东营凹陷沙四上细粒沉积岩段米兰科维奇旋回及沉积响应

董欣君，冯振东，宁淑媛，张鹏飞，陈涛，张琳，高迪，吴伟

（1.河南理工大学 资源环境学院，河南 焦作 454000；2.中国石油化工股份有限公司 胜利油田分公司 勘探开发研究院，山东 东营 257000）

0 引言

随着非常规油气勘探开发不断深入，陆相湖盆页岩油气已成为油气勘探开发的热点，正确理解此类盆地的高精度层序结构和控制因素成为关键科学问题。传统的岩石地层、生物地层和层序地层方法只能解决百万年及以上级别的等时地层格架划分，即使是利用精细地层结构特征建立的高精度层序地层格架，其时间精度也只有数十万年［1-2］。

米兰科维奇理论的时间特性可以实现连续地层的时间标定，从而高精度记录地质事件时间［3］。米兰科维奇旋回有3个参数，即偏心率、斜率和岁差，它们反映地球轨道参数的周期性变化，地球轨道参数变化导致地球表面接收到的太阳日照量发生周期性变化，进而引起气候的周期性变化，又进一步直接或间接地控制风化作用、搬运作用和沉积作用。因此在构造平静期，地球轨道参数变化是影响湖平面变化的重要因素［4-5］。J.Lasker等［6］不断改进天文周期模型，已实现50 Ma以来地球轨道参数的精确计算。

东营凹陷是中国细粒沉积岩较为发育的地区之一。近年来，许多学者对该地区的沉积岩岩性、沉积环境、沉积模式、油气勘探等进行了探究［7-8］。姜在兴等［9］建立了三端元页岩相划分方案，以TOC、碳酸盐岩、陆源碎屑含量为三端元对东营凹陷沙三下亚段、沙四上亚段页岩开展研究。王冠民［10］通过镜下观察，发现东营凹陷细粒岩主要由纹层组成。吴靖［11］通过对沙四上亚段细粒岩物源供给、气候及水体物化条件、构造作用等主控因素的分析，发现气候及水体物化条件的阶段性变化是该段细粒岩垂向叠置的原因。

本文在前人研究基础上以东营凹陷利页LY1井为例，建立高频地层格架，明确米兰科维奇旋回对沉积环境、岩性组合的影响。本文测试数据由胜利油田勘探开发研究院提供，其中矿物组分由X-射线衍射（XRD）测试获取，微量元素采用等离子体质谱（ICP-MS）检测得到，结果误差小于5%。

1 研究区地质概况

东营凹陷位于济阳坳陷东南部，由利津、博兴、牛庄、民丰4个次级负向构造单元及北部陡坡带、中央背斜带和南部斜坡带等次级构造单元组成，具有“北断南超，北深南浅”的特点［9］，勘探面积约5760 km2（图1）［10］，是中国东部中新生代陆相湖盆的典型代表。东营凹陷形成于华北克拉通之上，构造演化史复杂，包括古近纪的同裂谷阶段和新近纪的后裂谷阶段。东营凹陷内古近系和新近系等地层较完整，自下而上依次发育古近系孔店组、沙河街组、东营组及新近系馆陶组、明化镇组［9］。结合前人对岩石地层、地震地层、孢粉地层和磁性年代学的对比分析，对东营凹陷年代地层格架进行了厘定，利用高分辨率GR测井数据建立66～23 Ma的天文时标，其中Es42s沉积时间约为45～42 Ma［9］。

图1 东营凹陷区域构造图（据文献［13］，有修改）Fig.1 Tectonic map of the Dongying depression（revised from the literature of 13）

LY1井位于东营凹陷利津洼陷东坡，选取井深3736.30～3836.36 m沙河街组地层为研究对象。该段主要为深湖-半深湖细粒沉积岩［9］，无明显沉积间断，具有GR、AC等常规测井数据，是进行米兰科维奇旋回研究的理想对象。

2 岩石学特征

2.1 矿物组分

2.2 岩相划分

根据矿物成分、沉积构造和有机质含量对LY1井细粒沉积岩进行岩相划分。首先根据前人研究［11］，并综合考虑研究区实际情况，以黏土矿物、碳酸盐矿物、脆性矿物为3个端元，以矿物质量分数25%、50%和75%为界，划分出混合岩、灰岩、硅质灰岩、泥质硅质岩、硅质灰岩和泥质灰岩（图2）。再以TOC值（2%）为界［12］，划分为富有机质和贫有机质，依据沉积构造划分出纹层状、层状和块状。依据上述方案，研究区共划分出16种岩相（表1）。

