川西南下寒武統(tǒng)筇竹寺組頁(yè)巖旋回地層學(xué)研究

周楊，金思丁，劉巖，劉四兵，張全林

1.成都理工大學(xué)能源學(xué)院，成都 610059

2.油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（成都理工大學(xué)），成都 610059

3.中石化西南油氣分公司，成都 610041

0 引言

四川盆地筇竹寺組是寒武系頁(yè)巖氣的重要勘探目的層[1-2]，是繼志留系龍馬溪組之后的又一頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)層段，具有較好的勘探前景[3-4]。前人針對(duì)該層段沉積、層序地層方面做過(guò)諸多工作[5-8]，但由于寒武系地層時(shí)代老，取心長(zhǎng)度有限，區(qū)域上也缺乏可靠的古生物地層或年代地層等資料的約束，筇竹寺組地層的沉積旋回與充填過(guò)程至今尚不十分明朗，很大程度上制約了該層系頁(yè)巖氣的勘探進(jìn)程。大量學(xué)者嘗試對(duì)四川盆地及周緣地區(qū)的寒武紀(jì)地層進(jìn)行了層序地層劃分[9-11]。大多數(shù)劃分方案都以典型露頭剖面實(shí)測(cè)為基礎(chǔ)，結(jié)合巖石薄片、鉆測(cè)井、古生物、地球化學(xué)和地球物理等資料，通過(guò)對(duì)層序界面特征和層序內(nèi)部充填樣式的識(shí)別，建立年代地層、巖石地層與層序地層之間的聯(lián)系。然而不同學(xué)者的層序劃分方案和標(biāo)準(zhǔn)并未達(dá)成一致，尤其是沒(méi)有利用統(tǒng)一的時(shí)間區(qū)間對(duì)層序進(jìn)行分級(jí)。三級(jí)層序海平面升降的起源是過(guò)去30 年懸而未決的問(wèn)題之一，目前被廣泛接受的一種級(jí)別劃分方式是將三級(jí)層序的形成歸因?yàn)楸ㄐ秃Ｆ矫孀兓慕Y(jié)果，并將三級(jí)層序的持續(xù)時(shí)限與海平面變化的周期相對(duì)應(yīng)[12-13]。因沉積相類(lèi)型多且變化快，無(wú)法通過(guò)某一個(gè)或幾個(gè)剖面去追蹤區(qū)內(nèi)所有三級(jí)層序界面，前人對(duì)下寒武統(tǒng)泥頁(yè)巖沉積地層的三級(jí)層序的劃分存在一定不合理性。近年來(lái)，基于米蘭科維奇理論的高頻層序識(shí)別與劃分已成為研究的熱點(diǎn)和前沿領(lǐng)域[14-15]，不僅成功應(yīng)用于厘定地層沉積持續(xù)時(shí)間及判別重要地質(zhì)事件的天文影響因素[16-19]，并且通過(guò)提取天文周期曲線(xiàn)為參考曲線(xiàn)的方式，實(shí)現(xiàn)了深水頁(yè)巖沉積的高頻層序定量劃分[20-22]，該理論方法可以從成因上解決高頻沉積層序單元的劃分問(wèn)題[23]。在解決頁(yè)巖地層精細(xì)劃分和對(duì)比的問(wèn)題基礎(chǔ)之上，可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖油氣勘探有利層段的預(yù)測(cè)，對(duì)頁(yè)巖油氣勘探也具有重要意義。

國(guó)內(nèi)在20 世紀(jì)90 年代初就開(kāi)始利用測(cè)井資料進(jìn)行旋回地層學(xué)研究[24]，目前常規(guī)測(cè)井曲線(xiàn)（自然伽馬、電阻率、密度、聲波時(shí)差等）是最常使用的測(cè)井資料[25-27]。其中，自然伽馬測(cè)井綜合反映了沉積地層中放射性元素（釷、鈾、鉀）的含量，能夠較好地反映巖性變化，尤其是地層中黏土礦物和有機(jī)質(zhì)含量的變化，常被用作古氣候替代指標(biāo)[20,26,28]；電阻率若僅受黏土礦物含量或有機(jī)質(zhì)含量其中之一的單因素調(diào)控，亦能成為有效的古氣候替代指標(biāo)[29]，例如：美國(guó)西部?jī)?nèi)陸盆地白堊紀(jì)Niobrara 組地層電阻率被認(rèn)為與天文軌道驅(qū)動(dòng)作用下的碳酸鹽巖含量相關(guān)[30]；位于佛羅里達(dá)海峽附近的鉆探（航次166，站位1006）的聲波曲線(xiàn)記錄了1.4 m的天文強(qiáng)迫周期[31]。天文軌道周期驅(qū)動(dòng)作用下的氣候變化能對(duì)不同沉積組分產(chǎn)生相應(yīng)的影響，且不同測(cè)井參數(shù)對(duì)古氣候的響應(yīng)方式不同[29,32]，單一測(cè)井替代指標(biāo)及劃分標(biāo)準(zhǔn)不能同時(shí)適用于所有地層。

