玛湖凹陷风南14 井区风城组米氏旋回研究及固碳速率浅析

惠 婧, 王青春, 贺 萍

河北地质大学 a. 研究生学院, b. 地球科学学院, 河北 石家庄 050031

0 引言

米兰科维奇理论是20 世纪40 年代前南斯拉夫学者米兰科维奇提出的, 该理论认为地球轨道参数的周期性变化是形成沉积地层的旋回规律的诱因[1]。 Hays等综合利用深海钻探和同位素测定结合频谱分析技术, 对赤道大西洋深海第四纪岩芯开展了详细的研究工作, 证实了米兰科维奇理论[2], 引起了地质学界的重视并广泛应用。 国内学者直到21 世纪才逐渐认识到该理论的潜力, 将其应用于各个领域并取得了较为显著的成果, 如对鄂尔多斯盆地、 松辽盆地、 塔里木盆地等的米氏旋回识别及其油气地质意义、 古代气候变化与天文轨道周期变化的关系等[3-8]。

准噶尔盆地油气勘探潜力巨大, 玛湖凹陷是其富烃凹陷之一, 其风城组发育的碱湖细粒沉积岩是当前研究的热点, 但细粒沉积岩的地层单元划分是一大难题。 本文以风南14 井区为例, 利用米兰科维奇旋回理论对风城组进行旋回地层划分, 并对其中发育的碳酸盐岩沉积速率进行计算和分析, 进而探讨风城组沉积过程的固碳速率, 希望能为“双碳” 目标的实现提供些许帮助。

1 地质概况

玛湖凹陷位于准噶尔盆地西北缘, 风南14 井区地处玛湖凹陷西北部, 构造上属于准噶尔盆地西部隆起乌夏断裂带[9,10]。 下二叠统风城组与上覆地层夏子街组(P2x) 和下伏地层佳木河组(P1j) 均呈不整合接触, 自上而下可分为风三段 (P1f3)、 风二段(P1f2)、 风一段(P1f1), 主要为滨浅湖相沉积。 风三段主要岩性为砂岩、 泥岩, 少量泥质白云岩, 夹少量砂砾岩; 风二段主要是一些灰色、 深灰色泥质白云岩和白云质泥岩; 风一段主要是灰色、 深灰色白云质泥岩、 泥质白云岩, 少量凝灰岩及凝灰质粉砂岩、 砂砾岩[11-13]。

2 米兰科维奇旋回分析

米兰科维奇理论的核心工作是分析研究对象的地球轨道参数信息。 常用的地球轨道参数主要包括偏心率、 斜率、 岁差, 这些参数的变化可引起地球表面所接受的日照量的变化, 从而影响地球上的气候, 造成季节性旋回、 温室气体旋回(如CO2)、 大气环流旋回, 进而造成海平面的升降、 营养物质和碎屑物质的输入旋回等[14]。 在地质历史中, 天文轨道周期随着时间的变化而缓慢变化, 但是在一段时间内, 因其变化非常缓慢而其比值会相对较为稳定, 因此可以利用其比值来判断地层中是否存在米兰科维奇旋回。 一般而言, 如果地层中沉积旋回的比值与天文轨道周期的比值比较一致, 误差较小, 则认为该地层保留了米兰科维奇旋回信息。

图1 风南14 井区构造位置图Fig.1 Tectonic position diagram of Fengnan 14 well area

资料记载的提取天文轨道周期的方法包括Lasker04[15]和Berger89[16]两种, Lasker04 主要解决250 Ma 之后的天文轨道周期提取问题, 而Berger89 主要解决250 Ma 之前的。 风城组属于二叠系, 因此采用Berger89 来提取研究区的天文轨道周期。 得到其斜率长、 短周期为43 kyr 和34 kyr, 岁差长、 短周期为21 kyr 和17 kyr, 偏心率周期长周期为405 kyr, 短周期为100 kyr, 由此可以得出天文轨道周期的比值为1 ∶0.25 ∶0.11 ∶0.08 ∶0.05 ∶0.04。

