天文轨道周期调制的海平面变...东北地区晚二叠世长兴期为例_李红佼.pdf
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1、断块油气田2023年1月天文轨道周期调制的海平面变化对生物礁发育的影响以川东北地区晚二叠世长兴期为例李红佼1,张廷山1,张喜1,2,肖强3,高璐彪1(1.西南石油大学地球科学与技术学院,四川 成都610500;2.西南石油大学天然气地质四川省重点实验室,四川 成都610500;3.中国石化西北油田分公司勘探开发研究院,新疆 乌鲁木齐830011)基金项目:国家自然科学基金项目“多场耦合条件下甲烷/二氧化碳在页岩非均质储层中的动力学特征研究”(41772150)、“四川盆地北部晚三叠世须家河期古气候的沉积生态响应”(41972120)收稿日期:20220709;改回日期:20221106。第一作
2、者:李红佼,女,1996年生,在读硕士研究生,主要从事旋回地层学和油气地质研究。E-mail:。通信作者:张廷山,男,1961年生,教授,主要从事沉积学研究。E-mail:。0引言四川盆地二叠系长兴组生物礁油气勘探不断取得新进展,相继在开江梁平海槽、武胜蓬溪台洼发现了普光、龙岗、元坝和铁山等7个生物礁气田13,展示了四川盆地二叠系长兴组生物礁良好的勘探前景和巨摘要为探讨天文轨道周期驱动下全球海平面升降对生物礁发育的影响,选取湾滩河剖面长兴期自然伽马数据序列进行数据预处理、频谱分析、天文检验、滤波和调谐后,建立“浮动”天文年代标尺。文中基于旋回地层学、2种轨道调谐后的动态沉积噪音模型(DYNOT
3、和1)分析结果、La2010d天文调制方案以及长偏心率周期(405 kyr)与斜率长周期(1.2 myr)的正相关性可知,斜率长周期(1.2 myr)与海平面变化曲线具有相关性,该时期海平面变化受到轨道长周期(1.2 myr)驱动。无机碳同位素分析表明,轨道长周期(1.2 myr)驱动下的海平面升降影响着海洋环境的变化,进而影响着生物礁的生长发育。关键词旋回地层学;古气候;海平面变化;生物礁;驱动力;川东北地区中图分类号:TE121.3+4文献标志码:A引用格式:李红佼,张廷山,张喜,等.天文轨道周期调制的海平面变化对生物礁发育的影响:以川东北地区晚二叠世长兴期为例J.断块油气田,2023,3
4、0(1):5259.LI Hongjiao,ZHANG Tingshan,ZHANG Xi,et al.Effects of sea level change modulated by astronomical orbital period on organic reefsdevelopment:a case study of Late Permian Changxing in Northeast SichuanJ.Fault-Block Oil&Gas Field,2023,30(1):5259.Effects of sea level change modulated by astrono
5、mical orbital period on organic reefsdevelopment:a case study of Late Permian Changxing in Northeast SichuanLI Hongjiao1,ZHANG Tingshan1,ZHANG Xi1,2,XIAO Qiang3,GAO Lubiao1(1.School of Earth Science and Technology,Southwest Petroleum University,Chengdu 610500,China;2.Natural Gas Geology KeyLaborator
6、y of Sichuan Province,Sothwest Petroleum University,Chengdu 610500,China;3.Petroleum Exploration and ProductionResearch Institute,Northwest Oilfield Company,SINOPEC,Urumqi 830011,China)Abstract:In order to investigate the effect of global sea level rise and fall driven by astronomical orbit period o