本次研究擬對(duì)四川盆地井研—犍為地區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組沉積地層開(kāi)展旋回地層學(xué)研究。在考慮測(cè)井響應(yīng)主控地質(zhì)因素的前提下，以常規(guī)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)作為替代指標(biāo)，并對(duì)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行多窗口頻譜分析和相關(guān)系數(shù)分析，從地層中識(shí)別出可靠的米蘭科維奇信號(hào)。通過(guò)長(zhǎng)偏心率濾波和天文校準(zhǔn)，建立金頁(yè)1井的“浮動(dòng)”天文年代標(biāo)尺。根據(jù)沉積噪音模型DYNOT 曲線(xiàn)，從相對(duì)海平面變化周期的角度探討筇竹寺組三級(jí)層序的劃分方案，并根據(jù)已建立的天文標(biāo)尺，估算各個(gè)三級(jí)層序的持續(xù)時(shí)間。最后，嘗試以鄰區(qū)梅樹(shù)村剖面石巖頭組底部CA-ID-TIMS U-Pb 定年結(jié)果（526.86±0.16 Ma）為年齡控制點(diǎn)，估算金頁(yè)1井時(shí)間序列關(guān)鍵界面的年齡，并與2020 年國(guó)際地質(zhì)年代表進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證本次旋回地層研究的準(zhǔn)確性。

1 地質(zhì)概況

1.1 古地理背景

四川盆地位于上揚(yáng)子板塊，是一個(gè)四面被造山帶環(huán)繞的菱形疊合盆地，總面積為18×104km2（圖1a）。震旦紀(jì)燈影階至早寒武世麥地坪階，上揚(yáng)子地區(qū)發(fā)生了三幕桐灣運(yùn)動(dòng)[33]，區(qū)域性隆升和間斷性剝蝕作用使得巖相古地理極其復(fù)雜，由北西向南東的沉積環(huán)境展布為：古陸—濱海相—淺水陸棚相—深水陸棚相[34-35]。查明不同地區(qū)富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖段的等時(shí)對(duì)比關(guān)系是制約四川盆地頁(yè)巖氣勘探選區(qū)的關(guān)鍵地質(zhì)問(wèn)題，劉忠寶等[9]將上揚(yáng)子下寒武統(tǒng)整體劃分為8 個(gè)三級(jí)層序，其中筇竹寺階發(fā)育4 個(gè)三級(jí)層序（圖1b）。大量研究表明，四川盆地綿陽(yáng)—長(zhǎng)寧拉張裂陷槽在早寒武世充填了巨厚的深水陸棚相泥頁(yè)巖[36]，受裂陷槽影響，筇竹寺組泥頁(yè)巖在資陽(yáng)—宜賓一帶地層橫向發(fā)育穩(wěn)定，無(wú)沉積間斷且厚度大，較裂陷槽外部淺水陸棚及臺(tái)地區(qū)更適宜開(kāi)展旋回地層學(xué)工作。

圖1 （a）四川盆地及周緣地區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組巖相古地理平面圖；（b）四川盆地下寒武統(tǒng)層序地層對(duì)比圖Fig.1 (a) Lithofacies paleogeography of Lower Cambrian Qiongzhusi Formation in Sichuan Basin and the adjacent areas;(b) sequence stratigraphic correlation map of Lower Cambrian in Sichuan Basin

1.2 地層劃分與年代地層

與全球寒武紀(jì)年代地層劃分方案相對(duì)比，國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)劃分的下寒武統(tǒng)下部相當(dāng)于紐芬蘭統(tǒng)和第二統(tǒng)[37]。四川盆地及其周緣地區(qū)下寒武統(tǒng)自下而上劃分為梅樹(shù)村階、筇竹寺階、滄浪鋪階與龍王廟階，其中四川盆地麥地坪組（下寒武統(tǒng)底部）大致對(duì)應(yīng)的國(guó)際年代地層單位為紐芬蘭統(tǒng)幸運(yùn)階與第二階，筇竹寺組大致對(duì)應(yīng)第二階與第三階[38-39]。四川盆地內(nèi)該套沉積地層具有同時(shí)異相性，地層序列的時(shí)空變化極為復(fù)雜，巖石地層名稱(chēng)復(fù)雜且不統(tǒng)一[40]（表1）。金頁(yè)1 井在寒武系筇竹寺組沉積期時(shí)處于裂陷槽沉積中心附近，已經(jīng)有許多學(xué)者對(duì)金頁(yè)1井進(jìn)行了較為豐富的層序、沉積研究[4-6,44-45]，為我們的研究提供了寶貴的基礎(chǔ)資料。通過(guò)前人對(duì)四川盆地下寒武地層的時(shí)間框架的搭建，可以初步判定金頁(yè)1井筇竹寺組沉積于～529 Ma 至～521 Ma 之間（表1）。同時(shí)可將該鉆井與東北部發(fā)表了豐富同位素和生物地層的肖灘剖面進(jìn)行橫向?qū)Ρ萚41-43]（圖2a，b）。肖灘剖面石巖頭組下段存在的一段黑色巖性標(biāo)志層，在整個(gè)華南板塊內(nèi)部臺(tái)地區(qū)域可以進(jìn)行對(duì)比，金頁(yè)1井筇竹寺組下段同樣也發(fā)育這樣一套黑色頁(yè)巖（圖2c），表明筇竹寺組底部與石巖頭組底部位于同一沉積時(shí)期；金頁(yè)1井麥地坪組白云巖和磷塊巖可與肖灘剖面朱家箐組中誼村段的特征巖性進(jìn)行對(duì)比，麥地坪組與筇竹寺組不整合接觸，四川盆地麥地坪組與肖灘剖面寒武系早期朱家箐組處于同一沉積時(shí)期[52]。

表1 四川盆地及周緣地區(qū)下寒武統(tǒng)地層與時(shí)間框架[40-43]Table 1 Stratigraphy and geological time scale of the Lower Cambrian in Sichuan Basin and the adjacent areas[40-43]

