湖相泥頁巖地層米氏旋回測(cè)井識(shí)別及環(huán)境響應(yīng)特征 以渤海灣盆地濟(jì)陽坳陷東營(yíng)凹陷樊頁1井Es4scs為例

自Milankovitch運(yùn)用地球軌道旋回理論解釋第四紀(jì)冰期和間冰期，進(jìn)而證實(shí)第四系中存在米蘭科維奇旋回（米氏旋回）以來［1］，旋回地層學(xué)便廣泛應(yīng)用于地質(zhì)年代學(xué)研究［2］。旋回地層學(xué)的基本理論是地球軌道變化引起全球氣候變化，其將由地球軌道驅(qū)動(dòng)力造成的旋回性地層記錄稱為米氏旋回，旋回中所蘊(yùn)含的周期信息在地層中表現(xiàn)為沉積結(jié)構(gòu)、沉積構(gòu)造、巖性和巖相的變化，這些變化會(huì)在古氣候替代性指標(biāo)中得到體現(xiàn)［3］，而運(yùn)用數(shù)學(xué)方法便能提取替代指標(biāo)中的周期信息［4］。同時(shí)，旋回地層學(xué)提供了一種全新的定年方式，通過研究沉積旋回中與天文軌道有關(guān)的周期來確定地層單位的延續(xù)時(shí)間和年齡。前人研究認(rèn)為，細(xì)粒沉積地層的高頻旋回受米氏旋回的影響而形成［5-7］，但涉及軌道周期環(huán)境響應(yīng)特征的研究卻相對(duì)較少，因此，亟需開展湖相細(xì)粒沉積地層米氏旋回研究，建立較為精確的年代地層格架，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步探討軌道周期對(duì)細(xì)粒沉積過程以及泥頁巖油氣富集規(guī)律的控制。

近年來，諸多學(xué)者嘗試運(yùn)用各種數(shù)據(jù)和方法［8-15］來提取地層中的米氏旋回：運(yùn)用自然伽馬能譜數(shù)據(jù)開展滑動(dòng)平均濾波和小波變換分析，對(duì)碳酸鹽巖高頻層序進(jìn)行了研究［6］；運(yùn)用野外露頭和磁化率等數(shù)據(jù)研究了華南二疊紀(jì)地層中記錄的米氏旋回［16］；運(yùn)用自然伽馬測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)開展旋回分析，建立了松遼盆地白堊系青山口組的天文年代標(biāo)尺［17］；通過研究早侏羅世普林斯巴期碳循環(huán)，發(fā)現(xiàn)Fe元素濃度時(shí)間序列具有明顯的米氏旋回［18］；運(yùn)用意大利北部La Vedova剖面磁化率和地球化學(xué)測(cè)試數(shù)據(jù)，校正了地中海地區(qū)中新世的天文年代格架［14］。綜上所述，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者多采用測(cè)井、磁化率和地球化學(xué)測(cè)試分析數(shù)據(jù)，運(yùn)用時(shí)頻分析方法對(duì)海陸相沉積地層的旋回性進(jìn)行研究，進(jìn)而計(jì)算旋回的持續(xù)時(shí)間和平均沉積速率。鑒于此，為了更好地研究湖相泥頁巖天文旋回周期以及環(huán)境響應(yīng)特征，本文以渤海灣盆地濟(jì)陽坳陷東營(yíng)凹陷樊頁1井古近系沙河街組四段上亞段純上次亞段（Es4scs）為例，在前人研究基礎(chǔ)上，從天文地層學(xué)理論出發(fā)，綜合測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)和地球化學(xué)資料，探索基于測(cè)井信息的細(xì)粒沉積地層米氏旋回識(shí)別，并首次運(yùn)用有機(jī)質(zhì)豐度和表征古氧化-還原性的指標(biāo)來探討軌道周期的響應(yīng)特征。旨在能為細(xì)粒沉積地層的精細(xì)劃分與對(duì)比、精細(xì)地質(zhì)定年、建立高精度的層序地層格架提供研究思路和方法，為研究天文軌道周期控制下的環(huán)境響應(yīng)特征提供借鑒。

