李阳. (2025). 鄂尔多斯盆地南缘旬探1井奥陶系天文旋回信号提取及三级层序的判识* [J]. 古地理学报, 27(1): 209-224.
LI Yang. (2025). Extraction of astronomical cycle signals and identification of third-order sequences in the Ordovician of Well XT1, southern margin of Ordos Basin[J]. Journal Of Palaeogeography, 27(1): 209-224.   
Doi: 10.7605/gdlxb.2025.014
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鄂尔多斯盆地南缘旬探1井奥陶系天文旋回信号提取及三级层序的判识*
李阳
中国石油辽河油田分公司,辽宁盘锦 124010

作者简介 李阳,男,1988年生,2022年毕业于西南石油大学获博士学位; 现为在站博士后,主要从事沉积储集层及数据挖掘相关研究。E-mail: 7891235@qq.com。

收稿日期:2024-02-29 修回日期:2024-10-14
基金资助:*辽宁省自然科学基金计划项目(编号: 2024-BS-338)与中国石油天然气股份有限公司辽河油田分公司重点科技项目(编号: 2023KJXM-11)联合资助
摘要

鄂尔多斯盆地南缘下古生界奥陶系尚未开展旋回地层学分析,识别奥陶系的天文轨道周期信号,以此建立高精度地质年代标尺,并合理划分三级层序,对该区油气勘探具有重要意义。结合旋回地层学理论和信号分解技术,对旬探 1井下古生界奥陶系进行了旋回地层学分析。研究结果表明,不同层段的沉积速率存在差异,旬探 1井冶里期—亮甲山期沉积速率分布在 4.2~5.6 cm/ka之间,马家沟期沉积速率在 2.2~5.5 cm/ka之间变化,平凉期—背锅山期沉积速率变大,在 4.3~9.3 cm/ka之间变化; 旬探 1井奥陶系中存在显著的米兰科维奇旋回信号,记录了偏心率和斜率天文轨道周期,使用 405 ka长偏心率周期建立年龄模型,进行天文调谐,以此建立旬探 1井奥陶系浮动天文年代标尺,冶里期—亮甲山组沉积时限 ~3.25 Ma,马家沟组—背锅山组沉积时限 ~27.4 Ma;结合小波变换,综合分析奥陶系三级层序频率主要分布在 0.011 cycles/m左右,并据此将旬探 1井奥陶系划分为 13个三级层序。本研究为奥陶系层序划分及其天文旋回研究提供了新的定量方法和科学依据,有助于提升地层沉积过程的精细认识和时间尺度的准确性。

关键词: 鄂尔多斯盆地; 奥陶系; 旋回地层学; 天文旋回; 三级层序; 小波变换
中图分类号:P534.42 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2025)01-0209-16
Extraction of astronomical cycle signals and identification of third-order sequences in the Ordovician of Well XT1, southern margin of Ordos Basin
LI Yang
PetroChina Liaohe Oilfield Company,Liaoning Panjin 124010,China

About the author　LI Yang,born in 1988,received his Ph.D. from Southwest Petroleum University in 2022. His research focuses on sedimentary reservoirs and data mining. E-mail: 7891235@qq.com.

Fund:Co-funded by the Liaoning Provincial Natural Science Foundation(No.2024-BS-338)and the Key Science and Technology Project of PetroChina Liaohe Oilfield Company(No.2023KJXM-11)
Abstract

In the southern margin of the Ordos Basin,no cyclostratigraphic analysis has yet been conducted on the Paleozoic Ordovician to identify astronomical orbital cycle signals. This analysis is crucial for establishing a high-precision geological timescale and reasonably dividing third-order sequences,which is of significant importance for oil and gas exploration in the area. Combining cyclostratigraphic theory and signal decomposition techniques,a cyclostratigraphic analysis of the Paleozoic Ordovician in the Well XT1 was performed. The results indicate that there are differences in sedimentation rates among different strata. The sedimentation rate during the Yeli and Liangjiashan stages in Well XT1 area ranges from 4.2 to 5.6 cm/ka,while the Majiagou stage varies between 2.2 and 5.5 cm/ka. The sedimentation rate during the Pingliang and Beiguoshan stages increases,ranging from 4.3 to 9.3 cm/ka. Significant Milankovitch cycle signals are present in the Ordovician of Well XT1,recording eccentricity and obliquity astronomical orbital periods. A 405 ka eccentricity cycle was used to establish an age model for astronomical tuning,creating a fluctuating astronomical timescale for the Ordovician in Well XT1,with the sedimentation period for the Yeli to Liangjiashan Formations at approximately 3.25 Ma,and for the Majiagou to Beiguoshan Formations at around 27.4 Ma. Using wavelet transformation,the frequency of the Ordovician third-order sequences was primarily distributed around 0.011 cycles/m,allowing the division of the Ordovician in Well XT1 into approximately 13 third-order sequences. This study provides a new quantitative method and scientific basis for the division of Ordovician sequences and the study of astronomical cycles,contributing to a refined understanding of sedimentary processes and the accuracy of timescales.

