吐哈盆地是新疆三大含油气盆地之一，盆地内二叠系、三叠系、侏罗系、白垩系和古近系均发现有工业油气流^[1-2]。侏罗系水西沟群（包括西山窑组、三工河组及八道湾组）在台北凹陷的胜北洼陷和丘东洼陷内广泛发育，是近年来吐哈油田下洼勘探的主要目的层^[3]。以往学者^[4-5]对水西沟群进行了较为详细的地层学研究，其中生物地层学研究为水西沟群建立了初始的年代地层格架。池建强等^[6]在准噶尔地区水西沟群西山窑组识别出小桫椤孢-紫萁孢-苏铁粉-无缝双囊粉孢粉组合；孙峰等^[7]在水西沟群三工河组和八道湾组分别发现了早—中侏罗世的重要分子光面三缝孢-双束松粉-四字粉孢粉组合和三角孢-紫萁孢-双束松粉孢粉组合。由此可以确定西山窑组、三工河组及八道湾组沉积时期分别对应中侏罗世阿林期—巴柔期、早侏罗世普林斯巴期—托阿尔期及早侏罗世赫塘期—辛涅缪尔期。然而，仅依靠有限的生物化石开展地层学研究并不能完整地恢复出该地区的地质过程，高精度年代地层格架分析是进一步认识研究区地层演化的重要手段。

偏心率（E、e）、斜率（O）及岁差（P）等地球轨道参数的周期性波动可导致地表接收到的日照量发生变化，进而引起气候发生周期性的改变，最终在地质记录中形成韵律性的沉积旋回，称为米兰科维奇旋回^[8-9]。旋回地层学通过从古气候替代性指标中提取出稳定的米兰科维奇旋回信号，来实现地层由深度向时间的转换，从而建立十万年尺度的高分辨率天文年代标尺并进行较高分辨率的地层划分和对比。随着非常规页岩油气勘探开发的深入，百万年尺度的生物地层学和岩石地层学地层划分已无法满足现今非常规油气勘探开发的需要^[10]。旋回地层学因其具有万年尺度级别的高分辨率特征，被逐渐应用到大型含油气盆地的基础研究中，其可为泥页岩油气勘探开发建立准确的地层时空坐标提供指导^[10]，并可对油气资源勘探、古气候和古环境的演化提供重要的参考价值^[11-12]。如国际大陆科学钻探工程在松辽盆地白垩系建立了高分辨率综合年代地层格架，并在青山口组油页岩层段发现了有机质富集规律受到了地球轨道周期的驱动，从而提出了地球轨道周期可驱动气候变化并可促进有机质富集这一观点^[11-13]。

已有研究表明，地表水循环、河流的输送能力及湖泊的富营养化等因素均对有机质的沉积和富集具有一定影响，这些影响因素与地球轨道参数的超长调制周期关系较为密切^[14-16]。因此，有学者^{[11, 16]}研究得出斜率旋回的超长调制周期（~1.2 Ma）对中—高纬地区湖平面升降具有显著的驱动作用。Zhang等^[17]通过旋回地层学方法和沉积噪声模拟，在松辽盆地嫩江组和青山口组2套烃源岩层段中发现~1.2 Ma斜率的超长调制周期驱动了湖平面变化，并认为超长调制周期可通过调节水循环促进湖泊有机质的富营养化。本文选取台北凹陷水西沟群胜北洼陷为研究区，以洼陷内重点井沁探1井为分析对象，建立沁探1井高分辨率“浮动”天文年代标尺，来探究早—中侏罗世地球轨道周期驱动的湖平面变化，以期为探索湖平面变化对整个台北凹陷水西沟群有机质富集规律提供一定依据。

