海中凹陷是北部湾盆地二级构造单元北部坳陷的一个三级构造单元。北部湾盆地北与粤桂隆起相接, 东、南均与海南隆起区相邻, 西与莺歌海盆地相接, 基底由古生界粤桂隆起区和中生界海南隆起区组成, 是一个古近纪NEE向展布的陆内裂谷盆地, 面积约为3.8× 10⁴ km²(李友川等, 2020)。以古近纪张裂阶段形成的构造格局为划分依据, 平面上将北部湾盆地划分为3个二级构造单元: 北部坳陷、企西隆起和南部坳陷, 盆地构造格局整体呈“ 两坳夹一隆, 多凹多凸相间排列” 的特点(武龙发等, 2023)。

北部坳陷以涠西南断裂为北部边界, 北邻万山隆起, 南邻企西隆起, 自北向南进一步划分为涠西南凹陷、涠西南低凸起、海中凹陷等三级构造单元(图 1-a), 形成“ 凹— 凸— 凹” 的构造格局(颜世永等, 2020)。

图 1

Fig.1

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	图 1 北部湾盆地海中凹陷及周边构造单元划分与构造断面图(据李春荣等, 2012; 武龙发等, 2023; 修改) a— 构造单元划分图; b— 构造断面图, 断面位置见图bFig.1 Tectonic unit division and tectonic section of the Haizhong sag and its surrounding areas in Beibuwan Basin (modified from Li et al., 2012; Wu et al., 2023)

海中凹陷位于北部坳陷西南部, 为一北断南超的箕状凹陷, 面积约为3694 km², 总体上表现为近东西向展布的简单半地堑, 根据构造特征, 自北向南划分为北部陡坡带、洼槽带、南部缓坡带, 洼槽带包括西洼、东洼2个单元, 是北部湾盆地勘探程度较低的凹陷之一(图1-b)。从南北向剖面看, 海中凹陷呈双层结构, 下部古近系呈半地堑结构, 上部新近系呈坳陷结构(赵志刚等, 2013)(图1-c)。

海中凹陷基底为中、古生代碳酸盐岩和变质岩, 上部充填沉积了3套地层: 古近系陆相沉积、新近系海相沉积、第四系灰黄色砂层及灰色黏土(胡爱玉, 2017)。古近纪陆相地层划分为长流组、流沙港组、涠洲组。涠洲组分为涠四段至涠一段, 其中涠四段、涠三段沉积时期辫状河三角洲河道砂体发育, 岩性组合为厚层灰色砂岩夹杂色泥岩; 涠二段以大套灰色砂岩为主, 局部夹薄层杂色泥岩; 涠一段岩性主要为杂色泥岩与灰色砂岩互层(武龙发等, 2023)(图 2)。

图 2

Fig.2

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	图 2 北部湾盆地海中凹陷地层综合柱状图(据杨希冰, 2016; 修改)Fig.2 Comprehensive stratigraphic column of Haizhong sag in Beibuwan Basin(modified from Yang, 2016)

盆地的演化划分为断陷(张裂)和坳陷(裂后)2个期次、4个阶段— — 断陷I幕、断陷Ⅱ 幕、断陷Ⅲ 幕及坳陷沉降阶段(徐建永等, 2011; 陈梅等, 2019)。断陷I幕为长流组沉积时期, 该时期为初始断陷期, 在北西向区域拉张应力的作用下, 产生了北东向的控盆边界断裂— — 涠西南大断裂, 同时在盆地内部形成多条二级控凹边界断裂— — 一号断裂、三号断裂等; 断陷Ⅱ 幕为流沙港组沉积时期, 该时期一号和三号断裂开始活动, 北西向左旋扭动应力开始作用; 断陷Ⅲ 幕为涠洲组沉积时期, 此期张应力继续旋转至近南北向, 北西向左旋扭动应力持续增强; 坳陷沉降阶段发生于新近系, 此时断裂基本不再活动, 盆地整体接受裂后热沉降(李上卿等, 2012; 武龙发等, 2023)(图 2)。

二级层序界面主要通过地层形态与接触关系识别。在地震上识别、追踪出2个二级层序界面(T2、T4), 分别为流沙港组与涠洲组分界面(底界面T4)和涠洲组与下洋组分界面(顶界面T2)。根据地层几何形态与接触关系特征上的表现差异分析, T2为显著削截类型界面, 该界面的下部地层可以识别出明显被削截的现象; T4为上超+微弱削截类型界面, 该界面上部地层上超明显且下部地层有微弱的削截现象(图 3)。

图 3

Fig.3

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	图 3 北部湾盆地海中凹陷二、三级层序界面地震响应特征Fig.3 Seismic response characteristics of the second-order and third-order sequence boundaries in Haizhong sag, Beibuwan Basin

根据地层几何形态与接触关系(上超与下超)在地震资料中识别出5个三级层序等时界面(T31、T31'、T32、T33和T33')。依据地层几何形态与接触关系特征上的表现差异, 划分为上超与下超-振幅强度差异2个类型。T31、T32和T33'为上超类型界面, 该类型界面上部地层出现明显的上超现象; T31'与T33为下超-振幅强度差异类型界面, 该类型界面的上部地层有明显的下超现象, 且界面上下的振幅强度存在着差异(图 3)。