Key words: Ordos Basin; Ordovician; cyclostratigraphy; astronomical cycles; third-order sequence; wavelet transformation

米兰科维奇在1941年研究第四纪冰期成因时提出了地球轨道三要素(偏心率、斜率和岁差)周期性变化对冰期、间冰期的影响假说, 并定量计算了地球轨道参数(Berger, 1988, 2013; Waltham, 2015; 闫建平等, 2017; 许可, 2021)。由Fischer等(1988)和Hilgen等(2004)提出的旋回地层学是以米兰科维奇理论为基础的一门地层学分支学科, 主要研究受天文轨道力驱动的具有周期性变化的沉积记录, 并对沉积记录进行识别、描述、对比和成因解释。Hays等(1976)通过对南印度更新世钻孔的有孔虫氧同位素进行旋回地层学分析, 识别出斜率和岁差周期, 验证了米兰科维奇旋回的存在, 此后米兰科维奇理论受到地质学家的广泛关注, 并取得了丰富的研究成果, 同时沉积地层中记录天文轨道周期信号的思想得到了众学者的认同(吴怀春等, 2017; Li et al., 2019; 钟阳阳, 2019; Boulila et al., 2020; Berger, 2021; 刘冬洋, 2021; 许可, 2021)。

对于奥陶系来说, 由于缺乏有效的年龄控制和可对比的天文目标曲线, 只能根据地质历史时期相对稳定的405 ka长偏心率来作为天文模型进行调谐, 建立一个具有相对时间刻度的“ 浮动” 天文年代标尺, 达到天文校正的效果(任传真, 2020), 其中短偏心率周期为~125 ka、~100 ka和~95 ka, 斜率和岁差周期可依据Waltham(2015)的天文周期方案计算得出。在旋回地层学分析的基础上, 多数学者为能提高地层划分的分辨率及确定沉积时限, 将旋回划分方案和层序时限进行对比, 进而将层序级别划分与天文旋回联系起来, 发现高频层序(四级、五级、六级层序)与米兰科维奇旋回周期密切相关, 即天文轨道力驱动气候变化导致海平面周期性变化影响地层具旋回性沉积, 四级层序反映了405 ka长偏心率周期以及可能的~160 ka至~200 ka的斜率调制周期, 五级层序对应~100 ka短偏心率周期, 六级层序与岁差(~20 ka)及斜率(~40 ka)周期有关(Boulila et al., 2014; 梅冥相, 2015; 吴怀春等, 2017; Boulila et al., 2018; 石巨业等, 2019; 田军等, 2022)。三级层序— 一级层序与板块运动所引起的构造型海平面变化有关, 但三级层序也可受天文驱动海平面变化的影响(梅冥相, 2015), 三级层序可能与~1.2 Ma超长斜率周期(s3-s4)和~2.4 Ma超长偏心率周期(g4-g3)对应, 二者具有2:1的共振现象。如在新生代冰室效应时期, 三级层序与长斜率周期存在成因联系, 其周期为~1.2 Ma, 在中生代温室效应时期, 三级层序在某种程度上则与长偏心率周期相对应, 其周期为~2.4 Ma(陈留勤, 2008; 梅冥相, 2015; 闫建平等, 2017; 钟阳阳, 2019)。目前来看, 国内外不少学者已经对古生代进行旋回地层学分析并尝试识别古生代g4-g3和 s3-s4调制周期, Wu等(2023)已经建立古生代天文地质年代表; Fang等(2015, 2016, 2017, 2018)对古生代二叠系和奥陶系进行频谱分析时, 发现了~2.4 Ma超长偏心率和~1.2 Ma超长斜率信号; Zhong等(2018)对黄泥塘剖面和 CJ-3岩心中奥陶世 MS 序列开展旋回地层学研究, 识别出超长偏心率(g4-g3)和超长斜率周期分别为~1.9 Ma 和~1.2 Ma; Cong等(2019)对古生代二叠系同样也识别出~2.4 Ma超长偏心率和~1.2 Ma超长斜率信号。

