基于測井頻譜分析的松科二井登婁庫組地層沉積速率研究

張浩東 , 鄒長春 *, 彭 誠 , 楊玉卿

1)中國地質大學(北京)地下信息探測技術與儀器教育部重點實驗室, 北京 100083;2)中國地質大學(北京)地球物理與信息技術學院, 北京 100083;3)中海油田服務股份有限公司油田技術事業部, 河北廊坊 065201

沉積記錄是揭示白堊紀地層結構與氣候變化的基礎, 目前利用海相沉積記錄開展研究的成果豐富, 例如碳與氧同位素作為古氣候替代指標揭示中新世氣候規律(Holbourn et al., 2005), 但陸相沉積記錄較少。而松遼盆地科學鉆探工程松科二井鉆孔鉆穿了整個白堊紀地層, 獲取了連續、完整的白堊紀陸相沉積記錄, 為本次研究提供了豐富的數據。

沉積速率的變化可作為地質活動的間接證據,是研究沉積環境演化的重要參數(鄭綿平等, 2013;丁瑩瑩等, 2018)。沉積速率的計算普遍采用古生物、古地磁和同位素測年資料(劉廣山等, 2008; 王華等,2008; 張會領和蒲曉強, 2011), 但這些資料都存在成本高、鑒定周期長、縱向不連續等缺點(張占松等,1999)。近些年旋回地層學研究的不斷發展, 認識到沉積地層中普遍記錄著具有天文周期信號的地層旋回, 這為我們提供一種新的思路來計算沉積速率(吳懷春等, 2011; 鄧勝徽等, 2015)。測井曲線能完整地記錄地層中巖性、地球物理、地球化學等參數的旋回性信號, 具有連續、縱向分辨率高、成本低的特點, 為基于天文旋回方法進行沉積速率的研究提供了重要數據(Peng et al., 2020)。前人研究表明湖泊、海洋和河流相環境中的地層可能記錄了米蘭科維奇旋回信息(Zhang et al., 2019)。松遼盆地登婁庫組主要發育河流、湖泊與三角洲相(Li et al., 2015),登婁庫組四段孢粉化石與氧同位素證據指示該時期發生了降溫事件(黃清華等, 1999; Wang et al.,2013)。但是目前登婁庫組地層沉積速率的研究較少。針對早白堊世登婁庫組地層, 松科二井采集了豐富的測井資料, 但僅獲得了少量巖心。因此, 對測井資料的分析尤為重要。

本文采用松科二井自然伽馬能譜測井數據進行頻譜分析, 識別地層存在的米蘭科維奇旋回信號,優選對天文旋回較為敏感的測井曲線并計算出地層沉積速率。希望從沉積速率的角度尋找松遼盆地白堊紀時期發生地質活動事件的證據。

1 地質背景

松遼盆地位于中國東北遼寧、吉林與黑龍江境內(圖 1), 處于蒙古—華北板塊東北部邊緣帶上(王璞珺等, 2015)。登婁庫時期由于深部斷陷活動逐漸減弱以及上地幔熱流衰減, 盆地處于斷坳轉化的構造格局(劉招君等, 1992)。松遼盆地東南隆起區登婁庫組的物源由四周向中心匯聚, 從盆地邊緣到中心依次發育沖積體系、三角洲體系、濱淺湖體系、深湖體系(李占東等, 2014)。

圖1 井位分布及松遼盆地一級構造單元圖(改自張淑霞等, 2018)Fig.1 Distribution of well location and first-order tectonic units in the Songliao Basin(modified from ZHANG et al., 2018)

松科二井位于松遼盆地徐家圍子斷陷帶(鄒長春等, 2016), 該井鉆穿整個白堊紀地層, 深度達到7018 m。同時松遼盆地科學鉆探工程使用先進的測井設備獲取了豐富的地球物理參數(鄒長春等,2018), 其中登婁庫組地層的深度段為 2533—2966 m, 地層缺失登一段, 從下往上分為登二段至登四段, 登婁庫組地層與營城組地層呈不整合接觸,巖性主要為細砂巖、粉砂巖、泥巖(王璞珺等, 2017)。松科二井登婁庫組發育辮狀河相、河流相、三角洲相與湖泊相共四種沉積相, 并發育水平、槽狀交錯、板狀交錯層理, 在登婁庫組二段通過同位素測年法確定巖石年齡為(102±4) Ma(劉碩等, 2019)。