圖2 金頁(yè)1 井與肖灘剖面巖石地層、古生物地層和年代地層對(duì)比[46-51]（a）肖灘剖面地層劃分方案及年代地層學(xué)；（b）金頁(yè)1井地層劃分方案；（c～e）金頁(yè)1井典型巖心照片及古生物照片；（f）鉆井及剖面位置Fig.2 Correlated lithostratigraphy,biostratigraphy and chronostratigraphy between well Jinye-1 and Xiaotan section[46-51](a) stratigraphic and chronostratigraphic division of Xiaotan section;(b) stratigraphic division of well Jinye-1;(c-e) photographs of typical cores and paleontological specimens of well Jinye-1;(f) location of well Jinye-1 and Xiaotan section

2 數(shù)據(jù)與方法

本文的研究數(shù)據(jù)主要為金頁(yè)1 井的常規(guī)測(cè)井和自然伽馬能譜測(cè)井，除此之外，還包括TOC含量和黏土礦物含量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及測(cè)井曲線(xiàn)擬合數(shù)據(jù)。該鉆井以寒武系筇竹寺組頁(yè)巖層系為目的層，鉆至下伏燈影組，本文研究主要選取3 184～3 655 m，采樣間隔為0.1 m 的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行旋回地層學(xué)分析。在進(jìn)行天文旋回分析之前，對(duì)各類(lèi)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)采用滑動(dòng)窗口相關(guān)分析（evolutionary correlation analysis），可根據(jù)其所顯示的平面二維熱力圖，對(duì)測(cè)井曲線(xiàn)數(shù)值的相關(guān)程度以不同深度及不同地層厚度變化的角度進(jìn)行了解[29]，并通過(guò)測(cè)井響應(yīng)特征分析，選取最佳測(cè)井序列作為旋回地層學(xué)的替代指標(biāo)。

旋回地層學(xué)分析方法主要是時(shí)間序列分析方法，包括Multitaper method（MTM）頻譜分析[53]、Fast Fourier transform（LAH）滑動(dòng)窗口頻譜分析[54-55]、濾波分析、相關(guān)系數(shù)分析（correlation coefficient 及evolutionary correlation coefficient）、沉積噪音模型（sedimentary noise model）分析等[56]。由于曲線(xiàn)包含各類(lèi)地質(zhì)因素引起的周期性變化，除了一些與地質(zhì)因素?zé)o關(guān)的干擾信號(hào)之外，還包括一些長(zhǎng)周期引起的高頻信號(hào)，在進(jìn)行頻譜分析之前，要將這種信號(hào)通過(guò)去趨勢(shì)化的方法去除[57]，去趨勢(shì)化（detrended）的測(cè)井序列中受天文周期影響的信號(hào)將更突出。本次研究的所有計(jì)算使用的軟件包為基于Matlab平臺(tái)下的AcycleV2.4[58]。

3 測(cè)井響應(yīng)特征分析

測(cè)井響應(yīng)特征分析是利用測(cè)井資料進(jìn)行地質(zhì)分析的基礎(chǔ)。古環(huán)境、古氣候的變化對(duì)不同測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)影響的差異，決定了不同測(cè)井資料是否能夠解決相關(guān)古氣候古環(huán)境問(wèn)題。自然伽馬（GR）測(cè)井的數(shù)值主要取決于地層中自然伽馬輻射的強(qiáng)度，主要受地層中Th、U、K元素的分布與聚集的影響。K和Th的含量與黏土礦物含量關(guān)系密切，在風(fēng)化和黏土礦物形成過(guò)程中，Th 元素具有有限的流動(dòng)性，比K 更不容易溶解，完全存在于碎屑組分內(nèi)。前人研究表明，Th 和K 的比值可以較好地反映碎屑顆粒的粒度大小，從而指示當(dāng)時(shí)水體環(huán)境的能量大小[59]。Th 和U 的比值能夠反映沉積水體的氧化還原條件[60]，隨著水體還原程度的逐漸增加，Th/U 值逐漸減小。一般而言，Th/U 小于4為強(qiáng)還原環(huán)境，大于4且小于10指示還原環(huán)境，大于10 指示氧化環(huán)境[61]。在具有很高的U 值，而Th、K 數(shù)值較低的層段，隨U 值增高，Th、K 數(shù)值并未相應(yīng)增大，可能是流體濾液十分活躍所離析的鈾礦物附著于裂縫中所引起的。另外，U含量與氧化還原條件密切相關(guān)，還原環(huán)境下，有機(jī)質(zhì)含量高，對(duì)應(yīng)的U含量高。

金頁(yè)1井筇竹寺組（3 184～3 566 m）的GR、U元素測(cè)井曲線(xiàn)具有相似的變化特征，而Th 元素和K 元素測(cè)井曲線(xiàn)變化趨勢(shì)則與GR、U元素曲線(xiàn)明顯不同（圖3），推測(cè)U元素主要形成于后生成巖作用，自生鈾在還原條件下的富集作用引起部分層位出現(xiàn)的高U值。與此同時(shí)，滑動(dòng)窗口相關(guān)分析圖顯示（圖4），GR曲線(xiàn)與Th、K元素含量的相關(guān)性整體上是正相關(guān)，但在較大部分的深度段相關(guān)系數(shù)都低于0.5，如3 303 m，3 384 m，3 496 m 深度附近，滑動(dòng)窗口大小20 m 左右的熱力圖中相關(guān)系數(shù)的讀數(shù)約為0.2，不具有相關(guān)性。而GR 曲線(xiàn)與U 元素含量整體上不具有明顯的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)在熱力圖中的讀數(shù)為0.2 左右，但在3 303 m，3 402 m，3 566 m深度附近，相關(guān)系數(shù)數(shù)值接近1.0，顯示出強(qiáng)烈的正相關(guān)，推測(cè)是地層中放射性元素的非氣候成因富集導(dǎo)致的異常高GR和高U值。因此，GR 和U曲線(xiàn)并不能很好地反映同沉積時(shí)期的沉積環(huán)境，不是天文旋回研究的有效古氣候替代指標(biāo)。由于Th 和K 元素都和碎屑黏土密切相關(guān)，所以黏土礦物含量與Th、K元素含量顯示出明顯的正相關(guān)性，從另一個(gè)角度證明自然伽馬能譜測(cè)井曲線(xiàn)中的Th、K元素含量能夠很好地反映古氣候、古環(huán)境變化，可以作為金頁(yè)1 井沉積地層的天文旋回研究的良好替代指標(biāo)。Th/K與黏土礦物含量的相關(guān)性，不如Th、K元素與黏土礦物含量的相關(guān)性顯著（圖4），部分層段表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)（3 303 m，3 566 m），這可能是由于K元素含量對(duì)黏土礦物含量的影響要高于Th元素。

