東海陸架盆地西湖凹陷平湖組潮汐韻律與潮汐周期分析

劉思琦，張昌民，朱銳，徐清海，馮文杰，周傳友，王澤宇

（長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，湖北武漢，430100）

潮汐是海水在天體的引力和地球的自轉(zhuǎn)離心力共同作用下的周期性運動[1-2]。由于水流方向及水動力的變化，潮汐沉積形成一些特殊的沉積構(gòu)造，例如羽狀交錯層理、韻律層理、砂泥復(fù)合層理（脈狀層理、波狀層理及透鏡狀層理）、再作用面等[3-5]。潮汐韻律層中砂泥巖的厚度、頻率等體現(xiàn)了潮汐周期以及能量，研究潮汐韻律能夠重建潮汐沉積過程，推測潮汐沉積的周期。國內(nèi)外學(xué)者通過分析韻律層中潮汐層偶厚度與層數(shù)的變化特征，研究了沉積過程中不同尺度的潮汐周期[6-10]，如半日潮、日潮、月潮、半年潮、年潮等。潮汐韻律層已成為高分辨率古環(huán)境研究的一個重要標(biāo)志。

在東海陸架盆地西湖凹陷平湖組發(fā)現(xiàn)有潮汐沉積，但人們對本區(qū)潮汐沉積的認(rèn)識存在爭議，趙麗娜[11]認(rèn)為西湖凹陷平湖構(gòu)造帶平湖組可劃分出潮坪沉積相和潮汐三角洲沉積相2 種主要的沉積相；劉書會等[12]認(rèn)為西湖凹陷平湖地區(qū)平湖組在斷陷早—中期發(fā)育洪積扇、近岸水下扇和濁積扇，在斷陷中—晚期發(fā)育辮狀河三角洲、扇三角洲，在斷陷晚期以潮坪沉積為主；吳嘉鵬等[13]將平湖組巖相劃分為礫巖相、砂巖相、細(xì)粒巖相3 種類型，認(rèn)為平湖組主要發(fā)育受潮汐作用影響的三角洲相、潮坪相及局限淺海相等沉積相；楊彩虹等[14]提出平湖斜坡帶E2p的砂體形態(tài)和沉積層序既不符合潮汐影響的三角洲體系，也不符合潮下帶潮道等砂體微相，而更接近淺水環(huán)境下辮狀三角洲的沉積特征；趙洪等[15]認(rèn)為西湖凹陷平湖組沉積時期發(fā)育海陸過渡的沉積體系，主要包括潮控三角洲、潮坪和海灣等沉積相。前人主要針對平湖組沉積環(huán)境進(jìn)行研究，缺少對平湖組潮汐韻律層的周期性研究，因此，有必要精確測量單個潮汐韻律層，深化平湖組潮汐沉積認(rèn)識。

本文在詳細(xì)觀察描述東海陸架盆地西湖凹陷平湖組A 井巖心的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)大量潮汐沉積構(gòu)造。通過測量并統(tǒng)計潮汐沉積砂泥質(zhì)紋層和層偶的厚度，利用Matlab，Redfit3.8 和Analyseries2.08等軟件，分析層偶厚度、砂質(zhì)紋層厚度以及泥質(zhì)紋層厚度及三者的變化周期性，計算其可能的潮汐周期，探討平湖組A井所對應(yīng)的潮汐周期類型。本研究作為平湖組潮汐韻律層周期性的探討，對判別潮汐周期類型、重建區(qū)域古環(huán)境提供新的思路和方法。

1 地質(zhì)背景

圖1所示為東海陸架盆地西湖凹陷地質(zhì)概況。由圖1可見：西湖凹陷是東海陸架盆地內(nèi)最大的含油氣構(gòu)造帶，其東界為釣魚島隆褶帶，南、北分別與釣北凹陷、福江凹陷相鄰，西面自北而南與虎皮礁隆起、長江坳陷、海礁隆起、錢塘坳陷、漁山凸起5 個構(gòu)造單元相接（圖1（a）），南北長約440 km，東西寬約110 km，總面積約5.18 萬km2[16-18]。西湖凹陷新生界地層自下而上依次為始新統(tǒng)甌江組、溫州組、平湖組，漸新統(tǒng)花港組，中新統(tǒng)龍井組、玉泉組和柳浪組，上新統(tǒng)三潭組以及更新統(tǒng)的東海群（圖1（b））。

