西藏尼玛盆地古新统—始新统牛堡组化学地层格架分析

尹世滔，张治锋，黄永建，祝有海，张帅，韩中鹏，李亚林，李祥，赵永辉，刘建伟

1)中国地质大学(北京)，地球科学与资源学院，北京，100083；2)中国地质调查局油气资源调查中心，北京，100083

内容提要: 已有勘探资料表明，西藏尼玛盆地古新统—始新统牛堡组地层具有良好的油气资源显示，然而目前有关于该套地层的地层格架划分仍然薄弱。化学地层学方法在北美页岩气勘探开发中取得了巨大成功，鉴于此，本文以尼玛盆地东部的协德乡南牛堡组剖面作为研究对象，通过对露头样品的主微量元素测试结果进行沉积地球化学、主成分分析、完备总体经验模态分解、以及自相关函数分析，从化学自—异旋回角度以及元素耦合行为出发，探讨地球化学基准面对化学地层格架的控制作用，从而为牛堡组地层提供化学地层划分方案。主成分分析结果表明，牛堡组地层沉积主要受控于细粒碎屑输入、碳酸盐岩、粗粒碎屑输入、氧化还原—生产力、以及盐度这五个因素；经验模态分解和自相关函数分析结果表明，牛堡组地层受到了明显的异旋回驱动，显示出多尺度基准面震荡特点。通过对异旋回信号分量(本征模函数，IMFs)进行重构，并且结合元素相互耦合特性，建立了牛堡组化学地层格架，该结果与岩石地层单元以及沉积相单元一致，证明了本文所提出的化学地层划分方案的可靠性和实用性。

尼玛盆地属于班公湖—怒江带内的新生代陆相沉积盆地，紧邻伦坡拉盆地西侧，其整体呈东西向展布(Decelles et al., 2007a；Kapp et al., 2007)。盆地基底为侏罗系—白垩系海相地层，新生代盖层为古新统—始新统牛堡组(E1-2n)、渐新世丁青湖组(E3d)及第四系(Q)堆积物(李启来，2017)。蒋忠惕等(2006)和李亚林等(2010)先后在尼玛盆地发现沥青脉和油页岩，表明尼玛盆地是一个含油气盆地。周小琳(2011)和卢志友等(2018)通过对牛堡组和丁青湖组地层的烃源岩和有机地化特征进行分析，进一步证实尼玛盆地牛堡组烃源岩具有较好的生烃潜力(孙涛等，2013a，b)。但截止目前，尼玛盆地牛堡组还没有建立详尽的地层系统，已有的地层划分方案也主要是基于岩石学等特征(如武景龙等，2011)。由于岩石地层单元的穿时性，难以进行区域对比，从而急需引入新的地层学方法(Bellanca et al., 1996; Pearce et al., 1999; Ramkumar, 2015)。

由于沉积源区、沉积背景、古气候和成岩作用的影响，沉积岩中的元素成分处于高度变化之中，因而可以利用地层主微量元素含量、组合及其比值变化特征，建立勘探区的高分辨率的化学地层框架，解决勘探区的地层划分和对比问题(Dypvik and Harris, 2001; Martínez-Santana et al., 2013; Craigie, 2015)。化学地层学以普遍获取的露头和钻井岩屑作为样品，且用量少、对岩性无特殊要求，对甜点层的识别和刻画尤为准确(Craigie, 2015)。目前在油气勘探，尤其是在非常规油气勘探领域特别是北美的页岩油气中得到大规模的推广与应用，如Sano等(2013)和Turner等(2015)用化学地层学方法分别建立了美国晚侏罗世Haynesville和Woodford页岩的地层框架。

在传统的化学地层学工作中，研究人员往往只利用单一的地球化学指标进行地层划分，并且地层划分过程较为主观，因此有必要对化学地层学方法进一步发展，使其更能够解决实际问题(Dypvik and Harris, 2001; Martínez-Santana et al., 2013; Craigie, 2015)。从层序地层学的观点来看，地层划分和对比的关键更在于沉积基准面的识别(吴向峰，2010；尹海生，2011)。本文以尼玛盆地东部边缘相协德乡南剖面上的牛堡组地层为研究对象，从化学地层学的角度出发，结合层序地层学方法，以主微量元素测试结果为基础，进行沉积地化、主成分、完备经验模态分解和重构、自相关函数等分析，从多指标角度探讨化学地层基准面的自异旋回过程(Holbrook and Miall, 2020)，从而建立牛堡组地层的化学地层格架，为尼玛盆地牛堡组地层的划分和对比打下基础，以进一步促进该地区油气资源评价工作的开展。

