轨道周期约束下海-陆过渡相页岩层系高精度层序界面识别及其地质意义——以鄂尔多斯盆地东缘二叠系山西组23亚段为例

梁岳立，赵晓明，2，张 喜，2，李树新，葛家旺，2，聂志宏，张廷山，2，祝海华，2

（1. 西南石油大学 地球科学与技术学院，四川 成都 610500；2. 天然气地质四川省重点实验室，四川 成都 610500；3. 中国石油 煤层气有限责任公司，北京 100028）

中国海-陆过渡相页岩资源量丰富，是未来重要的增储领域［1-3］。但海-陆过渡相页岩具有产层多、单层厚度薄且岩相变化快等特点［4］，地层划分难，严重制约了该类气藏的高效开发。近年来米级旋回尺度下的高精度地层划分方法主要针对碳酸盐岩［5］、碎屑岩［6］及海相页岩［7］，尚未涉及海-陆过渡相页岩。虽然针对中国古生代海相页岩层系已形成成熟的地层划分方法，如利用自然伽马（GR）测井与生物带的耦合关系［8-9］、地球化学元素及矿物组分测井技术开展高精度地层划分［10-11］，但针对海-陆过渡相页岩层系，生物延限不明确；GR、元素及矿物测井波动受区域沉积环境影响，平面非均质性强，已成功应用于海相页岩层系的较为成熟的地层划分方案并不适用海-陆过渡相页岩层系，因此亟需寻找一种新的方法来构建海-陆过渡相高精度层序地层格架。

近年来旋回地层学的发展为高分辨率层序地层划分提供了新的技术方法，即对地层中的天文轨道周期参数信息进行识别［12-14］，利用高精度的轨道周期信息建立较为精准的年代地层格架［15］并实现地层万年尺度旋回的划分与对比［7，16-18］。结合高分辨率层序地层学理论与旋回地层学理论，对鄂尔多斯盆地东缘主要含气层系二叠系山西组2段3亚段（山23亚段）进行高精度层序界面识别；同时利用古气候替代指标提取地层记录中的轨道参数信息，构建高精度年代地层标尺，二者结合建立海-陆过渡相高精度层序地层格架，为海-陆过渡相页岩气规模化、效益化开发提供技术支撑。

1 地质概况

鄂尔多斯盆地位于华北克拉通西部，根据构造及演化历史可分为伊陕斜坡、晋西挠褶带、天环坳陷、西缘逆冲带、伊盟隆起和渭北隆起等6 个一级构造单元［19］（图1a）。研究区大宁—吉县地区位于晋西挠褶带东南部，区域内构造总体呈现“一隆一凹两斜坡”构造格局（图1b），地层总体为南北走向［20］。

大宁—吉县地区山西组为典型的海-陆过渡相地层，以三角洲相和滨岸相为主［2］，纵向上页岩较为发育且累积厚度大（图1c）。山西组自上而下分为山1 段和山2 段，其中山2 段页岩层厚度较大，单层页岩厚度甚至可达50 m。山2 段又可分为山21、山22及山23亚段等。目的层位山23亚段顶界为5#煤层，底界与下伏太原组东大窑石灰岩接触（图1d）。山23亚段为无障壁型滨岸-浅海及障壁沉积体系［21］，其下部为浅海陆棚相，上部逐渐过渡为障壁岛-潟湖相及滨岸沼泽相等。主要发育灰黑色炭质页岩、灰黑色页岩、黑色粉砂质页岩及煤层等岩性，页岩厚度分布最为稳定，在20～40 m，总有机碳含量（TOC）在0.19 %～11.68 %，资源潜力巨大。

2 样品测试与数据处理方法

A1 井位于鄂尔多斯盆地大宁—吉县地区，样品主要采集于A1井山23亚段（井深2 261.03 ～ 2 301.04 m），以10～15 cm 的间距进行岩心样品采样，共采集样品200 个。对以上样品进行TOC和矿物组分测试，其中TOC采用LECO CS744-MHPC 碳硫分析仪进行测试，测试精度为±0.5 %；矿物组分采用X 射线衍射仪进行样品测试。用于旋回地层学分析的山西组GR 值、Th/U元素含量比值数据序列来源于A1井测井数据。

