細粒沉積物中不同級次高頻層序劃分及其地質(zhì)意義
——以東營凹陷沙三下—沙四上亞段泥頁巖為例

杜學斌，陸永潮，劉惠民，劉 輝，王 勇，熊仕鵬，郭來源，劉占紅，彭 麗

(1.中國地質(zhì)大學(武漢) 海洋學院，武漢 430074； 2.中國地質(zhì)大學(武漢) 構(gòu)造與油氣資源教育部重點實驗室，武漢 430074；3.中國石化 勝利油田分公司 地質(zhì)科學研究院，山東 東營 257015； 4.湖北省宜昌市遠安縣國土資源局，湖北 遠安 444200)

隨著頁巖氣(油)勘探和開發(fā)取得成功，實際生產(chǎn)對于泥頁巖的研究提出了更高的要求。石油地質(zhì)學家們已經(jīng)不滿足于對泥頁巖的傳統(tǒng)認識，而是強烈要求對泥頁巖進行更高精度、更高級別的深入研究，首當其沖的就是建立更精細尺度的層序地層格架。但是到目前為止，對于如何有效地開展泥頁巖層段層序劃分，雖然有很多地質(zhì)學家做過嘗試，但國內(nèi)外均還沒有一個系統(tǒng)且明晰的認識[1-4]，尤其是對于陸相細粒沉積的層序地層劃分，國內(nèi)外更是少有涉及。本文以水進—水退(T-R)理論與天文旋回理論為指導，依托東營凹陷3口全取心井(A井取心185.22 m、B井取心403.63 m、C井取心200.05 m)的泥頁巖鉆孔，借助多項系統(tǒng)的測試分析數(shù)據(jù)，嘗試性地識別了多種元素變化界面，結(jié)合總有機碳變化曲線(TOC)、相對湖平面變化曲線、古氣候指數(shù)，劃分了準層序與準層序組；并在全巖心掃描工作基礎(chǔ)上，利用Ca、Ba等元素的變化，建立了天文旋回變化過程，確定了不同級別層序的持續(xù)時間，進一步估算了沉積物堆積速率，以期對泥頁巖的層序構(gòu)成和發(fā)育過程的認識提供幫助。

1 地質(zhì)概況

東營凹陷是濟陽坳陷內(nèi)的次級大型寬緩斷陷盆地，整體呈NE向展布，東接青坨子凸起，西臨青城凸起，南起廣饒凸起、魯西隆起，北以陳家莊凸起和濱縣凸起為界(圖1)，東西長約90 km，南北寬約65 km，總面積約5 700 km2。其古近系沙河街組沙三下—沙四上亞段是典型的泥頁巖發(fā)育段，主要巖性為灰色—灰黑色頁巖、灰質(zhì)頁巖和灰質(zhì)泥巖以及淺灰色泥灰?guī)r，分布面積廣，厚度大[5-7]。凹陷內(nèi)目前先后實施完成了A、B和C3口系統(tǒng)取心井。

2 基于T-R旋回的四級、五級層序

2.1 傳統(tǒng)T-R旋回的改進

T-R旋回理論的基礎(chǔ)是海(湖)平面作為層序發(fā)育的主控因素。在其內(nèi)部進一步劃分出2個旋回，即海(湖)進旋回(T旋回)和海(湖)退旋回(R旋回)[7-10]。對于湖盆泥頁巖來說，其發(fā)育主要受控于湖平面震蕩變化，構(gòu)造、物源等因素對泥頁巖發(fā)育影響并不大。因此，可以借鑒T-R層序理論來劃分泥頁巖段中的層序。但是在實際研究和操作過程中，要解決在無地震資料輔助下的界面識別問題，同時要注意層序劃分的尺度。

