非海相层序地层学应用基础

发布网友 发布时间：2022-05-11 07:51

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热心网友 时间：2023-10-09 02:09

层序地层学原理，起源于海相被动*边缘沉积地层的研究，原始资料大多数取材于地下，目前研究范围已经逐渐扩展，引申到露头地层和非海相沉积盆地中。层序地层学的主要创始人P.R.Vail（1991）指出，根据他个人的经验，只要能在海相环境中应用的理论，在湖相环境中同样适应；层序地层学如何在非海相沉积盆地中应用，取决于中国的学者。

一、问题的提出

作者自1988年以来致力于东部非海相沉积盆地层序地层的工作。通过学习、理解、应用、思索、总结，认为层序地层学的基本原理在非海相沉积盆地中仍然适应。尽管或多或少遇到了阻力，但是这门学科毕竟应用到东部盆地中，各油田及科研单位也日益予以重视。矛盾来自各个方面，问题集中在：①层序地层学在非海相沉积盆地中的应用依据；⑦如何开展工作；③非海相沉积盆地的“陆架坡折”是什么；④体系域及沉积体系的内涵与外延；⑤解决生产问题的可信性与可行性等等。除此而外，实际工作中还遇到对层序地层学原理的质疑、生产布署和行政管理诸方面的问题，这些已超出本文的论述范围。

二、层序地层学在非海相沉积盆地中应用的依据

1.非海相沉积地层具有韵律性、旋回性、重复性或周期性

有经验的地质工作者都曾注意到，无论是露头剖面还是岩心剖面（图版Ⅰ—7），均会出现地层由厚到薄、粒径由粗到细或者地层由薄到厚、粒径由细到粗这样的规律性变化。这种规律性表现为旋回性、韵律性、重复性或周期性。例如英国西南的宾夕法尼亚系早威斯特伐利亚期，发育了一个由海盆分离出来的布德湖，其地层Bude组由厚约1300m的砂泥互层组成，沉积旋回可分辨至米级甚至分米级，一个完整的旋回由黑灰色泥岩

浅灰色粉砂质泥岩

厚层混合砂岩组成。松辽盆地北部泉头组—嫩江组地层具有十几米（最薄仅几米）的浅色粗粒沉积

黑色细粒沉积夹碳酸盐岩

浅色粗粒沉积的旋回。在渤海湾盆地中，普遍可以见到下红粗、中黑细、上粗杂的重复性旋回。任何具有旋回性或周期性的沉积地层，无论为海相成因或非海相成因，都能够应用层序地层学的基本概念进行解释研究（徐怀大，1992）。

层序地层学在理论上的核心就是海平面（或基准面）的相对变化或由之引起可容纳空间增长速率的变化控制了地层的分布型式。虽然相对海平面变化是多种因素综合影响的结果，但是这些影响因素最终以相对海平面（基准面）的变化表现出来。沉积地层的规律性变化，就是相对海平面（基准面）变化的物质记录。因而，层序地层学的主要任务之一就是在等时格架内研究沉积地层的分布型式。非海相沉积地层同样具有规律性变化，表明基准面曾发生过相对应的升降变化，能够根据地震、钻井和露头资料综合解释地层的分布型式。

2.沉积地层中存在不整合

在东部盆地中，上第三系与下第三系之间、第三系与白垩系之间、白垩系与下伏地层之间都存在明显的巨大不整合或发生地层缺失现象。在非海相沉积盆地中，基准面的相对变化更快、周期更短，因而除了那些巨大不整合外，还具有许多次一级的不整合。相对基准面快速下降是形成不整合的主要原因。湖泊相对水域较小，一旦基准面迅速下降，盆地绝大部分出露地表甚至干枯，因而不整合的范围相对较大。次一级的不整合（例如*层序界面）不易识别的原因在于，基准面变化周期短致使形成不整合的时间跨度较海相者小；更重要的原因是即使在盆地暴露期间，物源因素也很活跃，在盆地缓坡、长轴方向甚至各个部位，都可能存在沉积物的堆积作用，例如三角洲、沼泽、河流的沉积作用。后者的沉积物与湖泊沉积物、下伏高水位体系域的河流沉积物有时难以区分；扇三角洲、三角洲沉积体系亦有穿时现象。