基于Acycle 2.1［22］软件进行时间序列分析，主要方法与步骤如下：①对GR 值、Th/U 元素含量比值等数据序列去趋势化处理；②利用多窗口频谱分析方法（MTM）［23］对去趋势化数据序列进行频谱分析，波峰代表不同的天文轨道周期，主要选择95 %置信度的峰值频率进行分析，对处于90 % ～ 95 %置信度的数据结果选择性使用；③采用COCO（相关系数）分析及eCOCO（演化相关系数）分析方法进行零假设检验［24］，追踪沉积速率变化，判断天文周期信号识别的准确性；④通过高斯带通滤波处理，利用滤波获取的405 kyr长偏心率周期来调谐短偏心率周期和斜率周期［25］，并以405 kyr长偏心率周期建立山23亚段“浮动天文年代标尺”。

3 高精度层序地层特征

3.1 高分辨率层序地层特征

高分辨率层序地层学理论主要以界面的成因特征及其差异性为依据识别不同级次旋回，划分不同级次层序界面。其中四级以上层序主要表现为不同尺度变化下的海（湖）进-海（湖）退沉积序列［26］。本文结合测井曲线特征、岩性变化及地球化学元素识别不同级次层序界面。

四级层序为一套水体深度变化幅度不大、彼此成因联系密切的地层叠加而成，层序界面为岩性、岩相突变面，反映为相邻相序中进积-退积组合的测井相转换面，持续时间为0.2 ～ 1.0 Myr［26］。在测井曲线方面，依据GR 曲线反映泥质含量的变化，识别四级层序的叠加样式及海（湖）泛面（图2）。在初始海（湖）泛面之前，GR值逐渐降低至最小值，岩性表现为煤层、砂岩及粉砂质页岩（图3a，c，f）；在最大海（湖）泛面处，GR值逐渐增大到最大值，岩性主要表现为泥页岩及炭质页岩（图3d，e）。在地球化学方面，选取较为典型的无机与有机地球化学指标：与水深呈反比的Th/U 元素含量比值［27］及与相对海（湖）平面呈正比的TOC等［28］。在初始海（湖）泛面之前，Th/U 比值逐渐增大到最大值，TOC逐渐降低至最小值；在最大海（湖）泛面处，Th/U比值逐渐降低至最小值，TOC逐渐增大到最大值。PSQ1阶段GR 值、Th/U 比值及TOC的变化整体为海（湖）泛面先上升后下降的过程，表现为一个退积-进积组合。A1 井山23亚段存在4 个退积-进积组合的测井相转换面，因此自下而上分为PSQ1，PSQ2，PDQ3及PSQ4。

图2 鄂尔多斯盆地东缘A1井山西组山23亚段地层特征Fig. 2 The stratigraphic characteristics of the Shan 23 submember in well A1 at the eastern margin of Ordos Basin

图3 鄂尔多斯盆地东缘A1井山23亚段层序界面特征岩心照片Fig. 3 Sequence boundary characteristics of the Shan 23 sub-member in well A1 at the eastern margin of Ordos Basin

五级层序是一套水体深度变化幅度低、彼此成因极为密切的地层叠加而成，层序界面为相似岩性和岩相组合的分界面，持续时间为0.04 ～ 0.16 Myr［26］。在测井曲线方面，通过四级层序的约束，以GR 曲线的突变点为边界识别五级层序及海（湖）泛面［29］。在地球化学方面，同样依据TOC的突变点识别五级层序界面［28］。以PSQ1 为例，GR 曲线自下而上存在2 个突变点（即海（湖）泛面），自下而上对应向上不变、向上增大及向上减小3个阶段，TOC表现出同样的特征，岩性自下而上表现为由粉砂质页岩—泥页岩—粉砂质页岩转换。因此PSQ1 可以识别出3 个五级层序，对应FSQ1—FSQ3。据此，A1井山23亚段可分为12个五级层序。