鄂尔多斯盆地南缘下古生界奥陶系现存的层序划分方案多以Vail提出的层序地层学为理论基础, 通过确定层序界面来划分三级层序, 但此种类型划分方案往往具有较低的分辨率, 且具有不确定性, 很难评估地层的沉积速率与沉积年限(孟祥化和葛铭, 2002; 杨伟利等, 2017; 王龙等, 2018)。为了能更好地对研究区三级层序进行划分, 笔者尝试结合旋回地层学理论及信号分解技术, 以定量的方式识别研究区三级层序的频率, 进而分析三级层序与天文轨道参数周期之间的关系, 合理划分三级层序(旋回), 并进行沉积时限、沉积速率的估算。

1 区域地质背景

研究区位于鄂尔多斯盆地南缘, 北起甘肃省庆阳市, 南到陕西省麟游县, 西至甘肃省陇县, 东抵陕西省铜川市, 包含伊陕斜坡、渭北隆起以及天环凹陷3个构造单元(周进高等, 2020; 李文厚等, 2021; 孟卫工等, 2021; 赵航和冯永超, 2024; 王翔等, 2024)(图1)。该区奥陶系发育完整, 主要有下奥陶统冶里组、亮甲山组、马家沟组马一段、马二段和马三段, 中奥陶统马家沟组马四段、马五段和马六段, 上奥陶统平凉组和背锅山组; 奥陶系与下伏寒武系连续沉积, 而与上覆石炭系呈不整合接触关系(王香增等, 2022)。于春勇(2019)、师平平等(2021)和师平平(2022)对于鄂尔多斯地块南缘奥陶系划分与对比进行了系统的总结, 盆地不同区域对于奥陶系划分以及命名具有一定区别, 整体上冶里组— 亮甲山组、马家沟组与平凉组— 背锅山组的分层界限是一致的, 同时通过盆地南缘野外地质剖面的碳氧同位素与全球标准剖面的碳同位素的对比(付金华等, 2020), 进而确定鄂尔多斯盆地南缘奥陶系各组与国际地质年代表之间的关系, 笔者划分方案与上述学者一致, 奥陶系沉积时限在485.4± 1.9~443.8± 1.5 Ma之间(图2)。

图1 鄂尔多斯盆地南缘综合地质背景图
a— 鄂尔多斯盆地南缘构造图及研究区位置; b— 过陇28井、陇29井和旬探1井的二维地震剖面(奥陶系顶层拉平); c— 鄂尔多斯盆地南缘奥陶系综合柱状图Fig.1 Comprehensive geological background map of the southern margin of Ordos Basin

图2 鄂尔多斯盆地南缘奥陶系与全球标准剖面稳定同位素对比及地层划分与对比(据付金华等, 2020; 师平平, 2021; 有修改)Fig.2 Comparison of the Ordovician in southern margin of Ordos Basin with global standard profiles using stable isotopes and stratigraphic division and correlation(modified from Fu et al., 2020; Shi, 2021)

2 旬探1井旋回地层学分析
2.1 研究方法

时间序列分析是旋回地层学研究的主要方法, 在选取合理古气候替代指标基础上进行数据预处理、频谱分析、滤波和天文调谐等计算步骤, 便可提取单井或地质剖面中的天文旋回信号(Mann and Lees, 1996; Weedon, 2003; Li et al., 2018a, 2019), 北京大学李明松老师开发的Acycle软件可完成旋回地层学分析中数据处理。下载地址为: https://acycle.org。

选用自然伽马数据作为古气候替代指标来对旬探1井进行旋回地层学分析。对自然伽马曲线按照0.125 m进行数据插值以及使用稳健局部加权回归散点平滑法(rLOWESS)来进行去趋势分析。基于Waltham(2015)方案作为天文解决方案(图3), 使用相关系数法进行沉积速率评估(Meyers and Sageman, 2007; Meyers, 2015; Li et al., 2019), 通过MTM频谱分析来识别奥陶系天文轨道周期信号(Kodama and Hinnov, 2014), 识别405 ka长偏心率信号, 并使用高斯带通滤波将405 ka天文信号提取出来, 进行天文调谐。本次研究选取旬探1井进行旋回地层学分析, 该井沉积地层较为完整, 受风化壳岩溶作用较小, 适合开展旋回地层学分析, 建立奥陶系的“ 浮动” 天文年代标尺。

图3 基于Waltham计算的奥陶纪斜率和岁差周期随年龄变化图(据Waltham, 2015)Fig.3 Graph of slope and precession periods during the Ordovician calculated by Waltham, showing variation with age(after Waltham, 2015)

旬探1井冶里组— 亮甲山组与马家沟组之间发育明显不整合面, 故进行分段分析: (1)冶里组— 亮甲山组(3851.2~4000.0 m)和(2)马家沟组和平凉组— 背锅山组(2691.5~3851.2 m)。对以上2段自然伽马数据使用相关系数方法(Correlation coefficient, COCO)来估算最佳沉积速率, 且进行5000次Monte Carlo模拟, 绘制演化相关系数图(Evolutionary Correlation Coefficient, eCOCO)来研究沉积速率在纵向上的变化规律。

