劉思琦，張昌民，朱銳，徐清海，馮文杰，周傳友，王澤宇

（長江大學地球科學學院，湖北武漢，430100）

潮汐是海水在天體的引力和地球的自轉離心力共同作用下的周期性運動[1-2]。由于水流方向及水動力的變化，潮汐沉積形成一些特殊的沉積構造，例如羽狀交錯層理、韻律層理、砂泥復合層理（脈狀層理、波狀層理及透鏡狀層理）、再作用面等[3-5]。潮汐韻律層中砂泥巖的厚度、頻率等體現(xiàn)了潮汐周期以及能量，研究潮汐韻律能夠重建潮汐沉積過程，推測潮汐沉積的周期。國內外學者通過分析韻律層中潮汐層偶厚度與層數的變化特征，研究了沉積過程中不同尺度的潮汐周期[6-10]，如半日潮、日潮、月潮、半年潮、年潮等。潮汐韻律層已成為高分辨率古環(huán)境研究的一個重要標志。

在東海陸架盆地西湖凹陷平湖組發(fā)現(xiàn)有潮汐沉積，但人們對本區(qū)潮汐沉積的認識存在爭議，趙麗娜[11]認為西湖凹陷平湖構造帶平湖組可劃分出潮坪沉積相和潮汐三角洲沉積相2 種主要的沉積相；劉書會等[12]認為西湖凹陷平湖地區(qū)平湖組在斷陷早—中期發(fā)育洪積扇、近岸水下扇和濁積扇，在斷陷中—晚期發(fā)育辮狀河三角洲、扇三角洲，在斷陷晚期以潮坪沉積為主；吳嘉鵬等[13]將平湖組巖相劃分為礫巖相、砂巖相、細粒巖相3 種類型，認為平湖組主要發(fā)育受潮汐作用影響的三角洲相、潮坪相及局限淺海相等沉積相；楊彩虹等[14]提出平湖斜坡帶E2p的砂體形態(tài)和沉積層序既不符合潮汐影響的三角洲體系，也不符合潮下帶潮道等砂體微相，而更接近淺水環(huán)境下辮狀三角洲的沉積特征；趙洪等[15]認為西湖凹陷平湖組沉積時期發(fā)育海陸過渡的沉積體系，主要包括潮控三角洲、潮坪和海灣等沉積相。前人主要針對平湖組沉積環(huán)境進行研究，缺少對平湖組潮汐韻律層的周期性研究，因此，有必要精確測量單個潮汐韻律層，深化平湖組潮汐沉積認識。

本文在詳細觀察描述東海陸架盆地西湖凹陷平湖組A 井巖心的基礎上，發(fā)現(xiàn)大量潮汐沉積構造。通過測量并統(tǒng)計潮汐沉積砂泥質紋層和層偶的厚度，利用Matlab，Redfit3.8 和Analyseries2.08等軟件，分析層偶厚度、砂質紋層厚度以及泥質紋層厚度及三者的變化周期性，計算其可能的潮汐周期，探討平湖組A井所對應的潮汐周期類型。本研究作為平湖組潮汐韻律層周期性的探討，對判別潮汐周期類型、重建區(qū)域古環(huán)境提供新的思路和方法。

1 地質背景

圖1所示為東海陸架盆地西湖凹陷地質概況。由圖1可見：西湖凹陷是東海陸架盆地內最大的含油氣構造帶，其東界為釣魚島隆褶帶，南、北分別與釣北凹陷、福江凹陷相鄰，西面自北而南與虎皮礁隆起、長江坳陷、海礁隆起、錢塘坳陷、漁山凸起5 個構造單元相接（圖1（a）），南北長約440 km，東西寬約110 km，總面積約5.18 萬km2[16-18]。西湖凹陷新生界地層自下而上依次為始新統(tǒng)甌江組、溫州組、平湖組，漸新統(tǒng)花港組，中新統(tǒng)龍井組、玉泉組和柳浪組，上新統(tǒng)三潭組以及更新統(tǒng)的東海群（圖1（b））。

