南堡凹陷北部始新世米兰科维奇记录及其对沉积响应的指示意义

林珊珊, 单敬福, 严嘉成, 李希元, 刘国文

(长江大学地球科学学院, 武汉 430100)

古近纪对于渤海湾盆地具有重大意义,太平洋板块向欧亚板块俯冲、印度板块与欧亚板块碰撞造就了渤海湾盆地“南北分区、东西分带、凸凹相间”的构造格局,全球性的海侵事件和区域性的气候变化也控制着多套重要含油层系的形成[1]。由于剧烈的构造运动和区域性高频气候变化,渤海湾盆地南堡凹陷断裂系统发育,断层分割形成的洼陷与洼陷之间沉积响应的差异较大,受控于独立的构造-气候信号,很难在统一的层序地层格架内部研究沉积体系分布,需要从地质年代学角度出发对单一湖盆进行分析[2-3]。然而,目前所报道的南堡凹陷古近系定年数据精度较粗,仅精确到油层组(如沙一段)级别,二级层序内部不同体系域(如沙一上亚段)的沉积时间未能确定[4]。另外,目前南堡凹陷的沉积速率主要由各油层组的厚度和定年数据确定的,不同体系域的沉积速率未曾计算[4]。再者,大量研究对南堡凹陷古近系体系域内部沉积体系时空分布进行了刻画,但其与构造信号和气候信号的耦合关系尚不明确,例如南堡凹陷高柳地区始新世扇三角洲和辫状河三角洲为何长期大规模发育[5-6]。

米兰科维奇理论是从全球尺度上研究日射量与地球气候之间关系的天文理论,地球轨道驱动造成的米兰科维奇旋回能够揭示不同尺度沉积旋回与气候变化的对应关系。地球自转及其围绕太阳公转的轨道参数(偏心率、斜率和岁差等)不是保持不变的,而是准周期性变化的,从而引起地球表面日照量的变化,导致气候带在纬度带上移动,间接影响盆地的可容纳空间变化[7]。随着小波分析方法在旋回地层学和层序地层学研究中的不断普及,地质学家能够基于多种类型的气候指标(古地磁、碳氧同位素和自然伽马测井曲线等)定量的识别陆相湖盆沉积地层中所蕴藏的米兰科维奇记录,从而达到湖盆层序界面定年、沉积速率估算和区域构造-气候事件分析的目的[8]。目前,地质学家在松辽盆地上白垩统、渤海湾盆地的古近系和鄂尔多斯盆地三叠系均识别出了相对稳定的天文轨道周期信号,并将其运用于烃源岩评价、高频层序划分和地层超压预测等[9-11]。

因此,现选取南堡凹陷北部高柳地区G87井的自然伽马测井曲线,利用频谱分析、连续小波变换和滑动频谱分析等方法识别始新统蕴藏的米兰科维奇旋回记录,基于绝对地质年代锚点,建立天文年代标尺,估算沉积速率,重建古湖平面变化和古沉积物供给能力,从区域的沉积体系展布和沉积演化过程的角度讨论米兰科维奇记录对沉积响应的指示意义。不仅可以从沉积演化的角度丰富了陆相湖盆旋回地层学理论,也从年代学角度进一步完善渤海湾盆地全息地层学研究。

1 区域地质概况

1.1 地理位置

南堡凹陷位于渤海湾盆地黄骅坳陷东北部,总面积约1 900 km2,是坳陷内部最大的富油气凹陷之一[12]。西接歧口凹陷,以涧东断层为界;北傍老王庄凸起,以西南庄断层为界;东靠马头营-石臼沱凸起,以柏各庄断层为界;南接沙垒田凸起,以沙北断层为界。除了涧东断层、西南庄断层、柏各庄断层和沙北断层四大控盆断层之外,南堡凹陷内部发育大量断裂系统,并将凹陷分割为多个构造带(图1)[2-3,13]。

图1 南堡凹陷高柳地区地理位置和断裂分布Fig.1 Location and fault distribution of the Gaoliu Area in the Nanpu Sag

高柳地区位于南堡凹陷的东北部,总面积约800 km2,西傍西南庄断层,东邻柏各庄断层,南部以高柳断层为界,可以进一步划分为两个正向构造单元和一个负向构造单元,分别为北斜坡、高尚堡-柳赞构造带和拾场次洼[13-14]。其中,北斜坡和拾场次洼断裂不发育,高尚堡-柳赞构造带断裂最为发育。

1.2 地层特征

图2 南堡凹陷高柳地区综合地层柱状图Fig.2 Comprehensive stratigraphic column of the Gaoliu Area in the Nanpu Sag

前人通过古地磁和放射性同位素对渤海湾盆地进行了初步定年,认为始新统沙河街组自45.5～28.5 Ma共沉积了13.5 Ma,其中沙三段、沙二段和沙一段分别沉积了500、200、415 m,分别经历了11.8、2.7、2.5 Ma[19]。

自西向东,南堡凹陷高柳地区古近纪时期整体为一个双断型湖盆,向柏各庄断层一侧地层增厚,表现为西缓东陡的地层展布样式。湖盆中部地层发育完整,厚度相对稳定,断裂不发育(图3)[20]。

图3 南堡凹陷高柳地区地层展布特征(A—A’剖面位置见图1)Fig.3 Stratigraphic distribution characteristics of the Gaoliu Area in the Nanpu Sag (See A—A’ section in Fig.1)

