軌道周期約束下海-陸過渡相頁巖層系高精度層序界面識別及其地質意義
——以鄂爾多斯盆地東緣二疊系山西組23亞段為例

梁岳立，趙曉明，2，張 喜，2，李樹新，葛家旺，2，聶志宏，張廷山，2，祝海華，2

（1. 西南石油大學 地球科學與技術學院，四川 成都 610500；2. 天然氣地質四川省重點實驗室，四川 成都 610500；3. 中國石油 煤層氣有限責任公司，北京 100028）

中國海-陸過渡相頁巖資源量豐富，是未來重要的增儲領域［1-3］。但海-陸過渡相頁巖具有產層多、單層厚度薄且巖相變化快等特點［4］，地層劃分難，嚴重制約了該類氣藏的高效開發。近年來米級旋回尺度下的高精度地層劃分方法主要針對碳酸鹽巖［5］、碎屑巖［6］及海相頁巖［7］，尚未涉及海-陸過渡相頁巖。雖然針對中國古生代海相頁巖層系已形成成熟的地層劃分方法，如利用自然伽馬（GR）測井與生物帶的耦合關系［8-9］、地球化學元素及礦物組分測井技術開展高精度地層劃分［10-11］，但針對海-陸過渡相頁巖層系，生物延限不明確；GR、元素及礦物測井波動受區域沉積環境影響，平面非均質性強，已成功應用于海相頁巖層系的較為成熟的地層劃分方案并不適用海-陸過渡相頁巖層系，因此亟需尋找一種新的方法來構建海-陸過渡相高精度層序地層格架。

近年來旋回地層學的發展為高分辨率層序地層劃分提供了新的技術方法，即對地層中的天文軌道周期參數信息進行識別［12-14］，利用高精度的軌道周期信息建立較為精準的年代地層格架［15］并實現地層萬年尺度旋回的劃分與對比［7，16-18］。結合高分辨率層序地層學理論與旋回地層學理論，對鄂爾多斯盆地東緣主要含氣層系二疊系山西組2段3亞段（山23亞段）進行高精度層序界面識別；同時利用古氣候替代指標提取地層記錄中的軌道參數信息，構建高精度年代地層標尺，二者結合建立海-陸過渡相高精度層序地層格架，為海-陸過渡相頁巖氣規模化、效益化開發提供技術支撐。

1 地質概況

鄂爾多斯盆地位于華北克拉通西部，根據構造及演化歷史可分為伊陜斜坡、晉西撓褶帶、天環坳陷、西緣逆沖帶、伊盟隆起和渭北隆起等6 個一級構造單元［19］（圖1a）。研究區大寧—吉縣地區位于晉西撓褶帶東南部，區域內構造總體呈現“一隆一凹兩斜坡”構造格局（圖1b），地層總體為南北走向［20］。

大寧—吉縣地區山西組為典型的海-陸過渡相地層，以三角洲相和濱岸相為主［2］，縱向上頁巖較為發育且累積厚度大（圖1c）。山西組自上而下分為山1 段和山2 段，其中山2 段頁巖層厚度較大，單層頁巖厚度甚至可達50 m。山2 段又可分為山21、山22及山23亞段等。目的層位山23亞段頂界為5#煤層，底界與下伏太原組東大窯石灰巖接觸（圖1d）。山23亞段為無障壁型濱岸-淺海及障壁沉積體系［21］，其下部為淺海陸棚相，上部逐漸過渡為障壁島-潟湖相及濱岸沼澤相等。主要發育灰黑色炭質頁巖、灰黑色頁巖、黑色粉砂質頁巖及煤層等巖性，頁巖厚度分布最為穩定，在20～40 m，總有機碳含量（TOC）在0.19 %～11.68 %，資源潛力巨大。

2 樣品測試與數據處理方法

A1 井位于鄂爾多斯盆地大寧—吉縣地區，樣品主要采集于A1井山23亞段（井深2 261.03 ～ 2 301.04 m），以10～15 cm 的間距進行巖心樣品采樣，共采集樣品200 個。對以上樣品進行TOC和礦物組分測試，其中TOC采用LECO CS744-MHPC 碳硫分析儀進行測試，測試精度為±0.5 %；礦物組分采用X 射線衍射儀進行樣品測試。用于旋回地層學分析的山西組GR 值、Th/U元素含量比值數據序列來源于A1井測井數據。

