地球物理与地球化学方法在陆相层序识别中的应用——以新生代敦化盆地为例

韩娇艳，胡菲



地球物理与地球化学方法在陆相层序识别中的应用——以新生代敦化盆地为例

韩娇艳1，胡菲2

（1.中石化东北油气分公司勘探开发研究院，长春 130062；2.吉林大学地球科学学院，长春 130061）

层序地层单元的识别是层序地层学研究的基础，通常对于不同级别层序地层单元的识别要依据不同的资料和手段，不同的研究方法在划分不同级别的层序上各具优势。当传统的层序识别手段（岩心、测井、地震）遇到困难时，就需要运用地球物理特殊处理和地球化学的方法来辅助层序的识别。在敦化盆地地震资料品质差、测井和岩心资料相对缺乏的条件下，本文在地球物理方法上应用小波变换、“门槛值特殊处理”的瞬时相位剖面来辅助三级层序和体系域的识别，在地球化学方法上应用有机碳（TOC）、微量元素、稀土元素的方法来辅助三级层序、体系域和准层序的识别，从而弥补了传统的单一方法识别层序产生的不足。

层序识别; 敦化盆地; 地球物理; 地球化学

层序地层学是分析基准面变化的沉积响应、研究可容纳空间（充填沉积物的空间）与沉积作用相互影响及其引起的沉积趋势变化的一门学科（Catuneanu O，2006）[1]。其经典理论起源于对被动大陆边缘海相地层的研究，后经国内外学者多年发展和完善逐渐推广到陆相地层研究之中。层序地层单元的识别是层序地层学研究的基础，对于不同级别层序地层单元的识别要依据不同的资料和手段。在陆相层序识别中，前人已应用相应的方法对不同级别的层序识别作了大量的研究。

图1 敦化盆地地理位置图

Harder H B（1970）和Couch E L（1971）强调，在一个层序地层单元形成过程中，在古气候驱动下的湖平面变化旋回中，沉积岩中的地球化学元素会发生周期性变化，从而拉开了应用地球化学元素进行层序划分的序幕，从而引起了学者们的热潮，在前人研究的基础上，Peters（2000）与Bohacs（2000）先后提出了层序地球化学概念，Peters（2000）在研究印度尼西亚Mahakam 三角洲时，充分利用有机碳等化学数据建立了Mahakam地区新的层序地层模式[2]。同时国内学者也相继应用地球化学方法对层序进行了识别与划分[4-9]，并取得了较好的效果[3-9]，而田景春等[10]总结了地球化学标志与体系域变化的关系[10]。

对于地球物理方法，前人应用较多的是应用瞬时相位和小波变换来进行层序划分，朱建伟等（2001）通过对比杏山66测线瞬时相位剖面和其相应的解释剖面中的层序发现，层序界面及层序内部体系域之间的接触关系都十分清晰，取得了较好的效果[11]，李勤学等[12]应用瞬时相位特殊处理，在徐家围子地区的层序划分中也取得了较好的效果[12]。小波变换是通过时频窗来对原信号进行分析的（陈桂明等，2000），小波变换用来划分层序的方法已日趋成熟，不同的学者分别在各自的领域取得了较好的成果[13-16]。

1 区域地质概况

敦化盆地位于敦密断裂带中段，地理上位于吉林省延边地区敦化市境内，北邻宁安盆地，南接桦甸盆地，盆地整体呈北东向展布，面积4 400 km2（图1）。目前仍处于勘探的初级阶段，前人研究表明其具有一定的油气资源潜力[17-21]，且中-新生代地层为主要的目的层，其油气勘探前景备受关注。

敦化盆地经历过拉张、走滑等多种应力作用，盆地性质、构造与沉积充填特征较复杂，油气分布规律不明确。因此，本文开展盆地的层序地层学研究，这将为后期的沉积特征、构造特征以及生储盖等特征研究都会起到铺垫的作用，同时，也将为未来在敦化盆地的油气勘探决策提供科学的依据。

敦化盆地地层自下而上依次发育古生界泥盆系和二叠系、中生界侏罗系和白垩系、新生界古近系、新近系以及第四系。其中中生界主要包括侏罗系托盘沟组（J1-2），下白垩统屯田营组（K1）、西山坪组（K1）、长财组（K1）、泉水村组（K1）和大砬子组（K1）；新生界为研究目的层，主要包括古近系珲春组（E2-3），新近系土门子组（N1）和船底山组玄武岩，第四系主要发育火山喷发玄武岩。

