湖相泥页岩地层米氏旋回测井识别及环境响应特征——以渤海湾盆地济阳坳陷东营凹陷樊页1井Es4scs为例

彭 军，于乐丹，许天宇，韩浩东，杨一茗，曾 垚，王瑜斌

（1.西南石油大学地球科学与技术学院，四川 成都 610500； 2.中国地质调查局成都地质调查中心，四川 成都 610081）

自Milankovitch运用地球轨道旋回理论解释第四纪冰期和间冰期，进而证实第四系中存在米兰科维奇旋回（米氏旋回）以来［1］，旋回地层学便广泛应用于地质年代学研究［2］。旋回地层学的基本理论是地球轨道变化引起全球气候变化，其将由地球轨道驱动力造成的旋回性地层记录称为米氏旋回，旋回中所蕴含的周期信息在地层中表现为沉积结构、沉积构造、岩性和岩相的变化，这些变化会在古气候替代性指标中得到体现［3］，而运用数学方法便能提取替代指标中的周期信息［4］。同时，旋回地层学提供了一种全新的定年方式，通过研究沉积旋回中与天文轨道有关的周期来确定地层单位的延续时间和年龄。前人研究认为，细粒沉积地层的高频旋回受米氏旋回的影响而形成［5-7］，但涉及轨道周期环境响应特征的研究却相对较少，因此，亟需开展湖相细粒沉积地层米氏旋回研究，建立较为精确的年代地层格架，在此基础上进一步探讨轨道周期对细粒沉积过程以及泥页岩油气富集规律的控制。

近年来，诸多学者尝试运用各种数据和方法［8-15］来提取地层中的米氏旋回：运用自然伽马能谱数据开展滑动平均滤波和小波变换分析，对碳酸盐岩高频层序进行了研究［6］；运用野外露头和磁化率等数据研究了华南二叠纪地层中记录的米氏旋回［16］；运用自然伽马测井数据开展旋回分析，建立了松辽盆地白垩系青山口组的天文年代标尺［17］；通过研究早侏罗世普林斯巴期碳循环，发现Fe元素浓度时间序列具有明显的米氏旋回［18］；运用意大利北部La Vedova剖面磁化率和地球化学测试数据，校正了地中海地区中新世的天文年代格架［14］。综上所述，目前国内外学者多采用测井、磁化率和地球化学测试分析数据，运用时频分析方法对海陆相沉积地层的旋回性进行研究，进而计算旋回的持续时间和平均沉积速率。鉴于此，为了更好地研究湖相泥页岩天文旋回周期以及环境响应特征，本文以渤海湾盆地济阳坳陷东营凹陷樊页1井古近系沙河街组四段上亚段纯上次亚段（Es4scs）为例，在前人研究基础上，从天文地层学理论出发，综合测井数据和地球化学资料，探索基于测井信息的细粒沉积地层米氏旋回识别，并首次运用有机质丰度和表征古氧化-还原性的指标来探讨轨道周期的响应特征。旨在能为细粒沉积地层的精细划分与对比、精细地质定年、建立高精度的层序地层格架提供研究思路和方法，为研究天文轨道周期控制下的环境响应特征提供借鉴。

1 地质背景

渤海湾盆地位于中国东部，是中朝准地台经过古生代沉积并在印支、燕山期运动的基础上发展起来的中-新生代断陷盆地［19-20］。东营凹陷是渤海湾盆地济阳坳陷内的典型中-新生代陆相断陷湖盆，其东部为青坨子凸起，南部为鲁西隆起与广饶凸起，西部为青城凸起，北部为陈家庄凸起和滨县凸起（图1a）［21-22］。

东营凹陷内发育3个正向构造带（北部陡坡带、中央背斜带和南部缓坡带）和4个负向构造带（利津洼陷、牛庄洼陷、博兴洼陷和民丰洼陷），凹陷东西长约90 km，南北宽约65 km，总面积约5 700 km2。古近系沙河街组四段上亚段为半深湖-深湖沉积，形成了大套细粒沉积，主要岩性为泥质灰岩、灰质泥岩和泥岩等（图1b）［23-26］。该段地层完整地记录了湖泊环境和气候变化的信息，是开展米氏旋回分析的理想载体。