圖1 東海陸架盆地西湖凹陷地質(zhì)概況Fig.1 Geological overview of Xihu Sag,East China Sea Shelf Basin

平湖組受潮汐作用影響顯著，經(jīng)鉆探，在巖心中發(fā)現(xiàn)大量潮汐沉積構(gòu)造。A井位于凹陷西部斜坡帶，該井取心段深度為3 856.6～3 865.89 m，鉆遇始新統(tǒng)平湖組。本段巖心潮汐沉積構(gòu)造發(fā)育，沉積構(gòu)造類型包括砂泥復(fù)合層理、雙黏土層以及砂泥對偶層（圖2）。研究中，按照1:5的比例尺詳細(xì)觀察和描述巖心，分析所發(fā)育的沉積構(gòu)造、巖性特征、巖石相及其組合關(guān)系，結(jié)合分析化驗資料，認(rèn)為該取心段為潮坪沉積。研究選取了深度為3 856.60～3 858.50，3 858.50～3 860.20，3 860.20～3 860.45，3 862.15～3 863.20和3 863.20～3 865.89 m共5套砂泥層偶發(fā)育段。圖3所示為東海陸架盆地西湖凹陷平湖組A井巖性柱狀圖。由圖3可見：第1 段為砂坪沉積，第2 段和第5 段為混合坪沉積，第3段為泥坪沉積，第4段為潮汐水道沉積。

圖2 東海陸架盆地西湖凹陷平湖組A井典型沉積構(gòu)造Fig.2 Typical sedimentary characteristics of Well A of Pinghu Formation in Xihu Sag,East China Sea Shelf Basin

圖3 東海陸架盆地西湖凹陷平湖組A井巖性柱狀圖Fig.3 Lithologic column of Well A of Pinghu Formation in Xihu Sag,East China Sea Shelf Basin

2 紋層厚度測量方法

測量砂泥質(zhì)紋層厚度是研究潮汐韻律的基礎(chǔ)。本文利用Matlab 軟件編制的程序自動采集砂泥質(zhì)紋層厚度圖像信息，計算5套潮汐韻律發(fā)育段的紋層厚度，如圖4所示。圖像信息采集線寬以像素（pix）計算。

圖4 Matlab軟件編程對巖心圖像信息自動采集流程Fig.4 Automatic acquisition processes of core image information by Matlab software programming

首先，將有深度標(biāo)尺的巖心圖像調(diào)整至能清晰觀察到最小層偶的程度，選取圖像中線作為測線路徑。

其次，設(shè)置合適的濾波核線寬，濾波核設(shè)定較大時可降低背景污點噪音的影響，但容易丟失高分辨率紋層的信息[19]。采用不同濾波核在同一路徑進(jìn)行多次采集，確定濾波核設(shè)定在3像素時采集結(jié)果最為合適，圖5所示為巖心圖像在不同濾波核下采集結(jié)果對比。

圖5 巖心圖像在不同濾波核下采集結(jié)果對比（3 865.28～3 865.41 m）Fig.5 Comparison of the results of core images collected under different filter kernel（3 865.28—3 865.41 m）

第三，利用不同巖性顏色的差異，將巖心圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖，進(jìn)行二值化圖像去噪，取得中線上單個點的二值化結(jié)果。

最后，統(tǒng)計二值化結(jié)果連續(xù)的像素長度，將結(jié)果轉(zhuǎn)換為實際長度，每個二值化結(jié)果的連續(xù)像素長度代表了砂泥質(zhì)紋層的巖性及其厚度，由此獲得每個紋層對應(yīng)的實際厚度，如圖6所示。本次研究共計算了1 530 個紋層厚度以及765 個砂泥層偶厚度（表1）。

圖6 Matlab軟件自動識別砂泥紋層厚度（3 865.28～3 865.41 m）Fig.6 Automatic identification of sand and mud lamina thickness by Matlab software（3 865.28～3 865.41 m）

表1 平湖組A井砂泥質(zhì)紋層厚度統(tǒng)計（部分）Table 1 Statistics of sand and mud laminar thickness of Well A in Pinghu Formation（part content）

