石巨業(yè)，金之鈞，劉全有，黃振凱

1.頁巖油氣富集機理與有效開發(fā)國家重點實驗室, 北京 1000832.中國地質大學(北京)能源學院，北京 1000833.中國石油化工股份有限公司石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083

基于米蘭科維奇理論的高精度旋回識別與劃分
——以南圖爾蓋盆地Ary301 井中侏羅統(tǒng)為例

石巨業(yè)1,2，金之鈞1,3，劉全有1,3，黃振凱1,3

1.頁巖油氣富集機理與有效開發(fā)國家重點實驗室, 北京 1000832.中國地質大學(北京)能源學院，北京 1000833.中國石油化工股份有限公司石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083

將天文軌道周期與不同級別的旋回聯(lián)系起來，旨在使米蘭科維奇周期這一高精度時間標尺納入高頻層序地層劃分中，實現(xiàn)高精度旋回的識別與劃分。以哈薩克斯坦南圖爾蓋盆地Aryskum地塹Ary301井為例，基于不同沉積特征，分別對卡拉甘塞組I～IV段自然伽馬測井數(shù)據進行頻譜分析和連續(xù)小波變換，結果顯示沉積地層中保存完好的米蘭科維奇旋回，天文軌道周期對Aryskum地塹沉積過程具有明顯影響，并將31.9～39.5 m旋回厚度解釋為受400 kyr長偏心率周期控制，11.9～14.2 m，6.7～8.8 m旋回厚度分別受125 kyr和95 kyr短偏心率周期控制。對長、短偏心率周期進行濾波分析后，與天文模型理論周期曲線進行對比，建立卡拉甘塞組的浮動天文年代標尺，分別以400 kyr、125 kyr偏心率周期濾波曲線作為中期和短期旋回劃分的參考曲線，共識別出11.5個中期旋回和47個短期旋回，為高頻旋回劃分提供了一種不受人為因素影響的天然標準，保證了研究區(qū)旋回劃分的科學性和統(tǒng)一性。

南圖爾蓋盆地；米氏旋回；頻譜分析；天文年代標尺；高頻層序

0 引言

20世紀初，塞爾維亞科學家Milankovitch[1]提出北緯度地區(qū)夏季日照量的變化是驅動全球冰期旋回的主要原因，但該假說在很長一段時間內沒有被大多數(shù)人所接受。直到1976年，Haysetal.[2]對印度洋的兩個鉆孔的氧同位素做了詳細的古氣候研究，證實了米蘭科維奇提出的冰期旋回與地球軌道周期理論的正確性，并引起了地質學家和古氣候學家對米蘭科維奇理論的重視。近30多年來，基于古氣候研究的米蘭科維奇旋回理論獲得了普遍認可和廣泛應用，深海、湖泊、三角洲甚至灘壩沉積記錄中不斷被證實有米蘭科維奇旋回信號的存在，梅冥相[3]將米級旋回進一步解釋為與米蘭柯維奇旋回相關異成因機制控制下的自旋回沉積的產物，從旋回的有序疊加形式到層序的識別與劃分，代表了層序地層學的第三個重要進展。目前，與米蘭科維奇旋回有關的天文軌道因素作為一種校準地質年代的重要方法已覆蓋中、新生代地層，利用米蘭科維奇理論結合放射性同位素定年進行高精度地質定年被認為是地層學解讀時間的第三里程碑[4]。國內外學者將米蘭科維奇旋回用于高頻層序地層的劃分與對比，進行了很多有益的嘗試和探索。在用米蘭科維奇理論建立天文年代標尺方面，吳懷春等[5]對松科1井的自然伽馬曲線進行小波分析和連續(xù)滑動窗口頻譜分析，識別了穩(wěn)定的米蘭科維奇旋回并建立青山口組的“浮動”天文年代標尺。尹青等[6]以倫坡拉盆地西倫2井為研究對象，利用頻譜分析、濾波、Fischer圖解等方法，建立了丁青湖組天文年代標尺并進行旋回地層層序劃分，丁青湖組共保存了37個長偏心率周期、120個短偏心率周期，平均速率4.75 cm/kyr，沉積時限約為14.99 Myr。在用米蘭科維奇理論劃分高頻層序方面，王艷忠等[7]以聲波時差和電阻率曲線交會得到的ΔLogR為研究對象，利用小波分析刻畫深水砂礫巖和泥頁巖地層的內部旋回的結構。毛凱楠等[8]以瓊東南盆地梅山組和三亞組地層為例，識別米蘭科維奇旋回并以偏心率短周期曲線作為五級層序劃分參考曲線，對研究區(qū)進行高頻旋回劃分與對比。任金鋒等[9]基于連續(xù)小波變換進行測井信號多尺度分析，實現(xiàn)不同級次層序界面的定量識別與劃分，在南堡凹陷W1井東營組一段劃分出多個準層序和準層序組。袁學旭等[10]以東海西湖凹陷鉆井為例，以米蘭科維奇旋回為標尺進行測井層序劃分對比，建立西湖凹陷古近系—新近系層序地層格架。郭少斌等[11]對柴達木盆地第四系自然伽馬測井曲線頻譜分析，結果表明地層中保存米蘭科維奇旋回，并繪制可容納空間變化曲線。在用米蘭科維奇理論劃分古沉積環(huán)境演化階段方面，吳淑玉等[12]以北黃海東部坳陷為研究對象，對3口井自然伽馬和自然電位測井曲線進行頻譜分析，發(fā)現(xiàn)沉積地層中保存較好的米蘭科維奇旋回，并依據不同的氣候變化特征劃分六個沉積階段。譚先鋒等[13]利用測井資料、錄井剖面、巖芯觀察以及為地球化學元素等手段，對濟陽坳陷古近系孔店組高頻韻律旋回沉積機制進行了深入研究。綜上所述，米蘭科維奇旋回周期不僅可以作為提高定年精度的天文年代標尺，在高頻層序劃分對比、古沉積環(huán)境演化階段劃分等方面都有廣泛的應用。

