湖相泥頁巖地層米氏旋回測井識別及環境響應特征
——以渤海灣盆地濟陽坳陷東營凹陷樊頁1井Es4scs為例

彭 軍，于樂丹，許天宇，韓浩東，楊一茗，曾 垚，王瑜斌

（1.西南石油大學地球科學與技術學院，四川 成都 610500； 2.中國地質調查局成都地質調查中心，四川 成都 610081）

自Milankovitch運用地球軌道旋回理論解釋第四紀冰期和間冰期，進而證實第四系中存在米蘭科維奇旋回（米氏旋回）以來［1］，旋回地層學便廣泛應用于地質年代學研究［2］。旋回地層學的基本理論是地球軌道變化引起全球氣候變化，其將由地球軌道驅動力造成的旋回性地層記錄稱為米氏旋回，旋回中所蘊含的周期信息在地層中表現為沉積結構、沉積構造、巖性和巖相的變化，這些變化會在古氣候替代性指標中得到體現［3］，而運用數學方法便能提取替代指標中的周期信息［4］。同時，旋回地層學提供了一種全新的定年方式，通過研究沉積旋回中與天文軌道有關的周期來確定地層單位的延續時間和年齡。前人研究認為，細粒沉積地層的高頻旋回受米氏旋回的影響而形成［5-7］，但涉及軌道周期環境響應特征的研究卻相對較少，因此，亟需開展湖相細粒沉積地層米氏旋回研究，建立較為精確的年代地層格架，在此基礎上進一步探討軌道周期對細粒沉積過程以及泥頁巖油氣富集規律的控制。

近年來，諸多學者嘗試運用各種數據和方法［8-15］來提取地層中的米氏旋回：運用自然伽馬能譜數據開展滑動平均濾波和小波變換分析，對碳酸鹽巖高頻層序進行了研究［6］；運用野外露頭和磁化率等數據研究了華南二疊紀地層中記錄的米氏旋回［16］；運用自然伽馬測井數據開展旋回分析，建立了松遼盆地白堊系青山口組的天文年代標尺［17］；通過研究早侏羅世普林斯巴期碳循環，發現Fe元素濃度時間序列具有明顯的米氏旋回［18］；運用意大利北部La Vedova剖面磁化率和地球化學測試數據，校正了地中海地區中新世的天文年代格架［14］。綜上所述，目前國內外學者多采用測井、磁化率和地球化學測試分析數據，運用時頻分析方法對海陸相沉積地層的旋回性進行研究，進而計算旋回的持續時間和平均沉積速率。鑒于此，為了更好地研究湖相泥頁巖天文旋回周期以及環境響應特征，本文以渤海灣盆地濟陽坳陷東營凹陷樊頁1井古近系沙河街組四段上亞段純上次亞段（Es4scs）為例，在前人研究基礎上，從天文地層學理論出發，綜合測井數據和地球化學資料，探索基于測井信息的細粒沉積地層米氏旋回識別，并首次運用有機質豐度和表征古氧化-還原性的指標來探討軌道周期的響應特征。旨在能為細粒沉積地層的精細劃分與對比、精細地質定年、建立高精度的層序地層格架提供研究思路和方法，為研究天文軌道周期控制下的環境響應特征提供借鑒。

1 地質背景

渤海灣盆地位于中國東部，是中朝準地臺經過古生代沉積并在印支、燕山期運動的基礎上發展起來的中-新生代斷陷盆地［19-20］。東營凹陷是渤海灣盆地濟陽坳陷內的典型中-新生代陸相斷陷湖盆，其東部為青坨子凸起，南部為魯西隆起與廣饒凸起，西部為青城凸起，北部為陳家莊凸起和濱縣凸起（圖1a）［21-22］。

東營凹陷內發育3個正向構造帶（北部陡坡帶、中央背斜帶和南部緩坡帶）和4個負向構造帶（利津洼陷、牛莊洼陷、博興洼陷和民豐洼陷），凹陷東西長約90 km，南北寬約65 km，總面積約5 700 km2。古近系沙河街組四段上亞段為半深湖-深湖沉積，形成了大套細粒沉積，主要巖性為泥質灰巖、灰質泥巖和泥巖等（圖1b）［23-26］。該段地層完整地記錄了湖泊環境和氣候變化的信息，是開展米氏旋回分析的理想載體。