在选择数据进行米兰科维奇旋回分析时, 需要选择能够反映古气候的替代指标, 目前已知的古气候替代指标见表1[17]。 其中自然伽玛测井测量的是岩层天然伽马射线强度, 得到的数据较为精密, 并且能够反映沉积物中泥质的含量变化, 气候变化也能在其中有所体现, 是比较好的古气候替代指标[18], 因此本文选择风南14 井区风城组的自然伽马测井数据作为米氏旋回分析的基础。 风南14 井区风城组深度范围为3 942～4 521.25 m, 测量间隔为0.125 m, GR 的数值范围在36.845～500。 在进行米兰科维奇旋回信号识别之前, 需要对数据进行预处理, 包括去极值、 插值以及去趋势[14], 主要是去除一些脱离原有数据趋势的极大值或极小值, 去除具有高振幅和不规则的长期趋势, 消除数据中所包含的噪音, 增加米兰科维奇旋回分析的准确性。

表1 用于米氏旋回的数据类型表[17]Table 1 The data types for Milankovitch cycle

处理过的数据利用MATLAB 和Acycle 程序包[19]实现频谱分析、 滑动窗口频谱分析以及小波分析。 首先使用Multi-taper method (多窗口频谱分析方法, 简称MTM), 得到的频谱分析图(图2a), 横坐标表示频率, 纵坐标表示能量, 选择置信度在95%以上的峰值, 依次为0.027 63, 0.113 3, 0.256 6, 0.336,0.556 7, 0.634 4, 其倒数即为旋回厚度, 计算得出旋回厚度依次为36.19 m, 8.83 m, 3.9 m, 2.98 m,1.8 m, 1.58 m, 其比例关系为1 ∶0.24 ∶0.11 ∶0.08∶0.05 ∶0.04, 与轨道周期参数的比例关系1 ∶0.25∶0.11 ∶0.08 ∶0.05 ∶0.04 极为一致, 仅短偏心率周期的比值存在4%的误差, 误差小于5%, 可忽略不计。 说明风南14 井区风城组保留了完整的天文轨道周期信息, 具备米兰科维奇旋回规律。 从滑动窗口频谱分析图(图2b) 中也可以找到与之相对应的天文轨道周期频率, 尤其是代表405 kyr 的长偏心率周期的频率较为稳定且易于识别(表2)。 而小波分析图(图3) 也可以看出405 kyr 的长偏心率周期以及100 kyr 的短偏心率周期稳定存在且较为连续, 其他的天文轨道周期频率较弱但也达到了可以识别天文轨道周期的强度。

表2 风南14 井区风城组自然伽马曲线频谱分析结果及比例关系Table 2 The results of Spectrum analysis and proportion relationship of GR curvein Fengnan 14 well area,Fengcheng Formation

图2 风南14 井区风城组多窗口频谱分析结果图(a) 及滑动窗口频谱分析结果图(b)Fig.2 The results of Multi-taper method (a) and Fast fourier transform (b) in Fengnan 14 well area, Fengcheng Formation

图3 风南14 井区风城组小波分析结果图Fig.3 The result of wavelet analysis in Fengnan 14 well area, Fengcheng Formation

根据天文轨道周期的识别结果, 对处理过的数据利用Acycle 数据包进行滤波处理, 使用高斯带通滤波, 提取风南14 井区风城组405 kyr 的长偏心率周期旋回信号, 根据滤波曲线可划分27 个旋回。

3 建立天文年代标尺

在证实风南14 井区风城组保留了天文轨道参数周期性信息后, 便可以将深度信号调谐到时间信号上, 建立天文年代标尺。 选取研究区频率较高的405 kyr 长偏心率滤波曲线建立风城组绝对天文年代标尺。 佳木河组顶部上覆灰绿色安山岩锆石同位素测年结果为283 Ma[20], 即风城组底界年龄为283 Ma,每个旋回持续时间405 kyr, 风南14 井区风城组共识别27 个旋回, 由此可以得到风城组的持续时间为11.3 Ma, 顶界年龄约为271.7 Ma (图4)。

图4 风南14 井区风城组绝对天文年代标尺Fig.4 Absolute astronomical chronological scale of Fengcheng Formation in Fengnan 14 well area

4 旋回地层沉积速率及固碳速率

沉积速率=旋回厚度/天文轨道周期, 根据对风南14 井区风城组的旋回划分结果, 每个旋回的持续时间为405 kyr, 根据公式可计算各个旋回的沉积速率如表3 所示, 求得其平均沉积速率为5.12 cm/kyr。

表3 风南14 井区风城组各旋回沉积速率统计表Table 3 The sedimentation rates of each cycle of Fengcheng Formation in Fengnan 14 well area