图1 东营凹陷构造地质简图和地层综合柱状图［21-25］Fig.1 Geological sketch and composite stratigraphic column of the Dongying Sag［21-25］

2 米氏旋回识别

本次米氏旋回研究的总体思路为运用数学方法（频谱分析、小波变换、功率谱估计和滤波分析）分析时间序列（自然伽马测井数据）中蕴含的周期性旋回信息，再通过米氏周期计算时间跨度，并进一步计算出沉积速率。频谱分析是将时域信号转换至频域信号进而对周期性现象进行分析，主要用来初步判断测井信号中的优势频率成分是否受轨道周期的影响；再通过小波变换进一步分析这些频率信息是否受某一具体轨道周期的驱动，识别地层中保留的米氏旋回类型；最后通过功率谱估计准确读取优势旋回对应的尺度值，得出不同尺度下的功率谱，进而提取不同级别的旋回。运用这些方法能够提取与地球轨道参数相关的地层响应信息，进而能够确定百万年及以下级别的地层年代［27-30］。

2.1 古近纪地球轨道要素理论周期及特征

表1 50～30 Ma地球轨道参数周期及其比值关系Table 1 Plot showing the earth orbital parameter periodicities in the past 50 to 30 Ma and their ratios

2.2 米氏旋回分析

2.2.1 频谱分析

本文借助了Matlab提供的一维连续小波工具箱，对樊页1井Es4scs（深度为3 251～3 441 m）自然伽马测井数据开展消噪和去趋势化的预处理。

运用Past 3.0统计分析软件，选择Spectral analysis模块中的REDFIT程序，对预处理后的测井数据开展频谱分析［28］，从而得出自然伽马测井信号频谱分析图（图2）。提取图中的优势频率成分，运用频率与其对应的周期旋回厚度呈倒数关系求出相应的地层厚度，再通过地层记录中的米兰科维奇性质判断所研究地层是否存在受轨道周期驱动的沉积旋回。

樊页1井Es4scs自然伽马测井曲线的频谱分析结果表明，研究层段具有明显的周期性，优势频率0.031 574，0.107 350，0.246 270，0.315 740，0.606 210和0.681 990 m-1所对应的主要旋回厚度分别为31.672，9.315，4.061，3.167，1.650和1.466 m（图2），其旋回厚度（m）之间的比值为31.672∶9.315∶4.061∶3.167∶1.650∶ 1.466=21.600∶ 6.353∶2.769∶2.160∶1.125∶1，该比值与古近纪米氏旋回理论轨道周期（kyr）之间的比例405.00∶124.22∶51.68∶39.76∶220∶18.82十分接近，即31.672 m和9.315 m的旋回厚度分别对应405.00 kyr偏心率长周期（E1）和124.22 kyr偏心率短周期（E2），4.061 m和3.167 m的旋回厚度对应于51.68 kyr斜率周期（O1）和39.76 kyr斜率周期（O2），而1.650 m和1.466 m的旋回厚度对应22.00 kyr岁差周期（P1）和18.82 kyr岁差周期（P2）。因此，樊页1井Es4scs极有可能受米氏旋回控制。

图2 东营凹陷樊页1井Es4scsGR曲线Redfit频谱分析Fig.2 Redfit spectral analysis of GR curves of Es4scsin Well Fanye 1 in the Dongying Sag

2.2.2 小波变换

由于轨道信号进入沉积系统并不是一个线性过程，可能伴随很多其他杂信号，因此通过频谱分析不能完全判断研究层段是否存在明显的米氏旋回，还需要进一步对其进行小波分析来判断，小波分析能够识别出测井曲线中不同频率的曲线旋回［34-35］。本次运用Matlab提供的一维连续小波工具箱中的Morlet小波作为子波对研究层段的自然伽马测井数据信号开展小波分析。图3a—d为樊页1井Es4scs自然伽马测井信号小波时频能谱图，从图中可以看出，不同成分的频率被分解到不同的尺度范围上，高频成分对应于小尺度值，低频成分则对应大尺度值，总的来说不同成分的频率对应于某几个特定的尺度值，即说明频率的成分相对单一稳定，进一步证实了研究层段受明显的米氏旋回控制。

