基于测井曲线频谱分析米氏旋回特征
——以柴西尕斯地区上干柴沟组为例

唐闻强, 伊海生, 陈 云, 张承志, 泽仁拉姆, 邢浩婷

(1.成都理工大学沉积地质研究院，成都 610059；2.中国石油青海油田采油一厂，敦煌 736202；3.成都理工大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，成都 610059；4.成都理工大学地球科学学院，成都 610059；5.中国石油青海油田勘探开发研究院，敦煌 736202)

早在20世纪中叶，前南斯拉夫的气候学家米兰科维奇便将驱动冰期旋回的主因，归结为北半球高纬度地区的夏季太阳辐射变化[1]。到了20世纪70年代，随着稳定同位素及计算机的迅速发展，Hays等[2]通过对印度洋两个钻孔的氧同位素进行的详尽的古气候研究，对米兰科维奇的旋回与地球轨道周期理论的正确性进行了印证。而在此后，古气候学家和地质学家们开始对米兰科维奇理论予以极大的关注和重视[3-4]，并且识别出了古生代[5-9]到新生代[10-11]强烈的旋回信号。在最近的十多年时间里，米兰科维奇旋回理论的应用范围得以不断扩大，米兰科维奇旋回信号甚至已逐渐在三角洲、湖泊和深海的沉积记录中出现[12-13]。基于对米兰科维奇理论的充分运用，中国学者不仅建立了天文年代标尺，还对高频层序进行了有效划分。吴怀春等[14]主要通过小波和连续滑动窗口频谱等分析方法，客观分析了松科1井的自燃伽马曲线，并在此基础上对稳定的米氏旋回进行了识别，同时完成了青山口组“浮动”天文年代标尺的构建工作。金忠慧等[15]主要通过频谱及小波分析，对东营凹陷沙河街组旋回地层进行了详尽的研究，明确了湖相细粒沉积岩的控制因素。基于Fischer图解、频谱分析和滤波等相关方法的使用，尹青等[16]对伦坡拉盆地西伦2井进行了分析，发现丁青湖组所保存的长、短偏心率周期分别为37个和120个。李堃宇等[17]对七深2井自然伽马曲线进行频谱分析，有效识别了柴达木盆地西部油沙山组的米兰科维奇旋回特征。毛凯南等[18]选择琼东南盆地三亚和梅山两组的地层为研究对象，不仅对米兰科维奇旋回进行了识别，还在此基础上通过五级层序(偏心率短周期曲线)来实现对参考曲线的有效划分，进而在划分研究区高频旋回的同时，对各区域的旋回特征进行了比较分析。通过连续小波分析与变换，任金锋等[19]、袁学旭等[20]多尺度分析了测井信号，完成了南堡凹陷与西湖凹陷多个高频层序的划分。这些研究均意味着不同级次层序界面的定量识别和划分已经实现。与此同时，也有不少学者在古沉积环境的研究过程中使用了米兰科维奇理论。吴淑玉等[21]对北黄海东部凹陷3井的自然电位及自燃伽马曲线进行频谱分析，在识别米兰科维奇旋回的基础上，结合气候变化将研究区沉积阶段细分成了6个阶段。基于地球化学、测井资料等分析方法的使用，谭先锋等[22]深入研究了济阳坳陷古近系孔店组高频韵律旋回沉积机制。杨雪等[23]通过自然伽马数据识别了松辽盆地青山口组米氏旋回并细分深水细粒沉积，同时结合环境控制，寻找到了有利的油页岩发育段。时至今日，通过测井曲线进行米氏旋回的研究与日俱增，并且有助于科学指导盆地的下一步勘探开发部署[24-28]。位于柴达木盆地西部的尕斯地区，是盆地内重要的勘探开发区块。其中作为重要烃源岩的上干柴沟组，高精度的沉积旋回研究相对较少。鉴于此，现将在自然伽马测井曲线的基础之用频谱滤及波分析方法来研究柴西尕斯地区上干柴沟组的地层，并对地层中高频沉积旋回的成因进行明确。

