沉積了灰黃色砂層和灰色黏土的第四系[15]。

流沙港組主要為湖泊相暗色泥巖，從凹陷中心向凸起方向厚度減薄，巖性變粗，一般厚度為1 000 m，最大厚度大于4 400 m，是北部灣盆地的主力生油巖[16]。按巖性變化，流沙港組從上而下可分為3段：①流三段，巖性為濱淺湖相砂巖，厚度約300 m；巖石粒度縱向上呈下粗上細，下部為礫狀砂巖與泥巖的不等厚互層，上部為粉砂質泥巖、泥巖與泥質粉砂巖、含礫砂巖互層；流三段頂界為砂泥巖互層的砂巖層[16]。②流二段，在潿西南凹陷是一個中深湖相沉積區，厚度大于300 m，最厚在1 800 m以上；流二段頂界為大套泥巖段或以泥巖為主的泥巖層。③流一段，沉積中心位于凹陷北部，屬中深湖相沉積；流一段底部以一套砂泥互層為界，下部為含礫砂巖、細砂巖、砂礫巖與深灰色泥頁巖不等厚互層[16],中、上部為深灰色泥、頁巖夾粉砂巖。

潿西南凹陷湖盆發育可劃分為3個階段：湖盆擴張階段、湖盆全盛階段和湖盆萎縮階段。湖盆擴張階段(流三段)：流三段主要為濱淺湖沉積，沉積中心有小范圍的中—深湖相，①號斷裂作用下受次物源影響發育扇三角洲。湖盆全盛階段(流二段)：隨著斷陷活動的進一步加劇，湖盆發育達到極盛時期，全區水體較深，沉積一套巨厚的中—深湖相灰色泥巖；主要物源方向有一定繼承性，仍來自于西邊，在近物源區發育濁流沉積。湖盆萎縮階段(流一段)：始新世到早漸新世斷裂活動暫時停緩，凹陷內沉積速率和沉降速率均低，且前者略大于后者，湖盆開始萎縮，湖水變淺，堆積三角洲(圖2)。

圖1 北部灣盆地區域地質背景及地層柱狀圖Fig .1 Geological setting and stratigraphic column of Beibuwan basin

圖2 潿西南凹陷流一段PSL13四級層序沉積相圖Fig .2 Sedimentary facies map of the PSL13 sequence in the First Member of Liushagang Formation, Weixinan sag

2 研究材料及方法原理

2.1 研究材料

在沉積記錄中，出現周期性變化的沉積旋回往往能和古氣候的變化相聯系(如米蘭科維奇認為的北半球65°的太陽輻射是驅動第四紀冰期旋回的主因[17])。理論上講，只要與氣候變化相關聯的參數均能作為旋回地層學分析的替代性指標[18]，所以在研究米氏旋回時基本都是以最能反映某個地區的替代指標來作為研究對象。伽馬射線強度能夠反映黏土礦物的變化，通常由鉀、釷和有機質組成，也包括鈾[19-20]。湖相盆地中的黏土礦物和有機質通量通常對環境和氣候條件敏感，GR曲線能夠保存相關的氣候周期信號[21-23]。變暖和潮濕的時間間隔通常與增加的黏土礦物和有機質輸入有關，導致高伽馬值;而由于黏土礦物和有機質輸入的減少，變冷、干旱的時間間隔導致低的伽馬值[24-26]。因此,GR曲線可以作為沉積旋回的替代指標。

選擇潿西南凹陷Wei-1和Wei-2井(圖2)流一段的GR曲線進行旋回地層分析。其中，Wei-1井位于潿西南凹陷北部陡坡的扇三角洲邊緣，選取井段為2 250～2 950 m；Wei-2井位于潿西南凹陷南部扇三角洲邊緣，選取井段為2 700～3 150 m。

2.2 方法原理

2.2.1數據預處理

地層記錄中的旋回信息并非只與天文軌道力相關，由于還存在構造運動、氣候變化、海平面升降等因素，所以在提取米氏旋回信號前需要對數據進行預處理，將與天文軌道力無關的噪音信號消除，才能有效地解釋頻譜分析的結果，使得提取的頻率更為可靠。數據預處理步驟包括插值、去均值、去極值、去趨勢化等。

2.2.2頻譜分析

功率譜表示信號功率在頻率值域范圍內的分布狀況。頻譜分析即將時間序列的信號強度按頻率序列展開，成為頻率的函數，目的是識別其中的準周期成分[27]。在旋回地層分析中，首先要確定米氏旋回信號是否存在，通常采用頻譜分析；當譜峰周期(即波長)之比近似于地球軌道參數的長、短偏心率、斜率及歲差的周期時，可初步判斷地層記錄中存在米氏旋回信號。然后對信號進行濾波提取。濾波是提取地層數據中目標序列的過程，可分為低通濾波、高通濾波和波通濾波[27-28]。本文采用波通濾波方式，并利用R軟件(SR.Meyers)[29]中MTM功能及EHA功能(演化諧波分析)對深度域數據序列進行頻譜分析，獲得具有置信區間的頻譜分析圖[30]。

