地塹型盆地陸棚三角洲全息地層學

鄒志友, 羅順社, 張生, 陶中一, 方攀, 丁翠嬌

(1.長江大學地球科學學院, 荊州 430100; 2.桂林理工大學南寧分校, 桂林 541000; 3.長江大學非常規油氣省部共建協同創新中心,荊州 430100; 4.廣西壯族自治區遙感中心, 桂林 541000; 5.中石化經緯有限公司勝利地質錄井公司, 東營 257064; 6.中石化勝利油田分公司物探研究院, 東營 257062)

全息地層學是以全球旋回地層學和層序地層學為主要手段,結合生物地層學、磁性地層學、化學地層學或構造地層學等各個地層學分支學科的綜合研究結果,全方位地開發和提取出沉積記錄中所蘊含的各類地層學信息,以高精度的地質年代劃分和對比地層的綜合性地層學[1]。層序地層學作為區域地層對比的有效理論,被廣泛應用于油氣勘探和開發層系劃分工作中[2-4]。P Vail最早提出了經典層序地層學,認為沉積層序受全球海平面變化控制,層序格架內具有成因聯系的各種沉積相是等時的,將地層不整合面或與有成因聯系的相對整合面作為主要的層序劃分依據。此后,不同的層序地層學派相繼出現,包括以Galloway為代表的成因層序地層學派、以Cross為代表的高分辨率層序地層學派和以Johnson為代表的T-R高頻層序地層學派[3-4]。目前,中國陸相湖盆層序地層學理論已趨于成熟,在鄂爾多斯盆地、渤海灣盆地和四川盆地等含油氣盆地得到廣泛應用[5-7]。近年來,隨著深水油氣成為勘探的主戰場,中國層序地層學理論也由淺水向深水邁進。在國外經典海相碎屑巖層序地層學基礎上,中國學者在南海的大中型被動大陸邊緣盆地中探索并完善了陸架邊緣層序地層學,推動了海相碎屑巖層序地層學逐漸實現標準化和定量化,認為坡折遷移軌跡和可容納空間演化可用于識別不同級別的層序界面,進而劃分不同的地層疊置樣式[8-11]。旋回地層學是一門通過沉積物中的指標信息(巖石磁性、地球化學、生物成分和顏色等)對沉積地層的周期性旋回進行識別、描述、對比和成因解釋的地層學分支學科,對年代標尺的建立、地質年齡的校準、沉積速率的估算、全球等時地層對比和古氣候變化研究均具有重要意義[12-14]。

北海盆地維京地塹蘊含著豐富的油氣資源,中外學者對其構造演化和沉積相分布進行了大量研究。例如,魏小潔[15]、楊傳勝等[16]認為維京地塹是最為典型的陸內裂谷之一,經歷了三次裂谷階段和兩次熱坳陷階段,劃分出5個構造層序。羅鈴鈔等[17-18]認為維京地塹主要發育一套陸棚-半深海沉積層序,并且明確了低位域河流下切谷的分布特征,初步厘定了三級層序界面的識別標志。然而,維京地塹陸棚三角洲地層學研究仍處于起步階段,未受到中外學者的普遍重視[19]。目前所報道的維京地塹層序地層劃分精度僅局限在二級層序,三級層序界面的精度仍需進一步提升,層序地層劃分方案有待建立[15,17]。再者,三級層序界面未曾被賦予地質年代意義,需要在層序地層基礎上建立年代地層格架。另外,一部分學者認為上新統頂界面是角度不整合面;另一部分學者認為上新統被剝蝕,目前可見的角度不整合面是中新統的頂界面,即新近系的頂界面的厘定存在爭議[16,18]。

現以北海盆地維京地塹中-上新世陸棚三角洲沉積體系為例,基于適用于陸架邊緣沉積層序的Vail層序地層學理論,結合地震反射終止關系在二維地震剖面上識別三級層序和體系域的地震反射界面,建立層序地層格架。基于旋回地層學理論,利用小波變換、頻譜分析和反傅里葉變換濾波等方法識別鉆井自然伽馬曲線蘊含的米蘭科維奇旋回,結合地質年代基準點,建立絕對天文年代標尺。綜合年代地層、巖石地層、磁性地層、層序地層、旋回地層和地震地層共同建立全息地層格架,討論地塹型盆地陸棚三角洲層序界面定年提出方法建議,不僅豐富中外深水全息地層學理論,也一定程度上為深水海相碎屑巖地層劃分定量化提供思路。

