高频旋回地层约束下的湖相页岩有机质富集规律：以东营凹陷古近系沙三下亚段为例*

周靖皓 鲜本忠 张建国 钟 骑 陈 鹏

1 油气资源与探测国家重点实验室(中国石油大学(北京))，北京 102249 2 中国石油大学(北京)地球科学学院，北京 102249 3 中国地质大学(北京)能源学院，北京 100083

自北美成功开发页岩油气以来，页岩油气工业得到了蓬勃发展(张廷山等，2015)。除了北美和中国南方众多海相页岩油气资源以外(黎茂稳等，2019)，中国鄂尔多斯盆地三叠系、准噶尔盆地二叠系、松辽盆地白垩系、渤海湾盆地古近系的陆相页岩油气勘探也陆续取得成功(赵文智等，2020)。其中，泥页岩层系中有机质含量是影响其储集质量和油气富集程度的关键因素(王智，2018)。因此，在页岩油气资源评价和勘探开发目标优选中，富有机质层系的厘定及有机质的富集规律研究至关重要(姜在兴等，2014；赵贤正等，2018)。

已有研究表明，泥页岩中有机质的富集受控于古气候、古生产力、古盐度、古氧化还原条件和陆源输入等因素(张慧芳等，2016；Lietal.， 2020；胡涛等，2021；Wangetal.， 2021)。对于特定地质历史时期的陆相沉积盆地，其古生产力、古盐度、古水深、古氧化还原条件及母岩风化类型等都与古气候息息相关，因此古气候常常成为影响其有机质富集的关键。传统的古气候研究依赖于连续的岩心样品和系统的地球化学测试结果。那么，如何在缺乏系统取心和地球化学测试的地区和层段开展古气候恢复，如何建立地层旋回与古气候及有机质富集层系的关系，成为当前制约页岩油气资源评价和目标层系优选的关键。

图 1 东营凹陷综合地质背景图Fig.1 Comprehensive geological background map of Dongying sag

1 地质背景

东营凹陷位于渤海湾盆地东南部，是济阳坳陷的次级构造单元，在构造样式上呈现出“北断南超、西断东超”的箕状断陷盆地样式。该凹陷经历了太古代—元古代的基底形成期，古生代—中侏罗世地台期、晚侏罗世—白垩纪裂陷期、古近纪断陷期和新近纪拗陷期5个构造演化阶段(刘建平，2016)。其中古近纪断陷期又可分为孔店组—沙四下亚段的断陷初期，沙四上—沙二下亚段的强烈断陷期，沙二上亚段—东营组断陷萎缩期(盛文波等，2008)。本次研究的古近系沙三下亚段，处在湖盆强烈断陷期。该时期湖盆水体迅速加深，整体为深水—半深水的沉积环境，北部陡坡发育有大量湖底扇沉积体系，东部发育了初始的东营三角洲，湖盆中心存在浊流沉积(图 1)。沙三下亚段整体为一套深灰色泥页岩，夹少量砂岩、碳酸盐岩薄层(逄淑伊等，2019；刘惠民等，2020)，该时期气候由温暖湿润向寒冷干燥转变，湖盆水体由咸转淡(石巨业，2018)。

本次研究的FY1井位于东营凹陷西南部的博兴洼陷，该井自上而下钻遇了东营组、沙河街组，完钻于沙四下亚段。沙三下亚段是东营凹陷内陆相页岩最为发育的层段之一，该井沙三下亚段以油页岩、泥岩、钙质泥岩为主，沉积连续性好，厚度达200 m。

2 数据与方法

本次研究中，使用局部回归平滑方法来消除长期趋势，实现原始数据序列去趋势分析； 通过零假设的显著性检验和蒙特卡洛迭代来获取在米兰科维奇旋回控制下的最佳平均沉积速率(Lietal.， 2018)，从而约束旋回地层厚度，减小在频谱分析中的人为主观因素； 再使用多窗口方法(MTM，Multi-taper method)将深度域的数据序列转换到频率域，进行频谱分析获取米兰科维奇信号控制下的实际旋回地层厚度； 通过快速傅立叶变换方法(FFT，Fast-Frisher Transform)生成滑动频谱图，分析各信号在深度域数据列中的变化情况，以识别沉积间断； 通过带通滤波(Bandpass Filter)在深度域数据序列中提取出代表各天文参数变化周期的波形曲线。

