本文關鍵詞：酒泉盆地白堊系下溝組旋回地層識別及成因機制探討　出處：《中國地質大學》2016年博士論文　論文類型：學位論文

  更多相關文章： 酒泉盆地 青西凹陷 下溝組 層序地層 旋回地層

【摘要】：旋回地層學是近年來國際上興起的一個地層學分支學科,用于識別、描述、對比以及解釋地層中周期性的旋回變化,尤其可應用于地質年代學中,用來提高時間地層格架的精確性和分辨率。旋回地層學的研究運用了已知的天文周期對沉積記錄進行解釋,偏心率、斜率、歲差作為描述地球的軌道的擾動及其轉動軸的參數,成為解釋沉積地層受天文旋回控制最重要的三要素。偏心率、斜率、歲差的周期在20 ka至400 ka之間,這些旋回周期可以轉換為在地質歷史時期潛在記錄在沉積建造中的氣候、海洋、生物及沉積過程的變化。旋回地層學研究使得層序得到更精細的劃分,絕對年齡的控制可以達到10至100千年,并且很好的解釋了天文氣候周期對沉積過程的控制作用。旋回地層學的研究對象是具有等時間間隔的地層或沉積旋回,而事實上由于天文因素是控制地球內、外動力地質作用的根本原因。因此在構造運動、氣候變遷、沉積物供給以及海或湖平面變化綜合作用的影響下,地層的旋回性是受天文周期影響形成的。地球軌道參數周期性的變化引起氣候變化,進而對沉積環(huán)境產生影響,并在沉積地層中留下了旋回性的記錄。旋回地層研究能夠識別并建立軌道沉積旋回的層序系譜,同時了解它的旋回時限及頻率變化,即周期間隔。應用軌道旋回固定周期變化的特性,通過地層段、事件層、生物帶及層序中高頻旋回發(fā)育特征的研究,得到他們相應的年代間隔,從而旋回地層學的研究就具有了年代學的意義。國際地層學界對旋回地層學的研究做出許多努力,試圖建立地質年代與天文旋回的對應關系,而在國內卻一直沒有得到較大的發(fā)展。本文首先詳細介紹了國內外對旋回地層的研究現狀,揭露研究區(qū)存在的問題及研究條件,總結旋回地層學的相關概念、發(fā)展歷程、研究方法,然后對酒泉盆地青西凹陷下溝組地層進行詳細的研究,分析了三級層序的發(fā)育機制,并探討了研究區(qū)下溝組沉積時期的古氣候條件。第一章分為國外和國內兩部分介紹了高頻旋回的研究現狀。近年來也有學者將該起源于國外海相地層的,地層學與天文學相結合的新邊緣學科引入到陸相地層中進行研究。其研究階段總體上可分為：(1)20世紀前的萌芽階段,天文學家將地球軌道的周期性變化引入到氣候變化的解釋中；(2)理論證實快速發(fā)展階段,提出了完整的理論體系,并通過技術手段獲得了理論證實的確鑿證據；(3)20世紀80年代之后,地質學家、環(huán)境學家、古氣候學家、古海洋學家從多個角度和不同方向對米蘭科維奇旋回進行了深入的探討和研究,使之成為大洋沉積、古氣候恢復等研究的有效手段。旋回地層學的研究對象也從第四紀地層拓展到了古生代地層,從海相沉積盆地發(fā)展到陸相沉積盆地。二十世紀60年代李四光已經提出了天文、地質、古生物的命題；1983年徐道一也在其著作中介紹了米蘭科維奇旋回研究的動向；1989年陸元法編譯了《旋回地層學》向國內學者系統介紹了旋回地層學。按照方法和對象的不同,在我國的研究和應用分為兩種,其一是對替代性指標(測井曲線、巖心取樣的礦物含量、元素含量變化、磁化率、同位素等)進行頻譜分析、數字濾波及小波分析等,提取了替代指標中的天文周期,并計算了旋回的持續(xù)時間；其二是基于對露頭、巖芯等巖性剖面的旋回性沉積識別。根據各級別旋回沉積在垂向上的疊加關系,參照國際地層年代表,計算各級旋回的平均持續(xù)時間,從而確定沉積序列的軌道周期控制作用。