1 區域地質概況

北海盆地是大西洋著名的裂谷型含油氣盆地,由一系列中生代地塹和隆起組成,位于歐洲大陸西部,由納維亞陸塊和大不列顛陸塊夾持。維京地塹是以東部的挪威大陸和西邊的設得蘭臺地所局限的負向構造單元[圖1(a)][15]。自冥古代以來,維京地塹共經歷了五次構造運動,包括前裂谷階段(冥古代-晚泥盆世)、裂谷階段Ⅰ期(二疊紀-早三疊世)、熱坳陷階段Ⅰ期(中三疊世-中侏羅世)、裂谷階段Ⅱ期(晚侏羅世-早白堊世)和熱坳陷階段Ⅱ期(晚白堊世至今),分別對應5個構造層序[16]。晚白堊世以來,受構造運動和海平面升降控制,維京地塹古新世至漸新世主要發育一套暗色的陸棚-半深海泥巖,中新世至上新世主要發育一套陸棚三角洲-濱淺海-下切谷砂礫巖和灰綠色泥巖,第四紀則沉積了一套濱淺海-半深海暗色泥巖,物源主要來自挪威大陸和設得蘭臺地[17]。W1井是北海盆地的科研探井,主要鉆遇了古近系和新近系地層。以AA′剖面為例,中新世早期海平面較低,河流回春形成的下切谷侵蝕漸新統地層,自陸棚流經陸坡向大洋盆地的西北部延伸[圖1(b)、圖(2)]。中新世中期是維京地塹的海侵期,海平面上升越過陸棚坡折帶形成陸棚三角洲,與下伏的漸新統地層呈角度不整合接觸。上新世晚期地塹再次遭受抬升剝蝕,使上新統地層與上覆更新統淺海平原泥巖呈角度不整合接觸(圖2)[18]。

圖1 北海盆地維京地塹區域地質概況[17]Fig.1 Geological settings of the Viking Graben in the North Sea Basin[17]

圖2 北海盆地維京地塹年代地層劃分和地層接觸關系[18]Fig.2 Chronostratigraphy and stratigraphic contact relationships of the Viking Graben in the North Sea Basin[18]

2 層序地層格架

2.1 三級層序和體系域界面地震反射類型

基于地震剖面AA′,可以識別出4個二級地震反射界面。其中,T0、T1、T2和T3分別指示第四系、新近系、漸新統和始新統地層的頂界面。

地震反射同相軸的交切關系指示著沉積層序的接觸關系,主要包括上超、下超、頂超和削截等(圖3)[20]。其中,上超指示著海平面的上升和陸源碎屑體系的退積,一般在地震剖面上表現為上覆傾斜地層或水平地層向上尖滅于下伏傾斜地層的一點(即上超點),最后一個上超點所對應的地震同相軸可以認為是最大海泛面[圖3(a)、圖3(e)];下超指示著海平面的下降和陸源碎屑體系的進積,一般在地震剖面上表現為上覆傾斜地層向下尖滅于下伏傾斜地層的一點(即下超點)[圖3(b)、圖3(e)];頂超指示海平面相對靜止和陸源碎屑體系的加積,一般在地震剖面上表現為一系列低角度傾斜地層依次終止于近似水平的頂界面,在維京地塹中不發育;削截指示著構造抬升引起的剝蝕作用,一般在地震剖面上表現為區域性的角度不整合,伴隨著上覆沖積平原河道的侵蝕,例如新近系和第四系地層界面T1[圖2、圖3(c)、圖3(e)]。除此之外,維京地塹內部普遍發育河流下切谷。河流下切谷是沖積體系在向盆地進積時,由于海平面相對下降時侵蝕下覆地層而形成的深切河道或水道,是三級層序邊界的重要識別標志,在洋盆或斷陷湖盆中較為常見[21]。在地震剖面上,河流下切谷呈橢圓透鏡狀、U形谷和V形谷,一般深切于較強的地震反射同相軸中,例如中新統和漸新統地層的界面T2[圖2、圖3(d)、圖3(e)]。

圖3 北海盆地維京地塹新近系地震反射終止關系類型Fig.3 Types of Neogene seismic reflection termination relationships of the Viking Graben in the North Sea Basin

2.2 三級層序和體系域的識別和劃分

根據地震反射終止關系的類型和分布,在地震剖面上共識別出新近系5個三級層序(CS1～CS5)。其中,每一個三級層序均包含3個體系域,分別為高位體系域、海侵體系域和低位體系域。以BB′剖面為例,不同三級層序及其體系域空間分布存在較大差異[圖1(b)、圖4、圖5(a)、圖5(b)]。

圖4 北海盆地維京地塹新近系地震反射終止關系特征Fig.4 Features of Neogene seismic reflection termination relationships of the Viking Graben in the North Sea Basin

圖5 北海盆地維京地塹新近系順物源方向層序地層格架Fig.5 Neogene sequence stratigraphic framework of the Viking Graben in the North Sea Basin along the source direction