1 地質(zhì)背景

渤海灣盆地位于中國(guó)東部，是中朝準(zhǔn)地臺(tái)經(jīng)過古生代沉積并在印支、燕山期運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的中-新生代斷陷盆地［19-20］。東營(yíng)凹陷是渤海灣盆地濟(jì)陽坳陷內(nèi)的典型中-新生代陸相斷陷湖盆，其東部為青坨子凸起，南部為魯西隆起與廣饒凸起，西部為青城凸起，北部為陳家莊凸起和濱縣凸起（圖1a）［21-22］。

圖1

圖1   東營(yíng)凹陷構(gòu)造地質(zhì)簡(jiǎn)圖和地層綜合柱狀圖［21-25］

a.東營(yíng)凹陷構(gòu)造帶示意圖； b.古近系綜合柱狀圖

Fig.1   Geological sketch and composite stratigraphic column of the Dongying Sag ［21-25］

東營(yíng)凹陷內(nèi)發(fā)育3個(gè)正向構(gòu)造帶（北部陡坡帶、中央背斜帶和南部緩坡帶）和4個(gè)負(fù)向構(gòu)造帶（利津洼陷、牛莊洼陷、博興洼陷和民豐洼陷），凹陷東西長(zhǎng)約90 km，南北寬約65 km，總面積約5 700 km2。古近系沙河街組四段上亞段為半深湖-深湖沉積，形成了大套細(xì)粒沉積，主要巖性為泥質(zhì)灰?guī)r、灰質(zhì)泥巖和泥巖等（圖1b）［23-26］。該段地層完整地記錄了湖泊環(huán)境和氣候變化的信息，是開展米氏旋回分析的理想載體。

2 米氏旋回識(shí)別

本次米氏旋回研究的總體思路為運(yùn)用數(shù)學(xué)方法（頻譜分析、小波變換、功率譜估計(jì)和濾波分析）分析時(shí)間序列（自然伽馬測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)）中蘊(yùn)含的周期性旋回信息，再通過米氏周期計(jì)算時(shí)間跨度，并進(jìn)一步計(jì)算出沉積速率。頻譜分析是將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換至頻域信號(hào)進(jìn)而對(duì)周期性現(xiàn)象進(jìn)行分析，主要用來初步判斷測(cè)井信號(hào)中的優(yōu)勢(shì)頻率成分是否受軌道周期的影響；再通過小波變換進(jìn)一步分析這些頻率信息是否受某一具體軌道周期的驅(qū)動(dòng)，識(shí)別地層中保留的米氏旋回類型；最后通過功率譜估計(jì)準(zhǔn)確讀取優(yōu)勢(shì)旋回對(duì)應(yīng)的尺度值，得出不同尺度下的功率譜，進(jìn)而提取不同級(jí)別的旋回。運(yùn)用這些方法能夠提取與地球軌道參數(shù)相關(guān)的地層響應(yīng)信息，進(jìn)而能夠確定百萬年及以下級(jí)別的地層年代［27-30］。

2.1 古近紀(jì)地球軌道要素理論周期及特征

米蘭科維奇理論是描述天文因素變化導(dǎo)致地球軌道三要素（偏心率、地軸傾斜度和歲差）周期性變化的方法［31］，而地球軌道參數(shù)的變化是迄今為止地質(zhì)尺度上唯一可以精確定量計(jì)算的周期現(xiàn)象，可以用作地質(zhì)計(jì)時(shí)標(biāo)尺［32］。前人運(yùn)用La 2004方案計(jì)算了北緯38°附近50～30 Ma期間的偏心率、斜率與歲差變化的理論值［33］，采樣間隔為l kyr。據(jù)此計(jì)算出濟(jì)陽坳陷50～30 Ma期間的偏心率、斜率和歲差周期之間比例關(guān)系（表1）。天體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的固定性使得各級(jí)天文周期之間的比例關(guān)系相對(duì)穩(wěn)定，因此，在穩(wěn)定的沉積環(huán)境中各級(jí)旋回厚度比值與相應(yīng)軌道周期之間的比值是對(duì)應(yīng)的，故可將這些比例關(guān)系作為米氏旋回識(shí)別的依據(jù)。

表1   50～30 Ma地球軌道參數(shù)周期及其比值關(guān)系

Table 1  Plot showing the earth orbital parameter periodicities in the past 50 to 30 Ma and their ratios