2 數據與方法

2.1 測井數據

自然伽馬能譜測井記錄了放射性元素U、Th、K衰變的強度, 放射性元素一般容易被黏土礦物吸附。在沉積巖中一般富集U、Th、K。Th常見于含黏土、長石、云母的沉積物中, Th的化學性質穩定,Th/K通常是作為反映古氣候變化的替代指標(Schnyder et al., 2006)。而U受次生還原作用與氧化還原條件的影響, 不適合用來識別天文旋回信號。故本文選取松科二井登婁庫組對天文旋回較為敏感的GR、Th、K、Th/K測井數據開展沉積速率研究。

2.2 沉積速率重建方法

本文利用松科二井連續、多參數的自然伽馬能譜測井數據, 針對登婁庫組地層進行頻譜分析, 建立地層沉積速率剖面。步驟與方法在Acycle v2.2軟件上實現(Li et al., 2019)。具體流程如下:

(1)數據預處理。測井曲線受地層壓力的影響,隨深度增加曲線整體呈現增加或降低的趨勢。去趨勢化處理是頻譜分析前的關鍵步驟, 可通過LOWESS濾波器實現, 設置窗長參數為35%總數據長度。

(2)頻譜分析。若頻譜圖中識別的譜峰周期比與地球軌道參數的長、短偏心率、斜率和歲差之比(約20:5:2:1)近似, 則認為地層中存在米蘭科維奇旋回信息。本文采用 Multitaper Method of Spectral Analysis(MTM)與Evolutive Harmonic Analysis(EHA)這兩種頻譜分析方法來識別天文旋回信息。MTM方法使用多個正交錐形窗的方式, 獲得整個地層深度內的平均譜結構, 具有估計方差較低的特點(Thomson, 1982); EHA方法則是采取滑動窗口的方式進行傅里葉分析, 最終形成二維頻率譜。該方法常用來識別旋回地層中主頻率隨深度的變化信息,有利于識別可能存在的沉積間斷事件(Molinie and Ogg, 1990; Meyers et al., 2001)。

(3)計算沉積速率。核心思路是通過頻譜分析識別出米蘭科維奇旋回厚度信息, 再結合理論天文周期中的時間信息, 獲取地層沉積速率。本文選用了相關系數法(COCO)與進化相關系數法(eCOCO)來計算登婁庫組地層沉積速率。COCO方法可以評估整個地層的沉積速率; eCOCO方法則是以滑動窗口的方式來計算不同深度下沉積速率(Li et al., 2018)。這些方法通過使用 Pearson乘積矩相關系數來反映實際數據記錄下的功率譜與給定沉積速率下的理論天文周期功率譜之間的相關性, 同時用蒙特卡羅方法來檢驗沒有天文頻率信號的零假設, 使用102 Ma下的Laskar04年目標天文參數(Laskar et al., 2004),來測試登婁庫組地層的沉積速率。相關系數越高、零假設檢驗顯著性水平越小、且使用天文周期參數數量多的位置代表最優地層沉積速率。Pearson乘積矩相關系數的公式如下:

X為實際數據的功率譜;與sX分別為實際數據的均值與標準差;Y為給定沉積速率下理論天文周期的功率譜;與sY分別為理論天文周期序列的均值與標準差;

(4)濾波。采取高斯帶通濾波器提取出 405 ka長偏心率周期信號(Hinnov and Hilgen, 2012), 來顯示信號在深度域的變化情況。

3 結果

3.1 測井響應與頻譜特征

由于測井曲線的分辨率較高, 能夠識別出分米級尺度的巖性。因此, 測井資料可為識別地層旋回性提供數據基礎。松科二井登婁庫組地層巖性以砂泥巖為主, 結合錄井資料, 同時依據不同巖性在測井曲線上有不同的響應值, 可細分為泥巖、粉砂質泥巖、泥質粉砂巖、粉砂巖、泥質細砂巖、細砂巖、泥質粗砂巖與粗砂巖(表1)。不同巖性GR、Th、K測井曲線響應差異性明顯, 同一種巖性整體上具有一致性(圖2)。GR、Th、K測井響應值隨著黏土礦物含量的增加而增加, 泥巖的GR、Th、K測井數據響應高值, 砂巖的GR、Th、K測井數據響應低值。這些測井曲線能較好地反映巖性變化, 可用來識別地層的沉積旋回。

圖2 松科二井登婁庫組自然伽馬能譜測井曲線圖Fig.2 Natural gamma-ray spectral logs of Denglouku Formation from CCSD SK-2

表1 登婁庫組地層不同巖性的測井響應值Table 1 Log response values of different lithologies in the Denglouku Formation