2.2.1 CS1層序

CS1層序分布范圍較為局限,主要分布于維京地塹大陸坡、陸棚和深海平原的交界處,底部以漸新統地層頂部區域不整合面(連續強振幅)為底。CS1層序的低位體系域頂界面下超于區域不整合面,內部斷續的弱地震反射同相軸指示低位扇,與陸棚坡折帶有關,未見河流下切谷。CS1層序的海侵體系域上超于其低位體系域的頂界面,內部連續的弱-中振幅指示濱淺海-半深海泥巖。CS1層序的高位體系域則下超于其海侵體系域的頂界面,內部斷續的弱地震反射同相軸指示進積型陸棚三角洲沉積體系,末端交切于區域不整合面。

2.2.2 CS2層序

CS2層序分布范圍較廣,在維京地塹大陸坡和大洋盆地均有分布,底部以漸新統地層頂部區域不整合面(連續強振幅)為底,可見多個規模較大的河流下切谷。CS2層序的低位體系域的形成與大陸坡上的微坡折帶有關,內部連續的強地震反射同相軸指示枯水期大洋盆地廣泛分布的河流下切谷和泛濫平原沉積體系[22]。CS2層序的海侵體系域上超于CS1層序的頂界面,內部連續的中-強振幅指示濱淺海-半深海泥巖。CS2層序的高位體系域下超于其海侵體系域的頂界面,內部斷續的弱地震反射同相軸指示退積型陸棚三角洲沉積體系,分布較為局限,與經典的I型層序極為相似[23]。

2.2.3 CS3層序

CS3層序分布范圍很廣,厚度很大,在維京地塹大陸坡和大洋盆地均有分布,以CS2層序頂界面為底。CS3層序的低位體系域內部斷續的弱地震反射同相軸指示低位扇,未見明顯的河流下切谷。CS3層序的海侵體系域上超于其低位體系域的頂界面,頂部與第四系地層交切,內部連續的弱-中振幅指示濱淺海-半深海泥巖。CS3層序的高位體系域厚度較低位體系域和海侵體系域大,內部斷續的中-強地震反射同相軸指示進積型陸棚三角洲沉積體系[23]。

2.2.4 CS4層序

CS4層序分布范圍較廣,厚度較大,在維京地塹大陸坡和大洋盆地均有分布,以CS3層序頂界面為底,地震反射同相軸表現為連續強振幅,伴有多個小型河流下切谷。CS4層序的低位體系域內部斷續的弱地震反射同相軸指示低位扇和河流下切谷沉積體系,與構造坡折無關。CS4層序的海侵體系域上超于其低位體系域的頂界面,內部斷續的弱-中振幅指示濱淺海-半深海泥巖。CS4層序的高位體系域內部斷續的弱-中地震反射同相軸指示進積型陸棚三角洲沉積體系,末端削截于頂部的區域不整合面。

2.2.5 CS5層序

CS5層序分布范圍較為局限,主要分布于維京地塹大洋盆地,以CS4層序頂界面為底,地震反射同相軸表現為局部連續中-強振幅,伴有少量小型河流下切谷。CS5層序的低位體系域內部斷續的弱地震反射同相軸指示低位扇和河流下切谷沉積體系,與構造坡折無關。CS5層序的海侵體系域上超于其低位體系域的頂界面,內部連續的弱-中振幅指示濱淺海-半深海泥巖。CS5層序的高位體系域內部斷續的弱地震反射同相軸指示進積型陸棚三角洲沉積體系,末端削截于頂部的區域不整合面。

3 旋回地層格架

W1井位于維京地塹西南部,主要鉆遇濱淺海沉積體系且地層相對完整,故而其自然伽馬曲線可以揭示天文軌道周期驅動的氣候變化[15]。其旋回地層學分析步驟如下:①去除自然伽馬測井曲線長期趨勢和極值點[24];②對預處理后的曲線進行小波變換,得到時間序列頻譜,結合紅噪聲模型識別標志性譜峰[25];③結合天文理論模型,確定譜峰對應的天文軌道周期,并通過反傅里葉變換得到濾波曲線,建立相對地質年代模型[26]。

基于Laskar天文軌道周期模型,北半球新近紀長偏心率(E)、短偏心率(e)、斜率(O)和歲差(P)的理論比值為20∶5∶2∶1(圖6)[27]。W1井頻譜分析顯示,99%置信度之上的譜峰有三簇,分別對應0.175～0.25、0.625～0.75、1.375～1.400 Hz,分別代表厚度為4～5.71、1.3～1.6、0.7～0.73 m的沉積旋回,其比值約為 20∶5∶2。據此,以上3個厚度的沉積旋回可能分別受長偏心率周期、短偏心率周期控制和斜率周期控制(圖7)。滑動頻譜分析表明,長偏心率周期和短偏心率周期能量較強,垂向變化穩定,局部存在拐點,說明沉積速率不斷變化,斜率周期能量較低(圖8)。