選擇南圖爾蓋盆地Aryskum地塹Ary301井為研究對象，運用米蘭科維奇理論及旋回地層學手段，對Ary301井卡拉甘塞組I～IV段自然伽馬測井曲線進行頻譜分析、連續(xù)小波變換和濾波等分析，識別米蘭科維奇旋回，建立卡拉甘塞組天文年代標尺并對比于中短期旋回。對Ary301井GR測井曲線進行高斯帶通濾波，以400 kyr長偏心率周期曲線作為中期旋回劃分參考曲線，以125 kyr短偏心率周期曲線作為短期旋回劃分參考曲線，建立高精度的層序地層格架，旨在將米蘭科維奇旋回理論引入高頻層序地層劃分中，為高頻層序單元的劃分與對比提供一種新的有效的方法。

1 區(qū)域地質背景

圖爾蓋盆地位于哈薩克斯坦中部，大地構造位置上處于烏拉爾—天山縫合線轉折端剪切帶，為典型的中生代裂谷盆地[14]，總面積約8×104km2，Aryskum地塹位于南圖爾蓋盆地的西南部，為南圖爾蓋盆地的主要生油坳陷，呈南北向長軸狀分布(圖1)。受燕山、喜瑪拉雅等構造運動的影響，Aryskum地塹發(fā)育北西—南東向斷裂，其規(guī)模較大，延伸距離較遠，斷裂下至基底上至地表，控制著壘—塹相間的盆地結構[15]。Aryskum地塹主要沉積侏羅紀—白堊紀地層，除早古生代變質巖基底，以陸相成因碎屑巖沉積為主，并可分為上下兩個構造層，下構造層為由T3～J3陸緣碎屑巖組成裂谷階段沉積，可以分為三個沉積旋回：T3～J1、J2、J3，每一個沉積旋回是以粗碎屑巖開始，細粒泥巖結束。上構造層主要為早白堊世以上地層，與下伏地層呈不整合接觸。盆地侏羅紀至早白堊世發(fā)育3期大規(guī)模湖泛，即早侏羅世末期、中侏羅世中期和早白堊世早期。大規(guī)模湖泛期發(fā)育的厚層、廣泛分布的泥巖層既是有效的烴源巖，又是下伏地層的有效蓋層，具有良好的生儲蓋組合條件。中侏羅統(tǒng)上部卡拉甘塞組(J2kr)經歷了盆地第二次大的湖泛，粉砂巖與泥巖互層發(fā)育，且地層保存完整旋回性較強，對環(huán)境和氣候變化反映靈敏。

Ary301井位于Aryskum地塹的西北部，鉆遇侏羅系由下而上為鮑金根組、薩基姆拜組、愛巴林組、多尚組、卡拉甘塞組、庫姆科爾組和阿卡沙布拉克組，其中中侏羅統(tǒng)上部卡拉甘塞組深度為1 825.5～2 306 m，地層厚度為480.5 m。根據地震、巖芯、鉆測井等資料綜合分析，Ary301井卡拉甘塞組為一個三級層序SQ6[16]，可劃分四種沉積亞相類型由下至上分別為I～IV段，依次為三角洲平原、三角洲前緣、濱淺湖和三角洲前緣亞相。

圖1 南圖爾蓋盆地Aryskum地塹地理位置和構造分區(qū)圖Fig.1 The position and tectonic map of the Aryskum graben in the South Turgay Basin

2 軌道周期與級別劃分

2.1 地球軌道參數(shù)與氣候變化

天文軌道周期旋回由短到長可以分為以下四個頻帶：天歷年段、太陽頻段、Milankovitch(米蘭科維奇)頻帶和其他頻段，相比而言，米蘭科維奇頻段在古氣候研究中最為深入，這是因為軌道尺度氣候變化具有明確的驅動力，即太陽系各星體作用于地球的引力場的周期性攝動，地球自轉和公轉時由于與太陽、月亮和其他行星之間的引力導致地球軌道參數(shù)發(fā)生周期性攝動，這些近似周期性的變化可以用偏心率(Eccentricity)、斜率(Obliquity)和歲差(Precession)來表達。斜率即為地球軸心的傾斜度，表示地球公轉軌道面和地球赤道面的夾角，斜率以～41 kyr、～39 kyr和～54 kyr為主要周期在22.1°～24.5°之間變化，當前值為23°27′。在地質歷史時期，由于潮汐耗散作用，地球轉速變慢，所以斜率周期要比現(xiàn)在短，如在四億年前地球的斜率周期主要為～32 kyr和～41 kyr[17]。正因為斜率的存在地球上才有四季，地軸斜率的大小主要影響季節(jié)氣候的差異程度，并且對兩極影響大對赤道影響小。斜率越大，高緯度夏季接受的太陽輻射量增加冬季減少，季節(jié)差異越大，即冬季更冷夏季更熱。反之，斜率較小時，夏季相對較涼，有利于出現(xiàn)冰期[18]。偏心率指軌道偏離正圓的程度，偏心率值在0.000 5～0.0607范圍內(現(xiàn)今值為0.016 7)周期性變化，變化周期分為～95 kyr、～123 kyr的短偏心率周期和～405 kyr的長偏心率周期，這種周期性的變化是由于其他行星的運動產生的萬有引力作用在地球軌道上造成的，地球繞太陽公轉的軌道在近圓形和橢圓形之間變化，偏心率主要是調節(jié)歲差變化幅度來影響氣候，偏心率越大則歲差起伏越大四季變化越明顯，而冰期普遍發(fā)育于偏心率極小值[19]。歲差是由于月球和太陽對地球赤道隆起部分的吸引，地球自轉軸的方向會環(huán)繞與黃道面的垂直軸作緩慢的進動，在空間上描繪出一個圓錐面，這種現(xiàn)象叫歲差。歲差主周期約為24 kyr、22 kyr、19 kyr和17 kyr，在地質歷史時期，受潮汐和氣候摩擦作用，歲差的周期要比現(xiàn)在短，目前歲差周期～26 kyr年，地軸指向北極星。歲差本身并不影響地球表面日照量分布，但與偏心率結合生成一個新的氣候歲差便可以影響輻射量的季節(jié)分布。如果北半球夏至到達近日點，而冬至到達遠日點，那么夏季就會變的短而熱，冬季就會變得漫長而寒冷，即季節(jié)性增強[20]。