注：周期比值來源于參考文獻(xiàn)［33］。

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2.2 米氏旋回分析

2.2.1 頻譜分析

本文借助了Matlab提供的一維連續(xù)小波工具箱，對(duì)樊頁1井Es4scs（深度為3 251~3 441 m）自然伽馬測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)開展消噪和去趨勢(shì)化的預(yù)處理。

運(yùn)用Past 3.0統(tǒng)計(jì)分析軟件，選擇Spectral analysis模塊中的REDFIT程序，對(duì)預(yù)處理后的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)開展頻譜分析［28］，從而得出自然伽馬測(cè)井信號(hào)頻譜分析圖（圖2）。提取圖中的優(yōu)勢(shì)頻率成分，運(yùn)用頻率與其對(duì)應(yīng)的周期旋回厚度呈倒數(shù)關(guān)系求出相應(yīng)的地層厚度，再通過地層記錄中的米蘭科維奇性質(zhì)判斷所研究地層是否存在受軌道周期驅(qū)動(dòng)的沉積旋回。

圖2

圖2   東營(yíng)凹陷樊頁1井Es4scsGR曲線Redfit頻譜分析

Fig.2   Redfit spectral analysis of GR curves of Es4scs in Well Fanye 1 in the Dongying Sag

樊頁1井Es4scs自然伽馬測(cè)井曲線的頻譜分析結(jié)果表明，研究層段具有明顯的周期性，優(yōu)勢(shì)頻率0.031 574，0.107 350，0.246 270，0.315 740，0.606 210和0.681 990 m-1所對(duì)應(yīng)的主要旋回厚度分別為31.672，9.315，4.061，3.167，1.650和1.466 m（圖2），其旋回厚度（m）之間的比值為31.672∶9.315∶4.061∶3.167∶1.650∶1.466=21.600∶6.353∶2.769∶2.160∶1.125∶1，該比值與古近紀(jì)米氏旋回理論軌道周期（kyr）之間的比例405.00∶124.22∶51.68∶39.76∶220∶18.82十分接近，即31.672 m和9.315 m的旋回厚度分別對(duì)應(yīng)405.00 kyr偏心率長(zhǎng)周期（E1）和124.22 kyr偏心率短周期（E2），4.061 m和3.167 m的旋回厚度對(duì)應(yīng)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的旋回厚度對(duì)應(yīng)22.00 kyr歲差周期（P1）和18.82 kyr歲差周期（P2）。因此，樊頁1井Es4scs極有可能受米氏旋回控制。

2.2.2 小波變換

由于軌道信號(hào)進(jìn)入沉積系統(tǒng)并不是一個(gè)線性過程，可能伴隨很多其他雜信號(hào)，因此通過頻譜分析不能完全判斷研究層段是否存在明顯的米氏旋回，還需要進(jìn)一步對(duì)其進(jìn)行小波分析來判斷，小波分析能夠識(shí)別出測(cè)井曲線中不同頻率的曲線旋回［34-35］。本次運(yùn)用Matlab提供的一維連續(xù)小波工具箱中的Morlet小波作為子波對(duì)研究層段的自然伽馬測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)信號(hào)開展小波分析。圖3a—d為樊頁1井Es4scs自然伽馬測(cè)井信號(hào)小波時(shí)頻能譜圖，從圖中可以看出，不同成分的頻率被分解到不同的尺度范圍上，高頻成分對(duì)應(yīng)于小尺度值，低頻成分則對(duì)應(yīng)大尺度值，總的來說不同成分的頻率對(duì)應(yīng)于某幾個(gè)特定的尺度值，即說明頻率的成分相對(duì)單一穩(wěn)定，進(jìn)一步證實(shí)了研究層段受明顯的米氏旋回控制。

圖3

圖3   東營(yíng)凹陷樊頁1井Es4scs一維連續(xù)小波處理結(jié)果（尺度值=256）

Fig.3   Results of one?dimensional continuous wavelet transform for Es4scs in Well Fanye 1 in the Dongying Sag （scale value： 256）

2.2.3 功率譜估計(jì)

