瑪湖凹陷風(fēng)南14 井區(qū)風(fēng)城組米氏旋回研究及固碳速率淺析

惠 婧, 王青春, 賀 萍

河北地質(zhì)大學(xué) a. 研究生學(xué)院, b. 地球科學(xué)學(xué)院, 河北 石家莊 050031

0 引言

米蘭科維奇理論是20 世紀(jì)40 年代前南斯拉夫?qū)W者米蘭科維奇提出的, 該理論認(rèn)為地球軌道參數(shù)的周期性變化是形成沉積地層的旋回規(guī)律的誘因[1]。 Hays等綜合利用深海鉆探和同位素測定結(jié)合頻譜分析技術(shù), 對赤道大西洋深海第四紀(jì)巖芯開展了詳細(xì)的研究工作, 證實(shí)了米蘭科維奇理論[2], 引起了地質(zhì)學(xué)界的重視并廣泛應(yīng)用。 國內(nèi)學(xué)者直到21 世紀(jì)才逐漸認(rèn)識到該理論的潛力, 將其應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域并取得了較為顯著的成果, 如對鄂爾多斯盆地、 松遼盆地、 塔里木盆地等的米氏旋回識別及其油氣地質(zhì)意義、 古代氣候變化與天文軌道周期變化的關(guān)系等[3-8]。

準(zhǔn)噶爾盆地油氣勘探潛力巨大, 瑪湖凹陷是其富烴凹陷之一, 其風(fēng)城組發(fā)育的堿湖細(xì)粒沉積巖是當(dāng)前研究的熱點(diǎn), 但細(xì)粒沉積巖的地層單元?jiǎng)澐质且淮箅y題。 本文以風(fēng)南14 井區(qū)為例, 利用米蘭科維奇旋回理論對風(fēng)城組進(jìn)行旋回地層劃分, 并對其中發(fā)育的碳酸鹽巖沉積速率進(jìn)行計(jì)算和分析, 進(jìn)而探討風(fēng)城組沉積過程的固碳速率, 希望能為“雙碳” 目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供些許幫助。

1 地質(zhì)概況

瑪湖凹陷位于準(zhǔn)噶爾盆地西北緣, 風(fēng)南14 井區(qū)地處瑪湖凹陷西北部, 構(gòu)造上屬于準(zhǔn)噶爾盆地西部隆起烏夏斷裂帶[9,10]。 下二疊統(tǒng)風(fēng)城組與上覆地層夏子街組(P2x) 和下伏地層佳木河組(P1j) 均呈不整合接觸, 自上而下可分為風(fēng)三段 (P1f3)、 風(fēng)二段(P1f2)、 風(fēng)一段(P1f1), 主要為濱淺湖相沉積。 風(fēng)三段主要巖性為砂巖、 泥巖, 少量泥質(zhì)白云巖, 夾少量砂礫巖; 風(fēng)二段主要是一些灰色、 深灰色泥質(zhì)白云巖和白云質(zhì)泥巖; 風(fēng)一段主要是灰色、 深灰色白云質(zhì)泥巖、 泥質(zhì)白云巖, 少量凝灰?guī)r及凝灰質(zhì)粉砂巖、 砂礫巖[11-13]。

2 米蘭科維奇旋回分析

米蘭科維奇理論的核心工作是分析研究對象的地球軌道參數(shù)信息。 常用的地球軌道參數(shù)主要包括偏心率、 斜率、 歲差, 這些參數(shù)的變化可引起地球表面所接受的日照量的變化, 從而影響地球上的氣候, 造成季節(jié)性旋回、 溫室氣體旋回(如CO2)、 大氣環(huán)流旋回, 進(jìn)而造成海平面的升降、 營養(yǎng)物質(zhì)和碎屑物質(zhì)的輸入旋回等[14]。 在地質(zhì)歷史中, 天文軌道周期隨著時(shí)間的變化而緩慢變化, 但是在一段時(shí)間內(nèi), 因其變化非常緩慢而其比值會(huì)相對較為穩(wěn)定, 因此可以利用其比值來判斷地層中是否存在米蘭科維奇旋回。 一般而言, 如果地層中沉積旋回的比值與天文軌道周期的比值比較一致, 誤差較小, 則認(rèn)為該地層保留了米蘭科維奇旋回信息。