地球軌道參數(shù)的變化，造成地球表面單位面積接收到的日照量變化，日照量變化會改大氣環(huán)流的位置，使氣候帶發(fā)生緯向移動，引起大氣溫度、海洋環(huán)流和降雨量的變化，氣候又影響冰川活動、河流、風的強弱進一步控制風化作用、搬運作用和沉積作用。日照量變化還可影響湖泊注入營養(yǎng)物質的總量、湖泊的蒸發(fā)以及海湖的循環(huán)作用等?？傊?，所有這些相互聯(lián)系的因素都會最終控制沉積產物，并在地層中以巖性、巖相或地球化學參數(shù)的韻律性或旋回性表現(xiàn)出來，形成了與天文軌道旋回周期一致的地層旋回。

2.2 旋回級別劃分和控制因素

層序地層學是以不整合面和與之對應的整合面作為邊界對地層進行劃分和對比的一門學科，早在1948年，Slossetal.[21]學者率先提出“層序”的概念，在1991年以Vail為代表的經典層序地層學派將層序與全球海平面變化聯(lián)系起來，并提出層序發(fā)育的四大控制因素，將層序地層學推向了具有完整體系的理論階段。層序地層學把沉積層序的成因大膽解釋為全球海平面周期性變化的結果，為全球性的地層對比提供了一個有效途徑，并把層序地層學帶入了一個新的階段。海平面變化主要有兩種基本驅動機制，第一種是構造型海平面變化，由全球性或區(qū)域性的構造運動導致地殼升降和洋盆體積發(fā)生的變化，以周期長、速度慢為特征。第二種是冰川型海平面變化，是指溫度氣候變化導致大陸冰川的消長而使海水總量發(fā)生的變化，以周期短、速度快為特征。不同學者對不同級別的旋回或層序級別與海平面周期旋回的劃分意見分歧很大。Vailetal.[22]于1977年根據海平面變化周期把層序分為6個級別，并于1991年對地層模式進行精煉且修正了層序的時限[23]，1級至6級依次為：大于50 Ma，3～50 Ma，0.5～3 Ma，0.08～0.5 Ma，0.03～0.08 Ma，0.01～0.03 Ma，這里主要是將三級層序時限由1～10 Ma修改為0.5～3 Ma，為了將三級層序歸為冰川型海平面變化的結果，但梅冥相等[24]等認為這種修改并不合理，梅冥相[25]也于2005年提出超層序、大層序、層序、亞層序、準層序組、準層序和韻律層7個級別，形成時限見表1。王鴻禎等[26]把沉積層序劃分為大層序、中層序與層序組、層序、亞層序、小層序和微層序6個級別，并討論了海平面旋回變化的成因理論。鄭榮才等[27]以多個斷陷盆地為例，建立不同基準面旋回劃分標準，提出了出巨旋回、超長周期、長周期、中期、短期和超短期6種基準面旋回劃分方案，離定了各級次基準面旋回的時間跨度，并且認為前三種類型主要受構造因素控制，后三種類型主要受天文因素控制(表1)。

各家重說紛紜，但總體來說，在以下兩方面取得許多共識：1)一級到三級旋回或層序統(tǒng)稱為長周期層序，并歸為構造型海平面變化的產物，即由于構造運動引起的洋盆體積變化造成海平面周期性變化。2)四級到六級旋回或層序統(tǒng)稱為短周期層序或高頻層序，并歸為冰川型海平面變化的產物，即地球軌道參數(shù)引起氣候變化導致海水體積的變化，進而造成海平面周期性變化。一級海平面變化對應一級層序，形成時限在100～400 Ma周期內，普遍解釋為超銀河年周期，與銀河系和地球圈層演化場有關。二級海平面變化對應二級層序，形成時限在30～40 Ma周期內，解釋為銀道周期，與太陽和銀河系軌道場有關。三級海平面變化對應三級層序，即層序地層學中提到最多的“層序”，形成時限在1～10 Ma周期內，解釋為小行星群軌道周期，與太陽和小行星群場有關。四級、五級海平面變化分別對應四級和五級層序，形成時限分別在0.2～0.8 Ma和0.04～0.16 Ma周期內，與長米蘭科維奇周期有關，受地球軌道參數(shù)長、短偏心率控制，六級海平面變化對應六級層序，形成時限在0.02～0.04 Ma周期內，與短米蘭科維奇周期有關。一般來說，長米蘭科維奇旋回的長偏心率(～400 kyr)、短偏心率(～100 kyr)周期對應著層序中的準層序組或體系域，而短米蘭科維奇旋回的斜率(～40 kyr)和歲差(～20 kyr)周期對應于準層序或韻律層。

表1 旋回級次劃分和基本特征(據參考文獻[22～26]修改)

