周靖皓 鮮本忠 張建國 鐘 騎 陳 鵬

1 油氣資源與探測國家重點實驗室(中國石油大學(xué)(北京))，北京 102249 2 中國石油大學(xué)(北京)地球科學(xué)學(xué)院，北京 102249 3 中國地質(zhì)大學(xué)(北京)能源學(xué)院，北京 100083

自北美成功開發(fā)頁巖油氣以來，頁巖油氣工業(yè)得到了蓬勃發(fā)展(張廷山等，2015)。除了北美和中國南方眾多海相頁巖油氣資源以外(黎茂穩(wěn)等，2019)，中國鄂爾多斯盆地三疊系、準(zhǔn)噶爾盆地二疊系、松遼盆地白堊系、渤海灣盆地古近系的陸相頁巖油氣勘探也陸續(xù)取得成功(趙文智等，2020)。其中，泥頁巖層系中有機質(zhì)含量是影響其儲集質(zhì)量和油氣富集程度的關(guān)鍵因素(王智，2018)。因此，在頁巖油氣資源評價和勘探開發(fā)目標(biāo)優(yōu)選中，富有機質(zhì)層系的厘定及有機質(zhì)的富集規(guī)律研究至關(guān)重要(姜在興等，2014；趙賢正等，2018)。

已有研究表明，泥頁巖中有機質(zhì)的富集受控于古氣候、古生產(chǎn)力、古鹽度、古氧化還原條件和陸源輸入等因素(張慧芳等，2016；Lietal.， 2020；胡濤等，2021；Wangetal.， 2021)。對于特定地質(zhì)歷史時期的陸相沉積盆地，其古生產(chǎn)力、古鹽度、古水深、古氧化還原條件及母巖風(fēng)化類型等都與古氣候息息相關(guān)，因此古氣候常常成為影響其有機質(zhì)富集的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的古氣候研究依賴于連續(xù)的巖心樣品和系統(tǒng)的地球化學(xué)測試結(jié)果。那么，如何在缺乏系統(tǒng)取心和地球化學(xué)測試的地區(qū)和層段開展古氣候恢復(fù)，如何建立地層旋回與古氣候及有機質(zhì)富集層系的關(guān)系，成為當(dāng)前制約頁巖油氣資源評價和目標(biāo)層系優(yōu)選的關(guān)鍵。

圖 1 東營凹陷綜合地質(zhì)背景圖Fig.1 Comprehensive geological background map of Dongying sag

1 地質(zhì)背景

東營凹陷位于渤海灣盆地東南部，是濟陽坳陷的次級構(gòu)造單元，在構(gòu)造樣式上呈現(xiàn)出“北斷南超、西斷東超”的箕狀斷陷盆地樣式。該凹陷經(jīng)歷了太古代—元古代的基底形成期，古生代—中侏羅世地臺期、晚侏羅世—白堊紀(jì)裂陷期、古近紀(jì)斷陷期和新近紀(jì)拗陷期5個構(gòu)造演化階段(劉建平，2016)。其中古近紀(jì)斷陷期又可分為孔店組—沙四下亞段的斷陷初期，沙四上—沙二下亞段的強烈斷陷期，沙二上亞段—東營組斷陷萎縮期(盛文波等，2008)。本次研究的古近系沙三下亞段，處在湖盆強烈斷陷期。該時期湖盆水體迅速加深，整體為深水—半深水的沉積環(huán)境，北部陡坡發(fā)育有大量湖底扇沉積體系，東部發(fā)育了初始的東營三角洲，湖盆中心存在濁流沉積(圖 1)。沙三下亞段整體為一套深灰色泥頁巖，夾少量砂巖、碳酸鹽巖薄層(逄淑伊等，2019；劉惠民等，2020)，該時期氣候由溫暖濕潤向寒冷干燥轉(zhuǎn)變，湖盆水體由咸轉(zhuǎn)淡(石巨業(yè)，2018)。

本次研究的FY1井位于東營凹陷西南部的博興洼陷，該井自上而下鉆遇了東營組、沙河街組，完鉆于沙四下亞段。沙三下亞段是東營凹陷內(nèi)陸相頁巖最為發(fā)育的層段之一，該井沙三下亞段以油頁巖、泥巖、鈣質(zhì)泥巖為主，沉積連續(xù)性好，厚度達(dá)200 m。