圖1 風(fēng)南14 井區(qū)構(gòu)造位置圖Fig.1 Tectonic position diagram of Fengnan 14 well area

資料記載的提取天文軌道周期的方法包括Lasker04[15]和Berger89[16]兩種, Lasker04 主要解決250 Ma 之后的天文軌道周期提取問題, 而Berger89 主要解決250 Ma 之前的。 風(fēng)城組屬于二疊系, 因此采用Berger89 來提取研究區(qū)的天文軌道周期。 得到其斜率長、 短周期為43 kyr 和34 kyr, 歲差長、 短周期為21 kyr 和17 kyr, 偏心率周期長周期為405 kyr, 短周期為100 kyr, 由此可以得出天文軌道周期的比值為1 ∶0.25 ∶0.11 ∶0.08 ∶0.05 ∶0.04。

在選擇數(shù)據(jù)進(jìn)行米蘭科維奇旋回分析時(shí), 需要選擇能夠反映古氣候的替代指標(biāo), 目前已知的古氣候替代指標(biāo)見表1[17]。 其中自然伽瑪測井測量的是巖層天然伽馬射線強(qiáng)度, 得到的數(shù)據(jù)較為精密, 并且能夠反映沉積物中泥質(zhì)的含量變化, 氣候變化也能在其中有所體現(xiàn), 是比較好的古氣候替代指標(biāo)[18], 因此本文選擇風(fēng)南14 井區(qū)風(fēng)城組的自然伽馬測井?dāng)?shù)據(jù)作為米氏旋回分析的基礎(chǔ)。 風(fēng)南14 井區(qū)風(fēng)城組深度范圍為3 942～4 521.25 m, 測量間隔為0.125 m, GR 的數(shù)值范圍在36.845～500。 在進(jìn)行米蘭科維奇旋回信號識別之前, 需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理, 包括去極值、 插值以及去趨勢[14], 主要是去除一些脫離原有數(shù)據(jù)趨勢的極大值或極小值, 去除具有高振幅和不規(guī)則的長期趨勢, 消除數(shù)據(jù)中所包含的噪音, 增加米蘭科維奇旋回分析的準(zhǔn)確性。

表1 用于米氏旋回的數(shù)據(jù)類型表[17]Table 1 The data types for Milankovitch cycle

處理過的數(shù)據(jù)利用MATLAB 和Acycle 程序包[19]實(shí)現(xiàn)頻譜分析、 滑動(dòng)窗口頻譜分析以及小波分析。 首先使用Multi-taper method (多窗口頻譜分析方法, 簡稱MTM), 得到的頻譜分析圖(圖2a), 橫坐標(biāo)表示頻率, 縱坐標(biāo)表示能量, 選擇置信度在95%以上的峰值, 依次為0.027 63, 0.113 3, 0.256 6, 0.336,0.556 7, 0.634 4, 其倒數(shù)即為旋回厚度, 計(jì)算得出旋回厚度依次為36.19 m, 8.83 m, 3.9 m, 2.98 m,1.8 m, 1.58 m, 其比例關(guān)系為1 ∶0.24 ∶0.11 ∶0.08∶0.05 ∶0.04, 與軌道周期參數(shù)的比例關(guān)系1 ∶0.25∶0.11 ∶0.08 ∶0.05 ∶0.04 極為一致, 僅短偏心率周期的比值存在4%的誤差, 誤差小于5%, 可忽略不計(jì)。 說明風(fēng)南14 井區(qū)風(fēng)城組保留了完整的天文軌道周期信息, 具備米蘭科維奇旋回規(guī)律。 從滑動(dòng)窗口頻譜分析圖(圖2b) 中也可以找到與之相對應(yīng)的天文軌道周期頻率, 尤其是代表405 kyr 的長偏心率周期的頻率較為穩(wěn)定且易于識別(表2)。 而小波分析圖(圖3) 也可以看出405 kyr 的長偏心率周期以及100 kyr 的短偏心率周期穩(wěn)定存在且較為連續(xù), 其他的天文軌道周期頻率較弱但也達(dá)到了可以識別天文軌道周期的強(qiáng)度。

表2 風(fēng)南14 井區(qū)風(fēng)城組自然伽馬曲線頻譜分析結(jié)果及比例關(guān)系Table 2 The results of Spectrum analysis and proportion relationship of GR curvein Fengnan 14 well area,Fengcheng Formation