1 地质背景

尼玛盆地为古近系陆相盆地，从大地构造位置上看，其位于班公湖—怒江缝合带上的南部边缘一带(DeCelles et al., 2007b)，其南部为拉萨地体，北部为羌塘地体，东部与伦坡拉盆地相连，总体呈东西向展布(图1a)。尼玛盆地的现今构造格局主要受控于白垩纪末—始新世时期的构造碰撞运动(罗照华等，2006)，导致盆地总体上呈现为南北为坳陷区，中部为隆起的古地理格局(卢志友等，2018；Decelles et al., 2007a；Kapp et al., 2007)。赵斌(2013)通过对尼玛盆地南部和北部多条实测剖面进行地层对比，也将尼玛盆地划分为三个一级构造单元，即中部逆冲推覆体、甲若错坳陷(北部坳陷)、达则错坳陷(南部坳陷)。Kapp等(2007)通过对尼玛盆地大面积分布的红层进行黑云母同位素40Ar/39Ar测年，提出盆地地层的年代为渐新世—中新世。王波明等(2009)在盆地内发现的孢粉组合以及古生物鱼化石等证据，也表明尼玛盆地陆相地层时代为始新世—渐新世。赵珍等(2020)基于牛堡组地层内的斑脱岩和火山岩夹层，利用U-Pb定年手段，将牛堡组中上段时代定为45.41～43.82 Ma，从而确定了牛堡组地层为古新世—始新世沉积产物。

古近系牛堡组(E1-2n)地层在尼玛盆地内广泛发育，在地表主要出露于盆地南部达则错坳陷带以及盆地北部甲若错坳陷带(李启来，2017)，如查昂巴(武景龙等，2011)、虾别错(李亚林等，2010)地区，其不整合于竞柱山组之上。由于受盆地中部的隆起/逆冲推覆体阻隔，尼玛盆地南北坳陷具有完全不同的沉积物源特征(Decelles et al., 2007a；Kapp et al., 2007)。其中盆地南部坳陷牛堡组地层广泛发育辫状河、辫状河三角洲、冲积扇、扇三角洲、湖泊相沉积(Decelles et al., 2007a；武景龙等，2011；卢志友等，2018)。根据沉积相和沉积岩心等特征，一般将牛堡组地层由上到下划分为三个岩性段，对应沉积序列表现为粗—细—粗的旋回特点(黄辉等，2012)。

本文所研究协德乡南剖面(section in the southern Xiede village, XDXS)位于尼玛盆地南部坳陷的东部(图1)，剖面厚度超过2 km，几乎出露全部的牛堡组地层。剖面底部为牛堡组一段序列，整体为一套砾岩、粗砂岩沉积，大型槽状交错层理发育，地层呈透镜状产出，指示为辫状河心滩沉积，由于未见不整合接触界线，整条剖面未现下伏竞柱山组地层，因此牛堡组底部地层未完全出露；到剖面中上部，整体显示为砂质沉积、夹泥岩，并且发育边滩相中的二元结构，整体解释为曲流河环境下的沉积产物，为牛堡组二段沉积序列；而到剖面顶部，泥岩和页岩比例较多，发育水平层理，显示为三角洲平原亚相沉积产物，由于区域上牛堡组顶部地层与丁青湖组地层呈现(平行不)整合接触关系，但是在牛堡组剖面顶部，地层序列连续发育，未见明显不整合面，因此认为协德乡南剖面仍未出露丁青湖组沉积。整条剖面沉积相划分见图5。

图1 青藏高原构造单元简图(a，据Decelles et al., 2007b修改)及西藏尼玛盆地协德乡区域地质图及协德乡南剖面位置(b，据 1∶25万尼玛幅地质图❶修改)Fig. 1 Simplified tectonic map of Xizang(Tibet) Plateau (a，modified from Decelles et al., 2007b)，Regional geological map of study area, and the position of the section in southern Xiede village (XDXS) (b，modified from 1∶250000 Regional Geological Map of Nyima Region❶) IYSZ—雅鲁藏布江缝合带；BNSZ—班公湖—怒江缝合带；JSZ—西金乌兰湖—金沙江缝合带；SKSZ—昆仑南缘缝合带 IYSZ—Indus—Yarlung River suture zone; BNSZ—Bangong Lake—Nujiang River suture zone; JSZ—Jinsha River suture zone; SKSZ—Southern Kunlun suture zone

2 材料与方法

2.1 X射线荧光分析

按照每一单层至少有一件样品控制的原则，在协德乡南牛堡组剖面，共采取到415件地化样品。对所采样品进行了X-射线荧光分析(XRF)，以得到主微量测试结果。首先，分析样品被研磨至200目，然后送至北京北达智汇微构分析测试中心，其中主量元素以金属氧化物百分比(%)形式表示，微量元素以μg/g(×10-6)的形式表示，并用中国地质科学院发布的25个岩石标样((GBW07101-07125))进行校正。

