CN111580183B - 一种古湖泊水深定量还原的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及古湖泊水深定量还原的方法，通过现代湖泊考察手段以及湖泊底表泥岩采集分析，建立地球化学元素与实际湖泊水深的定量关系式，并优选出拟合公式的最适宜元素；同时充分运用生物的继承性和对比性，将其所生活的水深环境作为确定现代湖泊与古代湖泊间环境变量参数的纽带，进而定量重建了还原古湖泊水深的计算公式；为了验证定量还原古水深的准确性，将砂地比法和Fischer图解法还原的相对古水深以及孢粉气候变化曲线进行了对比，验证结果表明变化趋势保持一致，证明了该方法的合理性和有效性。

Description

一种古湖泊水深定量还原的方法

技术领域

本发明属于油气勘探领域，特别涉及一种古湖泊水深定量还原的方法。

背景技术

我国近海盆地的大规模油气勘探始于上世纪70年代末期，在我国地质学家的不懈努力下，提出了陆相油气藏形成的可能性，拉开了多个大型油气田发现的序幕，其中大庆油田的发现便证实了这一理论。而陆相生油的理论问题实质离不开古湖泊学的研究，湖泊类型、湖生产力、水体性质等因素是决定含油盆地烃源岩发育的主控因素，而古水深研究更是古湖泊演化和沉积学研究的重点，直接关系到烃源岩、储层、盖层等条件的评价和预测，因此古水深和海(湖)平面变化的研究有着悠久的历史。而层序地层学的诞生则将海(湖)平面的研究推向一个新的时期，并引起了广泛的争议。目前，对海(湖)平面变化的研究已经从单一的被动大陆边缘向前陆盆地等各型盆地发展；从对海(湖)平面变化的定性描述到半定量研究发展，但是各类方法仍存在不同程度的不足或地域限制。尤其在湖相盆地中由于受构造活动、物源、气候等多因素的影响，相对湖平面升降的控制因素更加复杂，在对其进行湖平面重建时争议颇多且难度更大。一直以来，如何定量化的、较为准确的恢复湖盆古水深依然是人们不断探索和争论的焦点。

渤海湾是我国油气勘探重点区域，先后发现了大港、塘沽等多个千亿级油气田，为京津冀一体化发展和节能减排提供了能源保障。新近纪时期的渤海湾盆地为湖盆坳陷萎缩期沉积。大量的研究认为渤海湾盆地新近纪存在广泛分布的统一大型的浅水湖泊并发育浅水三角洲。尽管在少数的研究中曾通过反映古水深的指标(比如沉积相、地球化学参数、地震数据、数值模拟、古生物等)定性或半定量化恢复了古水深的变化范围，如中国专利CN103345001A涉及一种测定古湖水深的方法，通过钻井和测井资料，读取砂坝单体厚度，最终对砂坝单体的厚度求和的方式得到古湖泊水深；中国专利CN104932031A涉及一种针对湖相沉积的古水深定量计算方法，其通过筛选出与现今相似的湖泊，拟合有机质含量与水深的定量关系，通过测试钻井岩心样品的有机质含量进而反推出湖泊古水深；中国期刊“渤海海域新近纪湖盆萎缩期古水深恢复——以渤东低凸起南端为例”，涉及通过元素地球化学、地层频谱属性趋势分析和微体古生物对渤东低凸起南端的水深进行了恢复，但是以上研究对于恢复古湖泊水深的精细程度以及准确度还有所欠缺，整体而言定量化古水深重建或古水深时空演化等科学问题的研究还是十分匮乏的。