表1 东营凹陷LY1井沙四上纯上次亚段细粒沉积岩岩石类型Tab.1 Rock types of the fine-grained sediments in the upper Es4s of LY1 in the Dongying depression

图2 东营凹陷LY1井细粒沉积岩矿物组成散点图Fig.2 Scatter diagram of the mineral composition of the fine-grained rocks from LY1 well in the Dongying depression

3 米兰科维奇旋回识别

3.1 米兰科维奇理论与地球轨道周期分析

太阳系各星体对地球的万有引力使地球轨道的偏心率、斜率和岁差参数发生周期性变化，进而驱使气候出现周期性波动，这种气候波动使一些敏感沉积物发生周期性变化并沉积，且保存在沉积地层中，使地层具有旋回特征［13］。

在此，再看看这些入围“全国总决赛”的选手都错在哪里呢？我粗略地记了一下，有海顿、莫扎特、贝多芬的奏鸣曲，也有肖邦的《圆舞曲》，这些曲子相对程度高一些，但是弹初级乐曲也错得乱七八糟，如最简单的贝多芬《土耳其进行曲》的初级简易版，左手伴奏和弦没几种变化，也会乱编乱弹，“以不变应万变”。至于休止符不管、拍子不数的情况，更是多见。在众多错误百出的选手中，偶尔出现一位规范的演奏者，真是令评委们的耳朵“为之一新”，是一种“出淤泥而不染”的享受！由此也不禁感叹广大琴童的不易，如此“劳民伤财”地艰难地学着，却并没有真正领略到音乐的美好，甚至没有进入音乐之门就不得不放弃，留下的只有遗憾，甚至对钢琴的反感……

本文采用J.Lasker等［6］建立的天文周期模型计算45～42 Ma的轨道周期变化。采样间隔1 ka，利用Past软件进行频谱分析，确定主要的轨道周期，以此为标准进行识别。结果显示，该沉积时期地球轨道存在3个较明显的短偏心率周期，分别为406.79，132.60，100 ka；3个较明显的地轴斜率周期，分别为51.17，39.41，38.28 ka；4个较明显的岁差周期，分别为23.17，21.92，18.82，18.62 ka（图3）。本次研究将利用这些理论轨道周期之间存在的稳定比例关系作为米兰科维奇旋回分析的基准。

图3 45～42 Ma地球理论轨道周期频谱分析Fig.3 Analysis of the earth's theoretical orbital period spectrum at 45～42 Ma

3.2 米兰科维奇旋回识别

米兰科维奇旋回反映地球轨道参数的周期性变化使古气候发生周期性变化，进而导致沉积物特征变化，并在测井数据中有所体现［14-15］。沉积物中的伽玛射线（GR）变化受铀（U）、钍（Th）和钾（K）等含量的控制，在湖盆中，黏土矿物和有机质的丰度对沉积环境和气候变化十分敏感。因此，GR数据可以敏感地反映细粒沉积岩中泥质含量及古气候变化，是米兰科维奇旋回分析的理想数据［16］。前人研究表明：能量峰值频率比与米氏旋回周期比越接近，越能反映天文周期引起的古气候变化。因此，地层记录中能否找到与米氏周期比相等的关系非常重要［17］。

选择GR数据作为识别地层中米兰科维奇旋回的关键指标，选取LY1井3736.30～3834.36 m的GR数据，按等深间距0.125 m取值，对该段GR数据进行频谱分析，将其由深度域转换到频率域，得出频谱曲线。图4中能量峰值表示该频率沉积旋回在地层中的重要性，频率越高代表该旋回周期在地层中出现越频繁。对LY1井3736.30～3834.36 m段GR数据进行频谱分析，得到沉积旋回厚度和厚度比（表2）。

表2 LY1井旋回厚度与天文周期对比Tab.2 Comparison between cycle thickness and astronomical period in LY1 well

表2 LY1井旋回厚度与天文周期对比Tab.2 Comparison between cycle thickness and astronomical period in LY1 well

旋回厚度/m旋回厚度比天文周期/ka天文周期比36.9421.23406.7921.619.235.30100.005.314.532.6051.172.723.471.9938.282.032.001.1521.921.161.741.0018.821.00

