渤海湾盆地饶阳凹陷早渐新世高精度年代地层格架建立及意义

杜 威, 纪友亮, 季梦瑶, 金治光, 赫兰双, 冉爱华, 谢 伟, 尹天豪

(1.油气资源与探测国家重点实验室(中国石油大学(北京)),北京 102249;2.中国石油华北油田公司第三采油厂,河北沧州 062450; 3.中国石化胜利油田分公司现河采油厂,山东东营 257000)

岩石地层学、生物地层学、旋回地层学和全息地层学是地层学发展的4次里程碑。旋回地层学是对地层记录的周期性旋回变化进行识别、描述、对比和成因解释,并将其应用于地质年代学提高年代地层框架的精度和分辨率,实现地层高精度划分与对比的一门地层学分支学科[1]。其基本原理是在初步的年代学框架下基于米兰科维奇旋回建立气候变化与地球轨道参数之间的关系。旋回地层学常应用于海相地层的定年工作中,在全球事件(气候变化和板块活动等)对比中发挥重要作用。陆相湖盆沉积地层亦受控于天文轨道周期[2-5]。饶阳凹陷多个构造带发现大量油气资源,开发层系的划分是目前研究的重点,各层序的绝对地质年代未曾考究,湖盆内等时地层格架与全球事件很难建立关系,沉积速率的变化规律和分布特征不明确[6-11]。笔者选取自然伽马曲线,利用米兰科维奇旋回,获取古气候和古水深变化中蕴藏的天文轨道周期信息。通过对自然伽马曲线深度域序列进行天文轨道调谐,结合层序地层学的思想,获得高精度天文年代标尺和年代地层格架。在此基础上,分析和对比渤海湾盆地内部沉积速率差异,为盆地构造演化、热史分析、成岩序列和成藏机制研究奠定基础。

1 区域地质概况

饶阳凹陷是渤海湾盆地西北部冀中坳陷的次一级负向半地堑式构造单元,是冀中坳陷中南部面积最大的凹陷(面积约6 300 km2),同时也是油气最为富集且勘探成效最高的凹陷[6-8]。凹陷内部隆-洼相间、东西分带、南北分区,自东向西可分为东部主断裂潜山构造带、东部次洼槽带、中央洼槽带、中央隆起带、西部次洼槽带和斜坡带(图1)[9]。受边界断裂分段活动控制,自北向南发育的马西、河间和饶南3个北—北东向洼槽被北部的八里庄—薛庄和南部的留路—大王庄2个变换带分割[10]。

图1 饶阳凹陷中央隆起带构造单元划分和地层综合柱状图

饶阳凹陷古近系的构造演化可以划分为5个阶段:盆地分割充填期(Ek—Es4)、第一次盆地扩张深陷期(Es3x—Es3z)、第一次盆地抬升充填期(Es3s—Es2)、第二次盆地扩张深陷期(Es1x)和第二次盆地抬升充填期(Es1s—Ed)[7]。前人将饶阳凹陷古近系划分为2个二级层序(构造层序)和8个三级层序。下渐新统包括沙一段和沙二段两套地层,其中沙一段划分为2个体系域和6个四级层序,分别对应6个油组(Es1xⅡ—Es1sⅠ)。其上覆东营组东三段底部湖侵体系域可划分为两个四级层序,分别对应两个油组(Ed3V—Ed3Ⅳ)(图1)[7,11]。

根据沙一段沉积古地貌,饶阳凹陷中央隆起带可以划分为西北部缓坡带、东南部陡坡带、河间洼槽和留西洼槽(图2(a))。研究区(肃宁—大王庄构造带)呈现“西南高,东北低”的地形趋势。与东南部陡坡带相比,西北部缓坡带地貌平缓,坡度小,断裂不发育或规模小,向河间洼槽方向发育非同沉积花状断裂,洼槽中心断裂不发育(图2(b))。前人研究认为,肃宁—大王庄地区沙一上亚段主要发育一套浅水三角洲和滨浅湖沉积;沙一下亚段上部主要发育一套泥页岩和碳酸盐岩组成的混积层系,属于滨浅湖—半深湖沉积;沙一下亚段下部为一套大面积分布“尾砂岩”,研究表明是辫状河三角洲沉积[11]。