层序界面在测井上的响应通常为岩性突变面与岩相突变面, 由富泥组合变为富砂组合, 形成局部冲刷面。层序界面为岩性突变面时, 其上下通常为不同的岩性。如WZ17-2-1井SQ8与SQ7三级层序之间的层序界面T31', 该界面处岩性由泥岩突变为砂岩(图 4-a)。层序界面为岩相突变面时, 其上下的岩相存在明显不同并处于不同的沉积亚相中。如WZ14-2-2井SQ9与SQ8三级层序之间的层序界面T31, 该界面上部的SQ9三级层序中岩性为砂砾岩与含砾砂岩, 而下部SQ8三级层中则为完全不含砾的砂岩, 属于完全不同的岩相, SQ9三级层序为扇三角洲平原亚相, SQ8三级层序则为辫状河三角洲平原亚相(图 4-b)。

图 4

Fig.4

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	图 4 北部湾盆地海中凹陷三级层序界面测井响应特征 a— T31′岩性突变面; b— T31岩相突变面Fig.4 Logging response characteristics of the third-order sequence boundaries in Haizhong sag, Beibuwan Basin

2005年国外出现可以对井中的层序地层进行识别研究的一种测井曲线趋势的频谱分析方法— INPEFA测井曲线分析技术, 并推出了相应软件(Djin et al., 2005)。INPEFA曲线正趋势代表着泥质含量的增加, 负向拐点代表着可能的洪泛面; 负趋势代表着泥质含量的减少, 正向拐点代表着可能的层序界面(路顺行等, 2007; 朱剑兵, 2012; 陈树光等, 2015; 薛欢欢等, 2015; Yuan et al., 2018)。

以涠洲组顶底界深度作为处理窗口的起止长度, 对海2井自然伽马曲线(GR)进行积分处理得到INPEFA曲线。应用GR-INPEFA曲线对涠洲组的层序界面的级次进行识别与划分, 从而实现基准面约束下的地层划分与对比。以海二井SQ6三级层序GR-INPEFA为例, SQ6底界面(SB6)为正向拐点, 代表了砂质含量高于预测值向泥质含量高于预测转变的趋势, 表明该时期应属基准面下降向基准面上升转换的阶段, 代表了可能的层序界面; LST与TST为正趋势, 代表基准面上升旋回, 自下而上粒度由细变粗; mfs处为负向拐点, 代表最大湖泛面; HST为负趋势, 代表基准面下降旋回, 自下而上粒度由粗变细。涠洲组整体划分出6个三级层序, 13个四级层序(图 5)。

图 5

Fig.5

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	图 5 北部湾盆地海中凹陷海2井涠洲组高分辨率层序划分Fig.5 High-resolution sequence division of Well H2 of Weizhou Formation in Haizhong sag, Beibuwan Basin

20世纪80年代地球物理学家Morlet在分析处理地球物理信号时首先提出小波分析的概念, 后来称之为小波变换(Wavelet Transform)。小波变换被誉为“ 数学显微镜” , 在信号处理、图像处理及众多非线性科学领域中都有着广泛的应用, 是目前国际上公认的最新的时间— 频率分析工具(Daubechies, 1990; 杨福生, 1999; 孙延奎, 2005; Kadkhodaie and Rezaee, 2017)。

通过自动伸缩、平移, 小波分析可以把信号分解成不同的尺度成分, 进而将信号划分为不同周期旋回。在测井曲线中, GR曲线可以反映泥质含量变化, 能提取所测地层的旋回性、周期性等特征, 因此选取GR曲线进行小波变换(高迪等, 2012; 高达等, 2016; 辛福东等, 2018)。经过小波变换处理后, 能够直观反映GR曲线的频率结构, 并显示各个频率段之间的突变点或突变区域, 揭示了不同周期和频率的地层旋回及基准面变化(李江涛等, 2005; 李凤杰和王多云, 2006; 房文静, 2007; Li et al., 2013; 周亚伟等, 2021)。并且小波变换通过GR曲线可以与米氏旋回联系起来对地层进行精细定年从而提高地层分辨率(金之钧等, 1999)。

离散小波变换曲线GR-Dmey依靠小波的时— 频分析功能可以反映砂泥相对含量沿垂向的周期变化规律和变化频率。在连续小波变换得到的时频谱图中, 一个长期的沉积旋回变化自下而上其能量团尺度逐渐减小再增大, 其颜色由暖色调逐渐变为冷色调再变为暖色调(Thomson, 1982; Prokoph and Barthelmes, 1996; 李庆谋和刘少华, 2002; 刘贤等, 2022)。