2.2.3天文調諧

確定沉積記錄中存在米氏旋回信號時，就可以將信號調諧到理論曲線上，繼而獲得高分辨率的天文年代標尺(Astronomical Time Scale,ATS)。由于天文調諧的復雜性和替代指標中噪音的干擾，不是每個地層數據都能進行天文調諧。如果驗證了地層數據與天文軌道力驅動有關，可以利用其中含有的旋回個數和天文周期進行調諧，從而建立浮動的天文年代標尺。

新生代405 ka長周期偏心率周期在地質歷史時期一直比較顯著和穩定，本文選擇405 ka長周期偏心率旋回來建立浮動天文年代標尺。若要把相對地層間隔時間轉化為絕對年齡值，需要在計算的地層中提出含一個或幾個可以作為絕對年齡值的面來標定為“基準面”[31]。依據研究層段的厚度以及米氏旋回的次數可計算出地層的持續時間，若再加上已知年齡的控制，就能對研究層段進行較為精確的定年。

3 結果分析

3.1 深度域頻譜分析

3.1.1Wei-1井

將Wei-1井分成上、中、下3段，將目標層位處理后的GR數據導入R軟件，進行MTM頻譜分析和深度域滑動窗口頻譜分析，得到研究層段的振幅分析結果(圖3～5)。Wei-1井上段和中段頻譜分析圖(圖3b、4b)顯示，在頻率0.02～0.03、0.08～0.12及0.22～0.26范圍有較顯著的超過置信水平的峰值，可以解釋為長偏心率E，短偏心率e和斜率O。從Wei-1井下段頻譜分析圖(圖5b)可以看出，0.32～0.36范圍有顯著峰值，解釋為歲差P。同時，演化功率譜分析、演化諧波分析和經EHA標準化后的振幅圖上都能夠追蹤到405 ka長偏心率(E)、123 ka與100 ka短偏心率(e1、e2)、40 ka斜率(O)、23 ka(P1)和19 ka(P2)歲差(圖3c—e;圖4c—e;圖5c—e)，表明沉積地層受到地球軌道參數偏心率、斜率和歲差的調控。

3.1.2Wei-2井

Wei-2井頻譜分析結果見圖6b，可以看出，在頻率0.02～0.04、0.08～0.12及0.20～0.28范圍有明顯的超過置信水平的峰值，波長分別為40、10、4.1 m，波長比(40∶10∶4.1)大約等于地球軌道周期比(405 ka∶100 ka∶41 ka)。同時，在演化的滑動窗口也能夠追蹤到405 ka長偏心率(E)、100 ka短偏心率(e2)及40 ka斜率(O)的信號(圖6c～e)，表明沉積地層受地球軌道參數的調控。

3.2 沉積速率分析

3.2.1Wei-1井

利用R軟件中多窗口頻譜分析功能可以得到分析層段對應的沉積速率變化圖。通過多窗口頻譜分析分別得到Wei-1井3個沉積段的沉積速率變化(圖7—9):在2700～2920m層段，沉積速率在5～25 cm/ka變化，總體上呈下降趨勢(圖9)；在2 450～2 700 m層段，沉積速率在5～ 20 cm/ka變化，由初始的5～10 cm/ka增加到15～20 cm/ka，總體呈上升趨勢(圖8)；在2 250～2 450 m層段，沉積速率在10～ 30 cm/ka變化，但在2 400～2 450 m層段較穩定，2 450 m以上從30 cm/ka逐漸減小為10～15 cm/ka，總體為下降趨勢(圖7)。因此，Wei-1井流沙港組一段從下往上沉積速率呈現“降低—升高—穩定—降低”的變化趨勢。

圖3 Wei-1井流一段上段頻譜分析Fig .3 Spectral analysis in upper section of the First Member of Liushagang Formation of Well Wei-1,Weixinan sag

圖4 Wei-1井流一段中段頻譜分析Fig .4 Spectral analysis in middle section of the First Member of Liushagang Formation of Well Wei-1,Weixinan sag

圖5 Wei-1井流一段下段頻譜分析Fig .5 Spectral analysis in lower section of the First Member of Liushagang Formation of Well Wei-1,Weixinan sag

圖6 Wei-2井流一段頻譜分析Fig .6 Spectral analysis of the First Member of Liushagang Formation of Well Wei-2,Weixinan sag

圖7 Wei-1井流一段上段沉積速率變化Fig .7 Sedimentary rate in upper section of the First Member of Liushagang Formation of the Well Wei-1,Weixinan sag

圖8 Wei-1井流一段中段沉積速率變化Fig .8 Sedimentary rate in middle section of the First Member of Liushagang Formation of the Well Wei-1,Weixinan sag

圖9 Wei-1井流一段下段沉積速率變化Fig .9 Sedimentary rate in lower section of the First Member of Liushagang Formation of the Well Wei-1,Weixinan sag

3.2.2Wei-2井

利用R軟件多窗口頻譜分析功能得到Wei-2井沉積速率線性變化圖(圖10)：在2 700～3 150 m層段，沉積速率起初由13 cm/ka減小至5 cm/ka，然后逐漸增加并在15～30 cm/ka擺動；在2 800～2 900 m層段又降低到約12 cm/ka，之后又逐漸升高，反映了沉積速率呈現“升高—穩定—降低—升高”的變化趨勢。