基于Acycle 2.1［22］軟件進行時間序列分析，主要方法與步驟如下：①對GR 值、Th/U 元素含量比值等數據序列去趨勢化處理；②利用多窗口頻譜分析方法（MTM）［23］對去趨勢化數據序列進行頻譜分析，波峰代表不同的天文軌道周期，主要選擇95 %置信度的峰值頻率進行分析，對處于90 % ～ 95 %置信度的數據結果選擇性使用；③采用COCO（相關系數）分析及eCOCO（演化相關系數）分析方法進行零假設檢驗［24］，追蹤沉積速率變化，判斷天文周期信號識別的準確性；④通過高斯帶通濾波處理，利用濾波獲取的405 kyr長偏心率周期來調諧短偏心率周期和斜率周期［25］，并以405 kyr長偏心率周期建立山23亞段“浮動天文年代標尺”。

3 高精度層序地層特征

3.1 高分辨率層序地層特征

高分辨率層序地層學理論主要以界面的成因特征及其差異性為依據識別不同級次旋回，劃分不同級次層序界面。其中四級以上層序主要表現為不同尺度變化下的海（湖）進-海（湖）退沉積序列［26］。本文結合測井曲線特征、巖性變化及地球化學元素識別不同級次層序界面。

四級層序為一套水體深度變化幅度不大、彼此成因聯系密切的地層疊加而成，層序界面為巖性、巖相突變面，反映為相鄰相序中進積-退積組合的測井相轉換面，持續時間為0.2 ～ 1.0 Myr［26］。在測井曲線方面，依據GR 曲線反映泥質含量的變化，識別四級層序的疊加樣式及海（湖）泛面（圖2）。在初始海（湖）泛面之前，GR值逐漸降低至最小值，巖性表現為煤層、砂巖及粉砂質頁巖（圖3a，c，f）；在最大海（湖）泛面處，GR值逐漸增大到最大值，巖性主要表現為泥頁巖及炭質頁巖（圖3d，e）。在地球化學方面，選取較為典型的無機與有機地球化學指標：與水深呈反比的Th/U 元素含量比值［27］及與相對海（湖）平面呈正比的TOC等［28］。在初始海（湖）泛面之前，Th/U 比值逐漸增大到最大值，TOC逐漸降低至最小值；在最大海（湖）泛面處，Th/U比值逐漸降低至最小值，TOC逐漸增大到最大值。PSQ1階段GR 值、Th/U 比值及TOC的變化整體為海（湖）泛面先上升后下降的過程，表現為一個退積-進積組合。A1 井山23亞段存在4 個退積-進積組合的測井相轉換面，因此自下而上分為PSQ1，PSQ2，PDQ3及PSQ4。

圖2 鄂爾多斯盆地東緣A1井山西組山23亞段地層特征Fig. 2 The stratigraphic characteristics of the Shan 23 submember in well A1 at the eastern margin of Ordos Basin

圖3 鄂爾多斯盆地東緣A1井山23亞段層序界面特征巖心照片Fig. 3 Sequence boundary characteristics of the Shan 23 sub-member in well A1 at the eastern margin of Ordos Basin

五級層序是一套水體深度變化幅度低、彼此成因極為密切的地層疊加而成，層序界面為相似巖性和巖相組合的分界面，持續時間為0.04 ～ 0.16 Myr［26］。在測井曲線方面，通過四級層序的約束，以GR 曲線的突變點為邊界識別五級層序及海（湖）泛面［29］。在地球化學方面，同樣依據TOC的突變點識別五級層序界面［28］。以PSQ1 為例，GR 曲線自下而上存在2 個突變點（即海（湖）泛面），自下而上對應向上不變、向上增大及向上減小3個階段，TOC表現出同樣的特征，巖性自下而上表現為由粉砂質頁巖—泥頁巖—粉砂質頁巖轉換。因此PSQ1 可以識別出3 個五級層序，對應FSQ1—FSQ3。據此，A1井山23亞段可分為12個五級層序。

