基于自然伽馬測井曲線的旋回識別及古氣候判斷

2021-10-28 03:30:46陳云唐聞強張承志伍新和楊蕓邢浩婷

測井技術 2021年4期

陳云,唐聞強,張承志,伍新和,楊蕓,邢浩婷

(1.成都理工大學地球科學學院,四川成都610059;2.成都理工大學沉積地質研究院,四川成都610059;3.中國石油青海油田公司,甘肅敦煌736202;4.中國地質調查局油氣資源調查中心,北京100083)

0 引言

尼瑪盆地是發育在班公湖-怒江縫合帶之上的新生代陸相沉積盆地[1],自21世紀以來隨著西藏油氣勘探工作的深入,尼瑪盆地的油氣勘探工作取得重大突破[2-3]。2017年成都理工大學伊海生團隊與中國地質調查局油氣資源調查中心在尼瑪盆地發現了長達55 km的瀝青顯示帶,并發現規模巨大的暗色烴源巖系,顯示出良好的油氣勘探潛力[4]。但是由于勘探程度較低,有關尼瑪盆地沉積旋回和層序地層的研究尚處于較低階段,存在進一步研究空間。本文以西藏中部尼瑪盆地古近系牛堡組為研究對象,基于自然伽馬測井曲線,采用頻譜分析及Matlab帶通濾波處理方法,明確尼瑪盆地始新世高原腹地氣候的演化過程及其成因控制,為尼瑪盆地沉積旋回和層序地層研究提供基礎技術資料。

1 區域地質概況

尼瑪盆地地處青藏高原中部,大地構造區劃主體位于班公湖-怒江縫合帶與雅魯藏布江結合帶之間,由南向北約5～15 km,由東向西延伸175 km以上,面積約3 000 km2。盆地內構造復雜,總體上具有兩坳一隆的構造格架,即北部坳陷、南部坳陷和中央隆起[5-6],依次沉積了古近系牛堡組、新近系康托組及第四系地層,下伏白堊系、侏羅系和三疊系地層(見圖1)。其中,牛堡組為湖相沉積,巖性以紫紅色、灰綠色和青灰色砂巖為主,夾多層灰黑色泥頁巖、頁巖,并在底部和中部可見2層礫巖沉積,產孢粉、輪藻和介形類化石組合[7-8]。地震資料顯示研究區沉積地層產狀平整,未發生大規模構造運動,褶皺不發育,古近系牛堡組地層發育完整未見缺失且巖性變化明顯。

圖1 尼瑪盆地區域地層分布及尼1井位置圖

2 米蘭科維奇旋回基本原理及定量表示

米蘭科維奇旋回地層學是從復雜沉積層中獲取高精度年代地層的優質方法之一。米蘭科維奇在前人研究基礎上,于上世紀40年代提出了米蘭科維奇旋回理論[9-10],指出地球軌道參數的周期變化控制著地球日照量的大小,而日照量的改變則會引起溫度、海洋環流及降雨量的變化,這些變化進一步控制了風化、沉積、搬運等作用,最終形成了不同的沉積地層,這些信息也同樣被記錄在沉積地層中[11-13]。自“層序”概念提出以來[14],眾多學者根據全球海平面的歷史變化周期,將地層層序劃分為6個級別,并認為1～3級層序主要受構造因素所控制,4～6級主要受天文因素控制(即米蘭科維奇旋回)。諸多學者根據旋回厚度對地層層序進行了劃分[14-18](見表1),認為氣候因素所控制的精細地層旋回主要受米蘭科維奇旋回控制,因此,可以利用沉積地層的米蘭科維奇旋回特征來反演區域乃至全球的古氣候變化。

表1 層序及旋回等級劃分及特征

米蘭科維奇旋回的日地軌道參數變化周期主要由3個參數變化引起[19]:①地球公轉軌道偏心率,指地球在圍繞太陽旋轉過程中偏離正圓軌道的程度,偏心率值一般在0.000 5～0.060 7周期性波動(現代值為0.016 7),包含405 kyr和100 kyr這2個主要周期,長偏心率周期(405 kyr)是最穩定周期,被廣泛用于天文年代標尺的建立;②地球軌道軸斜率(地球自轉面與公轉軌道面之間的交角,也稱黃赤交角),它引起地球四季的變化,這種變化主要影響高緯度地區,而對低緯度地區影響較小,包含54 kyr和41 kyr這2個主要周期;③地球軌道歲差(地球角動量對太陽和月球之間的干擾),歲差本身不對地球日照量產生影響,但是與偏心率結合便引起日照量的季節性分布,導致季節性作用加強,包含23 kyr和19 kyr這2個主要周期,其中23 kyr為主周期。如果在沉積地層中找到與地球軌道3要素相同比率關系的沉積旋回,那么就表明地層中存在米蘭科維奇旋回,但是這些地層信息需要連續(即沒有沉積間斷或不整合面),相對穩定(即未出現快速沉積,快速沉積可能是構造作用引起,不屬于米蘭科維奇冰川型沉積),且具有指示意義(即替代指標要與氣候或湖平面變化相關的信號)[18]。