2.2 冶里组— 亮甲山组(3851.2~4000.0 m)

经相关系数法估算该段地层最佳沉积速率为4.6 cm/ka(Waltham方案, 分析数据年龄中值设置为480 Ma)。从演化相关系数图中可以发现3851.2~3876.23 m之间的沉积速率为~5.6 cm/ka, 3876.23~3944.7 6 m之间的沉积速率为~4.2 cm/ka, 3944.76~3989.28 m之间的沉积速率~5.2 cm/ka(图4-a)。经MTM频谱分析可知置信度超90%的波峰有7个(图5-e; 表1)。结合最佳沉积速率, 可以发现16.528 m波峰接近405 ka长偏心率周期, 4.250 m波峰接近~100 ka短偏心率周期, 1.645 m波峰接近~32 ka斜率周期。据此对16.528 m波峰进行高斯带通滤波(滤波带宽为0.053781± 0.010756 cycles/m), 识别出~8个长偏心率周期, 经天文调谐计算该段地层沉积时限~3.25 Ma(图5-b)。从时间域的MTM频谱分析中可以发现, 3851.2~4000.0 m沉积序列存在405 ka、~160 ka、~100 ka、~56 ka和~32 ka 共5个置信度超95%的周期, 从演化频谱图中可以发现405 ka长偏心率周期和~100 ka短偏心率周期信号较强(图6-a; 表1)。

图4 旬探1井奥陶系各井段基于相关系数法计算的沉积速率
a— 井深3851.2~4000.0 m; b— 井深2691.5~3851.2 m; c— 井深3110.07~3851.2 m; d— 井深2691.5~3110.07 mFig.4 Sedimentation rates calculated based on correlation coefficient method in each section of the Ordovician in Well XT1

图5 旬探1井和麟探1井旋回地层学分析结果
a— 旬探1井奥陶系自然伽马曲线; b— 旬探1井奥陶系长偏心率滤波结果; c— 旬探1井2691.5~3110.07 m频谱分析结果; d— 旬探1井3110.07~3851.2 m频谱分析结果; e— 旬探1井3851.2~4000.0 m频谱分析结果; f— 麟探1井3876.2~4480.0 m(主要为马家沟组)自然伽马曲线; g— 麟探1井3876.2~4480.0 m(主要为马家沟组)频谱分析结果; h— 麟探1井3876.2~4480.0 m(主要为马家沟组)基于相关系数法计算的沉积速率Fig.5 Cyclostratigraphic analysis results of Wells XT1 and LT1

图6 旬探1井奥陶系各井段时间域MTM频谱分析和滑动窗口分析
a— 旬探1井3851.2~4000.0 m调谐GR; b— 旬探1井3851.2~4000.0 m调谐GR频谱分析图; c— 旬探1井3851.2~4000.0 m调谐GR滑动窗口频谱图, 滑动窗口为600 ka; d— 旬探1井3110.07~3851.2 m调谐GR; e— 旬探1井3110.07~3851.2 m调谐GR频谱分析图; f— 旬探1井3110.07~3851.2 m调谐GR滑动窗口频谱图, 滑动窗口为3000 ka; g— 旬探1井2691.5~3110.07 m调谐GR; h— 旬探1井2691.5~3110.07 m调谐GR频谱分析图; i— 旬探1井2691.5~3110.07 m调谐GR滑动窗口频谱图, 滑动窗口为600 kaFig.6 The 2π MTM spectrum analysis, evolutionary Fast Fourier Transform(eFFT)analysis and astronomical time scale of in the Ordovician of Well XT1

表1 旬探1井奥陶系各井段MTM频谱分析结果 Table 1 MTM spectrum analysis results for each well section of the Ordovician in Well XT1
2.3 马家沟组和平凉组— 背锅山组(2691.5~3851.2 m)

相关系数法估算该段地层最佳沉积速率存在2个主要峰值, 分别为2.9 cm/ka和9.4 cm/ka, 分界点在3110.07 m处, 其中2.9 cm/ka主要对应于马家沟组, 而9.4 cm/ka与平凉组— 背锅山组相对应, 因此将该段地层以3110.07 m为分界点进行分段研究(图4-b)。