3 潮汐韻律

表2所示為平湖組A井潮汐層偶厚度變化統(tǒng)計結(jié)果。從表2可見：取心段層偶及其紋層的厚度變化較大，相鄰紋層的厚度變化也劇烈，但局部也存在紋層厚度穩(wěn)定不變的現(xiàn)象。由于原始紋層厚度數(shù)據(jù)中相鄰層偶厚度變化劇烈，這對厚度變化的周期性分析造成影響。鑒于此，在將紋層厚度按順序排列后，對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行了插值預(yù)處理。在分析厚度數(shù)據(jù)時，會被一些異常數(shù)據(jù)干擾。對數(shù)據(jù)進(jìn)行插值操作可以平滑數(shù)據(jù)，增強數(shù)據(jù)的趨勢性。本次研究采用三點兩次插值法，其基本思想是構(gòu)造一個簡單函數(shù)y=p（x）作為f（x）的近似表達(dá)式，并且要求p（x）在給定xi與取值相同，通常稱p（x）為f（x）的插值函數(shù)。通過對比插值后的數(shù)據(jù)，砂泥質(zhì)紋層厚度趨勢更明顯，利于分析周期規(guī)律（圖7）。

表2 平湖組A井潮汐層偶厚度變化統(tǒng)計Table 2 Statistics of the tidal couplet thickness variation of Well A in Pinghu Formation mm

預(yù)處理后的砂質(zhì)紋層厚度和泥質(zhì)紋層厚度均分別顯示了17個周期（編號分別為A′～Q′和A～Q）（圖7），但是，砂泥質(zhì)紋層厚度變化的各個周期具有不同特征。

圖7 平湖組A井砂泥質(zhì)紋層厚度統(tǒng)計結(jié)果Fig.7 Statistical results of sand and mud laminar thickness of well A in Pinghu Formation

對比砂質(zhì)和泥質(zhì)紋層厚度周期性變化，砂泥質(zhì)紋層厚度變化周期有一定聯(lián)系，但并不完全一致。有一些砂泥質(zhì)紋層厚度高峰相同，例如E′～F′號與E～F 號，J′～L′號與J～L 號，O′～Q′號與O～Q 號存在對應(yīng)關(guān)系；也有砂泥質(zhì)紋層厚度高峰相差10多個，甚至幾十個紋層的情況，例如A′～D′號與A～D 號以及M′～N′號與M～N 號。這些厚度的周期性變化均是沉積動力、沉積環(huán)境變化的綜合反映。

圖8所示為平湖組A井潮汐層偶厚度中砂泥占比。由圖8可見：在同一層偶中，砂質(zhì)紋層厚度大于泥質(zhì)紋層厚度的個數(shù)為264，泥質(zhì)紋層厚度大于砂質(zhì)紋層厚度的個數(shù)為502，并且泥質(zhì)紋層總厚度占層偶總厚度的64%。因此，泥巖對層偶的貢獻(xiàn)率更大。

圖8 平湖組A井潮汐層偶厚度中砂泥占比Fig.8 Percentage of sand and mud in tidal couplet thickness of Well A in Pinghu Formation

4 潮汐周期

為精確識別紋層厚度周期，對數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析。頻譜分析技術(shù)是研究周期性現(xiàn)象中最常用的一種統(tǒng)計分析方法，其基本原理是對復(fù)合波系進(jìn)行數(shù)據(jù)變換，將其分解成若干振幅和相位不同的簡諧波，進(jìn)而根據(jù)子波的主頻率求取周期[20-21]。目前廣泛采用的頻譜分析方法包括功率譜分析法和最大熵譜分析法[22]。本研究中采用頻譜分析程序RedFit3.8，對各紋層厚度數(shù)據(jù)序列分別進(jìn)行了紅噪聲背景下的快速傅里葉轉(zhuǎn)換（FFT）計算，得出功率譜圖，識別紋層厚度的特征周期分布。功率譜曲線中，高點處對應(yīng)的橫坐標(biāo)值就是數(shù)據(jù)點的主頻率點，一般功率愈高，表明該周期在數(shù)據(jù)序列中出現(xiàn)的信號越強。通過紅噪聲99%置信度曲線檢驗，層偶厚度的主頻率點為0.054，0.104 和0.120；泥質(zhì)紋層厚度的主頻率點為0.054，0.104和0.120；砂質(zhì)紋層厚度的主頻率點為0.054，0.091，0.104 和0.120（如圖9所示）。層偶、泥質(zhì)紋層以及砂質(zhì)紋層厚度所對應(yīng)的譜峰依次為0.054，0.104和0.120。