圖1 東營凹陷構造地質簡圖和地層綜合柱狀圖［21-25］Fig.1 Geological sketch and composite stratigraphic column of the Dongying Sag［21-25］

2 米氏旋回識別

本次米氏旋回研究的總體思路為運用數學方法（頻譜分析、小波變換、功率譜估計和濾波分析）分析時間序列（自然伽馬測井數據）中蘊含的周期性旋回信息，再通過米氏周期計算時間跨度，并進一步計算出沉積速率。頻譜分析是將時域信號轉換至頻域信號進而對周期性現象進行分析，主要用來初步判斷測井信號中的優勢頻率成分是否受軌道周期的影響；再通過小波變換進一步分析這些頻率信息是否受某一具體軌道周期的驅動，識別地層中保留的米氏旋回類型；最后通過功率譜估計準確讀取優勢旋回對應的尺度值，得出不同尺度下的功率譜，進而提取不同級別的旋回。運用這些方法能夠提取與地球軌道參數相關的地層響應信息，進而能夠確定百萬年及以下級別的地層年代［27-30］。

2.1 古近紀地球軌道要素理論周期及特征

表1 50～30 Ma地球軌道參數周期及其比值關系Table 1 Plot showing the earth orbital parameter periodicities in the past 50 to 30 Ma and their ratios

2.2 米氏旋回分析

2.2.1 頻譜分析

本文借助了Matlab提供的一維連續小波工具箱，對樊頁1井Es4scs（深度為3 251～3 441 m）自然伽馬測井數據開展消噪和去趨勢化的預處理。

運用Past 3.0統計分析軟件，選擇Spectral analysis模塊中的REDFIT程序，對預處理后的測井數據開展頻譜分析［28］，從而得出自然伽馬測井信號頻譜分析圖（圖2）。提取圖中的優勢頻率成分，運用頻率與其對應的周期旋回厚度呈倒數關系求出相應的地層厚度，再通過地層記錄中的米蘭科維奇性質判斷所研究地層是否存在受軌道周期驅動的沉積旋回。

樊頁1井Es4scs自然伽馬測井曲線的頻譜分析結果表明，研究層段具有明顯的周期性，優勢頻率0.031 574，0.107 350，0.246 270，0.315 740，0.606 210和0.681 990 m-1所對應的主要旋回厚度分別為31.672，9.315，4.061，3.167，1.650和1.466 m（圖2），其旋回厚度（m）之間的比值為31.672∶9.315∶4.061∶3.167∶1.650∶ 1.466=21.600∶ 6.353∶2.769∶2.160∶1.125∶1，該比值與古近紀米氏旋回理論軌道周期（kyr）之間的比例405.00∶124.22∶51.68∶39.76∶220∶18.82十分接近，即31.672 m和9.315 m的旋回厚度分別對應405.00 kyr偏心率長周期（E1）和124.22 kyr偏心率短周期（E2），4.061 m和3.167 m的旋回厚度對應于51.68 kyr斜率周期（O1）和39.76 kyr斜率周期（O2），而1.650 m和1.466 m的旋回厚度對應22.00 kyr歲差周期（P1）和18.82 kyr歲差周期（P2）。因此，樊頁1井Es4scs極有可能受米氏旋回控制。

圖2 東營凹陷樊頁1井Es4scsGR曲線Redfit頻譜分析Fig.2 Redfit spectral analysis of GR curves of Es4scsin Well Fanye 1 in the Dongying Sag

2.2.2 小波變換

由于軌道信號進入沉積系統并不是一個線性過程，可能伴隨很多其他雜信號，因此通過頻譜分析不能完全判斷研究層段是否存在明顯的米氏旋回，還需要進一步對其進行小波分析來判斷，小波分析能夠識別出測井曲線中不同頻率的曲線旋回［34-35］。本次運用Matlab提供的一維連續小波工具箱中的Morlet小波作為子波對研究層段的自然伽馬測井數據信號開展小波分析。圖3a—d為樊頁1井Es4scs自然伽馬測井信號小波時頻能譜圖，從圖中可以看出，不同成分的頻率被分解到不同的尺度范圍上，高頻成分對應于小尺度值，低頻成分則對應大尺度值，總的來說不同成分的頻率對應于某幾個特定的尺度值，即說明頻率的成分相對單一穩定，進一步證實了研究層段受明顯的米氏旋回控制。

