基于自然伽马测井曲线的旋回识别及古气候判断

陈云,唐闻强,张承志,伍新和,杨芸,邢浩婷

(1.成都理工大学地球科学学院,四川成都610059;2.成都理工大学沉积地质研究院,四川成都610059;3.中国石油青海油田公司,甘肃敦煌736202;4.中国地质调查局油气资源调查中心,北京100083)

0 引 言

尼玛盆地是发育在班公湖-怒江缝合带之上的新生代陆相沉积盆地[1],自21世纪以来随着西藏油气勘探工作的深入,尼玛盆地的油气勘探工作取得重大突破[2-3]。2017年成都理工大学伊海生团队与中国地质调查局油气资源调查中心在尼玛盆地发现了长达55 km的沥青显示带,并发现规模巨大的暗色烃源岩系,显示出良好的油气勘探潜力[4]。但是由于勘探程度较低,有关尼玛盆地沉积旋回和层序地层的研究尚处于较低阶段,存在进一步研究空间。本文以西藏中部尼玛盆地古近系牛堡组为研究对象,基于自然伽马测井曲线,采用频谱分析及Matlab带通滤波处理方法,明确尼玛盆地始新世高原腹地气候的演化过程及其成因控制,为尼玛盆地沉积旋回和层序地层研究提供基础技术资料。

1 区域地质概况

尼玛盆地地处青藏高原中部,大地构造区划主体位于班公湖-怒江缝合带与雅鲁藏布江结合带之间,由南向北约5～15 km,由东向西延伸175 km以上,面积约3 000 km2。盆地内构造复杂,总体上具有两坳一隆的构造格架,即北部坳陷、南部坳陷和中央隆起[5-6],依次沉积了古近系牛堡组、新近系康托组及第四系地层,下伏白垩系、侏罗系和三叠系地层(见图1)。其中,牛堡组为湖相沉积,岩性以紫红色、灰绿色和青灰色砂岩为主,夹多层灰黑色泥页岩、页岩,并在底部和中部可见2层砾岩沉积,产孢粉、轮藻和介形类化石组合[7-8]。地震资料显示研究区沉积地层产状平整,未发生大规模构造运动,褶皱不发育,古近系牛堡组地层发育完整未见缺失且岩性变化明显。

图1 尼玛盆地区域地层分布及尼1井位置图

2 米兰科维奇旋回基本原理及定量表示

米兰科维奇旋回地层学是从复杂沉积层中获取高精度年代地层的优质方法之一。米兰科维奇在前人研究基础上,于上世纪40年代提出了米兰科维奇旋回理论[9-10],指出地球轨道参数的周期变化控制着地球日照量的大小,而日照量的改变则会引起温度、海洋环流及降雨量的变化,这些变化进一步控制了风化、沉积、搬运等作用,最终形成了不同的沉积地层,这些信息也同样被记录在沉积地层中[11-13]。自“层序”概念提出以来[14],众多学者根据全球海平面的历史变化周期,将地层层序划分为6个级别,并认为1～3级层序主要受构造因素所控制,4～6级主要受天文因素控制(即米兰科维奇旋回)。诸多学者根据旋回厚度对地层层序进行了划分[14-18](见表1),认为气候因素所控制的精细地层旋回主要受米兰科维奇旋回控制,因此,可以利用沉积地层的米兰科维奇旋回特征来反演区域乃至全球的古气候变化。

表1 层序及旋回等级划分及特征

米兰科维奇旋回的日地轨道参数变化周期主要由3个参数变化引起[19]:①地球公转轨道偏心率,指地球在围绕太阳旋转过程中偏离正圆轨道的程度,偏心率值一般在0.000 5～0.060 7周期性波动(现代值为0.016 7),包含405 kyr和100 kyr这2个主要周期,长偏心率周期(405 kyr)是最稳定周期,被广泛用于天文年代标尺的建立;②地球轨道轴斜率(地球自转面与公转轨道面之间的交角,也称黄赤交角),它引起地球四季的变化,这种变化主要影响高纬度地区,而对低纬度地区影响较小,包含54 kyr和41 kyr这2个主要周期;③地球轨道岁差(地球角动量对太阳和月球之间的干扰),岁差本身不对地球日照量产生影响,但是与偏心率结合便引起日照量的季节性分布,导致季节性作用加强,包含23 kyr和19 kyr这2个主要周期,其中23 kyr为主周期。如果在沉积地层中找到与地球轨道3要素相同比率关系的沉积旋回,那么就表明地层中存在米兰科维奇旋回,但是这些地层信息需要连续(即没有沉积间断或不整合面),相对稳定(即未出现快速沉积,快速沉积可能是构造作用引起,不属于米兰科维奇冰川型沉积),且具有指示意义(即替代指标要与气候或湖平面变化相关的信号)[18]。