图2 饶阳凹陷中央隆起带沙一段古地貌和古近系地层展布

2 研究资料和方法

2.1 标准井选取

肃宁—大王庄构造带位于整个饶阳凹陷的沉积区,发育浅水三角洲—湖泊沉积体系,沉积地层受湖平面变化(异旋回)控制,地层平缓,断裂不发育(图3)。另外,沙一段隶属于一个构造层序内,沉积时期未遭受明显的抬升剥蚀,地层保存完整[10]。综上所述,肃宁—大王庄地区沙一段地层具备旋回地层学研究的基本条件。

图3 饶阳凹陷肃宁—大王庄构造带沙一段顶部均方根振幅属性切片

在陆相湖盆的沉积背景之下,标准井优选需要服从以下标准:①井资料完备,自然伽马曲线和岩性描述质量高;②岩性剖面最好是砂泥频繁互层或低砂地比,钻遇目的层优势相为三角洲前缘或滨浅湖,保证湖平面变化下的异旋回是主导因素,避免河流自旋回的干扰;③标准井最好为直井,井钻遇地层完整且近似水平,保证井与钻遇目的层近似垂直,目的层无断层和沉积间断;④标准井钻遇地层剖面受压实作用较弱、欠压实或经过压实校正,需密度或声波时差测井曲线进行验证。通过对肃宁—大王庄构造带300余口探井的严格筛选,选择了1口标准井(宁62井)进行旋回地层学分析。

2.2 地层学分析

旋回地层学研究主要利用时间序列分析法,主要步骤包括测井曲线数据预处理、(滑动)频谱分析和高斯带通滤波。首先,去除自然伽马曲线的线性趋势和极值点[12];然后,利用多椎体法(multitaper method, MTM)和红噪声检验(redfit)对预处理结果进行频谱分析并确定谱峰置信水平[13-15];利用快速傅里叶变换(fast Flourier tranform, FFT)得到频谱分析图,将测井数据从时间-深度域转换为频率域进行滑动频谱分析[16];选择优势周期谱峰输入高斯(Gaussian)带通滤波器,得到不同优势周期旋回厚度并计算(视)沉积速率[17];基于理论天文年代结果(La2010d)[18],将自然伽马曲线按照天文长偏心率周期理论曲线进行调谐,建立深度域-时间域之间的关系和天文年代标尺,最终计算各四级层序的绝对地质年代。

层序地层学理论在全球范围地层等时性对比中发挥着重要作用,并逐渐应用于陆相湖盆等时地层格架建立和沉积相展布研究。基于井震资料结合,本文中利用层序地层学原理建立饶阳凹陷内井震地层格架,拉通连接滨浅湖—前三角洲—三角洲前缘—三角洲平原—冲积平原的等时地层格架,结合层序格架内标准井地质年代计算,建立具有绝对地质年代标尺的高精度年代地层格架。

3 旋回地层学分析

3.1 绝对地质年代

国际地质年代表(GTS2012)表明,中国北方渐新统地层由塔本布鲁克阶和乌兰布拉格阶组成,两者分别对应上渐新统和下渐新统。23.03～33.80 Ma,渐新统地层沉积历时约10 Ma,下渐新统地层沉积时间约为5.41 Ma[19]。结合古地磁、古生物和放射性同位素等手段,渤海湾盆地辽河盆地下渐新统地层沉积约14 Ma[20]。东营凹陷旋回地层学研究表明,沙一段底部绝对地质年龄约为31.9 Ma,沉积时间约3.0 Ma[5]。选取东营凹陷年代地层划分方案,选择沙一段底部31.9 Ma作为“锚点”,进行饶阳凹陷绝对地质年代计算。

地球轨道参数变化受控于地月系统公转和地月相互作用,影响着地球的自转速率和形状,岁差和地轴斜率周期发生改变[2]。根据国际地质年代表,利用Laskar算法计算北纬37°(肃宁—大王庄地区古纬度)夏至日65.5～23.03 Ma期间长偏心率、短偏心率、斜率和岁差的理论值,并进行频谱分析[3]。结果表明,研究区长偏心率周期为405 ka,短偏心率周期分别为131、125、100和95 ka,斜率分别对应40和38 ka,岁差分别对应23、22和18.8 ka。以上4种理论值在轨道周期之间存在稳定的比例关系,约为20∶5∶2∶1(图4)。

