楊勇強(qiáng)，邱隆偉，孫寶強(qiáng)

(中國(guó)石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東青島 266580)

陸相“紅層”等時(shí)地層對(duì)比新方法在東營(yíng)凹陷南斜坡的應(yīng)用

楊勇強(qiáng)，邱隆偉，孫寶強(qiáng)

(中國(guó)石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東青島 266580)

“紅層”地層缺乏古生物，俗稱“啞地層”，地層地質(zhì)年代研究難度大，缺乏穩(wěn)定的巖電標(biāo)志，等時(shí)對(duì)比缺乏有效的方法手段。利用古生物、錄井、測(cè)井及地震等資料對(duì)“紅層”的地層特征、層序地層對(duì)比理論和對(duì)比方法進(jìn)行研究。結(jié)果表明：“紅層”缺乏明顯的低水位體系域沉積，湖平面主要受季節(jié)性洪水控制，地層明顯呈現(xiàn)出二分性的特征;將Vail與Cross兩套層序地層學(xué)理論體系有機(jī)結(jié)合，可以有效地解決“紅層”地層劃分難的問題;通過“宏觀界面約束－內(nèi)部精細(xì)旋回劃分－多因素綜合”的地層對(duì)比方法流程可以很好地建立研究區(qū)的層序地層格架。

東營(yíng)凹陷南坡;紅層;層序地層;劃分方法

近年來，東營(yíng)凹陷古近系沙河街組四段下部與孔店組“紅層”逐漸成為勘探的熱點(diǎn)［1］。由于埋藏深度主要在3.0 km以下，地震反射特征不明顯，鉆井揭露程度低，古生物化石稀少，地層劃分與對(duì)比缺乏有效的方法手段。不同學(xué)者利用磁性地層學(xué)、層序地層學(xué)、同位素地層學(xué)和旋回地層學(xué)等新方法進(jìn)行對(duì)比研究［2-3］，但前人確立的三級(jí)層序界面缺乏等時(shí)性和全區(qū)可對(duì)比性，不同方法劃分地層結(jié)果差異較大，未建立全區(qū)統(tǒng)一的劃分對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)，且紅層內(nèi)部四級(jí)層序的精細(xì)劃分還沒有全區(qū)展開，部分井雖然做了一定嘗試，但在三級(jí)層序劃分不準(zhǔn)確的情況下，四級(jí)層序的層位和時(shí)代意義不大，直接影響到了下一步的精細(xì)勘探。筆者通過對(duì)主要層序地層學(xué)學(xué)派的理論基礎(chǔ)及各類層序等時(shí)對(duì)比方法進(jìn)行適用性的分析，對(duì)適用于“紅層”的地層對(duì)比方法進(jìn)行進(jìn)一步研究，建立研究區(qū)的層序地層劃分方案。

1 “紅層”地層對(duì)比理論分析

1.1 V(Vail)—C(Cross)法可行性分析

經(jīng)典層序地層學(xué)理論與高分辨率層序地層學(xué)理論在理論基礎(chǔ)、對(duì)層序成因的認(rèn)識(shí)、層序的劃分乃至層序邊界的界定、層序級(jí)次上的觀點(diǎn)均大有不同：經(jīng)典層序地層學(xué)的方法在較大范圍和宏觀層序格架的建立中具有較好的適用性;高分辨率層序地層學(xué)是依據(jù)可容納空間和A/S值的變化趨勢(shì)識(shí)別基準(zhǔn)面旋回界面，可以在以不整合面為界的三級(jí)層序內(nèi)部進(jìn)行高精度地層單元?jiǎng)澐峙c對(duì)比，在深化層序內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征的研究上具有獨(dú)到之處［4-7］。盡管兩種理論存在較大的差異，但都可以簡(jiǎn)化為一點(diǎn)：某一控制因素(水平面或基準(zhǔn)面)規(guī)律性變化導(dǎo)致了地層的旋回性沉積，進(jìn)而產(chǎn)生了層序。兩者對(duì)于層序的理解和層序識(shí)別、劃分的方法都是基于可容空間的變化，層序界面和體系域主要界限分別對(duì)應(yīng)于兩個(gè)變化的極值，因而兩種層序地層學(xué)理論具有統(tǒng)一的核心思想［8-9］，這為兩者的結(jié)合使用奠定了基礎(chǔ)。