為了進(jìn)一步判斷這些相對(duì)單一穩(wěn)定的頻率成分是否受某一具體軌道周期控制，在小波分析的基礎(chǔ)上開展功率譜估計(jì)，將不同尺度的能譜值累加做出相應(yīng)的模極值圖。在Office Excel表格中自行定義公式y=｛SUM［ABS（1∶n）］｝/n，式中n為第n列處的數(shù)據(jù)值，運(yùn)用公式得出3個(gè)明顯的模極大值點(diǎn)，其對(duì)應(yīng)的小波尺度值分別為30，51和163，其中，尺度值163和51的比值3.20與E1和E2的比值3.26非常相近。結(jié)合頻譜分析結(jié)果，可以確定該套地層受明顯的偏心率周期的控制，即尺度值163和51所對(duì)應(yīng)的優(yōu)勢(shì)頻率分別受E2和E1的驅(qū)動(dòng)。故兩個(gè)尺度值所對(duì)應(yīng)的小波曲線可理解為E1和E2的旋回曲線，用以代表研究層段地層的周期旋回曲線。通過旋回曲線圖（圖4）可以得到研究層段保存的E1和E2旋回個(gè)數(shù)分別為6個(gè)和22個(gè)，兩者比值3.67∶1也與405.00 kyr∶124.22 kyr比值3.26∶1相近，進(jìn)一步證實(shí)了研究層段主要受E1和E2的驅(qū)動(dòng)，同時(shí)也受到O2和P1的控制。

圖4

圖4   東營(yíng)凹陷樊頁1井Es4scs米氏旋回地層格架

Fig.4   Milankovitch cyclic stratigraphic framework of Es4scs in Well Fanye 1 in the Dongying Sag

2.2.4 米氏旋回周期

根據(jù)頻譜分析、小波變換和功率譜估計(jì)的結(jié)果，樊頁1井Es4scs的沉積過程受E1，E2，O2和P1的控制。對(duì)頻譜分析結(jié)果中的不同主峰進(jìn)行帶通濾波處理，濾掉時(shí)間序列中與米氏旋回?zé)o關(guān)的高頻和低頻信息，提取與偏心率、斜率和歲差相關(guān)的天文軌道信號(hào)［36］。本次通過帶通濾波，將主要峰值頻率信息提取出來，用于建立不同級(jí)別的地層格架，同時(shí)獲得全井段受不同軌道周期控制的地層沉積時(shí)間，用于地層沉積速率的計(jì)算。根據(jù)濾波結(jié)果，研究得出樊頁1井Es4scs發(fā)育約6個(gè)E1，22個(gè)E2，65個(gè)O2及110個(gè)P1（圖4）。

3 “浮動(dòng)”天文年代標(biāo)尺的建立

利用Laskar關(guān)于地球軌道參數(shù)解的研究成果生成地球軌道要素的理論曲線［33］，將主峰值的濾波分析結(jié)果與理論曲線進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)E2濾波曲線與理論偏心率曲線的頻率相似，且兩者具有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。因此，本次采用旋回信號(hào)明顯的E2建立東營(yíng)凹陷樊頁1井Es4scs的“浮動(dòng)”天文年代標(biāo)尺。以理論偏心率周期曲線為目標(biāo)曲線，以從自然伽馬測(cè)井曲線中提取的E2濾波曲線為調(diào)諧曲線，結(jié)合前人依據(jù)古地磁和火山巖同位素測(cè)年確定的沙四上亞段頂部的絕對(duì)年齡42 Ma［37-41］，在時(shí)間點(diǎn)42 Ma的控制下，利用每?jī)蓷l調(diào)節(jié)線之間的E2，最終劃分出22個(gè)周期，以沙四上亞段頂部年齡開始向下計(jì)算，計(jì)算得出每個(gè)周期界面的地層年齡值，建立了樊頁1井Es4scs的“浮動(dòng)”天文年代標(biāo)尺（圖4）。研究層段共記錄了22個(gè)E2，由此計(jì)算得出樊頁1井Es4scs的沉積時(shí)間大致為2.73 Myr，與古地磁、火山巖同位素測(cè)定和地層對(duì)比得到的沙四上亞段（包括純上次亞段和純下次亞段）持續(xù)時(shí)間3.00 Myr是相對(duì)匹配的，亦即沙四上亞段底部的火山巖同位素年齡為45 Ma［38-39，42］，表明本次研究識(shí)別出的米氏旋回是準(zhǔn)確可靠的，據(jù)此進(jìn)一步得出沙四上亞段純上次亞段底部的絕對(duì)地質(zhì)年齡為44.73 Ma。