2.3.1 3110.07~3851.2 m

此段沉积地层以马家沟组为主, 最佳沉积速率为3.4 cm/ka(使用Waltham方案, 分析数据年龄中值设置为470 Ma), 从演化相关系数图中可知, 3110.07~3272.7 m之间的沉积速率~2.4~5.5 cm/ka, 3272.7~3851.2 m之间的沉积速率~2.2~3.4 cm/ka(图4-c)。对该段地层的GR进行MTM频谱分析, 发现置信度超95%的波峰主要有16个(图5-d; 表1)。结合最佳沉积速率, 发现14.088 m波峰与405 ka长偏心率周期对应, 3.701 m波峰与~125 ka短偏心率周期接近, 3.111 m波峰与接近~95 ka短偏心率周期, 而1.208 m周期与~33 ka斜率周期接近。据此对14.088 m波峰进行高斯带通滤波(滤波带宽为0.070445± 0.041694 cycles/m), 识别出约53个长偏心率周期, 进行调谐并建立浮动天文标尺, 该段地层沉积时限~21 Ma(图5-b)。从时间域的MTM频谱分析中可以发现, 3110.07~3851.2 m沉积序列置信度超95%的周期有~2.4 Ma、~1162 ka、405 ka、~155 ka、~125 ka、~95 ka、~57 ka、~43 ka以及~33 ka, 并且从演化频谱图中可以发现接近直线的~2.4 Ma超长偏心率周期信号和405 ka长偏心率周期信号, ~125 ka短偏心率周期信号和~95 ka短偏心率周期信号相对不明显(图6-b; 表1)。

2.3.2 2691.5~3110.07 m

此段沉积地层主要为平凉组— 背锅山组, 具有较快的沉积速率, 经相关系数法估算后可知, 最佳沉积速率为6.3 cm/ka(使用Waltham方案, 分析数据年龄中值设置为450 Ma), 从演化相关系数图中可以发现, 2691.5~2763.54 m之间的沉积速率~4.3 cm/ka, 2763.54~2820.52 m之间的沉积速率~9.3 cm/ka, 2820.52~2889.5 m之间的沉积速率~8.2 cm/ka, 2820.52~3110.07 m之间的沉积速率~5.7 cm/ka(图4-d)。对该段地层的GR数据进行MTM频谱分析, 其置信度超95%波峰主要有13个(图5-c; 表1)。结合最佳沉积速率, 发现26.827 m波峰接近405 ka长偏心率周期, 6.419 m波峰接近~95 ka短偏心率周期, 1.902 m波峰接近~33.3 ka斜率周期。据此对26.827 m波峰进行高斯带通滤波(滤波带宽为0.037276± 0.03802 cycles/m), 识别出~15个长偏心率周期, 进行调谐并建立浮动天文标尺, 该段地层沉积时限~6.4 Ma(图5-b)。从时间域的MTM频谱分析中可以发现, 2691.5~3110.07 m沉积序列置信度超95%的周期有405 ka、~160 ka、~92 ka、~80 ka以及~37 ka, 从演化频谱图中可以发现接近直线的405 ka长偏心率周期信号, ~95 ka短偏心率周期信号和~37 ka斜率周期信号仅在沉积序列中部较为明显(图6-c; 表1)。

3 三级层序与天文旋回的关系

针对鄂尔多斯盆地奥陶系的层序划分, 国内多数学者对此做了大量的研究, 多集中于鄂尔多斯盆地中部马家沟组的层序划分, 划分方案各不相同, 有些按照马家沟组属于下奥陶统, 将马家沟组划分为3~5个三级层序; 有些划分方案按马家沟组属于中奥陶统, 将马家沟组划分为2个三级层序(杨伟利等, 2017; 王龙等, 2018; 杨友运等, 2019; 周进高等, 2020), 杨友运等(2019)对盆地南缘的麟探1井划分了12个三级层序, 付金华等(2020)对盆地南缘的旬探1井进行了三级层序划分, 共识别出7个三级层序。史晓颖(1996)、孟祥化和葛铭(2002)、杨伟利等(2017)在研究中朝地台早古生代层序地层格架及演化过程中, 结合地层、岩性、古生物、地球化学等多项数据, 认为奥陶系三级层序的最佳时限应介于2~5 Ma之间。前人对层序的划分一般基于层序界面的识别, 很难给出明确的沉积时限以及沉积速率。在进行旬探1井旋回地层学分析前, 结合前人研究成果(郭彦如等, 2012; 杜金虎等, 2019; 杨友运等, 2019; 付金华等, 2020; 杨华等, 2021), 使用自然伽马、光电吸收截面、电阻率及声波时差等曲线以及岩性特征来识别层序界面, 进而对旬探1井奥陶系进行地质角度的三级层序划分, 每个三级层序测井曲线变化韵律明显, 海侵体系域的自然伽马与电阻率曲线组合形态一般为钟型, 高位体系域为漏斗型, 为探索旬探1井中存在的长周期天文信号提供基础。