3 旋回地层分析

3.1 理论天文周期分析

理论天文周期，包括了超长偏心率周期、超长斜率周期、长偏心率周期、短偏心率周期、斜率周期、岁差周期等6级尺度。偏心率(eccentricity)是指地球绕太阳公转轨道的椭圆程度； 斜率(tilt)是指地球自转轴倾角，即黄道面与赤道面夹角； 岁差(precession)是指地球的进动，即地球自转轴绕黄道轴的旋转运动(吴怀春等，2011)。天文参数的周期性变化，是旋回地层分析的基础，需要通过地球轨道的理论数学模型获取目的层所处地质时期的各参数周期后，才能进行基于实际地质资料的地层分析。

(a)MTM方法频谱图； (b)ETP曲线； (c)FFT方法滑动频谱图 2 东营凹陷39～43 Ma期间ETP数据频谱与滑动频谱分析Fig.2 Spectral analysis and evolutionary spectral analysis of ETP data during 39～43 Ma in Dongying sag

表 1 东营凹陷39～43￣￣Ma期间理论天文周期比值Table1 Ratios of theoretical astronomical periods during 39～43 Ma in Dongying sag

前人研究表明，东营凹陷沙三下亚段底界绝对年龄为42.4 Ma，沉积持续时约为2 Ma(姚益民等，2002)。据此，通过Acycle软件获取了La2004天文轨道解决方案中39～43 Ma之间的ETP(偏心率，斜率和岁差)数据(图 2-b)，并使用MTM方法对ETP数据进行频谱分析。在功率谱图中识别出代表天文轨道参数周期的频率信号，分别是长偏心率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)；岁差P1： 0.043089(23 ka)，P2： 0.045539(22 ka)，P3： 0.053537(19 ka)(图 2-a)。据此计算偏心率、斜率、岁差周期的比值表，可知理论天文轨道参数周期近似满足21.42 ︰6.69 ︰5.12 ︰2.75 ︰2.12 ︰1.24 ︰1.18 ︰1(表 1)。对ETP数据的滑动频谱分析显示(图 2-c)， 在39～43 Ma之间，存在着8条亮色条带代表了各旋回周期频率信号，且亮色条带连续性好，变化小，指示了这一时期各天文参数周期的稳定性。另外，据研究，超长偏心率周期与超长斜率周期具备极高的稳定性，分别是2.4 Ma、1.2 Ma(吴怀春等，2011；黄春菊，2014)。

3.2 基于测井数据的旋回地层分析

3.2.1 去趋势处理

经过多种方法试验，本次研究最终采用rLOWESS(鲁棒局部回归平滑)方法，窗口长度选用70.35，消除了FY1井沙三下亚段自然伽马测井(GR)原始数据序列中的长期趋势，使得数据序列均值为0。去趋势后的GR最大值为29.25438，最小值为-20.7529(图 3)。

3.2.2 相关系数分析

3.2.3 频谱分析与滑动频谱分析

图 4 东营凹陷FY1井沙三下亚段GR数据相关系数分析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方法频谱图； b—趋势GR曲线； c—FFT方法滑动频谱图图 5 东营凹陷FY1井沙三下亚段GR数据频谱与滑动频谱分析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

通过FFT方法获得的滑动频谱图显示，长偏心率信号在深度域中连续性较好，但在3170 m、3200 m出现了右偏(图 5-c)，表明沉积速率的减小，旋回周期控制的地层厚度减薄。其他旋回信号的亮色条带连续性也较好，在滑动频谱图中未发现明显错断、揭示了FY1井沙三下亚段整体沉积连续性较好，沉积速率变化小的特点。

前人的研究表明，东营凹陷古近系页岩地层中记录了地球轨道的超长周期信号(石巨业，2018)，即超长偏心率周期和超长斜率周期。通过时间比值与沉积速率约束，本次研究在频谱图中识别出了0.0076592(125 m)作为1.2 Ma超长斜率周期信号(图5)。

3.2.4 滤波与沉积旋回划分

鉴于FY1井沙三下亚段整体沉积连续性较好，本次研究未进行分段处理。对FY1井的滤波结果显示，FY1井沙三下亚段存在着2个1.2 Ma超长斜率旋回、5个400 ka长偏心率旋回、21个96 ka短偏心率旋回、42个51 ka斜率旋回、103个19 ka岁差旋回。表明沙三下亚段的沉积持续时间约为2 Ma，这与前人对该地层的定年结果基本一致。

