周靖皓, 鲜本忠, 张建国, 钟骑, 陈鹏. (2022). 高频旋回地层约束下的湖相页岩有机质富集规律: 以东营凹陷古近系沙三下亚段为例* [J]. 古地理学报, 24(4): 759-770.
ZHOU Jinghao, XIAN Benzhong, ZHANG Jianguo, ZHONG Qi, CHEN Peng. (2022). Organic matter enrichment law of lacustrine shale constrained by high resolution cyclostratigraphy: a case study from the lower sub-member of Member 3 of Paleogene Shahejie Formation,Dongying sag[J]. Journal Of Palaeogeography, 24(4): 759-770.   
Doi: 10.7605/gdlxb.2022.04.058
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高频旋回地层约束下的湖相页岩有机质富集规律: 以东营凹陷古近系沙三下亚段为例*
周靖皓1,2, 鲜本忠1,2, 张建国3, 钟骑3, 陈鹏1,2
1 油气资源与探测国家重点实验室(中国石油大学(北京)),北京 102249
2 中国石油大学(北京)地球科学学院,北京 102249
3 中国地质大学(北京)能源学院,北京 100083

通讯作者简介 鲜本忠,男,教授,从事层序地层学、沉积学与储层地质学研究。E-mail: xianbzh@cup.edu.cn。

第一作者简介 周靖皓,男,1997年生,在读硕士研究生,从事沉积学与储层地质学研究。E-mail: zhoujh01@126.com。

收稿日期:2021-09-01 修回日期:2022-01-15
基金资助:*国家自然科学基金项目(编号: 42172109,41872113)、国家重点研发计划(编号: 2018YFA0702405)、中国石油天然气集团有限公司—中国石油大学(北京)战略合作科技专项(编号: ZLZX2020-02)和中石化股份公司项目(编号:P20070-4)联合资助
摘要

与古气候和古环境息息相关的有机质发育特征的高精度预测,是油气地质研究的核心和难点,对中—低勘探程度沉积盆地常规油气或中高勘探程度沉积盆地中非常规油气的高效评价部署具有重要意义。本研究利用旋回地层学、地球化学技术,通过东营凹陷 FY1井古近系沙河街组三段下亚段的高频旋回地层划分和古环境、古气候、有机质地球化学、矿物学分析,探索陆相泥页岩有机质在不同尺度旋回地层中的富集规律。结果表明: ( 1)在东营凹陷古近系沙三下亚段中识别出 2个 1.2 Ma超长斜率旋回、 5个 400 ka长偏心率旋回、 21个 96 ka短偏心率旋回、 42个 51 ka斜率旋回、 103个 19 ka岁差旋回。结合前期研究成果,以 1.2 Ma、 400 ka、 96 ka波形曲线为依据,识别出 2个长期、 6个中期、 21个短期基准面旋回; ( 2)东营凹陷沙三下亚段沉积时期古环境恢复与 TOC数据对比分析证明,古气候演化与有机质富集之间基本同步,均受控于天文旋回,即超长斜率增大或长偏心率增大时期,气候温暖湿润,基准面升高,地层还原性增强,有利于有机质富集; ( 3)有机质的富集主要取决于古气候温暖湿润程度控制的古生产力和湖盆水体深度控制的有机质保存环境,长期与中期尺度旋回对有机质富集的控制程度高于短期旋回,因此在长期、中期尺度上,可以旋回波形曲线为依据进行古环境恢复和富有机质层的厘定。

关键词: 有机质富集; 旋回地层学; 古气候; 东营凹陷; 古近系; 沙三下亚段
中图分类号:TE122.2 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2022)04-0759-12
Organic matter enrichment law of lacustrine shale constrained by high resolution cyclostratigraphy: a case study from the lower sub-member of Member 3 of Paleogene Shahejie Formation,Dongying sag
ZHOU Jinghao1,2, XIAN Benzhong1,2, ZHANG Jianguo3, ZHONG Qi3, CHEN Peng1,2
1 State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting,China University of Petroleum(Beijing), Beijing 102249,China
2 College of Geosciences,China University of Petroleum(Beijing),Beijing 102249,China
3 School of Energy Resources,China University of Geosciences(Beijing),Beijing 100083,China

About the corresponding author XIAN Benzhong,is a professor who mainly engaged in sedimentology and sequence stratigraphy. E-mail: xianbzh@cup.edu.cn.