图3 东营凹陷樊页1井Es4scs一维连续小波处理结果（尺度值=256）Fig.3 Results of one-dimensional continuous wavelet transform for Es4scsin Well Fanye 1 in the Dongying Sag（scale value：256）

2.2.3 功率谱估计

所谓问题引领教学，是指在教学中要将“有层次、结构化、可扩展、能持续”的核心问题贯穿整个教学过程，把学生的思维引向深入，从而最大限度地激发其探究数学知识本源，理解数学内容本质，感悟和运用数学思想与方法，培育其良好的数学素养。[1]

为了进一步判断这些相对单一稳定的频率成分是否受某一具体轨道周期控制，在小波分析的基础上开展功率谱估计，将不同尺度的能谱值累加做出相应的模极值图。在Office Excel表格中自行定义公式y=｛SUM［ABS（1∶n）］｝/n，式中n为第n列处的数据值，运用公式得出3个明显的模极大值点，其对应的小波尺度值分别为30，51和163，其中，尺度值163和51的比值3.20与E1和E2的比值3.26非常相近。结合频谱分析结果，可以确定该套地层受明显的偏心率周期的控制，即尺度值163和51所对应的优势频率分别受E2和E1的驱动。故两个尺度值所对应的小波曲线可理解为E1和E2的旋回曲线，用以代表研究层段地层的周期旋回曲线。通过旋回曲线图（图4）可以得到研究层段保存的E1和E2旋回个数分别为6个和22个，两者比值3.67∶1也与405.00 kyr∶124.22 kyr比值3.26∶1相近，进一步证实了研究层段主要受E1和E2的驱动，同时也受到O2和P1的控制。

图4 东营凹陷樊页1井Es4scs米氏旋回地层格架Fig.4 Milankovitch cyclic stratigraphic framework of Es4scsin Well Fanye 1 in the Dongying Sag

2.2.4 米氏旋回周期

根据频谱分析、小波变换和功率谱估计的结果，樊页1井Es4scs的沉积过程受E1，E2，O2和P1的控制。对频谱分析结果中的不同主峰进行带通滤波处理，滤掉时间序列中与米氏旋回无关的高频和低频信息，提取与偏心率、斜率和岁差相关的天文轨道信号［36］。本次通过带通滤波，将主要峰值频率信息提取出来，用于建立不同级别的地层格架，同时获得全井段受不同轨道周期控制的地层沉积时间，用于地层沉积速率的计算。根据滤波结果，研究得出樊页1井Es4scs发育约6个E1，22个E2，65个O2及110个P1（图4）。

3“浮动”天文年代标尺的建立

利用Laskar关于地球轨道参数解的研究成果生成地球轨道要素的理论曲线［33］，将主峰值的滤波分析结果与理论曲线进行对比，发现E2滤波曲线与理论偏心率曲线的频率相似，且两者具有很好的对应关系。因此，本次采用旋回信号明显的E2建立东营凹陷樊页1井Es4scs的“浮动”天文年代标尺。以理论偏心率周期曲线为目标曲线，以从自然伽马测井曲线中提取的E2滤波曲线为调谐曲线，结合前人依据古地磁和火山岩同位素测年确定的沙四上亚段顶部的绝对年龄42 Ma［37-41］，在时间点 42 Ma的控制下，利用每两条调节线之间的E2，最终划分出22个周期，以沙四上亚段顶部年龄开始向下计算，计算得出每个周期界面的地层年龄值，建立了樊页1井Es4scs的“浮动”天文年代标尺（图4）。研究层段共记录了22个E2，由此计算得出樊页1井Es4scs的沉积时间大致为2.73 Myr，与古地磁、火山岩同位素测定和地层对比得到的沙四上亚段（包括纯上次亚段和纯下次亚段）持续时间3.00 Myr是相对匹配的，亦即沙四上亚段底部的火山岩同位素年龄为 45 Ma［38-39，42］，表明本次研究识别出的米氏旋回是准确可靠的，据此进一步得出沙四上亚段纯上次亚段底部的绝对地质年龄为44.73 Ma。

