基于米兰科维奇天文旋回恢复地层剥蚀厚度——以松辽盆地X油田青山口组为例

赵 军，曹 强，付宪弟，张飞飞，秦国英，闫文雯

(1.中国石油 大庆油田有限责任公司 第十采油厂，黑龙江 大庆 166405；2.中国石油 大庆油田有限责任公司勘探开发研究院，黑龙江 大庆 163618； 3.中国地质大学(武汉) 资源学院，武汉 430074)

地层剥蚀与区域性的构造运动有关，其分布受到盆地局部差异翘倾的控制，对油气生成、运移和聚集等产生重要的影响。同时，地层剥蚀厚度是恢复原型盆地、重建盆地沉积—构造演化史及模拟成藏过程研究的重要参数[1-2]。

目前，恢复地层剥蚀厚度的方法主要有镜质体反射率法[3]、磷灰石裂变径迹法[4-5]、流体包裹体法[6]、地质分析对比法[6]、泥岩声波时差法[7]和宇宙成因核素法[8]等。上述方法各有其适用范围和特点，除地质分析对比法和泥岩声波时差法外，其他方法成本较高，而地质分析对比法需要研究人员具有较强的地质认识能力，泥岩声波时差法受到模型和压实规律等严格限制。近年来，有学者提出基于米兰科维奇旋回理论[9]，运用旋回地层分析方法恢复地层剥蚀厚度，但该方法在地层剥蚀厚度研究方面还没有得到很好的应用。本文选取遍布松辽盆地X油田全区的42口探井，基于测井曲线提取米兰科维奇旋回信息，计算地层剥蚀厚度。

1 研究概况

地球绕太阳公转的椭圆轨道形状、黄赤交角(地球自转轨道面与地球公转轨道面的夹角)和地球自转轴的周期性变化，分别用偏心率(e)、斜率(o)和岁差(p)来描述。天文轨道参数(偏心率、斜率和岁差)周期性变化驱动地球表层气候周期性波动，对气候变化敏感的沉积物呈旋回性保留在沉积地层中[10]，称为米兰科维奇旋回(简称米氏旋回)。通过频谱分析、小波变换等技术手段，可以识别出地层中的米氏旋回信息。LASKAR等[11]认为米氏旋回用于定量计算可以追溯到距今250 Ma，研究层段松辽盆地X油田青山口组符合时限条件。旋回地层的研究常用替代指标提取天文周期，其中自然伽马(GR)、自然电位(SP)测井曲线最为常用[12]，对砂泥岩反应敏感，本次研究使用GR或SP测井曲线提取青山口组地层中的米氏旋回信息。基于米氏旋回理论，运用频谱分析、小波变换和滤波技术，探索性地恢复研究区42口探井(直井且未钻遇断层)的青山口组(K2qn)剥蚀厚度，绘制X油田的地层剥蚀厚度平面分布图，总结全区及4个三级构造带的地层剥蚀厚度分布特征，对青山口组沉积末期区域构造运动差异性的深入认识具有一定意义。

图1 松辽盆地X油田青山口组顶面埋深及构造区划据徐启[13]等修改。

图2 松辽盆地白垩系地层综合柱状图据张顺等[14]、任延广等[14]和吴怀春等[15]修改。

X油田位于松辽盆地中央坳陷区东部朝阳沟阶地，呈NE-SW向展布(图1)。东西向的剖面显示，朝阳沟阶地西北陡、东南缓。X油田划分为H背斜、M鼻状构造、J背斜和N鼻状构造等4个三级构造带[13]。青山口组地层沉积于晚白垩世初期，距今88.8～94 Ma，处于裂后热沉降坳陷发育阶段。由下至上，青山口组划分为青一段、青二段和青三段。青一段泥岩发育，见油页岩；青二、三段上部主要为紫红、灰绿色泥岩，浅灰色粉砂岩及泥质粉砂岩沉积。总体上，青一段至青三段沉积末期，盆地经历了缓慢的构造抬升，湖泊面积逐渐减小，相对湖平面逐渐降低，气候由潮湿逐渐变得干燥，沉积层序呈现反旋回特征(图2)。在青一段沉积时期，全区处于半深湖—深湖沉积环境；青三段沉积时期，研究区南部处于半深湖—深湖，而北部逐渐演变为滨浅湖沉积环境。青山口组沉积末期，由于构造隆升作用，盆地边缘大部分区域处于剥蚀状态，与上覆姚家组呈平行不整合接触，局部出现角度不整合接触。青山口组在哈尔滨—绥化地区遭受强烈剥蚀[16]，呼兰隆起带和长春岭背斜遭受局部剥蚀[17]；而处于凹隆过渡带的朝阳沟阶地，青山口组是否遭受剥蚀、剥蚀量多少的相关研究较少。过TX51井南北向的地震剖面显示，6号断层两侧地震同向轴数目不等(图1)。本文通过提取地层的天文旋回信息，揭示研究区的构造运动特征，为盆地的沉积—构造历史演化和油气成藏过程提供参考。

