高分辨率層序地層學(xué)的基本原理

層序地層學(xué)是一種劃分、比較和分析沉積層的方法。它是研究一套由不整合及其對應(yīng)的整合面為邊界的、具有成因聯(lián)系的年代地層格架內(nèi)的巖層間相互關(guān)系的一門學(xué)科。它不同于以往的巖石地層學(xué)、生物地層學(xué)、磁性地層學(xué)等。它通過建立年代地層格架,為盆地范圍內(nèi)的地層對比提供依據(jù);它建立了一些經(jīng)典的層序地層模式,有效預(yù)測地層充填結(jié)構(gòu)和展布樣式;它在一個層序內(nèi)進一步劃分出體系域,對地層分布模式、儲層預(yù)測作出解釋。高分辨率層序地層學(xué)是以TimoCross為首的美國科羅拉多礦業(yè)學(xué)院成因地層研究組在上世紀(jì)九十年代創(chuàng)立的,它和P.R.Vail為首的Exxon科研小組的經(jīng)典層序地層學(xué)及Galloway的成因地層學(xué)已成為層序地層學(xué)的三大學(xué)派。近年來它已為越來越多的學(xué)者所接受并在實際應(yīng)用中收到了較好的效果[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12]。但是,由于其基本理論和經(jīng)典的層序地層學(xué)差異較大,初學(xué)者感覺其抽象、晦澀、難于理解。本文結(jié)合前人的研究成果,詳細論述了高分辨率層序地層學(xué)的四個基本原理,并對它們之間的相互關(guān)系作了初步探討,以期讀者能加深對它們的理解,從而更好地領(lǐng)會和掌握高分辨率層序地層學(xué)理論。1層序地層學(xué)的基本工藝和其資高分辨率層序地層學(xué)一門以露頭、測井、巖心和三維高分辨率地震反射資料為基礎(chǔ),精細地劃分地層層序、進行層序?qū)Ρ?從而建立高精度的區(qū)域、油田乃至油藏級別的地層對比格架,最終實現(xiàn)在成因地層格架內(nèi)評價和預(yù)測生、儲、蓋層的一項理論和技術(shù)。高分辨率層序地層學(xué)具有四大基本原理,即基準(zhǔn)面變化原理、沉積物體積分配原理、相分異原理和物質(zhì)守恒原理。這四個原理的地位是不平等的:基準(zhǔn)面原理是最重要的,由基準(zhǔn)面的變化(即可容納空間與沉積物供給的比值的變化)產(chǎn)生了體積分配和相分異原理。體積分配原理又可看成是相分異的第一種類型(單個相屬性改變)的控制因素,若將第二種相分異類型(地貌要素的保存程度)視為短期旋回內(nèi)體積分配的結(jié)果,則相分異都是由體積分配作用引起的。1.1不同層次的地層演化高分辨率層序地層學(xué)認為層序的形成受控于基準(zhǔn)面的上升、下降的旋回?；鶞?zhǔn)面不是一個實在的物理界面,它不是海平面,也不是海平面向陸地方向的延伸,而是一個相對于地表波狀起伏的、連續(xù)的、略向盆地下傾的抽象面,它的位置、運動方向及升降幅度不斷地隨時間變化?？梢詫⒒鶞?zhǔn)面看成一個勢能面,它反映了地球表面與力求其平衡的地表過程間的不平衡程度,要達到平衡,地表要通過沉積或搬運作用改變其形態(tài)來向靠近基準(zhǔn)面的方向運動。在基準(zhǔn)面位于地表之上的地理位置,可以發(fā)生沉積物的堆積作用(也可發(fā)生饑餓性沉積作用或非沉積作用);在基準(zhǔn)面位于地表之下的地理位置,不會發(fā)生堆積作用,只能發(fā)生物質(zhì)剝蝕作用;在二者正好重合的位置,沉積物發(fā)生路過不留作用,繼續(xù)向下搬運。使基準(zhǔn)面升降的地質(zhì)因素有沉積地形、海平面的升降、盆地的構(gòu)造沉降、沉積負荷的補償?shù)人俾实淖兓?。要單獨分析單個因素對于基準(zhǔn)面的影響是很困難的,但是這些因素的綜合作用所反映的dA/dS變化卻可以通過相同體系域或相域中沉積物的保存程度、地層堆積樣式、相序、相類型以及巖石結(jié)構(gòu)的變化反映出來。