Table 1 Classification and basic characteristics of cycles

旋回級別一級二級三級四級五級六級形成時限/Ma(本文建議)>5030～401～100.2～0.80.04～0.160.02～0.04層序地層術語巨層序超層序層序準層序組或體系域準層序韻律層海平面變化類型構造型冰川型天文旋回克拉通熱旋回穿越銀道面旋回奧爾特旋回長米氏旋回短米氏旋回旋回周期超銀河年周期銀道周期小行星群軌道周期長偏心率周期短偏心率周期斜率周期歲差周期場類型銀河系與地球圈層演化場太陽—銀河系軌道場太陽—小行星群場地球軌道場Vailetal.[23]I>50I3～50III3～0.5IV0.5～0.08V0.03～0.08VI0.03～0.01鄭榮才等[27]巨旋回 30～>100超長期旋回10～50長期旋回1.6～5.25中期旋回0.2～1短期旋回0.04～0.16超短期旋回0.02～0.04梅冥相等[25]超層序300～290大層序30～40層序1～10亞層序1～0.5準層序組(0.4)準層序(0.1)韻律層<0.04王鴻禎等[26]大層序60～120中層序 25～40層序組 8～15層序2～5亞層序0.8～1.5小層序0.1～0.4微層序0.02～0.04

3 理論與方法

3.1 數(shù)據選擇與分析方法

在一段地質歷史時期內，地球軌道參數(shù)的周期變化緩慢，具有相對穩(wěn)定性，而其之間的比率是判斷地層中是否存在米蘭科維奇旋回的重要指標。普遍觀點認為，如果能在地層記錄中找到可以與地球軌道三要素(偏心率、斜率、歲差)之間有相同比率關系的沉積旋回或周期，我們就認為該段地層受米蘭科維奇旋回的影響。同時也要注意一下三點：1)沉積的連續(xù)性，在進行米蘭科維奇旋回分析時，該段地層的沉積一定要連續(xù)，中間不可以有間斷或不整合面。2)沉積速率相對穩(wěn)定，在深度域進行頻譜分析時，只有沉積速率相同，沉積地層厚度的比值才是沉積時間的比值。3)替代性指標要選取與氣候或湖平面變化有關的信號。

替代性指標是指對古氣候或古環(huán)境反映較為敏感的一些巖性、地球物理或地球化學等參數(shù)，從而構建反映古氣候變化的時間序列來進行定量分析[28-30]。自然伽馬(GR)測井是測量沉積物中伽馬射線的強度，可以敏感第反映沉積物中泥質含量，進而反映古氣候和古環(huán)境的微小變化，是米蘭科維奇旋回分析的理想數(shù)據，因此本次使用GR測井曲線作為替代性指標進行地層旋回分析，計算優(yōu)勢厚度提取對應的米氏旋回信號，在三級層序內劃分建立更高精度的地層格架。

在信號分析之前，首先要對數(shù)據進行預處理，以剔除所構建時間序列中各類環(huán)境“噪音”。數(shù)據預處理可以分為以下幾步：1)插值與重采樣，由于一些軟件以及算法的限制，時間序列分析必須等間距，而一些野外的地質數(shù)據難免會有不等間距采樣的情況，所以必須先進行等距離的重采樣。2)去極值，去除序列中偏離均值很大的異常點。3)去趨勢化，某些序列出現(xiàn)趨勢性變化會在頻譜圖中出現(xiàn)極高振幅，除去這些高能量的低頻成分也是必要的。4)預白化，主要是削弱比重較大的低頻成分，而使各個頻率成分大致相當，壓制低頻信息，提高高頻信息。5)濾波，主要包括高通、低通或帶通濾波，可以剔除與米蘭科維奇旋回無關的高頻或低頻信息。以上這些都可以用matlab軟件編寫程序或Analyseries 2.0進行時間序列的預處理。

頻譜分析可以識別出時間序列中的周期或準周期成分，將譜圖中峰值對比于理論軌道參數(shù)的標準值，若有相同的比值，即判斷該地層記錄著米蘭科維奇旋回信號。連續(xù)小波變換具有時頻局部化和多尺度分析的特點，可將測井信號中蘊含的不同尺度的信息提取出來，表現(xiàn)出時間域(位移因子)和頻率域(尺度因子)的二維信息，有利于揭示地層中隱藏的旋回性，更直觀的識別米蘭科維奇信號[31-32]。值得注意的是，時間序列的頻率是信號出現(xiàn)的次數(shù)與時間的比，倒數(shù)即為周期，而深度序列的頻率是指信號出現(xiàn)的次數(shù)與厚度之比，倒數(shù)為厚度，用厚度比值與軌道周期理論值作比較的前提是沉積速率不變，因此，如果使用地層組或三級層序為界進行頻譜分析是需要慎重考慮的，不同沉積相帶的沉積速率差別往往較大，在此本文基于不同沉積亞相對各段GR曲線進行連續(xù)小波變換和頻譜分析。

3.2 計算理論軌道周期

地球軌道參數(shù)(偏心率、斜率和歲差)周期性變化控制著地球表面接受日照量強度和時間的變化，進而促使氣候變遷并記錄在沉積序列之中，這些記錄在沉積地層之中的高頻旋回也被稱為“米蘭科維奇旋回”。實踐證明，長、短偏心率旋回在漫長的地質歷史時期中是穩(wěn)定的，這種穩(wěn)定的地層記錄構成了一組約1:4的疊加形式(若地層沉積速率不變，～400 kyr的長偏心率周期和～100 kyr的短偏心率周期形成地層厚度比為1:4)，因此100 kyr準周期還被譽為地支計時的“天文鐘擺”[33]。但由于潮汐耗散和氣候摩擦的作用，在地質歷史時期地球自轉速度變慢，歲差和斜率周期就不那么穩(wěn)定而會有不同程度的變化。天文學家綜合考慮太陽系中各行星運動以及相互作用而設計出各種天文解決方案，可以根據此天文解決方案計算出距今250 Myr以內的天文軌道信號大小。