发明内容

本发明的目的在于针对现有方法的不足，提供一种古湖泊水深定量还原的方法，可定量确定古代湖泊的水深变化范围，进而重塑浅水三角洲体系发育的沉积环境和湖水水深。

本发明为实现上述目的采用的技术方案是：采用“将今论古”的方法，通过与现代相似湖盆类比入手，运用数学方法建立起现代湖盆底质样品中地球化学元素与水深之间的原始定量关系式D(e)，再基于对现代湖泊底质沉积物和研究区钻井岩屑中相同生物(主要指介形虫)的鉴定对比，对原始定量关系式D(e)进行环境变量φ的校正并获得最终关系式D(f)，将最终关系式D(f)直接运用于研究区各钻井岩屑样品地球化学元素的测试结果，对各钻井进行定量的古水深恢复，并综合古湖泊不同区域水深变化，综合确定研究区的湖平面升降曲线；此外，我们还进一步运用沉积相序法进行五级基准面旋回的识别、划分，并在此基础上通过各旋回内砂地比含量和Fischer图解法以及孢粉数据统计刻画，拟合出砂地比变化曲线、Fischer曲线、相对湖平面升降曲线以及孢粉含量变化曲线，比对定量恢复古水深变化趋势，最终验证了成果的一致性，表明了该定量还原古湖泊水深方法的可靠性和有效性。

本发明的有益效果是：本方法在定量还原古水深的过程中，全面渗透“将今论古”的理念，运用地质、地球物流等手段筛选出与古湖泊地貌单元、沉积环境最为接近的现代湖泊，在现代湖泊考察的过程中合理建立元素、生物与水深的定量关系，同时利用现在生物与古代生物的继承性，消除由于构造、气候等因素带来的环境变量，并最终将古湖泊沉积资料所蕴含的元素特征精细定量还原古湖泊水深。该方法与以往的方法有决定性的不同，原先方法存在以下不完善性：1)单一利用沉积、生物等某一方面数据进行古水深恢复，方法的综合性有待加强；2)在恢复古水深时，利用数据和方法仅定性建立水深的变化趋势，并未定量化研究；3)基于地震、地层、元素以及古生物等方法多项组合开展半定量化分析，虽还原精度有所提高，但所恢复的古水深存在一定的变化区间。而该方法既考虑了现代湖泊与古代湖泊的相似性，从初始就建立了水深与数据之间的定量关系，而在进一步回推古代沉积环境时，又经过古生物的优选，确定最适合的古今“生物枢纽”，进而消除误差，建立定量还原关系式，这与以往的从古代要素定性或半定量反映古水深变化是有本质区别的；本方法思路清晰创新，且具有较强实践性和推广性，操作过程需要较专业的技能素质和理论水平，对于其他地区古湖泊水深的恢复具有借鉴性。

附图说明

图1为本发明的现代湖泊底质沉积物中部分元素含量与实测水深统计分析；

图2为本发明的现代湖泊优势介形虫属种的绝对丰度与水深对应关系图；

图3为本发明的井位新近纪湖平面升降曲线(横坐标为水深，单位为m；纵坐标为地层年龄，单位为Ma)；

图4为本发明的研究区新近纪某一时期湖平面升降曲线；

图5为本发明的钻井通过砂地比法拟合的新近纪相对湖平面升降曲线；

图6为本发明的钻井通过Fischer图解法拟合的新近纪相对湖平面升降曲线；

图7为本发明的某口钻井气候旋回指标分析综合柱状图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1至图7所示，一种古湖泊水深定量还原的方法，具体实施步骤如下：

步骤一、收集和采集研究区域地质资料和物探资料，分析区域内构造和沉积演化，同时结合精细化地震解释，综合厘定目标层位沉积环境，明确出古湖泊的平面形态、地貌单元、气候环境、水环境等特征；

步骤二、根据步骤一拟定出的古湖泊特征，运用遥感资料、浅剖等手段获取现代湖泊的大小、形态、水下地貌单元和沉积环境等特征，通过权重打分法筛选出与古湖泊最为接近的某现代湖泊，并对现代湖泊进行实地考察采样，依据现代湖泊形态，采用星型交叉布设3条采样线路，采样线路起点为最大高潮线位置，通过GPS对采样点进行定位，固定间隔进行采样，并记录每个点位的水深数据，采集的样品通过塑料袋密封保存，带回实验室进行地球化学分析、生物鉴定分析；

步骤三、根据步骤一的地质资料和物探资料综合分析，布置多口取芯钻井进行录井和岩屑采样工作，所布置的钻井井位需处于古湖泊覆盖范围内，沉积环境背景基本一致，且分布于湖盆边缘与湖盆中心，可以体现不同区域的水体环境，且录井数据完整，具有较强的代表性；采样时对重点层段间隔5或10m进行采样，对非重点层段采样间隔为50m，采集的样品通过塑料袋密封保存，带回实验室进行地球化学分析、生物鉴定分析；