3.能够查清层序地层的空间分布型式

非海相沉积盆地中的沉积地层具有旋回性，能够识别出不整合，因此能够建立以不整合及横向上可以与之对比的整合面为界的、成因上有联系的、旋回性或周期性地层的年代地层格架。在年代地层格架内，能够解释沉积环境和相关岩相的分布规律，建立层序地层格架。

4.与外海有联系

东部近海内陆盆地受太平洋气候的影响很大，并且各盆地不同程度地遭受到海水的侵袭或与海洋有过某种联系。在沉积地层中先后发现了古生物学、矿物学和地球化学等方面的海相标志。例如有孔虫（图版Ⅰ—2）、海绵骨针、苔藓虫、棘皮、钙藻和超微化石（图版Ⅰ—4至图版Ⅰ－7）等古生物；海绿石（图版Ⅰ—3）等自生矿物；硼含量、锶/钡、硼/镓比值接近咸水或半咸水标准的地球化学指标。

东部盆地在中、新生代与外海有联系，为全球性对比、揭示基准面相对变化的规律性提供了基础。在非海相沉积地层中研究层序地层学，首先选择具有海泛的沉积盆地为对象，在掌握其基本变化规律的基础上，推广到纯陆相沉积盆地中。

层序地层学的基本理论能够适用于非海相沉积地层，关键不在于基准面升降曲线与Haq的海平面变化曲线是否全然合拍，也不在于争论究竟那种因素起主要控制作用，而在于沉积地层是否具有旋回性、周期性，在于地层分布型式是否受四大因素的控制（徐怀大，1993）。

5.发生过多旋回的构造运动

东部盆地在中、新生代经历过复杂的构造运动，多数地质学家把它们与前人定义的各种周期性的构造运动幕相联系。早在10多年前，黄汲清先生就把阿尔卑斯旋回，包括三叠纪（T）、侏罗纪（J）、白垩纪（K）、第三纪（E、N）和第四纪（Q），分为印支、燕山和喜马拉雅三个亚旋回。印支旋回又分为三个构造运动幕（T₂;T₂末—T₃早期；T₃末—J初期）；燕山旋回包括三个亚旋回，即早燕山（J₁-J₂早期）、中燕山（J₂晚期—K₁早期）和晚燕山（K₁晚期—K₂早期）亚旋回；喜马拉雅旋回含早（K₂晚期—中新世中期）、晚（主要指中新世晚期—早更新世）两期。无疑这些构造旋回与构造运动相联系。早燕山亚旋回顶界的构造运动，地质记录为龙爪沟群及其相当地层与下伏地层之间的不整合。中燕山亚旋回的地质记录表现为早白垩世地层超覆在中、晚侏罗世火成岩地层之上。松辽盆地四方台组之下的不整合是晚燕山运动形成的构造面。早喜马拉雅亚旋回具有两次重要的构造运动，第一次（中始新世末）以华北沙河街组与孔店组、苏北戴南组与阜宁组之间的不整合为代表；第二次（渐新世末至中新世中期）以华北馆陶组与东营组、苏北盐城组与三垛组、松辽盆地大安组底界的不整合为其标志。晚喜马拉雅亚旋回以上、下第三系之间及第三系与第四系之间的不整合为其地质记录。石油地质学家还把这些构造运动幕与成盆期或盆地发育阶段相联系（表3-1）。