本文采用LA2004標準模型[33]的斜率和歲差方案(Laskaretal., 2004)以及LA2010標準模型的偏心率d方案(Laskaretal., 2011)，以1kyr為采樣間隔，計算了中侏羅世163.5～174.1 Myr期間偏心率(E)、斜率(T)和歲差(P)周期變化的理論值，并且計算了標準化(每個參數(shù)范圍限定在0～1)以后的偏心率、斜率和歲差之和，即標準ETP曲線，類似全球日照量曲線用來反映地球軌道參數(shù)之間綜合的特點。對以上理論數(shù)據進行頻譜分析后，得到3個偏心率周期：400 kyr(E3)、125 kyr(E2)和95 kyr(E1)，2 個斜率周期：44 kyr(T2)、36 kyr(T1)，3個歲差周期：22 kyr(P3)、21 kyr(P2)、18 kyr(P1)，其相互之間的比值為1∶0.313∶0.238∶0.11∶0.09∶0.055∶0.053∶0.045(圖2)。本次研究以這些理論軌道周期及其比值為基準。

4 分析結果

Ary301井卡拉甘塞組深度為1 825.5～2 306 m，地層厚度為480.5 m，采樣間隔0.125 m，GR數(shù)值范圍為43～170 API，平均值為96 API中位值為106 API，由下至上分別發(fā)育三角洲平原、三角洲前緣、濱淺湖和三角洲前緣亞相，鉆井深度依次為2 168～2 306 m、2 052～2 168 m、1 948～2 052 m和1 825.5～1 948 m，低值與砂巖相對應，高值與泥巖對應，顯示出較好的旋回性。筆者對Ary301井1 825.5～2 306 m井段的GR測井曲線基于沉積特征進行分段小波變換和頻譜分析，分別對應著I～IV段四種沉積亞相類型。

在深度域上對Ary301井I段的伽馬測井數(shù)據序列進行頻譜分析，頻譜圖中顯示出7個優(yōu)勢頻率峰值a、b、c、d、e、f、g，其頻率分別為0.025 3、0.070 5、0.113 8、0.159 0、0.229 4、0.484 2、0.520 3(圖3a)。譜圖中橫坐標代表深度序列的頻率(旋回個數(shù)/m)，縱坐標代能量強度，即該頻率所占比重。因此，譜峰對應的旋回厚度(1/頻率)為39.5 m、14.1 m、8.8 m、6.3 m、4.4 m、2.1 m、1.9 m。陸相沉積的沉積速率普遍比海洋的高，按陸相的平均沉積速率100 m/Myr計算，405 kyr平均沉積40.5 m左右沉積物，因此以峰值a作為基準，對應的旋回厚度比為1.00∶0.36∶0.22∶0.16∶0.11∶0.052∶0.048。而根據Laskar標準模型算出中侏羅世的天文周期為400 kyr(E3)、125 kyr(E2)、95 kyr(E1)、44 kyr(T2)、21 kyr(P2)、18 kyr(P1)，其之間比例為1.00∶0.313∶0.238∶0.11∶0.053∶0.045?？梢园l(fā)現(xiàn)，除d可能由非米蘭科維奇旋回信號影響之外，a、b、c、e、f、g均與天文軌道周期變化有良好的對應關系。同樣在深度域上對該段數(shù)據序列進行連續(xù)小波變換，其小波分析圖中顯示較為連續(xù)的37.8～46.5 m、14.2～18.1 m、3.9～5.1 m和1.9～2.2 m的四段沉積旋回，與163.5～174.1 Myr期間的地球軌道參數(shù)長偏心率E3、短偏心率E2、斜率T2與歲差P有較好的對應關系，頻譜分析與連續(xù)小波分析說明該段伽馬數(shù)據確實存在米蘭科維奇信號，而非偶然因素的影響。因此，在I段～39.5 m、～14.2 m、～8.8 m、～4.4 m、～2.1 m和～1.9 m沉積旋回分別解釋為由長偏心率E3、短偏心率E2、短偏心率E1、斜率T2、歲差P2和歲差P1引起的，而且譜圖中偏心率信號更強，是影響該地區(qū)地層旋回的主要因素，用偏心率周期引起的旋回地層厚度除以偏心率周期得到沉積速率為98.8 m/Myr，由于未考慮到脫壓實校正，本文計算沉積速率為現(xiàn)今條件下的“視沉積速率”。

圖2 163.5～174.1 Ma期間的ETP、偏心率、斜率和歲差的頻譜圖(據Laskar et al.[34]計算)Fig.2 The spectrum of ETP, eccentricity, obliquity and precession in 163.5～174.1 Myr(calculated from Laskar et al.[34])

Ary301井II段的伽馬測井數(shù)據序列在深度域上的頻譜圖中顯示出8個優(yōu)勢頻率峰值a、b、c、d、e、f、g、h，其頻率分別為0.015、0.028、0.084、0.142、0.235、0.315、0.478、0.556(圖3b)，對應的旋回厚度為66.7 m、35.7 m、11.9 m、7.0 m、4.3 m、3.2 m、2.1 m、1.8 m，其中b、d、e、f、g、h分別對應400 kyr、125 kyr、44 kyr、36 kyr、22 kyr、21 kyr，本次未將峰值a厚度為66.7 m解釋為長偏心率周期是考慮到沉積速率在短時期不應該有較大變化，而且對比于其他峰值把35.7 m解釋為長偏心率周期更為合理。連續(xù)小波色譜圖中顯示較為連續(xù)的4個頻帶30.3～38.6 m、10.1～13.8 m、3.9～5.2 m、1.8～2.0 m，分別解釋為長偏心率E3、短偏心率E2、斜率T2和歲差P周期。因此，在II段長偏心率E3、短偏心率E2、斜率T2、斜率T1控制的沉積厚度分別為～35.7 m、～11.9 m、～4.3 m、～3.2 m，該段沉積速率為89.3 m/Myr。