三级层序可以同时受构造作用和天文轨道力作用的影响, Boulila等(2011)和梅冥相(2015)曾提出“ 海平面变化层序” 的概念。中新生代的三级层序与天文旋回已经建立对应关系, 即新生代的三级层序与长斜率调节作用旋回存在成因联系, 周期~1.2 Ma; 中生代三级层序与偏心率调节作用旋回有关, 周期~2.4 Ma。由于受固有的极地冰盖动力学、温室效应气体的影响和构造运动等的影响, 长周期调节作用旋回运用到更古老的地质时代可能会存在一些困难。奥陶纪早中期, 地球的温室效应较强, 大气中二氧化碳浓度较高, 导致全球气候相对温暖, 促进了海洋生物的繁荣, 温室气体的高浓度维持温暖的海洋环境, 非常适合碳酸盐沉积, 因此鄂尔多斯盆地奥陶系沉积了中厚层的碳酸盐岩。在奥陶纪晚期, 尤其是赫南特期(约4.45亿年前), 温室气体浓度的下降导致全球气温下降, 导致南极附近的冈瓦纳大陆上形成了大规模的极地冰盖, 这一冰盖的形成和扩展直接影响了海平面变化和沉积环境, 鄂尔多斯盆地南缘多数缺失赫南特期沉积地层(包括旬探1井)(Gibbs et al., 1999; Villas et al., 2002; Longman et al., 2021)。鄂尔多斯盆地南缘经历了以下4个阶段构造演化历史: 冶里期— 亮甲山期, 前陆盆地初始挠曲阶段; 马一期— 马五期, 前陆盆地结构成型阶段; 马六期— 平凉期, 前陆盆地快速沉降阶段; 背锅山期, 前陆盆地快速充填阶段(师平平, 2022)。旬探1井构造活动相对较弱, 主要沉积环境是相对平静的海洋环境, 从过旬探1井的地震剖面上(图1-b), 可以发现旬探1井下古生界沉积比较完整, 地层产状较为平坦, 同时不发育断层, 比较适合旋回地层学分析。偏心率主要周期为~9 Ma、~2.4 Ma、405 ka、~125 ka、~100 ka和~95 ka, 偏心率周期性的变化主要是金星和木星运行产生的万有引力作用在地球轨道上造成的(Li et al., 2019; 许可, 2021)。前面对旬探1井 3110.07~3851.2 m进行MTM频谱, 发现存在82.25 m和97.4013 m波峰, 若按照3110.07~3851.2 m井段405 ka的主要沉积速率3.4 cm/ka进行计算, 82.25 m和97.401 m波峰的沉积时限分别为2419.118 ka和2864.744 ka, 因此82.25 m和97.4013 m 这2个波峰可能与超长偏心率~2.4 Ma对应, 对应频率分别为0.0122 cycles/m和0.0105 cycles/m, 由于2个长周期在频谱图中分布较近, 取二者频率均值0.0114 cycles/m进行高斯带通滤波, 得到~2.4 Ma超长偏心率周期滤波曲线。

此外, 为了能更好地研究~2.4 Ma超长偏心率周期在研究区奥陶系中存在的普遍性, 所以选取麟探1井的3876.2~4480.0 m(主要为马家沟组, 因为冶里组— 亮甲山组和平凉组— 背锅山组~2.4 Ma超长偏心率周期信号不明显)进行了频谱分析, 从频谱图中可以发现置信度超95%的波峰主要有11个(94.316 m、79.424 m、46.433 m、28.207 m、 12.420 m、 6.301 m、 4.336 m、4.101 m、6.301 m、3.465 m、2.905 m), 与旬探1井波峰分布相似, 结合相关系数法估算沉积速率为3.2 cm/ka, 可以判断79.424 m波峰对应~2.4 Ma超长偏心率周期(图5-g, 5-h)。结合上述分析, 旬探1井和麟探1井中均发现~2.4 Ma超长偏心率和~1.2 Ma超长斜率信号(图7), 结合旬探1井从地质角度划分的三级层序, 其与~2.4 Ma超长偏心率周期沉积地层厚度具有较好的对应关系, 因此作者尝试探索使用~2.4 Ma超长偏心率周期来对旬探1井的三级层序进行划分。

图7 旬探1井3110.07~3851.2 m和麟探1井3876.2~4480.0 m调谐GR 频谱分析
a— 旬探1井; b— 麟探1井Fig.7 Spectral analysis of tuned GR from 3110.07 m to 3851.2 m in Well XT1 and from 3876.2 m to 4480.0 m in Well LT1