2.2 主成分分析

已有沉积地化工作表明，沉积地层主要受控于物源变化、沉积环境、沉积过程(Ramkumar, 2015)以及后期的保存条件。具体而言其包括陆源碎屑输入情况、沉积过程中的生产力水平、沉积水体氧化还原条件、以及古气候条件等因素(Bellanca et al., 1996; Pearce et al., 1999; Montero-Serrano et al., 2010)。这些因素导致地层中主微量元素含量及其分布、同位素组成以及有机质含量等都是处于高度变化的(Asiedu et al., 2000; Yan Yi et al., 2006)，因此可以通过沉积物/岩石中的各种化学指纹对这些因素进行反演。化学地层学工作就是依靠这些保存在沉积记录中的各种地化指纹的变异性来实现的(Ramkumar, 2015)，这就要求我们获取大量的岩石地球化学数据。如何从众多的地化数据中快速寻找到能够刻画地层特征的地球化学参数或组合，同时又尽可能地代表整个岩石记录，这就变得至关重要。

主成分分析(Principal Component Analysis, PCA)是在保证数据信息丢失最少的原则下，将原来众多且具有一定相关性的指标重新组合成一组新的相互无关的综合指标的统计方法(Jolliffe, 1986)，是一种典型且常用的降维手段。从岩石中所测定出来的各种元素变量，其彼此之间具有某种内在联系，因为元素在岩石中的物质表现是通过矿物实现的，而特定的元素组合构成了矿物。因此，可以利用主成分分析手段建立元素组合。本文将利用主成分分析确定单元素组合，并根据因子得分，重新构建多个能够反映地层物源信息、沉积环境、和保存等条件的综合变量(主成分)。

2.3 完备集合经验模态分解

化学地层划分的关键在于化学基准面的识别，化学地层基准面提取与其他旋回分析并无本质上的区别。但是，考虑到地球化学数据的非线性和非平稳性，由Yeh等 (2010) 提出的完备经验模态分解方法(complementary ensemble empirical mode decomposition, CEEMD)是一种很好的数据自适应信号提取方法，其将原始时间序列分解成若干本征模函数(IMFs)和一个残差变量(RES)，这些IMFs按照自身特征频率由高到低的顺序排列，并且每个IMF都具有特定的物理含义，而RES变量被认为是代表了数据本身的长趋势，一般不予考虑。利用CEEMD进行化学地层基准面分析的基本思想，是基于化学地层资料是地层信息的集合体,化学地层信号的奇异性一般反映了地层边界信息这一重要事实。通过提取复杂信号在每一个时刻局部的振荡模式,将复杂信号分解为有限个本征模态函数之和，每一个IMF的信息反映了不同级别层序的界面特征，进而可被用于进行化学地层基准面分析和层序划分及对比研究。本文利用Matlab平台实现CEEMD分析过程。

2.4 自相关函数(ACF)

自相关函数(Autocorrelation Function, ACF)，用于计算同一时间序列中，不同时间点观测值之间的相关性(Davis, 1986)，常被用于识别隐含在时间序列中的周期信号。本文用该函数识别时间序列中的异旋回信号分量，并进而恢复对应的化学沉积基准面，从而建立化学地层格架。其原理在于，异成因过程主要受控于气候(Sobel and Strecker, 2003)、构造(Whipple and Tucker, 1999)以及海平面变化，表现出明显的周期性特征；而自成因过程是沉积和地层系统强烈自组织特性的表现，在时间序列上表现为分形特性以及不规则振荡(Holbrook and Miall, 2020)，无周期特征，其对应功率谱符合P～1/fβ特征,即功率值与频率的β次方成反比(Holbrook and Miall, 2020)。对一个时间序列的自相关函数作傅里叶变换就得到对应的功率谱密度，准周期时间序列功率谱呈现多个谱峰，其与白噪音或者分形时间序列的功率谱存在明显区别(李春峰，2005)。因此，通过对时间序列作自相关分析，如果目标时间序列具有自相关性，即存在周期性，那么在某一延迟时间节点(t)处，其自相关函数出现极大值；反之，如果目标时间序列为纯粹的白噪音/无周期性(自成因)，那么其自相关函数，在任一延迟时间节点(t)处，都无极大值出现。由于白噪音在地层划分和对比中没有作用，本文只需要识别出时间序列中的异旋回信号即可，而无需进一步鉴别白噪音和自旋回信号。