Ary301井III段的伽馬測井數(shù)據序列在深度域上的頻譜圖中顯示出7個優(yōu)勢頻率峰值a、b、c、d、e、f、g，其頻率分別為0.0313、0.149、0.279、0.341、0.555、0.608、0.675(圖3c)，對應的旋回厚度為31.9 m、6.7m、3.6 m、2.9 m、1.8 m、1.6 m、1.5 m，分別對應400 kyr、95 kyr、44 kyr、36 kyr、22 kyr、21 kyr、18 kyr。連續(xù)小波色譜圖中顯示較為連續(xù)的28.5～33.2 m、6.3～7.9 m、2.8～3.7 m、1.5～1.9 m，分別解釋為長偏心率E3、短偏心率E1、斜率T和歲差P周期。因此，在III段長偏心率E3、短偏心率E1、斜率T2、斜率T1控制的沉積厚度分別為～31.9 m、～6.7 m、～3.6 m、～2.9 m，該段沉積速率為79.7 m/Myr。

圖3 Ary301井4段小波變換及頻譜分析圖a.卡拉甘塞組I段GR測井曲線小波分析圖；b.卡拉甘塞組II段GR測井曲線小波分析圖；c.卡拉甘塞組III段GR測井曲線小波分析圖；d.卡拉甘塞組IV段GR測井曲線小波分析圖。圖譜中紅色代表能量較高，藍色代表能量較低，錐形曲線下方為不可靠區(qū)域，主要由于小波變換的邊緣效應造成。e.卡拉甘塞組I段GR測井曲線頻譜分析圖；f.卡拉甘塞組II段GR測井曲線頻譜分析圖；g.卡拉甘塞組III段GR測井曲線頻譜分析圖；h.卡拉甘塞組IV段GR測井曲線頻譜分析圖；圖中紅色曲線代表80%置信度曲線，綠色代表90%置信度曲線。Fig.3 The wavelet transform and spectrum analysis diagram of four segments in Well Ary301

Ary301井IV段的伽馬測井數(shù)據序列在深度域上的頻譜圖中顯示出7個優(yōu)勢頻率峰值a、b、c、d、e、f、g，其頻率分別為0.026 2、0.070 4、0.119、0.179、0.266、0.465(圖3d)，對應的旋回厚度為38.2 m、14.2 m、8.4 m、5.6 m、3.8 m、3.0 m、2.2 m，a、b、c、e、g分別對應400 kyr、125 kyr、95 kyr、36 kyr、22 kyr。連續(xù)小波色譜圖中顯示較為連續(xù)的36.2～47.1 m、14.0～16.2 m、3.7～5.2 m、1.8～2.2 m，分別解釋為長偏心率E3、短偏心率E2、斜率T1和歲差P周期，因此，在IV段長偏心率E3、短偏心率E2、短偏心率E1、斜率T1控制的沉積厚度分別為～38.2 m、～14.2 m、～8.4 m、～3.8 m，該段沉積速率為95.4 m/Myr。

5 討論

5.1 浮動天文年代標尺建立

如果能夠證明地層記錄中的沉積旋回是天文軌道驅動所致，便可將沉積旋回或古氣候的替代性指標調諧到理論天文軌道參數(shù)的目標曲線上，將深度信號校準到時間信號上，就可獲得高分辨率的天文年代標尺[35]。由于缺少精確的地質定年資料以及其他方法可以得到的年齡“錨點”，這里根據發(fā)現(xiàn)的米蘭科維奇旋回個數(shù)以及粗略的時間邊界建立相對時間概念的天文年代標尺，即“浮動天文年代標尺”。

頻譜分析和連續(xù)小波變換均表明Ary301井的卡拉甘塞組四段沉積過程均受到了地球軌道參數(shù)(偏心率、斜率和歲差)的影響，而且400 kyr長偏心率E3信號最強最穩(wěn)定，因此本文從Ary301井GR測井曲線中提取400 kyr長偏心率周期E3的濾波曲線為調諧曲線，125 kyr短偏心率周期E2為輔助曲線，設計出相應的高斯帶通濾波器對伽馬曲線的長、短偏心率分別進行濾波，長偏心率濾波參數(shù)為(0.025 6±0.008 5)旋回/m，短偏心率濾波參數(shù)為(0.076 9±0.013)旋回/m，利用調節(jié)線使調諧曲線和理論曲線谷值位置對應一致，建立卡拉甘塞組的浮動天文年代標尺。在南圖爾蓋盆地Aryskum地塹的層序劃分方案中，卡拉甘塞組的頂界面對應著中侏羅統(tǒng)的頂界面，據2015年最新國際地質年表，中侏羅統(tǒng)頂界面(卡洛夫階和牛津階)地質年齡為163.5±1.0 Ma，這里卡拉甘塞組頂界面年齡粗略的采用163.5 Ma，沉積記錄中共保存了約11.5個長偏心率周期，37個短偏心率周期，而每兩條調諧線之間為400 kyr的一個偏心率周期，持續(xù)時間大約在4.6 Myr左右，推算出卡拉甘塞組底界面年齡約為168.1 Ma。

5.2 高頻旋回識別與劃分

高頻旋回識別與對比在理論上可以分為三大學派，以準層序或準層序組為基本單元的Vail經典層序地層學，以Galloway為代表的主張以最大海泛面為界的成因層序地層學和以Cross為代表的高分辨率層序地層學，前兩者均強調全球海平面變化控制著層序的發(fā)育及成因，主要應用于海相；而高分辨率層序地層學提出基準面、體積劃分和相分異原理，強調基準面變化是控制不同層序發(fā)育的機制，不需要海平面為參考，因此不僅適用于海相盆地同樣也適用于陸相含油氣盆地，另外靈活運用基準面的概念可以很好解決自旋回和異旋回問題。研究區(qū)以河流、三角洲和湖泊相沉積為主，運用高分辨率層序地層學層序劃分和對比技術，結合天文軌道參數(shù)的浮動天文年代標尺，實現(xiàn)高精度的地層單元劃分與對比，建立高分辨率年代地層格架(圖4)。