自然伽马测井测量井内岩层的放射性元素在衰变过程中释放的射线强度。不同岩石的放射性元素含量差异很大,泥岩对铀的吸附能力较强具有较高的自然伽马值,灰岩等碳酸盐岩只在晶格中含有少量的放射性元素自然伽马值较低,因此,自然伽马值可以作为不同沉积环境下形成沉积物的良好替代指标。自然伽马测井曲线具有等间距、高分辨、连续等特征,同时具备反映气候变化的信息且不受其他因素影响,可以作为良好的环境替代指标用于研究地层中米兰科维奇旋回信息[20]。近年来,随着测井曲线分析地层层序及周期旋回的研究与日俱增[21-22],自然伽马测井曲线被广泛应用于古海洋和古湖泊的气候反演等研究[23-25]。

3 自然伽马特征及数据处理方法

米兰科维奇旋回在不同沉积环境中均有所体现[26],目前研究方法主要为高精度地球化学或地球物理数据[27-28]。该研究以尼玛盆地尼1井自然伽马曲线为样本,采样间隔0.125 m,钻井资料和取心样本显示其地层连续,钻进过程中未见断层。其中牛堡组地层共分为3段:牛堡组三段以砂、泥岩为主;牛堡组二段岩性单一以大套砂岩为主且旋回性差;牛堡组一段(未钻穿)岩性组合以砂岩、泥岩等为主,具有良好的旋回性变化,是米兰科维奇旋回研究的优质层位。牛堡组一段(1 324～1 980 m)自然伽马值介于28.81～168.98 API,平均值67.66 API。此外,自然伽马低值对应砂岩层、高值对应泥岩层,曲线本身也显示了较好的旋回变化(见图2)。

图2 尼玛盆西部地区尼1井牛堡组一段综合柱状图

自然伽马曲线的米兰科维奇旋回数据处理方法主要用到Past软件和Matlab软件。数据处理步骤:①将预处理后的自然伽马数据以0.125 m等间距格式导入Past软件进行计算,得到频率、相对强度及置信度3组数据;②将这3组数据导入Excel表格,并制作频率、相对强度和置信度的相关关系图;③在相关关系图中寻找置信度90%以上的相对强度显著谱峰,这些峰对应了米兰科维奇旋回的周期频率(包括偏心率、轴斜率及岁差的主要周期),而这些频率的相对强度与窗谱图进行比对则可以确定米兰科维奇旋回;④确定地层中存在米兰科维奇旋回后,利用Matlab软件进行带通滤波处理(包括数据调谐处理、将深度域转换为时间域),将自然伽马数据导入Matlab软件,选取自然伽马频谱分析对应峰值频率的左、右截止频率值f1和f2,确定采样间距,进行运算;⑤将成果数据导入Excel表格,便得到带通滤波调谐曲线,该曲线的总旋回周期个数与对应旋回周期年龄之积即为研究地层的沉积时限。

4 尼1井牛堡组一段自然伽马旋回频谱特征

4.1 自然伽马曲线频谱分析

目前傅里叶变换、数字滤波及小波分析被引入米兰科维奇旋回分析中,极大地提高了米兰科维奇旋回分析的准确性,使地层记录的气候变化被揭示[29-30]。在实际测井过程中,由于各种外界因素的影响自然伽马曲线存在一定的误差,在分析开始之前,应首先对尼1井牛堡组一段的自然伽马测井数据进行预处理,消除环境及噪声所产生的影响。牛堡组一段的处理结果显示:自然伽马数据所对应的主要频率点(置信度90%)的频率值依次为0.056 4、0.224 1、0.422 3、0.559 5、0.981 7,波长与频率为倒数关系,因此,可知对应波长分别为17.730 5、4.462 3、2.368 0、1.787 3、1.088 6。旋回波长的实质为沉积地层中沉积物的厚度,周期旋回平均沉积厚度分别为:17.730 5 m(405 kyr)、4.462 3 m(100 kyr)、2.368 0 m(54 kyr)、1.787 3 m(41 kyr)、1.088 6 m(23 kyr)(见图3)。

图3 尼玛盆西部尼1井牛堡组一段自然伽马曲线频谱分析

4.2 旋回厚度与轨道周期对比

目前,通常利用频谱分析法计算各级周期旋回厚度之间的比值,再与天文轨道周期比值进行对比,进而判断沉积地层中是否存在米兰科维奇旋回。太阳辐照量的大小在一定程度上影响了全球温度及干湿的变化,导致全球气候条件出现周期性变化。通过对天文轨道周期参数进行分析,结果显示尼玛盆地尼1井各级旋回周期分析比值与理论周期比值间的误差率很小,均未超过2%(见表2)。表明尼1井牛堡组一段地层存在米兰科维奇旋回,且各级沉积旋回厚度比值与天文轨道周期理论比值基本吻合。根据不同天文轨道周期的频率强度及波长数值,可知各旋回周期的沉积速率(沉积速率=波长/周期)分别为43.78、44.62、43.86、43.60、44.29 m/Ma,平均沉积速率为44.03 m/Ma,这一结论与相邻伦坡拉盆地的模拟沉积速率基本一致[31]。