兩種理論在層序級(jí)次劃分上雖然有較大不同，但在具體操作中如果認(rèn)為經(jīng)典層序地層學(xué)理論的三級(jí)層序(即層序)與高分辨率層序地層學(xué)理論的長(zhǎng)期基準(zhǔn)面旋回在時(shí)間上基本相當(dāng)，而準(zhǔn)層序組、準(zhǔn)層序分別與中期、短期基準(zhǔn)面旋回相對(duì)應(yīng)，那么經(jīng)典層序地層學(xué)與高分辨率層序地層學(xué)的層序規(guī)模在理論上就可以統(tǒng)一起來，從而能夠進(jìn)行對(duì)比［9］。

1.2 研究區(qū)地層特征分析

前期對(duì)研究區(qū)沉積特征的研究表明，孔店組為干旱氣候環(huán)境下的洪水—漫湖沉積體系，沙四下亞段則發(fā)育沖積—咸水湖沉積體系［10］?！凹t層”缺乏明顯的低水位體系域，湖平面主要受季節(jié)性洪水控制，垂向上地層明顯呈現(xiàn)出二分性：基準(zhǔn)面上升半旋回，盆地周緣洪水注入湖盆，并攜帶大量沉積物形成洪水水道及其被后期波浪改造后形成砂坪及混合坪等沉積，湖水鹽度降低，主要沉積泥巖、灰質(zhì)泥巖、膏質(zhì)泥等;基準(zhǔn)面下降半旋回洪水期后期水體能量逐漸降低，主要形成厚層的砂泥混合坪及泥坪沉積［11］。正是由于這種特殊的地層結(jié)構(gòu)，為兩種地層理論的結(jié)合提供了可能性。

通過地震、古生物等資料的分析，沙四下亞段為一個(gè)完整的三級(jí)層序，頂?shù)捉缇€分別為T7x和Tk，為明顯的區(qū)域不整合面，在南坡邊部具有明顯的剝蝕現(xiàn)象，到腹部地區(qū)變?yōu)檎唤缑妫徽厦婧团c之對(duì)應(yīng)的整合面就構(gòu)成了目的層頂?shù)椎膶有蚪缑?。從湖盆的沉積特征出發(fā)，可以將研究區(qū)二分為湖退體系域和湖進(jìn)體系域。湖進(jìn)體系域和湖退體系域的分界面就是地層Ⅰ和Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ之間的界面，而地層Ⅰ、Ⅲ相當(dāng)于湖退體系域，地層Ⅱ、Ⅳ相當(dāng)于湖進(jìn)體系域(圖1)。對(duì)研究區(qū)錄、測(cè)井特征的研究表明，地層II和III之間的界面是一套區(qū)域性基準(zhǔn)面下降與上升轉(zhuǎn)換面，可以作為長(zhǎng)期基準(zhǔn)面旋回的層序界線。Ⅱ和Ⅳ的頂界為穩(wěn)定的泥巖段，沉積于湖盆短暫擴(kuò)張時(shí)期，又可以作為長(zhǎng)期基準(zhǔn)面旋回的轉(zhuǎn)換面。也就是說，研究區(qū)用經(jīng)典層序地層學(xué)理論解釋，可以作為一個(gè)完整的層序，而用高分辨率層序地層學(xué)分析，為兩個(gè)長(zhǎng)期基準(zhǔn)面旋回，所以兩種地層學(xué)理論的層序界面在該區(qū)可以相互借鑒，具有可結(jié)合性。因此，通過采用V(Vail)-C(Cross)地層對(duì)比法是有效解決“紅層”劃分的理論支持，即通過經(jīng)典層序地層的方法識(shí)別區(qū)域的不整合面，建立低級(jí)別的層序地層格架，在格架內(nèi)以高分辨率層序地層學(xué)方法為基礎(chǔ)，通過沉積作用轉(zhuǎn)換面的識(shí)別、對(duì)比，建立區(qū)帶級(jí)精細(xì)的層序地層對(duì)比格架。