3.2 天文周期旋回地層特征

天文周期是指與地球軌道周期相關的偏心率周期和斜率周期等。在深度域上對A1井山西組GR值、Th/U比值及TOC等數據序列進行MTM頻譜分析。通過頻譜分析，識別了地層中記錄的天文軌道參數信息，包括405 kyr 長偏心率周期、98 ～ 127 kyr 短偏心率周期及43 ～ 44 kyr 斜率周期（圖4）。通過GR 值、Th/U 比值及TOC數據的旋回厚度及所對應的天文周期，估算山西組的沉積速率為2.40 ～ 3.20 cm/kyr。此外，COCO 及eCOCO 分析表明，2.94 cm/kyr 沉積速率是最為可靠的（圖5），而且與MTM頻譜分析得到的沉積速率相近。根據前人精確定年時間，山西組頂、底界年齡在295.65 ～290.00 Ma［30-31］，厘定山西組沉積持續時間約為5.65 Myr。A1 井山西組厚約156.82 m，估算其沉積速率約為2.80 cm/kyr，與COCO 及eCOCO 分析結果相吻合，說明識別的天文周期信號是可靠的。

圖4 鄂爾多斯盆地東緣A1井山西組MTM頻譜分析Fig. 4 MTM spectrum analysis of the Shanxi Formation in well A1 at the eastern margin of Ordos Basin

圖5 鄂爾多斯盆地東緣A1井山西組GR值數據序列COCO及eCOCO分析Fig. 5 Analysis of the GR sequences COCO and eCOCO of the Shanxi Formation in well A1 at the eastern margin of Ordos Basin

基于GR 值、Th/U 比值及TOC數據的頻譜分析，識別了長偏心率周期、短偏心率周期、斜率周期及其旋回厚度，進行零假設檢驗及濾波處理，并以405 kyr 長偏心率周期調諧短偏心率周期及斜率周期。山23亞段GR 值、Th/U 比值及TOC數據序列通過濾波處理，輸出了4 個405 kyr 長偏心率周期（圖6b—d），11 ～ 13 個100 kyr 左右的短偏心率周期。通過旋回地層學分析，山西組GR 數據序列濾波輸出了14 個405 kyr 長偏心率周期（圖6a），山西組沉積持續時間約5.67 Myr，與前人研究結果（約5.65 Myr）對比發現，兩者結果較為吻合，進一步證實旋回地層學分析的準確性。

圖6 鄂爾多斯盆地東緣A1井山西組及山23亞段時間域旋回地層Fig.6 Time-domain cyclostratigraphy of the Shanxi Formation and Shan 23 sub-member in well A1 at the eastern margin of Ordos Basin

3.3 天文軌道周期與高分辨率層序地層耦合關系

山23亞段長偏心率周期與四級層序耦合關系良好（圖7），表明四級層序的巖性組合響應了長偏心率周期調制的海（湖）平面變化。A1井山23亞段GR值、Th/U比值和TOC數據序列分別濾波輸出了4 個405 kyr 長偏心率周期，每一個長偏心率周期正好對應一個四級層序（圖7），長偏心率周期調制的氣候變化通過控制海（湖）平面的波動，來約束山23亞段四級層序下海-陸過渡相相序組合。此外，在研究區A2，A3及A4井中也開展了山西組旋回地層學分析，識別出了穩定的405 kyr長偏心率周期、100 kyr短偏心率周期及40 kyr斜率周期（圖8；表1），表明研究區山西組記錄了穩定的長偏心率周期，進一步驗證了據此來劃分四級層序是可靠的。近年來不少學者對海相地層中四級層序與天文軌道周期的耦合關系展開了大量的研究，并認為四級層序主要受控于405 kyr長偏心率周期［32-35］。此次研究表明，長偏心率周期對四級層序的控制作用不僅存在于海相沉積序列，在海-陸過渡相沉積序列中也廣泛存在。

表1 鄂爾多斯盆地東緣A井區山西組山23亞段天文旋回信息識別Table 1 Identification of astronomical cycles of the Shan 23 sub-member in well block A at the eastern margin of Ordos Basin

圖7 鄂爾多斯盆地東緣A1井山西組山23亞段四級及五級層序與天文軌道周期對應關系Fig. 7 Correspondence between the fourth- and fifth-order sequences and astronomical orbital cycles of Shan 23 sub-member in well A1 at the eastern margin of Ordos Basin

