吴欣松, 郭娟娟, 黄永建, 付建伟. (2011)松辽盆地晚白垩世古气候变化的测井替代指标* [J]. 古地理学报, 13(1): 103-110
Wu Xinsong, Guo Juanjuan, Huang Yongjian, Fu Jianwei. (2011)Well logging proxy of the Late Cretaceous palaeoclimate change in Songliao Basin[J]. Journal Of Palaeogeography, 13(1): 103-110. DOI:  
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松辽盆地晚白垩世古气候变化的测井替代指标*
吴欣松1,2, 郭娟娟1, 黄永建3, 付建伟2
1 中国石油大学(北京)地球科学学院,北京 102249
2 中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室,北京 102249
3 中国地质大学(北京)青藏高原研究中心,北京 100083

第一作者简介：吴欣松,男,1969年生,中国石油大学(北京)副教授,主要从事油气储集层地质、测录井地质方面的研究工作。

收稿日期:2010-09-06
基金:*国家重点基础研究发展计划“973”项目(编号:2006CB701406)资助
摘要

寻求指示古气候变化的测井替代指标是近年来古气候研究的重要途径和方向。测井曲线是地层岩石学、岩石物理学、岩石地球化学特征的综合反映,具有连续性好、纵向分辨率高的特点,为反演古气候变化提供了新的手段。松科 1井作为专门为研究松辽盆地晚白垩世重大地质事件与古气候变化而部署的一口科学探索井,具有系统的岩心资料和较完整的测井系列资料。文中在对松科 1井南孔自然伽马能谱测井资料进行统计的基础上,结合放射性元素地球化学分析结果,论证了钍 /钾比( Th/K)可以作为指示气候变化良好替代指标的可行性,并据此对松辽盆地青山口组—嫩江组沉积时期的气候干湿变化进行了反演。结果表明:松辽盆地从泉头组 3段—嫩江组 2段沉积时期气候总体表现为从潮湿向半干旱转化的趋势,垂向上可划分为 3个完整的干湿变化旋回。这一研究结论与前人在松辽盆地南部采用古生物学以及元素地球化学分析得出的结论相吻合,表明根据自然伽马能谱资料统计得出的 Th/K值可以作为反演古气候变化的替代指标。

关键词: 古气候变化; 松辽盆地; 晚白垩世; 自然伽马能谱测井
中图分类号:P532 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2011)01-0103-08
Well logging proxy of the Late Cretaceous palaeoclimate change in Songliao Basin
Wu Xinsong1,2, Guo Juanjuan1, Huang Yongjian3, Fu Jianwei2
1 College of Geosciences, China University of Petroleum(Beijing),Beijing 102249
2 State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting,China University of Petroleum(Beijing),Beijing 102249
3 Research Center of Tibetan Plateau, China University of Geosciences(Beijing),Beijing 100083;

About the first author：Wu Xinsong,born in 1969,is an associate professor of China University of Petroleum(Beijing).His research interest includes hydrocarbon reservoir geology and logging geology interpretation.

Abstract

To seek the logging proxies of palaeoclimate change has been a vital way and orientation in recent years.The well logging curves,with good continuity and high longitudinal resolution,are the comprehensive reflection of stratigraphic petrology,petrophysics and petrochemistry. They can provide a new approach for the research of palaeoclimate change inversion.Well SK 1,as a scientific exploration well for studying important geological events and palaeoclimatic change in the Songliao Basin,has systematic core data and integrated well logging suites.According to the statistics of spectral gamma-ray log in the south hole of Well SK 1 and the analysis of radioactive element geochemistry,the feasibility of Th/K ratio as a proxy of palaeoclimate changes is verified,and also the climate humidity changes are inverted from the Quantou Formation depositional period to the Nenjiang Formation depositional period of the Songliao Basin.The results show that the climate trends from humid to semi-arid between the third stage of Quantou Formation depositional period to the second stage of Nenjiang Formation depositional period in the Songliao Basin. Vertically,the climate tendency can be divided into three arid-humid cycles,which perfectly coincide with the paleontology and geochemistry analyses in the southern Songliao Basin.