對 GR、Th、K、Th/K測井數據采用 MTM與EHA方法進行頻譜分析。圖中頻率的倒數表示為地層識別的旋回厚度, 根據天文循環比率法, 識別的旋回厚度比滿足約 20:5:2:1, 與登婁庫時期的主要的長偏心率周期(405 ka)、短偏心率周期(95 ka)、斜率周期(37.6 ka)、歲差周期(22.5 ka)(Laskar et al.,2004)之比相似, 表明登婁庫組地層記錄著米蘭科維奇旋回信號(圖3)。其中EHA分析結果顯示上部譜峰發生明顯右移, 表明地層沉積速率發生變化。在登婁庫組上下層段沉積速率變化大的情況下, 可采用MTM方法在2643 m處分上下段進行頻譜分析。

對原始Th數據進行去長趨勢化處理后(去長趨勢化Th數據)的EHA頻譜圖顯示在約2643 m深度以上長偏心率譜峰發生明顯右移。上部地層 MTM頻譜圖上識別出23.9 m與7.1 m的旋回厚度分別對應長偏心率(405 ka), 短偏心率(125 ka), 并且置信水平在 99%以上, 而斜率、歲差信號較弱未能明顯識別; 下部地層 MTM 功率譜識別出 57.7 m、15.8 m、5.3 m、3.4 m旋回厚度, 分別對應長偏心率(405 ka)、短偏心率(95 ka)、斜率(37.6 ka)、歲差(22.5 ka) (圖 3a)。

去長趨勢化GR數據的EHA頻譜圖顯示上部地層長偏心率譜峰發生明顯右移。上部MTM頻譜圖上識別19.2 m、8.1 m的旋回厚度被解釋為長偏心率(405 ka)、短偏心率周期(125 ka); 下部MTM頻譜圖上識別57.8 m、21.5 m、13.9 m、5.0 m、3.7 m旋回厚度被解釋為長偏心率(405 ka)、短偏心率(125 ka)、短偏心率(95 ka)、斜率(37.6 ka)、歲差(22.5 ka)(圖 3b)。

去長趨勢化K數據的EHA頻譜圖表明偏心率信號能量發生變化, 在2850 m以下, 長偏心率信號能量變弱。上部 MTM 功率譜圖識別出 19.1 m、7.5 m旋回厚度分別對應長偏心率(405 ka)、短偏心率(125 ka); 下部 MTM 頻譜圖識別出 55.7 m、22.1 m、14.0 m、5.0 m、3.7 m旋回厚度分別對應長偏心率(405 ka)、短偏心率(125 ka)、短偏心率(95 ka)、斜率(37.6 ka)、歲差(22.5 ka)(圖 3c)。

去長趨勢化Th/K數據的EHA頻譜圖顯示頻譜形態發生偏移, 在2850 m以下, 斜率、歲差信號能量較弱。上部MTM功率譜圖識別出23.0 m、8.7 m旋回厚度被解釋為長偏心率(405 ka)、短偏心率周期(125 ka); 下部MTM頻譜圖識別出57.7 m、15.8 m、8.3 m、5.7 m、3.4 m旋回厚度被解釋為長偏心率(405 ka)、短偏心率(125 ka)、短偏心率(95 ka)、斜率(37.6 ka)、歲差(22.5 ka)(圖 3d)。

圖3 登婁庫組地層測井數據的頻譜分析結果Fig.3 Spectrum analysis results of logging data in Denglouku Formation

3.2 沉積速率特征

Th數據的COCO測試結果顯示在3.8 cm/ka、5.9 cm/ka、14.5 cm/ka、15.6 cm/ka處存在多個高相關系數的峰, 同時這些譜峰位置的零假設檢驗顯著性水平都小于 0.1%(天文信號存在的概率大于99.9%), 受7個天文周期參數約束(圖4a); GR數據測試結果顯示在4.0 cm/ka、5.8 cm/ka、14.6 cm/ka、17.0 cm/ka處存在高相關系數的峰, 同時滿足零假設檢驗顯著性水平都小于1%, 受7個天文周期參數約束(圖 4b); K數據測試結果表明在 4.0 cm/ka、5.8 cm/ka、16.9 cm/ka處存在高相關系數的峰, 且滿足零假設檢驗顯著性水平都小于1%, 受7個天文周期參數約束(圖 4c); Th/K數據測試結果顯示在4.0 cm/ka、5.6 cm/ka、16.5 cm/ka處存在高相關系數的峰, 同時滿足零假設檢驗顯著性水平都小于1%, 受7個天文周期參數約束(圖4d)。這些測試結果表明登婁庫組地層沉積速率大致在4～17 cm/ka范圍內變化。