2 數(shù)據(jù)與方法

本次研究中，使用局部回歸平滑方法來消除長期趨勢，實現(xiàn)原始數(shù)據(jù)序列去趨勢分析； 通過零假設(shè)的顯著性檢驗和蒙特卡洛迭代來獲取在米蘭科維奇旋回控制下的最佳平均沉積速率(Lietal.， 2018)，從而約束旋回地層厚度，減小在頻譜分析中的人為主觀因素； 再使用多窗口方法(MTM，Multi-taper method)將深度域的數(shù)據(jù)序列轉(zhuǎn)換到頻率域，進行頻譜分析獲取米蘭科維奇信號控制下的實際旋回地層厚度； 通過快速傅立葉變換方法(FFT，F(xiàn)ast-Frisher Transform)生成滑動頻譜圖，分析各信號在深度域數(shù)據(jù)列中的變化情況，以識別沉積間斷； 通過帶通濾波(Bandpass Filter)在深度域數(shù)據(jù)序列中提取出代表各天文參數(shù)變化周期的波形曲線。

3 旋回地層分析

3.1 理論天文周期分析

理論天文周期，包括了超長偏心率周期、超長斜率周期、長偏心率周期、短偏心率周期、斜率周期、歲差周期等6級尺度。偏心率(eccentricity)是指地球繞太陽公轉(zhuǎn)軌道的橢圓程度； 斜率(tilt)是指地球自轉(zhuǎn)軸傾角，即黃道面與赤道面夾角； 歲差(precession)是指地球的進動，即地球自轉(zhuǎn)軸繞黃道軸的旋轉(zhuǎn)運動(吳懷春等，2011)。天文參數(shù)的周期性變化，是旋回地層分析的基礎(chǔ)，需要通過地球軌道的理論數(shù)學(xué)模型獲取目的層所處地質(zhì)時期的各參數(shù)周期后，才能進行基于實際地質(zhì)資料的地層分析。

(a)MTM方法頻譜圖； (b)ETP曲線； (c)FFT方法滑動頻譜圖 2 東營凹陷39～43 Ma期間ETP數(shù)據(jù)頻譜與滑動頻譜分析Fig.2 Spectral analysis and evolutionary spectral analysis of ETP data during 39～43 Ma in Dongying sag

表 1 東營凹陷39～43￣￣Ma期間理論天文周期比值Table1 Ratios of theoretical astronomical periods during 39～43 Ma in Dongying sag

前人研究表明，東營凹陷沙三下亞段底界絕對年齡為42.4 Ma，沉積持續(xù)時約為2 Ma(姚益民等，2002)。據(jù)此，通過Acycle軟件獲取了La2004天文軌道解決方案中39～43 Ma之間的ETP(偏心率，斜率和歲差)數(shù)據(jù)(圖 2-b)，并使用MTM方法對ETP數(shù)據(jù)進行頻譜分析。在功率譜圖中識別出代表天文軌道參數(shù)周期的頻率信號，分別是長偏心率E： 0.0024994(400 ka)；短偏心率e1： 0.007998(125 ka)，e2： 0.010447(96 ka)；斜率O1： 0.019445(51 ka)，O2： 0.025244(39 ka)；歲差P1： 0.043089(23 ka)，P2： 0.045539(22 ka)，P3： 0.053537(19 ka)(圖 2-a)。據(jù)此計算偏心率、斜率、歲差周期的比值表，可知理論天文軌道參數(shù)周期近似滿足21.42 ︰6.69 ︰5.12 ︰2.75 ︰2.12 ︰1.24 ︰1.18 ︰1(表 1)。對ETP數(shù)據(jù)的滑動頻譜分析顯示(圖 2-c)， 在39～43 Ma之間，存在著8條亮色條帶代表了各旋回周期頻率信號，且亮色條帶連續(xù)性好，變化小，指示了這一時期各天文參數(shù)周期的穩(wěn)定性。另外，據(jù)研究，超長偏心率周期與超長斜率周期具備極高的穩(wěn)定性，分別是2.4 Ma、1.2 Ma(吳懷春等，2011；黃春菊，2014)。

3.2 基于測井?dāng)?shù)據(jù)的旋回地層分析

3.2.1 去趨勢處理

經(jīng)過多種方法試驗，本次研究最終采用rLOWESS(魯棒局部回歸平滑)方法，窗口長度選用70.35，消除了FY1井沙三下亞段自然伽馬測井(GR)原始數(shù)據(jù)序列中的長期趨勢，使得數(shù)據(jù)序列均值為0。去趨勢后的GR最大值為29.25438，最小值為-20.7529(圖 3)。