Key words: palaeoclimate change; Songliao Basin; Late Cretaceous; natural gamma ray spectrum logging
1 概述

古气候变化的研究手段与方法归纳起来主要有地质学、地理学、地球化学和地球物理学4类。地质学方法是通过对地层中生物化石和沉积特征等的研究, 阐明地质历史时期气候的时空分布和变化规律。例如通过地层中植物孢粉来判别母体植物的种属, 推测过去的植被及其相应的气候特征; 利用古植物叶片气孔CO2的测定来恢复古大气CO2的浓度; 利用煤层、珊瑚礁、石膏与盐岩等特殊沉积物来推断气候的冷暖与干湿。地理学方法主要是考察自然地理环境的变迁, 如海平面的升降、河流和湖泊水位的变化、冰川和雪线的进退、沙漠和冻土以及森林等界限的推移, 用以估计相应的气候演变。地球化学方法则主要是利用元素同位素含量和元素比值来推测古大气的温度和湿度, 通常采用的指标主要包括同生碳酸盐的氧同位素、Rb/Sr值、Mg/Ca 值等。近年来, 地球物理学的一些参数(如岩石的磁化率、自然伽马测井数据)也作为一种新型的替代指标, 被应用于古气候研究。

利用信息连续、分辨率较高的测井资料开展古气候变化的研究虽然起步较晚, 但目前正成为研究的热点之一。测井曲线作为地层岩石学、岩石物理学、岩石地球化学特征的综合反映, 为反演古气候变化提供了新的手段。目前国内外主要应用自然伽马(GR)曲线来反演古气候的变化, 如刘泽纯等(2000)、陈晔等(2001)在柴达木盆地涩中6井多种气候指标分析的基础上建立了自然伽马曲线古气候反演模式, 研究了柴达木盆地东部地区2.85 Ma BP以来的古气候变化, 得出了自然伽马曲线可以作为反映内陆干旱盆地气候与环境变化良好的替代指标的结论, 认为其高值段代表湖面扩展, 反映气候相对湿润, 而低值段代表湖面退缩, 指示气候变得干旱。最早提出利用自然伽马能谱测井资料开展古气候变化研究的想法应归功于Osmond和Ivanovich(1992)、Rosholt(1992)和Pakinson(1996)等, 而系统地应用自然伽马能谱资料与黏土矿物分析数据开展古气候研究的, 当以Johann等(2006)对欧洲侏罗纪与白垩纪之交的古气候的研究具有代表性。国内近年来也有学者开展了利用铀曲线探讨古气候变化的尝试(陈中红和查明, 2004)。

由于自然伽马曲线代表的是岩石或沉积物中的总体放射性强度, 而岩石和沉积物中最主要的放射性元素包括铀(U)、钍(Th)和钾(K40)3种, 因而不同的放射性元素由于其化学性质的差异, 很容易受非气候因素的影响(陈方鸿等, 2005), 从而在一定程度上影响了其作为古气候变化替代指标的有效性。本研究旨在充分利用松科1井高质量的自然伽马能谱资料, 结合前人在古生态学、元素地球化学方面的研究成果, 来寻求更有效地反映古气候变化的测井替代指标。

在松辽盆地的古气候变化研究方面, 有很多学者作了大量的工作。方大钧和叶得泉(1989)利用岩石磁化率、剩磁强度等资料对松辽盆地白垩纪古气候进行了研究, 并编制了松辽盆地白垩纪磁化率相对变化曲线与用同位素方法得出的古海水温度变化曲线对比图, 阐述了松辽盆地白垩纪气候变化的脉动规律及其与全球性升温、降温事件发生的同步性。张立平和王东坡(1994)利用沉积岩中的氧同位素组合特征, 并结合微体古生物资料及古气候沉积记录, 探讨松辽盆地白垩纪古气候演变规律, 认为从沙河子组到营城组、登娄库组沉积时期, 温度逐渐升高, 至泉头组沉积时期达到了最高, 此后, 青山口组、嫩江组和明水组沉积时期发生了3次明显的降温事件。黄清华等(1999)开展了较为系统的古生物学研究, 并结合岩性资料, 对各时期的古气候演变特征进行了分析, 认为松辽盆地白垩纪总体以针叶林和草原草丛植被为主, 反映了一种湿润、半湿润的亚热带气候环境, 但其中有几次较明显的温度和湿度变化, 在晚白垩世出现了2次升温事件(青山口组和姚家组沉积时期)和1次半干旱事件(四方台组沉积时期)。王书宝等(2008)则从元素地球化学的角度分析了松辽盆地晚白垩世古气候变化及其对沉积层序的控制作用。

