鄂尔多斯盆地延长组长7段沉积速率及其对烃源岩有机质丰度的影响

袁 伟，柳广弟，罗文斌

(1.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； 2.中国石油大学(北京) 地球科学学院，北京 102249)



鄂尔多斯盆地延长组长7段沉积速率及其对烃源岩有机质丰度的影响

袁 伟1,2，柳广弟1,2，罗文斌1,2

(1.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； 2.中国石油大学(北京) 地球科学学院，北京 102249)

以鄂尔多斯盆地延长组长7段富有机质页岩为对象，基于米兰科维奇旋回理论，计算了该段3个小层的沉积速率，发现长7段的沉积速率整体较小(平均1.31 cm·a-1)，并且具有从长73到长71逐渐增大的特征。另外，利用△logR法对已经计算了沉积速率的井进行TOC含量测井预测，并结合沉积速率和TOC含量的数据建立了两者的相关关系。研究表明：当沉积速率小于1.35 cm·a-1时，TOC含量与沉积速率没有明显的相关关系，沉积物中的有机质丰度主要受其他因素的控制，如古生产力条件和保存条件；当沉积速率大于1.35 cm·a-1时，TOC含量具有随沉积速率变大而逐渐减小的趋势，说明沉积速率越大，沉积物中的有机质被稀释或破坏越严重，有机质丰度就越小。

沉积速率；有机质丰度；烃源岩；米兰科维奇旋回；延长组；鄂尔多斯盆地

袁伟，柳广弟，罗文斌.鄂尔多斯盆地延长组长7段沉积速率及其对烃源岩有机质丰度的影响[J].西安石油大学学报(自然科学版)，2016，31(5):20-26.

YUAN Wei，LIU Guangdi，LUO Wenbin.Deposition rate of the seventh member of Yangchang Formation,Ordos Basin and its impact on organic matter abundance of hydrocarbon source rock[J].Journal of Xi'an Shiyou University (Natural Science Edition),2016,31(5):20-26.

引　言

沉积速率是指某段地层的厚度与该段地层年龄的比值。地层厚度数据的获取比较容易，可以通过野外露头实际测量或者直接在测井曲线上读取，而要求取地层的年龄则相对困难。目前获取地层年龄的主要方法为同位素测年，该方法测得的年龄为地层的绝对年龄，但是对时间跨度不大的地层来说，其达百万年级的误差往往不能满足研究的需求。近几年来，为了更加精确地计算沉积速率，越来越多的学者开始运用米兰科维奇旋回(地球轨道旋回)理论来识别旋回地层厚度及对应的天文周期，从而计算出地层的沉积速率。该方法的优点是精度高，识别的天文周期精度可以达到0.02～0.40 Ma[1]。这种方法被用于许多盆地，并取得不错的成果[1-6]。沉积速率是控制有机质富集、影响富有机质页岩形成的重要因素之一[7-8]。研究表明，沉积速率与有机质含量具有一定的关系，沉积速率过低，则有机质易被氧化破坏；沉积速率过高，则有机质易被稀释[9-15]。由于受测年手段的限制，关于海相地层沉积速率与有机质丰度之间关系的研究较多，而关于陆相盆地沉积速率与有机质丰度之间的关系研究较少[16]。

三叠系延长组长7段为典型的陆相深湖-半深湖沉积，是鄂尔多斯盆地中生界最重要的烃源岩。但是延长组长7段3个小层(长71、长72和长73)有机质丰度相差较大，是否受沉积速率对有机质丰度的影响尚不清楚。因此，本文的主要目的是根据米兰科维奇旋回理论，利用小波分析和频谱分析技术分别对鄂尔多斯盆地延长组长7段3个小层(长71、长72和长73)进行沉积速率计算，分析沉积速率变化规律，并探讨沉积速率对延长组长7段有机质丰度的影响。

1　地质背景

鄂尔多斯盆地位于中国中部，是一个多旋回的克拉通盆地[17-18]，是中国重要的陆相含油气盆地之一，具有巨大的资源潜力[19]。鄂尔多斯盆地晚三叠世延长期为大型内陆湖泊，主要发育河流-三角洲-湖泊沉积体系，沉积了厚达千米的生储盖地层组合[20]。根据岩性、电性和含油性特征的差异，延长组至上而下可以划分为10个油层组，即长1—长10。其中长7段进一步又可细分为长71、长72和长73小层，主要由硅质岩、富有机质页岩和凝灰岩夹层组成，厚度80～120 m[21]。