2 旋回地层分析

2.1 数据与方法

选取X油田钻穿青山口组且未钻遇断层的42口直探井(表1)。优先使用GR曲线，如无GR曲线，则用SP曲线代替。基于米氏旋回理论，利用Redfit3.8软件[18]对GR或SP曲线进行频谱分析，同时使用TORRENCE等[19]提供的小波工具包进行小波变换，综合识别米氏旋回。通过对米氏旋回周期进行高斯带通滤波，以提取地层中记录的米氏周期个数。由于米氏旋回受到构造运动、沉积环境等因素的影响，旋回厚度呈现波动变化，因此，频谱分析结果显示的旋回厚度是平均值。小波变换对准周期时变信号的检测效果非常好，能够检测出偏心率、斜率和岁差在沉积过程中的能量变化。

2.2 处理结果与分析

LASKAR等[11]计算了新生代和中生代天文周期。在地史中，偏心率周期基本保持在100 ka左右，而斜率周期与岁差周期逐渐增大，但三者比值接近5∶2∶1。据此，如果在地层中识别出旋回厚度比值与天文周期3个参数比值相近的3种旋回，则认为X油田青山口组沉积时期受到天文周期的影响。

以TX37井和TX50井为例。TX37井地震剖面反射轴横向连续性较好，振幅能量较强，为稳定沉积环境。在TX37井青山口组频谱分析(图3)结果中，找到11.5，4.5，2.3 m3个天文旋回厚度的比值为5∶1.957∶1，比值接近5∶2∶1，分别对应偏心率100 ka、斜率40 ka和岁差20 ka天文周期，且振幅谱曲线的相对振幅能量是偏心率>斜率>岁差，反映出青山口组沉积序列受到偏心率的影响最大，其次是斜率，影响最小的是岁差；小波变换验证了频谱分析的结果。同样，在TX50井青山口组频谱分析的结果中找到了11.4，4.5，2.2 m3个天文旋回厚度(图3)，其比值为5.18∶2.05∶1，接近于5∶2∶1，小波变换揭示出100ka偏心率周期的能量最强；其中100 ka偏心率周期对应的旋回厚度，频谱分析的结果11.4 m和滤波计算的结果11.76 m略有差异，但在允许的范围内。对研究区42口探井进行频谱分析和小波变换，均得到相同的结论。在青山口组沉积过程中，偏心率信息比较完整地保存在地层中，能量较强；而斜率和岁差受到构造运动、气候周期等的强烈干扰，其信息断断续续地被记录下来，能量较弱。因此，选择信息连续、能量较强的100 ka偏心率周期计算地层剥蚀厚度。

表1 松辽盆地X油田青山口组天文周期分析和剥蚀厚度计算

图3 松辽盆地X油田TX37井和TX50井青山口组旋回地层分析

对研究区42口探井青山口组的100 ka偏心率周期进行高斯带通滤波，提取旋回地层信息。以TX14、TX6、TX50和TX37井为例，总体特点是在地层顶底处的旋回信息较明显，而其间的信息能量较弱，反映出青山口组沉积开始与结束时，沉积环境发生明显变化。沉积开始时发生明显的水进，沉积结束时发生明显的水退，而其间出现多幕次级水进—水退事件(图2)。经过滤波，TX14、TX6、TX50和TX37井分别检测出40、42、43和39个100 ka偏心率周期(图4)。在同一稳定沉积区域内，地层记录的100 ka偏心率周期个数应相同，但研究区滤波结果显示，42口探井记录的100 ka偏心率周期的数量不尽相同(表1)，介于35～43个之间，说明存在地层缺失现象，产生这种现象的原因极有可能是剥蚀作用。因此，利用地层记录的100 ka偏心率周期个数的差异，可以用来恢复剥蚀厚度。