因此, 虽然有不少学者对松辽盆地晚白垩世气候变化开展了较为广泛的研究, 但是在古气候变化的认识上却存在一定的差异。究其原因, 一方面是采用的方法各有侧重, 另一方面则可能是因为样品的采集缺乏系统性和完整性。而测井资料具有连续性, 而且松科1井南孔从青山口组1段到嫩江组2段地层岩性相对单一, 泥岩在整个地层剖面中占绝对优势, 也为利用该井的测井资料来研究古气候变化提供了有利条件, 故利用松科1井南孔现有的自然伽马及能谱测井资料开展松辽盆地晚白垩世气候变化的先期探索十分必要。

2 松科1井概况及地层特征

松科1井是专门为研究松辽盆地晚白垩世重大地质事件与古气候变化而部署的科学探索井, 也是目前全球第一口陆相白垩系科学探索井。它位于松辽盆地中央坳陷带的齐家— 古龙凹陷, 采用的是“ 一井双孔” 设计方案(高有峰等, 2008), 分别为南孔(SK-1(S))和北孔(SK-1(N))。松科1井南孔位于黑龙江省大庆市肇源县茂兴镇幸福村赵家窝棚屯东2.5km处, 构造位置处于松辽盆地北部中央坳陷齐家— 古龙凹陷敖南鼻状构造上(图 1)。

图1 松辽盆地松科1井南孔和北孔位置(据高有峰等, 2008)Fig.1 Location of Well SK-1(N)and SK-1(S) in Songliao Basin(from Gao et al., 2008)

松科1井南孔完钻井深1915m, 自上而下钻遇第四系, 新近系泰康组, 白垩系明水组、四方台组、嫩江组、姚家组、青山口组、泉头组4段和3段, 取心层位为嫩江组2段底部至泉头组3段顶部, 累计进尺946.83m, 累计心长944.23m, 收获率达到99.73%。

从岩心岩性特征与沉积环境分析结果来看, 从泉3段到嫩2段沉积时期, 湖盆水体经历了由浅— 深— 浅— 深的变化过程, 岩石颜色表现出明显的红色— 黑色— 红色— 黑色的转变(图 2)。

图2 松科1井南孔岩心录井和自然伽马能谱测井剖面Fig.2 Spectral natural gramma ray log section and core logging in Well SK-1(S)

泉头组3段和4段中下部以紫红色泥岩与灰色、灰绿色粉砂岩为主, 属曲流河— 三角洲平原环境的产物。泉4段上部则以灰绿色、灰色泥岩为主, 夹灰色粉砂岩以及褐色油斑粉砂岩, 是三角洲前缘环境的产物。

青山口组青1段、青2+3段下部以灰黑色泥岩占绝对优势, 局部夹泥灰岩薄层, 反映湖盆的水体较深, 有机质丰度也较高, 是优质烃源岩集中发育的层段(钟艳飞等, 2009)。青2+3段上部逐渐过渡为灰色、灰绿色泥岩夹薄层泥灰岩, 并且在顶部出现紫红色泥岩, 反映水体深度变浅, 为半深湖— 浅湖沉积。

姚家组1段底部以三角洲前缘沉积的灰色粉砂岩为主, 姚1段上部和姚2+3段下部主要发育灰色、灰绿色泥岩, 姚2+3段上部则以紫红色泥岩和灰绿色泥岩的交互出现为特征, 反映湖盆水体相对较浅。

自嫩江组1段沉积时期开始, 水体明显变深, 沉积了大套厚层黑色泥岩, 为半深湖— 深湖沉积环境。局部发育多层湖相成因的白云岩, 可能与海侵作用有关(王国栋等, 2008)。特别是在嫩2段底部沉积了一套在全盆地广泛分布的棕褐色油页岩, 是最大湖泛期的较深水沉积产物。