圖1 東海陸架盆地西湖凹陷地質概況Fig.1 Geological overview of Xihu Sag,East China Sea Shelf Basin

平湖組受潮汐作用影響顯著，經鉆探，在巖心中發(fā)現(xiàn)大量潮汐沉積構造。A井位于凹陷西部斜坡帶，該井取心段深度為3 856.6～3 865.89 m，鉆遇始新統(tǒng)平湖組。本段巖心潮汐沉積構造發(fā)育，沉積構造類型包括砂泥復合層理、雙黏土層以及砂泥對偶層（圖2）。研究中，按照1:5的比例尺詳細觀察和描述巖心，分析所發(fā)育的沉積構造、巖性特征、巖石相及其組合關系，結合分析化驗資料，認為該取心段為潮坪沉積。研究選取了深度為3 856.60～3 858.50，3 858.50～3 860.20，3 860.20～3 860.45，3 862.15～3 863.20和3 863.20～3 865.89 m共5套砂泥層偶發(fā)育段。圖3所示為東海陸架盆地西湖凹陷平湖組A井巖性柱狀圖。由圖3可見：第1 段為砂坪沉積，第2 段和第5 段為混合坪沉積，第3段為泥坪沉積，第4段為潮汐水道沉積。

圖2 東海陸架盆地西湖凹陷平湖組A井典型沉積構造Fig.2 Typical sedimentary characteristics of Well A of Pinghu Formation in Xihu Sag,East China Sea Shelf Basin

圖3 東海陸架盆地西湖凹陷平湖組A井巖性柱狀圖Fig.3 Lithologic column of Well A of Pinghu Formation in Xihu Sag,East China Sea Shelf Basin

2 紋層厚度測量方法

測量砂泥質紋層厚度是研究潮汐韻律的基礎。本文利用Matlab 軟件編制的程序自動采集砂泥質紋層厚度圖像信息，計算5套潮汐韻律發(fā)育段的紋層厚度，如圖4所示。圖像信息采集線寬以像素（pix）計算。

圖4 Matlab軟件編程對巖心圖像信息自動采集流程Fig.4 Automatic acquisition processes of core image information by Matlab software programming

首先，將有深度標尺的巖心圖像調整至能清晰觀察到最小層偶的程度，選取圖像中線作為測線路徑。

其次，設置合適的濾波核線寬，濾波核設定較大時可降低背景污點噪音的影響，但容易丟失高分辨率紋層的信息[19]。采用不同濾波核在同一路徑進行多次采集，確定濾波核設定在3像素時采集結果最為合適，圖5所示為巖心圖像在不同濾波核下采集結果對比。

圖5 巖心圖像在不同濾波核下采集結果對比（3 865.28～3 865.41 m）Fig.5 Comparison of the results of core images collected under different filter kernel（3 865.28—3 865.41 m）

第三，利用不同巖性顏色的差異，將巖心圖像轉換為灰度圖，進行二值化圖像去噪，取得中線上單個點的二值化結果。

最后，統(tǒng)計二值化結果連續(xù)的像素長度，將結果轉換為實際長度，每個二值化結果的連續(xù)像素長度代表了砂泥質紋層的巖性及其厚度，由此獲得每個紋層對應的實際厚度，如圖6所示。本次研究共計算了1 530 個紋層厚度以及765 個砂泥層偶厚度（表1）。

圖6 Matlab軟件自動識別砂泥紋層厚度（3 865.28～3 865.41 m）Fig.6 Automatic identification of sand and mud lamina thickness by Matlab software（3 865.28～3 865.41 m）

表1 平湖組A井砂泥質紋層厚度統(tǒng)計（部分）Table 1 Statistics of sand and mud laminar thickness of Well A in Pinghu Formation（part content）