3 地层剥蚀厚度

3.1 计算方法及过程

根据研究区42口探井青山口组100 ka偏心率周期的滤波结果，最大值为43，最小值为35，将记录43个100 ka偏心率周期的地层定为完整的沉积序列(未遭受剥蚀)，而低于此值的地层被认定为遭受剥蚀，此剥蚀厚度为青山口组现今埋藏深度下的“最小视剥蚀厚度”。

图4 松辽盆地X油田青山口组滤波结果

以TX37井为例，姚家组底深为732.5m，青山口组底深为1 184 m，研究层段共记录39个100 ka偏心率周期，平均旋回厚度为(1 184-732.5)/39=11.58 m，与频谱分析的结果近乎一致。由于缺失4个100 ka偏心率周期，因此缺失的地层厚度应为(43-39)×11.58=46 m，即TX37井青山口组被剥蚀地层厚度为46 m。按照上述方法，对研究区42口探井青山口组的剥蚀厚度进行计算并统计结果(表1)。

3.2 对比分析

基于研究区目的层段现有的泥岩声波时差资料，以TX44井计算结果为例进行剥蚀厚度对比分析。TX44井青山口组顶深为429 m，底深为826 m，目的层段上部主要发育绿灰色和紫红色泥岩，下部主要发育灰黑色、黑色泥岩和黑褐色油页岩。

旋回地层分析法显示，TX44井青山口组共记录36个100 ka偏心率周期，平均旋回厚度为11.03 m，因此，其青山口组“最小视剥蚀厚度”为(43-36)×11.03=77 m。

本区青山口组埋深较浅，压实规律保存较好，适合使用泥岩声波时差法。选择厚度超过2 m的泥岩段进行读值，读值点尽可能地分布均匀，读值时读取1/2幅值处。由于姚家组与嫩江组整合接触(图5左)，所以将其作为不整合面上的一个整体进行读值；由于青山口组上部埋深较浅且发育大段泥岩(图5左)，因此，将青山口组上部地层作为不整合面之下的部分进行读值。对不整合面上、下读取的泥岩声波时差取对数，在散点图上做回归分析，恢复出TX44井青山口组地层的剥蚀厚度约为174 m(图5右)。

对比分析旋回地层分析法和泥岩声波时差法，二者计算结果相差97 m。旋回地层分析法依据地层中记录的100 ka偏心率周期计算剥蚀厚度，其精度主要取决于旋回信息的强弱、构造运动的程度及沉积间断是否存在等。而泥岩声波时差法的准确性受到泥岩埋深、读值方式等地质和非地质因素的影响，得到的剥蚀厚度是个估计值。因此，综合分析认为旋回地层分析法恢复的剥蚀厚度可靠性较高，可以在研究区推广应用。

3.3 剥蚀厚度分析

基于研究区42口探井的计算结果，绘制X油田青山口组剥蚀厚度平面分布图(图6)。H背斜是剥蚀量高值区，剥蚀厚度呈东北—西南条带状分布，剥蚀厚度在34～98 m之间，以60 m以上为主；其西南和东南局部地区的剥蚀厚度较小，在40 m左右。M鼻状构造是剥蚀量低值区，剥蚀厚度有向南减弱的趋势，剥蚀量在20～50 m之间。J背斜东北部继承了H背斜的剥蚀量高值区，局部剥蚀厚度高达70 m；其西北方向、靠近三肇凹陷的地区出现剥蚀量低值区，普遍低于20 m。N鼻状构造出现大面积的未剥蚀区，主要位于西南部；其东南方向、靠近长春岭背斜带的局部地区出现剥蚀区域，剥蚀厚度在40～60 m之间。

图5 松辽盆地X油田TX44井岩心柱状图(左)和泥岩声波时差计算青山口组剥蚀厚度(右)