本次研究实现了湖相细粒沉积地层米兰科维奇周期的识别，为地层精细划分和对比提供了一种有效的手段，并建立了樊页1井Es4scs的地质年代浮动标尺。该天文标尺的建立可用于精确估计樊页1井Es4scs中每一深度位置的地质年龄，而绝对年龄可以为旋回地层学研究提供初始年代约束，同时能够检验其合理性［42］。在年代标尺建立的基础上研究了沉积速率的垂向变化，运用E2相邻波峰间地层厚度与沉积持续时间（沙四上亚段纯上次亚段-124.22 kyr），计算得出樊页1井Es4scs的平均沉积速率为0.069 m/kyr（图4）。

为了使研究结果更加可信，在识别樊页1井沙四上亚段纯上次亚段天文旋回的基础上，进一步分析了樊页1井沙三下亚段及牛页1井沙四上亚段纯上次亚段存在的米氏旋回，其中，樊页1井沙三下亚段共识别出16个124.22 kyr偏心率短周期和4.5个405.00 kyr偏心率长周期，由此进一步计算出沉积时间大致为1.905 Myr，平均沉积速率可估算为 0.105 m/kyr［27］；综合牛页1井沙四上亚段纯上次亚段自然伽马测井数据、深度、岩性、尺度值以及小波能谱图，绘制该井的旋回地层格架图（图5）。由图可知，沙四上亚段纯上次亚段地层保存明显的偏心率、斜率和岁差周期，研究层段识别出约5.7个405.00 kyr长偏心率周期、24个95.24 kyr短偏心率周期、53个39.76 kyr斜率周期和110.5个18.82 kyr岁差周期，该段地层厚度为151 m（深度3 316～3 467 m），由此计算出牛页1井沙四上亚段纯上次亚段的沉积时间大致为2.195 Myr，平均沉积速率估算为0.069 m/kyr。

图5 东营凹陷牛页1井Es4scs米氏旋回地层格架Fig.5 Milankovitch cyclic stratigraphic framework of Es4scsin Well Niuye 1 in the Dongying Sag

4 轨道周期的环境响应特征

天体行星影响地球绕太阳公转和其自转运动，即太阳系中地球与太阳、月亮和其他行星之间的万有引力作用导致地球绕太阳的公转运动和地球的自转轴发生（准）周期性的摄动，表现为地球轨道参数偏心率、斜率和岁差发生近似周期性的变化［43］。由天文轨道控制的日-地距离和地轴的倾斜度影响了地球表面接收日照量的强度，并引起气候的周期性变化，这些变化在地层中以岩性、地球物理和地球化学参数的旋回性表现出来［44-46］。因此，可通过反映沉积环境特征的有机质丰度及元素地球化学指标探究轨道周期的环境响应特征。

研究数据采用中国石化胜利油田勘探开发研究院测试的间距约0.1 m的元素地球化学分析数据1 894个（深度3 251.67～3 440.97 m），这种连续的数据既保证了数据的有效性又可作为最优替代性指标开展时频分析。有机质丰度指标主要包括总有机碳含量（TOC）和生烃潜量（S1+S2），数据同样来源于中国石化胜利油田勘探开发研究院测试的187个TOC和S1+S2数据，测试间隔约为1 m（深度3 251.67～3 440.58 m），每个旋回内基本能测试两个数据点，满足了替代性指标时频分析的最低数据间隔标准，这样既不会造成不必要的时间和资金浪费，也可以保证获得真实的旋回信息。

4.1 有机质丰度的轨道周期响应

气候变化导致沉积环境的不同往往直接影响了有机化合物的聚集与保存，并在TOC指标上呈高低起伏的变化特征，因此，天文轨道周期的变动往往记录在了TOC和S1+S2等指示有机质丰度指标的变化中。本次研究首次在研究区探索性地运用有机质丰度指标来探讨有机质对轨道周期的响应特征，以TOC和S1+S2作为有机质丰度指标参数对其开展米氏旋回研究，探索轨道周期与有机碳含量和生烃潜量的响应关系。