步骤四、对步骤二和步骤三中采集的样品进行生物鉴定分析，其中样品处理和生物鉴定统计过程如下：1)样品晾干称重，并记录质量；2)将样品装入100ml烧杯内(约50g)加满水浸泡24h至48h(视样品松散程度而定)；3)使用250目孔径的铜筛筛洗(用毛刷轻刷)；4)将洗好的样品过滤后烘干；5)在实体显微镜下挑出介形虫，按样品号装入化石标本盒中，用盖玻片盖上；6)从整个批次的样品中挑选出介形虫各属种的代表(记录取样个数)，并在扫描电镜载物台上拍照；7)对照介形虫图版，在实体显微镜下进行介形虫属种鉴定统计；

步骤五、对步骤二和步骤三中采集的样品进行地球化学分析，对选取样品进行全元素分析，通过各元素回归方程所预测的水深与实测水深进行比较，选取拟合度好、偏差低、稳定性好，含量相对丰富，且无论是夏季洪水期与冬季枯水期，对于湖水底部表层细粒沉积物一般都存在较稳定的元素作为标定元素，通过现代湖泊沉积物中标定元素的含量和实测的水深，建立二者之间的定量关系式D(e)，同时考虑古湖泊水深定量还原时，古代与现代湖泊存在的环境变量参数φ，将其加入定量关系中进行修正，如图1所示；

步骤六、统计现代湖泊样品中介形虫各属种的绝对丰度与现代湖泊水深的对应关系进行分析。根据统计结果分析，湖中的介形虫类共可见介形虫组合中包含5个属、7个种，可以出现在水深3.2至5.1m处，主要生活在4.2～5.1m的水深范围内，最宜生活水深为4.7-4.9m，进而确定优势属种Candoniella albicans的适宜生活水深环境为4.8m，如图2所示；

步骤七、将介形虫优势属种生活的平均水深以及古湖泊发现相同属种介形虫所对应深度的沉积物地球化学元素值迭代至定量关系式D(e)中，便可计算出每个深度的环境变量φ值，随后将所有深度点φ值平均，求得φ的平均值为1.9228，带入到步骤五中的定量关系式D(e)中，计算古湖泊不同位置的古水深变化，如图3所示。最终得到研究区的湖平面升降曲线，如图4所示；

步骤八、对步骤三中布置的钻井，运用沉积相序法进行五级基准面旋回的识别、划分，并在此基础上通过计算多口钻井的各旋回内的砂地比(砂地比＝砂岩总厚度/旋回地层厚度)，以砂地比为X坐标，以旋回数为Y坐标，拟合出砂地比变化曲线和相对湖平面升降曲线，如图5所示；

步骤九、基于五级基准面旋回的识别、划分，运用Fischer图解法，拟合出以旋回数为函数的平均厚度累积偏移曲线和相对湖平面升降曲线，其中X坐标为旋回数，Y坐标为旋回层序单元的厚度减去所有旋回层序单元的平均厚度后所得到的净加积量，并以该旋回层序单元前面所有旋回净加积量为纵坐标的起点，画在以旋回数为横坐标的曲线上，如图6所示；

步骤十、选取步骤三中一口井进行重点层段的孢粉数据进行统计分类，划分为湿生-旱生、喜热-喜温等类别，并在此基础上刻画不同深度孢粉含量变化趋势，如图7所示；

步骤十一、将地球化学-古生物综合分析法定量编制的湖平面升降曲线与运用沉积相序法、Fischer图解法编制的多口井位的相对湖平面升降曲线以及一口井的孢粉所反映的气候变化趋势进行对比，最终验证结果显示变化趋势的一致性，表明该定量还原古湖泊水深方法的可靠性和有效性。

所述步骤二中，浅剖技术中采用的浅剖仪采用压电陶瓷式，声参量阵式，电火花式和电磁式等作业方式；

所述步骤二中在筛选现代湖泊时，权重打分法需着重考虑现代湖泊形成原因、水体盐度、平均水深、湖泊地势、浅水区域特征，尤其是否发育浅水三角洲，且浅水三角洲发育情况与古湖泊的相似度等；