圖4 登婁庫組地層測井數據的COCO分析結果Fig.4 COCO analysis results of logging data of Denglouku Formation

對登婁庫組Th測井數據進行eCOCO分析, 可以反映出地層沉積速率隨深度的變化情況(圖5)。提取圖中滿足高相關系數、零假設檢驗顯著性水平低于1%且使用7個天文周期參數的位置為最優地層沉積速率, 結果表明登婁庫組地層的沉積速率從下往上整體呈現為由高到低的趨勢。該方法的測試結果與COCO分析整個登婁庫組地層內存在5.9 cm/ka、14.5 cm/ka、15.6 cm/ka的沉積速率基本符合。

圖5 登婁庫組去長趨勢化Th數據的eCOCO分析結果Fig.5 eCOCO analysis results of detrended Th data in the Denglouku Formation

在登四段地層, EHA分析結果顯示出長偏心率發生明顯右移, 且 eCOCO分析方法計算出沉積速率為低值, 故分兩段并采用不同的高斯帶通濾波器來提取地層的長偏心率信號。結果顯示登婁庫組共約有 10個長偏心率周期(圖 6), 從而估算登婁庫組沉積持續時間約為 4050 ka, 同時結合登婁庫組地層厚度為 433 m, 可大致計算登婁庫組平均沉積速率約為 10.7 cm/ka。在 2533—2643 m 內識別4.5個長偏心率周期, 大致計算該段地層平均沉積速率為6.0 cm/ka; 在2643—2966 m內識別5.5個長偏心率周期, 大致計算該層段平均沉積速率為14.5 cm/ka。這與 COCO 方法識別地層存在5.9 cm/ka、14.5 cm/ka沉積速率峰的結果一致。

圖6 登婁庫組地層長偏心率信號提取結果Fig.6 Extraction results for the long eccentricity signal in Denglouku Formation

4 討論

4.1 自然伽馬能譜測井資料中的米蘭科維奇周期識別

地球軌道參數周期性變化改變地球表面接受的日照量, 導致氣候的周期性變化, 最終在地層記錄中表現出旋回性。利用自然伽馬能譜測井數據進行頻譜分析能識別出米蘭科維奇周期的信號, 頻譜圖上識別出存在類似米蘭科維奇周期比(約 20:5:2:1)的旋回厚度的信息, 表明登婁庫組地層沉積過程受到天文軌道驅動力的影響, 測井數據記錄著米蘭科維奇周期的信息。GR、Th、K、Th/K數據的MTM頻譜圖上識別的天文旋回厚度信息基本相近, Th數據的 EHA分析結果顯示, 在登婁庫組四段深度約2643 m以上譜峰整體發生右移, 但仍然滿足約20:5:2:1, 代表旋回厚度變小, 反映出沉積速率變小。登婁庫組地層沉積過程受天文軌道驅動力影響, 地層記錄中存在地球軌道參數的信息, 這些具有天文周期的地層旋回, 為計算地層沉積速率提供了機會。

4.2 替代指標選擇對沉積速率重建精度的影響

從米蘭科維奇旋回的角度上, 松科二井登婁庫組地層 GR、Th、K、Th/K測井數據的頻譜分析結果存在異同性(圖3)。相同之處, 多種數據的頻譜結果顯示都存在類似于米蘭科維奇周期比例的沉積旋回厚度信息, 表明登婁庫組地層記錄著米蘭科維奇旋回周期的信號。而不同之處, 第一, 不同測井數據 MTM 分析結果中譜峰形態存在差異, 其中

GR數據測試結果中的譜峰數量最多, 反映出記錄的信息多, 但同時容易導致天文信號受噪音的干擾,而K數據測試結果包含的譜峰數量最少, 反映出記錄的天文旋回信息較少。第二, 在 2850 m以下,K數據測試的長偏心率信號能量較弱, Th/K測試的長偏心率信號能量較強但斜率與歲差信號弱, 表明記錄的天文旋回信號不明顯, 而GR與Th數據在該深度下都能較為完整地識別反映米蘭科維奇旋回周期信息的譜峰。Th數據測試效果能較好的突出記錄長、短偏心率、斜率和歲差的譜峰, 尤其長偏心率信號較為明顯。結合上述分析, 登婁庫組Th數據對天文旋回信息比較敏感。

從礦物元素的角度上, 由于 GR記錄了包含放射性元素U、Th、K衰變的強度, 巖石中的U很容易受到次生還原作用與有機質吸附的影響。K由于成巖作用會導致黏土礦物的轉化, 導致在不同礦物中相差極大。這些因素在頻譜分析中容易產生噪音的干擾。而Th的化學性質穩定, 在風化過程中被認為是不易溶于水并富集在礦物中(Parkinson, 1996)。這可能是登婁庫組 Th相比于其它參數對天文旋回信息更敏感的原因。