3.2 天文周期旋回地层特征

天文周期是指与地球轨道周期相关的偏心率周期和斜率周期等。在深度域上对A1井山西组GR值、Th/U比值及TOC等数据序列进行MTM频谱分析。通过频谱分析，识别了地层中记录的天文轨道参数信息，包括405 kyr 长偏心率周期、98 ～ 127 kyr 短偏心率周期及43 ～ 44 kyr 斜率周期（图4）。通过GR 值、Th/U 比值及TOC数据的旋回厚度及所对应的天文周期，估算山西组的沉积速率为2.40 ～ 3.20 cm/kyr。此外，COCO 及eCOCO 分析表明，2.94 cm/kyr 沉积速率是最为可靠的（图5），而且与MTM频谱分析得到的沉积速率相近。根据前人精确定年时间，山西组顶、底界年龄在295.65 ～290.00 Ma［30-31］，厘定山西组沉积持续时间约为5.65 Myr。A1 井山西组厚约156.82 m，估算其沉积速率约为2.80 cm/kyr，与COCO 及eCOCO 分析结果相吻合，说明识别的天文周期信号是可靠的。

图4 鄂尔多斯盆地东缘A1井山西组MTM频谱分析Fig. 4 MTM spectrum analysis of the Shanxi Formation in well A1 at the eastern margin of Ordos Basin

图5 鄂尔多斯盆地东缘A1井山西组GR值数据序列COCO及eCOCO分析Fig. 5 Analysis of the GR sequences COCO and eCOCO of the Shanxi Formation in well A1 at the eastern margin of Ordos Basin

基于GR 值、Th/U 比值及TOC数据的频谱分析，识别了长偏心率周期、短偏心率周期、斜率周期及其旋回厚度，进行零假设检验及滤波处理，并以405 kyr 长偏心率周期调谐短偏心率周期及斜率周期。山23亚段GR 值、Th/U 比值及TOC数据序列通过滤波处理，输出了4 个405 kyr 长偏心率周期（图6b—d），11 ～ 13 个100 kyr 左右的短偏心率周期。通过旋回地层学分析，山西组GR 数据序列滤波输出了14 个405 kyr 长偏心率周期（图6a），山西组沉积持续时间约5.67 Myr，与前人研究结果（约5.65 Myr）对比发现，两者结果较为吻合，进一步证实旋回地层学分析的准确性。

图6 鄂尔多斯盆地东缘A1井山西组及山23亚段时间域旋回地层Fig.6 Time-domain cyclostratigraphy of the Shanxi Formation and Shan 23 sub-member in well A1 at the eastern margin of Ordos Basin

3.3 天文轨道周期与高分辨率层序地层耦合关系

山23亚段长偏心率周期与四级层序耦合关系良好（图7），表明四级层序的岩性组合响应了长偏心率周期调制的海（湖）平面变化。A1井山23亚段GR值、Th/U比值和TOC数据序列分别滤波输出了4 个405 kyr 长偏心率周期，每一个长偏心率周期正好对应一个四级层序（图7），长偏心率周期调制的气候变化通过控制海（湖）平面的波动，来约束山23亚段四级层序下海-陆过渡相相序组合。此外，在研究区A2，A3及A4井中也开展了山西组旋回地层学分析，识别出了稳定的405 kyr长偏心率周期、100 kyr短偏心率周期及40 kyr斜率周期（图8；表1），表明研究区山西组记录了稳定的长偏心率周期，进一步验证了据此来划分四级层序是可靠的。近年来不少学者对海相地层中四级层序与天文轨道周期的耦合关系展开了大量的研究，并认为四级层序主要受控于405 kyr长偏心率周期［32-35］。此次研究表明，长偏心率周期对四级层序的控制作用不仅存在于海相沉积序列，在海-陆过渡相沉积序列中也广泛存在。

表1 鄂尔多斯盆地东缘A井区山西组山23亚段天文旋回信息识别Table 1 Identification of astronomical cycles of the Shan 23 sub-member in well block A at the eastern margin of Ordos Basin

图7 鄂尔多斯盆地东缘A1井山西组山23亚段四级及五级层序与天文轨道周期对应关系Fig. 7 Correspondence between the fourth- and fifth-order sequences and astronomical orbital cycles of Shan 23 sub-member in well A1 at the eastern margin of Ordos Basin