圖3 金頁(yè)1 井筇竹寺組（3 184～3 566 m）測(cè)井曲線(xiàn)特征Fig.3 Logging characteristic of well Jinye-1,Qiongzhusi Formation (3 184-3 566 m)

圖4 金頁(yè)1 井筇竹寺組伽馬能譜測(cè)井相關(guān)分析Fig.4 Correlation analysis of natural gamma spectrometric logs in well Jinye-1,Qiongzhusi Formation

由于Th 元素和K 元素對(duì)古氣候的響應(yīng)機(jī)理類(lèi)似，在偏心率較大的地質(zhì)歷史時(shí)期，相對(duì)溫暖濕潤(rùn)的氣候條件增加降水、化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度等，導(dǎo)致沉積顆粒粒徑減小，黏土礦物沉積量增加；升高的黏土礦物含量通常對(duì)應(yīng)于的高Th和高K值，高Th和K值被認(rèn)為與高偏心率的地質(zhì)歷史時(shí)期對(duì)應(yīng)，本文采用K 元素含量作為旋回地層學(xué)的替代指標(biāo)。在3 303 m，3 384 m，3 496 m等深度段測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)均出現(xiàn)了較為明顯的變化（圖3，4）。為了分析不同沉積環(huán)境的測(cè)井響應(yīng)特征，分別對(duì)這四個(gè)深度段進(jìn)行測(cè)井值統(tǒng)計(jì)分析（圖5）?？梢钥闯鲈隗讨袼陆M的四段地層中，各類(lèi)測(cè)井曲線(xiàn)的均值和方差都發(fā)生了明顯的變化，指示出筇竹寺組頁(yè)巖沉積環(huán)境及沉積速率在這四段沉積地層中發(fā)生了明顯變化。

圖5 金頁(yè)1 井筇竹寺組不同層段伽馬能譜測(cè)井響應(yīng)特征統(tǒng)計(jì)Fig.5 Density plots of different layers natural gamma spectrometric logging in well Jinye-1,Qiongzhusi Formation

4 旋回地層學(xué)分析

4.1 寒武紀(jì)早期的天文軌道周期

由于太陽(yáng)系內(nèi)的行星混沌作用貫穿始終，50 Ma以前的地層并沒(méi)有高精度的天文年代學(xué)校正[62]。寒武紀(jì)早期的天文軌道周期不同于運(yùn)用在比較新的地層中20∶5∶2∶1的周期比值，斜率和歲差會(huì)更接近，部分疊置難以識(shí)別；且短偏心率周期與斜率周期也可呈4∶1的比值關(guān)系，與長(zhǎng)偏心率與短偏心率4∶1的比值相同，而造成多解性。目前有三種軌道周期方案試圖通過(guò)建立相對(duì)準(zhǔn)確的地月系統(tǒng)演化模型來(lái)確定較老的地層的天文周期信號(hào)[63-64]。本次研究采用Waltham[65]解決方案，認(rèn)為405 kyr長(zhǎng)偏心率周期在地質(zhì)歷史時(shí)期內(nèi)保持穩(wěn)定不變，以同時(shí)代古潮汐韻律計(jì)地球自轉(zhuǎn)速度建立月球撤退模型計(jì)算出520 Ma 左右的天文軌道周期為405 kyr，131 kyr，95 kyr，36.4 kyr，28.2 kyr，20.4 kyr，19.4 kyr，16.8 kyr。

4.2 深度域頻譜分析

未做處理的K元素測(cè)井曲線(xiàn)存在隨深度增大先減小，隨后又增加的趨勢(shì)（圖3），這可能是長(zhǎng)周期的構(gòu)造演化所產(chǎn)生的信號(hào)，也有可能是測(cè)井曲線(xiàn)在原位地層中受地層溫度、壓力的影響所導(dǎo)致的與天文周期無(wú)關(guān)的旋回信號(hào)。前人研究表明，該沉積地層的沉積速率在2～5 cm/kyr[66]，長(zhǎng)偏心率周期（405 kyr）控制的沉積旋回厚度為8～20 m，因此本次研究中去趨勢(shì)化處理采用的窗口大小為30 m，用于保留天文軌道長(zhǎng)偏心率周期。