1 区域地质概况

作为中国十大内陆沉积盆地之一，柴达木盆地地处青藏高原的东北部，是在前中生代柴达木地块基础上发育而成的，属于典型中、新生代陆相山间湖泊沉积盆地[29]。尕斯地区地处柴达木盆地西部，北与花土沟油田相邻；南与昆北、扎哈泉油田相隔；西邻尕斯库勒湖，东南部为英东油田[30](图1)，地面海拔2 800～3 200 m，气候干燥寒冷，属典型的高原内陆气候。

图1 柴达木盆地西部油气分布简图[30]Fig.1 Oil and gas distribution diagram of western Qaidam Basin[30]

图2 柴西尕斯地区YP2井、YQ17井上干柴沟组综合柱状图Fig.2 Comprehensive column of Well YP2 and Well YQ17 of Shangganchaigou Formation in Gas area, western Qaidam Basin

2 数据选择及处理

从前人的研究成果中不难发现，米氏旋回已然在河流、湖泊和深海沉积物的地质记录中出现。在没有准确地层测年数据的情况下，若要对米氏旋回的存在与否进行准确判断，就必须通过一些间接的方法来实现。若是在某一特定的地质历史时期，米氏旋回周期比率关系相对稳定，能够在地层中找到一种与米氏周期比率相等的旋回周期，那就意味着米氏旋回是存在的[31]。从地下钻井剖面的自然伽马曲线来看，它不仅具备了较高的分辨率，同时还有连续测量和等间距采样的特征。与此同时，自然伽马曲线还可以对深度域中岩性旋回与岩相韵律互层的变化情况进行客观反映[32]，因此可将其作为一种有效的检测资料，用于米氏旋回及高频沉积旋回的识别过程。

选取米氏旋回周期分析的参数为尕斯地区的YP2井、YQ17井的自然伽马测井曲线(图2)，以0.125 m为采样间隔。基于对相关钻井资料的查阅，可知地层连续钻井过程中并未发现断层。YP2井2 149～2 757 m段的地层为上干柴沟组，未钻穿，总长度达到了608 m。YQ17井2 063～2 650 m段的地层为上干柴沟组，未钻穿，总长度达到了587 m。两口井的自然伽马值分别介于54～333 API和52～414 API，其中，低值与砂岩、泥质砂岩对应，而高值与泥岩及砂质泥岩相对应。

3 频谱分析

值得注意的是，在米兰科维奇旋回分析开始之前，应首先对上干柴沟组的自然伽马测井数据进行预处理，预处理的主要目的在于将环境及噪声所产生的影响消除干净，并将其中的异常点排除，以免其影响到最终的判断结果。在频谱分析过程中，主要利用Past软件中的Spectral Redfit模块，同时以0.05的显著性水平为参考依据进行分析，并对其中处于稳定状态的波长或者频率信号进行检测，而后在Excel表格中导入分析数据，频谱曲线图随之形成。最后通过MATLAB软件对各天文轨道周期旋回进行带通滤波处理，得到相应曲线，如图3所示。

由图3(a)可知，通过频谱分析方法来分析YP2井上干柴沟组的自然伽马数据之后，不难发现，对应于那些主要频率点(置信度>95%)的频率分别为0.088 8、0.171 1、0.218 8、0.383 2、0.472 0。波长为频率的倒数，转化为对应波长为11.26、5.85、4.57、2.61、2.12 m。其实质是旋回在地层中的实际沉积厚度，此时，频率值所对应的高频沉积旋回厚度分别为11.26、5.85、4.57、2.61、2.12 m。

由图3(b)可知，同样通过频谱分析方法来分析YQ17井上干柴沟组的自然伽马数据，结果发现，对应于那些主要频率点(置信度>95%)的频率分别为0.095 4、0.170 4、0.236 8、0.414 0、0.507 7，转化为相应的高频沉积旋回厚度为10.48、5.87、4.22、2.42、1.97 m。