吐哈盆地位于塔里木、哈萨克斯坦和西伯利亚三大板块交会处，呈东西向展布，长约660 km，宽60~130 km，面积约5.4×10⁴ km^2[18-19]。台北凹陷是吐哈盆地吐鲁番坳陷内最大的二级构造单元，表现为东西走向，面积为1.0×10⁴ km²。在台北凹陷内自西向东分别发育胜北、丘东和小草湖3个次洼^[20-21]。早侏罗世时期，吐哈盆地受南北构造挤压应力作用形成山前坳陷，台北凹陷主体形成于该时期；晚侏罗世后，由于吐哈盆地北部博格达山持续隆升导致台北凹陷发生挤压与走滑构造，使得盆地进入湖退萎缩期，并在凹陷周缘形成多个正向构造带（图 1a）。水西沟群是台北凹陷自生自储型源内岩性油气藏勘探的主要层系^{[20, 22]}，自下而上发育八道湾组（J₁b）、三工河组（J₁s）和西山窑组（J₂x），水西沟群顶、底受吐哈盆地整体抬升和博格达山脉隆升影响，在八道湾组底部及三间房组与西山窑组之间发育角度不整合界面（图 1b）。

图 1

Fig. 1

下载原图 图 1 吐哈盆地台北凹陷构造区划（a）及侏罗系岩性地层综合柱状图（b） Fig. 1 Structural division(a)and stratigraphic column of Jurassic(b)of Taibei sag, Tuha Basin

沁探1井位于胜北洼陷东南部。该井八道湾组钻井深度为5 653~5 750 m，地层厚度为96 m（八道湾组未钻穿），钻遇层段岩性以泥岩为主，在5 740 m处发育厚层细砂岩，向上岩性变细，发育泥岩及泥质粉砂岩，并在5 732 m处发育少量炭质泥岩；三工河组钻井深度为5 434~5 653 m，地层厚度为219 m，与上覆西山窑组和下伏八道湾组呈整合接触，岩性以泥岩、泥质粉砂岩及部分细砂岩厚层为主，夹部分炭质泥岩薄层，岩性韵律特征显著，以细粒沉积为主，在三工河组底部5 480 m和5 544~5 594 m处发育细砂岩沉积；西山窑组钻井深度为4 667.5~5 434.0 m，地层厚度为766.5 m，岩性变化频繁，整体以泥岩、粉砂质泥岩、细砂岩为主要沉积特征。在西山窑组下部5 060 m，5 260 m及5 350 m处发育较厚的煤层，向上煤层较薄但层数变多，岩性向上逐渐变细，厚层细砂岩集中在西山窑组底部，向上地层厚变薄，发育粉砂岩和泥岩互层。

通常，温暖潮湿的气候环境可以提高陆源物质的输送和化学风化强度，从而增加黏土矿物和有机质的输入，该环境下自然伽马值较大；反之，寒冷干燥的气候环境会减少黏土矿物和有机质的输入而形成更低的自然伽马值。由于湖相沉积中黏土矿物和有机质的含量变化常反映气候环境的变化，因此自然伽马可以作为一种有效的古气候替代性指标^[23]。Li等^[23]也通过多种古气候替代性指标的对比研究证实了自然伽马可以反映季风驱动的黏土矿物含量变化，可作为一种识别米兰科维奇旋回的有效指标。

对吐哈盆地胜北洼陷沁探1井自然伽马数据序列进行数据预处理，将预处理后的深度域自然伽马数据序列进行多窗口频谱分析^[24]，识别出可靠的旋回信息，并进行连续窗口频谱分析^[25]，识别出沉积旋回在深度域的变化。利用相关系数法（COCO）测试一系列沉积速率来评估天文周期的功率谱与经时间校准后的古气候替代指标功率谱间的相关系数^[26-27]。