6.基准面发生过周期性的升降变化

东部盆地在中、新生代沉积基准面发生过规律性变化。徐怀大教授自80年代以来，先后对苏北、渤海湾、辽东、江汉、冀中、松辽等盆地的沉积基准面变化作了系统的研究，胡炳煊（江汉）、崔志诚（东台）等也作过类似的研究。由已有的成果分析，东部盆地的基准面出现过多期变化。尽管这些变化在各盆地表现强度不一、时间上略有差异，但是存在某种周期性或准同期性。

7.气候发生过周期性变化

从事微体、超微和孢粉工作的专家都已发现，非海相沉积地层中存在着气候周期性变化的证据。这些周期性变化具有某种内在联系，并且与海相气候变化有所不同。

表3-1　中国中、新生代构造运动幕划分对比表（据关士聪等，1986）

宋之琛等（1985）研究了东海陆架盆地龙井构造带新生代的孢粉。该区早第三纪的孢粉组合为栎粉属－网面三沟粉－三瓣粉属（Quercoidites-Retitricolpites-TrilobapDllis），属于较干燥的*带气候；中新世时，早期含松科－菱粉属孢粉组合（Pinaceae-Sporotrapoidites），中期有芸香粉属－三沟粉属－扁三沟粉属组合（Rutaceoipollis-Tricolpollenites-Tricolpites），晚期为粗肋孢属－枫香粉属组合（Magnastriatites-Liquidambarpollenites），反映在气候上属中*带－南*带型，早凉、中热、晚稍凉；上新世的孢粉组合为蓼粉属－禾本属（Persicarioipollis-Graminidites，包括Polypodiaceaesporites和Retimultiporopollenites两个亚组合），气候属略带干旱的北亚带型，气候比中新世变凉一些；第四纪的孢粉组合早期为刺甲藻属－多刺藻属（Spiniferites-Multispinula），属于海相产物，晚期为水龙骨单缝孢属－杉科－菊科组合（Polypodiaceaesporites-Taxodiaceae-Compositae），属北*带型。总之，由孢粉反映的古气候是冷热交替的过程。

周昆叔等（1982）对中国晚更新世以来的古气候、古地理利用孢粉资料进行了研究，徐家声（1982）对黄海更新世以来的孢粉组合及其反映的古地理与古气候有过探讨，李文漪（1982）对渭河、沧州地区的孢粉组合作过分析，王强等（1986）根据有孔虫、介形虫及孢粉资料建立了近15万年来渤海西、南岸的海侵—气候序列，余洪流等对东北中、新生代古气候变化涉及过。这些研究均显示了古气候发生过冷与暖、干与湿的交替变化。东部盆地中新生代的气候变化见表3-2（郝诒纯，1981）、表4-16和图4-15（高瑞琪等，1991）。

8.沉积物供应速率具有重要的作用

非海相沉积盆地的物源及沉积物供应速率对陆相地层有着特殊重要的作用。沉积物供应速率愈大，盆地充填愈迅速，砂层沉积厚，水体深度愈来愈小。持续的快速充填，将导致盆地消亡；沉积物供应速度缓慢，盆地处于欠补偿状态，能够形成良好的生油层。换言之，沉积盆地的形成发展过程，始终存在着可供沉积物充填的可容纳空间的多寡与沉积物注入量之间的矛盾。沉积盆地由发生、发展到衰亡，实质上就是可容纳空间与沉积物补给之间矛盾的不断转化过程。