About the first author ZHOU Jinghao,born in 1997,is a master student in China University of Petroleum,Beijing. Now he is engaged in sedimentology and reservoir geology. E-mail: zhoujh01@126.com.

Fund:Co-funded by the National Natural Science Foundation of China(Nos.42172109,41872113),National Key R & D Program of China(No.2018YFA0702405),Strategic Cooperation Science and Technology Special Project between China National Petroleum Corporation and China University of Petroleum(Beijing)(No.ZLZX2020-02)and Sinopec Group Science and Technology Project(No. P20070-4)
Abstract

The precise prediction of organic matter,which is closely related to palaeoclimate and palaeoenvironment,is the core and difficulty of petroleum geology research. In this study,cyclic stratigraphy and geochemical techniques were used to identify the high-frequency cyclic strata and analyze the palaeoenvironment,palaeoclimate,organic matter geochemistry and mineralogy of the lower sub-member of Member 3 of Shahejie Formation($Es_{3}^{L}$)in Well FY1,Dongying sag. The results show that: (1)Two 1.2 Ma long-term obliquity cycles,five 400 ka long eccentricity cycles,21 short eccentricity cycles of 96 ka,42 obliquity cycles of 51 ka and 103 precession cycles of 19 ka are identified in the $Es_{3}^{L}$ of the Paleogene in Dongying sag. Combined with the previous research results,based on the waveform curves of 1.2 Ma,400 ka and 96 ka,two long-term,six medium-term and 21 short-term base-level cycles were identified. (2)The correlation between the depositional environment of $Es_{3}^{L}$ and TOC data indicates a synchronization between palaeoclimate evolution and organic matter enrichment,which are controlled by the astronomical cycle. During the long obliquity or long eccentricity increased period,the climate become warmer and result in a raised base-level,enhanced reduced environment and favorable environment for organic matter accumulation. (3)The degree of organic matter enrichment depends mainly on the palaeo-productivity controlled by the wet climate and preservation condition controlled by paleo-lake depth. The long-term and medium-term scale cycle has a dominated control on organic matter enrichment. Therefore,the waveform curve of the long-term and medium-term scale cycle can be used to reconstruct the palaeoenvironment and locate the rich organic matter layer.

Key words: organic enrichment; cyclic stratigraphy; palaeoclimate; Dongying sag; Paleogene; lower sub-member of Member 3 of Shahejie Formation

开放科学(资源服务)标志码(OSID)

自北美成功开发页岩油气以来, 页岩油气工业得到了蓬勃发展(张廷山等, 2015)。除了北美和中国南方众多海相页岩油气资源以外(黎茂稳等, 2019), 中国鄂尔多斯盆地三叠系、准噶尔盆地二叠系、松辽盆地白垩系、渤海湾盆地古近系的陆相页岩油气勘探也陆续取得成功(赵文智等, 2020)。其中, 泥页岩层系中有机质含量是影响其储集质量和油气富集程度的关键因素(王智, 2018)。因此, 在页岩油气资源评价和勘探开发目标优选中, 富有机质层系的厘定及有机质的富集规律研究至关重要(姜在兴等, 2014; 赵贤正等, 2018)。

已有研究表明, 泥页岩中有机质的富集受控于古气候、古生产力、古盐度、古氧化还原条件和陆源输入等因素(张慧芳等, 2016; Li et al., 2020; 胡涛等, 2021; Wang et al., 2021)。对于特定地质历史时期的陆相沉积盆地, 其古生产力、古盐度、古水深、古氧化还原条件及母岩风化类型等都与古气候息息相关, 因此古气候常常成为影响其有机质富集的关键。传统的古气候研究依赖于连续的岩心样品和系统的地球化学测试结果。那么, 如何在缺乏系统取心和地球化学测试的地区和层段开展古气候恢复, 如何建立地层旋回与古气候及有机质富集层系的关系, 成为当前制约页岩油气资源评价和目标层系优选的关键。