圖3 東營凹陷樊頁1井Es4scs一維連續小波處理結果（尺度值=256）Fig.3 Results of one-dimensional continuous wavelet transform for Es4scsin Well Fanye 1 in the Dongying Sag（scale value：256）

2.2.3 功率譜估計

所謂問題引領教學，是指在教學中要將“有層次、結構化、可擴展、能持續”的核心問題貫穿整個教學過程，把學生的思維引向深入，從而最大限度地激發其探究數學知識本源，理解數學內容本質，感悟和運用數學思想與方法，培育其良好的數學素養。[1]

為了進一步判斷這些相對單一穩定的頻率成分是否受某一具體軌道周期控制，在小波分析的基礎上開展功率譜估計，將不同尺度的能譜值累加做出相應的模極值圖。在Office Excel表格中自行定義公式y=｛SUM［ABS（1∶n）］｝/n，式中n為第n列處的數據值，運用公式得出3個明顯的模極大值點，其對應的小波尺度值分別為30，51和163，其中，尺度值163和51的比值3.20與E1和E2的比值3.26非常相近。結合頻譜分析結果，可以確定該套地層受明顯的偏心率周期的控制，即尺度值163和51所對應的優勢頻率分別受E2和E1的驅動。故兩個尺度值所對應的小波曲線可理解為E1和E2的旋回曲線，用以代表研究層段地層的周期旋回曲線。通過旋回曲線圖（圖4）可以得到研究層段保存的E1和E2旋回個數分別為6個和22個，兩者比值3.67∶1也與405.00 kyr∶124.22 kyr比值3.26∶1相近，進一步證實了研究層段主要受E1和E2的驅動，同時也受到O2和P1的控制。

圖4 東營凹陷樊頁1井Es4scs米氏旋回地層格架Fig.4 Milankovitch cyclic stratigraphic framework of Es4scsin Well Fanye 1 in the Dongying Sag

2.2.4 米氏旋回周期

根據頻譜分析、小波變換和功率譜估計的結果，樊頁1井Es4scs的沉積過程受E1，E2，O2和P1的控制。對頻譜分析結果中的不同主峰進行帶通濾波處理，濾掉時間序列中與米氏旋回無關的高頻和低頻信息，提取與偏心率、斜率和歲差相關的天文軌道信號［36］。本次通過帶通濾波，將主要峰值頻率信息提取出來，用于建立不同級別的地層格架，同時獲得全井段受不同軌道周期控制的地層沉積時間，用于地層沉積速率的計算。根據濾波結果，研究得出樊頁1井Es4scs發育約6個E1，22個E2，65個O2及110個P1（圖4）。

3“浮動”天文年代標尺的建立

利用Laskar關于地球軌道參數解的研究成果生成地球軌道要素的理論曲線［33］，將主峰值的濾波分析結果與理論曲線進行對比，發現E2濾波曲線與理論偏心率曲線的頻率相似，且兩者具有很好的對應關系。因此，本次采用旋回信號明顯的E2建立東營凹陷樊頁1井Es4scs的“浮動”天文年代標尺。以理論偏心率周期曲線為目標曲線，以從自然伽馬測井曲線中提取的E2濾波曲線為調諧曲線，結合前人依據古地磁和火山巖同位素測年確定的沙四上亞段頂部的絕對年齡42 Ma［37-41］，在時間點 42 Ma的控制下，利用每兩條調節線之間的E2，最終劃分出22個周期，以沙四上亞段頂部年齡開始向下計算，計算得出每個周期界面的地層年齡值，建立了樊頁1井Es4scs的“浮動”天文年代標尺（圖4）。研究層段共記錄了22個E2，由此計算得出樊頁1井Es4scs的沉積時間大致為2.73 Myr，與古地磁、火山巖同位素測定和地層對比得到的沙四上亞段（包括純上次亞段和純下次亞段）持續時間3.00 Myr是相對匹配的，亦即沙四上亞段底部的火山巖同位素年齡為 45 Ma［38-39，42］，表明本次研究識別出的米氏旋回是準確可靠的，據此進一步得出沙四上亞段純上次亞段底部的絕對地質年齡為44.73 Ma。