延长组长7段烃源岩是中生代油藏最重要的油源，分布面积约为1.0×105km2[21]，有机质丰度较高，TOC质量分数主要分布在6%～14%，最高可达40%[22]。延长组长7段3个小层之间的有机质丰度具有一定的差异(表1)，其中，长73的烃源岩分布范围最广，有机质丰度最高，其TOC质量分数平均值到达10.4%；之后湖盆逐渐萎缩，长72的烃源岩分布范围缩小，有机质丰度也减小，到长71时，烃源岩的分布范围最小，其有机质丰度也最低[23-24]。

表1　鄂尔多斯盆地延长组长7段有机质丰度Tab.1　Statistics of the organic matter abundance of 7thmember of Yanchang Formation in Ordos Basin

2　基于米兰科维奇旋回的沉积速率计算方法

米兰科维奇旋回主要受日地系统所控制，主要参数为偏心率周期、斜率周期和岁差周期[25]，这些周期自古至今逐渐增加，其中，偏心率周期相对稳定，增加缓慢，而斜率周期和岁差周期的增加相对较快。根据Berger[26]的计算，晚三叠世的米兰科维奇旋回周期如表2所示。

表2　晚三叠世米兰科维奇旋回周期 及其比值[26]Tab.2　Milankovitch cycles and their ratios in the Late Triassic (Berger, 1992)[26]

识别米兰科维奇旋回的常用替代指标有δ18O值、地层磁化率和自然伽马(GR)曲线。由于GR曲线具有取样数据点多、经济、方便的特点，故最为常用。鄂尔多斯盆地大部分地区长7段(尤其是长73)都具有明显高的铀(U)异常，这种现象造成GR曲线的异常。因此，本次研究用钍(Th)曲线作为替代指标来识别米兰科维奇旋回。Hu[1]在研究松辽盆地白垩纪的天文旋回时，也成功地使用过Th曲线这种替代指标。

本次研究主要利用Matlab7.0自带的小波分析工具包对鄂尔多斯盆地20口井长7段的Th和GR曲线(没有U异常的井可以仍用GR曲线)分层进行小波分析和频谱分析，综合识别米兰科维奇旋回，之后进行沉积速率的计算。下面以B167井长71小层为例，介绍沉积速率的计算方法。

首先对原始数据进行lg(x+1)处理以消除信号的噪声，然后利用Matlab7.0的一维离散小波分析工具加载数据，选择db25小波对信号进行8尺度分解，得到近似分量a8和细节分量d8，d7，…，d1(图1)。之后应用小波强制消噪方法，分析各细节分量的频谱特征，即选定某一高频信号并将消噪阈值置0，其余高频信号的消噪阈值置于最大，执行降噪处理后得到降噪后的重构信号，对重构信号进行频谱分析，得到其频谱及优势频率[23]。由于测井数据的取样间距为0.125 m，则每米为8个数据点，因此，频率的倒数除以8就是该频率所对应的地层厚度。

考察各细节分量优势频率所对应地层厚度的比值， 发现d2、d3和d5细节分量的优势频率(图2，分别为0.133 20、0.068 18和0.019 48)所对应的地层厚度分别为0.94 m、1.83 m和6.42 m，它们的比值(0.94∶1.83∶6.42=1.00∶1.95∶6.84)与米兰科维奇旋回周期的比值(18 ka∶35 ka∶123 ka=1.00∶1.94∶6.83)基本相符，故认为细节分量d2、d3和d5优势频率所对应的地层厚度分别受米兰科维奇旋回周期18 ka、35 ka和123 ka控制。王起琮[23]在应用米兰科维奇旋回研究整个延长组的旋回层序时发现各小波旋回地层厚度的沉积时限为相关米兰科维奇旋回周期的2倍，并把这种现象归于小波分析数学方法上的原因。那么细节分量d2、d3和d5优势频率所对应地层厚度的沉积时限应分别为36 ka、70 ka和246 ka。根据公式沉积速率=地层厚度/对应沉积时限，把旋回地层厚度(0.94 m、1.83 m、6.42 m)和对应沉积时限(36 ka、70 ka、246 ka)数据带入，求得B167井长71段的沉积速率约为2.61 cm/ka。