圖1 東營(yíng)凹陷南坡“紅層”地層結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Strata structure of redbeds in south slope of Dongying depression

2 “紅層”地層對(duì)比劃分方法

2.1 時(shí)空法確定宏觀主界面

準(zhǔn)確的厘定三級(jí)層序界面，是進(jìn)行精細(xì)地層劃分的基礎(chǔ)。由于“紅層”沉積環(huán)境的特殊性，因此與上下接觸的地層在古生物和巖性的特征上存在明顯的差異，同時(shí)古生物資料和特殊巖性具有明確的時(shí)間意義。因此，在識(shí)別宏觀主界面時(shí)，首先系統(tǒng)分析了古生物資料和錄井巖性，明確了各界面的時(shí)間意義，以地震合成記錄為紐帶，將時(shí)間轉(zhuǎn)化到空間，同時(shí)綜合測(cè)井、地震資料，多種因素綜合確定“紅層”頂?shù)椎慕缇€和沙四下亞段與孔店組地層的界線。

2.1.1 古生物和巖性資料限定地層時(shí)間單元

對(duì)4口“紅層”取心井的微體古生物分析研究發(fā)現(xiàn)，沙河街組四段上、下亞段間和沙四下亞段與孔店組一段間存在明顯的分界線。沙河街組四段上、下亞段間分界劃分的主要依據(jù)有：①在純古1井沙四上亞段找到重要分子光滑南星介Austrocypris levis;②在王46井和純古1井沙四上亞段發(fā)現(xiàn)廣泛分布于渤海沿岸地區(qū)沙河街組四段上亞段的德弗蘭藻Deflandrea組合;③王46、純古1、梁120井中發(fā)現(xiàn)的段孢粉組合可與渤海沿岸地區(qū)沙河街組四段中、上亞段孢粉組合比較，且界面之下麻黃粉屬的含量明顯增大(圖2)。沙四下亞段與孔店組一段間分界劃分的主要依據(jù)有：①與界線之上相比，在界線之下，三孔溝類花粉類型較多樣，總百分含量略高，干旱性植物孢粉含量處于最高峰處;②在純古1井2.852～2.858 km井段見華南新輪藻比較種Neochara cf huananensis，華南新輪藻為中國(guó)南方古新世至早始新世重要的輪藻化石分子，在昌濰坳陷分布于孔店組二段中—上部，孔店組一段的頂部界線無疑應(yīng)在其之上。在所有分析井中未出現(xiàn)小刺鷹粉、褶皺樺粉等孔店組二段的關(guān)鍵分子，說明南坡不存在孔店組二段或厚度很薄。

圖2 東營(yíng)凹陷南坡王46井古生物含量縱向變化Fig.2 Vertical variation of palaeobios content of well Wang 46 of Lower Es4in Dongying depression

由于“紅層”沉積環(huán)境的特殊性，因此其巖性與上下地層存在明顯差異?！凹t層”主要沉積大套厚層紫色及紅色的礫巖、礫狀砂巖和火山巖，上覆地層沙四上亞段多為一套灰色、深灰色泥巖、灰?guī)r夾少量白云巖、褐灰色油頁(yè)巖;下伏地層主要為中生界地層，由于造成不同構(gòu)造位置遭受風(fēng)化剝蝕強(qiáng)度不同，與孔店組接觸的層位也有所不同。其中白堊系地層的標(biāo)志層為大段厚層、巨厚層安山巖，侏羅系的標(biāo)志層為厚層凝灰?guī)r、安山巖，上古生界石炭系為大段、礫狀砂巖并含有煤層，奧陶系為厚層石灰?guī)r以及白云巖。