2 地球物理方法识别

地球物理方法近年来已经成为层序识别的一种有效手段，尤其是当盆地内钻井和测井资料有限时，更需要应用地球物理的方法来进行层序的辅助识别，本次在敦化盆地新生界层序地层研究中主要采用了小波变换和通过“门槛值特殊处理”的三瞬剖面来对层序界面进行辅助识别。层序的划分采用刘招君等[15，26]提出的四分体系域观点[22]，即一个三级层序包括低水位体系域（LST）、水进体系域（TST）、高水位体系域（HST）和水退体系域（RST）。

2.1 小波变换

刘招君等（2002）根据进积型、退积型和加积型的准层序的叠加方式，设计了不同类型的准层序组的声波时差曲线（图2）。通过小波变换得到了其小尺度时频谱特征，从频谱特征分布可以看出，对于进积型准层序组，振幅能量由深至浅有加大趋势，加积型准层序组振幅能量基本保持不变，而退积型准层序组，振幅能量由深至浅有减小加大趋势，这表明不同类型的准层序组其小波变换频谱特征是有区别的，这就为利用小波变换频谱特征研究层序、体系域的划分和内部叠加方式提供了有效的手段。

图2 不同类型准层序时频谱特征

（a）进积型；（b）退积型；（c）加积型（据刘招君等，2002）

根据不同类型准层序的时频谱特征，对敦化盆地的体系域进行了识别（图3）。从图中可以看出，单从自然GR曲线上很难发现层序的旋回特征，但是通过小波变换之后，可以明显看出敦化盆地新生代地层在小波变化频谱图上明显表现为6个完整的旋回，从而将新生代地层分为6个三级层序。其中古近系珲春组发育4个三级层序，新近系土门子组发育2个三级层序。而在层序划分的基础上，进一步进行了更大精度的小波变换，从而对体系域进行了识别。从图中可以看出，低水位体系域（LST）在时频谱上由进积型准层序组组成，能量谱向上有变大的趋势，水进体系域（TST）在时频谱上由退积型准层序组组成，能量谱向上有变小的趋势；高水位体系域（HST）在时频谱上由加积型准层序组组成，能量谱几乎保持不变；而水退体系域（RST）在时频谱上由进积型准层序组组成，能量谱向上有明显变大的趋势。

2.2 “门槛值特殊处理”的三瞬剖面

由于敦化盆地地震资料品质的限制，有时需要对地震剖面进行特殊处理，这是用于层序划分的一种有效辅助方法。瞬时相位模块应用普遍，其效果往往取决于地震剖面的质量，由于敦化盆地地震品质差，将瞬时相位技术直接应用得到的效果并不理想，因此，将瞬时相位处理剖面作全新的输入，进行“门槛值特殊处理”，即给属性剖面赋予一个门槛值k，k之上数值经振幅加强，k之下数值全部为零。k值通过反复的试验进行确定，通过处理后的剖面背景干净，使得剖面上反射结构、几何特征更为清晰，从而能够对层序界面和体系域特征进行更好的识别，取得了较好的效果（图4）。

图3 敦化盆地敦参1井层序与体系域小波变换识别特征

从图中可以看出，在原始地震剖面上，地震反射结构特征并不明显，经过地球物理特殊处理之后，地震反射特征变的更加清楚。每个层序发育4个体系域，每个体系域识别特征明显，在层序界面之下发育削截现象，界面之上发育上超点，第一个上超点对应于首次湖泛面，限定了低水位体系域（LST）的范围；最长最连续的轴为最大湖泛面（mfs），对应了最大湖泛时期，其与首次湖泛面之间为水进体系域（TST），水进体系域在湖盆边缘上超于层序界面之上；最大湖泛面与下超面之间为高水位体系域（HST），表现为连续的反射轴；水退体系域（RST）发育明显的前积现象，在地震反射结构上表现为下超。除此之外，还可以在体系域内识别出一些特殊的地震反射形态，如在水进体系域（TST）和水退体系域（RST）之内识别出透镜体，这将为沉积体系分析以及相模式的建立提供有利的证据。

3 地球化学方法识别

层序是基准面变化的产物，而基准面的变化往往会影响地球化学元素和有机碳含量在沉积物中的富集程度，因此，我们可以应用沉积物中地球化学元素和有机碳含量变化特征来进行层序的划分。

3.1 微量元素与稀土元素与层序划分

敦化盆地岩性发育主要为大套砂岩层或砂泥岩互层，泥岩颜色变化不明显，而且缺乏测井曲线资料，单纯的从单井上很难进行层序地层单元的划分。因此研究中借助了地球化学手段，在微量元素中，主要选取了V、Ni和Sr/Ba，稀土元素主要选取了∑REE和∑LREE来进行层序和体系域的划分（图5）。从图中可以看出，在敦化1井Sq4各体系域中，微量元素与稀土元素富集规律与基准面变化成较好的对应关系，随着基准面的升降，4个体系域表现出不同的微量元素和稀土元素特征：在LST时期，各元素含量较低，在TST时期含量增高，在HST时期达到最高，而RST时期降低。