自然伽馬測井測量井內巖層的放射性元素在衰變過程中釋放的射線強度。不同巖石的放射性元素含量差異很大,泥巖對鈾的吸附能力較強具有較高的自然伽馬值,灰巖等碳酸鹽巖只在晶格中含有少量的放射性元素自然伽馬值較低,因此,自然伽馬值可以作為不同沉積環境下形成沉積物的良好替代指標。自然伽馬測井曲線具有等間距、高分辨、連續等特征,同時具備反映氣候變化的信息且不受其他因素影響,可以作為良好的環境替代指標用于研究地層中米蘭科維奇旋回信息[20]。近年來,隨著測井曲線分析地層層序及周期旋回的研究與日俱增[21-22],自然伽馬測井曲線被廣泛應用于古海洋和古湖泊的氣候反演等研究[23-25]。

3 自然伽馬特征及數據處理方法

米蘭科維奇旋回在不同沉積環境中均有所體現[26],目前研究方法主要為高精度地球化學或地球物理數據[27-28]。該研究以尼瑪盆地尼1井自然伽馬曲線為樣本,采樣間隔0.125 m,鉆井資料和取心樣本顯示其地層連續,鉆進過程中未見斷層。其中牛堡組地層共分為3段:牛堡組三段以砂、泥巖為主;牛堡組二段巖性單一以大套砂巖為主且旋回性差;牛堡組一段(未鉆穿)巖性組合以砂巖、泥巖等為主,具有良好的旋回性變化,是米蘭科維奇旋回研究的優質層位。牛堡組一段(1 324～1 980 m)自然伽馬值介于28.81～168.98 API,平均值67.66 API。此外,自然伽馬低值對應砂巖層、高值對應泥巖層,曲線本身也顯示了較好的旋回變化(見圖2)。

圖2 尼瑪盆西部地區尼1井牛堡組一段綜合柱狀圖

自然伽馬曲線的米蘭科維奇旋回數據處理方法主要用到Past軟件和Matlab軟件。數據處理步驟:①將預處理后的自然伽馬數據以0.125 m等間距格式導入Past軟件進行計算,得到頻率、相對強度及置信度3組數據;②將這3組數據導入Excel表格,并制作頻率、相對強度和置信度的相關關系圖;③在相關關系圖中尋找置信度90%以上的相對強度顯著譜峰,這些峰對應了米蘭科維奇旋回的周期頻率(包括偏心率、軸斜率及歲差的主要周期),而這些頻率的相對強度與窗譜圖進行比對則可以確定米蘭科維奇旋回;④確定地層中存在米蘭科維奇旋回后,利用Matlab軟件進行帶通濾波處理(包括數據調諧處理、將深度域轉換為時間域),將自然伽馬數據導入Matlab軟件,選取自然伽馬頻譜分析對應峰值頻率的左、右截止頻率值f1和f2,確定采樣間距,進行運算;⑤將成果數據導入Excel表格,便得到帶通濾波調諧曲線,該曲線的總旋回周期個數與對應旋回周期年齡之積即為研究地層的沉積時限。

4 尼1井牛堡組一段自然伽馬旋回頻譜特征

4.1 自然伽馬曲線頻譜分析

目前傅里葉變換、數字濾波及小波分析被引入米蘭科維奇旋回分析中,極大地提高了米蘭科維奇旋回分析的準確性,使地層記錄的氣候變化被揭示[29-30]。在實際測井過程中,由于各種外界因素的影響自然伽馬曲線存在一定的誤差,在分析開始之前,應首先對尼1井牛堡組一段的自然伽馬測井數據進行預處理,消除環境及噪聲所產生的影響。牛堡組一段的處理結果顯示:自然伽馬數據所對應的主要頻率點(置信度90%)的頻率值依次為0.056 4、0.224 1、0.422 3、0.559 5、0.981 7,波長與頻率為倒數關系,因此,可知對應波長分別為17.730 5、4.462 3、2.368 0、1.787 3、1.088 6。旋回波長的實質為沉積地層中沉積物的厚度,周期旋回平均沉積厚度分別為:17.730 5 m(405 kyr)、4.462 3 m(100 kyr)、2.368 0 m(54 kyr)、1.787 3 m(41 kyr)、1.088 6 m(23 kyr)(見圖3)。

圖3 尼瑪盆西部尼1井牛堡組一段自然伽馬曲線頻譜分析

4.2 旋回厚度與軌道周期對比

目前,通常利用頻譜分析法計算各級周期旋回厚度之間的比值,再與天文軌道周期比值進行對比,進而判斷沉積地層中是否存在米蘭科維奇旋回。太陽輻照量的大小在一定程度上影響了全球溫度及干濕的變化,導致全球氣候條件出現周期性變化。通過對天文軌道周期參數進行分析,結果顯示尼瑪盆地尼1井各級旋回周期分析比值與理論周期比值間的誤差率很小,均未超過2%(見表2)。表明尼1井牛堡組一段地層存在米蘭科維奇旋回,且各級沉積旋回厚度比值與天文軌道周期理論比值基本吻合。根據不同天文軌道周期的頻率強度及波長數值,可知各旋回周期的沉積速率(沉積速率=波長/周期)分別為43.78、44.62、43.86、43.60、44.29 m/Ma,平均沉積速率為44.03 m/Ma,這一結論與相鄰倫坡拉盆地的模擬沉積速率基本一致[31]。