3.2.2 相關(guān)系數(shù)分析

3.2.3 頻譜分析與滑動頻譜分析

圖 4 東營凹陷FY1井沙三下亞段GR數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)分析Fig.4 Correlation coefficient analysis of GR data of the lower sub-member of Member 3 of Shahejie Formation of Well FY1 in Dongying sag

a—MTM方法頻譜圖； b—趨勢GR曲線； c—FFT方法滑動頻譜圖圖 5 東營凹陷FY1井沙三下亞段GR數(shù)據(jù)頻譜與滑動頻譜分析Fig.5 Spectral analysis and evolutionary spectral analysis of GR data of the lower sub-member of Member 3 of Shahejie Formation of Well FY1 in Dongying sag

通過FFT方法獲得的滑動頻譜圖顯示，長偏心率信號在深度域中連續(xù)性較好，但在3170 m、3200 m出現(xiàn)了右偏(圖 5-c)，表明沉積速率的減小，旋回周期控制的地層厚度減薄。其他旋回信號的亮色條帶連續(xù)性也較好，在滑動頻譜圖中未發(fā)現(xiàn)明顯錯斷、揭示了FY1井沙三下亞段整體沉積連續(xù)性較好，沉積速率變化小的特點。

前人的研究表明，東營凹陷古近系頁巖地層中記錄了地球軌道的超長周期信號(石巨業(yè)，2018)，即超長偏心率周期和超長斜率周期。通過時間比值與沉積速率約束，本次研究在頻譜圖中識別出了0.0076592(125 m)作為1.2 Ma超長斜率周期信號(圖5)。

3.2.4 濾波與沉積旋回劃分

鑒于FY1井沙三下亞段整體沉積連續(xù)性較好，本次研究未進行分段處理。對FY1井的濾波結(jié)果顯示，F(xiàn)Y1井沙三下亞段存在著2個1.2 Ma超長斜率旋回、5個400 ka長偏心率旋回、21個96 ka短偏心率旋回、42個51 ka斜率旋回、103個19 ka歲差旋回。表明沙三下亞段的沉積持續(xù)時間約為2 Ma，這與前人對該地層的定年結(jié)果基本一致。

前人研究指出，基準(zhǔn)面旋回與米蘭科維奇旋回具有較好的時限對應(yīng)關(guān)系(毛凱楠等，2012；翁雪波，2017)。由于濾波曲線與GR測井曲線的正相位關(guān)系，可在單井上以濾波曲線為參考劃分基準(zhǔn)面旋回(石巨業(yè)等，2019)?；鶞?zhǔn)面旋回級次分為巨旋回、超長期、長期、中期、短期、超短6個級次，其中長期旋回時限1.6～5.25 Ma，中期旋回時限0.2～1 Ma，短期旋回時限0.04～0.16 Ma(鄭榮才等，2001)。據(jù)此，本研究參考1.2 Ma、400 ka、96 ka周期波形曲線，將FY1沙三下亞段劃分為2個長期旋回(LSC1、LSC2)、6個中期旋回(MSC1、MSC2、MSC3、MSC4、MSC5、MSC6)、21個短期旋回。從結(jié)果來看，長期旋回LSC1、LSC2和中期旋回MSC1、MSC6不完整(圖 6)。

4 沉積環(huán)境分析

有機質(zhì)的富集離不開沉積環(huán)境的變化(張慧芳等，2016；陳果，2019)。據(jù)米氏旋回理論，地球軌道的周期性變化引起日照量變化，從而改變沉積環(huán)境(吳懷春等，2011)，因此米氏旋回間接控制有機質(zhì)富集。本次研究通過主量元素和微量元素數(shù)據(jù)、礦物分析數(shù)據(jù)，結(jié)合米蘭科維奇旋回曲線與基準(zhǔn)面旋回，分析了在高頻旋回地層約束下的沉積環(huán)境響應(yīng)，從而探討旋回地層與沉積環(huán)境、有機質(zhì)富集的關(guān)系。

4.1 古環(huán)境參數(shù)響應(yīng)