2.1.2 地震、錄井、測(cè)井多種因素綜合確定區(qū)域界面特征

通過對(duì)研究區(qū)地震剖面的仔細(xì)分析，認(rèn)為存在3條有意義的不整合面。首先，孔店組下伏中生界地層之間存在一條大型的角度不整合面，界面起伏較大，呈凹凸不平接觸，這是由于燕山運(yùn)動(dòng)盆地整體抬升造成區(qū)域性地層剝蝕，形成沉積間斷;其次，沙四上亞段沉積時(shí)期，濟(jì)陽(yáng)運(yùn)動(dòng)已經(jīng)發(fā)生，湖盆下降，東營(yíng)凹陷周邊山地抬升，使得斜坡帶沙四下亞段頂部沉積遭遇剝蝕，使“紅層”與沙四上地層之間存在明顯的不整合面;最后，本次研究首次發(fā)現(xiàn)沙四下亞段與孔店組之間存在一個(gè)區(qū)域的不整合面，定義為Tk，在南坡地區(qū)可以發(fā)現(xiàn)明顯的削截現(xiàn)象［10］，且與古生物資料取得的劃分結(jié)果相一致。

由于“紅層”與上覆和下伏地層在測(cè)井響應(yīng)上也存在著一些明顯的標(biāo)志，易于地層的對(duì)比。從全區(qū)來看“紅層”頂界面處電阻率曲線與補(bǔ)償聲波時(shí)差曲線上的響應(yīng)較明顯：電阻率曲線沙四上、下幅度差異明顯，界面之上表現(xiàn)為高阻，界面之下明顯降低;補(bǔ)償聲波時(shí)差曲線沙四上多呈高中幅尖刺狀，而界線之下補(bǔ)償聲波時(shí)差曲線呈低幅尖峰狀或微齒狀，界面上下幅度差異明顯?？傮w而言，孔店組與下伏地層的測(cè)井響應(yīng)在電阻率曲線上表現(xiàn)為界面上部為低阻，界面下部為高阻;在界面以下感應(yīng)電導(dǎo)率和補(bǔ)償聲波時(shí)差驟然減小。

2.2 小波、聲波(變換)定旋回

東營(yíng)凹陷南坡紅層沉積時(shí)期，構(gòu)造活動(dòng)弱，湖平面主要受季節(jié)性洪水控制，因此不整合面發(fā)育，且垂向上地層明顯呈現(xiàn)出二分性，旋回性較為明顯。因此，本次研究主要應(yīng)用泥巖聲波時(shí)差法和小波變換法進(jìn)行單井旋回界面的劃分和多井間的對(duì)比，同時(shí)通過對(duì)復(fù)雜的自然伽馬曲線進(jìn)行小波平滑處理得到小波曲線，自動(dòng)提取出自然伽馬曲線的趨勢(shì)或者周期變化，反映砂泥相對(duì)含量沿垂向的周期性變化規(guī)律，也就是所謂的“由粗到細(xì)，由細(xì)到粗”旋回，該旋回代表A/S值變化周期［12-13］。