樊页1井Es4scs泥页岩的有机碳含量普遍较高，TOC平均值在2.0%以上。将该层段有机碳含量数据绘制成TOC频率分布直方图（图6），TOC占比最大的区间分布在1%～2%和2%～3%，比例分别达到了43.8%和40.0%，而含量大于3.0%的比例为10.8%，仅有5.4%的TOC小于1.0%。同时，根据陆相烃源岩评价标准（SY/T5735—1995），结合有机质丰度评价的主要指标S1+S2，发现研究区泥页岩的有机质丰度较高，主要落于好-最好区间（图7），表明在樊页1井Es4scs沉积时期，TOC高（介于1%～2%），有机质聚集较为集中。

图6 东营凹陷樊页1井Es4scsTOC分布Fig.6 Histogram showing TOC contents of Es4scsin Well Fanye 1 in the Dongying Sag

图7 东营凹陷樊页1井Es4scs有机质丰度分析判别图（据SY/T 5735—1995标准）Fig.7 Organic matter abundance chart of Es4scsin Well Fanye 1 in the Dongying Sag（according to SY/T 5735-1995）

据TOC测试数据，中、下部地层（E1中的2—3旋回、E2中的5—12旋回、P1中的20—60旋回）的TOC高且达到峰值，向上变化趋于平稳。对比TOC旋回分析曲线与偏心率周期变化曲线，可见偏心率周期在研究层段的中、下部地层幅值幅度变化较大，而向上周期曲线变化平缓，说明偏心率周期振幅变化趋势与TOC变化趋势具有一致性，即偏心率较高时期沉积层段的平均TOC也相对较高，这主要是由于偏心率增大时地球上接收的日照量增大，气候变得暖湿，物源供给充足，生物有机质丰富，该时期有利于发育细粒且富有机质的沉积地层［47-49］，故偏心率值较高时期沉积层段是潜在页岩油气的有利储集层段。

以上研究可知，研究层段的米氏旋回研究成果与TOC在地层中的纵向分布具有一定的相关关系。为了进一步确定这种相关关系是否受到天文轨道周期的控制，探索其沉积记录中蕴含的天文轨道周期信号，本文选取TOC和S1+S2数据作为原始数据，运用Past 3.0统计分析软件对数据开展频谱分析。结果表明，研究层段的TOC和S1+S2数据显示出明显的周期性（表2；图8a—d），即TOC和S1+S2频谱分析得到的优势旋回厚度比值与测井数据得出的结果一致，表明研究层段的沉积记录中蕴含着轨道周期信息，且主要受控于偏心率周期，也进一步证实了地球轨道参数的周期变化影响了有机质丰度的变化。

表2 东营凹陷樊页1井Es4scsTOC，S1+S2及微量元素频谱分析旋回厚度比值与理论轨道周期比值对比Table 2 Cycle thickness ratios from spectrum analysis of TOC，S1+S2and trace elements，and theoretical orbital periodicity ratios of Es4scsin Well Fanye 1 in the Dongying Sag

4.2 古氧化-还原性的轨道周期响应

有机质的富集和保存受古氧化-还原环境的影响，而有机质在不同的环境下经受着消耗和堆积的循环变化，为研究这种变化的驱动力是否来自轨道周期，本次研究首次在研究区探索性地运用表征古氧化-还原性指标探讨轨道周期的响应特征，即选取两组微量元素比值V/（V+Ni）和Ni/Co作为替代性指标来分析目的层段古氧化-还原环境的变化规律，并探讨其轨道周期的响应特征。

前人研究表明［50-53］，当V/（V+Ni）大于0.60时，主要为缺氧的还原环境，当0.46＜V/（V+Ni）＜0.60时，认为是贫氧环境，当V/（V+Ni）＜0.46时，表示为富养环境；Ni/Co＜5时，表明是氧化环境，当5＜Ni/Co＜7时，表示为贫氧环境，当Ni/Co＞7时，显示为缺氧环境。从微量元素测试分析结果可知，研究层段V/（V+Ni）值介于0.24～1.00，均值为0.82，Ni/Co值介于0.01～18.35。为了使微量元素比值对环境的指示作用更为直观，利用有机碳含量和两种微量元素含量比值建立关系图版，绘制出古氧化-还原条件判别图（图9），从图中可以看出，样品点多落于贫氧的区域。因此，研究层段整体为缺氧的还原环境，有机质含量高的层段多为缺氧的沉积环境。