由于潮汐耗散等因素影响，研究人员仅可精准计算出50 Ma以来的斜率和岁差周期^[28-30]。吐哈盆地胜北洼陷水西沟群沉积于早—中侏罗世（~180 Ma），该时段缺乏精确的斜率和岁差周期的估计值。然而，以往研究表明，405 ka长偏心率周期在地质历史上保持长期稳定^[27-30]，可作为目标周期对水西沟群地层进行天文校正。Laskar等^[31]估计出早侏罗世（~174 Ma）的地球轨道长偏心率周期为405 ka，短偏心率周期为100 ka和125 ka，斜率周期为35.2 ka和44.1 ka，岁差周期为18.1 ka和21.7 ka。Berger等^[28]估计出早侏罗世地球轨道短偏心率周期为94.3 ka和122.0 ka，斜率周期为37.2 ka和47.6 ka，岁差周期为18.1 ka和21.7 ka的。Boulila等^[32]通过对巴黎盆地Sancerre-Couy钻井记录磁化率数据序列进行旋回地层学分析，估计出在174.0~183.7 Ma的地球轨道长偏心率周期为405 ka、短偏心率周期为101.0 ka和120.0 ka，斜率周期为32 ka、35 ka和58 ka、岁差周期为21.0 ka（表 1）。因此，405 ka长偏心率周期可作为目标周期进行天文校正。

表 1(Table 1)

表 1 早—中侏罗世地球轨道周期及其比例[28, 31-32] Table 1 Earth's orbital period (ka) and ratio during the early-middle Jurassic 长偏心率周期 短偏心率周期 斜率周期 岁差周期 比例关系 405 125，100 44.1，35.2 21.7，18.1 22.3∶6.9∶5.5∶2.4∶1.9∶1.2∶1.0 405 122，94.3 47.6，37.2 21.7，18.1 22.4∶6.7∶5.2∶2.6∶2.0∶1.2∶1.0 405 120，101 58.0，35.0，32.0 21.0 19.3∶5.7∶4.8∶2.8∶1.7∶1.5∶1.0

下载CSV 表 1 早—中侏罗世地球轨道周期及其比例[28, 31-32] Table 1 Earth's orbital period (ka) and ratio during the early-middle Jurassic

胜北洼陷沁探1井八道湾组自然伽马值为51.4~116.3 API，平均值为82.6 API。对该组自然伽马数据进行频谱分析，结果显示该组具有9个优势频率峰值，对应的沉积旋回厚度分别为15.7 m，12.8 m，5.5 m，4.3 m，3.2 m，3.0 m，1.5 m，1.2 m及1.1 m；利用连续窗口相关系数法对该组自然伽马数据进行分析，结果显示该组沉积速率为2.0~4.0 cm/ka，平均值约为3.3 cm/ka（图 2）。沁探1井三工河组的自然伽马值为27.1~128.8 API，平均值为85.8 API。对该组自然伽马数据进行频谱分析，结果显示该组具有9个优势频率峰值，对应的沉积旋回厚度分别为24.9 m，6.68 m，5.64 m，3.54 m，2.92 m，2.52 m，1.79 m，1.45 m及1.38 m；利用连续窗口相关系数法对该组自然伽马数据进行分析，结果显示该组沉积速率为3.0~8.0 cm/ka，平均沉积速率约为5.5 cm/ka（图 3）。西山窑组自然伽马值为27.1~128.9 API，平均值为85.9 API。对该组自然伽马数据开展频谱分析，结果显示该组具有8个优势频率峰值，对应的沉积旋回厚度分别为51.1，35.8 m，11.9，9.8 m，3.6，3.1 m，2.3及2.1 m；利用连续窗口相关系数法对该组自然伽马数据进行分析，结果表明西山窑组具有较大的沉积速率变化，沉积速率为5.0~13.0 cm/ka（图 4）。

图 2

Fig. 2

下载原图 图 2 吐哈盆地台北凹陷沁探1井八道湾组旋回地层学分析 Fig. 2 Cyclostratigraphy analysis of Badaowan Formation in Qintan 1 borehole of Taibei sag, Tuha Basin