2 米兰科维奇记录

2.1 标准井选取和数据预处理

与天文驱动的气候变化相关的连续或离散指标都可用于米兰科维奇旋回分析,其中自然伽马曲线的幅值与泥岩有机质富集程度有关,可以反映气候变化引起的相对湖平面升降[21]。据此,本文选取自然伽马测井曲线(GR,采样间隔为0.125 m)作为识别米兰科维奇旋回的气候指标。为了尽可能消除信号噪声的影响,将自然伽马曲线进行插值使采样间隔变为1 m,并进一步去除曲线的线性趋势,得到处理后的自然伽马气候信号。通过比较,原始曲线和处理后曲线数值分布基本一致且均呈正态分布,说明两者在沉积旋回分析中具有等效性(图4)。

图4 G87井原始和处理后自然伽马曲线频数直方图Fig.4 Histograms of original and preprocessed GR logs of well G87

2.2 绝对地质年代“锚点”选取

为了重建具有绝对地质年代标尺的米兰科维奇记录,需要选取研究目的层段的“锚点”[22]。馆陶组的底界面为一套砾岩层,在渤海湾盆地大多数坳陷均有分布,是一套区域性标志层[23]。基于渤海湾盆地古地磁和放射性同位素定年结果,认为馆陶组的底界面砾岩层的绝对地质年代约为23.0 Ma。基于这一标志层,前人推算出了沙河街组顶界面(即始新统顶界面)的绝对地质年代约为28.5 Ma,沙河街组底界面的绝对地质年代约为45.5 Ma[19,23]。所以,本次研究选取28.5 Ma为“锚点”,建立南堡凹陷高柳地区米兰科维奇天文年代标尺。

2.3 米兰科维奇旋回识别

通过对自然伽马测井曲线进行傅里叶小波变换,将深度域上的数据转换至频率域进行频谱分析,可以定量评价某一长度旋回出现的次数[24-27]。利用红噪声模型进行检验,可以确定频谱的峰值是否可信(即置信度)[28-30]。G87井频谱分析结果表明,大部分谱峰均介于理论红噪声和95%置信度之间,仅有少量谱峰置信度高于95%,分别对应0.020、0.038、0.053、0.073、0.129、0.195、0.251 Hz,分别代表50.00、26.32、18.87、13.70、7.75、5.13、3.98 m厚度的沉积旋回(图4)。沙河街组沉积时期,长偏心率(E)、短偏心率(e)、斜率(O)和岁差(P)的理论比值为20∶5∶2∶1[19,22]。因此,50.00、26.32 m厚度的沉积旋回可能受长偏心率周期控制,18.87、13.70 m厚度的沉积旋回可能受短偏心率周期控制,7.75 m和5.13 m厚度的沉积旋回可能受斜率周期控制,3.98 m厚度的沉积旋回可能受岁差周期控制(图5)。

图5 G87井自然伽马测井曲线频谱分析Fig.5 Spectral analysis of GR logs of well G87

连续小波变换分析可以反映不同长度的沉积旋回在垂向上的分布,95%置信度包络线内部的信号是可信的[31]。结果表明,8～64 m的旋回信号较强,长偏心率和短偏心率参数在垂向上是不断变化的,斜率和岁差周期信号较弱,与频谱分析的结果相符(图5、图6)。长偏心率周期控制的旋回长度介于26.3～62.5 m,而短偏心率周期控制的旋回长度介于9.9～21.3 m(图6)。

图6 G87井自然伽马测井曲线小波变换结果Fig.6 Wavelet transformation result of GR logs of well G87

图7 G87井米兰科维奇记录综合柱状图Fig.7 Comprehensive well stratigraphic column of well G87 showing the Milankovitch record

2.4 米兰科维奇天文年代标尺

2.5 沉积速率估算

图8 G87井米兰科维奇深时模型Fig.8 Depth versus age model of well G87

3 米兰科维奇信号对沉积响应的指示意义

3.1 基于米兰科维奇信号的古湖平面变化和古沉积物供给能力重建

图9 南堡凹陷高柳地区始新世沉积物供给能力Fig.9 Eocene sediment supply rate of the Gaoliu Area in the Nanpu Sag

3.2 沉积响应的指示意义

南堡凹陷高柳地区以古燕山为物源区,以西南庄断层和柏各庄断层为搬运通道,以高柳地区为沉积区,形成了一套完整的源-渠-汇体系。基于米兰科维奇信号恢复的古湖平面变化和古沉积物供给能力,分析了南堡凹陷高柳地区沉积体系的演化过程(图10、图11)。

图10 南堡凹陷高柳地区始新世沉积体系分布Fig.10 Eocene depositional systemm distribution of the Gaoliu Area in the Nanpu Sag

图11 南堡凹陷高柳地区始新世沉积演化模式Fig.11 Eocene depositional evolutional model of the Gaoliu Area in the Nanpu Sag

4 结论

(1)南堡凹陷高柳地区G87井始新统沉积序列受长偏心率、短偏心率、斜率和岁差周期控制,可以识别出20个长偏心率周期,85个短偏心率周期,累计约8.1 Ma。

(3)南堡凹陷高柳地区湖平面于36.6～33.3 Ma大规模上升,于33.3～30.5 Ma持续下降,于30.5～28.5 Ma再次小幅回升,而36.6～28.5 Ma西南庄断层和柏各庄断层持续活动使沉积物搬运通道持续活跃,导致古燕山沉积物供给能力一直较强。相对于湖平面变化,物源供给是可容纳空间变化的主导因素,即沉积演化对构造信号的响应强于气候信号,造就了高柳地区始新世早期中等规模的扇三角洲沉积体系和中晚期大规模的辫状河三角洲沉积体系。

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