图1　B167井延长组长71段Th曲线db25离散小波变换分解结构图Fig.1　Decomposition structure diagram of db25 DWT of Th curve in the first segment of 7th member of Yanchang Formation in well B167

图2　B167井延长组长71段Th曲线d2、d3、d5细节分量及频谱分析Fig.2　The d2,d3 and d5 detail components of Th curve in the first segment of 7th member of Yanchang Formation in well B167 and their spectrograms

3　长7段沉积速率及其变化规律

根据上述计算沉积速率的方法，分别计算了鄂尔多斯盆地21口井长7段3个小层的沉积速率，结果如表3所示，长71段沉积速率的分布范围为1.10～2.61 cm/ka，平均1.44 cm/ka；长72段沉积速率为1.01～2.65 cm/ka，平均值为1.35 cm/ka；长73段沉积速率的分布范围为1.01～1.45 cm/ka，平均值为1.15 cm/ka。整个长7段的平均沉积速率为1.31 cm/ka。

邓秀芹[27]对长7段底部和上部的2层凝灰岩(间距96 m)进行了锆石U-Pb同位素定年，结果分别为228±2 Ma和221±2 Ma，据此计算长7段的平均沉积速率为1.37 cm/ka。对比2种方法计算的沉积速率结果，发现相差不大，故认为利用米兰科维奇旋回理论计算鄂尔多斯盆地延长组长7段沉积速率的方法是可靠的。

根据前面沉积速率的计算结果(表3)可以看出，在整体上延长组长7段的沉积速率具有从长73到长71逐渐加快的特征。这种现象的原因可能是长73期到长71期湖盆水体逐渐变浅，沉积物中的砂质含量逐渐增加，从而使得沉积速率越来越快。

另外，我们收集了松辽盆地、珠江口盆地、二连盆地中几套烃源岩的沉积速率数据(表4)，对比发现鄂尔多斯盆地延长组长7段具有较低的沉积速率。

表3　鄂尔多斯盆地延长组长7段各小层沉积速率Tab.3　Statistics of deposition rate of 7th member of Yanchang Formation in Ordos Basin

表4　松辽盆地、珠江口盆地、二连盆地中 几套烃源岩沉积速率统计Tab.4　Statistics of deposition rate of several sets of hydrocarbon source rock in Songliao Basin, Pearl River Mouth Basin and Erlian Basin

4　沉积速率与有机质丰度的关系

目前关于沉积速率与烃源岩有机质丰度关系的观点主要可以归纳为3点：一是沉积速率越高，烃源岩中有机质被降解的时间越短，有机质丰度越高，相反沉积速率越低，有机质与氧气接触时间越长，有机质丰度则越低[9-11]；二是高沉积速率带来的大量碎屑物质会稀释烃源岩中的有机质，沉积速率越高，烃源岩有机质丰度越低[12-13]；三是沉积速率与烃源岩有机质丰度的关系复杂，不是简单的正相关或负相关关系[14-15]。丁修建[2]在研究二连盆地陆相沉积速率与烃源岩有机质丰度的关系时，发现其受沉积环境的氧化还原程度和古生产力影响明显，即在沉积速率低于5 cm/ka时，沉积速率和烃源岩有机质丰度的关系主要受沉积环境的氧化还原程度影响，在沉积速率高于5 cm/ka时，沉积速率与烃源岩有机质丰度的关系主要受古生产力影响。

为了研究延长组长7段沉积速率与烃源岩有机质丰度的关系，利用△logR法[28]对已经计算过沉积速率的井进行TOC含量测井预测(其中X43和Z58井因缺少声波曲线而无法计算)，结果如表4所示，长71段TOC质量分数为0.17%～4.16%，平均1.72%；长72段TOC质量分数为0.21%～6.62%，平均3.01%；长73段TOC质量分数为1.17%～16.77%，平均6.93%。长7段的TOC含量具有长73>长72>长71的特征。

表5　鄂尔多斯盆地延长组长7段各小层TOC含量统计Tab.5　Statistics of TOC content of 7th member of Yanchang Formation in Ordos Basin