對頻率取倒數(shù)就可以獲得相應(yīng)的周期或旋回數(shù)[23]，結(jié)果見圖9。從圖9可見，層偶、泥質(zhì)紋層以及砂質(zhì)紋層厚度的最強信號的譜峰對應(yīng)的紋層組個數(shù)為18.52，即每間隔18.52個紋層組，厚度出現(xiàn)1 個變化周期；三者在中頻波段的厚度周期為9.62，在高頻波段的厚度周期為8.33。另外，砂質(zhì)紋層厚度在中頻波段還可以檢驗出由10.99個紋層組組成的顯著周期，這可能是在高能環(huán)境下潮汐水道沉積的反映（圖3），具有一定偶然性。

圖9 平湖組A井的厚度頻譜分析Fig.9 Thickness spectrum analysis of Well A in Pinghu Formation

周期數(shù)9.62 和8.33 相差較小，18.52 與9.62 呈近2 倍數(shù)量關(guān)系，因而選取具有代表性的18.52 和9.62這2個紋層組厚度周期反映潮流周期特征。

在沉積記錄中檢測潮汐，必須具備2 個前提條件：

1）了解潮汐旋回的周期和頻譜結(jié)構(gòu)。潮汐不僅有半日潮、全日潮和混合潮3 種最基本的類型，而且發(fā)育半月潮、月潮、半年潮、年級潮、十年級潮以及百年級潮汐。

2）潮汐周期是連續(xù)的，但在沉積過程中會因為沉積間斷或者侵蝕作用而缺失，地層記錄是一個間斷式分布的離散信號序列，因此，層偶的數(shù)量遠(yuǎn)少于理論值。

關(guān)于潮坪沉積中的年周期以及更長時間尺度周期的沉積，任美鍔等[24]研究了江蘇王港地區(qū)海岸水位變化的年周期循環(huán)對淤泥質(zhì)潮坪的作用，認(rèn)為在砂、泥交替沉積之間存在著明顯的侵蝕過程，砂泥質(zhì)紋層厚度隨高潮位的季節(jié)變動而變化；李炎等[25]指出浙江大目涂潮坪明顯存在著除半日、半月周期外的年周期循環(huán)，并認(rèn)為季節(jié)性變化的影響因素有潮汐、波浪和泥沙；楊世倫等[26]認(rèn)為長江三角洲潮坪普遍具有季節(jié)性沖淤循環(huán)，這種循環(huán)與海面、潮差、風(fēng)（浪）和岸外含沙量等多種因素的季節(jié)性變化有關(guān)；COWAN等[27]發(fā)現(xiàn)阿拉斯加峽灣潮坪沉積記錄的砂-泥互層的層厚的變化能夠很好地顯示出半月、月、雙月以及年周期特征；WILLIAMS等[8]在南澳洲的潮汐紋層序列中識別出了紋層厚度隨年度的變化，還發(fā)現(xiàn)了周期分別為9.7 個Elatina 旋回（即9.7 a）和（19.5±0.5）個Elatina 旋回（即（19.5±0.5）a）的長周期波動；CHOI[28]在韓國西海岸發(fā)現(xiàn)了良好的潮汐韻律層，識別了從半日到月的潮汐周期（圖10）。

圖10 潮汐周期在巖心照片上的級次劃分（據(jù)文獻(xiàn)[28]修改）Fig.10 Classification of tidal cycles in core photographs（modified by Ref.[28]）

本文在此基礎(chǔ)上，對平湖組A 井潮坪沉積取心段巖心識別并劃分出百年級、十年級和年級周期韻律。圖11所示為平湖組A 井潮汐周期劃分。由圖11可見：在年級周期韻律中識別出6 個大—小潮周期。通過大—小潮周期韻律在巖心上的響應(yīng)，較薄紋層分辨率較低，難以清晰辨別，較厚紋層被侵蝕破壞嚴(yán)重，難以完整保存（圖12）。造成大—小潮周期不完整的原因可能是潮流速度較弱而不易沉積，也可能是風(fēng)浪或漲潮流速大而遭受侵蝕。因而，本文主要研究年級、十年級以及百年級周期韻律（見圖11）。