對(duì)趨勢(shì)化后的K元素測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行滑動(dòng)窗口頻譜分析（圖6a），滑動(dòng)窗口步長(zhǎng)為0.7 m，窗口長(zhǎng)度為30 m。圖譜中峰值所對(duì)應(yīng)的深度（頻率的倒數(shù)）表明各個(gè)深度段均保存了長(zhǎng)偏心率、短偏心率及斜率的信號(hào)，歲差信號(hào)不明顯。然而，譜圖中峰值所對(duì)應(yīng)的頻率在3 303 m，3 384 m 和3 496 m 處同樣出現(xiàn)了明顯的峰值信號(hào)不連續(xù)現(xiàn)象（圖6a），是由于某些深度段的測(cè)井序列中包含更多的噪聲，高頻信號(hào)被具有更高功率的噪聲所抑制[67]，也可能是由于沉積速率的變化導(dǎo)致沉積周期發(fā)生了變化[68]。綜合考慮滑動(dòng)頻譜圖譜上出現(xiàn)信號(hào)不連續(xù)的深度（圖6a），及測(cè)井響應(yīng)特征（圖4，5）發(fā)生變化的深度，將整個(gè)筇竹寺組（3 184～3 566 m）劃分為四個(gè)層段，從下到上依次為：一段（3 496～3 566 m），二段（3 384～3 496 m），三段（3 303～3 384 m）和四段（3 184～3 303 m）（圖6b～e），并分別進(jìn)行頻譜分析。在筇竹寺組一段地層中（圖6b），高于90%置信度的6 個(gè)頻率譜峰對(duì)應(yīng)的厚度周期為10.44，3.68，2.53，1.34，1.08 和1.01 m；筇竹寺組二段地層（圖6c），高于90%置信度的6 個(gè)頻率譜峰對(duì)應(yīng)的厚度周期為18.86，6.25，4.52，2.43，1.70 和1.70 m；筇竹寺組三段地層（圖6d），高于90%置信度的7個(gè)頻率譜峰對(duì)應(yīng)的厚度周期為11.76，5.71，3.41，2.34，1.21和0.87 m；筇竹寺組四段地層（圖6e），高于90%置信度的7 個(gè)頻率譜峰對(duì)應(yīng)的厚度周期為13.33，4.64，3.21，2.51，1.40和1.01 m。筇竹寺組內(nèi)劃分的四個(gè)層段識(shí)別的部分顯著周期均和405∶131∶95∶36.4∶28.2的比值相接近，證明筇竹寺組四段地層沉積時(shí)期均受到米蘭科維奇旋回的影響。由于沉積環(huán)境在不同層段發(fā)生了改變，沉積速率發(fā)生了微小變化，此處通過(guò)長(zhǎng)偏心率周期（405 kyr）對(duì)應(yīng)的沉積厚度，對(duì)每段沉積速率進(jìn)行一個(gè)初步估計(jì)：一段沉積速率約為2.46 cm/kyr，二段沉積速率約為4.65 cm/kyr，三段沉積速率約為2.90 cm/kyr，四段沉積速率約為3.28 cm/kyr。金頁(yè)1 井筇竹寺組的沉積速率呈現(xiàn)先增大后減小，隨后又增大的趨勢(shì)。

圖6 金頁(yè)1 井筇竹寺組（3 184～3 566 m）K 元素曲線(xiàn)頻譜分析圖（a）3 184～3 566 m滑動(dòng)窗口頻譜分析；（b）3 184～3 303 m 頻譜分析；（c）3 303～3 384 m頻譜分析；（d）3 384～3 496 m頻譜分析；（e）3 496～3 566 m頻譜分析Fig.6 Spectral analyses of K logging series in the Qiongzhusi Formation (3 184-3 566 m) in well Jinye-1(a) evolutionary spectral analysis of 3 184-3 566 m;(b) spectral analysis of 3 184-3 303 m;(c) spectral analysis of 3 303-3 384 m;(d) spectral analysis of 3 384-3 496 m;(e) spectral analysis of 3 496-3 566 m

4.3 最優(yōu)沉積速率的估算

通過(guò)頻譜分析，在90%的置信度之上檢測(cè)到了周期性變化的功率，但所選取的K 元素測(cè)井曲線(xiàn)的數(shù)據(jù)是以深度為單位，在對(duì)應(yīng)的沉積時(shí)間范圍內(nèi)并沒(méi)有進(jìn)行頻率計(jì)算。因此，本文通過(guò)“COCO（correlation coefficient）”和“eCOCO（evolution correlation coeffi cient）”[57]兩種方法分析，將深度序列的替代指標(biāo)轉(zhuǎn)換成時(shí)間序列，然后計(jì)算該時(shí)間序列的功率譜與天文解決方案功率譜之間的相關(guān)系數(shù)，從而提高旋回識(shí)別的準(zhǔn)確性（圖7）。本次研究的“COCO”計(jì)算得出金頁(yè)1 井筇竹寺組的平均沉積速率在2.5，2.9，3.4 和4.8 cm/kyr 處的H0顯著水平（被錯(cuò)誤拒絕的零假設(shè)，即非天文軌道驅(qū)動(dòng)信號(hào)）都低于0.001，且參與計(jì)算的天文軌道參數(shù)分量多于6個(gè)。本次研究的eCOCO分析選取1～6 cm/kyr 的沉積速率區(qū)間，滑動(dòng)步長(zhǎng)為0.5 m，滑動(dòng)窗口為30 m，蒙特卡洛模擬2 000次，得到圖7所示結(jié)果，其中紅色（極值）決定了特定深度的最優(yōu)沉積速率。

圖7 金頁(yè)1 井筇竹寺組深度序列（3 184～3 566 m）的COCO 分析和eCOCO 分析結(jié)果Fig.7 “COCO”and“eCOCO”analyses of the Qiongzhusi Formation depth-rank series in well Jinye-1 (3 184-3 566 m)

根據(jù)頻譜分析，用比值法對(duì)不同深度段的平均沉積速率的初步估算（2.46 cm/kyr，4.65 cm/kyr，2.90 cm/kyr 和3.28 cm/kyr），與用檢驗(yàn)法（eCOCO）對(duì)最優(yōu)沉積速率的評(píng)價(jià)的結(jié)果相一致，再次證明本次研究選取的功率譜頻段組合是滿(mǎn)足天文軌道驅(qū)動(dòng)條件的。