频谱分析和旋回厚度的统计结果（图4）表明，主频率比为0.0005∶0.0022∶0.0044∶0.0054∶0.0100∶0.0115，波长为频率的倒数，乘以取样间隔，即在地层中保存厚度为36.94，9.23，4.53，3.47，2.00，1.74 m，主峰值间比约为21.23∶5.30∶2.60∶1.99∶1.15∶1.00，其与理论轨道周期比值（406.79∶100.00∶51.17∶38.28∶21.92∶18.82=21.61∶5.31∶2.72∶2.03∶1.16∶1.00）吻合较好，误差不超过0.05%，即可以识别出2个偏心率周期406.79，100.00 ka，2个斜率周期51.17，38.28 ka和2个岁差周期21.92，18.82 ka，其中斜率周期能量较高。

图4 东营凹陷LY1井 GR曲线频谱分析Fig.4 Spectral analysis of natural gamma ray logging of in LY1 well of the Dongying depression

3.3 米兰科维奇旋回划分

小波变换理论是近年发展起来的信号处理分析技术，可以满足时间域和频率域较高的分辨率，因此被称为“数学显微镜”，通常应用于数值信号处理，由于地球物理的发展，也广泛应用于地质学领域［18］。

本文基于MATLAB软件，采用小波分析，识别米兰科维奇旋回周期。连续小波分析可以将信号局部化和多尺度化，能反映各种频率大小随深度的变化特点。自然伽马数据包含多种频率成分，选择反映尺度和平移距变化较大的Daubechies（简称db）小波，这种小波类型常简写为dbN，其中N表示阶数，阶数太小或太大，对测井信号能量集中都是不利的，在实际工作中常选用db5小波，其能量的集中性相对较好，具有较强的适用性［19］。因此，本文选择db5小波对LY1井自然伽马数据进行9层分解，可以得到9条不同级次的小波系数，并读出d1～d9层的频率。

测井曲线的小波分析，其意义在于GR数据经小波变换后，得到震荡位置，代表不同级别下的突变区域，地质体现为形成环境的突然变化，即一种突变界面的反映［20］。因此GR数据经小波分析后，在不同伸缩尺度下，小波曲线表现出规律的震荡性特征，可作为各级层序分界面的划分标准，即测井层序划分的依据［20］。d9∶d8∶d6=1∶3∶10≈406.79∶100.00∶38.28，即d9，d8，d6的频率即为本区要提取的天文周期对应的频率，分别代表偏心率、斜率和岁差对应的曲线。根据层序地层学划分标准将基准面旋回划分为长期、中期、短期和超短期等［21-22］，小波系数a=2048的曲线对应Ⅳ级层序；a=1024的曲线对应V级层序；a=256的曲线对应Ⅵ级层序（表3）。由图5可知，3736～3834 m中共识别出2.5个Ⅳ级旋回（长偏心率周期），10个V级旋回（短偏心率周期）和28个VI级旋回（斜率周期）。

图5 东营凹陷LY1井高频旋回划分Fig.5 High frequency cycle division o in LY1 well in the Dongying depression

表3 各层频率与最小频率的比值Tab.3 Ratio of each layer frequency to the minimum frequency

4 沉积环境分析

沉积物中的化学元素可以为古环境变迁提供可靠信息［23］。因此，地球化学元素尤其是特征元素可以指示古环境的演化，包括古气候、古氧相、古水深、古盐度、古物源等。本文进行了主量、微量元素测试，分析Ca，Mg，Na，Al，Ti，Fe，Mn，Sr，Ba，V，Ni等元素含量及特征元素比值，推测对应的沉积环境及其演化特征。

4.1 古气候

不同古气候条件下，沉积物中保存的元素比例存在差异，Al属于风化作用中的惰性迁移元素，Na属于风化作用中较易迁移的元素。气候干冷时，以机械风化作用为主，风化不彻底，各种细粒岩屑、矿屑和黏土矿物共存，表现为w（Na）/w（Al）值较高；气候暖湿时，地表温度升高，降雨量较大，大量水参与风化过程，化学风化作用较强烈，Na等元素流失严重，w（Na）/w（Al）值较低。因而w（Na）/w（Al）值升高是气候由暖湿向干冷转变的重要指标［24］。盆内沉积的自生矿物中，Ca和Mg元素的相对变化也能反映古气候变化，w（Ca）/w（Mg）值升高，代表古气温降低，反之代表古气温升高［25-27］。