地表和基準(zhǔn)面之間可供沉積物沉積的空間構(gòu)成可容納空間,基準(zhǔn)面相對于地表的運動使其發(fā)生變化,從而限定了沉積物堆積的最大潛在空間(但不代表沉積物真正堆積的體積)。沉積物真正堆積的體積受控于可容納空間和沉積物供給的比值,即在剝蝕和堆積過程中可容納空間變化速率和沉積物供給速率的相對變化。沉積物的供給速率一般是不易確定的,它和區(qū)域地貌、構(gòu)造運動等有關(guān),和可容納空間的變化相比,其變化相對較小,所以容易操作的是二者變化速率的比值。進一步假定沉積物質(zhì)供給速度不變,則可容納空間的變化即近似等于可容納空間與沉積物供給量變化的比值dA/dS,就決定了可容納空間內(nèi)(有效可容納空間)沉積物的堆積速度、保存程度及內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征,所以可認為可容納空間的變化速率決定了上述沉積特征?；鶞?zhǔn)面在變化中有總是向其幅度最大值或最小值單向移動的趨勢,其變化構(gòu)成一個個完整的上升與下降旋回,每個旋回稱為基準(zhǔn)面旋回。基準(zhǔn)面穿越地表擺動到地表之下再返回,稱為基準(zhǔn)面穿越旋回。它的基準(zhǔn)面下降半旋回會形成不整合面,而基準(zhǔn)面完全在地表之下,或地表之下的擺動產(chǎn)生剝蝕作用,不會形成不整合面。高級次的基準(zhǔn)面旋回包含著低級次的旋回,相應(yīng)地形成了不同級次的地層旋回。地層旋回是在基準(zhǔn)面旋回期間堆積在成因上相聯(lián)系的沉積環(huán)境內(nèi)并保存下來的所有沉積物?；鶞?zhǔn)面旋回所經(jīng)歷的全部時間由地層記錄(巖石)和沉積間斷面組成,伴隨旋回的dA/dS變化均在地層旋回的沉積或巖石性質(zhì)表現(xiàn)出來,所以在地層記錄中識別不同級次的基準(zhǔn)面旋回并進行地層對比是可以實現(xiàn)的。基準(zhǔn)面旋回控制了可容納空間的增減,而充填于其中的沉積物體積變化是Va/Vs作用的結(jié)果。Va/Vs的變化還控制了相分異、不連續(xù)界面出現(xiàn)的頻率、沉積物的保存程度、旋回對稱性、沉積物內(nèi)部結(jié)構(gòu)、流體流動單元連通性及巖石非均質(zhì)性?；鶞?zhǔn)面升降變化的沉積動力學(xué)響應(yīng)是:當(dāng)基準(zhǔn)面從最高點開始下降直到最低點,海岸平原被剝蝕,海岸線向盆地方向遷移,河口灣逐漸消失,三角洲的類型由海灣狀潮控型轉(zhuǎn)變?yōu)槔丝匦屠^之以河控型(理想情況下由尖頭狀→朵狀→鳥足狀),三角洲不發(fā)育的臨濱由潮汐作用為主變?yōu)椴ɡ俗饔脼橹?。伴隨蝕源區(qū)擴大,更多的沉積物堆積在向盆地的位置,濱岸和盆地依次出現(xiàn)高位加積、高位進積和低位加積(濱岸可能無沉積而發(fā)生剝蝕)形式的沉積。當(dāng)基準(zhǔn)面從最低點開始上升直到最高點,海岸平原被海進侵蝕,海岸線向陸地方向遷移,河流變成河口灣,三角洲類型由河控型變?yōu)槔丝匦?理想情況下由鳥足狀→朵狀→尖頭狀)繼之以潮控型,三角洲不發(fā)育的臨濱由波浪作用為主變?yōu)槌毕饔脼橹鳌０殡S蝕源區(qū)收縮,沉積物更多地堆積在靠陸的位置,濱岸和盆地依次出現(xiàn)低位加積(濱岸可能發(fā)生剝蝕)、海進進積和高位加積形式的沉積。Swift和Thorne利用可容納空間與沉積物的比值來描述海洋陸架的動態(tài)響應(yīng)及響應(yīng)機制,Schlager用可容納空間與碳酸鹽巖生長速率的比值來解釋碳酸鹽巖陸架、臺地、斜坡地層的大規(guī)模幾何形態(tài)和堆積樣式。1.2基準(zhǔn)面旋回內(nèi)沉積物的積分交叉活動特征沉積物體積分配原理是指基準(zhǔn)面旋回過程中,沉積物以不同的體積被分配到不同的相域。