图 3

Fig. 3

下载原图 图 3 吐哈盆地台北凹陷沁探1井三工河组旋回地层学分析 Fig. 3 Cyclostratigraphy analysis of Sangonghe Formation in Qintan 1 borehole of Taibei sag, Tuha Basin

图 4

Fig. 4

下载原图 图 4 吐哈盆地台北凹陷沁探1井西山窑组旋回地层学分析 Fig. 4 Cyclostratigraphy analysis of Xishanyao Formation in Qintan 1 borehole of Taibei sag, Tuha Basin

对八道湾组、三工河组和西山窑组识别出的沉积旋回信号通过高斯带通滤波分别提取米兰科维奇旋回信号，确定出八道湾组长偏心率滤波为0.065 ± 0.02旋回/m，短偏心率滤波为0.26 ± 0.09旋回/m；三工河组长偏心率滤波为0.046 ± 0.015旋回/m，短偏心率滤波0.177 ± 0.04旋回/m；西山窑组长偏心率滤波为0.027 ± 0.009旋回/m，短偏心率滤波0.12 ± 0.02旋回/m。滤波结果显示在沁探1井中八道湾组记录了7个长偏心率周期和22个短偏心率周期（图 2）；三工河组记录了10个长偏心率周期和36个短偏心率周期（图 3）；西山窑组记录了22个长偏心率周期和约91个短偏心率周期（图 4）。

由于405 ka的长偏心率周期在地质历史上保持长期稳定，且在沁探1井中缺乏绝对年龄的约束，所以需要建立“浮动”天文年代标尺。本文利用高斯带通滤波器提取长偏心率周期目标信号，并赋予405 ka的时间间隔，构建年龄模型并完成自然伽马序列从深度域向时间域的转换，对时间域数据序列以5 ka为插值间距进行线性插值。对时间域自然伽马数据序列进行多窗口频谱分析，结果显示沁探1井水西沟群超长调制周期为1 485 ka、长偏心率周期为405 ka、短偏心率周期为99~131 ka、斜率周期为32.6~35.0 ka、岁差周期为20.0~24.8 ka（图 5）。这一结果与Laskar等^[31]估计的天文周期基本一致，验证了天文旋回分析结果的可靠性。根据建立的“浮动”天文年代标尺估算出沁探1井八道湾组（未钻穿）、三工河组和西山窑组的持续时间分别为3.0 ± 0.1 Ma，4.1 ± 0.1 Ma和9.0 ± 0.1 Ma（图 6）。

图 5

Fig. 5

下载原图 图 5 吐哈盆地台北凹陷沁探1井时间域综合序列多窗口频谱分析 Fig. 5 Multitaper method Spectral analysis of the astronomically calibrated comprehensive data sets time series in Qintan 1 borehole of Taibei sag, Tuha Basin

图 6

Fig. 6

下载原图 图 6 吐哈盆地台北凹陷沁探1井“浮动”天文年代标尺及沉积噪声模型 Fig. 6 The "floating" astronomical time scale and sedimentary noise model of Qintan 1 borehole of Taibei Sag, Tuha Basin

百万年尺度的超长周期，对千年尺度的旋回具有明显的天文调制作用^{[31, 33]}。以往研究表明，高频的岁差旋回因受到日—地距离影响会对不同纬度地区地表接受的日照量产生间接影响，尤其对低纬地区影响最大，随着纬度的升高影响程度逐渐减弱，但低频的偏心率改变了日—地距离的大小，加强了岁差旋回对地表日照量分布的控制作用^[31]。斜率周期可改变高纬度地区的日照量，斜率越大，高纬度地区接收到的日照量越少，气候季节性增强，夏季炎热，冬季更加寒冷，表现为较强的降水和地表径流；当斜率降低时则与之相反，气候季节性减弱，降水和地表径流减弱^[34-36]。