图8 鄂尔多斯盆地东缘A2，A3及A4井山西组旋回地层学分析Fig.8 Cyclostratigraphy analysis of the Shanxi Formation in wells A2， A3 and A4 at the eastern margin of Ordos Basin

四级层序及以上的高频层序主要受控于天文周期所引起的气候变化及冰川型海平面变化［36-38］。前人研究认为五级层序沉积时间约为0.1 Myr［26］，与100 kyr短偏心率周期紧密相关［5-6］，并在海相及陆相地层中广泛存在［16-18，39-40］。据此A1 井山23亚段识别的12 个111 kyr短偏心率周期代表12个五级层序。TOC及Th/U 比值数据在2 ～3 m 尺度的波动与五级层序吻合，进一步佐证了五级层序划分的可靠性（图7）。此外，在研究区A2，A3 及A4 井中也识别了12 ～ 14 个短偏心率周期，与A1 井几乎一致（图9），表明稳定的短偏心率周期在海-陆过渡相地层中同样广泛存在，据此来划分五级层序是可靠的。

图9 鄂尔多斯盆地东缘山西组山23亚段A1—A4井高分辨率层序连井对比剖面Fig.9 Well-tie correlation of the high-resolution sequences of the Shan 23 sub-member in wells A1-A4 at the eastern margin of Ordos Basin

4 高精度层序界面识别的地质意义

4.1 轨道周期调制沉积物分配

不同级次轨道周期通过对不同时间尺度海平面变化的约束，来调节沉积物的分配，主要表现为岩相组合及矿物组分的差异组合。

405 kyr 长偏心率周期通过控制相尺度的沉积环境的变化来调控不同的矿物组合。山23亚段页岩层段发育硅质页岩相、硅质黏土质页岩相、钙质硅质（或硅质钙质）页岩相、黏土质页岩相等4 种岩相类型［21］。PSQ1为无障壁型浅海陆棚相，发育硅质黏土质页岩和钙质硅质页岩等，矿物成分以黏土矿物（约47 %）和石英（约46 %）为主。PSQ2 为浅海陆棚-潟湖-障壁岛海-陆过渡相，发育黏土质页岩。PSQ3及PSQ4为障壁岛-潟湖-滨岸沼泽相，发育硅质黏土质页岩和黏土质页岩等，黏土矿物含量较高（约61 %～63 %）（图10a）。111 kyr 短偏心率周期通过控制亚相尺度的沉积环境的变化来分配优势矿物类型。FSQ1及FSQ3分别为粉砂质陆棚亚相及泥质陆棚亚相，发育硅质黏土质页岩。FSQ2 为钙质硅质陆棚亚相，发育钙质硅质页岩，碳酸盐含量（约14 %）及黄铁矿含量（约3 %）较高（图10b）。

图10 鄂尔多斯盆地东缘A1井山23亚段偏心率周期驱动下的矿物组合规律、储层特征及海平面变化Fig.10 Mineral assemblages， reservoir characteristics and sea level changes driven by eccentricity cycle in the Shan 23 sub-member in well A1 at the eastern margin of Ordos Basin

偏心率周期通过控制地球绕太阳旋转的轨道来调制地球气候变化，从而引起海平面的波动，影响页岩的矿物成分和有机质含量等。化学蚀变指数（CIA）作为气候替代指标被广泛用于古气候重建［41-42］。炎热潮湿气候沉积物的CIA一般在80～100，温暖潮湿气候沉积物的CIA一般在70～80，寒冷干旱气候沉积物的CIA一般在50～70。FSQ1 及FSQ2 阶段所记录的CIA在78 ～84（图10b），整体指示温暖潮湿-炎热潮湿气候。沉积噪音模型（DYNOT）目前已被广泛用于重建海（湖）平面变化［43］，其值越小表明沉积噪音越低，海平面越高。基于405 kyr调谐的GR 值时间序列恢复了山23亚段海平面变化，自下而上呈先上升后下降趋势（图10a）。FSQ1阶段CIA负偏移，气候逐渐转冷，且此时为太原晚期—山西早期海水逐渐减退过程，DYNOT 值增大，海平面呈下降趋势，陆源沉积物供给量开始减弱，使该阶段沉积了一套硅质黏土质页岩；受气候变化与海平面影响，该时期有机质保存条件较差。FSQ2 阶段CIA正偏移，气候偏暖，海平面持续上升并达到高值，陆源输入大量减少，并出现大量浮游生物；气候变暖及海平面的持续上升为有机质保存提供了有利的条件，使得该时期发育了一套高TOC的钙质硅质页岩。