3.2 米兰科维奇旋回

宁62井频谱分析结果表明,99%置信度以上的主要旋回厚度为87.87、27.80、12.83、7.20和4.84 m,比例约为18.15∶5.74∶2.65∶1.49∶1,与理论值接近。所以,可认为旋回厚度87.87 m对应405 ka长偏心率周期,27.80 m对应125 ka短偏心率周期,12.83 m对应40 ka斜率周期,7.20 m对应23 ka岁差周期(图4)。由于受到沉积速率变化的影响,各优势周期所对应的旋回厚度并非一成不变,而是一个范围。根据滑动窗口频谱分析结果(图5),405 ka周期所对应的旋回厚度为87.87～44.50 m,其值的减小发生于3 100和3 500 m处。125 ka所以对应的旋回厚度位于27.08～24.08 m区间内,其值发生变化的深度为3 100和3 200 m。同理,40 ka和23 ka对应的旋回厚度区间分别为13.12～9.08 m和7.29～4.76 m。125 ka短偏心率周期得出的沉积速率变化频繁。

图4 宁62井频谱分析

结合宁62井405和125 ka滤波曲线(图5)可以得出,饶阳凹陷四级层序下湖平面变化主要受405 ka长偏心率周期的气候变化控制,每一个405 ka的峰值对应各四级层序的最大湖泛面。一个405 ka周期下对应3.24个125 ka周期,其峰值对应三角洲分流间塆和湖相泥岩,说明一个四级层序下存在3～4次更高频次的湖平面变化,变化周期是125或100 ka。

图5 宁62井优势天文周期滤波结果

3.3 天文年代标尺

宁62井自然伽马测井测量了8个油组(Es1xⅡ—Ed3Ⅳ),其中Ed3Ⅳ油组未完全测量(图5)。根据405 ka(频率区间为0.011 38±0.003 985 Hz)和125 ka(频率期间为0.048 35±0.019 06 Hz)滤波分析结果,自Es1xⅡ底至Ed3V油组顶,宁62井保留了10个405 ka长偏心率周期和33.5个125 ka短偏心率周期。在“锚点”31.9 Ma的控制下,本文中建立了饶阳凹陷下渐新统高分辨率天文年代标尺(图6)。通过计算,沙一段沉积时期共经历2.78 Ma,其6个四级层序(油组)自下而上分别经历了320、430、1 000、410、400和220 ka。Ed3V油组沉积历时1 360 ka,Ed3Ⅳ沉积时长大于460 ka。上渐新统和下渐新统地层界面年龄为29.12 Ma,与前人研究相比仅相差260 ka,说明饶阳凹陷和东营凹陷层序地层划分方案基本一致,具有等时对比性。

图6 宁62井自然伽马曲线调谐结果和天文年代标尺

4 高精度年代地层格架

以宁64井为中心井,建立贯穿肃宁—大王庄—留楚构造带的两条主干层序地层剖面,并进行四级层序划分和沉积相垂向分布刻画。结合宁62井的天文年代标尺,各井四级层序绝对地质年代得以计算(图3、7和8,图7和8中,地震剖面已经过-90°相位转换,黑色同相轴代表偏砂相;层序地层剖面按照Ed3Ⅳ顶部拉平)。总体上,自下而上沉积环境经历了滨浅湖—半深湖—浅水三角洲—河流相的转化,沉积(微)相经历了滨浅湖滩坝—半深湖泥—浅水曲流河三角洲前缘分流河道—浅水曲流河三角洲平原和前缘分流河道砂坝—曲流河点砂坝的转变,泥岩颜色由暗色过渡为红色,指示着湖泊水体逐渐变浅的过程。东三段物源方向主要为北西—南东向,而沙一段物源方向与东营组夹一定角度,主要为南西—北东向。在等时层序格架下,沉积厚度与沉积速率呈正相关。

图7 宁13井—宁302井井震剖面和层序地层剖面

宁13井—宁302井剖面为北西—南东向,贯穿肃宁—留楚构造带,断裂发育,全部为非同沉积断层。宁51井和宁302之间洼槽带沉积厚度较两侧厚,沉积速率较两侧高,主要沉积厚层砂泥岩互层,地震反射同相轴呈现振幅强、连续性好的偏泥相和振幅弱、连续性差的偏砂相叠置。宁13井、宁62井和宁64井层序格架内厚度变化不大,可以推断沉积速率基本一致,发育曲流河点砂坝、三角洲分流河道砂坝沉积。