3 古气候变化替代指标优选
3.1 测井资料处理及其特征分析

松科1井南孔的测井工作由中国石油大庆油田测井公司完成, 采用的是ECLIPS-5700测井系列, 获得了包括岩性测井(自然电位SP、自然伽马GR、自然伽马能谱SGR, 光电吸收截面指数Pe), 孔隙度测井(声波时差AC、密度DEN、中子CNL), 电阻率测井(深侧向RDLL、浅侧向RSLL、微侧向RMLL)等多种测井资料。尤其是该井具有高质量的自然伽马及能谱测井曲线, 这为分析松辽盆地晚白垩世的气候变化提供了新的资料。

为了剔除由于大的岩性变化(主要是粉砂岩和泥灰岩、白云岩结核等)所导致的测井响应差异对古气候变化分析的影响, 首先根据岩心录井资料, 提取了所有泥岩的测井信息, 并对相对均质的泥岩段(主要是泥岩的颜色、产状、含砂情况)的自然伽马及其能谱测井曲线进行了重新数字化, 得到了松科1井南孔泉头组3段上部至嫩江组2段下部各泥岩均质段的测井响应剖面(图 2)。

从图2中的测井地质综合剖面可看出, 松科1井泥岩的自然伽马及能谱测井曲线具有如下分布特征:

自泉3段至嫩2段, 自然伽马曲线数值除了在姚家组局部呈现异常高值(大于200 API)、在嫩2段下部(油页岩段)出现较高值外, 总体呈现出逐渐减小的趋势。其中青1段以下剖面的自然伽马平均值约为130 API, 青2+3段为121 API, 而姚家组和嫩1段、嫩2段仅为103 API。

铀曲线表现出与自然伽马曲线相似的变化趋势。姚家组局部层段泥岩铀曲线的高异常与高伽马异常完全对应, 这些异常高值主要分布于紫红色泥岩中的深灰色— 黑色泥岩段, 是铀被次生还原富集的结果(刘埃平和钟子川, 1999; 陈方鸿等, 2005)。青1段底部、嫩1段至嫩2段底部(油页岩部位)的高异常, 主要与这两个层段富含有机质(TOC一般大于3.0%)的黑色泥岩对铀的吸附作用有关(黄隆基, 1985)。在泉头组中, 铀曲线表现为明显的低值段, 主要是因为其沉积环境为陆上冲积河流环境, 泥岩中铀的淋滤流失可能是该地层中铀含量低的主要原因。

相比而言, 自泉3段至嫩2段, 钾曲线中钾含量自下而上逐渐降低的趋势比自然伽马曲线和铀曲线的变化更为明显, 而且受有机质含量和次生作用的影响更小。而钍曲线除泉头组出现相对较高的数值外, 从青山口组至嫩江组2段总体变化幅度不是很明显。

3.2 古气候变化测井替代指标优选

从上面的分析不难看出, 铀曲线由于受到有机质吸附和次生还原作用的影响, 即使岩性变化不大, 铀曲线的变化幅度也可能较大。自然伽马曲线也是基于同样的原因, 因此二者并非是指示古气候变化的最佳指标。

钍含量在不同沉积环境形成的泥岩中有较大的差别, 而在同一沉积环境条件下、岩性基本相同时, 钍含量相差不大(黄隆基, 1985)。说明钍元素的丰度主要受控于沉积物的粒度与及沉积环境, 在氧化环境形成的沉积物中具有较高值, 而在较深水的沉积环境(如青1段和嫩1段黑色泥岩及嫩2段油页岩)形成的沉积物中具有相对低的值。相比较而言, 钾曲线的变化受沉积环境及其他因素的影响较小, 在物源区母岩岩性基本不变的情况下, 可以较好地反映物源区母岩由于遭受化学风化程度存在差异而引起的放射性元素供应量的变化(Johann et al., 2006)。

由于钍和钾的化学性质存在较大差异, 钾元素比较活泼, 在氧化暴露环境中很容易从风化剥蚀产物中被淋滤而流失, 并随水流呈离子状态被搬运到湖盆中; 而钍元素则惰性较强, 大部分被细粒沉积物吸附而保存在原地, 从而在源区和暴露环境沉积物中比较富集(如松科1井南孔的泉头组)。因此, 在化学风化作用较强的暖湿气候条件下, 暴露(水上)环境中的沉积物应具有较高的Th/K值, 而在气候较为干冷时, Th/K值则较低。这与许多学者认为的黄土中的Rb/Sr值可以作为古气候替代指标的原理类似, 解释方法也基本一致(陈骏等, 1998)。