3 结果

3.1 X射线荧光分析结果

本次XRF测试，共获取到10种主量元素的氧化物含量，即Na2O，MgO，Al2O3，SiO2，P2O5，K2O，CaO，TiO2，MnO2，Fe2O3(wt%)，以及14种包括Zn，Cu，As，Sr，Zr，Nb，Sn，Ag，Cd，Ba，Cl，V，Cr，S(ppm)在内的微量元素。其中Zn，Cu，As，Sr，Zr，Sn，Ba，Cl中存在少量异常值(<5%)，后续分析中用序列均值替代这些异常值；而Ag和Cd的数据中存在大量异常值(>10%)，在后续分析中不再使用。本文后续分析中，主微量元素都用百分含量表示，以避免分析偏差产生。

3.2 主成分分析结果

对协德乡南牛堡组剖面样品主微量测试结果进行主成分分析，如表1所示，可以抽取到5个主成分(用PCA表示)。其中PCA1由Zn，Cu，Sr，Al2O3，K2O，TiO2，Fe2O3组成；PCA2由As，SiO2，CaO，MnO2和MgO组成；PCA3由Zr，Nb，Sn和Ba组成；PCA4由V，Cr，S和P2O5组成；PCA5由Cl和Na2O组成。Cr元素在PCA1和PCA4中均具有较高的载荷绝对值，说明Cr既有陆源带入，同时也具有沉积底层水体氧化还原状态密切相关，但是考虑到Cr与V两者之间的密切关系，如在页岩地层研究中，常用V/Cr值来判断沉积水体氧化还原情况(Tribovillard et al., 2006; Jenkyns, 2010)，因此将其划分到PCA4中。CaO变量在PCA1和PCA2中均具有较高的载荷绝对值，说明在协德乡南(XDXS)剖面上，CaO具有双重来源，即陆相输入来源和沉积水体自生沉积来源，考虑到Ca与Mn和Mg之间的矿物亲缘性，故将CaO划分到PCA2中。P2O5在PCA2和PCA4中也均具有较高的载荷绝对值，说明在协德乡南(XDXS)剖面上，生产力营养元素P与陆相输入相关，考虑到P与S，V，Cr之间存在密切的生物地球化学耦合过程(如Huang Yongjian et al., 2007)，因此将其划分到PCA4当中。

表1 西藏尼玛盆地协德乡南剖面古新统—始新统牛堡组样品主成分分析的旋转因子载荷Table 1 The factor loadings after rotating of PCA analysis results of the Paleocene—Eocene Niubao Formation on the section in southern Xiede village, the Nyima Basin, Xizang

所抽取出来的5个主成分累计方差贡献为76.75%，其中：PCA1占到27.92%，PCA2占到13.59%，PCA3占到13.31%，PCA4占到11.93%，PCA5占到10.00%。因此，所抽取出来的着5个主成分可以代表原始元素变量中的绝大部分信息。

3.3 完备经验模态分解结果

首先，按照主成分分析结果，以及各主成分对应的因子得分系数，构建出具有特定地质含义的综合变量，如PCA1=0.54×Zn+0.85×Cu-0.92×Sr+0.91× Al2O3+0.91× K2O+0.73×TiO2+0.92×Fe2O3，按照同样的思路可以得到其余4个综合变量，即PCA2，PCA3，PCA4，PCA5，构建结果见图5(黑色曲线)。然后，按照CEEMD分解方法，将5个主成分进行分解，得到对应的本征模函数(IMFs)以及残差(RES)。以PCA1为例，其可以被分解成8个IMFs以及1个RES分量(图2)。同样的，PCA2和PCA4都可以被分解成IMF1～8加上一个RES分量，PCA3和PCA5可以被分解成IMF1～9以及一个RES分量。

图2 西藏尼玛盆地协德乡南剖面古新统—始新统牛堡组主成分1的完备集合经验模态分解结果Fig. 2 The complementary ensemble empirical mode decomposition results of PCA1 variable in the Paleocene—Eocene Niubao Formation on the section in southern Xiede village, the Nyima Basin, Xizang

图3 西藏尼玛盆地协德乡南剖面古新统—始新统牛堡组主成分1的各本征模函数(IMFs)及残差(RES)分量的自相关分析(据Davis, 1986)Fig. 3 The autocorrelation analysis for intrinsic mode functions (IMFs) and residual (RES) of PCA1 variable of the Paleocene—Eocene Niubao Formation on the section in southern Xiede village, the Nyima Basin, Xizang(after Davis, 1986)图中黑色虚线为95%置信水平线，黑色实线为任一延迟时间t处的自相关值，位于置信水平区间内的部分表示为随机、独立点The dotted black lines denote the 95% CL lines, the solid black lines are autocorrelation coefficients along lag time (t), and the intervals falling below 95% CL lines mean random and independent points

图4 西藏尼玛盆地协德乡南剖面古新统—始新统牛堡组地层成岩作用判别图Fig. 4 Discrimination of diagenesis for rocks from the Paleocene—Eocene Niubao Formation on the section in southern Xiede village, the Nyima Basin, Xizang