图5 敦化1井Sq4不同体系域稀土元素和微量元素变化特点

在以上分析的基础上，进一步总结出了在层序四分体系域格架内不同体系域与地球化学标志的对应关系（图6），在LST时期，各元素含量较低，在TST时期含量增高，在HST时期达到最高，而RST时期降低。

图6 不同体系域稀土元素、微量元素变化特点

3.2 有机碳（TOC）与层序划分

Creaney和Passey（1990，1993）详细研究了海相烃源岩TOC含量随体系域变化的特征：在最大海泛面之上，由于高水位体系域的进积作用，沉积物被稀释，有机碳含量降低；在该海泛面之下，由于前一个水进体系域有较高的沉积速率，TOC也降低，并指出可以应用TOC来进行层序划分。Peters等（2000）总结的层序地球化学模型中强调了TOC与层序的关系，在LST时TOC低，形成差烃源岩，TST时TOC含量加大，形成好烃源岩，到Mfs时TOC达到最大，HST时TOC含量又降低。近年来，应用TOC的变化对深水泥岩段进行层序地层的划分取得了较大的成果（杨玉峰等，2003；陈建平等，2005；刘招君等，2011）[24-26]，但同时，在岩性识别特征不明显的条件下，我们也可以应用TOC来对层序进行辅助识别。

在敦化盆地，TOC在准层序划分上具有明显的识别特征，每个TOC 单元代表着一次水深变化过程，而TOC单元的底部突变恰代表了水体突然变深的过程，与准层序界面的水体变化十分相似。底部突变的TOC单元的底部对应的界面应该为一个准层序的界面，而一个单一的TOC单元就应该对应于一个准层序，每一个准层序在TOC上都表现为突然增大然后逐渐减小的旋回（图7）

图7 敦化盆地敦化1井Toc识别准层序

4 结论

1）应用小波变换可以很好的对三级层序和体系域单元进行良好的识别，敦化盆地新生代地层在小波变化频谱图上明显表现为6个完整的旋回，从而将新生代地层分为6个三级层序。在体系域识别上，低水位体系域能量谱向上有变大的趋势，水进体系域能量谱向上有变小的趋势；高水位体系域能量谱几乎保持不变；而水退体系域能量谱向上有明显变大的趋势。通过“门槛值特殊处理”后的剖面，背景干净，剖面上反射结构、几何特征更为清晰，能够对层序界面和体系域特征进行更好的识别。

2）应用微量元素和稀土元素可以很好的划分体系域，随着基准面的升降，4个体系域表现出不同的微量元素和稀土元素特征：在LST时期，各元素含量较低，在TST时期含量增高，在HST时期达到最高，而RST时期降低。而应用TOC可以很好的识别准层序单元，每个准层序底部对应着TOC突然增大的特征，每一个准层序在TOC上都表现为突然增大然后逐渐减小的旋回。

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The Application of Geophysical and Geochemical Methods to Continental Sequence Recognition——by the example of the Cenozoic Dunhua basin

HAN Jiao-yan1HU Fei2

（1-Research Institute of Exploration and Exploitation, Northeast Oil and Gas Field, SINOPEC Company Limited, Changchun 130062; 2-Institute of Earth Science, Jilin University, Changchun 130061）

The identification of sequence stratigraphic units is the basis of sequence stratigraphy research. Generally, the identification of different sequence stratigraphic units should be based on different data and means, and different research methods have their own advantages in the classification of different levels of sequence. When the traditional methods of sequence identification （core, logging, seismic） encounter difficulties, it is necessary to use special geophysical treatment and geochemical methods for assisting the identification of sequences. In the Dunhua basin, due to poor quality of seismic data and scarce well logging and core data, geophysical methods such as wavelet transform and the "threshold special processing" instantaneous phase profile are used to assist the identification of the three grade sequence and system tracts, geochemical methods such as organic carbon（TOC）,trace elements and rare earth elements are used to assist the identification of the three grade sequence, system tracts and subsequence, which makes up the shortage of single method of traditional sequence recognition.

sequence recognition; Dunhua basin; geophysical method; geochemical method

2017-11-08

韩娇艳（1986-），女，工程师，硕士研究生，现主要从事石油地质研究工作

P631、32；P618.13

A

1006-0995（2018）03-0513-05

10.3969/j.issn.1006-0995.2018.03.037