本次研究實現了湖相細粒沉積地層米蘭科維奇周期的識別，為地層精細劃分和對比提供了一種有效的手段，并建立了樊頁1井Es4scs的地質年代浮動標尺。該天文標尺的建立可用于精確估計樊頁1井Es4scs中每一深度位置的地質年齡，而絕對年齡可以為旋回地層學研究提供初始年代約束，同時能夠檢驗其合理性［42］。在年代標尺建立的基礎上研究了沉積速率的垂向變化，運用E2相鄰波峰間地層厚度與沉積持續時間（沙四上亞段純上次亞段-124.22 kyr），計算得出樊頁1井Es4scs的平均沉積速率為0.069 m/kyr（圖4）。

為了使研究結果更加可信，在識別樊頁1井沙四上亞段純上次亞段天文旋回的基礎上，進一步分析了樊頁1井沙三下亞段及牛頁1井沙四上亞段純上次亞段存在的米氏旋回，其中，樊頁1井沙三下亞段共識別出16個124.22 kyr偏心率短周期和4.5個405.00 kyr偏心率長周期，由此進一步計算出沉積時間大致為1.905 Myr，平均沉積速率可估算為 0.105 m/kyr［27］；綜合牛頁1井沙四上亞段純上次亞段自然伽馬測井數據、深度、巖性、尺度值以及小波能譜圖，繪制該井的旋回地層格架圖（圖5）。由圖可知，沙四上亞段純上次亞段地層保存明顯的偏心率、斜率和歲差周期，研究層段識別出約5.7個405.00 kyr長偏心率周期、24個95.24 kyr短偏心率周期、53個39.76 kyr斜率周期和110.5個18.82 kyr歲差周期，該段地層厚度為151 m（深度3 316～3 467 m），由此計算出牛頁1井沙四上亞段純上次亞段的沉積時間大致為2.195 Myr，平均沉積速率估算為0.069 m/kyr。

圖5 東營凹陷牛頁1井Es4scs米氏旋回地層格架Fig.5 Milankovitch cyclic stratigraphic framework of Es4scsin Well Niuye 1 in the Dongying Sag

4 軌道周期的環境響應特征

天體行星影響地球繞太陽公轉和其自轉運動，即太陽系中地球與太陽、月亮和其他行星之間的萬有引力作用導致地球繞太陽的公轉運動和地球的自轉軸發生（準）周期性的攝動，表現為地球軌道參數偏心率、斜率和歲差發生近似周期性的變化［43］。由天文軌道控制的日-地距離和地軸的傾斜度影響了地球表面接收日照量的強度，并引起氣候的周期性變化，這些變化在地層中以巖性、地球物理和地球化學參數的旋回性表現出來［44-46］。因此，可通過反映沉積環境特征的有機質豐度及元素地球化學指標探究軌道周期的環境響應特征。

研究數據采用中國石化勝利油田勘探開發研究院測試的間距約0.1 m的元素地球化學分析數據1 894個（深度3 251.67～3 440.97 m），這種連續的數據既保證了數據的有效性又可作為最優替代性指標開展時頻分析。有機質豐度指標主要包括總有機碳含量（TOC）和生烴潛量（S1+S2），數據同樣來源于中國石化勝利油田勘探開發研究院測試的187個TOC和S1+S2數據，測試間隔約為1 m（深度3 251.67～3 440.58 m），每個旋回內基本能測試兩個數據點，滿足了替代性指標時頻分析的最低數據間隔標準，這樣既不會造成不必要的時間和資金浪費，也可以保證獲得真實的旋回信息。

4.1 有機質豐度的軌道周期響應

氣候變化導致沉積環境的不同往往直接影響了有機化合物的聚集與保存，并在TOC指標上呈高低起伏的變化特征，因此，天文軌道周期的變動往往記錄在了TOC和S1+S2等指示有機質豐度指標的變化中。本次研究首次在研究區探索性地運用有機質豐度指標來探討有機質對軌道周期的響應特征，以TOC和S1+S2作為有機質豐度指標參數對其開展米氏旋回研究，探索軌道周期與有機碳含量和生烴潛量的響應關系。