2.2.1 測(cè)井小波變換進(jìn)行沉積旋回精細(xì)劃分

通過對(duì)“紅層”測(cè)井曲線的反復(fù)試驗(yàn)，本次研究提出一套適合“紅層”的小波層序劃分方法，將一維測(cè)井信息轉(zhuǎn)換為二維深度—尺度信息，綜合應(yīng)用小波能量譜系圖和小波系數(shù)曲線圖進(jìn)行層序地層劃分，主要表現(xiàn)為：①小波分析能量譜系圖上各能量團(tuán)之間的間斷點(diǎn)及小波系數(shù)曲線劇烈震蕩處可作為地層突變界面，對(duì)應(yīng)地層中的沉積不整合面反映了沉積環(huán)境的改變，可作為層序界面;②因小波能譜圖具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，不因曲線段的變化而發(fā)生特征上的變化，根據(jù)小波能量譜系圖中能量團(tuán)的垂向組合和發(fā)育形態(tài)可判斷地層發(fā)育特征，進(jìn)行區(qū)域地層對(duì)比(圖3);③小波系數(shù)曲線隨深度在形態(tài)上的移動(dòng)反映了地層沉積物粒度、水動(dòng)力條件等的變化，可用于分析地層的旋回性。該方法有效地彌補(bǔ)了紅層因地震資料差、井間區(qū)域?qū)Ρ热鄙偌s束的缺陷，且具有高效性和可視化特點(diǎn)［14］。

圖3 東營(yíng)凹陷南坡沙四下亞段多井能譜特征對(duì)比劃分Fig.3 Division and correlation of wavelet energy spectrum by muti-wells of Lower Es4 in Dongying depression

2.2.2 泥巖聲波時(shí)差確定旋回界線

在正常埋藏壓實(shí)條件下，同一口井同一巖性的連續(xù)沉積地層，泥巖聲波時(shí)差表現(xiàn)為一條具有一定斜率的直線，但是不整合的存在往往使這種直線型特征發(fā)生變化［15］，該方法常被用于深水層序的劃分，也有不少學(xué)者在紅層中進(jìn)行了嘗試，取得了不錯(cuò)的效果［2］。本次研究對(duì)東營(yíng)南坡地區(qū)孔店組40口井的泥巖聲波時(shí)差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可以很好地分析內(nèi)部的基準(zhǔn)面下降與上升的轉(zhuǎn)換面。其界面反射樣式共有4種類型：①界面上下回歸線發(fā)生明顯的錯(cuò)開;②界面上下回歸線的斜率不同，但回歸線未發(fā)生錯(cuò)開，呈折線;③界面之下存在異常點(diǎn)或異常段;④界面上下的回歸線無異常，呈一條直線等特征。其中前兩種類型的界面位置較易識(shí)別，而后兩種類型的界面識(shí)別存在主觀性，難于直接準(zhǔn)確地確定界面位置(圖4)。

圖4 東營(yíng)凹陷南坡梁120井沙四下亞段層序地層劃分Fig.4 Sequence stratigraphic division of well Liang 120 of Lower Es4in Dongying depression

3 “紅層”等時(shí)地層劃分方案

選取資料和地層發(fā)育較全的兩口井為代表，對(duì)紅層內(nèi)部進(jìn)行精細(xì)劃分。選取梁120井的自然伽馬測(cè)井曲線，選用db4小波基進(jìn)行連續(xù)小波變換，得到小波系數(shù)曲線圖和小波譜系圖。通過小波變換譜系圖可以發(fā)現(xiàn)，全井段可以被劃分為4個(gè)能量團(tuán)，各能量團(tuán)之間的間斷點(diǎn)對(duì)應(yīng)著層序界面，在基準(zhǔn)面下降與上升轉(zhuǎn)換面處，小波系數(shù)振蕩劇烈，因此T7x和Tk為層序界面，而T8’對(duì)應(yīng)基準(zhǔn)面下降與上升轉(zhuǎn)換面，從巖性上看明顯為一套泥巖發(fā)育段為洪泛面。因此，將東營(yíng)南坡沙四下亞段劃分為兩個(gè)層序SQ5、SQ4，每一個(gè)層序可以劃分為一個(gè)上升半旋回和一個(gè)下降半旋回(圖4)。研究表明，以往認(rèn)為的“紅層”頂界并非為一個(gè)等時(shí)界面，越靠近洼陷邊部，頂部沙四下地層逐漸發(fā)生剝蝕，如純古1井沙四下亞段層序SQ5被完全剝掉。通過多種層序分析方法對(duì)純古1井孔店組地層界面進(jìn)行識(shí)別，從小波譜系圖上看，孔店組地層表現(xiàn)為3個(gè)穩(wěn)定的能量團(tuán)，存在4個(gè)間斷點(diǎn)，因此可以將其劃分為3個(gè)層序，且各界面的泥巖聲波時(shí)差響應(yīng)特征明顯，通過小波曲線對(duì)孔店各層序內(nèi)部進(jìn)行旋回的劃分，其中層序3和層序2可以劃分為兩個(gè)完整的基準(zhǔn)面旋回，層序1包括一個(gè)基準(zhǔn)面旋回(圖5)。