所述步骤二中采样时利用重力自落式抓斗采集到湖底表层沉积物样品，采集后立即装入聚四氟乙烯塑料袋中密封保存，迅速带回实验室，于室温下阴干冷藏备用；

所述步骤二中所述地球化学分析包括采用X射线荧光光谱、HR-ICP-MS等仪器设备对主、次元素和微量元素进行分析；

在所述步骤五中，优选出现代湖泊底质沉积物中最稳定且还原效果最好的铝元素；其他元素由于成岩过程、价态变化、含量变化等因素的影响，本次未作考虑。例如K是易溶元素，湖底沉积物中的K元素会随着湖水位的加深而发生溶解、迁移，变化较大；Ga元素洪水期含量与枯水期含量具有低正相关性；Rb元素洪水期含量与枯水期含量具有低负相关性，洪水期和枯水期表现出较大的差异，稳定性较差；

所述步骤五中，当选取铝元素作为标定元素时，现代湖泊沉积物样品中铝元素的含量和实测的水深，建立二者之间的定量关系式D(e)＝0.56×C_Al-0.83，其中C_Al为现代湖泊沉积物样品中铝元素的含量；

所述步骤七中，完整的古湖泊水深定量还原公式D(f)＝0.56×C_Al'+1.0928，计算得到的研究区的湖平面升降曲线，其中C_Al'为古代湖泊沉积物样品中铝元素的含量，如图4所示。

上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所作出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种古湖泊水深定量还原的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、收集和采集研究区域地质资料和物探资料，分析区域内构造和沉积演化，同时结合精细化地震解释，综合厘定目标层位沉积环境，明确古湖泊的平面形态、地貌单元、气候环境和水环境；

步骤二、根据步骤一拟定出的古湖泊特征，运用遥感资料、浅剖获取现代湖泊的大小、形态、水下地貌单元和沉积环境，通过权重打分法筛选出与古湖泊最为接近的某现代湖泊，并对现代湖泊进行实地考察采样，依据现代湖泊形态，采用星型交叉布设3条采样线路，采样线路起点为最大高潮线位置，通过GPS对采样点进行定位，固定间隔进行采样，并记录每个点位的水深数据，采集的样品通过塑料袋密封保存，带回实验室进行地球化学分析、生物鉴定分析；

步骤三、根据步骤一的地质资料和物探资料综合分析，布置多口取芯钻井进行录井和岩屑采样工作，所布置的钻井井位需处于古湖泊覆盖范围内，沉积环境背景基本一致，且分布于湖盆边缘与湖盆中心，体现不同区域的水体环境，且录井数据完整，具有较强的代表性；采样时对重点层段间隔5或10m进行采样，对非重点层段采样间隔为50m，采集的样品通过塑料袋密封保存，带回实验室进行地球化学分析、生物鉴定分析；

步骤四、对步骤二和步骤三中采集的样品进行样品处理和生物鉴定分析；

步骤五、对步骤二和步骤三中采集的样品进行地球化学分析，对选取样品进行全元素分析，通过各元素回归方程所预测的水深与实测水深进行比较，选取拟合度好、偏差低、稳定性好，含量相对丰富，且无论是夏季洪水期与冬季枯水期，对于湖水底部表层细粒沉积物都存在较稳定的元素作为标定元素，通过现代湖泊沉积物中标定元素的含量和实测的水深，建立二者之间的定量关系式D(e)，同时考虑古湖泊水深定量还原时，古代与现代湖泊存在的环境变量参数φ，将其加入定量关系中进行修正；

步骤六、统计现代湖泊样品中介形虫各属种的绝对丰度与现代湖泊水深的对应关系进行分析；根据统计结果分析，湖中的介形虫类共可见介形虫组合中包含5个属、7个种，确定优势属种Candoniella albicans的适宜生活水深环境为4.8m；

步骤七、将介形虫优势属种生活的平均水深以及古湖泊发现相同属种介形虫所对应深度的沉积物地球化学元素值迭代至定量关系式D(e)中，便可计算出每个深度的环境变量φ值，随后将所有深度点φ值平均，求得φ的平均值为1.9228，带入到步骤五中的定量关系式D(e)中，计算古湖泊不同位置的古水深变化，最终得到研究区的湖平面升降曲线；