圖2 風(fēng)南14 井區(qū)風(fēng)城組多窗口頻譜分析結(jié)果圖(a) 及滑動(dòng)窗口頻譜分析結(jié)果圖(b)Fig.2 The results of Multi-taper method (a) and Fast fourier transform (b) in Fengnan 14 well area, Fengcheng Formation

圖3 風(fēng)南14 井區(qū)風(fēng)城組小波分析結(jié)果圖Fig.3 The result of wavelet analysis in Fengnan 14 well area, Fengcheng Formation

根據(jù)天文軌道周期的識別結(jié)果, 對處理過的數(shù)據(jù)利用Acycle 數(shù)據(jù)包進(jìn)行濾波處理, 使用高斯帶通濾波, 提取風(fēng)南14 井區(qū)風(fēng)城組405 kyr 的長偏心率周期旋回信號, 根據(jù)濾波曲線可劃分27 個(gè)旋回。

3 建立天文年代標(biāo)尺

在證實(shí)風(fēng)南14 井區(qū)風(fēng)城組保留了天文軌道參數(shù)周期性信息后, 便可以將深度信號調(diào)諧到時(shí)間信號上, 建立天文年代標(biāo)尺。 選取研究區(qū)頻率較高的405 kyr 長偏心率濾波曲線建立風(fēng)城組絕對天文年代標(biāo)尺。 佳木河組頂部上覆灰綠色安山巖鋯石同位素測年結(jié)果為283 Ma[20], 即風(fēng)城組底界年齡為283 Ma,每個(gè)旋回持續(xù)時(shí)間405 kyr, 風(fēng)南14 井區(qū)風(fēng)城組共識別27 個(gè)旋回, 由此可以得到風(fēng)城組的持續(xù)時(shí)間為11.3 Ma, 頂界年齡約為271.7 Ma (圖4)。

圖4 風(fēng)南14 井區(qū)風(fēng)城組絕對天文年代標(biāo)尺Fig.4 Absolute astronomical chronological scale of Fengcheng Formation in Fengnan 14 well area

4 旋回地層沉積速率及固碳速率

沉積速率=旋回厚度/天文軌道周期, 根據(jù)對風(fēng)南14 井區(qū)風(fēng)城組的旋回劃分結(jié)果, 每個(gè)旋回的持續(xù)時(shí)間為405 kyr, 根據(jù)公式可計(jì)算各個(gè)旋回的沉積速率如表3 所示, 求得其平均沉積速率為5.12 cm/kyr。

表3 風(fēng)南14 井區(qū)風(fēng)城組各旋回沉積速率統(tǒng)計(jì)表Table 3 The sedimentation rates of each cycle of Fengcheng Formation in Fengnan 14 well area

在風(fēng)南14 井區(qū)風(fēng)城組的沉積過程中, 有大量的碳酸鹽巖發(fā)育。 在全球碳循環(huán)過程中, 碳酸鹽巖的形成是重要的組成部分, 大氣中的CO2會(huì)通過溶于雨水使巖石發(fā)生酸化, 形成Ca2+和H再通過生物化學(xué)作用以及沉淀形成碳酸鹽巖沉積物, 經(jīng)過埋藏成巖作用最終形成碳酸鹽巖[21], 具體化學(xué)方程式如下:

根據(jù)旋回劃分結(jié)果, 統(tǒng)計(jì)各旋回碳酸鹽巖的沉積厚度, 從而計(jì)算各旋回碳酸鹽巖的沉積速率(圖5),在不考慮其他因素的情況下, 根據(jù)碳酸鹽巖中C 的占比簡單計(jì)算其固碳速率, 結(jié)果見圖6。

圖5 風(fēng)南14 井區(qū)風(fēng)城組各旋回地層沉積速率及碳酸鹽巖沉積速率變化曲線Fig.5 The Variation curves of stratigraphic deposition rates and carbonate rock deposition ratesin each cycle of Fengcheng Formation in Fengnan 14 well area

圖7 風(fēng)南14 井區(qū)風(fēng)城組各旋回地層和碳酸鹽巖沉積速率及固碳速率與沉積環(huán)境演化匹配圖[9]Fig.7 The Matching diagram of stratigraphic and carbonate rock deposition rate and carbon sequestration rate with sedimentary environment evolution in each cycle of Fengcheng Formation in Fengnan 14 well area