綜上所述, Th測井數據對天文旋回信息較為敏感。在整個登婁庫組深度范圍內, Th測井數據與GR、K、Th/K測井數據相比記錄了較為完整的天文旋回信息。若選擇其他參數, 沉積速率的計算結果可能出現較大誤差。

4.3 構造活動對登婁庫組沉積速率的影響

登婁庫組二段至三段地層具有高沉積速率的特征, 最大達到 16.2 cm/ka, 登婁庫組四段整體地層沉積速率約為5.9 cm/ka, 具有低沉積速率的特征(圖7)。前人研究表明, 松遼地區坳陷湖盆的平均沉積速率為5～9.8 cm/ka, 斷陷盆地的平均沉積速率為12～15 cm/ka(陳建文和王德發, 1996)。本文測試沉積速率的結果與其相似, 驗證了沉積速率計算結果的可靠性。

圖7 登婁庫組沉積速率分析結果Fig.7 Sedimentation rate analysis results of Denglouku Formation

構造作用對地層沉積的影響表現為具有時間跨度大的低頻旋回特點, 一般周期在百萬年以上。構造活動控制著沉積體系與展布特征(Yao et al.,2021), 斷層下陷為沉積物的供應創造了空間, 由于坡度高, 為沉積物的侵蝕、運移與沉積提供了便利,并在沉積中心區域聚集多個沉積物供應區域的沉積物(Hawie et al., 2017; Matenco and Haq, 2020)。構造作用可能是影響登婁庫組沉積速率劇烈變化的主控因素。根據松遼盆地區域構造背景, 登婁庫組以下依次為營城組與火石嶺組地層, 火石嶺組發育火山巖相(胡丁玉等, 2019), 且該時期斷裂活動頻繁。隨后由于營城組后期火山運動事件, 徐家圍子地區的地震剖面上顯示出斷層下陷(Feng et al., 2010)。同時松科二井營城組地層內發現U富集現象也被推測是受火山活動與斷層運動影響(張淑霞等, 2018)。登二段至登三段時期地層沉積主要受斷陷活動控制, 在登婁庫組2698 m、2754 m、2850 m與2931 m處識別出沉積速率突然增大, 推測是登婁庫組早期受偶發性斷層下陷事件影響, 沉積可容空間變大, 沉積物運移、沉積到盆地的速率加快, 導致沉積速率的上升。在約 2820 m處沉積速率發生突變推測是受地層抬升影響導致沉積速率下降。隨后到登三段末期, 盆地的斷陷活動開始減弱, 向區域坳陷的構造格局轉化, 導致整體沉積速率變小。

5 結論

利用松科二井登婁庫組GR、Th、K、Th/K測井資料, 采用多種時間序列方法(MTM、EHA、COCO、eCOCO)進行頻譜分析, 優選出對天文旋回敏感性強的測井數據, 最終建立了登婁庫組地層沉積速率剖面, 獲得了以下結論。

(1)登婁庫組自然伽馬能譜測井數據記錄了米蘭科維奇周期信號。多種測井數據頻譜分析結果揭示了地層中記錄的長偏心率、短偏心率、斜率與歲差信號。

(2)Th測井數據對天文旋回信息敏感。與GR、K、Th/K數據頻譜分析結果相比, Th測井數據在整個地層中識別的天文周期較為完整。綜合考慮多種測井數據的測試結果, 建立了登婁庫組地層連續、相對準確的沉積速率剖面。

(3)登二段至登三段地層具有高沉積速率的特征, 登四段地層整體呈現低沉積速率特征。推測構造活動是影響登婁庫組沉積速率劇烈變化的主控因素。依據區域構造背景, 登二段至登三段時期地層沉積主要受盆地斷陷活動控制, 登四段時期盆地的斷陷活動逐漸減弱, 地層沉積速率從下往上呈現出由高到低的趨勢。

致謝: 本文工作得到了松遼盆地資源與環境深部鉆探工程首席科學家王成善院士、總地質師王璞珺教授以及副總指揮冉恒謙教授的大力支持。中國石油集團測井有限公司天津分公司測井隊成員參加了測井數據采集工作, 在此一并表示衷心的感謝。

Acknowledgements:

This study was supported by China Geological Survey (No.1212011301600), National Natural Science Foundation of China (No.41790455-1), and Central Public-interest Scientific Institution Basal Research Fund (No.2652019003).