但是, 对于湖盆中的水下沉积环境, 情况则刚好相反。在化学风化作用强烈时, 水体接受了大量钾离子, 并被细粒沉积物所吸附, 沉积物的Th/K值表现为低值; 而在以物理风化为主的气候背景下, 水体中的钾离子浓度较低, 而钍主要靠细粒悬浮沉积物的吸附带入水体中沉积下来, 其含量变化不大, 因而Th/K值表现为高值。金章东等(2001)在利用Rb/Sr值研究内蒙古岱海第四纪古气候变化过程中就明确指出, 湖泊沉积物中Rb/Sr与风成的黄土一古土壤序列中的Rb/Sr指示的古气候意义正好相反, 这与上述分析的Th/K值在不同环境中指示的古气候意义正好相反一致。

4 晚白垩世古气候变化反演
4.1 松辽盆地晚白垩世古气候变化特征

上述分析结果表明, 理论上, Th/K值可以作为古气候变化的替代指标。对于松科1井南孔而言, 需要对泉头组陆上沉积环境和青山口组— 嫩2段的水下沉积环境进行区别对待, 并分别采用不同的解释模式, 才能更加准确地解释该时期的古气候变化。

在岩石风化过程中, 由于钍元素的惰性较强, 而铀元素化学性质较为活泼, 因此Th/U值的变化与风化产物的沉积环境有关(黄隆基, 1985), 其在湖相沉积中可以较好地指示古水深的变化, 并与有机质含量关系密切(Charles, 1996)。松科1井南孔青1段与青2+3段下部以及嫩1段与嫩2段底部的黑色泥岩表现为较低的Th/U值, 平均分别为2.6和2.5, 指示深湖— 半深湖沉积环境; 而泉4段泥岩则出现较高的值, 平均可达7.0, 是陆上河流冲积环境的典型反映。青2+3段上部和整个姚家组的Th/U值也较高, 指示湖盆水体相对较浅。

虽然Th/K曲线与Th/U曲线的变化趋势具有一定的相似性, 但是仍然存在较大的差别。从青1段和嫩1段两条曲线的数值对比不难看出, Th/U值基本相近, 但是嫩1段的Th/K值(平均4.77)明显高于青1段(平均3.94), 说明青1段沉积时期古气候湿度明显大于嫩1段沉积时期。

嫩2段Th/U值平均为2.58, 在整个剖面上不是最高的层段, 但其Th/K值却达到了最高(平均5.92), 也说明嫩2段沉积时期的古气候更偏干旱。

泉4段顶部为三角洲前缘沉积环境, 其Th/U和Th/K值均较高, 反映该沉积时期水体较浅, 气候较偏干旱。泉4段中下部和泉3段泥岩中的Th和K均表现为较高值, U则表现为明显低值, Th/U 曲线的高值指示该沉积时期为明显的水上氧化暴露环境。Th/K值自下而上具有增加的趋势, 应指示该沉积时期具有从干旱向潮湿转变的趋势。

从上述Th/K曲线在垂向上的变化特征, 结合古沉积环境的分析, 可以看出从泉3段到嫩2段沉积时期, 以青1段至青2+3段沉积早期气候最为湿润, 而泉头组、姚1段、嫩1段沉积早期略偏干旱, 嫩2段沉积时期最为干旱。因此, 从泉3段至嫩2段沉积时期, 松辽盆地的古气候干湿度经历了3个主要的变化旋回(泉3段— 青山口组沉积时期变化旋回、姚家组沉积时期变化旋回、嫩1段— 嫩2段沉积时期变化旋回), 其中青山口组沉积时期又可以分为2个次级变化旋回(图 2)。