長期基準面旋回具有較大規(guī)模水深變化的完整湖進—湖退沉積充填序列，湖泛面一般位于層序內部泥頁巖沉積的中部或頂部，具有連續(xù)沉積或沉積間斷面性質，其界面成因類型受同一構造演化階段的次級構造活動控制，與奧爾特旋回周期有關，平均沉積時限為1.6～5.25 Myr，一般相當于層序地層學中的三級層序，可在地震剖面通過地震反射終止關系判別，也可以從露頭或測井巖芯中識別。Ary301井卡拉甘塞組為一個三級層序，地層厚度480.5 m，沉積時限為4.6 Myr，劃分為一個長周期旋回，湖泛面位于層序中部的湖相泥質密集段，下半旋回由下至上分別發(fā)育三角洲平原—三角洲前緣—濱淺湖亞相，反映湖平面上升、可容納空間增大、基準面逐漸上升的過程，上半旋回由下至上分別發(fā)育濱淺湖—三角洲前緣亞相，反映湖平面下降、可容納空間減小、基準面逐漸下降的過程，總體為一個以基準面上升為主的湖進—湖退過程。

中期基準面旋回具有高幅水深變化、彼此有成因聯(lián)系的地層疊加組成的次級湖進—湖退沉積充填序列，受構造和氣候的雙重作用控制，與米蘭科維奇旋回長偏心率周期有關，平均沉積時限為0.2～0.8 Myr，相當于層序地層學中的四級層序，本文研究發(fā)現(xiàn)基于米蘭科維奇理論劃分的長偏心率旋回與微相的垂向沉積序列有較好的對應性，可以反映一定的湖進—湖退沉積充填，因此將中期基準面旋回即四級層序的時間定量化為400 kyr。中期基準面旋回通常以較大規(guī)模的沖刷面為界線，由一系列短周期基準面旋回疊置而成，往往通過測井曲線及巖性剖面特征對其進行識別。中期基準面旋回的序列主要是指亞相或微相的垂向序列，例如三角洲平原亞相→三角洲前緣亞相為基準面上升旋回，反映湖侵的過程；三角洲前緣分流間灣微相→遠砂壩微相→河口壩微相為基準面下降旋回，反映湖退的過程。其頂、底界面可能對應于北半球高緯度夏半年日照量最低的冰期，偏心率主要調控歲差的周期變化幅度來影響氣候變化，偏心率的極小值更容易產生冰期。因此，中期旋回的頂、底與伽馬長偏心率濾波曲線的低值一一對應，共識別出11.5個中期基準面旋回。I段三角洲平原沉積亞相包含3.25個中期基準面旋回，主要發(fā)育分流河道和分流間灣微相的交互沉積，由于分流河道的普遍發(fā)育及相互疊置，上一期天然堤或決口扇微相總是被下一期河道侵蝕沖刷，基準面下降半旋回的沉積記錄缺失或無沉積間斷，僅保存3.25個基準面上升半旋回沉積記錄。II段三角洲前緣沉積亞相包含2.75個中期基準面旋回，除中間一段基準面出現(xiàn)短暫下降，基準面整體還是不斷上升的過程，沉積序列的疊加方式以退積或加積為主。III段濱淺湖亞相包含3個中期基準面旋回，該期的湖泛面為此三級層序的最大湖泛面，越過最大湖泛面后，基準面開始緩慢下降。IV段三角洲前緣沉積亞相包含2.5個中期基準面旋回，中段出現(xiàn)基準面緩慢上升，整體沉積序列以進積為主發(fā)育基準面下降旋回。

圖4 Ary301井卡拉甘塞組高頻旋回識別與劃分a.理論周期曲線中紅色曲線代表理論E3長偏心率曲線且周期為400 kyr，藍色曲線代表理論E2短偏心率曲線且周期為125 kyr，黑色數(shù)字代表短偏心率曲線旋回個數(shù)；b.GR長偏心率濾波曲線采用高斯帶通濾波方法得出，濾波參數(shù)為(0.025 6±0.008 5)旋回/m，藍色虛線為GR原始曲線，紅色數(shù)字代表長偏心率旋回個數(shù)；c.GR短偏心率濾波曲線采用同樣方法，濾波參數(shù)為(0.076 9±0.013)旋回/m，紅色數(shù)字代表長偏心率旋回個數(shù)，黑色數(shù)字代表短偏心率曲線旋回個數(shù)；d.GR斜率濾波曲線濾波參數(shù)為(0.26±0.02)旋回/m。Fig.4 High-frequency cycles identification and division of Karagansky Formation in Well Ary301

短期基準面旋回具有低幅水深變化、彼此有成因聯(lián)系的韻律湖進—湖退沉積充填序列，受氣候的干、濕變化過程控制，與米蘭科維奇旋回短偏心率周期有關，平均沉積時限為0.04～0.16 Myr，相當于層序地層學中的五級層序，基于米蘭科維奇理論劃分的短偏心率旋回與巖相組合有較好的對應性，可以反映低幅水深變化的韻律性湖進—湖退充填，這里將短期基準面旋回即五級層序的時間定量化為125 kyr。短期基準面旋回可以直接通過露頭及巖性測井資料進行識別，通?？梢苑譃橄蛏献兩罘菍ΨQ型旋回(A型)、向上變淺非對稱型旋回(B 型)和對稱型旋回(C型)3種類型，低可容納空間A1型、高可容納空間A2型、低可容納空間B1型、高可容納空間B2型、以上升半旋回為主的C1對稱型、以下降半旋回為主的C2型和上升下降半旋回對等的C3對稱型7種亞類型[36]。由于三角洲平原亞相上半旋回經常遭受沖刷與侵蝕作用，但同時又階段性發(fā)育分流間灣，說明水體下切作用相對較弱，以發(fā)育高可容納空間A2型為主；三角洲前緣亞相可容納空間較大，由河口壩或決口扇組成的反韻律進積結構保存完整，基準面類型以下降半旋回為主的C2型和上升下降半旋回對等的C3型為主；濱淺湖亞相以發(fā)育高可容納空間B2型和上升下降半旋回對等的C3型為主；由下至上，共識別出37個短期基準面旋回。