7、n the development oforganic reefs,the natural gamma data sequence of the Changxing period of Wantanhe section was selected.After data preprocessing,spectrum analysis,astronomical test,filtering and astronomical tuning,a floating astronomical age scale was established.Based onthe analysis results of
8、cyclostratigraphy and two dynamic sedimentary noise models based on orbital tuning(DYNOT and 1),combined with the astronomical modulation schemes of La2010d,and the positive correlation between long eccentricity period(405kyr)and obliquity long period(1.2 myr),it is shown that the obliquity long per
9、iod(1.2 myr)is correlated with the sea level changecurve,and the sea level change during this period is driven by the orbital long period(1.2 myr).Inorganic carbon isotope analysisindicates that sea level rise and fall driven by orbital long period(1.2 myr)affect changes of marine environment,which
10、in turnaffects the growth and development of organic reefs.Key words:cyclostratigraphy;paleoclimate;sea level change;organic reefs;driving force;Northeast Sichuandoi:10.6056/dkyqt202301008断块油气田FAULT-BLOCK OIL GAS FIELD第30卷第1期第30卷第1期大的勘探潜力。生物礁的生长环境、形态规模、发育演化及其控制因素等受到了广泛关注,但生物礁生长发育的主控因素一直是研究热点和难点。国内外学
11、者运用铀系法测年4、岩心观察5、高分辨率层序地层6及地震7等方法,并结合古生物8认为,海平面变化(海水深度)对生物礁发育有重要的影响。随着旋回地层学迅速发展,有学者认为海平面变化与天文轨道周期有关,轨道周期变化驱动的气候变化调制全球海平面周期性波动,并被记录在沉积物中9。越来越多来自古生代、中生代和新生代的证据也表明,天文轨道周期通过调制气候波动来控制海平面变化。张喜等1012证实了古生代1.2 myr斜率长周期调制的气候波动控制了三级海平面波动。Lourens等13证明了新生代天文轨道周期驱动下的气候变化控制了不同级次的海平面波动。Boulila等14基于新生代、古生代轨道周期控制主导频率的
12、升降序列层次结构表明,轨道周期对海平面变化有一定的影响。长兴期海平面变化是否受轨道周期控制?生物礁的发育与轨道周期是否有关系?针对这些问题,笔者对四川盆地东北部湾滩河剖面长兴组开展了旋回地层、古生物地层、无机碳同位素地层等研究,试图探索长兴期生物礁发育是否受天文轨道周期调制的海平面变化的影响,为生物礁发育主控因素的研究提供新思路。1地质概况四川盆地构造上属于扬子板块(见图1),沉积基底是前震旦系的变质岩及岩浆岩,其盖层为震旦纪中三叠世海相碳酸盐岩和晚三叠世始新世陆相碎屑岩15,是在克拉通盆地基础上发展起来的大型多旋回叠合盆地16。受古地貌格局和构造活动影响,长兴组在四川盆地主要集中分布在川东和
13、川中,川北和川西北出露较少。川中和川西北长兴组地层与下伏龙潭组地层呈假整合接触;川北和川东地区长兴组地层与下伏吴家坪组地层呈整合接触,与上覆飞仙关组地层呈整合接触17。长兴组不同相带地层厚度相差较大,台地边缘大于开阔台地大于斜坡相大于海槽区,薄处仅50 m左右,厚达500 m。长兴组主要发育石灰岩、生屑灰岩、燧石灰岩、泥灰岩,夹少量泥岩或白云岩。地层中古生物繁多,主要为有孔虫、海绵、蜓类、珊瑚等多种生物。2数据与方法本研究样品采集于重庆市巫溪县尖山镇湾滩河剖面(见图1)。湾滩河剖面长兴组地层厚度约253.5 m,除去表面的风化层,以1015 cm的间距进行样品采集,共采集新鲜样品86个,将以上