本次研究充分借鑒了國內(nèi)外的先進經(jīng)驗[1,4,11-14]，提出依托T-R旋回理論，結(jié)合多種敏感性參數(shù)(放射性元素、TOC變化等)、以自然伽馬曲線為主的泥頁巖層序劃分方法，并在實踐中進行了嘗試。該方法賦予了GR曲線沉積學含義，將巖相的旋回疊置樣式、密集段和海(湖)進侵蝕面等作為建立細粒沉積物層序地層框架的關(guān)鍵[4,7,15-16]。

2.2 界面的識別與T-R單元劃分

2.2.1 基于多標志的高頻層序界面的識別

圖1 渤海灣盆地東營凹陷構(gòu)造單元及3口泥頁巖系統(tǒng)取心井分布

圖2 渤海灣盆地東營凹陷B井泥頁巖層段變化界面識別

前人研究發(fā)現(xiàn)，巖心宏觀特征、巖相和成分變化、敏感性測井曲線(GR、能譜曲線)、元素敏感性突變值等對于頁巖層序界面的確定具有關(guān)鍵意義，界面上下必然會存在相關(guān)參數(shù)的變化，那么這些變化必然反映的是不同級別界面[17-20]。依據(jù)這些參數(shù)和指標，可以初步識別出相關(guān)的變化界面，包括海進—海退界面、氧化—還原界面、生物變革界面和突發(fā)性界面等(圖2)。

2.2.2 3種高頻變化組合形式

通過分析發(fā)現(xiàn)，泥頁巖準層序在空間上存在3種旋回組合形式，即GR值向上減少的組合(R旋回)、GR值向上增加的組合(T旋回)和GR值相對穩(wěn)定的組合。而這3種過程可以通過GR曲線在空間上的疊加方式來進行反映。因此，GR值向上減小組合可以代表湖退過程(R過程)；GR值向上增加組合可以代表湖進過程(T過程)；GR值穩(wěn)定變化組合可以代表水體穩(wěn)定階段。根據(jù)GR曲線的組合形式和數(shù)值變化趨勢，可以在一口單井上劃分出若干個GRP準層序，每個準層序都代表著一次湖平面變化過程，即湖侵或者湖退、湖面穩(wěn)定變化[4,7]。

2.3 泥頁巖段層序劃分及內(nèi)部構(gòu)成單元

2.3.1 泥頁巖段層序劃分

依托泥頁巖中3種高頻變化模型，同時結(jié)合TH、U、KTH等曲線，對A井開展高頻單元劃分，在沙四純上段共識別出20個準層序，沙三下段識別出13個準層序，每個準層序包括一個湖進—湖退的過程(T-R)。同時根據(jù)準層序的疊加方式，在沙四純上和沙三下層序中各劃分出4個準層序組，對應(yīng)于4個體系域(圖3)。

具體來講，A井每個三級層序分早期湖擴體系域(EEST)、晚期湖擴體系域(LEST)、早期高位體系域(EHST)和晚期高位體系域(LHST)，每個層序里面又包括若干個四級層序和五級層序(圖3)。

在此基礎(chǔ)上，對B井和C井也進行了相同的層序劃分，并進行了不同井間的層序?qū)Ρ?圖4)。從整體來講，濟陽坳陷地形相對平坦，沙三下亞段、沙四純上層序的2個三級層序發(fā)育齊全，不存在層序缺失現(xiàn)象。每個三級層序均發(fā)育湖擴和高位2個體系域，代表一次全盆性的湖進—湖退事件(TOC變化曲線可作為佐證)，準層序組單元具有全區(qū)的可對比性。沙四純上層序持續(xù)時間為1.706 Ma (42.671～40.904 Ma)，發(fā)育7個準層序組，每個時間域是0.25 Ma；發(fā)育22個準層序，每個時間域是0.08 Ma。沙三下層序持續(xù)時間為2.029Ma(40.904～38.875 Ma)，發(fā)育4個準層序組，每個時間域是0.46 Ma；22個準層序，每個時間域是0.092 Ma(圖4)。