圖6 北半球新近紀天文軌道周期模型Fig.6 Neogene astronomical orbital model in the northern atmosphere

圖7 W1井頻譜分析Fig.7 Spectral analysis of well W1

圖8 W1井滑動頻譜分析Fig.8 Evolutionary spectral analysis of well W1

W1井共鉆遇3個三級層序和3個最大海泛面。基于405 ka濾波結果,W1井共識別出約52個長偏心率周期。假設新近系的底界面為0 Ma, 可以得出可以估算出CS1、CS2和CS3的頂界面相對地質年齡分別為-9.1、-13.9、-20.9 Ma,其最大海泛面對應的相對地質年齡分別為-3.0、-10.9、-16.9 Ma(圖9)。

圖9 W1井新近系旋回地層柱狀圖Fig.9 Neogene cyclostratigraphy of well W1

4 全息地層格架

結合年代地層、巖石地層和磁性地層,基于井震資料的旋回地層和層序地層研究,以CC′剖面為例,建立了維京地塹陸棚三角洲全息地層格架[圖1(b)、圖10)]。

圖10 北海盆地維京地塹新近系全息地層綜合柱狀圖Fig.10 Comprehensive histogram of neogene holographic stratigraphy of the Viking Graben in the North Sea Basin

大洋鉆探磁性地層研究表明,古近紀漸新世(33.9～23.03 Ma)是新生代地球演化歷史中非常特殊的重要轉折期,標志著全球從始新世的“溫室”氣候向“冰室”氣候的快速轉變,直至漸新世末期全球均處于極其干旱的氣候環境,新近紀初期全球海平面的降低使河流回春作用普遍發育,在全球大多數盆地廣泛發育具有下切谷特征的河流相沉積[28]。維京地塹T2反射軸呈現區域性強振幅連續反射,可見大量的河流下切谷,是新近系的底界面,其絕對地質年齡是23.03 Ma[29]。以23.03 Ma為基準點,基于旋回地層格架,可以估算出CS1、CS2和CS3的頂界面絕對地質年齡分別為13.93、9.13、2.13 Ma,其最大海泛面對應的絕對地質年齡分別為20.03、12.13、6.13 Ma。基于旋回地層格架計算出的CS3頂面年齡與上新統的磁性地層年齡(2.58 Ma)基本吻合,誤差可能由地層產狀、數據質量和地層劃分方案有關[30]。再者,從全球海平面角度來看,W1井自然伽馬測井曲線長期趨勢與全球海平面變化基本相符。這兩個證據均佐證了新近系頂界面可近似為CS3頂面(T1-2反射軸),呈現區域性強振幅連續反射,削截于T1反射軸,而并非T1反射軸。這也意味著CS1～CS3隸屬于新近系,CS4、CS5則隸屬于第四系。

5 討論

北海盆地維京地塹新近紀的陸棚三角洲形成于熱坳陷期,盆地基底具有緩慢持續沉降的特點[31]。由于物源供給不充足,三角洲主要受區域海平面變化控制,多期次的三角洲進積和退積形成了特殊的層序結構,基底差異沉降和海平面間歇性下降使三角洲向海進積時呈楔形橫向生長,濱線軌跡向海平移,頂部常見削截現象[32]。這意味著橫向生長的層序界面可能與傳統的縱向疊加地層年齡不吻合。例如,T1反射軸實際上橫跨了多個時代,并非代表著新近系的頂面。全息地層學研究認為,結合磁性地層定年和全球海平面曲線,在層序格架的約束下利用鉆井的旋回地層計算削截頂面的地質年齡,如果與磁性地層年齡基本相符,則與鉆井削截頂面最近的斜交層序界面便代表著真實的等時界面;若不符合,則向海方向繼續追蹤。

6 結論和建議

(1)北海盆地維京地塹新近紀陸棚三角洲可以識別出上超、下超、削截和下切谷4種地震反射終止關系,新近系可以劃分為5個三級層序和15個體系域。

(2)以23.03 Ma為基準點,北海盆地維京地塹新近紀陸棚三角洲CS1、CS2和CS3層序的頂界面絕對地質年齡分別為13.93、9.13和2.13 Ma,其最大海泛面對應的絕對地質年齡分別為20.03 Ma、12.13、6.13 Ma。

(3)針對地塹型盆地熱坳陷期陸棚三角洲向海進積并橫向生長的特點,建議結合磁性地層定年和全球海平面曲線,在層序格架的約束下利用鉆井的旋回地層計算削截頂面的地質年齡,如果與磁性地層年齡基本相符,則與鉆井削截頂面最近的斜交層序界面便代表著真實的等時界面;若不符合,則向海方向繼續追蹤。