旋回地层理论为地层相对连续、环境相对封闭的深水泥页岩发育区的高频地层旋回的划分与对比提供了可能(吴怀春等, 2011; 黄春菊, 2014; 石巨业等, 2019), 也为高精度地层格架下有机质富集规律的探索提供了技术支撑。自米兰科维奇提出米氏旋回理论, 到Laskar等建立了地球运行轨道模型(Laskar et al., 2004, 2011), 旋回地层学的理论、方法得到了长足发展。前人针对米氏旋回与有机质富集的研究中(肖强等, 2021; 张喜等, 2021), 缺乏对不同级次旋回地层约束下有机质富集规律的系统研究, 作者拟利用渤海湾盆地东营凹陷古近系沙河街组三段下亚段(沙三下亚段, E s3L)系统取心井地球化学测试结果和测井资料, 开展多级次旋回地层划分, 探索不同级次地层旋回控制下的古环境演化及有机质富集规律, 建立基于测井数据旋回地层分析定量识别古环境、判识有机质富集层段的方法, 为陆相含油气盆地页岩油气资源评价和目标层系优选提供一种简洁、高效的技术支撑。

1 地质背景

东营凹陷位于渤海湾盆地东南部, 是济阳坳陷的次级构造单元, 在构造样式上呈现出“ 北断南超、西断东超” 的箕状断陷盆地样式。该凹陷经历了太古代— 元古代的基底形成期, 古生代— 中侏罗世地台期、晚侏罗世— 白垩纪裂陷期、古近纪断陷期和新近纪拗陷期5个构造演化阶段(刘建平, 2016)。其中古近纪断陷期又可分为孔店组— 沙四下亚段的断陷初期, 沙四上— 沙二下亚段的强烈断陷期, 沙二上亚段— 东营组断陷萎缩期(盛文波等, 2008)。本次研究的古近系沙三下亚段, 处在湖盆强烈断陷期。该时期湖盆水体迅速加深, 整体为深水— 半深水的沉积环境, 北部陡坡发育有大量湖底扇沉积体系, 东部发育了初始的东营三角洲, 湖盆中心存在浊流沉积(图1)。沙三下亚段整体为一套深灰色泥页岩, 夹少量砂岩、碳酸盐岩薄层(逄淑伊等, 2019; 刘惠民等, 2020), 该时期气候由温暖湿润向寒冷干燥转变, 湖盆水体由咸转淡(石巨业, 2018)。

图1 东营凹陷综合地质背景图Fig.1 Comprehensive geological background map of Dongying sag

本次研究的FY1井位于东营凹陷西南部的博兴洼陷, 该井自上而下钻遇了东营组、沙河街组, 完钻于沙四下亚段。沙三下亚段是东营凹陷内陆相页岩最为发育的层段之一, 该井沙三下亚段以油页岩、泥岩、钙质泥岩为主, 沉积连续性好, 厚度达200 m。

2 数据与方法

FY1井沙三下亚段可用数据包括深度3051.1~3250.9 m、采样间隔0.125 m的自然伽马(GR)、声波时差(AC)和密度(DEN)等测井数据和该段内93块岩石样品的总有机碳、常量元素、微量元素、矿物含量等数据。其中, 测井数据由胜利油田测井公司采集, 所有岩石样品的分析测试由胜利油田勘探开发研究院完成。研究中在实测总有机碳含量(TOC)标定下使用Δ logR方法(Zhao et al., 2017)计算TOC。首先, 基于白云石、陆源碎屑(长石+石英)、Fe/Mn、黄铁矿等数据定量恢复了古气候与水体还原性, 再与TOC对比, 分析古气候、古环境对有机质富集的影响; 然后, 利用测井资料旋回地层分析结果, 分析泥页岩中有机质富集、古环境与各级次旋回地层之间的关系, 总结湖相沉积盆地中有机质富集规律, 建立基于旋回地层分析的有机质预测方法。其中, 测井数据的旋回地层分析是基础。首先, 需要对天文轨道的理论模型进行解析, 获取目的层所处地质时期的天文参数周期; 然后, 完成深度域测井资料的时间序列分析, 将数据序列由深度域转换到频率域, 并根据频率域的能量强度与置信水平识别由天文轨道参数控制的频率信号(Weedon, 2003; 吴怀春等, 2011)。采用Acycle软件进行旋回地层相关数据分析(Li et al., 2019)。该软件集成了Laskar等的天文轨道解决方案和一系列常用的数据处理程序, 包括了去趋势(detrending)、相关系数分析(correlation coefficient)、频谱分析(spectral analysis)、滑动频谱分析(evolutionary spectral analysis)、滤波(filtering)等多种功能(Li et al., 2019), 具备功能集成度高、操作流程简单、方法新颖多样等多项优势。