前人研究指出，基准面旋回与米兰科维奇旋回具有较好的时限对应关系(毛凯楠等，2012；翁雪波，2017)。由于滤波曲线与GR测井曲线的正相位关系，可在单井上以滤波曲线为参考划分基准面旋回(石巨业等，2019)。基准面旋回级次分为巨旋回、超长期、长期、中期、短期、超短6个级次，其中长期旋回时限1.6～5.25 Ma，中期旋回时限0.2～1 Ma，短期旋回时限0.04～0.16 Ma(郑荣才等，2001)。据此，本研究参考1.2 Ma、400 ka、96 ka周期波形曲线，将FY1沙三下亚段划分为2个长期旋回(LSC1、LSC2)、6个中期旋回(MSC1、MSC2、MSC3、MSC4、MSC5、MSC6)、21个短期旋回。从结果来看，长期旋回LSC1、LSC2和中期旋回MSC1、MSC6不完整(图 6)。

4 沉积环境分析

有机质的富集离不开沉积环境的变化(张慧芳等，2016；陈果，2019)。据米氏旋回理论，地球轨道的周期性变化引起日照量变化，从而改变沉积环境(吴怀春等，2011)，因此米氏旋回间接控制有机质富集。本次研究通过主量元素和微量元素数据、矿物分析数据，结合米兰科维奇旋回曲线与基准面旋回，分析了在高频旋回地层约束下的沉积环境响应，从而探讨旋回地层与沉积环境、有机质富集的关系。

4.1 古环境参数响应

4.1.1 古气候

有机质的生成取决于藻类的生产力，在温暖气候下，藻类勃发，能够生成更多的有机质，有利于有机质的富集(胡涛等，2021)。白云石含量常伴随气温升高而增加； 陆源碎屑(长石+石英)含量增多则代表了风化作用的增强，间接代表了较为更加湿润的气候(石巨业，2018)。FY1井沙三下亚段700余个XRD矿物分析显示，白云石含量最高70%，最低1%，平均值为7.2%；陆源碎屑含量最大52%，最小6.5%，平均值为26.5%。在保证数据整体特征与趋势不变的情况下，使用resform软件对各古环境指标进行抽稀显示，抽稀后白云石显示最高含量约为20%，陆源碎屑含量最高约为39%。在旋回地层约束下对白云石、陆源碎屑数据进行分析，自下而上显示出2次长期尺度的周期变化以及5次中期尺度的周期变化。这样的周期变化规律与1.2 Ma超长斜率滤波曲线、400 ka长偏心率滤波曲线保持极好的正相位关系(图 6)；即滤波曲线波峰附近，白云石、陆源碎屑含量较高，指示气温上升、降雨增多风化增强、更加温暖湿润的古气候条件； 在滤波曲线波谷附近，则表现为较低的白云石与陆源碎屑含量，指示气温下降、降雨减少风化减弱、更加寒冷干燥的古气候条件。

图 6 东营凹陷FY1井沙三下亚段旋回地层划分、古环境恢复、有机质富集综合柱状图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 古氧化还原

4.2 沉积环境划分

通过前述对各古环境指标的趋势分析，明确了各指标均在1.2 Ma、400 ka滤波曲线波峰附近出现较高值，在波谷附近出现较低值，这一结果与孙善勇等(2017)对牛页1井沙四上亚段的气候旋回研究保持了一致，揭示了天文旋回控制着东营凹陷始新世的气候变化与沉积环境变化。结合前述对FY1井沙三下亚段沉积旋回的分析，明确了气候指标的变化趋势与定量沉积旋回划分保持了极高的关联性，即基准面上升，气温上升、降雨增加、风化增强，更加湿润，水体还原性增强。 这是由于气候变得更加温暖湿润时带来的降雨增多，使得封闭的湖盆水位上升，还原性增强(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，虽然在图件中能够看到环境还原指标的部分较大值对应了波形曲线的波峰，但是受限于采样间隔、样品深度还原等因素，难以在短期尺度上开展上述规律性总结。因此，笔者认为在中期、长期，甚至更大的尺度上，对无取心、无地质样品、无分析化验数据的钻井，通过对测井数据进行旋回地层分析，可以在纵向上定量地划分古环境，明确古环境自下而上的垂向演化。