图5 西藏尼玛盆地协德乡南剖面古新统—始新统牛堡组化学地层格架Fig. 5 The chemo-stratigraphic scheme for the Paleocene—Eocene Niubao Formation on the section in southern Xiede village, the Nyima Basin, Xizang

3.4 自相关性分析结果

为了进一步构建出能够反映地层化学基准面的曲线，需要对主成分(PCA)综合变量中的异旋回分量进行识别。本文对5个主成分，通过CEEMD分解所得到的所有本征模函数(IMFs)以及残差(RES)分量进行自相关函数分析。其中主成分1的各个IMFs和RES分量自相关函数如图3所示，可以看到IMF1～3在任一延迟时间点都不出现极值，表现为自旋回或者白噪音的特点；而IMF4—RES都呈现出明显的周期性，具有异旋回特点。对其余4个主成分的本征模函数(IMFs)以及残差(RES)分量也进行同样的处理，其结果表明：主成分2、4、5的本征模函数IMF1～3均为自旋回或者白噪音分量，IMF4—RES均为异旋回分量；主成分3的本征模函数IMF1～4为自旋回或者白噪音分量，IMF5—RES为异旋回分量。

4 讨论

4.1 沉积地球化学特征

Fe属于氧化还原敏感性元素，沉积地层中的Fe一部分来源于陆源碎屑输入，同时还有相当一部分Fe来源于还原条件下自生富集成因以及成岩作用期间热液带入；而Al和Ti元素属于对氧化还原不敏感的元素，是陆源碎屑输入的良好指标。由于沉积地层为湖相沉积，可以排除热液输入的影响，因此可以用Fe2O3/TiO2值将陆源背景扣除掉，从而反映成岩作用强度，Fe2O3/TiO2突然增大代表大量成岩作用Fe输入(Richer et al., 2006；Thomson et al., 2006)。S元素含量变化也可以指示氧化还原界面，大量S元素峰值的出现可能代表了还原环境下大量黄铁矿或者其他铁硫化物形成(Richer et al., 2006)。

如图4所示，Fe2O3与Al2O3具有很好的相关性，说明地层中Fe元素主要来源于陆源碎屑输入，S元素含量以及Fe2O3/TiO2值整体波动范围较小，仅在局部层位其数值突然增大(500～550 m；1180～1250 m；1900～2185 m)，这在一定程度上指示成岩作用对剖面地层沉积影响较小。V/Cr比值是反映水体氧化还原条件的重要指标之一，一般在氧化水体条件下V/Cr<2，在贫氧水体条件下V/Cr值在2～4.25之间，当V/Cr>4.25则指示次氧化—缺氧的水体条件(Tribovillard et al., 2006; Jenkyns, 2010)。Fe2O3与S元素的哈克图解(图4)表明，Fe元素在地层中主要以氧化物形式存在，结合V/Cr曲线(V/Cr < 2)，表明地层沉积环境整体以氧化条件为主，这与宏观上，协德乡南剖面整体为盆地边缘相沉积一致。V/Cr与Fe2O3/TiO2具有较高的正相关性(R2=0.53)，这说明沉积地层中扣除陆源背景输入的那部分Fe可以代表沉积时在相对缺氧沉积环境下自生富集的输入量，而不是后期成岩作用改造贡献。因此可以认为本次XRF测试结果可以代表沉积地层原始沉积组分。