樊頁1井Es4scs泥頁巖的有機碳含量普遍較高，TOC平均值在2.0%以上。將該層段有機碳含量數據繪制成TOC頻率分布直方圖（圖6），TOC占比最大的區間分布在1%～2%和2%～3%，比例分別達到了43.8%和40.0%，而含量大于3.0%的比例為10.8%，僅有5.4%的TOC小于1.0%。同時，根據陸相烴源巖評價標準（SY/T5735—1995），結合有機質豐度評價的主要指標S1+S2，發現研究區泥頁巖的有機質豐度較高，主要落于好-最好區間（圖7），表明在樊頁1井Es4scs沉積時期，TOC高（介于1%～2%），有機質聚集較為集中。

圖6 東營凹陷樊頁1井Es4scsTOC分布Fig.6 Histogram showing TOC contents of Es4scsin Well Fanye 1 in the Dongying Sag

圖7 東營凹陷樊頁1井Es4scs有機質豐度分析判別圖（據SY/T 5735—1995標準）Fig.7 Organic matter abundance chart of Es4scsin Well Fanye 1 in the Dongying Sag（according to SY/T 5735-1995）

據TOC測試數據，中、下部地層（E1中的2—3旋回、E2中的5—12旋回、P1中的20—60旋回）的TOC高且達到峰值，向上變化趨于平穩。對比TOC旋回分析曲線與偏心率周期變化曲線，可見偏心率周期在研究層段的中、下部地層幅值幅度變化較大，而向上周期曲線變化平緩，說明偏心率周期振幅變化趨勢與TOC變化趨勢具有一致性，即偏心率較高時期沉積層段的平均TOC也相對較高，這主要是由于偏心率增大時地球上接收的日照量增大，氣候變得暖濕，物源供給充足，生物有機質豐富，該時期有利于發育細粒且富有機質的沉積地層［47-49］，故偏心率值較高時期沉積層段是潛在頁巖油氣的有利儲集層段。

以上研究可知，研究層段的米氏旋回研究成果與TOC在地層中的縱向分布具有一定的相關關系。為了進一步確定這種相關關系是否受到天文軌道周期的控制，探索其沉積記錄中蘊含的天文軌道周期信號，本文選取TOC和S1+S2數據作為原始數據，運用Past 3.0統計分析軟件對數據開展頻譜分析。結果表明，研究層段的TOC和S1+S2數據顯示出明顯的周期性（表2；圖8a—d），即TOC和S1+S2頻譜分析得到的優勢旋回厚度比值與測井數據得出的結果一致，表明研究層段的沉積記錄中蘊含著軌道周期信息，且主要受控于偏心率周期，也進一步證實了地球軌道參數的周期變化影響了有機質豐度的變化。

表2 東營凹陷樊頁1井Es4scsTOC，S1+S2及微量元素頻譜分析旋回厚度比值與理論軌道周期比值對比Table 2 Cycle thickness ratios from spectrum analysis of TOC，S1+S2and trace elements，and theoretical orbital periodicity ratios of Es4scsin Well Fanye 1 in the Dongying Sag

4.2 古氧化-還原性的軌道周期響應

有機質的富集和保存受古氧化-還原環境的影響，而有機質在不同的環境下經受著消耗和堆積的循環變化，為研究這種變化的驅動力是否來自軌道周期，本次研究首次在研究區探索性地運用表征古氧化-還原性指標探討軌道周期的響應特征，即選取兩組微量元素比值V/（V+Ni）和Ni/Co作為替代性指標來分析目的層段古氧化-還原環境的變化規律，并探討其軌道周期的響應特征。

前人研究表明［50-53］，當V/（V+Ni）大于0.60時，主要為缺氧的還原環境，當0.46＜V/（V+Ni）＜0.60時，認為是貧氧環境，當V/（V+Ni）＜0.46時，表示為富養環境；Ni/Co＜5時，表明是氧化環境，當5＜Ni/Co＜7時，表示為貧氧環境，當Ni/Co＞7時，顯示為缺氧環境。從微量元素測試分析結果可知，研究層段V/（V+Ni）值介于0.24～1.00，均值為0.82，Ni/Co值介于0.01～18.35。為了使微量元素比值對環境的指示作用更為直觀，利用有機碳含量和兩種微量元素含量比值建立關系圖版，繪制出古氧化-還原條件判別圖（圖9），從圖中可以看出，樣品點多落于貧氧的區域。因此，研究層段整體為缺氧的還原環境，有機質含量高的層段多為缺氧的沉積環境。