图6 松辽盆地X油田青山口组剥蚀厚度平面分布

总体上，研究区地层剥蚀厚度呈现出东北高、西南低的特征，剥蚀厚度在0～98 m之间，未剥蚀区主要分布在西南部N鼻状构造，强烈剥蚀区主要分布在东北部H背斜。剥蚀厚度的分布特征与盆地的构造相吻合。朝阳沟阶地东北部与东北隆起区的呼兰隆起带相接，东部与东南隆起区的长春岭背斜带相接，反映出青山口组沉积末期的构造隆升作用，对朝阳沟阶地产生了局部影响，其构造挤压应力主要来自东北方向的呼兰隆起带，至朝阳沟阶地逐渐减弱；同时反映出当时松辽盆地的沉积中心位于西南或西北方向。

4 结论

(1)松辽盆地X油田青山口组存在米氏旋回天文周期，可检测出100 ka偏心率、40 ka斜率和20 ka岁差周期，其中以100 ka偏心率周期信号较强且连续。基于米氏旋回理论计算剥蚀厚度表明，由东北向西南，剥蚀厚度逐渐减薄，直至出现大面积分布的未剥蚀区，反映出来自东北方向构造挤压应力逐渐减弱的过程。

(2)青山口组沉积末期，在松辽盆地东部整体构造隆升的背景下，高出基准面的地层遭受剥蚀，同时由于区域构造运动的应力存在着差异，导致地层剥蚀量分布不均匀。研究结果对朝阳沟阶地深部地层最大埋深、生烃潜力等指标的评价提供指导意见，解决了盆地模拟中青山口组沉积时期的构造演化问题，为油气成藏过程的定量研究提供了依据。

(3)该方法可操作性较强，不受地层定年的影响，不受剥蚀模型的限制，充分考虑到了先沉积后剥蚀、边沉积边剥蚀的沉积模式，适用范围较广，计算出的地层剥蚀厚度误差较小。但该方法也存在不足之处，选取数据时需要排除断层的影响，对无井、少井区域缺乏预测性的解释。

参考文献:

[1] 曹强,叶加仁,王巍.沉积盆地地层剥蚀厚度恢复方法及进展[J].中国石油勘探,2007,12(6):41-46.

CAO Qiang,YE Jiaren,WANG Wei.Methods of eroded strata thickness restoration in sedimentary basins and its advancement[J].China Petroleum Exploration,2007,12(6):41-46.

[2] 余朝华,肖坤叶,肖高杰,等.乍得Bongor反转裂谷盆地中生界剥蚀厚度恢复及勘探启示[J].中国石油勘探,2013,18(5):45-53.

YU Zhaohua,XIAO Kunye,XIAO Gaojie,et al.Mesozoic erosion thickness restoration and its implication to exploration in Bongor inverted rift basin,Chad[J].China Petroleum Exploration,2013,18(5):45-53.

[3] 彭清华,周江羽,揭异新.镜质体反射率法在南堡凹陷东营组剥蚀厚度恢复中的应用[J].沉积与特提斯地质,2013,33(2):89-94.

PENG Qinghua,ZHOU Jiangyu,JIE Yixin.An application of the vitrinite reflectance trend method to the restoration of erosional thickness in the Dongying Formation,Nanpu Depression[J].Sedimentary Geology and Tethyan Geology,2013,33(2):89-94.

[4] 施小斌,石红才,杨小秋,等.江汉盆地当阳向斜区主要不整合面剥蚀厚度的中低温热年代学约束[J].地质学报,2013,87(8):1076-1088.

SHI Xiaobin,SHI Hongcai,YANG Xiaoqiu,et al.Erosion thickness of the main unconformities of Dangyang Subbasin,Jianghan Basin:Constrained by the middle-low thermochronology[J].Acta Geologica Sinica,2013,87(8):1076-1088.

[5] 石红才,施小斌,杨小秋,等.江南隆起带幕阜山岩体新生代剥蚀冷却的低温热年代学证据[J].地球物理学报,2013,56(6):1945-1957.

SHI Hongcai,SHI Xiaobin,YANG Xiaoqiu,et al.The exhumation process of Mufushan granite in Jiangnan Uplift since Cenozoic:Evidence from low-temperature thermochronology[J].Chinese Journal of Geophysics,2013,56(6):1945-1957.

[6] 袁玉松,郑和荣,涂伟.沉积盆地剥蚀量恢复方法[J].石油实验地质,2008,30(6):636-642.