图3 尕斯地区上干柴沟组自然伽马曲线频谱分析Fig.3 Spectrum analysis of natural gamma curve of the Shangganchaigou Formation in Gas Area

4 米兰科维奇旋回确定

如前文所述，目前最为常见的一种判定沉积地层中是否存在米兰科维奇旋回的方法，是通过频谱分析的方法来计算各级高频旋回厚度之间的比值，并与天文轨道周期之间的比值进行对比。其中，天文轨道周期旋回所涵盖的频带，大致可归纳为4个：Milankovitch频带；天历年段；太阳频段；其他频段。米兰科维奇在古气候方面的研究显然要比其他研究更加深入，究其原因主要在于：轨道尺度气候变化所具备的驱动力是相对显著的。影响太阳辐照量的因素主要有3个：地球公转轨道的偏心率；地轴斜率(即黄赤交角)；岁差的变化，以上3个因素被人们合称为“地球轨道三要素”。偏心率是轨道与正圆之间的偏离程度，存在周期性变化的特征，变化周期可细分为4种：～95 ka周期、～100 ka周期、～123 ka周期、～405 ka周期。其中，前3种均为短偏心率周期，第4种为长偏心率周期。之所以发生这种周期性变化，主要还是由其他行星的万有引力所引发的，地球环绕太阳公转的轨道变化始终保持在近似圆形及椭圆形之间。斜率可理解为地球轴心的倾斜度，其实质是地球公转轨道面与地球赤道面之间形成的一个夹角。斜率的主要周期有3个：～ 39 ka周期、～41 ka周期、～54 ka周期。其斜率介于22.1°～24.5°。地球上之所以会有一年四季，其主要原因便是斜率的存在。它不仅会对季节气候差异程度产生一定的影响，还将在某种程度上影响赤道及两极。岁差是因太阳、月球同时对地球赤道隆起产生吸引，此时，地球自转将沿黄道面的垂直轴缓慢前进，前进过程的轨迹将形成一个圆锥面，这一现象被形象地称为“岁差”。岁差主周期约为 23、19、17 ka。

4.1 旋回厚度与轨道周期对比

采用的天文轨道参数为：偏心率变化周期100 ka(短)，轴斜率变化周期54 ka(长)和41 ka(短)，而岁差的长、短周期分别选用23 ka和19 ka,计算结果如表1所示，可知米兰科维奇的各周期比值为 1:0.54:0.41:0.23:0.19。

YP2井上干柴沟组各级旋回厚度比值为1:0.52:0.41:0.23:0.19,与天文轨道周期比值非常接近，误差分别为3.84%、0.97%、0.77%、0.97%，误差均未超过5%。YQ17井上干柴沟组段各级旋回厚度比值为1:0.56:0.40:0.23:0.19，与天文轨道周期比值的误差分别为3.70%、1.74%、0.20%、1.10%，误差均小于5%。

通过比较分析可知，尕斯地区上干柴沟组各级高频沉积旋回厚度比值基本对应于天文轨道各周期的比值。但从前文所述中不难看出，要确定地层旋回性是否受天文轨道的周期控制，则应首先对基于轨道周期及旋回厚度的沉积速率是否与研究区沉积规律相符的问题进行深入探讨。

表1 柴西尕斯地区上干柴沟组自然伽马曲线频谱分析结果及比例关系Table 1 Spectrum analysis results and proportionalrelations of natural gamma curve of ShangganchaigouFormation in Gas area, western Qaidam Basin

图4 柴达木盆地西部新生代沉积速率变化图[33]Fig.4 The Cenozoic sedimentary rate in western Qaidam Basin[33]