本次研究實(shí)現(xiàn)了湖相細(xì)粒沉積地層米蘭科維奇周期的識(shí)別，為地層精細(xì)劃分和對(duì)比提供了一種有效的手段，并建立了樊頁1井Es4scs的地質(zhì)年代浮動(dòng)標(biāo)尺。該天文標(biāo)尺的建立可用于精確估計(jì)樊頁1井Es4scs中每一深度位置的地質(zhì)年齡，而絕對(duì)年齡可以為旋回地層學(xué)研究提供初始年代約束，同時(shí)能夠檢驗(yàn)其合理性［42］。在年代標(biāo)尺建立的基礎(chǔ)上研究了沉積速率的垂向變化，運(yùn)用E2相鄰波峰間地層厚度與沉積持續(xù)時(shí)間（沙四上亞段純上次亞段-124.22 kyr），計(jì)算得出樊頁1井Es4scs的平均沉積速率為0.069 m/kyr（圖4）。

為了使研究結(jié)果更加可信，在識(shí)別樊頁1井沙四上亞段純上次亞段天文旋回的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析了樊頁1井沙三下亞段及牛頁1井沙四上亞段純上次亞段存在的米氏旋回，其中，樊頁1井沙三下亞段共識(shí)別出16個(gè)124.22 kyr偏心率短周期和4.5個(gè)405.00 kyr偏心率長(zhǎng)周期，由此進(jìn)一步計(jì)算出沉積時(shí)間大致為1.905 Myr，平均沉積速率可估算為0.105 m/kyr［27］；綜合牛頁1井沙四上亞段純上次亞段自然伽馬測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)、深度、巖性、尺度值以及小波能譜圖，繪制該井的旋回地層格架圖（圖5）。由圖可知，沙四上亞段純上次亞段地層保存明顯的偏心率、斜率和歲差周期，研究層段識(shí)別出約5.7個(gè)405.00 kyr長(zhǎng)偏心率周期、24個(gè)95.24 kyr短偏心率周期、53個(gè)39.76 kyr斜率周期和110.5個(gè)18.82 kyr歲差周期，該段地層厚度為151 m（深度3 316～3 467 m），由此計(jì)算出牛頁1井沙四上亞段純上次亞段的沉積時(shí)間大致為2.195 Myr，平均沉積速率估算為0.069 m/kyr。

圖5

圖5   東營(yíng)凹陷牛頁1井Es4scs米氏旋回地層格架

Fig.5   Milankovitch cyclic stratigraphic framework of Es4scs in Well Niuye 1 in the Dongying Sag

4 軌道周期的環(huán)境響應(yīng)特征

天體行星影響地球繞太陽公轉(zhuǎn)和其自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，即太陽系中地球與太陽、月亮和其他行星之間的萬有引力作用導(dǎo)致地球繞太陽的公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和地球的自轉(zhuǎn)軸發(fā)生（準(zhǔn)）周期性的攝動(dòng)，表現(xiàn)為地球軌道參數(shù)偏心率、斜率和歲差發(fā)生近似周期性的變化［43］。由天文軌道控制的日-地距離和地軸的傾斜度影響了地球表面接收日照量的強(qiáng)度，并引起氣候的周期性變化，這些變化在地層中以巖性、地球物理和地球化學(xué)參數(shù)的旋回性表現(xiàn)出來［44-46］。因此，可通過反映沉積環(huán)境特征的有機(jī)質(zhì)豐度及元素地球化學(xué)指標(biāo)探究軌道周期的環(huán)境響應(yīng)特征。

研究數(shù)據(jù)采用中國(guó)石化勝利油田勘探開發(fā)研究院測(cè)試的間距約0.1 m的元素地球化學(xué)分析數(shù)據(jù)1 894個(gè)（深度3 251.67～3 440.97 m），這種連續(xù)的數(shù)據(jù)既保證了數(shù)據(jù)的有效性又可作為最優(yōu)替代性指標(biāo)開展時(shí)頻分析。有機(jī)質(zhì)豐度指標(biāo)主要包括總有機(jī)碳含量（TOC）和生烴潛量（S1+S2），數(shù)據(jù)同樣來源于中國(guó)石化勝利油田勘探開發(fā)研究院測(cè)試的187個(gè)TOC和S1+S2數(shù)據(jù)，測(cè)試間隔約為1 m（深度3 251.67～3 440.58 m），每個(gè)旋回內(nèi)基本能測(cè)試兩個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，滿足了替代性指標(biāo)時(shí)頻分析的最低數(shù)據(jù)間隔標(biāo)準(zhǔn)，這樣既不會(huì)造成不必要的時(shí)間和資金浪費(fèi)，也可以保證獲得真實(shí)的旋回信息。