4.4 濾波和調(diào)諧

基于頻譜分析及COCO、eCOCO 分析的結(jié)果，將代表長(zhǎng)偏心率（E，405 kyr）的沉積旋回通過(guò)高斯帶通濾波提取出來(lái)。其中，筇竹寺組一段的濾波頻率為0.10±0.02 cycles/m，二段的濾波頻率為0.053±0.009 cycles/m，三段的濾波頻率為0.085±0.015cycles/m，四段的濾波頻率為0.075±0.001 cycles/m（圖8）。濾波結(jié)果顯示金頁(yè)1井筇竹寺組總共記錄了29個(gè)長(zhǎng)偏心率周期，其中：一段（3 496～3 566 m）記錄了約7 個(gè)長(zhǎng)偏心率旋回；二段（3 384～3 496 m）記錄了6 個(gè)長(zhǎng)偏心率旋回；三段（3 303～3 384 m）記錄了7 個(gè)長(zhǎng)偏心率旋回；四段（3 184～3 303 m）記錄了9 個(gè)長(zhǎng)偏心率旋回（圖8c）。本次研究選取代表長(zhǎng)偏心率的濾波曲線(xiàn)建立深度—時(shí)間模型，從而得到時(shí)間域數(shù)據(jù)序列，并結(jié)合對(duì)應(yīng)的深度域序列獲得金頁(yè)1 井筇竹寺組連續(xù)變化的沉積速率曲線(xiàn)（圖8d）。在3 303 m，3 384 m 和3 496 m 處沉積速率出現(xiàn)了明顯的變化，整個(gè)筇竹寺組沉積時(shí)期，由下到上呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。

圖8 金頁(yè)1 井筇竹寺組K 元素曲線(xiàn)濾波、調(diào)諧、時(shí)間域滑動(dòng)窗口頻譜分析和浮動(dòng)天文年代標(biāo)尺（a）巖性剖面；（b）去趨勢(shì)化的K元素測(cè)井曲線(xiàn)（深度域）；（c）K元素405-kyr濾波曲線(xiàn)（一段頻率：0.10±0.02 cycles/m，二段頻率為0.053±0.009 cycles/m，三段頻率為0.085±0.015 cycles/m，四段頻率為0.075±0.001 cycles/m）；（d）沉積速率變化曲線(xiàn)（深度域）；（e）調(diào)諧后的K元素測(cè)井曲線(xiàn)（時(shí)間域）；（f）時(shí)間域K元素測(cè)井曲線(xiàn)405-kyr濾波曲線(xiàn)；（g）時(shí)間域K元素測(cè)井曲線(xiàn)滑動(dòng)窗口頻譜分析；（h）浮動(dòng)天文年代標(biāo)尺Fig.8 Filtering,tuning,evolutionary spectra analysis and floating astronomical time scale of K logging series in well Jinye-1(a) lithological profile;(b) de-trended K series in depth domain;(c) 405-kyr filtered K series in depth domain (bandpasses of the four sections: 0.10±0.02,0.053±0.009,0.085±0.015 and 0.075±0.001 cycles/m respectively upwards from bottom);(d) sedimentation rate in depth domain;(e) 405-kyr tuned K series in time domain;(f) 405-kyr filtering curve in time domain;(g) evolutional spectra analysis of tuned K series;(h) floating astronomical time scale

4.5 “浮動(dòng)”天文年代標(biāo)尺的建立

以筇竹寺組底部年齡526.86±0.16 Ma 作為天文年代調(diào)諧的初始錨點(diǎn)，界定本次研究的時(shí)間范圍，建立“浮動(dòng)天文年代標(biāo)尺”（圖8h）。為了驗(yàn)證濾波和調(diào)諧結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)用天文校準(zhǔn)后轉(zhuǎn)化成時(shí)間域的數(shù)據(jù)序列再次進(jìn)行滑動(dòng)窗口頻譜分析（圖8g），結(jié)果顯示識(shí)別的頻率有0.002 5，0.007 6，0.010 5，0.027 8，0.038 5 cycles/kyr，在405 kyr（長(zhǎng)偏心率期），131 kyr（短偏心率周期），95 kyr（短偏心率周期），36 kyr（斜率周期），28 kyr（斜率周期）的位置上有較強(qiáng)的功率譜，驗(yàn)證了天文調(diào)諧的結(jié)果是可靠的。在歲差頻率上由于沉積速率較低和數(shù)據(jù)分辨率不夠等問(wèn)題，沒(méi)有獲得較明顯的天文信號(hào)。

5 基于米蘭科維奇理論的層序地層劃分

傳統(tǒng)的層序地層學(xué)研究多應(yīng)用于盆地邊緣的沉積序列中，基于等時(shí)的角度研究地層疊加樣式及其變化[69]，層序地層學(xué)的發(fā)展極大地完善了與海平面變化相關(guān)的沉積物堆砌樣式的解釋?zhuān)⑼ㄟ^(guò)建立等時(shí)地層格架，來(lái)重建地質(zhì)歷史時(shí)期的海平面變化[70-71]。然而，對(duì)于盆地中心的深水沉積物，某些“不整合面”可能是非常細(xì)微尺度的，甚至是“整合的”，很難通過(guò)傳統(tǒng)的層序地層學(xué)研究方法進(jìn)行識(shí)別?；诿滋m科維奇理論的旋回地層學(xué)，以地球軌道周期為“成因”控制，對(duì)細(xì)粒沉積地層進(jìn)行定量分析，可以利用天文周期的時(shí)間屬性約束不同級(jí)次的海平面變化旋回，從而進(jìn)行高頻率層序地層劃分。