3 潮汐韻律

表2所示為平湖組A井潮汐層偶厚度變化統(tǒng)計結果。從表2可見：取心段層偶及其紋層的厚度變化較大，相鄰紋層的厚度變化也劇烈，但局部也存在紋層厚度穩(wěn)定不變的現(xiàn)象。由于原始紋層厚度數據中相鄰層偶厚度變化劇烈，這對厚度變化的周期性分析造成影響。鑒于此，在將紋層厚度按順序排列后，對原始數據進行了插值預處理。在分析厚度數據時，會被一些異常數據干擾。對數據進行插值操作可以平滑數據，增強數據的趨勢性。本次研究采用三點兩次插值法，其基本思想是構造一個簡單函數y=p（x）作為f（x）的近似表達式，并且要求p（x）在給定xi與取值相同，通常稱p（x）為f（x）的插值函數。通過對比插值后的數據，砂泥質紋層厚度趨勢更明顯，利于分析周期規(guī)律（圖7）。

表2 平湖組A井潮汐層偶厚度變化統(tǒng)計Table 2 Statistics of the tidal couplet thickness variation of Well A in Pinghu Formation mm

預處理后的砂質紋層厚度和泥質紋層厚度均分別顯示了17個周期（編號分別為A′～Q′和A～Q）（圖7），但是，砂泥質紋層厚度變化的各個周期具有不同特征。

圖7 平湖組A井砂泥質紋層厚度統(tǒng)計結果Fig.7 Statistical results of sand and mud laminar thickness of well A in Pinghu Formation

對比砂質和泥質紋層厚度周期性變化，砂泥質紋層厚度變化周期有一定聯(lián)系，但并不完全一致。有一些砂泥質紋層厚度高峰相同，例如E′～F′號與E～F 號，J′～L′號與J～L 號，O′～Q′號與O～Q 號存在對應關系；也有砂泥質紋層厚度高峰相差10多個，甚至幾十個紋層的情況，例如A′～D′號與A～D 號以及M′～N′號與M～N 號。這些厚度的周期性變化均是沉積動力、沉積環(huán)境變化的綜合反映。

圖8所示為平湖組A井潮汐層偶厚度中砂泥占比。由圖8可見：在同一層偶中，砂質紋層厚度大于泥質紋層厚度的個數為264，泥質紋層厚度大于砂質紋層厚度的個數為502，并且泥質紋層總厚度占層偶總厚度的64%。因此，泥巖對層偶的貢獻率更大。

圖8 平湖組A井潮汐層偶厚度中砂泥占比Fig.8 Percentage of sand and mud in tidal couplet thickness of Well A in Pinghu Formation

4 潮汐周期

為精確識別紋層厚度周期，對數據進行頻譜分析。頻譜分析技術是研究周期性現(xiàn)象中最常用的一種統(tǒng)計分析方法，其基本原理是對復合波系進行數據變換，將其分解成若干振幅和相位不同的簡諧波，進而根據子波的主頻率求取周期[20-21]。目前廣泛采用的頻譜分析方法包括功率譜分析法和最大熵譜分析法[22]。本研究中采用頻譜分析程序RedFit3.8，對各紋層厚度數據序列分別進行了紅噪聲背景下的快速傅里葉轉換（FFT）計算，得出功率譜圖，識別紋層厚度的特征周期分布。功率譜曲線中，高點處對應的橫坐標值就是數據點的主頻率點，一般功率愈高，表明該周期在數據序列中出現(xiàn)的信號越強。通過紅噪聲99%置信度曲線檢驗，層偶厚度的主頻率點為0.054，0.104 和0.120；泥質紋層厚度的主頻率點為0.054，0.104和0.120；砂質紋層厚度的主頻率點為0.054，0.091，0.104 和0.120（如圖9所示）。層偶、泥質紋層以及砂質紋層厚度所對應的譜峰依次為0.054，0.104和0.120。