14、样品进行无机碳同位素(13Ccarb)测试分析。采用自然伽马仪获取自然伽马(GR)数据序列,间距为0.125m。GR值介于11.12545.121 API,波动不大。对原始GR数据序列去异常值、插值和去趋势等处理,整体形态和峰值未发生显著变化,使得原始数据序列中的周期信号在经过上述处理后仍然保存完整。利用多窗口频谱分析方法(MTM)对13Ccarb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%置信线的峰值频率进行分析。对数据序列进行滑动窗口频谱分析(EFFT)及高斯带通滤波处理,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岁差周期,并建立晚二叠世长兴期的高精度
15、“浮动”天文年代标尺。利用“Age Scale”模块,将13Ccarb深度域数据序列向时间域转换。重复上述数据处理过程,实现将目标段深度域旋回地层向时间域转换18。图1四川盆地大地构造分区及研究区位置Fig.1Geotectonic division and study area location map of Sichuan Basin3旋回地层学分析3.1长兴期旋回地层特征3.1.1深度域频谱分析本文运用多窗口频谱分析方法对预处理后过的自然伽马数据序列进行了频谱分析(见图2a。图中,E为长偏心率滤波,e为短偏心率滤波,o为斜率滤波,p为岁差滤波)。频谱分析可知,在46.97,14.58,3
16、.73,2.38m处均有较明显的谱峰,对应的沉积旋回厚度比为李红佼,等.天文轨道周期调制的海平面变化对生物礁发育的影响:以川东北地区晚二叠世长兴期为例53断块油气田2023年1月19.746.131.661.00,与晚二叠世各轨道周期参数比(20.235.001.701.00)较为接近,表明它们可能代表了长偏心率、短偏心率、斜率和岁差周期。研究结果显示,多窗口频谱分析显示的谱峰在滑动窗口频谱分析中基本能找到对应的能量谱(见图2b)。其中,代表长偏心率周期(405 kyr)的沉积旋回,高能量位置显著且连续,在沉积地层中的周期信号较为完整。图2湾滩河剖面长兴组GR数据序列深度域频谱分析Fig.2D
17、epth domain spectrum analysis of GR data sequence of ChangxingFormation in Wantanhe section3.1.2天文检验采用相关系数法(COCO)对上述分析结果进行检验。根据湾滩河剖面长兴组地层厚度及长兴期持续时间(约为1.97 Ma),估算其沉积速率约为12.87 cm/kyr。将数据序列的频率设定为00.06 cycle/kyr,沉积速率预估值界定在140 cm/kyr,间距为0.125 cm/kyr,通过2 000次Monte Carlo模拟进行置信计算。湾滩河剖面长兴组COCO分析结果见图3。零假设置信水平
18、(H0SL)模拟结果显示,湾滩河剖面长兴组的沉积速率变化在10.2512.75 cm/kyr,与预估的沉积速率极为接近,并存在多个最优沉积速率解(主要包括2.250,3.125,3.500,5.375,10.750,11.000,11.500,12.250cm/kyr等)。其中,最优沉积速率为11.500 cm/kyr(见图3a,3b),且变化范围内的匹配轨道个数均为7(见图3c)。该地层中轨道周期信号保存较好。a相关系数b零假设置信水平c匹配轨道数图3湾滩河剖面长兴组COCO分析Fig.3COCO analysis of Changxing Formation in Wantanhe sec
19、tion3.1.3滤波和调谐根据频谱分析结果,运用滤波器,将湾滩河剖面长兴组中代表长偏心率旋回周期(46.97 m)、短偏心率旋回周期(14.58 m)、斜率旋回周期(3.94 m)、岁差旋回周期(2.38 m)从GR数据序列中提取出来。长偏心率周期(405 kyr)是天文轨道周期参数中最稳定的周期。因此,以其为标准进行天文调谐,通过模型曲线对比,完成GR数据序列从深度域向时间域的转换。3.1.4时间域频谱分析由于要检验上述滤波调谐结果的可靠性,将转换为时间序列的的自然伽马数据再次进行多窗口频谱分析及滑动窗口频谱分析(见图4)。在405.00,125.80,41.31,20.34 kyr处有显