圖9 東營凹陷樊頁1井Es4scs微量元素氧化-還原條件判識圖版Fig.9 Identification of redox conditions by trace elements of Es4scsin Well Fanye 1 in the Dongying Sag

為探究軌道周期對古氧化-還原環境的控制作用，在研究區探索性地運用兩組微量元素比值V/（V+Ni）和Ni/Co作為原始數據開展頻譜分析（圖8）。分析結果顯示，兩組數據中均識別出明顯的米氏旋回周期（表2），主要峰值的旋回厚度均為31.33 m和9.40 m，其旋回厚度比值為3.33∶1，該比值與理論軌道周期405 kyr∶124.22 kyr=3.26∶1比值很接近，因此，V/（V+Ni）和Ni/Co的主要峰值均被認為是由E1和E2引起的。通過分析可知，旋回厚度31.33 m對應E1，9.40 m對應E2。頻譜分析結果表明，兩組微量元素均顯示出一致的規律性和相似的天文周期比值，該比值與測井數據得出的結果一致，從而可知微量元素比值的周期性記錄反應了目的層段古氧化-還原環境的變化受到天文軌道周期的影響。

圖8 東營凹陷樊頁1井Es4scs地層TOC，S1+S2及微量元素頻譜分析Fig.8 Spectrum analysis of TOC，S1+S2and trace elements of Es4scsin Well Fanye 1 in the Dongying Sag

通過分析偏心率周期的變化可知，暖濕氣候有利于生物大量繁殖，即偏心率值較高的層段平均TOC相對較高，對氣候環境較敏感的方解石相對含量是古環境信息的重要來源，氣候偏干旱時水體蒸發作用較強，碳酸鹽礦物（主要為方解石）含量較高，相反，當氣候相對濕潤時碳酸鹽礦物含量較低，因此可知方解石含量與偏心率值呈負相關性。上述指標的變化進一步說明了偏心率增大時氣候會向暖濕轉變，且隨著偏心率增高，TOC也增高。

綜上所述，偏心率周期通過控制TOC、礦物含量及各種表征沉積環境介質條件的指標而對環境產生影響。有機質含量高的層段多處于缺氧的還原環境，這主要是由于在缺氧的環境中，有機質不會因與氧氣接觸而發生降解反應，而會因缺氧被保存下來。同時，偏心率周期振幅幅度的變化對有機質豐度變化有影響，當偏心率振幅幅度較大且處于最大值時期，TOC的振幅和數值也相應增大，進一步說明偏心率周期振幅變化趨勢與TOC變化趨勢具有一致性，即偏心率較高時期沉積層段的平均TOC也相對較高。這主要是由于偏心率增大時地球上界接收的日照量增大，季節性增強［47，54］，氣候變得暖濕，陸源碎屑輸入使得物源供給充足，大量營養物質提高了湖泊的生產力，水體較深且水體偏還原環境，從而使有機質含量升高，該時期有利于發育細粒且富有機質的沉積地層，故偏心率值較高時期沉積層段是潛在頁巖油氣的有利儲集層段。

5 結論

1）樊頁1井Es4scs地層自然伽馬測井數據頻譜分析和小波變換分析結果表明，米氏旋回驅動控制了東營凹陷古近紀的沉積周期。米氏旋回的自然伽馬測井識別，為渤海灣盆地古近系沙河街組湖相細粒沉積地層的高精度等時旋回地層的劃分與對比提供了參考。

2）研究層段共識別出約6個E1，22個E2，65個O2和110個P1，建立了樊頁1井Es4scs的“浮動”天文年代標尺，計算得出了樊頁1井Es4scs的沉積時間大致為2.73 Myr，平均沉積速率估算為0.069 m/kyr。米氏旋回的識別解決了細粒沉積地層的精細劃分和等時對比的難題，對于頁巖油氣勘探具有重要的地質意義。

3）地球軌道參數周期的變化在一定程度上影響了有機質豐度及古氧化-還原性的變化。當偏心率振幅較大且處于最大值時期，地球整體接受日照量多，為間冰期，氣候暖濕，有利于有機質的聚集和保存，易于形成缺氧的富有機質沉積地層。因此，偏心率值較高的暖濕氣候背景下發育的富有機質沉積地層，是潛在的頁巖油氣勘探的有利層段。