本次研究中, 使用局部回归平滑方法来消除长期趋势, 实现原始数据序列去趋势分析; 通过零假设的显著性检验和蒙特卡洛迭代来获取在米兰科维奇旋回控制下的最佳平均沉积速率(Li et al., 2018), 从而约束旋回地层厚度, 减小在频谱分析中的人为主观因素; 再使用多窗口方法(MTM, Multi-taper method)将深度域的数据序列转换到频率域, 进行频谱分析获取米兰科维奇信号控制下的实际旋回地层厚度; 通过快速傅立叶变换方法(FFT, Fast-Frisher Transform)生成滑动频谱图, 分析各信号在深度域数据列中的变化情况, 以识别沉积间断; 通过带通滤波(Bandpass Filter)在深度域数据序列中提取出代表各天文参数变化周期的波形曲线。

3 旋回地层分析
3.1 理论天文周期分析

理论天文周期, 包括了超长偏心率周期、超长斜率周期、长偏心率周期、短偏心率周期、斜率周期、岁差周期等6级尺度。偏心率(eccentricity)是指地球绕太阳公转轨道的椭圆程度; 斜率(tilt)是指地球自转轴倾角, 即黄道面与赤道面夹角; 岁差(precession)是指地球的进动, 即地球自转轴绕黄道轴的旋转运动(吴怀春等, 2011)。天文参数的周期性变化, 是旋回地层分析的基础, 需要通过地球轨道的理论数学模型获取目的层所处地质时期的各参数周期后, 才能进行基于实际地质资料的地层分析。

前人研究表明, 东营凹陷沙三下亚段底界绝对年龄为42.4 Ma, 沉积持续时约为2 Ma(姚益民等, 2002)。据此, 通过Acycle软件获取了La2004天文轨道解决方案中39~43 Ma之间的ETP(偏心率, 斜率和岁差)数据(图2-b), 并使用MTM方法对ETP数据进行频谱分析。在功率谱图中识别出代表天文轨道参数周期的频率信号, 分别是长偏心率E: 0.0024994(400 ka); 短偏心率e1: 0.007998(125 ka), e2: 0.010447(96 ka); 斜率O1: 0.019445(51 ka), O2: 0.025244(39 ka); 岁差P1: 0.043089(23 ka), P2: 0.045539(22 ka), P3: 0.053537(19 ka)(图2-a)。据此计算偏心率、斜率、岁差周期的比值表, 可知理论天文轨道参数周期近似满足21.42︰6.69︰5.12︰2.75︰2.12︰1.24︰1.18︰1(表1)。对ETP数据的滑动频谱分析显示(图2-c), 在39~43 Ma之间, 存在着8条亮色条带代表了各旋回周期频率信号, 且亮色条带连续性好, 变化小, 指示了这一时期各天文参数周期的稳定性。另外, 据研究, 超长偏心率周期与超长斜率周期具备极高的稳定性, 分别是2.4 Ma、1.2 Ma(吴怀春等, 2011; 黄春菊, 2014)。

图2 东营凹陷39~43 Ma期间ETP数据频谱与滑动频谱分析
(a)MTM方法频谱图; (b)ETP曲线; (c)FFT方法滑动频谱Fig.2 Spectral analysis and evolutionary spectral analysis of ETP data during 39~43 Ma in Dongying sag

表1 东营凹陷39~43 Ma期间理论天文周期比值 Table1 Ratios of theoretical astronomical periods during 39~43 Ma in Dongying sag
3.2 基于测井数据的旋回地层分析