5.1 沉積噪音模型

Liet al.[56]開(kāi)發(fā)的沉積噪音模型（DYNOT和ρ1）是一種基于軌道調(diào)諧后的動(dòng)態(tài)沉積噪音模型，也被證明是一種有效的海平面變化重建方法[56,72-73]。沉積巖中不同氣候替代指標(biāo)保存的信息包括“信號(hào)”（即軌道周期作用下的產(chǎn)物和“噪聲”和無(wú)軌道控制作用的影響因素），如定年誤差、差異壓實(shí)、不穩(wěn)定沉積和成巖作用等，在固定位置與水深有關(guān)的噪聲的變化可能與海平面的變化有關(guān)。當(dāng)海平面相對(duì)較高時(shí)，與水深相關(guān)的噪聲相對(duì)較低，反之亦然。選取DYNOT模型中功率譜中非軌道方差的比值，用于度量氣候和海平面替代指標(biāo)中的噪聲；如果與替代指標(biāo)相關(guān)的噪聲比較小，噪聲的方差可以作為海平面相對(duì)變化的指標(biāo)，在滑動(dòng)時(shí)間窗口中計(jì)算出非軌道信號(hào)方差和總方差的比值，即DYNOT 值；當(dāng)相對(duì)海平面較高的時(shí)候，DYNOT 較低，反之亦然[56]。DYNOT 模型之外的補(bǔ)充模型——獨(dú)立的lag-1 自相關(guān)系數(shù)模型，即ρ1 模型，作為相對(duì)海平面變化的第二個(gè)獨(dú)立噪聲指標(biāo)進(jìn)行檢驗(yàn)，噪聲的增加會(huì)導(dǎo)致ρ1 值的降低，反之亦然[56]。基于沉積噪音模型的假設(shè)和計(jì)算，本文通過(guò)對(duì)K 元素時(shí)間序列進(jìn)行沉積噪聲曲線(xiàn)重建，獲得兩條能夠替代同沉積時(shí)期相對(duì)海平面變化的曲線(xiàn)：DYNOT 和ρ1 曲線(xiàn)（圖9f，g）。金頁(yè)1 井筇竹寺組沉積時(shí)DYNOT 和ρ1 曲線(xiàn)呈現(xiàn)相似的模擬結(jié)果，整個(gè)沉積時(shí)期有9 處（圖9 藍(lán)色條形填充）顯著增強(qiáng)的噪聲（低信噪比）均出現(xiàn)在eCOCO 圖譜中相關(guān)系數(shù)的低值區(qū)，即相對(duì)淺水、不穩(wěn)定的沉積環(huán)境導(dǎo)致了噪聲的增加，亦從另一個(gè)角度反映了相對(duì)海平面處于下降階段。

圖9 金頁(yè)1 井筇竹寺組沉積噪音模型與相對(duì)海平面變化解釋[51,74]（a）巖性剖面；（b）去趨勢(shì)化的K元素測(cè)井曲線(xiàn)（深度域）；（c）深度域ρ1曲線(xiàn)；（d）eCOCO滑動(dòng)窗口相關(guān)系數(shù)分析（深度域）；（e）調(diào)諧后的K元素測(cè)井曲線(xiàn)和405 kyr濾波曲線(xiàn)（時(shí)間域）；（f）DYNOT模型及DYNOT中值曲線(xiàn)的2.4 Myr濾波曲線(xiàn)（時(shí)間域）；（g）ρ1模型（時(shí)間域）；（h）全球海平面變化（GTS2020）；（i）碳同位素變化曲線(xiàn)；（j）層序地層劃分Fig.9 Sedimentary noise model and interpretation relative sea-level changes in well Jinye-1[51,74](a) lithological profile;(b) de-trended K series in depth domain;(c) ρ1 curve in depth domain;(d) eCOCO and sedimentation rate in depth domain;(e) 405 kyr tuned K series(black line) and 405 kyr filtering curve (red line) in time domain;(f) DYNOT model in time domain;(g) ρ1 model in time domain;(h) global sea-level change in GTS2020;(i) δ13C curve;(j) sequence stratigraphic division

5.2 層序地層劃分

三級(jí)層序海平面波動(dòng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)制長(zhǎng)期以來(lái)備受爭(zhēng)議，但越來(lái)越多的地質(zhì)證據(jù)表明天文軌道周期通過(guò)調(diào)制氣候波動(dòng)來(lái)控制海平面的變化[75-78]，長(zhǎng)斜率周期（1.2 Myr）和長(zhǎng)偏心率周期（405 kyr）控制著三級(jí)層序海平面波動(dòng)及四級(jí)層序海平面波動(dòng)。對(duì)旋回地層學(xué)與經(jīng)典層序地層學(xué)的研究，在受海平面變化控制的成因和機(jī)理上有相似之處，天文旋回的時(shí)間內(nèi)涵可以標(biāo)定地質(zhì)年代，可以作為層序劃分的時(shí)間標(biāo)尺。