5 旋回地层约束下有机质富集规律

FY1井沙三下亚段实测总有机碳含量TOC最高8.83%，最低1.18%，平均值为2.658%。为更加清晰地显示数据在垂向上的趋势，在图6中将显示范围设置为1.5%～4.5%，个别高值未能显示。此外，通过ΔlogR方法计算了TOC曲线，与实测TOC趋势基本一致，相互印证表明东营凹陷沙三下亚段有机质含量整体处在一个较高的水平。实测TOC相比于计算TOC变化幅度大，趋势更明显，本次研究通过对实测TOC的变化趋势分析，明确了其对天文旋回的响应规律。结果表明，实测TOC在自下而上呈现出2期长期变化、5期中期变化(图 6)。这样的变化趋势与1.2 Ma超长斜率、400 ka长偏心率波形曲线保持了极高的一致性。通常来讲，有机质的富集与沉积环境密切相关，FY1井实测TOC的变化趋势与环境还原指标保持了一致，这就说明东营凹陷沙三下亚段有机质的富集直接受控于沉积环境的变化，而沉积环境的变化受控于天文旋回。换言之，东营凹陷沙三下亚段的有机质富集受控于天文旋回。

在中晚始新世，地球气候由温暖向寒冷转变，这一过程在东营凹陷古近系沉积地层中得到了良好的记录。据前人研究，东营凹陷沙三下亚段时期气候整体变得寒冷干燥。本次研究使用到的古环境还原指标也显示了同样的规律，但是其中的波动与天文参数的周期性变化关系密切。本次研究总结出的趋势变化，在长期尺度上，主要是由于地轴斜率增大、北半球受到的光照增强(黄春菊，2014；孙善勇等，2017)，从而导致特定时期内的气温上升，使得东营凹陷所处的环境变得更加温暖湿润，藻类生产力提高，降雨增多，湖盆水体上升，还原性增强，使得有机质更加富集； 在中期尺度上，偏心率增大，地球公转轨道变得更接近椭圆，近日点离太阳更近，地球整体受到的日照增强(孙善勇等，2017)，从而使得气候变得更加温暖湿润，湖盆内有机质更加富集。

基于上述认识，以波形曲线半幅点为界，定量划分了“富有机质层”与“含有机质层”，划分结果与前述古环境划分保持一致，即长期尺度上分2期“富—含有机质层”，中期尺度上分5期(图 6)。同样的，短期甚至更小的尺度上，由于采样精度和样品深度还原等各种原因，难以总结相关规律，即短期尺度上的划分可信度较低。

6 结论

有机质含量是页岩油气储集层品质评价中的重要内容，也是页岩油气甜点预测中的重点指标。掌握有机质的富集规律，对于寻找富有机质层段、降低页岩油气开发成本具有重要意义。本次研究通过取心井进行旋回地层分析，定量划分了东营凹陷沙三下亚段沉积旋回，结合古环境恢复参数与TOC数据，明确了沉积环境、有机质富集对天文旋回的响应，得到了以下结论和认识：

2)对古环境恢复指标与总有机碳含量数据在垂向上进行趋势分析，各环境指标与TOC数据在长期趋势均显示2次自下而上的周期变化，在中期趋势上显示了5次自下而上的周期变化，与1.2 Ma超长斜率、400 ka长偏心率波形曲线保持了较高一致性，表明天文旋回控制了东营凹陷沙三下沉积时期的环境变化，进而控制了有机质的富集。即斜率越大或偏心率越大，受到日照越强，气候变得更加温暖湿润，藻类生产力增强，降雨增多，湖盆基准面升高，水体还原性增强，有机质更加富集。

3)鉴于古环境指标与TOC数据对天文旋回的响应规律，提出以波形曲线半幅点为界限，在不同尺度上定量划分古环境与富有机质层段的方法。即在长期尺度上以1.2 Ma超长斜率滤波曲线作为划分依据，在中期尺度上以400 ka长偏心率滤波曲线作为划分依据，可以定量地识别划分富有机质层段，划分结果与实测数据保持了较好的相关性，证明可靠性较强。