4.1 有機(jī)質(zhì)豐度的軌道周期響應(yīng)

氣候變化導(dǎo)致沉積環(huán)境的不同往往直接影響了有機(jī)化合物的聚集與保存，并在TOC指標(biāo)上呈高低起伏的變化特征，因此，天文軌道周期的變動(dòng)往往記錄在了TOC和S1+S2等指示有機(jī)質(zhì)豐度指標(biāo)的變化中。本次研究首次在研究區(qū)探索性地運(yùn)用有機(jī)質(zhì)豐度指標(biāo)來探討有機(jī)質(zhì)對(duì)軌道周期的響應(yīng)特征，以TOC和S1+S2作為有機(jī)質(zhì)豐度指標(biāo)參數(shù)對(duì)其開展米氏旋回研究，探索軌道周期與有機(jī)碳含量和生烴潛量的響應(yīng)關(guān)系。

樊頁1井Es4scs泥頁巖的有機(jī)碳含量普遍較高，TOC平均值在2.0 %以上。將該層段有機(jī)碳含量數(shù)據(jù)繪制成TOC頻率分布直方圖（圖6），TOC占比最大的區(qū)間分布在1 %～2 %和2 %～3 %，比例分別達(dá)到了43.8 %和40.0 %，而含量大于3.0 %的比例為10.8 %，僅有5.4 %的TOC小于1.0 %。同時(shí)，根據(jù)陸相烴源巖評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（SY/T5735—1995），結(jié)合有機(jī)質(zhì)豐度評(píng)價(jià)的主要指標(biāo)S1+S2，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)泥頁巖的有機(jī)質(zhì)豐度較高，主要落于好-最好區(qū)間（圖7），表明在樊頁1井Es4scs沉積時(shí)期，TOC高（介于1 %～2 %），有機(jī)質(zhì)聚集較為集中。

圖6

圖6   東營(yíng)凹陷樊頁1井Es4scsTOC分布

Fig.6   Histogram showing TOC contents of Es4scs in Well Fanye 1 in the Dongying Sag

圖7

圖7   東營(yíng)凹陷樊頁1井Es4scs有機(jī)質(zhì)豐度分析判別圖（據(jù)SY/T 5735—1995標(biāo)準(zhǔn)）

Fig.7   Organic matter abundance chart of Es4scs in Well Fanye 1 in the Dongying Sag （according to SY/T 5735-1995）

據(jù)TOC測(cè)試數(shù)據(jù)，中、下部地層（E1中的2—3旋回、E2中的5—12旋回、P1中的20—60旋回）的TOC高且達(dá)到峰值，向上變化趨于平穩(wěn)。對(duì)比TOC旋回分析曲線與偏心率周期變化曲線，可見偏心率周期在研究層段的中、下部地層幅值幅度變化較大，而向上周期曲線變化平緩，說明偏心率周期振幅變化趨勢(shì)與TOC變化趨勢(shì)具有一致性，即偏心率較高時(shí)期沉積層段的平均TOC也相對(duì)較高，這主要是由于偏心率增大時(shí)地球上接收的日照量增大，氣候變得暖濕，物源供給充足，生物有機(jī)質(zhì)豐富，該時(shí)期有利于發(fā)育細(xì)粒且富有機(jī)質(zhì)的沉積地層［47-49］，故偏心率值較高時(shí)期沉積層段是潛在頁巖油氣的有利儲(chǔ)集層段。

以上研究可知，研究層段的米氏旋回研究成果與TOC在地層中的縱向分布具有一定的相關(guān)關(guān)系。為了進(jìn)一步確定這種相關(guān)關(guān)系是否受到天文軌道周期的控制，探索其沉積記錄中蘊(yùn)含的天文軌道周期信號(hào)，本文選取TOC和S1+S2數(shù)據(jù)作為原始數(shù)據(jù)，運(yùn)用Past 3.0統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)數(shù)據(jù)開展頻譜分析。結(jié)果表明，研究層段的TOC和S1+S2數(shù)據(jù)顯示出明顯的周期性（表2；圖8a—d），即TOC和S1+S2頻譜分析得到的優(yōu)勢(shì)旋回厚度比值與測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)得出的結(jié)果一致，表明研究層段的沉積記錄中蘊(yùn)含著軌道周期信息，且主要受控于偏心率周期，也進(jìn)一步證實(shí)了地球軌道參數(shù)的周期變化影響了有機(jī)質(zhì)豐度的變化。