前人針對(duì)頁(yè)巖的層序地層研究，主要運(yùn)用T-R旋回理論基礎(chǔ)作為層序發(fā)育的主控因素，即海退旋回（R）和海進(jìn)旋回（T）[79-80]。本次研究利用沉積噪音模型的計(jì)算，根據(jù)DYNOT和ρ1模型所指示的相對(duì)海平面變化特征，將筇竹寺組劃分為4個(gè)三級(jí)層序和4個(gè)T-R旋回（圖9j）。值得指出的是，本文通過(guò)對(duì)K元素深度域測(cè)井序列進(jìn)行滑動(dòng)窗口頻譜分析（圖6），及eCOCO進(jìn)行最優(yōu)沉積速率估算的同時(shí)（圖7），通過(guò)找出的功率圖譜上出現(xiàn)變化的深度值，將整個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)間劃分為四個(gè)段分別進(jìn)行濾波，最后調(diào)諧得出的時(shí)間域曲線(xiàn)在這四段內(nèi)具有明顯不同的沉積速率，故此時(shí)的4 個(gè)三級(jí)層序與前文所劃分的4 段地層是一一對(duì)應(yīng)的。其中，4 個(gè)層序界面均發(fā)育于DYNOT 模型中值曲線(xiàn)的高值區(qū)，及對(duì)應(yīng)ρ1模型中值曲線(xiàn)的低值區(qū)，代表相對(duì)海平面下降到最低點(diǎn)，發(fā)育層序邊界，沉積速率發(fā)生改變；4個(gè)最大海泛面位于海進(jìn)旋回T和海退旋回R之間，和DYNOT模型中值曲線(xiàn)的低值區(qū)及ρ1模型中值曲線(xiàn)的高值區(qū)相對(duì)應(yīng)，代表了相對(duì)海平面升高至最大值。結(jié)合“浮動(dòng)”天文年代標(biāo)尺，SQ1三級(jí)層序?qū)?yīng)地質(zhì)年代處于526.86～523.68 Ma，SQ2 對(duì)應(yīng)523.68～521.65 Ma，SQ3 對(duì)應(yīng)521.65～518.68 Ma，SQ4對(duì)應(yīng)518.68～515.05 Ma，得出每個(gè)三級(jí)層序的沉積時(shí)限分別為3.18，2.03，2.97 和3.63 Ma，分別包含8 個(gè)，5 個(gè)，7 個(gè)和9 個(gè)長(zhǎng)偏心率（405 kyr）周期。405 kyr 的長(zhǎng)偏心率旋回的變化常常與四級(jí)層序存在成因聯(lián)系[81]，2.4 Myr 周期通過(guò)地球和火星的天文共振而形成，也是三級(jí)海平面變化旋回的共有周期。圖9f顯示的DYNOT中值曲線(xiàn)的2.4 Myr濾波曲線(xiàn)呈現(xiàn)出4.5個(gè)2.4 Myr 變化周期，同時(shí)證明相對(duì)海平面變化受到2.4 Myr的三級(jí)海平面變化旋回的調(diào)控作用。

5.3 碳同位素漂移

寒武紀(jì)發(fā)生了多次碳同位素漂移事件，碳同位素異常事件在寒武系等的劃分和對(duì)比中有著廣泛的應(yīng)用[26]。根據(jù)所建立的天文年代標(biāo)尺，將全球無(wú)機(jī)碳同位素曲線(xiàn)[51]與相對(duì)海平面變化曲線(xiàn)[82]進(jìn)行對(duì)比（圖9i）。發(fā)現(xiàn)ZHUCE 正異常對(duì)應(yīng)著相對(duì)海平面的高值區(qū)，SHICE 負(fù)異常對(duì)應(yīng)著相對(duì)海平面的低值區(qū)，SHICE 之上的兩次明顯正異常均對(duì)應(yīng)著相對(duì)海平面的極高值。推測(cè)可能是因?yàn)殡S著海平面下降，大量有機(jī)質(zhì)被氧化，向海水中釋放碳同位素偏輕的無(wú)機(jī)碳，造成海水中的δ13C 變輕[83]。Cremoneseet al.[51]在對(duì)肖灘剖面的有機(jī)碳同位素（δ13Corg）研究中識(shí)別了SHICE碳同位素漂移事件（圖2），δ13Corg組成的影響因素眾多，不同剖面相同層位之間δ13Corg曲線(xiàn)變化巨大，時(shí)常出現(xiàn)δ13Ccarb組成與δ13Corg組成不同步變化的情況，在肖灘剖面的δ13Corg曲線(xiàn)中未能識(shí)別其他碳同位素異常事件。

6 結(jié)論

（1）對(duì)四川盆地金頁(yè)1 井筇竹寺組地層進(jìn)行了測(cè)井曲線(xiàn)的響應(yīng)特征分析，選取K 元素序列為相對(duì)最合適的替代指標(biāo)，并按測(cè)井曲線(xiàn)的不同特征筇竹寺組地層分為四段進(jìn)行頻譜分析和濾波分析。發(fā)現(xiàn)目標(biāo)層段記錄的天文軌道控制作用下的沉積周期分別為405 kyr，131 kyr，95 kyr，36 kyr，28 kyr；根據(jù)長(zhǎng)偏心率周期的天文校準(zhǔn)建立了連續(xù)約11.8 Myr 的 “浮動(dòng)”天文年代標(biāo)尺。

（2）通過(guò)軌道調(diào)諧后的沉積噪音模型，恢復(fù)了沉積時(shí)期的相對(duì)海平面變化。根據(jù)DYNOT和ρ1曲線(xiàn)，將筇竹寺組劃分為4個(gè)三級(jí)層序，識(shí)別了對(duì)應(yīng)的4個(gè)層序界面和4 個(gè)最大海泛面，證明了405 kyr 的長(zhǎng)偏心率旋回與四級(jí)層序存在成因上的聯(lián)系。

（3）通過(guò)相對(duì)海平面變化曲線(xiàn)與全球性碳同位素漂移曲線(xiàn)的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)海平面下降往往對(duì)應(yīng)著碳同位素的負(fù)異常，推測(cè)是由于海水下降導(dǎo)致的有機(jī)質(zhì)氧化，從而輕碳富集。