表3-2　黄骅坳陷早第三纪古植物、古气候综合表（据郝诒纯等，1981）

综上所述，无论是东部盆地还是西部盆地，非海相沉积地层与海相地层一样，存在非常明显的韵律性、旋回性和周期性。物质是运动的，地球内部热能的聚集与释放、自身转动速度的变化、与外部星体之间引力的变化，都会引起构造运动。无论用那种观点来解释，复杂的周期性构造运动是客观存在的统一的。构造运动形成正断层上盘下降、下盘上升或直接使底板下沉，为可容纳空间的增长创造了条件。气候的冷与暖、干与湿的交替变更，引起了湖泊水体深度的变化。沉积物供给速率的变化导致可容纳空间增长速率的变化。多种因素共同作用，必然引起基准面发生周期性变化，从而在基准面相对最低时形成不整合，在一个变化周期内基准面由下降到上升再下降，必然沉积相应的沉积体系并组成具有内在联系的空间分布型式。由此可见，形成非海相沉积层序及其内部地层单元的几何形态与岩性仍然受构造沉降、基准面变化、沉积物供应速率和气候因素的控制，这也充分证明了层序地层学的基本原理在非海相沉积盆地中仍然适应。

上述结论并不等于在非海相沉积盆地中照搬“经典”的海相层序地层学理论，相反是辩证地应用、发展，乃至总结出一套适用于非海相沉积特征的层序地层学基本理论。科学理论来源于生产实践和科学实验，又回到实践中检验、应用、发展和完善。科学的核心是探索客体的存在现象、性质、揭示其运动、变化和发展的规律性，不断发现问题解决问题。回避矛盾只能引起倒退。

非海相沉积盆地不同于单物源的海相盆地，沉积地层的分布型式除了受上述四大因素的控制外，还受到多物源方向、局部构造运动、盆地演化阶段、古地理位置、海水进侵和海洋气候、突发性和灾变性事件等因素的影响。

三、非海相层序地层学的方*

自然科学的一般研究方法，例如观察、实验、科学抽象、逻辑推理和数学模拟等，以及特殊研究方法，例如同位素年龄的测定、大型模拟实验等，均适应于层序地层学。然而，一门独立的科学有其自身的特点，必须建立一套相应的研究方法及制定相联系的一套技术路线。

层序地层学是一门具有创造性思维的科学。在非海相沉积盆地中研究层序地层学，需要经历一个艰难的过程，也是一项具有开创性和探索性的工作，我们既要承认这门学科的科学性，也要看到其理论出处的局限性。作者认为，在非海相沉积盆地中开展层序地层学工作，首先要学习、理解、吃透这门学科的核心理论，然后根据非海相沉积盆地自身的特点（例如构造背景、盆地演化、古地理位置及各种影响因素）建立一套理论体系，这就需相应的理论依据及相应的研究方法。

1.非海相沉积盆地的“陆架坡折”

地震地层学及层序地层学在理论上的经典是周期性的相对海平面变化产生一系列成因上有联系的旋回式地层层序。在海平面变化周期的每一个阶段，产生不同的但成因上相关的地层分布型式。为了衡量海平面的变化速率、空间位置，也是为了确定层序类型、区分层序内的不同体系域，Vail等（1987）提出了以陆架坡折（shelf break）或陆架边缘（shelf margin）作为衡量标准.Van Wagoner等（1987,1988）主要研究浅海沉积物，提出了沉积滨线坡折（depositional shoreline break）的对等概念。后来，为了避免将前期高水位期的陆架坡折与地理位置上的陆架～陆坡坡折混淆，Vail等（1991）提出以“Offlap break”取代原来提出的沉积滨线坡折或陆架坡折。“Offlap break”有人译为退覆坡折，它实质是先前高水位体系域三角洲体系下超体顶部带的坡折。这些概念在本质上是等效的。

在非海相沉积盆地中不存在一个明显的“陆架坡折”，本文拟定以风暴浪基面作为“陆架坡折”理论上的参照物。依据如下：

（1）当海平面下降速率超过陆架坡折处的构造沉降速率时，可容纳空间大幅度减小，坡折以上的大部分陆架地区暴露、冲刷而产生I型层序边界；在坡折之下发育了低水位的浊流沉积砂体。由沉积学原理可知，陆架坡折位于浅海与半深海和深海的分界线上，湖泊环境的风暴浪基面在某种意义上具有近似等同的效应。浊流沉积赋存于陆架坡折之下的区域内，实质即风暴浪基面之下的深水环境，当基准面（湖平面）下降到原风暴浪基面之下，水域很小、可容纳空间减低，大部分地区暴露，能够形成I型层序边界。一言以蔽之即低水位体系域发育于风暴浪基面之下的半深海、深海环境。因而，可以将风暴浪基面作为“陆架坡折”理论上的参照物。