在识别沉积地层中的米氏旋回时, 小波变换也常被应用, 通常是选用合适的小波基函数, 然后使用Matlab自带的小波分析工具包中的一维连续小波变换(Continuous Wavelet 1-D)求取替代指标参数的模极大值, 通过对各个模极大值的比例关系来确定不同尺度天文周期的关系, 但此种方法确定的模极大值可能存在偏差, 虽然模极大值的比例关系与天文轨道参数周期的比例一致, 但也会存在模极大值与天文轨道周期对应出错的问题(Laskar et al., 2004; 王浩, 2020; 刘冬洋, 2021; 刘天娇等, 2022; 张家明等, 2023)。

其实MTM频谱分析中各个旋回的频率与小波变换中尺度的频率具有较好的对应关系, 结合相关系数法以及MTM频谱分析, 分析小波变换模极大值对应尺度的频率, 便可以很好地解决这个问题(图8)。如使用小波变换的方法来识别旬探1井3110.07~3851.2 m井段的天文旋回时(选用Morlet小波基, 采样间隔为0.125 m), 其模极大值对应的尺度分别为27、42、81、163、282以及566, 尺度27对应的频率为0.241 cycles/m, 与~125 ka短偏心率周期有关, 尺度81对应的频率为0.081 cycles/m, 与405 ka长偏心率周期有关, 尺度566对应的频率为0.011 cycles/m, 与上述MTM频谱分析的~2.4 Ma超长偏心率周期有关(图9-a)。综合使用MTM频谱分析法和小波变换来综合对研究区各井的三级层序进行划分, 并建立了各个三级层序与奥陶系各组段的对应关系。对于2691.5~3110.07 m井段和3851.2~4000.0 m井段的MTM频谱分析中, ~2.4 Ma长偏心率周期信号不明显, 2691.5~3110.07 m井段模极大值对应尺度为47、73、181、500和700, 其中尺度73的频率为0.09 cycles/m可能与405 ka长偏心率周期有关, 尺度500的频率为0.012, 可能与~2.4 Ma超长偏心率周期有关; 3851.2~4000.0 m井段模极大值对应的尺度值为42、83、123、191、264, 其中尺度83的频率为0.078 cycles/m, 可能与405 ka长偏心率周期有关, 受沉积序列长度的限制, 该段沉积序列未能识别三级层序的尺度值, 但从模极值曲线变化趋势上看, 尺度在500左右会存在一个模极大值, 与2691.5~3110.07 m和3110.07~3851.2 m 这2段数据分析的结果相似(图9-b, 9-c)。此外对旬探1井马家沟组和平凉组— 背锅山组(2691.5~3851.2 m)进行了模极大值分析和MTM频谱分析, 发现模极大值对应尺度值分别为30、42、81、170、290和556, 尺度556的频率为0.011 cycles/m, 与MTM频谱分析中的0.01176 cycles/m接近(图10)。综合来看, 旬探1三级层序频率值在0.011 cycles/m左右变化, 因此使用0.011 cycles/m作为该井三级层序的划分依据, 可将旬探1井划分为13个三级层序。

图8 旬探1井小波变换与MTM频谱分析关系
a和b— 原始信号以对应频谱; c和d— 尺度13以对应频谱; e和f— 尺度26以对应频谱; g和h— 尺度64以对应频谱; i和 j— 尺度260以对应频谱; k— 3110.07~3851.2 m井段模极值曲线; l— 2691.5~3110.07 m井段MTM频谱分析图Fig.8 Relationship between wavelet transform and MTM spectrum analysis of Well XT1

图9 旬探1井奥陶系各井段模极值曲线
a— 3110.07~3851.2 m; b— 2691.5~3110.07 m; c— 3851.2~4000.0 mFig.9 Modular extreme curve of each well section in the Ordovician of Well XT1

图10 旬探1井马家沟组和平凉组— 背锅山组(2691.5~3851.2 m)模极值曲线和MTM频谱分析
a— 模极值曲线; b— MTM频谱分析图Fig.10 Modular extreme curve and MTM spectrum analysis of the Majiagou Formation and Pingliang-Beiguoshan Formations(2691.5~3851.2 m) of Well XT1

此外, 从旬探1井沉积噪音模型结果中可发现DYNOT和ρ 1表现出几乎相同的曲线形态(Li et al., 2018b; Liu et al., 2021; Zhang et al., 2022), ~2.4 Ma超长偏心率滤波曲线、小波变换尺度a=566曲线的极大值点对应于DYNOT和ρ 1指示的水深处, 同时测井曲线表现出的现高伽马、低电阻的电性特征, 同时岩石中的泥质含量明显增多(尤其在Sq4— Sq8中), 多种方法表现出较好的一致性, 进一步说明旬探1井基于旋回地层学分析划分的三级层序是可靠的。