4.2 沉积速率讨论

YP2井中天文轨道周期短偏心率100 ka对应了11.26 m的旋回厚度，可对上干柴沟组整体沉积速率进行计算，最终结果为112.59 m/Ma。若要确保数据的准确性，有必要对其他周期的沉积速率进行计算，最终可得轴斜率长、短周期和岁差长、短周期的沉积速率分别为108.26、111.50、113.46、111.50 m/Ma，平均值为111.46 m/Ma，即为上干柴沟组沉积速率的平均值。对YQ17上干柴沟组进行同样的计算，分别得到轨道周期对应的沉积速率为104.82、108.70、103.00、105.03、103.67 m/Ma，平均值为105.04 m/Ma。通过YP2与YQ17井的沉积速率计算，尕斯地区上干柴沟组平均沉积速率为 108.25 m/Ma。随着磁性地层与青藏高原隆升研究的不断深入，张伟林[33]对柴达木盆地西部新生代地层做了较为系统全面的分析，认为上干柴沟组沉积速率存在减小的趋势，平均沉积速率为107.5 m/Ma(图4)。这与频谱分析结果非常接近。

4.3 古气候讨论

图5 尕斯地区YP2井上干柴沟组高分辨率天文年代标尺Fig.5 High-resolution astronomical timescale of the Shangganchaigou Formation in Well YP2, Gas Area

由于本身具有天文成因机制，米氏旋回可作为地质计时的天文“钟摆”，用于天文年代标尺的建立[34-39]。前人通过高分辨率和高精度古地磁年代研究，已经确定了整个上干柴沟组的年龄为22～31.5 Ma[33，40]。而在此期间，新生代出现了重要的气候事件，即渐新世-中新世界线期间降温事件(Mi-1)。Mi-1期间，南极冰盖急剧扩张，相当于现今冰盖范围的120%，并伴随着约50 m的海平面下降[41]。从YP2井建立的上干柴沟组天文年代标尺看(图5)，在22.6～22.9 Ma，偏心率的振幅明显降低；同样地，从YQ17井建立的上干柴沟组天文年代标尺看(图6)，在22.5～22.8 Ma，偏心率的振幅明显降低。Mi-1的异常是由于偏心率的低振幅变化以及最小偏心率导致[42]。中国学者通过对柴达木盆地路乐河剖面红度进行频谱分析发现，盆地内新生代气候变化受天文轨道变化驱动，干旱炎热或温暖湿润期，偏心率强度较大，寒冷期偏心率强度减小[43]。因此，推测柴西尕斯地区23 Ma附近的偏心率低振幅以及最小值对应了渐新世-中新世界线期间降温事件(Mi-1)。Mi-1期间南极冰盖的急剧扩张使偏心率周期的变化通过对高纬冰盖及气温的影响来影响全球气温，然后再通过大气和海洋环流，进而影响柴达木盆地的气候变化。当然，若要充分论证这一观点，后期可对盆地西部上干柴沟组地层中孢粉、化石、氧同位素等进行详尽的研究。

5 结论

主要对柴西YP2井、YQ17井的自然伽马测井曲线频进行频谱分析，在此基础上结合前人的研究成果，着重对沉积速率及古气候进行了探讨和论证，最终表明尕斯地区上干柴沟组中确有米兰科维奇旋回的存在。从YP2井频谱分析结果看，偏心率短周期(100 ka)所产生的旋回厚度为11.26 m，轴斜率长(54 ka)、短(41 ka)周期所产生的旋回厚度分别为5.85 m和4.57 m，岁差长(23 ka)、短(19 ka)周期所产生的旋回厚度分别为2.61 m和2.12 m。从YQ17井频谱分析结果看，偏心率短周期(100 ka)所产生的旋回厚度为10.48 m，轴斜率长(54 ka)、短(41 ka)周期所产生的旋回厚度分别为5.87 m和4.22 m；岁差长(23 ka)、短(19 ka)周期所产生的旋回厚度分别为2.42 m和1.97 m。