2.3.2 高頻單元組合

在層序劃分的基礎(chǔ)上，對不同級別的高頻單元空間組合進行了分析，并結(jié)合巖心特征、GR曲線變化、普通薄片特征、巖相變化特征和準層序變化，將高頻單元變化歸納為3種可對比的組合類型，分別為快升—慢降型、慢升—快降型和均一型[7]。其規(guī)律如下：

(1)快升—慢降型意味著湖平面上升過程快于湖平面下降過程，具體表現(xiàn)為湖進過程形成的泥巖厚度小于湖退過程形成的泥巖厚度；同時，巖相會從高灰質(zhì)巖相經(jīng)過中高灰質(zhì)巖相逐漸變到中低灰質(zhì)巖相，層理從頁理或紋理變化到層狀最后到塊狀。

圖3 渤海灣盆地東營凹陷A井層序地層分析

(2)慢升—快降型意味著湖平面上升過程慢于湖平面下降過程，具體表現(xiàn)為湖進過程形成的泥巖厚度大于湖退過程形成的泥巖厚度；同時，巖相依然會經(jīng)歷從高灰質(zhì)巖相經(jīng)過中高灰質(zhì)巖相逐漸變到中低灰質(zhì)巖相，層理從頁理或紋理變化到層狀最后到塊狀，但是很明顯紋理或者層理發(fā)育段占據(jù)了該段的大部分層段。

(3)均衡型意味著湖平面上升過程基本與湖平面下降過程一致，具體表現(xiàn)為湖進過程形成的泥巖厚度與湖退過程形成的泥巖厚度接近，在這個過程中，巖相依然會從高灰質(zhì)巖相逐漸變到中低灰質(zhì)巖相，但是層理基本上都體現(xiàn)出層理狀的特征。

3 基于天文尺度的六級、七級層序

高頻旋回的研究為探索地層旋回過程和旋回形成機制提供了較為可行的思路和方法，而此項研究多借助于天文旋回(米蘭科維奇旋回)手段和技術(shù)。將米氏周期旋回作為天文年代標尺進行高頻旋回劃分，再以層序地層學原理為指導進行橫向?qū)Ρ?，建立六級、七級乃至更高精度的層序地層格架[21-23]。對于泥頁巖而言，其旋回性更為明顯。因此在本次研究中嘗試依托采集的元素含量數(shù)據(jù)，選取部分元素作為替代指標和巖心數(shù)據(jù)相結(jié)合進行處理分析，獲取其中所包含的高頻旋回信息，建立更高頻率的地層格架。

3.1 分析數(shù)據(jù)的獲取和核心參數(shù)的厘定

本次研究利用中國地質(zhì)大學(武漢)地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源國家重點實驗室Itrax高分辨率巖心掃描儀，對3口取心井開展了全巖心掃描工作，掃描精度為4 mm/點，獲得了44種元素的相對含量。在此基礎(chǔ)上，初步選取了能夠反映當時環(huán)境變化的一些元素作為氣候替代指標，如Si、Mn、Cr、Fe、Ti、Al、Cu 等元素，將這些元素所反映的頻率與理論頻率對照，以長偏心率作為四級旋回、短偏心率作為五級旋回、斜率作為六級旋回、歲差作為七級旋回開展高頻旋回研究(圖5，6)。

3.2 天文標尺的建立

圖5 渤海灣盆地東營凹陷A井斜率分析(99%置信度)，對應(yīng)六級層序(4萬年左右)

圖6 渤海灣盆地東營凹陷A井歲差分析(99%置信度)，對應(yīng)七級層序(2萬年左右)

在置信度分析的基礎(chǔ)上，通過將沙四純上底部年齡42.67 Ma(已知)為時間控制點，采用頻譜分析、天文調(diào)諧的方法，以127，405，51.3 ka曲線為目標曲線，以替代參數(shù)Ca、Ba為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，建立東營凹陷沙三下、沙四純上天文年代標尺(圖7)。天文年代標尺的建立有助于實現(xiàn)地層的高精度對比，并能較為精確地估計古環(huán)境和古氣候的持續(xù)時間，同時對于定量研究沉積過程也有重要意義。

