宁探1 井中下寒武统米氏旋回特征

王文娟 杨光朋 张 杰 高玉超

宁探1 井位于陕北斜坡西南部，构造位置在陕甘宁盆地中央古隆起庆阳—黄陵隆起段西南翼缓坡带。对研究区地层的GR 曲线进行一维连续小波变换，扩展为二维时间域和频率域，得到小波变换模极值和小波能谱图；与车古202 井对比，分析得到米氏旋回发育特征良好。进而分析得到不同频率下小波系数曲线变化与岩性变化的相关性。

宁探1 井位于甘肃省宁县新宁乡任家堡，属于陕北斜坡的一部分。陕北斜坡是近年来油气勘探开发的主要地区，其西缘自北向南为鄂托克前旗—盐池—定边—环县—庆阳—线围绕形成的中央隆起带。中央隆起带东西方向较窄，并且在盐池以北走向为南北向，隆起范围较大。米兰科维奇周期（Milankovitch cycle，又称米氏周期）是20世纪初期由南斯拉夫学者Milankovitch 提出的。他认为北半球高纬度地区夏半年日照量的减少是冰期形成的主要因素，而地球上任一纬度日照量的变化都与偏心率、黄赤交角和岁差这3个地球轨道要素变化有关 。本文主要探讨了宁探1 井中下寒武统地层中米氏旋回的保存状况以及对沉积环境的响应。

研究区地质概况

宁探1 井位于华北地台北部（图1），其地质环境与华北地台基本相同。寒武纪时期华北克拉通地块发生缓慢的沉降，普遍接受了浅海相沉积。沧浪铺期海平面较低，以发育灰岩、白云岩以及蒸发岩为特征。龙王庙期构造有较大的变化，风化强烈，以潮坪环境为主，研究区广泛分布了红色细粒碎屑沉积岩，并且夹有多层灰岩、白云岩或白云质灰岩。毛庄—徐庄期以鲕粒灰岩、藻灰岩及泥岩为主要特征，夹有灰绿色泥页岩，表明气候开始向温暖潮湿转化。张夏—凤山期研究区的沉积环境有了较大变化，气候温暖，以碳酸盐岩沉积为主。在大多数地区张夏组下部以厚层鲕灰岩为特征。

米氏旋回的识别方法

图1 研究区地理格局及井位图（据洪大卫，修改）

气候变化由三个天文周期组成：地球自转变化（岁差），存在两个主要周期18.9ka 和22.4～23.7ka；地球黄道与赤道交角变化，主要周期为 39.7～41.0ka；地球公转轨道偏心率变化存在三个主要周期，分别为412.8ka，95ka～99.5ka，123ka，其中412.8ka 的周期最强。其周期比为1：2：5：20。米兰科维奇周期理论（即米氏旋回周期理论）认为，地球日照量随着地球轨道参数变化而改变，进而影响了气候的变化，气候变化既控制和影响海平面的升降，同时还控制或影响陆地基准面波动图。很明显，日照量和温度的周期性变化，使得海平面和基准面的波动变化也具有一定的周期性，并且在沉积物的沉积过程中保存了这种周期性，从而使得沉积岩成为记录地质历史的工具。目前，关于米兰科维奇理论主要有以下几种理论：快速傅里叶变换、频谱分析、小波变换等等。由于小波变换方法在频率域和时间域上具有极高的分辨率，在测井信号处理上应用广泛，本文在对原始伽马信号归一化的处理的情况下，运用小波变换提取最佳模极值及优势周期，从而实现对宁探1 井寒武系地层的米氏旋回的识别。

对宁探1 井寒武系地层的GR 测井数据用Matlab差值运算法进行插值运算。对其运算结果进行一维连续小波变换，得到小波能谱图（图2a），通过对小波系数取绝对值后平均化得到模均值曲线（图2b），模极大值a=36，68，100，191 和339，依据上文提到的确定米氏周期的方法，除去响应不好的模极大值a=100，339，剩余的a=36，68，191 的比为1：1.89：5.3。与理论米氏旋回周期岁差、黄赤交角和偏心率（即20，40，100 和400ka）比基本吻合，并且误差也在允许的范围之内，认为是米氏旋回的响应，即为测井信号中的优势周期，小波能谱图中显示的颜色越亮代表在相应的变换尺度下周期变化越明显，对应了模极大值曲线图中的极大值。这些极大值点反映了原始测井信号中的优势周期，再通过小波分析中频率与尺度的关系式（1）即可换算得到优势周期的大小。