表2 尼瑪盆地尼1井牛堡組一段自然伽馬曲線頻譜分析結果及比例關系

4.3 沉積速率討論

在頻譜分析的基礎上,利用Matlab軟件對自然伽馬曲線進行帶通濾波處理,可以得到各級周期旋回濾波曲線,并劃分出了405、100、54 kyr周期對應的理論旋回曲線圖(見圖4),顯示405 kyr周期旋回37個、100 kyr周期旋回148個、54 kyr周期旋回274個。表明牛堡組一段沉積時限(沉積時限=平均沉積速率×旋回個數)約為14.8 Ma,平均沉積速率44.03 m/Ma。由于尼瑪盆地缺乏相關研究,關于尼瑪盆地的沉積速率還需進一步討論,與之相鄰的倫坡拉盆地也是形成于班公湖-怒江縫合帶之上的新生代裂谷盆地,牛堡組地層發育且研究較為成熟,可以與尼1井進行對比。研究認為倫坡拉盆地在漸新世-中新世的地層平均沉積速率約為60～80 m/Ma[32-33],但始新世沉積速率波動較大,約為40～90 m/Ma[31,34],其中牛堡組三段沉積速率較高,而一段與二段沉積速率較低,在40 m/Ma左右,這與該文的研究成果基本一致。

圖4 尼瑪盆地尼1井牛堡組一段高分辨率天文年代標尺

5 尼瑪盆地牛堡組古氣候判斷

米蘭科維奇旋回具備的天文成因,使其常用于年代標尺的建立[35-36]。根據相鄰倫坡拉盆地牛堡組地層界線年齡[31]結合頻譜分析數據,估算出尼瑪盆地尼1井牛堡組一段地質年齡約為56.8～42 Ma,正好處于岡底斯山脈隆起時間段內。Zachos等[37-38]利用深海巖芯對米蘭科維奇旋回與氣候的相關關系研究時,發現當氣候溫暖時偏心率帶通濾波振幅強度較大,而氣候寒冷時偏心率帶通濾波振幅強度較小,因此,偏心率濾波的振幅強度可用于判斷區域氣候的相對高低及演化過程[見圖5(a)和(b)]。從尼1井建立的年代標尺來看,最穩定周期(405 kyr)的帶通濾波振幅從老到新具有明顯的逐漸變大趨勢;通過時深轉換可知,在42～49.5 Ma期間偏心率振幅相對較高,而在49.5～56.8 Ma期間偏心率的振幅相對較低,這與Zachos通過深海氧同位素反演的全球溫度變化趨勢具有反相關關系[見圖5(c)];表明青藏高原中部在始新世的氣候演化是不一致的,他們之間可能存在某種更深層次的關系或某種因素影響了該地區的氣候演化。

圖5 全球氧同位素濾波分析及尼1井牛堡組一段帶通濾波趨勢對比圖

新生代是全球氣候最為波動的時期,先后出現了早始新世極熱、始新世-漸新世驟冷、漸新世-中新世降溫等事件[37],與此同時印度板塊也與歐亞板塊發生碰撞青藏高原開始隆升[39-40][見圖6(a)]。二氧化碳作為一種溫室氣體其濃度降低會導致區域乃至全球溫度的下降[41-42],高原隆升初期,岡底斯山脈的隆升導致區域風化速率加強,強烈的風化作用消耗大量的二氧化碳,快速隆起后的山脈又阻擋了二氧化碳的補充,在二者的共同作用下導致始新世初期高原中部溫度相對較低,帶通濾波在早起振幅相對較低指示了這一特征[見圖6(b)和(c)]。青藏高原初步形成之后,由于全球溫度下降[見圖6(b)],海陸比熱容的差異導致海洋的冷濕空氣向陸地侵入,當它遇到地形阻擋以后便會形成雨影效應和焚風效應[43]。雨影效應即季風由海向陸地推進時,遇到地形阻擋在迎風面與下降氣流碰撞形成大量降雨;焚風效應即失去水汽的季風氣流翻過山脈以后形成干熱下沉氣流,從而在背風面形成干熱的焚風。最終在青藏高原中部中始新世形成相對干熱的氣候,這也與帶通濾波在后期的相對高振幅對應[見圖6(c)]。因此,最終認為青藏高原中部尼瑪盆地西部地區牛堡組一段偏心率的振幅變化代表了局部的氣候變化,區域從古到新溫度是逐漸升高的,引起這種變化的因素是岡底斯山脈的隆起和全球溫度的快速變化。這是通過已有結論進行的推論,要確定這一結論還需要進一步研究。