目前國內學者的研究內容主要集中在：高頻旋回的識別,沉積時限和界面年齡的確定、沉積速率和剝蝕量的計算、天文標尺的建立、沉積地層的高分辨率劃分與對比。第二章介紹了酒泉區(qū)域地質概況。酒泉盆地處于祁連加里東褶皺帶北緣和華北地臺阿拉善地塊兩大構造單元,發(fā)育前震旦系結晶基底、震旦系—下古生界淺變質基底,上古生界—三疊系蓋層、中生界斷陷沉積和新生界坳陷沉積五大構造層。白堊系地層在酒泉盆地內僅發(fā)育下統,并廣泛分布于酒泉盆地的中生代沉積中,是研究區(qū)的主要生油巖系和勘探的目的層。受發(fā)育于早白堊的北東向張性斷裂的控制,研究去地層大部分具有東斷西超的特征。下白堊地層從下至上分別發(fā)育了赤金堡組、下溝組、中溝組。其中下溝組為本文的研究目的層段,分布范圍大,是酒泉盆地的主要烴原巖和青西凹陷的主要含油層系。由于缺少古生物資料,目前酒泉盆地內各凹陷未做系統的、精確的地層年代分析,這對進行酒泉盆地高頻旋回的研究造成了一定的困難�？偨Y前人的研究結果：酒泉盆地紅柳峽中溝組底部測得火山巖鋯石U-Pb SHRIMP年齡大約為114Ma左右(曠紅偉,2013；彭楠,2011),與(楊金綏,李海兵等,2009)在酒西地區(qū)火山巖中測得的K-Ar年齡(106-118Ma)基本一致。由于下溝組和中溝組之間沒有明顯的沉積間斷,加之前人對中國北方下白堊統地層的對比研究表明,酒西地區(qū)的白堊系地層絕對年齡應當在130-110Ma之間,大致可推測早白堊下溝組的年齡在120-115Ma左右。第三章結合測井,巖芯和三維地震剖面反射特征,以大量的單井測井層序分析和連井對比為基礎,利用地震剖面對整個工區(qū)對這些界面進行了追索。文中重點選取了5條測線進行了同沉積斷面分析,其中北東向NE1:W6-W7-W8-W9;NE2: W21-W20-W19-K5-W12-W22-W23;南東向SE1:W18-K5-K3-K4;SE2:W14-W13-W12-W10-L2-W7；SE3:W16-W15-W8-Q1。根據所識別的層序界面,青西凹陷下白堊統下溝組可劃分3個三級層序,自下而上分別為下溝組K1g0段、下溝組Kig1段和下溝組K1g2+3段。識別出青西凹陷下溝組沉積類型以扇三角洲—湖泊沉積體系組合為主,在扇三角洲前緣的半深湖—深湖區(qū)還有濁積體系發(fā)育。凹陷的西緣由于受西部物源的影響,發(fā)育了扇三角洲沉積體系,其扇三角洲平原相和前緣相發(fā)育,其前緣的半深湖—深湖區(qū)有濁積體系發(fā)育。與此同時有物源由凹陷的北東角進入湖盆,發(fā)育鴨西扇三角洲沉積體系,其前緣的半深湖—深湖區(qū)有濁積體系發(fā)育。南東角同樣接受南東物源,發(fā)育扇三角洲沉積體系。第四章具體闡述了旋回地層的理論基礎,并介紹了地球軌道參數的詳細概念。偏心率(eccentricity)是地球繞太陽公轉橢圓軌道的赤道半徑與極半徑之差與赤道半徑之比,周期為100-400 Ma。天體力學的研究表明,偏心率的變化主要由極半徑變化所致,赤道半徑通常變化不大。冰期均發(fā)育于偏心率的最小值,這相當于日地距離增加,地球獲得的日照量減少。斜率(obliquity)或黃赤交角(ecliptic and equator)是地球繞太陽公轉的軌道平面(黃道面)與赤道面的夾角,變化周期在第四紀約為41 ka。黃赤交角影響不同緯度和季節(jié)氣候的差異程度,黃赤交角變化對極區(qū)影響大,對赤道影響小。歲差(precession)是指地球自轉軸的運動(地球自轉軸繞黃道軸旋轉的運動),春分點沿黃道向西緩行,使回歸年(太陽視圓面中心兩次過春分點所經歷的時間)短于恒星年(地球繞太陽公轉一周所經歷的時間)的現象,歲差周期在第四紀為19-23 ka。