4.2 古氧相

V，Ni均为氧化还原条件敏感元素，因此研究中常用w（V）/w（V+Ni）揭示环境的氧化还原性。缺氧环境中V更容易富集，w（V）/w（V+Ni）值较高；反之，富氧条件下，Ni比V先富集于沉积岩中，w（V）/w（V+Ni）值较低［29-30］。另外，自生矿物黄铁矿含量和相对生烃潜力w（S1+S2）/TOC值也可以用于研究水体的氧化还原性（S1为岩石中可溶有机质或吸附物，S2为干酷根热解产物）。尤其在还原条件下，黄铁矿大量聚集，w（S1+S2）/TOC值较高；氧化环境中，黄铁矿含量较低，岩热解数据w（S1+S2）/TOC值较低。因此根据w（S1+S2）/TOC值的变化可以推测沉积时期水体氧化还原条件的变化。

4.3 古水深

古湖泊水体深度的变化与有机质总量和元素搬运距离等存在关联。研究中采用TOC表征古水深，TOC越大表示古水深越深；利用Fe，Mn等元素随搬运距离分异的特征也可以推测古水深变化。Fe元素易近岸堆积，而稳定性较强的Mn元素可远距离搬运至湖盆内部。因此w（Fe）/w（Mn）值可用于指示离岸距离的远近，进而反映沉积时的古水体深度，w（Fe）/w（Mn）值越大代表古水深越浅，其值越小代表水体越深［27］。

4.4 古物源

外源输入对细粒沉积的贡献主要以富含Al，Si等元素的矿物组成为特征，内源沉积主要以富含Ca，Mg等元素的碳酸盐岩矿物组成为特征。衡量陆源输入贡献程度可以用w（Al+Si）/w（Ca）值指标，其值越大代表陆源输入贡献度大，越小代表外部物源贡献小。另外，陆源输入贡献的高低也常单独借助Al，Ti元素含量进行判别，Al，Ti元素含量越高，表明陆源碎屑输入越多［29-30］。

4.5 古盐度

本次研究主要采用w（Sr）/w（Ba）进行古盐度分析。Ba的化合物溶解度相对Sr而言较低，Ba在迁移过程中容易形成BaSO4沉淀，而SrSO4的溶解度较大，可以继续迁移至远海。当盐度不断上升时，Ba元素更易沉淀析出，只有当盐度增大到一定程度时，Sr元素才会逐渐析出。因此，w（Sr）/w（Ba）值与水体盐度成正相关关系［28］。

4.6 沉积环境综合分析

沉积环境对各种元素的影响往往是复杂的，各类元素判别指标之间相互联系、相辅相成的，因此，利用Al，Ti等特征元素含量及w（Na）/w（Al），w（Ca）/w（Mg），w（Fe）/w（Mn），w（Sr）/w（Ba），w（V）/w（V+Ni）值的变化规律，将东营凹陷LY1井Es4s2细粒沉积岩的环境演化大致划分为2个阶段：阶段Ⅰ——沉积环境剧烈波动阶段（3835～3774 m）、阶段Ⅱ——沉积环境稳定阶段（3774～3736 m）（图6）。

图6 渤海湾盆地东营凹陷LY1井细粒沉积岩沉积环境演化特征Fig.6 Sedimentary environment evolution of the fine-grained sedimentary rocks from LY1 well in the Dongying depression，Bohai Bay basin

（1）阶段Ⅰ中，w（Na）/w（Al），w（Ca）/w（Mg）值较大，出现极大值；Al，Ti值出现极大和极小值，波动较大，均值较低；w（Fe）/w（Mn），w（Sr）/w（Ba）值波动剧烈；w（Sr）/w（Ba）总体较高，出现两次极大值；w（V）/w（V+Ni）总体偏高，出现两次极小值。反映该阶段气候寒冷干燥，陆源输入程度低，出现两次异常强氧化，水体盐度异常高，环境剧烈波动。这种现象是由于海湖贯通，水体大面积暴露在空气中，水体氧化性增强，同时大量咸水注入导致的。

（2）阶段Ⅱ中，各元素指标较上一阶段变化幅度明显减小，其中w（Na）/w（Al），w（Ca）/w（Mg），w（Sr）/w（Ba）先减小后增大，w（Fe）/w（Mn），w（Al），w（Ti）值先增大后减小；w（V）/w（V+Ni）进一步增大，达到最大值后又减小。反映该阶段总体处于相对稳定的沉积环境，气候相对温暖湿润，陆源输入增加，水体变浅，盐度总体较低，环境的还原性达到最大后又减小。