留95井—宁33井剖面为南西—北东向,贯穿肃宁—大王庄构造带,地层平整,地层厚度自西向东增大。其中宁608井和宁33井处厚度最大,沉积速率较高,主要发育湖相泥岩和三角洲分流河道砂岩互层,以Es1sⅢ和Es1sⅣ油组最为显著。留95井、留439井、留440井和宁64井四级层序内地层厚度均匀,沉积速率基本一致,发育曲流河点砂坝和三角洲分流河道砂坝沉积。

5 讨 论

5.1 渤海湾盆地内部沉积速率差异

前人研究表明,饶阳凹陷古近系地层平均沉积速率为140 m/Ma,即14 cm/ka[21]。宁62井125 ka周期(视)沉积速率为9.12～22.23 cm/ka,平均值为15.35 cm/ka(图9)。然而,沉积速率在垂向上变化明显,自下而上主要包括3段递减趋势∶Es1xⅡ—Es1x、Es1sⅣ—Es1sⅠ和Ed3V—Ed3Ⅳ,其优势相分别对应滨浅湖—半深湖、浅水三角洲—滨浅湖和浅水三角洲—河流相,这意味着湖泥和河道砂坝沉积速率远小于河湖交互环境形成的砂泥互层,这可能与沉积物供给和河流冲刷有关。从地层孔隙演化上看,高沉积速率下低砂泥比的大段湖相泥岩与高砂泥比的河流三角洲砂泥岩互层相比,具有更强的欠压实能力。所以,这种沉积速率上的差异也可能与砂泥岩差异压实有关[22-24]。

图9 饶阳凹陷时深关系和沉积速率演化

东营凹陷沙一段沉积速率约9～11 cm/ka,与饶阳凹陷相差1～10 cm/ka[5]。前人研究表明,东营凹陷中央隆起带中东部沙一段主要发育辫状河三角洲—滨浅湖滩坝砂体,受风场、湖浪和河流三种搬运介质控制,辫状河三角洲沉积的分流河道和河口坝砂体受湖浪改造形成滩坝[22]。相比之下,饶阳凹陷沙一上亚段主要发育浅水曲流河三角洲,很少受到湖浪的改造,钻井资料未见滩坝砂体显示[11]。所以,河流建设性沉积环境下的沉积速率要远高于“建设和破坏并存”的沉积环境。

图8 留95井—宁33井井震剖面和层序地层剖面

5.2 地层学方法融合

旋回地层学和层序地层学理论的研究对象都是岩性剖面的旋回性质,而两者的侧重点大相径庭。层序地层学侧重于研究沉积地层旋回的方向性[7];旋回地层学侧重于研究某一波长旋回出现的频次[4]。但是,两种理论在实践中都具有各自的优势和缺陷。旋回地层学是行之有效的定年手段,但对钻井资料要求苛刻,在陆相湖盆的勘探条件下仅能找到少量符合要求的钻井资料。层序地层学服务于等时地层格架的建立,但层序边界没有绝对地质年龄的概念。可见,两种理论侧重点不同,对立统一,优势互补,其有机融合有效地弥补了层序地层学“等时不定时”和旋回地层学“定时不等时”的缺陷,为陆相湖盆乃至全球等时性对比创造条件。具体办法是选取标准井进行旋回地层学分析,以一口或几口标准井为中心,进行等时地层对比并建立层序地层格架。所以,两种理论的并用是解决陆相湖盆层序地层定年的必要手段。

6 结 论

(1)下渐新统沙一段地层共沉积了2.78 Ma,其内部6个准层序组自下而上分别沉积了320、430、1 000、410、400和220 ka。上渐新统和下渐新统的界面年龄为29.12 Ma。饶阳凹陷准层序组级别湖平面受405 ka长偏心率周期气候变化控制。

(2)饶阳凹陷沉积速率为91.2～222.3 m/Ma,平均值约为150 m/Ma。陆相湖盆沉积环境很大程度上决定了沉积速率,垂向上由高到低依次为浅水三角洲、滨浅湖和河流相。建设性沉积环境的沉积速率要远高于破坏性或“建设和破坏并存”的沉积环境。

(3)层序地层学和旋回地层学理论侧重点不同,对立统一,优势互补,两者的并用将是全息地层学的关键方法。但是,这一方法的一个挑战是不同陆相湖盆或凹陷的层序地层划分方案很难统一,不同地区相同层位的绝对地质年代“锚点”也具有较大差别,导致年代地层格架存在不必要的误差。因此层序划分方案和“锚点”的统一是接下来研究的重点。