5 討論

瑪湖風(fēng)城組為典型的堿湖沉積, 其水體環(huán)境基本上經(jīng)歷了如下幾個(gè)階段: 淡水湖泊階段—低鹽度成堿預(yù)備階段—咸化湖泊初成堿階段—堿湖強(qiáng)成堿階段—咸化湖泊弱成堿階段—低鹽度咸(堿) 化湖泊演化終止階段—淡水湖泊階段[9,10]。 根據(jù)風(fēng)南14 井區(qū)風(fēng)城組沉積規(guī)律, 將其沉積演化分為四個(gè)階段, 第一階段為風(fēng)一段早期, 包括旋回E27-E25, 該時(shí)期火山活動(dòng)較為強(qiáng)烈, 氣候?yàn)榘敫珊? 湖平面較高, 屬于氧化環(huán)境, 不利于有機(jī)質(zhì)的保存以及碳酸鹽巖的發(fā)育; 第二階段為風(fēng)一段晚期, 包括旋回E24-E21, 相比于第一階段火山活動(dòng)減弱, 湖平面開始升高, 氣候比較濕潤, 屬于還原環(huán)境, 利于有機(jī)質(zhì)保存, 發(fā)育大量碳酸鹽巖, 固碳速率提高; 第三階段是碳酸鹽發(fā)育的主要階段, 屬于堿湖強(qiáng)成堿階段, 該時(shí)期為風(fēng)二段沉積時(shí)期, 包括旋回E20-E10, 此時(shí)湖平面先繼續(xù)升高再開始萎縮, 氣候?yàn)榘敫珊怠珊? 前期無碳酸鹽巖沉積, 旋回E18 開始沉積碳酸鹽巖, 固碳速率隨之增加, 水體鹽度也慢慢升高; 第四階段為風(fēng)三段沉積時(shí)期, 包括旋回E9-E1, 湖平面慢慢開始升高, 氣候也變得濕潤, 逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸h(huán)境, 不再有利于有機(jī)質(zhì)保存, 沉積一些云質(zhì)巖, 后期發(fā)育陸源碎屑巖, 鹽度逐漸降低。 在這四個(gè)階段中, 前三個(gè)階段屬于湖盆逐漸咸化的沉積過程, 而第四階段屬于湖盆逐漸淡化的過程。 綜上所述, 推測碳酸鹽巖的沉積速率以及固碳速率均受沉積環(huán)境的影響, 在湖平面上升時(shí)期, 處于氧化環(huán)境, 不利于有機(jī)質(zhì)保存, 并且也不利于碳酸鹽巖沉積以及碳的固定; 在湖盆萎縮時(shí)期, 處于還原環(huán)境, 有利于有機(jī)質(zhì)保存, 并且有利于碳酸鹽巖沉積以及碳的固定, 即研究區(qū)最有利于碳酸鹽巖沉積及碳的固定的時(shí)期為風(fēng)二段, 也是最有利于有機(jī)質(zhì)保存的時(shí)期。

6 結(jié)論

(1) 風(fēng)南14 井區(qū)風(fēng)城組保留了完整的天文軌道周期信息, 適用米蘭科維奇旋回理論, 可識別出27 個(gè)長偏心率周期旋回, 根據(jù)已知風(fēng)城組底界年齡283 Ma, 推測其頂界年齡為271.7 Ma, 沉積時(shí)間持續(xù)11.3 Ma, 建立絕對天文年代標(biāo)尺, 為今后推測地質(zhì)事件年齡提供了絕對時(shí)間參考。

(2) 根據(jù)旋回劃分結(jié)果, 計(jì)算風(fēng)南14 井區(qū)風(fēng)城組各長偏心率周期旋回的地層沉積速率平均為5.12 cm/kyr, 碳酸鹽巖的沉積速率平均為2.83 cm/kyr,在湖盆萎縮時(shí)期, 還原環(huán)境最有利于碳酸鹽巖的發(fā)育。

(3) 綜合風(fēng)城組沉積環(huán)境演化特點(diǎn), 各旋回地層沉積速率、 碳酸鹽巖沉積速率和固碳速率均與沉積環(huán)境密切相關(guān), 其中伴隨著火山活動(dòng)、 湖盆萎縮及有機(jī)質(zhì)和碳酸鹽巖沉積, 風(fēng)一段后期、 風(fēng)二段中期—風(fēng)三段早期是固碳速率較高時(shí)期。