3.2.1 去趋势处理

经过多种方法试验, 本次研究最终采用rLOWESS(鲁棒局部回归平滑)方法, 窗口长度选用70.35, 消除了FY1井沙三下亚段自然伽马测井(GR)原始数据序列中的长期趋势, 使得数据序列均值为0。去趋势后的GR最大值为29.25438, 最小值为-20.7529(图3)。

图3 东营凹陷FY1井沙三下亚段GR曲线去趋势分析Fig.3 Detrending analysis of GR curve of the lower sub-member of Member 3 of Shahejie Formation of Well FY1 in Dongying sag

3.2.2 相关系数分析

本研究采用相关系数分析(COCO)对去趋势后的GR数据进行零假设显著性检验, 以确定FY1井沙三下亚段在米兰科维奇旋回控制下的最佳平均沉积速率。采用Pearson方法, 实验沉积速率范围设置为1~20 cm/ka之间, 实验间隔设置为0.1 cm/ka, 蒙特卡洛迭代次数设置为5000次, 尼奎斯特频率(Nyquist frequency)设置为5, 去除鲁棒红噪模型。结果显示, 9.9 cm/ka的沉积速率相关系数最高, 零假设的显著性最低(图4), 因此判定9.9 cm/ka是FY1井沙三下亚段在米兰科维奇旋回控制下的最佳平均沉积速率。本次研究的最佳平均沉积速率, 与石巨业等(2019)等人采用ASM方法的研究结果10.8 cm/ka有所出入, 这可能与所使用的气候替代性指标数据以及分析方法不一样有关, 但整体来讲差别较小。

图4 东营凹陷FY1井沙三下亚段GR数据相关系数分析Fig.4 Correlation coefficient analysis of GR data of the lower sub-member of Member 3 of Shahejie Formation of Well FY1 in Dongying sag

3.2.3 频谱分析与滑动频谱分析

在鲁棒红噪模型Robust AR(1)下, 采用MTM方法, 对去趋势后的GR数据进行频谱分析。功率谱图显示, 在99%置信率曲线之上, 存在多个能量较强的峰值。识别出频率0.023869、0.080557、0.098548、0.1999、0.25062、0.41174、0.4356、0.5092, 它们代表的地层厚度约为41.90 m、12.41 m、10.15 m、5.00 m、3.99 m、2.43 m、2.30 m、1.96 m(图5-a), 比值约为为21.38︰6.33︰5.18︰2.55︰2.04︰1.24︰1.17︰1, 与天文周期理论比值接近, 且满足比值10%的误差要求(金之钧等, 1999), 因此可以将这套地层厚度视为400 ka长偏心率E、125 ka短偏心率e1、96 ka短偏心率e2、51 ka斜率O1、39 ka斜率O2、23 ka岁差P1、22 ka岁差P2、19 ka岁差P3等天文参数控制下的地层厚度, 这表明东营凹陷沙三下亚段中良好地记录了米兰科维奇旋回。由地层厚度/周期确定的平均沉积速率在9.8~10.6 cm/ka之间, 与之前相关系数分析得到9.9 cm/ka最佳平均沉积速率契合度较高, 说明所识别的频率信号是准确的。

图5 东营凹陷FY1井沙三下亚段GR数据频谱与滑动频谱分析
a— MTM方法频谱图; b— 趋势GR曲线; c— FFT方法滑动频谱图Fig.5 Spectral analysis and evolutionary spectral analysis of GR data of the lower sub-member of Member 3 of Shahejie Formation of Well FY1 in Dongying sag

通过FFT方法获得的滑动频谱图显示, 长偏心率信号在深度域中连续性较好, 但在3170 m、3200 m出现了右偏(图5-c), 表明沉积速率的减小, 旋回周期控制的地层厚度减薄。其他旋回信号的亮色条带连续性也较好, 在滑动频谱图中未发现明显错断、揭示了FY1井沙三下亚段整体沉积连续性较好, 沉积速率变化小的特点。