20、著的谱峰,置信度较高,与晚二叠世天文轨道周期的理论比值20.235.001.701.00最为接近,且基本符合Berger界定的周期范围(见图5)。其中405.00 kyr处的长偏心率周期能量谱最为显著和连续,其次为短偏心率、斜率周期,岁差周期能量谱不连续,可能与短时间内环境波动有关,使得其记录不全。a多窗口频谱分析;b滑动窗口频谱分析54第30卷第1期图4湾滩河剖面长兴组405 kyr调谐后时间域频谱分析Fig.4Time domain spectrum analysis after 405 kyr tuning of ChangxingFormation in Wantanhe sectio
21、n3.2“浮动”天文年代标尺通过湾滩河剖面自然伽马数据序列的频谱分析及滤波,以405 kyr长偏心率周期为基准,经过天文校正,建立了湾滩河剖面晚二叠世长兴期高精度“浮动”天文年代标尺(见图5)。晚二叠世长兴期对应约5个长偏心率周期、17个短偏心率周期、52个斜率长周期及105个岁差周期,由此估算的长兴期持续时间分别为2 025.00,2 138.60,2 148.12,2 135.70 kyr,这与Li等9所建立的天文年代标尺的持续时间基本对应。由于野外地质条件的限制,未能见到长兴组与龙潭组的分界线。但从古生物化石和岩性变化看,距分界线的距离较近,而此次旋回地层学的研究也印证了这一点,即估算的
22、长兴阶持续时间(2.112 myr)与GSSP2018版所界定的长兴阶持续时间(2.2380.046 myr)极为接近。3.3湾滩河剖面长兴期生物礁组合规律通过湾滩河剖面的观测,生物礁可分为骨架礁、生物礁丘、微生物丘3种类型,结合地层划分和剖面组合特征,分为3种组合序列。1)骨架礁生物礁丘。该组合主要发育于长兴组中期,即长兴组一段二段,同Clarkina changxingensis生物带基本对应,自下而上由骨架礁和生物礁丘组成主体结构。骨架礁形态规模普遍较大,一般为基底,大多生长在腕足、海百合等生物碎屑经胶结作用构建的硬底之上。生物礁丘常发育在骨架礁之上。2)生物礁丘微生物丘。该组合主要发育
23、于长兴组中、晚期,即长兴组二段三段,基本对应于Clarkinayini生物带下部,自下而上大体由生物礁丘微生物丘构成旋回叠置。其中,微生物丘的规模较小,主要由棘皮、有孔虫和腕足等生物颗粒经凝块石等细粒泥晶包裹胶结,形成相互支撑的微生物格架。3)微生物丘微生物岩。该组合主要发育于长兴组晚期,即长兴组二段三段,同Clarkina yini生物带上部(或Hindeodus praeparvus带下部)基本对应。造礁生物为管壳石和古石孔藻等,自下而上微生物丘的厚度逐渐变薄,向微生物岩过渡,结构一般为微生物岩叠置在微生物丘之上。4讨论4.1轨道周期对全球海平面升降的驱动力海平面升降变化产生的影响往往是全
24、球范围的,并且持续时间较长,一个期亦或是一个世的地质阶段,这就使得其对整个生物系统,尤其是海洋生物的更替演化影响最为显著。海洋碳通量的变化与海洋环境变化密切相关,而海洋环境变化往往离不开海平面升降的驱动。晚二叠世长兴期湾滩河剖面的无机碳同位素变化与海平面波动具有正相关性。通过旋回地层学以及DYNOT和1模型分析结果表明,晚二叠世长兴期海平面变化受天文轨道长周期的调制,轨道周期驱动着海平面的升降波动,长周期变化与海平面升降变化正相关(见图51921)。La2010d天文调制方案与GR趋势线波动基本一致,且与405 kyr振幅波动变化一致,而长偏心率(405kyr)振幅与斜率长周期(1.2 myr
25、)正相关,故斜率长周期(1.2 myr)的变化趋势亦同上。从长兴组沉积早期到长兴组沉积晚期,其变化趋势为稳定下降上升,在它的控制下,DYNOT和1模型均呈现稳定波动下降波动上升的相同趋势,也显示了与扬子区海平面波动曲线、全球海平面波动曲线一致的变化趋势。在海平面升降的驱动下,无机碳同位素呈现稳定波动剧烈的变化趋势,反映了海洋生态经历了稳定波动剧烈的环境变迁,从而生物礁具有骨架礁生物礁丘微生物丘微生物岩的纵向发育特征。a多窗口频谱分析;b滑动窗口频谱分析李红佼,等.天文轨道周期调制的海平面变化对生物礁发育的影响:以川东北地区晚二叠世长兴期为例55断块油气田2023年1月图5湾滩河剖面长兴期天文轨
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