与杨友运等(2019)和付金华等(2020)对鄂尔多斯盆地南缘奥陶系三级层序划分的结果相比, 发现3种对比方案在多数层序界面识别上吻合性较好, 海侵体系域与和高位体系域分别与2.4 Ma超长偏心率的下周期和上周期相对应, 旋回地层学分析结果更加细致并且具有时间属性。就旋回地层学分析结果而言, 冶里组— 亮甲山组与三级层序Sq1和Sq2对应, 整体上为潮坪亚相, Sq1相当于冶里组, 海侵体系域以白云质灰岩为主, 高位体系域以泥质白云岩为主, Sq2缺失高位体系域, 相当于亮甲山组下部, 岩性以灰质云岩为主。马家沟组包括Sq3— Sq9这7个三级层序, 其中Sq3与马一段对应, 受水体变浅及蒸发作用影响, 马一段岩性由底部的泥岩、泥质白云岩向上变为云质灰岩、云岩和膏岩, 为潮坪亚相; Sq4相当于马二段, 海侵体系域主要发育泥质灰岩和泥岩, 高位体系域以云质泥岩、泥质灰岩和含灰云岩为主, 为潮坪亚相; Sq5相当于马三段, 海侵体系域主要发育含灰云岩, 高位体系域以泥质白云岩为主, 并见膏岩, 为潮坪亚相; Sq6相当于马四段, 海侵体系域主要发育泥质云岩和白云岩, 高位体系域以白云岩、灰质云岩为主, 为局限— 开阔台地亚相; Sq7相当于马五段, 海侵体系域主要发育灰岩、白云岩及含灰云岩, 高位体系域以云质灰岩、灰岩和白云岩为主, 为局限— 开阔台地亚相; 马六段包括三级层序Sq8和Sq9, 主要发育云质灰岩、泥质云岩、白云岩和灰质云岩, 为局限— 开阔台地亚相; Sq5相当于平凉组, 海侵体系域主要发育白云岩和灰质云岩, 高位体系域以灰岩为主, 为局限台地— 台地边缘亚相; 背锅山组包括三级层序Sq11、Sq12以及Sq13, 岩性以灰岩和云质灰岩为主, 为台地边缘亚相。考虑到奥陶系顶面曾遭受长达~140 Ma的风化壳岩溶作用, 旬探1井奥陶系顶部被剥蚀, 因此背锅山组会缺失部分三级层序(周进高等, 2020)(图9)。

图11 旬探1井奥陶系三级层序划分柱状图Fig.11 Column diagram of the third-order sequence division of Ordovician in Well XT1

鄂尔多斯盆地南缘奥陶系的三级层序划分在该区油气勘探中具有重要的指导意义。三级层序的识别与划分能够为沉积相带的识别提供精确的地质框架, 尤其是在碳酸盐岩台地环境中, 各层序体系域内相带的发育特征可以有效推断储集层的空间分布。层序界面通常伴随显著的岩性变化, 这些变化可能形成有效的岩性圈闭结构, 此外, 三级层序界面的连通性和裂缝系统为油气的运移提供了关键通道, 通过三级层序的精细划分, 识别层序界面, 可以预测油气的运移路径及其聚集区并且能够更加准确地预测储集层的位置, 为钻探工作提供有力支持。总体而言, 三级层序的划分不仅有助于揭示沉积环境的演变, 还为油气勘探提供了关键的地质信息, 从而显著提高勘探的成功率和经济效益。

4 结论

1)奥陶系中存在显著的米兰科维奇信号, 405 ka、125 ka和~33 ka的显著周期分别代表长偏心率、短偏心率和斜率, 这些旋回信号表明奥陶系的沉积过程受到天文轨道力的影响, 体现了气候变化对沉积环境的周期性控制。

2)马家沟期沉积速率相对较慢, 在2.2~5.5 cm/ka之间变化; 平凉期— 背锅山期为前陆盆地快速沉降和充填阶段, 沉积速率变快, 在4.3~9.3 cm/ka之间变化; 使用405 ka长偏心率旋回周期建立年龄模型, 进行天文调谐, 分别建立了冶里— 亮甲山组和马家沟组— 背锅山组的浮动天文标尺, 沉积时限分别为~3.25 Ma和~27.4 Ma。

3)结合小波变换模极大值对应尺度的频率分析, 发现旬探1井的三级层序可能与~2.4 Ma超长偏心率周期相关, 其频率约为0.011 cycles/m, 并以此作为划分三级层序的依据, 奥陶系的三级层序划分受到超长周期天文轨道变化的控制, 为理解奥陶系的沉积规律提供了新的视角。

(责任编辑 郑秀娟; 英文审校 赖锦)

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