前人的研究表明, 东营凹陷古近系页岩地层中记录了地球轨道的超长周期信号(石巨业, 2018), 即超长偏心率周期和超长斜率周期。通过时间比值与沉积速率约束, 本次研究在频谱图中识别出了0.0076592(125 m)作为1.2 Ma超长斜率周期信号(图5)。

3.2.4 滤波与沉积旋回划分

鉴于FY1井沙三下亚段整体沉积连续性较好, 本次研究未进行分段处理。对FY1井的滤波结果显示, FY1井沙三下亚段存在着2个1.2 Ma超长斜率旋回、5个400 ka长偏心率旋回、21个96 ka短偏心率旋回、42个51 ka斜率旋回、103个19 ka岁差旋回。表明沙三下亚段的沉积持续时间约为2 Ma, 这与前人对该地层的定年结果基本一致。

前人研究指出, 基准面旋回与米兰科维奇旋回具有较好的时限对应关系(毛凯楠等, 2012; 翁雪波, 2017)。由于滤波曲线与GR测井曲线的正相位关系, 可在单井上以滤波曲线为参考划分基准面旋回(石巨业等, 2019)。基准面旋回级次分为巨旋回、超长期、长期、中期、短期、超短6个级次, 其中长期旋回时限1.6~5.25 Ma, 中期旋回时限0.2~1 Ma, 短期旋回时限0.04~0.16 Ma(郑荣才等, 2001)。据此, 本研究参考1.2 Ma、400 ka、96 ka周期波形曲线, 将FY1沙三下亚段划分为2个长期旋回(LSC1、LSC2)、6个中期旋回(MSC1、MSC2、MSC3、MSC4、MSC5、MSC6)、21个短期旋回。从结果来看, 长期旋回LSC1、LSC2和中期旋回MSC1、MSC6不完整(图6)。

图6 东营凹陷FY1井沙三下亚段旋回地层划分、古环境恢复、有机质富集综合柱状图Fig.6 Comprehensive histogram of stratigraphic division, palaeoenvironment restoration and organic matter enrichment of the lower sub-member of Member 3 of Shahejie Formation of Well FY1 in Dongying sag

4 沉积环境分析

有机质的富集离不开沉积环境的变化(张慧芳等, 2016; 陈果, 2019)。据米氏旋回理论, 地球轨道的周期性变化引起日照量变化, 从而改变沉积环境(吴怀春等, 2011), 因此米氏旋回间接控制有机质富集。本次研究通过主量元素和微量元素数据、矿物分析数据, 结合米兰科维奇旋回曲线与基准面旋回, 分析了在高频旋回地层约束下的沉积环境响应, 从而探讨旋回地层与沉积环境、有机质富集的关系。

4.1 古环境参数响应

4.1.1 古气候

有机质的生成取决于藻类的生产力, 在温暖气候下, 藻类勃发, 能够生成更多的有机质, 有利于有机质的富集(胡涛等, 2021)。白云石含量常伴随气温升高而增加; 陆源碎屑(长石+石英)含量增多则代表了风化作用的增强, 间接代表了较为更加湿润的气候(石巨业, 2018)。FY1井沙三下亚段700余个XRD矿物分析显示, 白云石含量最高70%, 最低1%, 平均值为7.2%; 陆源碎屑含量最大52%, 最小6.5%, 平均值为26.5%。在保证数据整体特征与趋势不变的情况下, 使用resform软件对各古环境指标进行抽稀显示, 抽稀后白云石显示最高含量约为20%, 陆源碎屑含量最高约为39%。在旋回地层约束下对白云石、陆源碎屑数据进行分析, 自下而上显示出2次长期尺度的周期变化以及5次中期尺度的周期变化。这样的周期变化规律与1.2 Ma超长斜率滤波曲线、400 ka长偏心率滤波曲线保持极好的正相位关系(图6); 即滤波曲线波峰附近, 白云石、陆源碎屑含量较高, 指示气温上升、降雨增多风化增强、更加温暖湿润的古气候条件; 在滤波曲线波谷附近, 则表现为较低的白云石与陆源碎屑含量, 指示气温下降、降雨减少风化减弱、更加寒冷干燥的古气候条件。