通过对偏心率、斜率滤波信号振幅包络线的调幅分析，可识别出偏心率和斜率周期的超长周期调制信号，这种方法在古生代地层已有较为广泛的应用^[33]。然而斜率的超长调制周期因受到太阳系混沌行为的影响，在地质历史上并非一直稳定，如Zhang等^[37]发现在寒武纪早期存在~1.5 Ma的超长周期。对天文校准后的时间域数据列中识别出的短偏心率周期和斜率周期进行带通滤波（滤波参数分别为：0.01 ± 0.001旋回/ka和0.027 5 ± 0.002 5旋回/ka），并分别提取短偏心率和斜率旋回的包络线（图 6）。对短偏心率包络线进行多窗口频谱分析显示出2 112~2 866 ka的优势频率谱峰，平均值为~2.4 Ma，可解释为偏心率的超长调制周期对短偏心率周期调制的结果。对斜率包络线进行多窗口频谱分析结果显示出1 385~1 709 ka和500 ka优势频率谱峰，其中1 385~1 709 ka周期的平均值为~1.5 Ma，可解释为~1.5 Ma的超长调制周期对斜率调制作用的结果（图 5）。

湖平面升降变化可控制各类沉积体的分布情况和层序地层界面的形成，对于沉积体系分布及生储盖组合研究具有重要意义。古气候替代性指标序列中的噪声（相对于轨道信号）包括沉积水界面变化及不稳定的沉积过程（如短期的构造作用、火山活动等）^[15]。沉积噪声模型由轨道调谐分析后的动态噪声模型（DYNOT）和自相关系数模型（ρ1）组成。其中动态噪声模型可评估非轨道信号方差与轨道调谐数据集中总方差的比率^[15]；自相关系数模型可评估测量轨道信号功率谱中各频率点的方差分布的lag-1自相关系数^[15]。动态噪声模型和自相关系数模型序列成反相关关系，动态噪声的减小和自相关系数的增大均反映了噪声的减小，对应海平面的升高，反之亦然。在旋回地层学分析时，为使分析结果更易于解释，通常会对数据序列进行预处理，消除低频沉积噪声信号的影响，但在进行沉积噪声模拟时需保留噪声信号，因此须将未经预处理的深度域原始数据进行天文调谐后再进行沉积噪声模拟。

近年来油气资源勘探思路逐渐由“近源”向“进源”转变^[2]，然而烃源岩多为细粒的泥岩沉积或煤层沉积，沉积速率较慢，通过岩石地层学和层序地层学难以做到精准对比和划分，限制了页岩或煤系烃源岩勘探开发潜力的精准评价^[10]。通过旋回地层学分析可做到对烃源岩层段进行米级的精准刻画，为油页岩和煤系烃源岩的勘探开发提供了高分辨率的年代地层格架^[38]。沁探1井水西沟群主要为细粒沉积物，沉积连续，无明显的沉积间断。通过旋回地层学的分析可知米兰科维奇旋回对自然伽马值具有明显的控制作用，反映了黏土矿物输入和地表径流的大小，对有机质向湖盆内聚集具有指导意义。因此基于沁探1井水西沟群自然伽马序列建立的“浮动”天文年代标尺，可作为吐哈盆地水西沟群连井分析和高分辨率划分的对比标准，也可结合试油、试采结果对水西沟群“甜点”层进行预测。

水西沟群沉积于早—中侏罗世，是地质历史上典型的温室气候时期。温室气候下海相（或陆地湖泊相）沉积记录中的超长调制周期会驱动海平面（或湖平面）的变化^[15]。对早—中侏罗世来说两极无冰盖，海平面的升降通常是由于与陆地的水气交换所引起^{[17, 39]}。以往学者对温室气候下海相地层（或陆地湖泊相）的超长调制周期驱动海平面（或湖平面）变化的研究表明，通常在调制周期极大值时向极地方向的水气交换和热通量的增强将导致中高纬度地区降水量增多，渗入含水层的水量增加，大陆含水层的蓄水量上升，导致湖平面上升、海平面下降；极小值时较少的水气和热量向极地转移，会减少高纬度大陆的降水，大陆含水层中的水减少，更多的水通过蒸发和径流重新回到海洋^{[14, 16-17]}。