4.1.1 古氣候

有機質(zhì)的生成取決于藻類的生產(chǎn)力，在溫暖氣候下，藻類勃發(fā)，能夠生成更多的有機質(zhì)，有利于有機質(zhì)的富集(胡濤等，2021)。白云石含量常伴隨氣溫升高而增加； 陸源碎屑(長石+石英)含量增多則代表了風(fēng)化作用的增強，間接代表了較為更加濕潤的氣候(石巨業(yè)，2018)。FY1井沙三下亞段700余個XRD礦物分析顯示，白云石含量最高70%，最低1%，平均值為7.2%；陸源碎屑含量最大52%，最小6.5%，平均值為26.5%。在保證數(shù)據(jù)整體特征與趨勢不變的情況下，使用resform軟件對各古環(huán)境指標(biāo)進行抽稀顯示，抽稀后白云石顯示最高含量約為20%，陸源碎屑含量最高約為39%。在旋回地層約束下對白云石、陸源碎屑數(shù)據(jù)進行分析，自下而上顯示出2次長期尺度的周期變化以及5次中期尺度的周期變化。這樣的周期變化規(guī)律與1.2 Ma超長斜率濾波曲線、400 ka長偏心率濾波曲線保持極好的正相位關(guān)系(圖 6)；即濾波曲線波峰附近，白云石、陸源碎屑含量較高，指示氣溫上升、降雨增多風(fēng)化增強、更加溫暖濕潤的古氣候條件； 在濾波曲線波谷附近，則表現(xiàn)為較低的白云石與陸源碎屑含量，指示氣溫下降、降雨減少風(fēng)化減弱、更加寒冷干燥的古氣候條件。

圖 6 東營凹陷FY1井沙三下亞段旋回地層劃分、古環(huán)境恢復(fù)、有機質(zhì)富集綜合柱狀圖Fig.6 Comprehensive histogram of stratigraphic division，palaeoenvironment restoration and organic matter enrichment of the lower sub-member of Member 3 of Shahejie Formation of Well FY1 in Dongying sag

4.1.2 古氧化還原

4.2 沉積環(huán)境劃分

通過前述對各古環(huán)境指標(biāo)的趨勢分析，明確了各指標(biāo)均在1.2 Ma、400 ka濾波曲線波峰附近出現(xiàn)較高值，在波谷附近出現(xiàn)較低值，這一結(jié)果與孫善勇等(2017)對牛頁1井沙四上亞段的氣候旋回研究保持了一致，揭示了天文旋回控制著東營凹陷始新世的氣候變化與沉積環(huán)境變化。結(jié)合前述對FY1井沙三下亞段沉積旋回的分析，明確了氣候指標(biāo)的變化趨勢與定量沉積旋回劃分保持了極高的關(guān)聯(lián)性，即基準(zhǔn)面上升，氣溫上升、降雨增加、風(fēng)化增強，更加濕潤，水體還原性增強。 這是由于氣候變得更加溫暖濕潤時帶來的降雨增多，使得封閉的湖盆水位上升，還原性增強(Liuetal.， 2020)。

在由96 ka短偏心率控制的短期尺度，甚至在更小的尺度上，雖然在圖件中能夠看到環(huán)境還原指標(biāo)的部分較大值對應(yīng)了波形曲線的波峰，但是受限于采樣間隔、樣品深度還原等因素，難以在短期尺度上開展上述規(guī)律性總結(jié)。因此，筆者認(rèn)為在中期、長期，甚至更大的尺度上，對無取心、無地質(zhì)樣品、無分析化驗數(shù)據(jù)的鉆井，通過對測井?dāng)?shù)據(jù)進行旋回地層分析，可以在縱向上定量地劃分古環(huán)境，明確古環(huán)境自下而上的垂向演化。

5 旋回地層約束下有機質(zhì)富集規(guī)律

FY1井沙三下亞段實測總有機碳含量TOC最高8.83%，最低1.18%，平均值為2.658%。為更加清晰地顯示數(shù)據(jù)在垂向上的趨勢，在圖6中將顯示范圍設(shè)置為1.5%～4.5%，個別高值未能顯示。此外，通過ΔlogR方法計算了TOC曲線，與實測TOC趨勢基本一致，相互印證表明東營凹陷沙三下亞段有機質(zhì)含量整體處在一個較高的水平。實測TOC相比于計算TOC變化幅度大，趨勢更明顯，本次研究通過對實測TOC的變化趨勢分析，明確了其對天文旋回的響應(yīng)規(guī)律。結(jié)果表明，實測TOC在自下而上呈現(xiàn)出2期長期變化、5期中期變化(圖 6)。這樣的變化趨勢與1.2 Ma超長斜率、400 ka長偏心率波形曲線保持了極高的一致性。通常來講，有機質(zhì)的富集與沉積環(huán)境密切相關(guān)，F(xiàn)Y1井實測TOC的變化趨勢與環(huán)境還原指標(biāo)保持了一致，這就說明東營凹陷沙三下亞段有機質(zhì)的富集直接受控于沉積環(huán)境的變化，而沉積環(huán)境的變化受控于天文旋回。換言之，東營凹陷沙三下亞段的有機質(zhì)富集受控于天文旋回。