4.1.2 古氧化还原

水体的氧化还原条件决定着有机质的保存(胡涛等, 2021)。本次研究采用Fe/Mn值、黄铁矿含量等指标恢复了沙三下亚段的水体氧化还原性, 通常Fe/Mn值、黄铁矿含量越高代表水体还原性越强。FY1井沙三下亚段Fe/Mn值最高162, 最低18.9, 平均值为46.6; 黄铁矿含量最高42%, 最低1%, 平均值为3.4%; 经过抽稀显示后, Fe/Mn值最高约为135, 黄铁矿含量最高约为7%。通过在旋回地层约束下对Fe/Mn值、黄铁矿数据进行分析, 自下而上显示出与前述古气候参数白云石、陆源碎屑近乎一致的2次长期变化与5次中期变化, 即在滤波曲线波峰附近数值较高, 在波谷附近数值较小(图6)。这表明在1.2 Ma超长斜率滤波曲线、400 ka长偏心率滤波曲线波峰附近湖盆水体还原性增强, 在波谷附近还原性减弱。

4.2 沉积环境划分

通过前述对各古环境指标的趋势分析, 明确了各指标均在1.2 Ma、400 ka滤波曲线波峰附近出现较高值, 在波谷附近出现较低值, 这一结果与孙善勇等(2017)对牛页1井沙四上亚段的气候旋回研究保持了一致, 揭示了天文旋回控制着东营凹陷始新世的气候变化与沉积环境变化。结合前述对FY1井沙三下亚段沉积旋回的分析, 明确了气候指标的变化趋势与定量沉积旋回划分保持了极高的关联性, 即基准面上升, 气温上升、降雨增加、风化增强, 更加湿润, 水体还原性增强。 这是由于气候变得更加温暖湿润时带来的降雨增多, 使得封闭的湖盆水位上升, 还原性增强(Liu et al., 2020)。

基于以上认识, 本次研究以滤波曲线半幅点为界, 定量划分了东营凹陷沙三下亚段时期的古环境。半幅点右侧, 即波形曲线波峰附近, 白云石、陆源碎屑、Fe/Mn、黄铁矿等环境还原指标数值较高, 代表了气温较高、降雨较多、水体还原性较强的古环境, 将其定义为温暖湿润强还原环境; 半幅点左侧, 即波形曲线波谷附近, 各环境还原指标数值较低, 代表了气温较低、降雨较少、水体还原性较弱的古环境, 将其定义为寒冷干燥弱还原环境。用上述方法, 在1.2 Ma超长斜率控制的长期尺度上, 划分出了2期“ 寒冷干燥弱还原— 温暖湿润强还原” 的环境演化; 在400 ka长偏心率周期控制的中期尺度上, 划分出5期“ 寒冷干燥弱还原— 温暖湿润强还原” 的环境演化(图6)。

在由96 ka短偏心率控制的短期尺度, 甚至在更小的尺度上, 虽然在图件中能够看到环境还原指标的部分较大值对应了波形曲线的波峰, 但是受限于采样间隔、样品深度还原等因素, 难以在短期尺度上开展上述规律性总结。因此, 笔者认为在中期、长期, 甚至更大的尺度上, 对无取心、无地质样品、无分析化验数据的钻井, 通过对测井数据进行旋回地层分析, 可以在纵向上定量地划分古环境, 明确古环境自下而上的垂向演化。

5 旋回地层约束下有机质富集规律

FY1井沙三下亚段实测总有机碳含量TOC最高8.83%, 最低1.18%, 平均值为2.658%。为更加清晰地显示数据在垂向上的趋势, 在图6中将显示范围设置为1.5%~4.5%, 个别高值未能显示。此外, 通过Δ logR方法计算了TOC曲线, 与实测TOC趋势基本一致, 相互印证表明东营凹陷沙三下亚段有机质含量整体处在一个较高的水平。实测TOC相比于计算TOC变化幅度大, 趋势更明显, 本次研究通过对实测TOC的变化趋势分析, 明确了其对天文旋回的响应规律。结果表明, 实测TOC在自下而上呈现出2期长期变化、5期中期变化(图6)。这样的变化趋势与1.2 Ma超长斜率、400 ka长偏心率波形曲线保持了极高的一致性。通常来讲, 有机质的富集与沉积环境密切相关, FY1井实测TOC的变化趋势与环境还原指标保持了一致, 这就说明东营凹陷沙三下亚段有机质的富集直接受控于沉积环境的变化, 而沉积环境的变化受控于天文旋回。换言之, 东营凹陷沙三下亚段的有机质富集受控于天文旋回。