圖8 鄂爾多斯盆地東緣A2，A3及A4井山西組旋回地層學分析Fig.8 Cyclostratigraphy analysis of the Shanxi Formation in wells A2， A3 and A4 at the eastern margin of Ordos Basin

四級層序及以上的高頻層序主要受控于天文周期所引起的氣候變化及冰川型海平面變化［36-38］。前人研究認為五級層序沉積時間約為0.1 Myr［26］，與100 kyr短偏心率周期緊密相關［5-6］，并在海相及陸相地層中廣泛存在［16-18，39-40］。據此A1 井山23亞段識別的12 個111 kyr短偏心率周期代表12個五級層序。TOC及Th/U 比值數據在2 ～3 m 尺度的波動與五級層序吻合，進一步佐證了五級層序劃分的可靠性（圖7）。此外，在研究區A2，A3 及A4 井中也識別了12 ～ 14 個短偏心率周期，與A1 井幾乎一致（圖9），表明穩定的短偏心率周期在海-陸過渡相地層中同樣廣泛存在，據此來劃分五級層序是可靠的。

圖9 鄂爾多斯盆地東緣山西組山23亞段A1—A4井高分辨率層序連井對比剖面Fig.9 Well-tie correlation of the high-resolution sequences of the Shan 23 sub-member in wells A1-A4 at the eastern margin of Ordos Basin

4 高精度層序界面識別的地質意義

4.1 軌道周期調制沉積物分配

不同級次軌道周期通過對不同時間尺度海平面變化的約束，來調節沉積物的分配，主要表現為巖相組合及礦物組分的差異組合。

405 kyr 長偏心率周期通過控制相尺度的沉積環境的變化來調控不同的礦物組合。山23亞段頁巖層段發育硅質頁巖相、硅質黏土質頁巖相、鈣質硅質（或硅質鈣質）頁巖相、黏土質頁巖相等4 種巖相類型［21］。PSQ1為無障壁型淺海陸棚相，發育硅質黏土質頁巖和鈣質硅質頁巖等，礦物成分以黏土礦物（約47 %）和石英（約46 %）為主。PSQ2 為淺海陸棚-潟湖-障壁島海-陸過渡相，發育黏土質頁巖。PSQ3及PSQ4為障壁島-潟湖-濱岸沼澤相，發育硅質黏土質頁巖和黏土質頁巖等，黏土礦物含量較高（約61 %～63 %）（圖10a）。111 kyr 短偏心率周期通過控制亞相尺度的沉積環境的變化來分配優勢礦物類型。FSQ1及FSQ3分別為粉砂質陸棚亞相及泥質陸棚亞相，發育硅質黏土質頁巖。FSQ2 為鈣質硅質陸棚亞相，發育鈣質硅質頁巖，碳酸鹽含量（約14 %）及黃鐵礦含量（約3 %）較高（圖10b）。

圖10 鄂爾多斯盆地東緣A1井山23亞段偏心率周期驅動下的礦物組合規律、儲層特征及海平面變化Fig.10 Mineral assemblages， reservoir characteristics and sea level changes driven by eccentricity cycle in the Shan 23 sub-member in well A1 at the eastern margin of Ordos Basin

偏心率周期通過控制地球繞太陽旋轉的軌道來調制地球氣候變化，從而引起海平面的波動，影響頁巖的礦物成分和有機質含量等。化學蝕變指數（CIA）作為氣候替代指標被廣泛用于古氣候重建［41-42］。炎熱潮濕氣候沉積物的CIA一般在80～100，溫暖潮濕氣候沉積物的CIA一般在70～80，寒冷干旱氣候沉積物的CIA一般在50～70。FSQ1 及FSQ2 階段所記錄的CIA在78 ～84（圖10b），整體指示溫暖潮濕-炎熱潮濕氣候。沉積噪音模型（DYNOT）目前已被廣泛用于重建海（湖）平面變化［43］，其值越小表明沉積噪音越低，海平面越高。基于405 kyr調諧的GR 值時間序列恢復了山23亞段海平面變化，自下而上呈先上升后下降趨勢（圖10a）。FSQ1階段CIA負偏移，氣候逐漸轉冷，且此時為太原晚期—山西早期海水逐漸減退過程，DYNOT 值增大，海平面呈下降趨勢，陸源沉積物供給量開始減弱，使該階段沉積了一套硅質黏土質頁巖；受氣候變化與海平面影響，該時期有機質保存條件較差。FSQ2 階段CIA正偏移，氣候偏暖，海平面持續上升并達到高值，陸源輸入大量減少，并出現大量浮游生物；氣候變暖及海平面的持續上升為有機質保存提供了有利的條件，使得該時期發育了一套高TOC的鈣質硅質頁巖。