歲差變化對赤道地區(qū)影響大,對極區(qū)影響小。由于受到地月系統圍繞太陽公轉,和地月相互作用的影響,地球軌道要素在對地球施加影響的同時,自身也發(fā)生了改變。地月引力導致的地表潮汐摩擦力和軌道重力會影響地球自轉速度和地球形狀,使得地球的轉動速率減慢。斜率與歲差首期隨地質年代的增加而減少。立足于軌道三要素,本文采用La(2004)解決方案計算了青西凹陷115 Ma-120 Ma地球軌道參數(偏心率、斜率、歲差)的理論變化數據,運用頻譜分析、連續(xù)小波變換等方法,得出早白堊世115Ma到120 Ma期間偏心率主要周期為400 Ma、124 Ma和95 Ma,斜率周期為47 ka、37ka、36 ka和28ka,歲差周期為22 ka、21 ka和18 ka。進而提取出各主要周期的理論變化曲線,并計算了115 Ma至120 Ma期間各主要軌道參數的比例關系。這種比例關系可以保存于穩(wěn)定沉積環(huán)境的地層中,也就是說各級天文周期的比值關系與各級旋回厚度的比值關系能夠相互對應起來。這種對應關系將作為后兩章的高頻旋回識別的理論依據。從自然伽馬曲線、碳酸鹽含量、有機碳含量、磁化率、主量、微量元素中提取出的旋回厚度比值與天文周期比值中的某一比例關系相符合的時候,就可以認為這一厚度的地層旋回受相應的天文周期所驅動。第五章具體分析了多種替代性指標的運用,通過頻譜分析及連續(xù)小波分析,計算并識別出下溝組地層記錄的天文旋回。由于米蘭科維奇旋回為天文旋回,在地質歷史時期變化比較緩慢且具有相對的穩(wěn)定性,其周期比率在某段地質歷史時期保持穩(wěn)定,如果能在地層所包含的各種旋回中找到與米氏周期比率相等的關系,就可以認為該層段受米氏旋回的影響,記錄了天文旋回的信息。第一節(jié)針對自然伽馬測井曲線,選取區(qū)內發(fā)育于深湖—半深湖的七口鉆井分別為：W14,W13,L2,Q1, K3,K4,K5,伽馬曲線經過環(huán)境校正和標準化處理之后,運用頻譜分析、小波分析分別從下溝組一段(SQKig1)與下溝組二加三段(SQK1g2+3)識別出米蘭科維奇旋回。識別出的天文周期與對應的旋回厚度算出的沉積速率符合沉積規(guī)律,并且盡可能多的識別出地層中的天文周期個數,旋回厚度之間的比例關系與第四章算得的天文軌道參數理論周期的差異控制在5%以內(95%的置信度)。其中下溝組一段(SQK1g1)地層主要受400 ka偏心率長周期控制(W14、K3、K5井),下溝組二加三段(SQK1g2+3)地層主要受124 ka和95 ka偏心率短周期控制(W14、L2、Q1井)。第二節(jié)對研究區(qū)內五口井L2、Q1、K3、K4、K5共171個樣品進行了碳酸鹽含量、有機碳含量、磁化率測試。每口井樣品連續(xù)取樣,采樣間隔為0.5m(L2、 Q1、K5、K4井)和1.0 m(K3井)。采用Lomb-Scargle譜分析法對測試結果進行分析,在較少樣品點的條件下獲得分辨率較高的頻譜,得到的旋回厚度及天文周期和自然伽馬測井曲線替代指標經過頻譜分析計算出的旋回厚度及天文周期基本保持相對一致。第三節(jié)分析了主量、微量元素作為替代性指標對下溝組地層的天文旋回的識別,系統介紹了手持X-Ray衍射分析儀的實驗原理及使用方法,并將其應用于五口井171個粉末樣品的主量、微量元素含量的測定研究。由于對所需求的大量元素含量數據,并不追求單個樣品的精確元素含量,而著重于研究不同元素含量隨樣品的沉積時間的變化趨勢,在頻譜分析下尋找數據中記錄的天文旋回信息。