在中晚始新世, 地球气候由温暖向寒冷转变, 这一过程在东营凹陷古近系沉积地层中得到了良好的记录。据前人研究, 东营凹陷沙三下亚段时期气候整体变得寒冷干燥。本次研究使用到的古环境还原指标也显示了同样的规律, 但是其中的波动与天文参数的周期性变化关系密切。本次研究总结出的趋势变化, 在长期尺度上, 主要是由于地轴斜率增大、北半球受到的光照增强(黄春菊, 2014; 孙善勇等, 2017), 从而导致特定时期内的气温上升, 使得东营凹陷所处的环境变得更加温暖湿润, 藻类生产力提高, 降雨增多, 湖盆水体上升, 还原性增强, 使得有机质更加富集; 在中期尺度上, 偏心率增大, 地球公转轨道变得更接近椭圆, 近日点离太阳更近, 地球整体受到的日照增强(孙善勇等, 2017), 从而使得气候变得更加温暖湿润, 湖盆内有机质更加富集。

基于上述认识, 以波形曲线半幅点为界, 定量划分了“ 富有机质层” 与“ 含有机质层” , 划分结果与前述古环境划分保持一致, 即长期尺度上分2期“ 富— 含有机质层” , 中期尺度上分5期(图6)。同样的, 短期甚至更小的尺度上, 由于采样精度和样品深度还原等各种原因, 难以总结相关规律, 即短期尺度上的划分可信度较低。

6 结论

有机质含量是页岩油气储集层品质评价中的重要内容, 也是页岩油气甜点预测中的重点指标。掌握有机质的富集规律, 对于寻找富有机质层段、降低页岩油气开发成本具有重要意义。本次研究通过取心井进行旋回地层分析, 定量划分了东营凹陷沙三下亚段沉积旋回, 结合古环境恢复参数与TOC数据, 明确了沉积环境、有机质富集对天文旋回的响应, 得到了以下结论和认识:

1)东营凹陷古近系页岩完好地记录了米兰科维奇旋回, 最佳平均沉积速率为9.9 cm/ka, 在其约束下于沙三下亚段识别出2个1.2 Ma超长斜率旋回、5个400 ka长偏心率旋回、21个96 ka短偏心率旋回、42个51 ka斜率旋回、103个19 ka岁差旋回; 并以1.2 Ma、400 ka、96 ka滤波曲线为约束, 定量划分了长期旋回(LSC1-LSC2)、中期旋回(MSC1-MSC6)、短期旋回。

2)对古环境恢复指标与总有机碳含量数据在垂向上进行趋势分析, 各环境指标与TOC数据在长期趋势均显示2次自下而上的周期变化, 在中期趋势上显示了5次自下而上的周期变化, 与1.2 Ma超长斜率、400 ka长偏心率波形曲线保持了较高一致性, 表明天文旋回控制了东营凹陷沙三下沉积时期的环境变化, 进而控制了有机质的富集。即斜率越大或偏心率越大, 受到日照越强, 气候变得更加温暖湿润, 藻类生产力增强, 降雨增多, 湖盆基准面升高, 水体还原性增强, 有机质更加富集。

3)鉴于古环境指标与TOC数据对天文旋回的响应规律, 提出以波形曲线半幅点为界限, 在不同尺度上定量划分古环境与富有机质层段的方法。即在长期尺度上以1.2 Ma超长斜率滤波曲线作为划分依据, 在中期尺度上以400 ka长偏心率滤波曲线作为划分依据, 可以定量地识别划分富有机质层段, 划分结果与实测数据保持了较好的相关性, 证明可靠性较强。

(责任编辑 郑秀娟; 英文审校 徐 杰)

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