在此基础上，结合TOC含量和沉积速率数据建立延长组长7段各小层TOC含量与沉积速率的关系图(图3)。从图中可以发现，当沉积速率小于1.35 cm/ka时，TOC含量与沉积速率没有明显的相关关系，说明在此沉积速率区间，沉积速率对烃源岩有机质丰度没有明显的控制作用。但是从图3可知，TOC含量在整体上具有长73>长72>长71的特征，而烃源岩有机质的含量除了受沉积速率的控制之外，还与古生产力和保存条件有关[2]。因此，在沉积速率小于1.35 cm/ka的区间内，沉积物中的有机质丰度可能主要受其他因素(如古生产力条件和保存条件)的控制。

当沉积速率大于1.35 cm/ka时，烃源岩的TOC含量在整体上也具有长73>长72>长71的特征，但是TOC含量却有随沉积速率变大而逐渐减小的趋势，说明在此区间内，不管古生产力和保存条件对烃源岩有机质丰度的影响如何，沉积速率对TOC含量都有明显的控制作用。沉积速率越大，单位时间内陆源碎屑的输入量就越多，进入沉积物中的有机质被稀释的程度也就越严重，使得烃源岩有机质丰度越小；相反，沉积速率越小，单位时间内陆源碎屑的输入量就越少，沉积有机质在沉积物中所占的比例也越高，因此，烃源岩有机质丰度越高。

图3　鄂尔多斯盆地延长组长7段TOC含量 与沉积速率的关系Fig.3　Relationship between TOC content and deposition rate of 7th member of Yanchang Formation, Ordos Basin

5　结　论

(1)鄂尔多斯盆地延长组长7段的沉积速率整体较小，长71、长72和长73小层的平均沉积速率分别为1.44 cm/ka、1.35 cm/ka和1.15 cm/ka，具有从长73到长71逐渐增大的特征。

(2)当沉积速率小于1.35 cm/ka时，TOC含量与沉积速率没有明显的相关关系，在此沉积速率区间，沉积物中的有机质丰度主要受其他因素的控制，如古生产力条件和保存条件；当沉积速率大于1.35 cm/ka时，TOC含量具有随沉积速率变大而逐渐减小的趋势，说明沉积速率越大，沉积物中的有机质被稀释或破坏就越严重，有机质丰度就越小。

致谢：

本论文在研究过程中，得到西安石油大学地球科学与工程学院王起琮老师的悉心指导，在此由衷地表示感谢！

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责任编辑：王辉

Deposition Rate of the Seventh Member of Yangchang Formation,Ordos Basin and Its Impact on Organic Matter Abundance of Hydrocarbon Source Rock

YUAN Wei1,2，LIU Guangdi1,2，LUO Wenbin1,2

(1.State Key Laboratory of Petroleum Resource and Prospecting,China University of Petroleum (Beijing),Beijing 102249,China;2.Faculty of Geoscience,China University of Petroleum (Beijing),Beijing 102249,China)

The deposition rate of organic-rich shale in three sub-members of the seventh member of Yanchang Formation (Chang 7) in Ordos Basin was calculated using the method based on Milankovitch cycles.It is found that the deposition rate of the Chang 7 reservoir is very low,the average deposition rate is 1.31 cm/ka,and the deposition rate of from Chang 73to Chang 71gradually increases.The TOC content of the reservoir was predicted using △log R method,and the relationship between the deposition rate and TOC content was established based on the calculation result of the deposition rate and the prediction result of TOC content of some oil wells.It is shown that when the deposition rate is less than 1.35 cm/ka,there is no obvious correlation between TOC content and deposition rate,and the abundance of organic matter in sediments is mainly controlled by other factors such as the paleoproductivity and preservation conditions;when the deposition rate is more than 1.35 cm/ka,the TOC content gradually decreases with the increase of the deposition rate,which indicates that the greater the deposition rate,the less the abundance of organic matter because the organic matter is diluted and destroyed seriously.

deposition rate;organic matter abundance;hydrocarbon source rock;Milankovitch cycles;Yanchang Formation;Ordos Basin

2016-04-30

国家重点基础研究发展计划(973计划)(编号：2014CB239003)

袁伟(1988-)，男，博士研究生，主要从事油气藏形成机理与分布规律研究。E-mail:gujingyw@qq.com

10.3969/j.issn.1673-064X.2016.05.003

TE121.3

1673-064X(2016)05-0020-07

A