在中晚始新世，地球氣候由溫暖向寒冷轉(zhuǎn)變，這一過程在東營凹陷古近系沉積地層中得到了良好的記錄。據(jù)前人研究，東營凹陷沙三下亞段時期氣候整體變得寒冷干燥。本次研究使用到的古環(huán)境還原指標(biāo)也顯示了同樣的規(guī)律，但是其中的波動與天文參數(shù)的周期性變化關(guān)系密切。本次研究總結(jié)出的趨勢變化，在長期尺度上，主要是由于地軸斜率增大、北半球受到的光照增強(黃春菊，2014；孫善勇等，2017)，從而導(dǎo)致特定時期內(nèi)的氣溫上升，使得東營凹陷所處的環(huán)境變得更加溫暖濕潤，藻類生產(chǎn)力提高，降雨增多，湖盆水體上升，還原性增強，使得有機質(zhì)更加富集； 在中期尺度上，偏心率增大，地球公轉(zhuǎn)軌道變得更接近橢圓，近日點離太陽更近，地球整體受到的日照增強(孫善勇等，2017)，從而使得氣候變得更加溫暖濕潤，湖盆內(nèi)有機質(zhì)更加富集。

基于上述認(rèn)識，以波形曲線半幅點為界，定量劃分了“富有機質(zhì)層”與“含有機質(zhì)層”，劃分結(jié)果與前述古環(huán)境劃分保持一致，即長期尺度上分2期“富—含有機質(zhì)層”，中期尺度上分5期(圖 6)。同樣的，短期甚至更小的尺度上，由于采樣精度和樣品深度還原等各種原因，難以總結(jié)相關(guān)規(guī)律，即短期尺度上的劃分可信度較低。

6 結(jié)論

有機質(zhì)含量是頁巖油氣儲集層品質(zhì)評價中的重要內(nèi)容，也是頁巖油氣甜點預(yù)測中的重點指標(biāo)。掌握有機質(zhì)的富集規(guī)律，對于尋找富有機質(zhì)層段、降低頁巖油氣開發(fā)成本具有重要意義。本次研究通過取心井進行旋回地層分析，定量劃分了東營凹陷沙三下亞段沉積旋回，結(jié)合古環(huán)境恢復(fù)參數(shù)與TOC數(shù)據(jù)，明確了沉積環(huán)境、有機質(zhì)富集對天文旋回的響應(yīng)，得到了以下結(jié)論和認(rèn)識：

2)對古環(huán)境恢復(fù)指標(biāo)與總有機碳含量數(shù)據(jù)在垂向上進行趨勢分析，各環(huán)境指標(biāo)與TOC數(shù)據(jù)在長期趨勢均顯示2次自下而上的周期變化，在中期趨勢上顯示了5次自下而上的周期變化，與1.2 Ma超長斜率、400 ka長偏心率波形曲線保持了較高一致性，表明天文旋回控制了東營凹陷沙三下沉積時期的環(huán)境變化，進而控制了有機質(zhì)的富集。即斜率越大或偏心率越大，受到日照越強，氣候變得更加溫暖濕潤，藻類生產(chǎn)力增強，降雨增多，湖盆基準(zhǔn)面升高，水體還原性增強，有機質(zhì)更加富集。

3)鑒于古環(huán)境指標(biāo)與TOC數(shù)據(jù)對天文旋回的響應(yīng)規(guī)律，提出以波形曲線半幅點為界限，在不同尺度上定量劃分古環(huán)境與富有機質(zhì)層段的方法。即在長期尺度上以1.2 Ma超長斜率濾波曲線作為劃分依據(jù)，在中期尺度上以400 ka長偏心率濾波曲線作為劃分依據(jù)，可以定量地識別劃分富有機質(zhì)層段，劃分結(jié)果與實測數(shù)據(jù)保持了較好的相關(guān)性，證明可靠性較強。