从泉3段开始, 气候向潮湿方向转化, 随着降雨量的增加, 湖盆面积扩大, 水体逐步加深, 到泉4段沉积末期, 松科1井南孔所处的位置开始由曲流河沉积环境变化为三角洲前缘沉积环境, 到青1段沉积时期水体深度达到最大, 沉积了富含有机质的黑色泥岩。随后, 直到青2+3段沉积早期, 水体有变浅的趋势, 主要是与气候向干旱转化有关。青2+3段沉积末期湖盆水体已经相当浅, 形成了一套偏紫红色的泥岩沉积, 到姚1段沉积时期, 气候相对更偏干旱, 湖水明显退缩, 出现了三角洲前缘粉砂质沉积。姚家组至嫩1段沉积早期构成了一个完整的干湿气候变化旋回。嫩1段沉积时期, 气候又开始由偏干旱向偏潮湿的方向变化, 随降雨量的增加, 以及可能存在的构造沉降, 湖泊水体迅速变深, 松辽盆地第2套大规模烃源岩开始形成。在嫩2段沉积初期, 水深达到最大, 形成了全盆地广泛分布的油页岩。此后, 气候突然变得干旱, 水体也有一定程度的变浅。

4.2 与前人分析结果的比较

由于有关松科1井的岩石地球化学、微体古生物、同位素地球化学方面的研究成果尚未公开发表, 为进一步论证利用自然伽马能谱测井曲线的Th/K值作为替代指标来反演古气候变化的可行性, 文中只能利用前人在松辽盆地古气候研究方面的成果来进行。

4.2.1 与孢粉分析结果的比较

在孢粉研究方面, 以黄清华等(1999)的分析最为系统。他们通过对大量孢粉资料的统计、分析, 建立了松辽盆地白垩系各组段的孢粉植被类型、气温分带和干湿度类型。分析认为, 泉头组沉积时期, 气候较为干旱。青1段沉积时期气候最为湿润, 之后向偏干旱转化。从姚家组到嫩2段沉积时期, 气候总体是向偏干旱转化, 到嫩2段沉积末期出现了近于半潮湿— 半干旱的气候条件(图 3)。这一结论与利用Th/K值分析得出的气候干湿度变化趋势基本一致。

图3 松辽盆地白垩纪植物组成、古气候与干湿度变化(据黄清华等, 1999)Fig.3 Vegetation composition, palaeoclimate and humidity of the Cretaceous in Songliao Basin (after Huang et al., 1999)

4.2.2 与元素地球化学分析结果的比较

在松辽盆地古气候变化的元素地球化学研究方面, 以王书宝等(2008)对松辽盆地南部乾安地区乾129井Rb、Sr元素丰度的分析结果最具代表性(图 4)。从他们的分析结果可明显看出, Rb/Sr的变化也表现出4个明显的旋回(其中青山口组2个、姚家组1个、嫩1段至嫩2段1个), 而且嫩2段Rb/Sr值在整个剖面上也是最高的, 与松科1井泥岩的自然伽马能谱Th/K值的变化趋势相似, 也进一步证实了松辽盆地嫩2段沉积时期的古气候是较偏干旱型。

图4 松辽盆地乾129井Rb、Sr元素丰度及Rb/Sr值剖面(数据来自于王书宝等, 2008)Fig.4 Abundance and ratio of Rb and Sr in Well Qian129 in Songliao Basin(data from Wang et al., 2008)

5 结论与认识

1)根据对地层中主要放射性元素地球化学性质的分析以及与前人研究成果的对比可以看出, Th/K 值可以作为反演古气候干湿变化的重要测井替代指标。而且, 由于Th/K曲线基本不易受有机质吸附和次生还原富集的影响, 其作为古气候变化替代指标比伽马曲线更具优越性。

2)在水上氧化暴露沉积环境和水下还原沉积环境条件下, Th/K值所指示的古气候干湿度变化的意义完全相反。这一认识也为今后利用松科1井北孔伽马能谱测井资料反演嫩2段沉积以后不同时期的古气候变化提供了依据, 因为北孔钻遇了多段河流冲积相沉积物(如嫩江组4段和5段、四方台组), 也钻遇了三角洲前缘沉积物(如嫩江组3段和明水组部分地层)。在利用测井曲线反演古气候变化过程中, 如何处理好因沉积环境变化引发的气候变化连续性的解释难题, 还有待于进一步的探索。

3)根据松科1井南孔Th/K值反演结果, 从泉3段到嫩2段沉积时期, 松辽盆地经历了3个完整的气候干湿变化旋回, 其中青山口组沉积时期气候最为潮湿, 而泉头组和姚1段沉积时期、嫩1段沉积早期及嫩2段沉积时期气候相对较为干旱。

作者声明没有竞争性利益冲突.

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