對頻率取倒數就可以獲得相應的周期或旋回數[23]，結果見圖9。從圖9可見，層偶、泥質紋層以及砂質紋層厚度的最強信號的譜峰對應的紋層組個數為18.52，即每間隔18.52個紋層組，厚度出現(xiàn)1 個變化周期；三者在中頻波段的厚度周期為9.62，在高頻波段的厚度周期為8.33。另外，砂質紋層厚度在中頻波段還可以檢驗出由10.99個紋層組組成的顯著周期，這可能是在高能環(huán)境下潮汐水道沉積的反映（圖3），具有一定偶然性。

圖9 平湖組A井的厚度頻譜分析Fig.9 Thickness spectrum analysis of Well A in Pinghu Formation

周期數9.62 和8.33 相差較小，18.52 與9.62 呈近2 倍數量關系，因而選取具有代表性的18.52 和9.62這2個紋層組厚度周期反映潮流周期特征。

在沉積記錄中檢測潮汐，必須具備2 個前提條件：

1）了解潮汐旋回的周期和頻譜結構。潮汐不僅有半日潮、全日潮和混合潮3 種最基本的類型，而且發(fā)育半月潮、月潮、半年潮、年級潮、十年級潮以及百年級潮汐。

2）潮汐周期是連續(xù)的，但在沉積過程中會因為沉積間斷或者侵蝕作用而缺失，地層記錄是一個間斷式分布的離散信號序列，因此，層偶的數量遠少于理論值。

關于潮坪沉積中的年周期以及更長時間尺度周期的沉積，任美鍔等[24]研究了江蘇王港地區(qū)海岸水位變化的年周期循環(huán)對淤泥質潮坪的作用，認為在砂、泥交替沉積之間存在著明顯的侵蝕過程，砂泥質紋層厚度隨高潮位的季節(jié)變動而變化；李炎等[25]指出浙江大目涂潮坪明顯存在著除半日、半月周期外的年周期循環(huán)，并認為季節(jié)性變化的影響因素有潮汐、波浪和泥沙；楊世倫等[26]認為長江三角洲潮坪普遍具有季節(jié)性沖淤循環(huán)，這種循環(huán)與海面、潮差、風（浪）和岸外含沙量等多種因素的季節(jié)性變化有關；COWAN等[27]發(fā)現(xiàn)阿拉斯加峽灣潮坪沉積記錄的砂-泥互層的層厚的變化能夠很好地顯示出半月、月、雙月以及年周期特征；WILLIAMS等[8]在南澳洲的潮汐紋層序列中識別出了紋層厚度隨年度的變化，還發(fā)現(xiàn)了周期分別為9.7 個Elatina 旋回（即9.7 a）和（19.5±0.5）個Elatina 旋回（即（19.5±0.5）a）的長周期波動；CHOI[28]在韓國西海岸發(fā)現(xiàn)了良好的潮汐韻律層，識別了從半日到月的潮汐周期（圖10）。

圖10 潮汐周期在巖心照片上的級次劃分（據文獻[28]修改）Fig.10 Classification of tidal cycles in core photographs（modified by Ref.[28]）

本文在此基礎上，對平湖組A 井潮坪沉積取心段巖心識別并劃分出百年級、十年級和年級周期韻律。圖11所示為平湖組A 井潮汐周期劃分。由圖11可見：在年級周期韻律中識別出6 個大—小潮周期。通過大—小潮周期韻律在巖心上的響應，較薄紋層分辨率較低，難以清晰辨別，較厚紋層被侵蝕破壞嚴重，難以完整保存（圖12）。造成大—小潮周期不完整的原因可能是潮流速度較弱而不易沉積，也可能是風浪或漲潮流速大而遭受侵蝕。因而，本文主要研究年級、十年級以及百年級周期韻律（見圖11）。