图9 东营凹陷樊页1井Es4scs微量元素氧化-还原条件判识图版Fig.9 Identification of redox conditions by trace elements of Es4scsin Well Fanye 1 in the Dongying Sag

为探究轨道周期对古氧化-还原环境的控制作用，在研究区探索性地运用两组微量元素比值V/（V+Ni）和Ni/Co作为原始数据开展频谱分析（图8）。分析结果显示，两组数据中均识别出明显的米氏旋回周期（表2），主要峰值的旋回厚度均为31.33 m和9.40 m，其旋回厚度比值为3.33∶1，该比值与理论轨道周期405 kyr∶124.22 kyr=3.26∶1比值很接近，因此，V/（V+Ni）和Ni/Co的主要峰值均被认为是由E1和E2引起的。通过分析可知，旋回厚度31.33 m对应E1，9.40 m对应E2。频谱分析结果表明，两组微量元素均显示出一致的规律性和相似的天文周期比值，该比值与测井数据得出的结果一致，从而可知微量元素比值的周期性记录反应了目的层段古氧化-还原环境的变化受到天文轨道周期的影响。

图8 东营凹陷樊页1井Es4scs地层TOC，S1+S2及微量元素频谱分析Fig.8 Spectrum analysis of TOC，S1+S2and trace elements of Es4scsin Well Fanye 1 in the Dongying Sag

通过分析偏心率周期的变化可知，暖湿气候有利于生物大量繁殖，即偏心率值较高的层段平均TOC相对较高，对气候环境较敏感的方解石相对含量是古环境信息的重要来源，气候偏干旱时水体蒸发作用较强，碳酸盐矿物（主要为方解石）含量较高，相反，当气候相对湿润时碳酸盐矿物含量较低，因此可知方解石含量与偏心率值呈负相关性。上述指标的变化进一步说明了偏心率增大时气候会向暖湿转变，且随着偏心率增高，TOC也增高。

综上所述，偏心率周期通过控制TOC、矿物含量及各种表征沉积环境介质条件的指标而对环境产生影响。有机质含量高的层段多处于缺氧的还原环境，这主要是由于在缺氧的环境中，有机质不会因与氧气接触而发生降解反应，而会因缺氧被保存下来。同时，偏心率周期振幅幅度的变化对有机质丰度变化有影响，当偏心率振幅幅度较大且处于最大值时期，TOC的振幅和数值也相应增大，进一步说明偏心率周期振幅变化趋势与TOC变化趋势具有一致性，即偏心率较高时期沉积层段的平均TOC也相对较高。这主要是由于偏心率增大时地球上界接收的日照量增大，季节性增强［47，54］，气候变得暖湿，陆源碎屑输入使得物源供给充足，大量营养物质提高了湖泊的生产力，水体较深且水体偏还原环境，从而使有机质含量升高，该时期有利于发育细粒且富有机质的沉积地层，故偏心率值较高时期沉积层段是潜在页岩油气的有利储集层段。

5 结论

1）樊页1井Es4scs地层自然伽马测井数据频谱分析和小波变换分析结果表明，米氏旋回驱动控制了东营凹陷古近纪的沉积周期。米氏旋回的自然伽马测井识别，为渤海湾盆地古近系沙河街组湖相细粒沉积地层的高精度等时旋回地层的划分与对比提供了参考。

2）研究层段共识别出约6个E1，22个E2，65个O2和110个P1，建立了樊页1井Es4scs的“浮动”天文年代标尺，计算得出了樊页1井Es4scs的沉积时间大致为2.73 Myr，平均沉积速率估算为0.069 m/kyr。米氏旋回的识别解决了细粒沉积地层的精细划分和等时对比的难题，对于页岩油气勘探具有重要的地质意义。

3）地球轨道参数周期的变化在一定程度上影响了有机质丰度及古氧化-还原性的变化。当偏心率振幅较大且处于最大值时期，地球整体接受日照量多，为间冰期，气候暖湿，有利于有机质的聚集和保存，易于形成缺氧的富有机质沉积地层。因此，偏心率值较高的暖湿气候背景下发育的富有机质沉积地层，是潜在的页岩油气勘探的有利层段。