表2   東營(yíng)凹陷樊頁1井Es4scsTOC，S1+S2及微量元素頻譜分析旋回厚度比值與理論軌道周期比值對(duì)比

Table 2  Cycle thickness ratios from spectrum analysis of TOC， S1+S2 and trace elements， and theoretical orbital periodicity ratios of Es4scs in Well Fanye 1 in the Dongying Sag

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圖8

圖8   東營(yíng)凹陷樊頁1井Es4scs地層TOC，S1+S2及微量元素頻譜分析

E1.405 kyr偏心率長(zhǎng)周期； E2.124.22 kyr偏心率短周期

Fig.8   Spectrum analysis of TOC， S1+S2 and trace elements of Es4scs in Well Fanye 1 in the Dongying Sag

a.TOC； b.S1+S2； c.V/（V+Ni）； d.Ni/Co

4.2 古氧化-還原性的軌道周期響應(yīng)

有機(jī)質(zhì)的富集和保存受古氧化-還原環(huán)境的影響，而有機(jī)質(zhì)在不同的環(huán)境下經(jīng)受著消耗和堆積的循環(huán)變化，為研究這種變化的驅(qū)動(dòng)力是否來自軌道周期，本次研究首次在研究區(qū)探索性地運(yùn)用表征古氧化-還原性指標(biāo)探討軌道周期的響應(yīng)特征，即選取兩組微量元素比值V/（V+Ni）和Ni/Co作為替代性指標(biāo)來分析目的層段古氧化-還原環(huán)境的變化規(guī)律，并探討其軌道周期的響應(yīng)特征。

前人研究表明［50-53］，當(dāng)V/（V+Ni）大于0.60時(shí)，主要為缺氧的還原環(huán)境，當(dāng)0.46<V/（V+Ni）<0.60時(shí)，認(rèn)為是貧氧環(huán)境，當(dāng)V/（V+Ni）<0.46時(shí)，表示為富養(yǎng)環(huán)境；Ni/Co<5時(shí)，表明是氧化環(huán)境，當(dāng)5<Ni/Co<7時(shí)，表示為貧氧環(huán)境，當(dāng)Ni/Co>7時(shí)，顯示為缺氧環(huán)境。從微量元素測(cè)試分析結(jié)果可知，研究層段V/（V+Ni）值介于0.24～1.00，均值為0.82，Ni/Co值介于0.01～18.35。為了使微量元素比值對(duì)環(huán)境的指示作用更為直觀，利用有機(jī)碳含量和兩種微量元素含量比值建立關(guān)系圖版，繪制出古氧化-還原條件判別圖（圖9），從圖中可以看出，樣品點(diǎn)多落于貧氧的區(qū)域。因此，研究層段整體為缺氧的還原環(huán)境，有機(jī)質(zhì)含量高的層段多為缺氧的沉積環(huán)境。

圖9

圖9   東營(yíng)凹陷樊頁1井Es4scs微量元素氧化-還原條件判識(shí)圖版

a.TOC-V/（V+Ni）； b.TOC-Ni/Co

Fig.9   Identification of redox conditions by trace elements of Es4scs in Well Fanye 1 in the Dongying Sag

為探究軌道周期對(duì)古氧化-還原環(huán)境的控制作用，在研究區(qū)探索性地運(yùn)用兩組微量元素比值V/（V+Ni）和Ni/Co作為原始數(shù)據(jù)開展頻譜分析（圖8）。分析結(jié)果顯示，兩組數(shù)據(jù)中均識(shí)別出明顯的米氏旋回周期（表2），主要峰值的旋回厚度均為31.33 m和9.40 m，其旋回厚度比值為3.33∶1，該比值與理論軌道周期405 kyr∶124.22 kyr=3.26∶1比值很接近，因此，V/（V+Ni）和Ni/Co的主要峰值均被認(rèn)為是由E1和E2引起的。通過分析可知，旋回厚度31.33 m對(duì)應(yīng)E1，9.40 m對(duì)應(yīng)E2。頻譜分析結(jié)果表明，兩組微量元素均顯示出一致的規(guī)律性和相似的天文周期比值，該比值與測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)得出的結(jié)果一致，從而可知微量元素比值的周期性記錄反應(yīng)了目的層段古氧化-還原環(huán)境的變化受到天文軌道周期的影響。