YUAN Yusong,ZHENG Herong,TU Wei.Methods of eroded strata thickness restoration in sedimentary basins[J].Petroleum Geology & Experiment,2008,30(6):636-642.

[7] 付晓飞,李兆影,卢双舫,等.利用声波时差资料恢复剥蚀量方法研究与应用[J].大庆石油地质与开发,2004,23(1):9-11.

FU Xiaofei,LI Zhaoying,LU Shuangfang,et al.Recovering denudation thickness by interval transit-time[J].Petroleum Geology & Oilfield Development in Daqing,2004,23(1):9-11.

[8] 胡凯,方小敏,赵志军,等.宇宙成因核素10Be揭示的北祁连山侵蚀速率特征[J].地球科学进展,2015,30(2):268-275.

HU Kai,FANG Xiaomin,ZHAO Zhijun,et al.Erosion rates of northern Qilian mountains revealed by Cosmogenic10Be[J].Advances in Earth Science,2015,30(2):268-275.

[9] 姚益民,徐旭辉,刘翠荣,等.米氏旋回剥蚀量计算方法在泌阳凹陷的应用[J].石油实验地质,2011,33(5):460-467.

YAO Yimin,XU Xuhui,LIU Cuirong,et al.Calculation of denudation amount with Milankovitch cycle method:A case study in Biyang Sag[J].Petroleum Geology & Experiment,2011,33(5):460-467.

[10] 黄春菊.旋回地层学和天文年代学及其在中生代的研究现状[J].地学前缘,2014,21(2):48-66.

HUANG Chunju.The current status of cyclostratigraphy and astrochronology in the Mesozoic[J].Earth Science Frontiers,2014,21(2):48-66.

[11] LASKAR J,ROBUTEL P,JOUTEL F,et al.A long-term numerical solution for the insolation quantities of the Earth[J].Astronomy & Astrophysics,2004,428(1):261-285.

[12] 吴淑玉,刘俊.北黄海东部坳陷始新统米兰科维奇旋回特征[J].地球科学(中国地质大学学报),2015,40(11):1933-1944.

WU Shuyu,LIU Jun.Characteristics of Milankovitch cycle in Eocene Formation,eastern depression of the North Yellow Sea Basin[J].Earth Science(Journal of China University of Geosciences),2015,40(11):1933-1944.

[13] 徐启.非震结合油藏非均质性刻画及在朝阳沟油田二三类区块中应用[D].大庆:东北石油大学,2014.

XU Qi.The method of characterizing reservoir heterogeneity by integrating well-to-seismic and its application in the second and third kinds of blocks in Chaoyanggou Oilfield[D].Daqing:Northeast Petroleum University,2014.

[14] 赵翰卿.大庆油田精细储层沉积学研究[M].北京:石油工业出版社,2012.

ZHAO Hanqing.Daqing oilfield fine reservoir sedimentology[M].Beijing:Petroleum Industry Press,2012.

[15] 吴怀春,张世红,黄清华.中国东北松辽盆地晚白垩世青山口组浮动天文年代标尺的建立[J].地学前缘,2008,15(4):159-169.

WU Huaichun,ZHANG Shihong,HUANG Qinghua.Establishment of floating astronomical time scale for the terrestrial Late Cretaceous Qingshankou Formation in the Songliao Basin of Northeast China[J].Earth Science Frontiers,2008,15(4):159-169.

[16] 崔军平.松辽盆地东部哈尔滨—绥化地区构造演化及其对油气成藏条件的控制作用[D].西安:西北大学,2007.

CUI Junping.Structural evolution of Haerbin-Suihua area in East Songliao Basin and its control over hydrocarbon formation condition[D].Xi’an:Northwest University,2007.

[17] 万双双.松辽盆地北部构造演化研究[D].成都:成都理工大学,2012.

WAN Shuangshuang.The study on tectonic evolution in North Songliao Basin[D].Chengdu:Chengdu University of Techno-logy,2012.

[18] SCHULZ M,MUDELSEE M.REDFIT:Estimating red-noise spectra directly from unevenly spaced paleoclimatic time series[J].Computers & Geosciences,2002,28(3):421-426.

[19] TORRENCE C,COMPO G P.A practical guide to wavelet ana-lysis[J].Bulletin of the American Meteorological Society,1998,79(1):61-78.