在风南14 井区风城组的沉积过程中, 有大量的碳酸盐岩发育。 在全球碳循环过程中, 碳酸盐岩的形成是重要的组成部分, 大气中的CO2会通过溶于雨水使岩石发生酸化, 形成Ca2+和H再通过生物化学作用以及沉淀形成碳酸盐岩沉积物, 经过埋藏成岩作用最终形成碳酸盐岩[21], 具体化学方程式如下:

根据旋回划分结果, 统计各旋回碳酸盐岩的沉积厚度, 从而计算各旋回碳酸盐岩的沉积速率(图5),在不考虑其他因素的情况下, 根据碳酸盐岩中C 的占比简单计算其固碳速率, 结果见图6。

图5 风南14 井区风城组各旋回地层沉积速率及碳酸盐岩沉积速率变化曲线Fig.5 The Variation curves of stratigraphic deposition rates and carbonate rock deposition ratesin each cycle of Fengcheng Formation in Fengnan 14 well area

图7 风南14 井区风城组各旋回地层和碳酸盐岩沉积速率及固碳速率与沉积环境演化匹配图[9]Fig.7 The Matching diagram of stratigraphic and carbonate rock deposition rate and carbon sequestration rate with sedimentary environment evolution in each cycle of Fengcheng Formation in Fengnan 14 well area

5 讨论

玛湖风城组为典型的碱湖沉积, 其水体环境基本上经历了如下几个阶段: 淡水湖泊阶段—低盐度成碱预备阶段—咸化湖泊初成碱阶段—碱湖强成碱阶段—咸化湖泊弱成碱阶段—低盐度咸(碱) 化湖泊演化终止阶段—淡水湖泊阶段[9,10]。 根据风南14 井区风城组沉积规律, 将其沉积演化分为四个阶段, 第一阶段为风一段早期, 包括旋回E27-E25, 该时期火山活动较为强烈, 气候为半干旱, 湖平面较高, 属于氧化环境, 不利于有机质的保存以及碳酸盐岩的发育; 第二阶段为风一段晚期, 包括旋回E24-E21, 相比于第一阶段火山活动减弱, 湖平面开始升高, 气候比较湿润, 属于还原环境, 利于有机质保存, 发育大量碳酸盐岩, 固碳速率提高; 第三阶段是碳酸盐发育的主要阶段, 属于碱湖强成碱阶段, 该时期为风二段沉积时期, 包括旋回E20-E10, 此时湖平面先继续升高再开始萎缩, 气候为半干旱—干旱, 前期无碳酸盐岩沉积, 旋回E18 开始沉积碳酸盐岩, 固碳速率随之增加, 水体盐度也慢慢升高; 第四阶段为风三段沉积时期, 包括旋回E9-E1, 湖平面慢慢开始升高, 气候也变得湿润, 逐渐转变为氧化环境, 不再有利于有机质保存, 沉积一些云质岩, 后期发育陆源碎屑岩, 盐度逐渐降低。 在这四个阶段中, 前三个阶段属于湖盆逐渐咸化的沉积过程, 而第四阶段属于湖盆逐渐淡化的过程。 综上所述, 推测碳酸盐岩的沉积速率以及固碳速率均受沉积环境的影响, 在湖平面上升时期, 处于氧化环境, 不利于有机质保存, 并且也不利于碳酸盐岩沉积以及碳的固定; 在湖盆萎缩时期, 处于还原环境, 有利于有机质保存, 并且有利于碳酸盐岩沉积以及碳的固定, 即研究区最有利于碳酸盐岩沉积及碳的固定的时期为风二段, 也是最有利于有机质保存的时期。

6 结论

(1) 风南14 井区风城组保留了完整的天文轨道周期信息, 适用米兰科维奇旋回理论, 可识别出27 个长偏心率周期旋回, 根据已知风城组底界年龄283 Ma, 推测其顶界年龄为271.7 Ma, 沉积时间持续11.3 Ma, 建立绝对天文年代标尺, 为今后推测地质事件年龄提供了绝对时间参考。

(2) 根据旋回划分结果, 计算风南14 井区风城组各长偏心率周期旋回的地层沉积速率平均为5.12 cm/kyr, 碳酸盐岩的沉积速率平均为2.83 cm/kyr,在湖盆萎缩时期, 还原环境最有利于碳酸盐岩的发育。

(3) 综合风城组沉积环境演化特点, 各旋回地层沉积速率、 碳酸盐岩沉积速率和固碳速率均与沉积环境密切相关, 其中伴随着火山活动、 湖盆萎缩及有机质和碳酸盐岩沉积, 风一段后期、 风二段中期—风三段早期是固碳速率较高时期。