3.3 高頻旋回的劃分

根據(jù)獲得的研究區(qū)沙三下、沙四純上天文年代標尺，進行更高頻旋回劃分(圖8)。四級、五級旋回劃分的結(jié)果與前文的結(jié)果具有一致性，這證明了依托天文旋回劃分結(jié)果的正確性與科學性。

3.4 地質(zhì)意義

3.4.1 沉積速率的估算

對于陸相盆地而言，由于構(gòu)造活動等的影響，地層年齡很難精確確定，因此沉積速率的計算十分困難。利用傳統(tǒng)地質(zhì)學方法，也只能定性或半定量地估算沉積速率。但是基于米氏周期的旋回地層學分析方法建立的地層年代標尺，為計算沉積速率提供了時間單元[22-22]，使得沉積速率的計算相對簡單。通過測試，認為以50 m為步長，窗口為100 m對沙四純上進行滑動窗口頻譜分析置信度最高(99%)，據(jù)此可確定每個窗口的頻譜結(jié)構(gòu)以及持續(xù)時間。很明顯，根據(jù)沉積厚度、計算出的時間，就可以測算出不同層序單元內(nèi)的沉積速率(表1)，從而可將沉積過程定量化。

圖9是對A井沙四純上段沉積過程的定量分析，很明顯可以看到，通過沉積速率的計算，可以直觀且定量地反映出泥頁巖在垂向上不穩(wěn)定的沉積過程。對于沙四純上段來說，存在著4個明顯的沉積過程，而這4個過程對應(yīng)4個準層序組。從下往上，依次經(jīng)歷了緩慢沉積、快速沉積、先快后慢沉積、緩慢沉積4個過程，對應(yīng)的沉積速率為0.099，0.128，0.075，0.118 m/ka。因此可以認為，第二個準層序組發(fā)育時期，是快速沉積時期，實際上正好也是生物保存最好的時期。

3.4.2 富有機質(zhì)層段的預測

對于泥頁巖層序來說，其重要的預測功能是對優(yōu)質(zhì)烴源巖段的預測。通常來說，一個準層序就是一次海(湖)進—海(湖)退的過程。在這2個過程的轉(zhuǎn)換面附近，往往水體最深，也最穩(wěn)定，此時生物容易發(fā)育且最容易被保存下來，因此在轉(zhuǎn)換面附近極易形成TOC富集區(qū)也就是最富有機質(zhì)層段。表現(xiàn)在GR曲線上，就是對應(yīng)著GR曲線的最大值(圖10)。

圖7 渤海灣盆地東營凹陷A井沙四純上高精度天文標尺

圖8 渤海灣盆地東營凹陷A井沙四純上高頻旋回劃分

4 結(jié)論與建議

(1)通過上述研究和實踐，提出了一套針對細粒沉積(泥頁巖)層序地層的思路和方法：在T-R旋回和天文旋回理論總體指導下，四—五級層序劃分依托敏感性指標進行識別，六—七級層序單元劃分依托天文標尺進行識別。

(2)在工作過程中，由于研究目標不同與資料的限制，可識別的層序級別有所差異，識別精度不可強求。

表1 渤海灣盆地東營凹陷A井沙四純上滑動窗口頻譜分析結(jié)果

圖9 渤海灣盆地東營凹陷A井沙四純上沉積過程分析

圖10 渤海灣盆地東營凹陷有機質(zhì)富集預測模型

此外，這種方法和技術(shù)組合必須在系統(tǒng)取心井支撐下才能開展工作，對于無系統(tǒng)取心井地區(qū)，還需要進一步探討更為實用的技術(shù)和手段來劃分泥頁巖層序。

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