圖5 東營(yíng)凹陷南坡純古1井孔一段層序地層劃分Fig.5 Sequence stratigraphic division of well chungu 1 of Lower Es4in Dongying depression

4 結(jié)論

(1)東營(yíng)凹陷南坡“紅層”為干旱氣候下非穩(wěn)定性湖盆的沉積建造，不整合廣泛發(fā)育，地層內(nèi)部缺乏明顯的低水位體系域沉積，湖平面主要受季節(jié)性洪水控制，垂向上地層明顯呈現(xiàn)出二分性的特征。

(2)干旱氣候背景下形成的“紅層”在垂向上地層結(jié)構(gòu)為“V-C”地層對(duì)比理論的使用奠定了基礎(chǔ)。該理論的核心是首先通過經(jīng)典層序地層的方法識(shí)別區(qū)域的不整合面，建立低級(jí)別的層序地層格架，在格架內(nèi)以高分辨率層序地層學(xué)方法為基礎(chǔ)，通過沉積作用轉(zhuǎn)換面的識(shí)別、對(duì)比，建立區(qū)帶級(jí)精細(xì)的層序地層對(duì)比格架。

(3)以地質(zhì)模型為出發(fā)點(diǎn)的“宏觀界面約束－內(nèi)部精細(xì)旋回劃分－多因素綜合”的等時(shí)地層分析和對(duì)比方法，注重各種方法在整個(gè)東營(yíng)凹陷南部緩坡帶的適用性及不同環(huán)境的層序界面響應(yīng)方式，可以更加有效地建立“紅層”的精細(xì)地層格架。

(4)東營(yíng)凹陷南坡“紅層”可以劃分為5個(gè)四級(jí)層序，進(jìn)一步可以細(xì)分為7個(gè)完整的基準(zhǔn)面旋回。

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Application of new method of time-stratigraphic comparison of terrestrial red beds in southern slope of Dongying depression

YANG Yong-qiang，QIU Long-wei，SUN Bao-qiang
(School of Geosciences in China University of Petroleum，Qingdao 266580，China)

The red beds are commonly known as"the barren stratum"because of lacking paleontological fossils.For the difficulty in the strata geologic age research and the shortage of stable rock electric signs，there are many difficulties in the isochronous correlation research.Based on palaeontology，logging，well logging and seismic，the strata feature，correlation theory of sequence stratigraphy and correlation method of the red beds were studied.The results show that the red beds take on the dichotomy clearly because of the lack of low stand systems tract sediment and the lake level is controlled by seasonal flood.The difficulty of stratigraphic division for the red beds could be solved effectively through dynamic integration of the theory of sequence stratigraphy of"Vail+Cross".A fine stratigraphic framework suitable for the study area can be established by the method of stratigraphy analysis，which is"macro-interface constraint，internal-fine cycle division，controlled by multi-factor method".

southern slope of Dongying depression;red beds;sequence stratigraphy;division method

P 539.2

A

10.3969/j.issn.1673-5005.2012.02.003

1673-5005(2012)02-0016-06

2011－09－06

國(guó)家重大專項(xiàng)課題(2008ZX05009－002);中國(guó)石油大學(xué)(華東)優(yōu)秀博士論文培育項(xiàng)目

楊勇強(qiáng)(1982－)，男(漢族)，寧夏銀川人，博士研究生，主要從事層序地層及沉積學(xué)研究。

(編輯 徐會(huì)永)