圖10 Wei-2井流一段沉積速率變化Fig .10 Sedimentary rate of the First Member of Liushagang Formation of the Well Wei-1,Weixinan sag

3.3 天文調諧

以GR值作為替代指標的頻譜分析表明，流沙港組沉積地層旋回受到米氏旋回的約束。選取Laskar[32]中長偏心率405 ka作為目標曲線進行時間校準，并且為了更方便對比，圖中旋回已被標上序號。利用流沙港組一段和二段的界限年齡39.4 Ma[33]作為基準進行時間標定，建立流沙港組一段的天文年代標尺。Wei-1井流沙港組一段的沉積厚度為660 m，持續時間約為5 Ma，平均沉積速率約為0.132 m/ka。以405 ka長偏心率為周期識別出13個完整的中期旋回，由此劃分了13個五級層序。依據123 ka短偏心率為周期識別出39個短期旋回，由此劃分了39個六級層序(圖11)。

Wei-2井流沙港組一段的GR數據與天文軌道力相關，因此基于天文力旋回的地層旋回能夠被識別出來。同樣，選取Laskar方案中20°N長偏心率405 ka作為目標曲線進行天文校準。由天文調諧的結果來看，流沙港組一段的沉積厚度約為450 m，持續時間約為4.8 Ma，平均沉積速率約為0.093 75 m/ka。以405 ka長偏心率濾波曲線為對象，以Laskar方案中的偏心率為基準進行比對，識別出13個完整的中期旋回，由此劃分了13個五級層序。以123 ka短偏心率濾波曲線，識別出27個短期旋回，由此劃分了27個六級層序(圖12)。

圖11 Wei-1井流一段天文調諧及高頻層序劃分Fig .11 Astronomical tuning and high resolution sequence units division of the First Member of Liushagang Formation of the Well Wei-1,Weixinan sag

圖12 Wei-2井流一段天文調諧及高頻層序劃分Fig .12 Astronomical tuning and high resolution sequence units division of the First Member of Liushagang Formation of the Well Wei-2,Weixinan sag

4 討論

依據Laskar方案長偏心率和鋯石年齡標定建立的天文年代標尺顯示潿西南凹陷流一段的持續時間為4.8～5.0 Ma，而提取的帶通濾波的長偏心率旋回個數為13個，流一段實際為12個長偏心率旋回，計算得到持續時間為4.86 Ma。Cao等[33]建立的北部灣盆地福山凹陷流沙港組一段的天文年代標尺顯示持續時間約4.2 Ma，這與本文研究結果存在較大差異。實際上，Cao識別的地球軌道旋回為400 ka 長偏心率和96 ka 短偏心率，而本文研究以識別的405 ka為基準，這可能導致持續時間的差異。此外，由于處于不同凹陷內，物源的影響也可能導致沉積的差異。因此，高精度天文年代標尺需要多個傳統數字定年控制及精細的天文調諧才能準確的建立。

從高頻層序劃分結果來看，Wei-1和Wei-2井識別的中期旋回(即五級層序)一致；而短期旋回(即六級層序)存在差異。由于Wei-1、Wei-2井均位于遠離斷層的位置，且均位于扇三角洲前緣，因此保證了頻譜分析不受構造因素干擾，但由于物源與沉積速率差異，導致六級層序劃分存在差異； 另一個因素可能是Wei-1、Wei-2井以123 ka劃分的沉積序列，而不是100 ka。實際上，地層沉積序列是多種周期信號的疊加反映在沉積記錄中，加上一些不確定因素，因此很難將測井曲線識別的旋回和沉積變化完全對應起來[30]。如果能夠增加井的數量，進行連井綜合分析，勢必會提高高頻層序劃分的合理性和準確性。因此，短期旋回(高頻層序)的劃分是一個相對較難的過程，需要配合巖心資料及多口井對比進一步相互驗證，其具體的影響因素及驅動機制有待進一步的探討。

5 結論

1) 通過對潿西南凹陷流一段頻譜分析，在頻率0～0.1、0.2左右以及0.3～0.4范圍都能夠追蹤到405 ka長偏心率(E)、123 ka短偏心率(e1)、40 ka斜率(O)、23 ka(P1)和19 ka(P2)歲差，表明沉積地層受到天文參數的控制。

2) 以Laskar方案長偏心率405 ka作為標準，利用流一段和流二段的界限年齡39.4 Ma作為基準進行時間標定，建立了流一段的天文年代標尺，Wei-1井持續時間為5 Ma,Wei-2井持續時間為4.8 Ma,二者年齡較接近。

3) 以405 ka長偏心率濾波曲線與Laskar方案中的405 ka偏心率進行比對，分別在Wei-1井和Wei-2井流一段識別出13個完整的中期旋回，由此劃分了13個五級層序。

致謝：在天文旋回研究中與叢富云博士進行了詳細的討論，在此表示誠摯謝意！