以涠洲组顶底界深度作为处理窗口的起止长度, 对海2井的GR曲线进行离散小波变换和尺度因子a=512的连续小波变换。以细节信号曲线d=11、d=8、d=7分别划分出13个长期旋回、37个中期旋回、110个短期旋回, 分别对应四、五、六级层序, 并且在研究区WZ17-2-1井、海1井、WZ14-2-1井中划分旋回与海二井基本保持一致(图 6)。以涠一段SQ9三级层序为例, 小波曲线d11最低值处发育大套砂岩, 对应时频谱图较大能量团, 最大值处发育砂泥互层, 泥质含量高, 对应时频谱图较小能量团, d8、d7整体呈现波峰、波谷频繁交替但异常震荡显著, 且异常震荡处对应d11的最大值或最小值, 这些现象与INPEFA曲线具有很好的耦合性, 说明利用小波变换进行层序地层研究是可靠的(图 5)。

图 6

Fig.6

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	图 6 北部湾盆地海中凹陷涠三段、涠四段东西向高分辨率层序地层连井对比Fig.6 High-resolution sequence stratigraphic correlation across well of the Members 3 and 4 of Weizhou Formation of Haizhong sag, Beibuwan Basin in east-west direction

岩心剖面具有高分辨特征, 能够从短期旋回开始识别。在岩心剖面上常用的指示短期基准面旋回的标志包括: 岩性、岩相突变; 河床滞留沉积; 砂、泥岩厚度的旋回性变化。岩心超短期旋回识别的标志主要有小型冲刷面、非沉积作用间断面、相似岩性和岩相组合的分界面。

目前研究区仅有海一井1口井取心, 取心段为涠二段、涠四段, 通过岩心观察, 共识别出块状层理、板状交错层理、槽状交错层理、平行层理、沙纹层理、水平层理、植物化石、生物潜穴7种沉积构造。海1井的第1回次取心(1908.72~1917.15 m)岩性主要为砂岩及粉砂岩, 短期旋回可以划分为2次正旋回, 超短期旋回以正旋回为主并夹杂着2次逆旋回, 含有沙纹层理、槽状交错层理、板状交错层理, 反映了河流或三角洲单向流水的沉积作用(图 7-a); 第2回次取心(3382.36~3388.54 m)岩性主要为大段泥岩夹杂粉砂岩, 观察到生物潜穴、水平层理以及众多的沙纹层理, 砂岩与泥岩厚度具有旋回性变化, 短期旋回为两次半的逆旋回, 超短期旋回以逆旋回为主, 短期旋回与超短期旋回主要体现了滨浅湖相的特点(图 7-b)。

图 7

Fig.7

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	图 7 北部湾盆地海中凹陷海1井岩心短期、超短期旋回分析 a— 第1回次取心; b— 第2回次取心Fig.7 Core short-term and ultra-short-term cycle analysis of Well H1 in Haizhong sag, Beibuwan Basin

沉积层序受控于构造沉降、物源供给、湖平面升降与古气候, 海中凹陷为断陷湖盆, 涠洲组处于断坳转换期, 多数情况下构造沉降作用起主导作用, 物源未推进至凹陷中心, 因此多数层序不发育低位体系域, 层序下部无明显富砂; 仅在涠三段SQ6三级层序, 湖平面升降与物源供给起主导作用, 发育低位体系域, 初始湖泛面明显, 层序下部有明显富砂。并且海中凹陷为幕式断陷, 陡坡带的物源供给随着3号断裂下降盘的幕式沉降具有滞后性, 当下降盘沉降时缺乏陡坡带物源供给, 因此部分层序仅从缓坡提供物源(图 8)。

图 8

Fig.8

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	图 8 北部湾盆地海中凹陷四级层序地层格架(剖面位置见图 1, BB′) a— 地震素描剖面; b— 地震相剖面; c— 沉积相剖面Fig.8 Fourth-order sequence stratigraphic framework in Haizhong sag, Beibuwan Basin(Profile position is shown in Fig.1-b, BB')

在地震剖面二、三级层序界面以及测井层序界面识别的基础上, 通过最大熵谱分析、小波变换分析进行高级别层序界面及旋回分析, 根据基准面旋回, 将三级层序以基准面上升旋回与下降旋回转换面(最大湖泛面)为界分为湖侵体系域(TST)和高位体系域(HST), 仅在涠三段SQ6三级层序发育低位体系域(LST)、湖侵体系域(TST)和高位体系域(HST)的三分体系域模式, 将海中凹陷涠洲组划分为1个二级层序, 包括6个三级层序和13个四级层序(图 8)。

沉积层序主要由全球性海平面变化所产生, 具有明显的周期性, 根据Vail等人(1991)的研究成果, 二级超层序平均时限为9~10 Ma, 三级层序平均时限为0.5~5 Ma。涠洲组顶底界面均为角度不整合, 年代跨度约8.5 Ma, 划分为1个二级层序; 涠一段SQ9年代跨度约2.5 Ma, 涠二段SQ8、SQ7年代跨度均约1.5 Ma, 涠三段SQ6、涠四段SQ5、涠四段SQ4年代跨度均约1 Ma, 与二级、三级层序平均时限相吻合; 根据基准面旋回划分的涠洲组13个四级层序时限约0.3~1.25 Ma, 与较长的米兰柯维奇旋回周期一致, 米兰柯维奇旋回的偏心率周期为0.1~1.3 Ma(Goldhammer et al., 1990; Schwarzacher, 1993; 王鸿祯和史晓颖, 1998)。