表2 尼玛盆地尼1井牛堡组一段自然伽马曲线频谱分析结果及比例关系

4.3 沉积速率讨论

在频谱分析的基础上,利用Matlab软件对自然伽马曲线进行带通滤波处理,可以得到各级周期旋回滤波曲线,并划分出了405、100、54 kyr周期对应的理论旋回曲线图(见图4),显示405 kyr周期旋回37个、100 kyr周期旋回148个、54 kyr周期旋回274个。表明牛堡组一段沉积时限(沉积时限=平均沉积速率×旋回个数)约为14.8 Ma,平均沉积速率44.03 m/Ma。由于尼玛盆地缺乏相关研究,关于尼玛盆地的沉积速率还需进一步讨论,与之相邻的伦坡拉盆地也是形成于班公湖-怒江缝合带之上的新生代裂谷盆地,牛堡组地层发育且研究较为成熟,可以与尼1井进行对比。研究认为伦坡拉盆地在渐新世-中新世的地层平均沉积速率约为60～80 m/Ma[32-33],但始新世沉积速率波动较大,约为40～90 m/Ma[31,34],其中牛堡组三段沉积速率较高,而一段与二段沉积速率较低,在40 m/Ma左右,这与该文的研究成果基本一致。

图4 尼玛盆地尼1井牛堡组一段高分辨率天文年代标尺

5 尼玛盆地牛堡组古气候判断

米兰科维奇旋回具备的天文成因,使其常用于年代标尺的建立[35-36]。根据相邻伦坡拉盆地牛堡组地层界线年龄[31]结合频谱分析数据,估算出尼玛盆地尼1井牛堡组一段地质年龄约为56.8～42 Ma,正好处于冈底斯山脉隆起时间段内。Zachos等[37-38]利用深海岩芯对米兰科维奇旋回与气候的相关关系研究时,发现当气候温暖时偏心率带通滤波振幅强度较大,而气候寒冷时偏心率带通滤波振幅强度较小,因此,偏心率滤波的振幅强度可用于判断区域气候的相对高低及演化过程[见图5(a)和(b)]。从尼1井建立的年代标尺来看,最稳定周期(405 kyr)的带通滤波振幅从老到新具有明显的逐渐变大趋势;通过时深转换可知,在42～49.5 Ma期间偏心率振幅相对较高,而在49.5～56.8 Ma期间偏心率的振幅相对较低,这与Zachos通过深海氧同位素反演的全球温度变化趋势具有反相关关系[见图5(c)];表明青藏高原中部在始新世的气候演化是不一致的,他们之间可能存在某种更深层次的关系或某种因素影响了该地区的气候演化。

图5 全球氧同位素滤波分析及尼1井牛堡组一段带通滤波趋势对比图

新生代是全球气候最为波动的时期,先后出现了早始新世极热、始新世-渐新世骤冷、渐新世-中新世降温等事件[37],与此同时印度板块也与欧亚板块发生碰撞青藏高原开始隆升[39-40][见图6(a)]。二氧化碳作为一种温室气体其浓度降低会导致区域乃至全球温度的下降[41-42],高原隆升初期,冈底斯山脉的隆升导致区域风化速率加强,强烈的风化作用消耗大量的二氧化碳,快速隆起后的山脉又阻挡了二氧化碳的补充,在二者的共同作用下导致始新世初期高原中部温度相对较低,带通滤波在早起振幅相对较低指示了这一特征[见图6(b)和(c)]。青藏高原初步形成之后,由于全球温度下降[见图6(b)],海陆比热容的差异导致海洋的冷湿空气向陆地侵入,当它遇到地形阻挡以后便会形成雨影效应和焚风效应[43]。雨影效应即季风由海向陆地推进时,遇到地形阻挡在迎风面与下降气流碰撞形成大量降雨;焚风效应即失去水汽的季风气流翻过山脉以后形成干热下沉气流,从而在背风面形成干热的焚风。最终在青藏高原中部中始新世形成相对干热的气候,这也与带通滤波在后期的相对高振幅对应[见图6(c)]。因此,最终认为青藏高原中部尼玛盆地西部地区牛堡组一段偏心率的振幅变化代表了局部的气候变化,区域从古到新温度是逐渐升高的,引起这种变化的因素是冈底斯山脉的隆起和全球温度的快速变化。这是通过已有结论进行的推论,要确定这一结论还需要进一步研究。

图6 青藏高原中部尼玛盆地牛堡组一段古气候演化趋势及控制因素

6 结 论

(1)通过尼1井自然伽马曲线频谱分析,在牛堡组一段地层中识别出米兰科维奇旋回,表明天文轨道周期旋回对尼玛盆地古近系牛堡组湖相沉积物的沉积过程具有明显影响。

(2)利用频谱分析法,在古近系牛堡组一段地层中共识别出405 kyr周期旋回37个,100 kyr周期旋回148个,54 kyr周期旋回274个。旋回厚度介于43.60～44.62 m,平均沉积速率44.03 m/Ma,沉积时限为14.8 Ma。

(3)根据带通滤波曲线及众多学者关于偏心率强度变化曲线的研究,认为尼玛盆地尼1井牛堡组一段的古气候变化是由于高原隆升加强风化作用和焚风作用共同所引起的,二者综合控制了尼玛盆地的古气候演变过程。