4.2 轨道周期精准标定优质页岩层段分布

轨道周期约束下的高精度层序界面构建对识别优势页岩储层段及甜点层有重要指导意义。轨道周期通过调制气候变化控制海平面升降，进而对页岩储层的发育产生重要影响。长偏心率周期通过调节0.4 Myr尺度海平面变化控制沉积环境（相）演化，影响优势页岩储层段的发育；短偏心率周期通过调节0.1 Myr 尺度海平面变化控制沉积环境（亚相）演化，影响页岩甜点层的发育。其中，长偏心率约束下的PSQ1 及PSQ3两个四级层序为优质页岩段，TOC相对较高，分别为3.5 %及2.6 %；在四级层序PSQ1 中，短偏心率约束下的五级层序FSQ2 为页岩甜点层，TOC较为丰富，为6.7 %。长偏心率约束下的四级层序对优势页岩储层段的识别有重要意义。PSQ1及PSQ3为优势页岩储层段，相对海平面较高且最大海泛面处TOC富集。PSQ1阶段随着海水持续侵入，海平面相对较高（图10a），沉积环境由氧化转为还原且利于有机质保存［19］，具有相对高TOC（3.50 %）、含气性（1.60 m3/t）及孔隙度（4.73 %）等特征。PSQ3 阶段虽然因仍受海水影响而海平面较高，但其水体盐度降低表明，海水影响愈来愈弱，沉积环境趋于氧化，不利于有机质保存［19］。具有中TOC（2.62 %）、高含气性（1.97 m3/t）及低孔隙度（3.01 %）等特征（图10a）。短偏心率约束下的五级层序对优势页岩储层段的甜点层识别有重要意义。FSQ2为PSQ1优势页岩储层段中的甜点层。在四级层序约束下，五级层序FSQ2 海平面相对较高，最大海泛面与四级层序PSQ1 一致，气候偏暖，具有高TOC（6.70 %）、含气性（2.46 %）及孔隙度（5.30 %）等特征（图10b）；FSQ1 及FSQ3 海平面相对较低，储层品质明显较差。

基于四级及五级层序的精细刻画，认为FSQ2层位开发潜力巨大，且甜点层的精准识别有利于水平井靶区导向。结合TOC、含气性、孔隙度及优势沉积亚相分析，在静态地质层面上，对于同一平台上相同方向的水平井而言，位于PSQ1中FSQ2小层内的水平井段，其压裂获气效果好于山23亚段中上部PSQ2，PSQ3 及PSQ4小层内的。通过地质特征的有效预测，能为海-陆过渡相页岩的高效开发提供理论借鉴和技术支撑。

5 结论

1） 大宁—吉县地区山23亚段良好地记录了天文周期信号，其最佳平均沉积速率为2.94 cm/kyr，并在其约束下识别出了405 kyr长偏心率周期、111 kyr短偏心率周期及44 kyr斜率周期，且长偏心率周期、短偏心率周期分别对应四级、五级高频层序。

2） 不同级次轨道周期通过对不同时间尺度沉积环境的约束，来调节沉积物的分配，主要表现为矿物组分的差异组合。长偏心率周期通过控制相尺度的沉积环境的变化来调控不同的矿物组合，短偏心率周期通过控制亚相尺度的沉积环境的变化来分配优势矿物类型。

3） 轨道周期约束下高精度层序界面构建为优势页岩储层段及甜点层识别提供了技术支撑。轨道周期通过调制气候变化控制海平面升降，进而对页岩储层的发育产生重要影响。长偏心率周期通过调节0.4 Myr尺度海平面变化控制沉积环境（相）演化，影响优势页岩储层段的发育；短偏心率周期通过调节0.1 Myr 尺度海平面变化控制沉积环境（亚相）演化，影响页岩甜点层的发育。