通過分析偏心率周期的變化可知，暖濕氣候有利于生物大量繁殖，即偏心率值較高的層段平均TOC相對(duì)較高，對(duì)氣候環(huán)境較敏感的方解石相對(duì)含量是古環(huán)境信息的重要來源，氣候偏干旱時(shí)水體蒸發(fā)作用較強(qiáng)，碳酸鹽礦物（主要為方解石）含量較高，相反，當(dāng)氣候相對(duì)濕潤(rùn)時(shí)碳酸鹽礦物含量較低，因此可知方解石含量與偏心率值呈負(fù)相關(guān)性。上述指標(biāo)的變化進(jìn)一步說明了偏心率增大時(shí)氣候會(huì)向暖濕轉(zhuǎn)變，且隨著偏心率增高，TOC也增高。

綜上所述，偏心率周期通過控制TOC、礦物含量及各種表征沉積環(huán)境介質(zhì)條件的指標(biāo)而對(duì)環(huán)境產(chǎn)生影響。有機(jī)質(zhì)含量高的層段多處于缺氧的還原環(huán)境，這主要是由于在缺氧的環(huán)境中，有機(jī)質(zhì)不會(huì)因與氧氣接觸而發(fā)生降解反應(yīng)，而會(huì)因缺氧被保存下來。同時(shí)，偏心率周期振幅幅度的變化對(duì)有機(jī)質(zhì)豐度變化有影響，當(dāng)偏心率振幅幅度較大且處于最大值時(shí)期，TOC的振幅和數(shù)值也相應(yīng)增大，進(jìn)一步說明偏心率周期振幅變化趨勢(shì)與TOC變化趨勢(shì)具有一致性，即偏心率較高時(shí)期沉積層段的平均TOC也相對(duì)較高。這主要是由于偏心率增大時(shí)地球上界接收的日照量增大，季節(jié)性增強(qiáng)［47，54］，氣候變得暖濕，陸源碎屑輸入使得物源供給充足，大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)提高了湖泊的生產(chǎn)力，水體較深且水體偏還原環(huán)境，從而使有機(jī)質(zhì)含量升高，該時(shí)期有利于發(fā)育細(xì)粒且富有機(jī)質(zhì)的沉積地層，故偏心率值較高時(shí)期沉積層段是潛在頁巖油氣的有利儲(chǔ)集層段。

5 結(jié)論

1） 樊頁1井Es4scs地層自然伽馬測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)頻譜分析和小波變換分析結(jié)果表明，米氏旋回驅(qū)動(dòng)控制了東營(yíng)凹陷古近紀(jì)的沉積周期。米氏旋回的自然伽馬測(cè)井識(shí)別，為渤海灣盆地古近系沙河街組湖相細(xì)粒沉積地層的高精度等時(shí)旋回地層的劃分與對(duì)比提供了參考。

2） 研究層段共識(shí)別出約6個(gè)E1，22個(gè)E2，65個(gè)O2和110個(gè)P1，建立了樊頁1井Es4scs的“浮動(dòng)”天文年代標(biāo)尺，計(jì)算得出了樊頁1井Es4scs的沉積時(shí)間大致為2.73 Myr，平均沉積速率估算為0.069 m/kyr。米氏旋回的識(shí)別解決了細(xì)粒沉積地層的精細(xì)劃分和等時(shí)對(duì)比的難題，對(duì)于頁巖油氣勘探具有重要的地質(zhì)意義。

3） 地球軌道參數(shù)周期的變化在一定程度上影響了有機(jī)質(zhì)豐度及古氧化-還原性的變化。當(dāng)偏心率振幅較大且處于最大值時(shí)期，地球整體接受日照量多，為間冰期，氣候暖濕，有利于有機(jī)質(zhì)的聚集和保存，易于形成缺氧的富有機(jī)質(zhì)沉積地層。因此，偏心率值較高的暖濕氣候背景下發(fā)育的富有機(jī)質(zhì)沉積地層，是潛在的頁巖油氣勘探的有利層段。