4.2 軌道周期精準標定優質頁巖層段分布

軌道周期約束下的高精度層序界面構建對識別優勢頁巖儲層段及甜點層有重要指導意義。軌道周期通過調制氣候變化控制海平面升降，進而對頁巖儲層的發育產生重要影響。長偏心率周期通過調節0.4 Myr尺度海平面變化控制沉積環境（相）演化，影響優勢頁巖儲層段的發育；短偏心率周期通過調節0.1 Myr 尺度海平面變化控制沉積環境（亞相）演化，影響頁巖甜點層的發育。其中，長偏心率約束下的PSQ1 及PSQ3兩個四級層序為優質頁巖段，TOC相對較高，分別為3.5 %及2.6 %；在四級層序PSQ1 中，短偏心率約束下的五級層序FSQ2 為頁巖甜點層，TOC較為豐富，為6.7 %。長偏心率約束下的四級層序對優勢頁巖儲層段的識別有重要意義。PSQ1及PSQ3為優勢頁巖儲層段，相對海平面較高且最大海泛面處TOC富集。PSQ1階段隨著海水持續侵入，海平面相對較高（圖10a），沉積環境由氧化轉為還原且利于有機質保存［19］，具有相對高TOC（3.50 %）、含氣性（1.60 m3/t）及孔隙度（4.73 %）等特征。PSQ3 階段雖然因仍受海水影響而海平面較高，但其水體鹽度降低表明，海水影響愈來愈弱，沉積環境趨于氧化，不利于有機質保存［19］。具有中TOC（2.62 %）、高含氣性（1.97 m3/t）及低孔隙度（3.01 %）等特征（圖10a）。短偏心率約束下的五級層序對優勢頁巖儲層段的甜點層識別有重要意義。FSQ2為PSQ1優勢頁巖儲層段中的甜點層。在四級層序約束下，五級層序FSQ2 海平面相對較高，最大海泛面與四級層序PSQ1 一致，氣候偏暖，具有高TOC（6.70 %）、含氣性（2.46 %）及孔隙度（5.30 %）等特征（圖10b）；FSQ1 及FSQ3 海平面相對較低，儲層品質明顯較差。

基于四級及五級層序的精細刻畫，認為FSQ2層位開發潛力巨大，且甜點層的精準識別有利于水平井靶區導向。結合TOC、含氣性、孔隙度及優勢沉積亞相分析，在靜態地質層面上，對于同一平臺上相同方向的水平井而言，位于PSQ1中FSQ2小層內的水平井段，其壓裂獲氣效果好于山23亞段中上部PSQ2，PSQ3 及PSQ4小層內的。通過地質特征的有效預測，能為海-陸過渡相頁巖的高效開發提供理論借鑒和技術支撐。

5 結論

1） 大寧—吉縣地區山23亞段良好地記錄了天文周期信號，其最佳平均沉積速率為2.94 cm/kyr，并在其約束下識別出了405 kyr長偏心率周期、111 kyr短偏心率周期及44 kyr斜率周期，且長偏心率周期、短偏心率周期分別對應四級、五級高頻層序。

2） 不同級次軌道周期通過對不同時間尺度沉積環境的約束，來調節沉積物的分配，主要表現為礦物組分的差異組合。長偏心率周期通過控制相尺度的沉積環境的變化來調控不同的礦物組合，短偏心率周期通過控制亞相尺度的沉積環境的變化來分配優勢礦物類型。

3） 軌道周期約束下高精度層序界面構建為優勢頁巖儲層段及甜點層識別提供了技術支撐。軌道周期通過調制氣候變化控制海平面升降，進而對頁巖儲層的發育產生重要影響。長偏心率周期通過調節0.4 Myr尺度海平面變化控制沉積環境（相）演化，影響優勢頁巖儲層段的發育；短偏心率周期通過調節0.1 Myr 尺度海平面變化控制沉積環境（亞相）演化，影響頁巖甜點層的發育。