4.2 元素组合的地球化学含义

主成分1中，Al2O3和K2O一般被认为与黏土和长石矿物相关(Pearce and Jarvis, 1992; Tribovillard et al., 2006)；TiO2被认为是代表相对稳定的陆源碎屑物质，受成岩作用影响很小(MacLean et al., 1997)；Fe2O3和Ti元素一样，被广泛用作陆源沉积输入变化的指标，但是在某些还原环境中，也可被用作反演水体氧化还原程度的指标(如Sluijs et al., 2009)。Sr一般被认为与碳酸盐岩矿物相关，但是主成分分析结果表明(表1)，Sr与Al2O3和K2O等陆源元素具有很好的相关性，说明Sr很可能也主要是陆相带入；Zn和Cu属于微量元素，容易被由Al2O3和K2O组成的黏土矿物吸附。因此，可以将主成分1理解为细粒陆源元素组合。主成分2中，CaO，MnO2和MgO三者与碳酸盐岩密切相关(如Montero-Serrano et al., 2010)，而SiO2对碳酸盐岩具有稀释作用，其负的因子得分系数(表1)就是最好的证明，因此可以将主成分2解释为碳酸盐岩元素组合。主成分3中，Zr与锆石具有很好的矿物亲缘性，代表了粗碎屑输入(Tribovillard et al., 2006)，Nb与锐钛矿，Sn与锡石，Ba与重晶石分别具有很好的矿物亲缘性，这些都是典型的重矿物，其化学性质非常稳定，受物理/化学风化作用的影响很小，其相对含量反映了物质沉积搬运过程中的水动力分选过程，因此可以将PCA3解释为粗粒陆源元素组合。主成分4中，V和Cr具有多价态(Wanty and Goldhaber, 1992; Calvert and Pedersen, 1993)，可以作为氧化还原指标，如V/Cr常用来反演沉积水体的氧化还原程度(Tribovillard et al., 2006; Jenkyns, 2010)；S元素也是变价元素，一般在还原水体中S以H2S形式存在；P2O5含量可以反映沉积水体生产力水平(Tyrrell, 1999)，并且与总有机碳含量(TOC)之间存在密切联系，如在白垩纪时期的古海洋演化过程中，活性磷与总磷的堆积速率的最大值与大洋缺氧事件近乎相对应(Föllmik, 1996)，而能够被生物利用的P在还原条件时更容易释放出来，P元素与水体氧化还原之间存在密切的耦合关系(Huang Yongjian et al., 2007)，因此，可以将PCA4解释为氧化还原与生产力元素组合。主成分5由Cl和Na2O组成，Cl和Na都是卤族元素，因此可以将其解释为盐度元素组合。各元素组合地球化学含义总结为表2。

表2 西藏尼玛盆地协德乡南剖面古新统—始新统牛堡组元素组合的地球化学含意Table 2 The implications of geochemical associations of the Paleocene—Eocene Niubao Formation on the section in southern Xiede village, the Nyima Basin, Xizang

4.3 自异旋回过程

Beerbower(1964)首先区分了沉积系统中旋回驱动的内外动力来源，分别命名为自旋回和异旋回(目前更倾向于用自成因和异成因过程两个术语，因为这些过程不一定是严格的旋回性质的，Hajek and Straub, 2017)。盆地充填序列的发育被认为广泛受到自成因过程(盆地内)和异成因过程(盆地外)的双重控制。最近的实验和理论研究都表明，自成因过程(Hajek et al., 2010; Straub et al., 2015)和异成因过程(Holbrook and Miall, 2020)都能产生地层，这就造成同一时间序列里面既包含异成因分量，还含有自成因分量。

自成因过程是持续进行的沉积机制，产生元地层、地层束和地层构型要素,包括离散的海底扇叶的生长和剥落、单一地层单元的沉积或离散的潮汐通道的迁移和放弃等常见过程，属于沉积学家熟知的传统的相序和相模式的研究范畴(Hajek and Straub, 2017; Paola, 2018)。自过程负责将沉积物分散到盆地内，在此过程中产生和组织而形成地层。自成因过程没有单一的特征长度或时间尺度，而是占据了一个广泛的尺度范围，是沉积和地层系统的强烈的自组织特性的表现，在时间序列上表现为自相似性或者分形特性以及不规则振荡(Holbrook and Miall, 2020)，即时间序列对应的功率谱符合1/fβ特征，即功率值与频率的β次方成反比(李春峰，2005；Holbrook and Miall, 2020)。自成因过程甚至会破坏异成因信号在地层记录中保存(Jerolmack and Paola, 2010)。

异成因过程主导并控制了沉积系统的物质和能量的变化，其本身并不产生地层，而是通过对自过程的改变而体现出来。因此不存在绝对意义上的异成因沉积，而只是被异过程驱动的自过程的变化而产生的沉积(Holbrook and Miall, 2020)。与自过程相反，异成因过程主要受控于气候(Sobel and Strecker, 2003)、构造(Whipple and Tucker, 1999)以及海平面变化，在地层记录中倾向于周期性或者准周期性，因而是可预测和可识别的。对于异成因过程产生的简单周期性或随机时间序列而言,它们的功率谱都不具有1/fβ特征，而是呈现出明显的可以代表该时间序列中主周期的谱峰(Holbrook and Miall, 2020)。

因此，澄清自异成因过程的含义、机制和保存临界点，成为地层学研究中最为根本的问题之一(Holbrook and Miall, 2020)。对于地层划分和对比而言，即基准面的识别过程，关键在于对自异旋回信号的识别和区分。前面通过自相关函数分析，已经将5个主成分中的异旋回信号进行了识别，基于异成因信号分量，重构曲线见图5。