圖11 平湖組A井潮汐周期劃分Fig.11 Division of tidal cycles of well A in the Pinghu Formation

圖12 平湖組A井潮汐周期在巖心上的響應Fig.12 Response of tidal cycle on core of Well A in Pinghu Formation

4.1 年周期韻律

李從先等[29-31]在長江三角洲潮坪的野外觀測發(fā)現(xiàn)，在平靜天氣的低能環(huán)境下，1個大—小潮周期保存的潮汐紋層數低于理論應形成數的10%，在潮坪層序中所保存的紋層數僅為理論上應形成數的0.2%，即潮坪層序平均每3 a 才有2 個紋層組保存下來。因此，沉積過程就像是1個過濾器，把能量低的事件沉積濾掉，只留下能量高的事件沉積。通過測量每個層偶的厚度，計算波谷（波峰）的個數估計年級潮汐周期，對310～363號層偶的砂泥質紋層厚度進行兩點移動平均處理（圖13（a）），根據范代讀等[31]的觀點，在平湖組A 井統(tǒng)計的層偶數據中，每相鄰2 個波峰為1 個年級潮汐周期（T=3 a，圖13（a））。

4.2 十年級周期韻律

在傅里葉變換得出的功率譜圖中，根據識別的18.52 個和9.62 個這2 個具有反映紋層組周期類型的層偶旋回數，結合年級潮汐周期的保存特征，進行潮汐周期換算。通過測量每個層偶的厚度，計算波谷（波峰）的個數以估計十年級潮汐周期，對10～167 號層偶的砂泥質紋層厚度進行兩點移動平均處理（圖13（b））。以層偶旋回數18.52 個為依據，結合波峰變化趨勢，按約20個紋層組（波峰）計算潮汐周期，形成20個紋層組（波峰）需要30 a；以層偶旋回數9.62個為依據，約按10個紋層組（波峰）計算潮汐周期，形成10 個紋層組（波峰）需要15 a。因此，在對平湖組潮汐周期的統(tǒng)計中，共得出15 a潮汐周期和30 a 潮汐周期2 種類型（圖13（b）），結合潮汐周期的級次劃分，均表現(xiàn)為十年級潮汐周期（T=15 a，T=30 a）。

圖13 平湖組A井潮汐周期層偶隨厚度變化特征Fig.13 Variation characteristics of tidal couplet thicknesses of Well A in the Pinghu Formation

4.3 百年級周期韻律

根據十年級潮汐周期特征，形成20 個紋層組需要30 a，共識別4 個波峰，推算沉積時間為120 a；形成10 個紋層組需要15 a，共識別8 個波峰，推算沉積時間為120 a，即平湖組A 井沉積時間為120 a（圖11）。在長江三角洲南翼鉆孔和探槽所揭露的潮坪層序中，通過海岸線變化或210Pb 測年估算，形成1個潮坪層序約需100 a[29]。A井是一個潮坪層序，因而平湖組A 井沉積周期為百年級潮汐周期（T=120 a）。

5 結論

1）平湖組A 井巖心中共發(fā)育砂泥復合層理、雙黏土層以及砂泥對偶層等3種沉積構造類型；沉積環(huán)境主要表現(xiàn)為半封閉的潮坪沉積，沉積相帶包括潮間帶的泥坪、混合坪、砂坪以及潮下帶的潮汐水道。

2）平湖組A井巖心中共包括2組潮汐沉積韻律的周期信號。平湖組A井2組潮汐韻律中，最強譜峰信號對應的紋層組周期數為18.52個，中頻波段對應的紋層組周期數為9.62個。

3）平湖組A 井巖心中存在年級、十年級以及百年級3類潮汐周期韻律。各級次周期韻律對應的紋層組數表現(xiàn)為相鄰2 個紋層組（波峰）代表1個年級潮汐周期（3 a）；18.52 個和9.62 個層偶旋回均代表十年級潮汐周期（30 a 和15 a）；平湖組A 井整段代表百年級潮汐周期（120 a）。