圖11 平湖組A井潮汐周期劃分Fig.11 Division of tidal cycles of well A in the Pinghu Formation

圖12 平湖組A井潮汐周期在巖心上的響應(yīng)Fig.12 Response of tidal cycle on core of Well A in Pinghu Formation

4.1 年周期韻律

李從先等[29-31]在長江三角洲潮坪的野外觀測發(fā)現(xiàn)，在平靜天氣的低能環(huán)境下，1個大—小潮周期保存的潮汐紋層數(shù)低于理論應(yīng)形成數(shù)的10%，在潮坪層序中所保存的紋層數(shù)僅為理論上應(yīng)形成數(shù)的0.2%，即潮坪層序平均每3 a 才有2 個紋層組保存下來。因此，沉積過程就像是1個過濾器，把能量低的事件沉積濾掉，只留下能量高的事件沉積。通過測量每個層偶的厚度，計算波谷（波峰）的個數(shù)估計年級潮汐周期，對310～363號層偶的砂泥質(zhì)紋層厚度進(jìn)行兩點移動平均處理（圖13（a）），根據(jù)范代讀等[31]的觀點，在平湖組A 井統(tǒng)計的層偶數(shù)據(jù)中，每相鄰2 個波峰為1 個年級潮汐周期（T=3 a，圖13（a））。

4.2 十年級周期韻律

在傅里葉變換得出的功率譜圖中，根據(jù)識別的18.52 個和9.62 個這2 個具有反映紋層組周期類型的層偶旋回數(shù)，結(jié)合年級潮汐周期的保存特征，進(jìn)行潮汐周期換算。通過測量每個層偶的厚度，計算波谷（波峰）的個數(shù)以估計十年級潮汐周期，對10～167 號層偶的砂泥質(zhì)紋層厚度進(jìn)行兩點移動平均處理（圖13（b））。以層偶旋回數(shù)18.52 個為依據(jù)，結(jié)合波峰變化趨勢，按約20個紋層組（波峰）計算潮汐周期，形成20個紋層組（波峰）需要30 a；以層偶旋回數(shù)9.62個為依據(jù)，約按10個紋層組（波峰）計算潮汐周期，形成10 個紋層組（波峰）需要15 a。因此，在對平湖組潮汐周期的統(tǒng)計中，共得出15 a潮汐周期和30 a 潮汐周期2 種類型（圖13（b）），結(jié)合潮汐周期的級次劃分，均表現(xiàn)為十年級潮汐周期（T=15 a，T=30 a）。

圖13 平湖組A井潮汐周期層偶隨厚度變化特征Fig.13 Variation characteristics of tidal couplet thicknesses of Well A in the Pinghu Formation

4.3 百年級周期韻律

根據(jù)十年級潮汐周期特征，形成20 個紋層組需要30 a，共識別4 個波峰，推算沉積時間為120 a；形成10 個紋層組需要15 a，共識別8 個波峰，推算沉積時間為120 a，即平湖組A 井沉積時間為120 a（圖11）。在長江三角洲南翼鉆孔和探槽所揭露的潮坪層序中，通過海岸線變化或210Pb 測年估算，形成1個潮坪層序約需100 a[29]。A井是一個潮坪層序，因而平湖組A 井沉積周期為百年級潮汐周期（T=120 a）。

5 結(jié)論

1）平湖組A 井巖心中共發(fā)育砂泥復(fù)合層理、雙黏土層以及砂泥對偶層等3種沉積構(gòu)造類型；沉積環(huán)境主要表現(xiàn)為半封閉的潮坪沉積，沉積相帶包括潮間帶的泥坪、混合坪、砂坪以及潮下帶的潮汐水道。

2）平湖組A井巖心中共包括2組潮汐沉積韻律的周期信號。平湖組A井2組潮汐韻律中，最強譜峰信號對應(yīng)的紋層組周期數(shù)為18.52個，中頻波段對應(yīng)的紋層組周期數(shù)為9.62個。

3）平湖組A 井巖心中存在年級、十年級以及百年級3類潮汐周期韻律。各級次周期韻律對應(yīng)的紋層組數(shù)表現(xiàn)為相鄰2 個紋層組（波峰）代表1個年級潮汐周期（3 a）；18.52 個和9.62 個層偶旋回均代表十年級潮汐周期（30 a 和15 a）；平湖組A 井整段代表百年級潮汐周期（120 a）。