因此使用手持X-Ray衍射分析儀(Bruker AXS TRACER IV-SD)用于對各個樣品中的主量、微量元素的定量分析,并且能保證較高的準確度。按照碳酸鈣含量的從高到低選取十個樣品為標準樣,送至加拿大Bureau Veritas礦產研究室獲得標準數據。利用這十個標準樣的標準數據和手持X-Ray衍射分析儀測試下的數據建立一個適用于這171個粉末樣品的算法,并用該算法對剩下的161個樣品進行了單個樣品420秒(高能210秒,低能210秒)的測試。并介紹了SPECTRAEDX S2 CONFIGURATION軟件的使用,通過二次修正、α調試和省略標準樣(每種元素省略不超過兩個)的校正,使得算法的偏差不超過5%,獲得了171個樣品的19種元素的含量。繼而又通過測試值與標準值的對比分析出,A1、K、Ca、Si、Fe、Ti、 Mn、Ni、Zn、Pb等十種元素在手持X-ray衍射儀的分析下得到的結果與標準值偏差最小,并且其化學性質可以作為記錄沉積旋回的特征的元素,利用頻譜分析來確定地層是否記錄了天文旋回。五口井的分析結果表明,大部分元素都有高峰值顯示,峰值所對應的頻率的比值與下溝組115 Ma-120 Ma的天文理論曲線比值有良好的對應關系,并且與自然伽馬曲線作為替代指標進行的頻譜分析的比值結果相一致。除此之外,頻繁出現的主要頻率所對應的旋回厚度也有部分與天文周期并無任何對應關系,推測是元素記錄的地層中的其他旋回信息。第六章,多種替代性指標在頻譜分析的應用下,證明了地層記錄中存在米蘭科維奇旋回之后,下一步便可將地層記錄中天文軌道驅動所產生的旋回向天文周期解決方案中的目標曲線進行調諧,以建立天文地質年代表。在區(qū)域地層格架的基礎上,以下溝組與中溝組界面U-Pb鋯石年齡115.6 Ma為控制點,建立了下溝組各段地層的高分辨率天文年代標尺,較精確的確定了各個界面對應的地質年齡以及不同深度對應的地質年齡。而在進行天文調諧之前,偏心率長周期400 ka,偏心率短周期124 ka和95 ka,斜率47 ka,37 ka和36 ka被選為對應的目標曲線,并建立了與之相對應的相位關系。以W14、L2、Q1、K5、K4、K3為目標井,對整個下溝組(SQK1g),及下溝組一段(SQK1g1)與下溝組二加三段(SQK1g2+3)分別進行連續(xù)小波變換,過濾出的頻率組分在下溝組(SQK'g)與目標曲線115.60 Ma-120.73 Ma段有相同數量的旋回,下溝組二加三段(SQK1g2+3)與目標曲線115.60Ma-117.57 Ma段有相同數量的旋回,下溝組一段(SQK1g1)與目標曲線117.57 Ma-119.27 Ma段有相同數量的旋回,并將旋回從頂至底進行編號,由此確定了深度與年齡的對應關系。從而得知三級層序下溝組二加三段(SQK1g2+3)的延續(xù)時限大致為1.97 Ma,下溝組一段(SQK1g1)的延續(xù)時限為1.7 Ma,下溝組零段(SQK1g0)延續(xù)時限為1.46 Ma。以上多口鉆井,多項替代性指標較一致的周期性變化,均說明了酒泉盆地青西凹陷下溝組地層中確實記錄著明顯的天文周期信號。這一定程度上反應了在構造相對穩(wěn)定的背景下,下溝組的層序發(fā)育受控于天文成因氣候旋回。此研究結果除了揭示出三級層序的成因,也為三級層序的延續(xù)時限在1-2 Ma提供了相應的理論解釋。其次,下溝組地層總的延續(xù)時限為5.13 Ma,這與前人在該區(qū)域的地層研究結論相一致,也在一定程度上驗證了本文研究結論的合理性。L2、Q1、K5、K4、K3五口井共55個樣品進行了碳氧同位素測試,首先對55個樣品處于的深度位置進行時間轉換。