阶段Ⅰ和阶段Ⅱ沉积环境的地球化学指标值差异较大：阶段Ⅰ的w（Sr）/w（Ba）平均值明显高于阶段Ⅱ的，说明东营湖盆沉积阶段古盐度早期高晚期低；还原性指标w（V）/w（V+Ni），w（S1+S2）/TOC值整体呈升高趋势，说明沉积演化阶段还原性不断增强；古气候指标w（Na）/w（Al），w（Ca）/w（Mg）值呈震荡，无明显变化趋势，但阶段Ⅰ中这两个指标的平均值均高于阶段Ⅱ的，说明气候在波动过程中从相对干冷向相对温湿转变；古水深指标w（Fe）/w（Mn）在阶段Ⅰ末和阶段Ⅱ初存在一个峰值，其值远远高于其他数值，可能与大规模浊流有关；古物源指标Al，Ti的含量在两个阶段中都表现为震荡波动。除此之外，阶段Ⅰ中各指标的变化幅度明显高于阶段Ⅱ的，而且阶段Ⅰ中w（Sr）/w（Ba）出现两个极大值（均大于8），说明该阶段存在包括两期剧烈海侵在内的多期次海侵事件，海侵期与间歇期各项指标差别较大；阶段Ⅱ中各项指标较稳定，代表海侵结束后的稳定湖泊沉积［22］。

5 米兰科维奇地质响应

阶段Ⅰ中各项指标受海侵事件影响巨大，不能客观反映天文周期的影响；阶段Ⅱ中事件性影响较小，细粒沉积物堆积能客观反映天文周期变化。因此，本文将阶段Ⅱ中沉积物旋回特征及各项古环境指标变化与天文周期进行对比（图7）。

图7 长偏心率周期内岩性组合Fig.7 Lithologic associations developed in the long eccentricity period

LY1井3774～3736 m为一个长偏心率周期，在一个长偏心率周期内，偏心率值由大变小，使得地表接受日照量逐渐减少，气候由暖湿变为干冷，因此，将一个长偏心率周期分为暖湿气候半周期（3774～3757 m）和干冷气候半周期（3757～3736 m）。

暖湿气候半周期中，w（Na）/w（Al）、w（Ca）/w（Mg）持续减小，w（Al），w（Ti）明显增多，w（Fe）/w（Mn）值增大，w（Sr）/w（Ba）波动减小，总体趋势相对上一阶段减小，w（V）/w（（V+Ni）值进一步增大，并达到最大值。该阶段由于长偏心率较大，地表接受日照量多，为暖湿气候半周期，地表径流较多，同时携带了大量陆源碎屑和营养物质进入湖盆，使得湖盆中陆源输入增加，并达到最大值，营养物质增多使得浮游生物生长繁盛，湖水动荡，形成纹层状或弱纹层状构造。古盐度相对减小，还原性持续增加，并达到最大值，整体沉积背景表现为陆源物质输入较多、有机质含量较高的混合岩。

干冷气候半周期中，w（Na）/w（Al），w（Ca）/w（Mg）增大；w（Al），w（Ti）减小；w（Fe）/w（Mn）减小；w（Sr）/w（Ba）增加；w（V）/w（V+Ni）值减小，总体而言，该阶段处于相对稳定的沉积环境，陆源输入相对减少，水体变浅，盐度相对降低，还原性相对减弱，各项元素指标变化较小，地表接受日照量少，降水较少，为干冷气候半周期。整体背景表现为盆内物质成分占优、生物含量相对较少、有机质较少的深色块状硅质灰岩。

6 结论

（2）东营凹陷细粒沉积岩的特征元素在古气候、古氧相、古水深、古物源，古盐度等方面的演化具有明显的阶段性，将其划分为两个沉积环境演化阶段，即沉积环境剧烈波动阶段和沉积环境稳定阶段。

（3）长偏心率周期对湖相细粒沉积演化有重要的控制作用：长偏心率周期由一个干冷气候半周期和一个暖湿气候半周期组成。暖湿气候半周期内，气候暖湿，季节性较强，陆源碎屑输入多，有机质含量高，对应的岩性组合以富有机质的层状-纹层状混合岩为主；干冷气候半周期内，气候寒冷，季节性弱，陆源输入较少，有机质含量低，出现块状构造硅质灰岩。