表1 宁探1 井与车古202 井的米氏旋回特征对比表

图2 a 原始测井信号及小波变换能谱图

图2 b 小波变换模极大值曲线图

图3 小波变换模极大值曲线图

式中：a 为尺度；Δ 为采样周期，本文的采样周期均为0.125；cF为小波的中心频率；aF为尺度a 的准频率。基于Morlet 小波展开的，cF=0.8125，单位为Hz。准频率aF的倒数为尺度a 对应的旋回厚度值。

利用公式（1）求出每个周期的厚度为5.5、10.5 和29.4m，从而求得相应的AR 值约为0.2mm/a。对应的沉积速率是0.275、0.2625、0.294。

与车古202 井寒武系地层米氏旋回发育特征对比

车古202 井为济阳坳陷车镇凹陷车3 鼻状构造上的一口评价井。中下寒武统主要由膏质白云岩、灰岩和泥岩组成。寒武系中下统地层的自然伽马测井数据进行插值运算进行进而进行一维连续小波变换，通过对小波系数取绝对值后平均化得到模均值曲线（图3），模极大值a=25，55，134 和307，除去响应不好的模极大值，剩余的a=25，55，134，其比为1：2.2：5.36，误差在允许范围之内。通过小波分析中频率与尺度的关系式（1）即可换算得到每个周期的厚度为3.8、8.5 和20.6m，从而求得相应的AR 值约为0.2mm/a。对应的沉积速率为0.19、0.2125、0.206。

从表1 中可以看出宁探1 井与车古202 井的米氏旋回周期比基本一致，平均沉积速率基本相同，米氏旋回层发育较好。宁探1 井的沉积速率比车古202 井的沉积速率稍大，说明研究区可容空间增长速度小于沉积物的堆积速度，海平面上升速度相对大于车古202 井，构造活动相对较大。所以米氏旋回周期的变化可以反应气候变化及海平面的变化，以及环境变化过程。

米氏周期旋回对沉积的响应

宁探1 井寒武系地层主要发育潮坪相和局限台地相，研究井段为3722～3952m。宁探1 井寒武系地层由老到新发育有馒头组、毛庄组、徐庄组和张夏组。馒头组主要发育临滨亚相和潮上带泥灰坪；毛庄组主要为潮间带灰坪；徐庄组为泥云坪和潮下带泥灰坪；张夏组主要为局限台地相。自然伽马曲线与其他测井曲线比较，更能准确地反映地层中泥质含量的变化，GR 曲线可以有效进行高频地层旋回性的研究。对宁探1 井寒武系的自然伽马测井曲线进行一维连续小波变换，得到小波变换能谱图及模极值曲线。

综合小波变换能谱图色谱特征，低频小波系数曲线（a=191）在3740～3810m 以 及3870～3910m处形成不同的振荡特征（图4）。从上图可以看出低频小波系数曲线（a=191）在3740～3810m 以及3870～3910m 层段小波系数曲线振荡明显，幅度大、均匀，而其他层段小波系数曲线振荡不明显。结合岩性可以看出，这两个层段主要发育石灰岩、泥灰岩以及白云岩等。中频小波系数曲线（a=68）的振荡幅度和频率在3810～3870m 相对比较明显，幅度大且均匀。对应层位主要发育泥岩、白云质泥岩、泥灰岩等。高频小波系数曲线的波动与原始GR 曲线波动基本一致，敏感反应了地层中泥质含量的变化。通过比较可以得出，不同频率的小波系数曲线（即岁差、黄赤交角和偏心率）对岩石岩性有不同的响应。

图4 宁探1 井中下寒武统综合柱状图

探讨

（1）宁探1 井中下寒武统米氏旋回层发育较好，宁探1 井共识别出了三个米氏周期，岁差、黄赤交角以及偏心率短周期，三个米氏周期都比较完整。

（2）不同频率的小波系数曲线（即岁差、黄赤交角和偏心率）对岩石岩性有不同的响应。低频小波系数曲线振荡明显层段，主要发育石灰岩、泥灰岩以及白云岩等。中频小波系数曲线的振荡幅度和频率比较明显层段主要发育泥岩、白云质泥岩、泥灰岩等。