（2）由于湖泊盆地覆盖面积小，缺乏明显的地理分带，不可能发育源远流长规模巨大的“海底”峡谷，沉积物的过路作用相对不甚明显。即使在低水位期，星罗棋布的沉积物也可以发育在盆地的任一角落，亦即低水位体系域并不完全分布在“陆架坡折”之下。这样，即使能够找到“陆架坡折”，也不能完全表明体系域的形成及赋存规律。应用风暴浪基面作为参考点，更能说明基准面不同演化阶段的沉积物的分布型式。

（3）通过对松辽、冀中及辽河盆地的岩心观察，证明湖泊盆地确实存在风暴岩（图版Ⅰ－1，图版Ⅱ－1至图版Ⅱ－3），这说明风暴浪基面是客观存在的。

（4）在缺乏岩心的地区，利用地震剖面上的首次洪泛面的上超终止点或前高水位期三角洲体系顶部的下超坡折作为判断体系域性质的参照物。这是一种实用方法，也是对上述论点的补充。

确立了衡量标准，就能够分析基准面的相对变化及可容纳空间的增减速率，并由此研究沉积物在时间上和空间上的赋存规律。

2.总体分析方法

所谓科学研究方法，实际上包括“战略”和“战术”两个方面，即总体分析和具体分析方法。在层序地层学研究方面，“战略”分析包括选区或盆地属性的分析、盆地发育史分析、构造运动史、盆地沉降史分析等等。盆地属性分析除了盆地的成因性质外，例如弧后盆地、前陆盆地、内陆盆地、断陷盆地、裂谷盆地、坳陷盆地等等，更重要的是盆地是否曾与外海有联系。与外海有联系的盆地在基准面升降、全球变化、控制沉积物分布形态的因素等方面与海相盆地有千丝万缕的关系。尽管这类盆地有其自身独特的特征，但是相对容易开展层序地层学工作，因为与海相盆地具有某种共性和全球变化的规律性。对于完全封闭的内陆盆地，进行层序地层学研究困难更大，可能存在某些全球变化的规律性，也可能自成体系。非海相沉积层序的分布形态与盆地演化阶段息息相关。盆地的地热史、充填史、沉降史及构造史都对地层分布型式有一定影响。例如构造活动强烈的盆地，不仅其地温梯度高、埋藏及沉降强度受到影响，而且局部构造运动可以增强或压缩基准面升降变化的信息。总体上的战略分析，是具体分析的前提。只有总体上把握，才能在具体分析中心中有数。

3.具体技术路线

无论是海相沉积还是湖泊沉积，研究层序地层的第一手资料是地震、钻井和露头资料。层序地层学脱胎于地震地层学，二者均需要划分地震层序、进行地震相分析、研究体系域、利用反射结构或反射参数做有关图件、研究层速度与岩性的关系、做地震模型分析等。

层序地层学工作步骤是，先从测井资料入手，识别准层序、准层序组、密集段（condensed section）和生物地层断代；接着在地震剖面上寻找反射终止点、识别不整合面（削截、顶超等），结合测井信息和古生物资料划分超层序、层序，作合成地震记录，将地震和测井结果联系起来，建立地层格架；露头、岩心观察是对地震、测井分析结果的检验和完善；将地震相转化为沉积相；镜下鉴定、电镜扫描、能谱扫描及电子探针分析等，总结微观特征，将微观分析与宏观分析结合起来；作特殊处理分析；最后总结体系域特征，建立层序地层学地质模式，探讨与油气赋存的关系。工作步骤用框图表示如图3-1所示。