对深度域自然伽马原始数据天文调谐后的时间域自然伽马序列进行沉积噪声模拟重建了早—中侏罗世胜北洼陷湖平面变化（图 6）。根据自然伽马时间域数据序列趋势与动态噪声进行对比，在自然伽马序列长偏心率振幅增大，对应动态噪声模拟减小和自相关系数噪声模拟增大，表明噪声信号弱，湖平面相对上升，证明此时降水增多，地表径流增强，湖泊储水，岩性对应细粒的泥岩沉积；自然伽马长偏心率振幅减小，对应动态噪声模拟增大和自相关系数噪声模拟减小，表明噪声信号强，湖平面相对下降，此时降水减少，陆源碎屑增多，岩性对应粉砂岩、砂岩及少量煤层。西山窑组中下部有多层的煤系地层沉积（图 6灰色虚线），基于动态噪声模拟和自相关系数噪声模拟的结果，发现煤层形成于湖平面相对高值时期并对应斜率包络线的波峰值。岩性变化和自然伽马序列证明在该时期可能是~1.5 Ma的轨道周期控制了吐哈盆地的湖平面升降和湖泊的富营养化，影响了有机质的埋藏。因此，对动态噪声模拟和自相关系数噪声模拟中值分别进行2π多窗口频谱分析（图 5），动态噪声模拟结果显示出1 486 ka，1 316 ka的优势谱峰；自相关系数噪声模拟呈现1 864 ka，1 484 ka，852 ka的优势谱峰。其中，1 316~1 486 ka的周期值与斜率的超长调制周期较为一致，均表现为~1.5 Ma的超长调制周期（图 6）。由此可以确定~1.5 Ma的轨道周期驱动了台北凹陷的湖平面升降，然而由于在研究井段中缺乏绝对年龄的约束，仍无法深入探究湖平面变化和天文曲线的对应关系和早—中侏罗世台北凹陷和海洋间的水循环过程。

（1）对吐哈盆地胜北洼陷沁探1井水西沟群自然伽马序列开展多窗口频谱分析和连续窗口频谱分析识别出12.8~51.1 m，3.0~11.9 m，1.1~3.6 m和1.3~2.4 m的沉积旋回。八道湾组沉积速率为2~4 cm/ka，平均沉积速率为3.3 cm/ka；三工河组沉积速率为3.0~8.0 cm/ka，最优沉积速率为5.5 cm/ka；西山窑组沉积速率为5.0~13.0 cm/ka。

（2）以405 ka长偏心率旋回周期作为目标周期进行天文调谐并建立“浮动”天文年代标尺，结果显示早—中侏罗世短偏心率周期、斜率周期、岁差周期分别为99~131 ka，32.6~35 ka和20.0~24.8 ka，这一结果与早—中侏罗世地球轨道周期较为一致。西山窑组、三工河组和八道湾组的持续时间分别为9.0 ± 0.1 Ma，4.1 ± 0.1 Ma和3.0 ± 0.1 Ma。通过对短偏心率周期和斜率周期进行振幅调制分析确定短偏心率受到~2.4 Ma的超长周期调制，斜率受到~1.5 Ma的超长周期调制。

（3）利用沉积噪声模型重建了台北凹陷沁探1井中水西沟群湖平面变化，模拟结果证明~1.5 Ma超长周期可驱动台北凹陷湖平面升降，斜率周期占主导驱动气候变化。西山窑组煤层沉积于湖平面较高时期。陆地降水增多，湖平面上升，增强了湖泊营养物质的输入有利于泥岩及煤系烃源岩的沉积，为吐哈探区高分辨率地层对比和划分提供了有利参考。