超短期基準面旋回是根據巖芯或測井資料能夠識別的最小成因地層單元，是受歲差周期影響形成的韻律層，也是油田開發(fā)過程中的最基本單元，即同一時期沉積的單砂體，但在此次實際工作中由于還未研究到開發(fā)過程單砂層精度，未對超短期旋回進行對比。

6 結論

(1) 地球軌道參數(shù)引起氣候變化導致湖平面周期性變化是高頻層序或短周期層序的主控因素，長期基準面旋回具有較大規(guī)模水深變化的湖進—湖退充填序列，與奧爾特旋回有關，相當于層序地層學中的三級層序；中期基準面旋回具有高幅水深變化的次級湖進—湖退充填序列，與米蘭科維奇旋回長偏心率周期有關，相當于層序地層學中的四級層序。短期基準面旋回具有低幅水深變化的韻律湖進—湖退充填序列，與米蘭科維奇旋回短偏心率周期有關，相當于層序地層學中的五級層序。超短期基準面旋回是最小成因地層單元，是受斜率或歲差周期影響形成的韻律層，相當于層序地層學中的六級層序。

(2) 采用LA2004及LA2011理論天文模型計算出中侏羅世163.5～174.1 Myr期間偏心率(E)、斜率(T)和歲差(P)分別為：400 kyr(E3)、125 kyr(E2)、95 kyr(E1)、44 kyr(T2)、36 kyr(T1)、22 kyr(P3)、21 kyr(P2)、18 kyr(P1)?；诓煌练e特征，對Aryskum坳陷Ary301井卡拉甘塞組I～IV段分別進行頻譜分析和連續(xù)小波變換，發(fā)現(xiàn)沉積地層中均保存完好的米蘭科維奇旋回，天文軌道周期對Aryskum地塹沉積過程具有明顯影響，受400 kyr長偏心率周期影響的旋回厚度為31.9～39.5 m，受125 kyr和95 kyr短偏心率周期影響的旋回厚度分別為11.9～14.2 m，6.7～8.8 m，44 kyr和36 kyr斜率周期引起的地層旋回厚度分別為3.6～4.4 m，2.9～3.8 m，22 kyr、21 kyr和19 kyr歲差周期引起的旋回厚度為1.8～2.1 m，1.6～2.2 m，1.5～1.9 m。

(3) 通過對Ary301井GR測井曲線進行高斯帶通濾波，提取長、短偏心率周期曲線并調諧到Laskar天文模型的理論周期曲線上，建立Ary301井卡拉甘塞組浮動天文年代標尺?？ɡ嗜M共記錄了11.5個長偏心率周期和47個短偏心率周期分別對應于11.5個中期旋回和47個短期旋回，米蘭科維奇旋回具有相對穩(wěn)定的周期以及對高頻層序的控制作用，作為高頻層序劃分的時間標尺，為測井層序劃分提供一種不受人為因素影響的天然標準，提高了高頻層序劃分的科學性，保證了研究區(qū)層序劃分的統(tǒng)一性。

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Recognition and Division of High-resolution Sequences based on the Milankovitch Theory: A case study from the Middle Jurassic of Well Ary301 in the South Turgay Basin

SHI JuYe1,2，JIN ZhiJun1,3，LIU QuanYou1,3，HUANG ZhenKai1,3

1. State Key Laboratory of Shale Oil and Gas Enrichment Mechanisms and Effective Development, Beijing 100083, China2. School of Energy Resources, China University of Geosciences, Beijing 100083, China3. Petroleum Exploration and Production Research Institute, SINOPEC, Beijing 100083, China

It aims to achieve the division and correlation of high-resolution sequences by integrating the Milankovitch cycles with cycles of different scales so as to introduce such a high precision time scale into the high-resolution sequence stratigraphic classification. This work takes the Well Ary301 in Aryskum graben of the South Turgay Basin in Kazakhstan as an example. Based on different sedimentary characteristics, spectral analysis and continuous wavelet transform are used to Intervals I-IV of natural gamma ray data, respectively, which demonstrate that well-preserved Milankovitch cycles are contained in the sedimentary strata. Aryskum graben deposition process is obviously effected by astronomical orbital period, the formation thickness of 31.9～39.5 m is affected by the long eccentricity of 400 kyr, the formations thickness of 11.9～14.2 m and 6.7～8.8 m are affected by the short eccentricity of 125 kyr and 95 kyr, respectively. Cycle curves analyzed by filtering are compared with the astronomical model theory, which helps establish the Karagansky Formation of floating astronomical time scale. Finally, 11.5 middle term cycles and 47 short term cycles are identified, the filtering curves with eccentricity cycles of 400 kyr and 125 kyr are identified as the reference curves to divide middle term and short term cycles to ensure the scientific and unified division scheme in the study area, and a natural standard unaffected by man-made factors is proposed for high-frequency sequence division.

South Turgay Basin; Milankovitch cycle; spectral analysis; astronomical time scale; high-frequency sequence

1000-0550(2017)03-0436-13

10.14027/j.cnki.cjxb.2017.03.002

2016-05-03； 收修改稿日期： 2016-07-18

石巨業(yè)，男，1989年出生，博士，非常規(guī)油氣地質，E-mail: shijuyeone@163.com

P618.13

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