步骤八、对步骤三中布置的钻井，运用沉积相序法进行五级基准面旋回的识别、划分，并在此基础上通过计算多口钻井的各旋回内的砂地比，其中砂地比＝砂岩总厚度/旋回地层厚度，以砂地比为X坐标，以旋回数为Y坐标，拟合出砂地比变化曲线和相对湖平面升降曲线；

步骤九、基于五级基准面旋回的识别、划分，运用Fischer图解法，拟合出以旋回数为函数的平均厚度累积偏移曲线和相对湖平面升降曲线，其中X坐标为旋回数，Y坐标为旋回层序单元的厚度减去所有旋回层序单元的平均厚度后所得到的净加积量，并以该旋回层序单元前面所有旋回净加积量为纵坐标的起点，画在以旋回数为横坐标的曲线上；

步骤十、选取步骤三中一口井进行重点层段的孢粉数据进行统计分类，划分为湿生-旱生、喜热-喜温类别，并在此基础上刻画不同深度孢粉含量变化趋势；

步骤十一、将地球化学-古生物综合分析法定量编制的湖平面升降曲线与运用沉积相序法、Fischer图解法编制的多口井位的相对湖平面升降曲线以及一口井的孢粉所反映的气候变化趋势进行对比，最终验证结果显示变化趋势的一致性，表明该定量还原古湖泊水深方法的可靠性和有效性。

2.根据权利要求1所述的一种古湖泊水深定量还原的方法，其特征在于，所述步骤二中在筛选现代湖泊时，所述的权重打分法需着重考虑现代湖泊形成原因、水体盐度、平均水深、湖泊地势、浅水区域特征，是否发育浅水三角洲，且浅水三角洲发育情况与古湖泊的相似度；采样时利用重力自落式抓斗采集到湖底表层沉积物样品，采集后立即装入聚四氟乙烯塑料袋中密封保存，迅速带回实验室，于室温下阴干冷藏备用。

3.根据权利要求1所述的一种古湖泊水深定量还原的方法，其特征在于，所述地球化学分析包括采用X射线荧光光谱、HR-ICP-MS仪器设备对主、次元素和微量元素进行分析。

4.根据权利要求1所述的一种古湖泊水深定量还原的方法，其特征在于，在步骤四中，所述样品处理和生物鉴定分析过程如下：

1)样品晾干称重，并记录质量；

2)将约50g样品装入100ml烧杯内加满水浸泡24h至48h；

3)使用250目孔径的铜筛筛洗，用毛刷轻刷；

4)将洗好的样品过滤后烘干；

5)在实体显微镜下挑出介形虫，按样品号装入化石标本盒中，用盖玻片盖上；

6)从整个批次的样品中挑选出介形虫各属种的代表，记录取样个数，并在扫描电镜载物台上拍照；

7)对照介形虫图版，在实体显微镜下进行介形虫属种鉴定统计。

5.根据权利要求1所述的一种古湖泊水深定量还原的方法，其特征在于，在所述步骤五中，优选出现代湖泊底质沉积物中最稳定且还原效果最好的铝元素；其他元素由于成岩过程、价态变化、含量变化的影响，未作考虑，其中K是易溶元素，湖底沉积物中的K元素会随着湖水位的加深而发生溶解、迁移，变化较大；Ga元素洪水期含量与枯水期含量具有低正相关性；Rb元素洪水期含量与枯水期含量具有低负相关性，洪水期和枯水期表现出较大的差异，稳定性较差；当选取铝元素作为标定元素时，现代湖泊沉积物样品中铝元素的含量和实测的水深，建立二者之间的定量关系式D(e)＝0.56×C_Al-0.83，其中C_Al为现代湖泊沉积物样品中铝元素的含量。

6.根据权利要求1所述的一种古湖泊水深定量还原的方法，其特征在于，完整的古湖泊水深定量还原公式D(f)＝0.56×C_Al'+1.0928，计算得到的研究区的湖平面升降曲线，其中C_Al'为古代湖泊沉积物样品中铝元素的含量。

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