4.4 化学地层框架

元素之间的矿物亲缘性分析表明，主成分1(PCA1)主要代表了地层中细粒陆源碎屑物质输入量的变化，并且主成分分析表明，主成分1(PCA1)的方差贡献最大，这说明该剖面沉积基准面主要受控于细粒陆源碎屑输入量的变化。因此本文以基于主成分1(PCA1)分解得到的本征模函数(IMFs)，来详细阐明化学地层格架的划分过程及其内涵。由图3可知，主成分1(PCA1)对应IMF4～8分量均显示出异旋回特征，可以认为他们代表了不同尺度的异成因过程，即不同时间尺度的化学基准面变化。原则上利用IMF4～8中的任意一个分量都可以划分出对应时间尺度的化学地层框架，但是考虑到基于不同IMF所恢复出来的不同时间尺度地化基准面对最终的地层沉积样式都具有一定程度的方差贡献，即意味着每个尺度的地化基准面只能反映一部分的地层沉积信息。因此为了得到稳健的地层划分方案，可以将每个主成份中具有异旋回特征的IMF分量进行合并，重构得到具有特定地球化学含义的基准面，如利用PCA1中的IMF4～8分量可以重构得到代表细粒陆源元素输入量的基准面曲线，以下简称为细粒基准面。基于同样过程，还可以得到碳酸盐岩基准面曲线、粗粒基准面、氧化还原与生产力基准面、以及盐度基准面曲线，其结果如图5所示(黑色曲线)。那么所重构出来的基准面曲线上相邻两个峰值/谷值区间即代表了一次地球化学沉积基准面旋回。基于此可以得到具有对应地球化学含义的地层划分方案(图5，黑色水平虚线)。

将重构出来五条地球化学基准面曲线(图5，黑色曲线)与对应的主成分综合变量曲线(图5，灰色曲线)进行对比，可以发现，前者波动更加明显，能够揭示更多的地球化学突变点，这点是传统化学地层学无法实现的。

在传统层序地层学中，海侵体系域(TSTs)由退积序列定义(Catuneanu et al., 2011)，表现为可容纳空间持续增加，对应的陆源碎屑指标含量以及沉积盆地局限程度逐渐降低(如Turner et al., 2016)；低水位体系域(LSTs)由进积序列定义(Catuneanu et al., 2011)，盆地局限水平逐渐升高(Turner et al., 2016)；高水位体系域(HSTs)同样由进积序列定义，表现为可容纳空间持续减少(Catuneanu et al., 2011)，对应的陆源碎屑指标含量逐渐升高，然而沉积盆地局限程度却是最低的(如Turner et al., 2016)。基于以上观点，可以认为基准面变化的具体表现形式就是可容纳空间发生变化，而直接的物质表现就是，陆源输入量、水体局限程度(氧还还原)等替代性指标的升高与降低。

回归到本文，可以认为细粒基准面曲线上，其对应数值由高到低，代表细粒物质输入量逐渐减少，即意味着沉积水体逐渐变浅，可容纳空间减少，沉积基准面不断升高的过程；由于氧化还原—生产力指标常常与细粒指标之间存在同相的耦合关系，因此氧化还原—生产力基准面曲线上，对应数值表现为逐渐降低，也代表了沉积基准面不断升高的过程；碳酸盐岩含量、粗粒物质含量、以及盐度三者都与细粒物质含量存在反相的理论耦合关系，因此，其对应基准面曲线数值由高到低，则表示积基准面不断降低的过程。利用这种元素指标之间的耦合关系，可以建立最终的化学地层格架。具体流程如下：①细粒基准面对地层沉积样式具有最高的方差贡献(PCA1方差最大)，因此首先以细粒基准面曲线上的峰值点作为对应地层划分界限；②结合各元素组合之间的耦合关系，同样可以将氧化还原—生产力基准面曲线上的峰值点作为对应地层划分界限；并将碳酸盐岩、粗粒、以及盐度基准面曲线上的谷值点作为对应地层划分界限。基于这5种基准面分别得到的地层划分方案如图5所示(黑色水平虚线)。

基于不同的地球化学元素组合(主成分)所得到的地层划分方案不同，是因为其侧重点不同。如基于细粒基准面得到的地层划分方案，强调地层中细粒碎屑物质输入量在异成因驱动下的表现形式；而基于主成分3得到的地层划分方案，则强调沉积水体氧化还原程度以及生产力水平。那么如何对不同的划分方案进行统一呢？异成因过程主要受控于气候(Sobel and Strecker, 2003)、构造(Whipple and Tucker, 1999)以及海平面变化，因此从地球化学角度出发，代表地层的各种属性之间应该存在耦合关系，即只有那些具有共同界线，并且地层属性能够相互耦合起来的界线，可能才代表了真正的基准面。本文按照至少有3条不同类型地层界线能够满足地球化学耦合关系，则将该界线视为真正影响到地层沉积的异旋回基准面界线原则，从而得到协德乡南剖面牛堡组地层的最终化学地层格架，其结果如图5(化学地层格架)所示，共得到十二个化学地层单元。