由于不可能對每個樣品的年齡進行計算,所以本文采用了間接的辦法獲得相對較為精確的樣品年齡：認為整個三級層序內沉積速率保持穩(wěn)定,通過沉積厚度與三級層序的延續(xù)時限計算出每個層序內的沉積速率；單個樣品年齡=已知界面年齡+樣品所在深度與界面的距離/沉積速率,從而得到每個樣品對應的精確年齡。由于巖芯樣品不連續(xù),單口井的樣品大多處于同一年齡段附近,故將五口井的樣品聯合起來并按時間順序成圖。發(fā)現δ13C全為正值并有正向偏移趨勢,δ180全為負值并有負向偏移趨勢。δ13C與δ18O之間具有略相關性(Q1井、K4井)或不相關性(L2井、K5井、K3井)說明當時的湖泊水文條件處于開放和封閉之間不斷轉化的過程,Q1井δ13C與δ18O的相關系數為0.85指示湖泊水文條件相對處于比較封閉且蒸發(fā)較強的沉積環(huán)境。文章最后將酒泉盆地青西凹陷與中國西南沉積盆地穩(wěn)定同位素進行了對比研究,發(fā)現具有良好的對應關系：都具有較高值的δ13C(青西凹陷中613C含量最高達到5.1%o)和較低值的δ18O(青西凹陷中δ18O含量最低達到-10.3‰),說明了當時的沉積環(huán)境為相對的高溫強蒸發(fā)環(huán)境；青西凹陷下溝組δ18O含量比全球早白堊同時期(115 Ma- 120 Ma) δ18O的含量更低,推測是因為高緯度的影響所致。本文的創(chuàng)新點主要包括：(1)在建立了三級層序地層格架的基礎上,根據自然伽馬測井曲線、碳酸鹽含量、有機碳含量、磁化率及主量微量元素含量等替代性指標的研究,通過頻譜分析及連續(xù)小波變換技術對各級層序內地層進行了旋回地層研究,較大程度的提高了酒泉盆地青西凹陷下溝組地層層序劃分的精度和準確性。(2)詳細研究酒泉盆地青西凹陷高頻旋回地層主控因素,分析地層中包含的軌道信號及天文軌道參數影響沉積的可能途徑,結合天文軌道理論,分析頻譜變換結果中與天文軌道周期之間相對應的周期信號,從中識別出形成該區(qū)域在天文氣候周期控制作用下的層序發(fā)育機制。經典層序地層學中的層序發(fā)育控制三要素為海(湖)平面變化、沉積物供給的變化以及構造沉降的影響。而沉積層序是海平面變化的產物,還是反映構造影響,以及海平面變化對沉積作用控制的解釋,一直持有爭論。其中海(湖)平面變化受氣候因素影響,而實際地層記錄中的旋回都是構造和古氣候聯合作用下的產物。本文多口鉆井、多項替代性指標較一致的周期性變化均說明青西凹陷下溝組地層中確實記錄著明顯的周期性信號,從而揭示了三級層序與天文軌道周期之間的對應關系,反映了該區(qū)的層序發(fā)育形成于天文氣候周期對沉積過程的控制作用。(3)通過天文周期的標定和計算,能夠較精確的提供一種定年的方法：本文識別出下溝組的延續(xù)時限大致為5.13Ma,三級層序SQK1g2+3的延續(xù)時限大致為1.97 Ma,SQKig1的延續(xù)時限為1.7 Ma,SQK1g0延續(xù)時限為1.46 Ma,在中溝組底部的鋯石絕對年齡的控制下,通過對沉積速率的計算,能夠對下溝組三個三級層序內進行精細的定年。同時對應于地球軌道的三個參數組合形成的天文周期,一定程度上反映了下溝組的層序發(fā)育受控于天文成因的氣候旋回,同時也為三級層序的延續(xù)時限為什么是1～2 Ma提供了合理的理論解釋。
【學位授予單位】：中國地質大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：P534.53;P539
，

本文編號：1316214