将化学地层学格架与岩石地层单元进行对比。如图5所示，化学地层界线整体上与岩石地层界线一致，并且都是出现在岩性粒度变化的位置，如⑩/和/之间的界线对应泥岩/粗砂岩界线，⑧/⑨之间的界线对应粉砂/含砾粗砂岩界线，由于协德乡牛堡组地层是湖相沉积，这说明控制地层沉积的主要因素为物源输入，这与化学地层学分析过程中的主成分分析结果一致，即反映地层粒度信息的主成分1和3累计提供了41.23%的方差贡献。与此同时，在岩石地层单元上，还有许多界线在化学地层学格架上并没有体现出来，那是因为在原始地层沉积过程中，除了异旋回因素如源区信号能够影响到沉积序列，另外自旋回过程同样可以作用于地层沉积样式，但是与前者不同的是，后者产生的地层无法实现区域甚至全球对比。由于本文采用完备经验模态分解方法，首先将自旋回信号滤掉，只保留了异旋回信号，所以相较于传统的岩石地层学划分方案，本文的化学地层学格架相当于一个“滤波器”，已经将自旋回因素产生的岩石界线排除在外，这样提高了地层的区域可对比性。除此之外，相较于岩石地层单元，本文给出的化学地层学框架还识别出前者无法识别到的界线，如化学地层单元⑨/⑩之间的界线出现在岩石地层单元上没有响应。

化学地层界线其本质上是对沉积环境改变做出的响应，因此化学地层界线能与沉积相界线很好对应，如最底部的界线与辫状河沉积相/曲流河沉积相之间的界线一致，并且前者具有更高的分辨率，那是因为在这些沉积相中，还存在许多微环境的变化，如亚相、微相等。

4.5 区域地层对比

协德乡南牛堡组地层位于尼玛盆地南部坳陷的东边，属于盆地边缘相沉积。尽管位于尼玛盆地北部坳陷的牛堡组地层也整体可以划分为三段，即沉积序列表现为从下到上粗—细—粗的沉积旋回特征(黄辉等，2012)，但是物源和古流向数据分析表明，尼玛盆地北部和南部坳陷分别接收来自不同物源区的沉积(Kapp et al., 2007)，尼玛盆地南北坳陷内牛堡组地层的沉积环境也完全不同，因此在区域上，协德乡南剖面的牛堡组地层只能与尼玛盆地南部对应地层进行对比。对于尼玛盆地南部坳陷，在晚白垩纪—第三纪时期，其主要为辫状河、冲积扇、湖相沉积等沉积类型(DeCelles et al., 2007a)，本文所研究的协德乡南牛堡组沉积环境与其一致(图5)。具体来看，无论是位于南部坳陷西部(尼玛县城附近)的康玛儿勒、新秃那若、俄久乡下布果剖面(卢志友等，2018)，还是位于南部坳陷南部的查昂巴剖面(武景龙等，2011；李启来，2017)，其牛堡组地层都表现为顶底为相对较粗的浅水相沉积，而中间为相对深水相沉积，这与协德乡南剖面情况一致。因此可以认为本文针对协德乡南牛堡组地层所划分的十二个化学地层单元可以应用于尼玛盆地南部坳陷其他地区的牛堡组地层。但是值得注意的是，协德乡牛堡组属于盆地边缘相沉积，在具体地层对比时还应该考虑到沉积相迁移所引起的沉积环境改变的问题。

5 结论

(1)本文利用化学地层学方法，首次建立了西藏尼玛盆地古新统—始新统牛堡组地层的化学地层学格架，有利于促进该地区油气资源评价工作的开展。将协德乡南牛堡组地层划分成了12个化学地层单元，该地层划分结果与岩石地层单元以及沉积相单元一致，证实了化学地层划分方案的可靠性和实用性，并且认为该划分结果可以应用于尼玛盆地南部坳陷中沉积的牛堡组地层，具备区域可对比性。

(2)此外，本文在牛堡组地层化学地层格架建立过程中，对化学地层学方法进行了探索。本文结合了沉积地球化学、主成分分析、完备总体经验模态分解、以及自相关函数分析等方法，从化学自—异旋回角度以及元素耦合行为出发，探讨了地球化学基准面对化学地层框架的控制作用。这一过程有别于传统的化学地层学方法，其更加强调异旋回对地层的控制作用，并且取得的结果更加客观。

致谢：在野外样品采集过程中，得到了博士研究生李帅、郝敏刚、韩凯博的帮助；稿件中部分图件得到博士研究生毕文军以及硕士研究生包宏扬的协助；审稿过程中得到了评审专家和编辑提出的宝贵意见，在此一并表示谢意！

注 释 / Note

❶ 河南省地质调查院. 2002. 1∶25万尼玛区幅区域地质调查报告.