由于沉積物的體積分配作用,導(dǎo)致在基準(zhǔn)面升降變化的過程中,在同一沉積體系內(nèi)的不同地理位置堆積的沉積物體積發(fā)生變化。其具體表現(xiàn)是:在基準(zhǔn)面上升期間,地表和基準(zhǔn)面的交點(沉積物過路不留的沉積和侵蝕作用的分界位置)向盆地上坡移動,橫向上可容納空間的范圍擴大,盆地邊緣相域儲存沉積物的能力增加而沿斜坡向下搬運的沉積物減少,結(jié)果堆積在更靠盆地中心位置的沉積物減少;基準(zhǔn)面下降期間,地表和基準(zhǔn)面的交點向下坡移動,橫向上可容納空間的范圍縮小,盆地邊緣相域儲存沉積物的能力下降,沿斜坡向下搬運的沉積物增加,結(jié)果更多的沉積物堆積在更靠盆地中心的位置。體積分配作用是在基準(zhǔn)面變化過程中不同沉積環(huán)境內(nèi)可容納空間的四維(空間+時間)動力學(xué)變化的產(chǎn)物?；鶞?zhǔn)面的升降運動控制了可容納空間的增減,為沉積物體積分配提供了基本的背景,而可容納空間與沉積物供給的共同作用(以Va/Vs表示)是沉積物體積分配過程發(fā)生的根本動力。以下序列描繪了沉積物體積分配作用的實現(xiàn)過程:同一相域的不同沉積環(huán)境中可容納空間發(fā)生變化→單個相域的可容納空間變化→不同相域的可容納空間變化→和沉積物供給共同作用→體積分配作用實現(xiàn)。體積分配作用在沉積地層中留下了沉積學(xué)和地層學(xué)方面的記錄:①地層旋回對稱性的時空變化;②相分異作用;③加積/進積地層單元的疊置樣式。它們構(gòu)成了劃分與對比高分辨率地層層序的基礎(chǔ)。地層旋回的對稱性是指基準(zhǔn)面上升和下降時期保存的沉積物所代表的時間的比例關(guān)系(近似的結(jié)果可以不作去壓實校正)。若在基準(zhǔn)面旋回上升半周期和下降半周期沉積了大致相等的巖石厚度,相序呈對稱式分布,這種旋回稱為對稱性旋回;不對稱性旋回或者以基準(zhǔn)面上升半周期的沉積物為主,或以下降半周期的沉積物為主,相序組成也不對稱。地層單元的疊置樣式指在長期基準(zhǔn)面旋回的上升和下降過程中,不同的環(huán)境(地理位置)短期地層旋回的厚度和對稱性的變化。鄭榮才將中期基準(zhǔn)面分為緩慢上升、加速上升、由上升折向下降和快速下降四個演化階段,在各個階段中,短期旋回的結(jié)構(gòu)類型、疊加樣式及其在中期基準(zhǔn)面旋回過程中的分布規(guī)律各不相同。1.3不同的資源量相分異指的是在可容納空間的變化過程中,保存在相同沉積環(huán)境中的相類型、相組合、相序、地層結(jié)構(gòu)(堆積樣式)和巖石物性的變化。根據(jù)上文對沉積物體積分配作用的論述,可知相分異在很大程度上(甚至全部)是由沉積物體積分配的結(jié)果。相分異有兩種類型,一種是在不同的Va/Vs情況下,沉積剖面上相同環(huán)境(地理位置)的沉積相和/或相序的變化,如基準(zhǔn)面下降半旋回的濱岸在上升半旋回可以變?yōu)闉I岸一陸棚過渡帶或者陸棚;另一種是在不同的Va/Vs情況下,基準(zhǔn)面變化周期中原始地貌要素的保存程度(包括單個相屬性)及地貌要素相對比率的變化。一般來說,進積旋回的典型特征是相的多樣性和保存程度的增加,而退積旋回的典型特點是相的疊置、相互吞并導(dǎo)致相類型減少,保存程度差。如高可容納空間退積旋回的濱面沉積由均質(zhì)的砂巖組成,而低可容納空間進積旋回的濱面沉積相多樣性增加,原始地貌要素保存程度好,巖性非均質(zhì)性明顯。但是,對于分流河道砂巖,其情形恰好相反:退積旋回的分流河道砂巖具有明顯的相多樣性、復(fù)合底形組合和保存較好的底形;而進積旋回的分流河道砂巖發(fā)生強烈的相疊置和相吞并,相多樣性低,滯留沉積物少,底形較少且保存程度差,砂體連通好,寬厚比小,均質(zhì)性好,是較好的油氣儲層。1.4旋回內(nèi)地層的遷移其主要含義是地層在時間上是連續(xù)的,沒有間斷,連續(xù)的時間表現(xiàn)為巖石+不整合面,而地層的沉積卻不是總連續(xù)的。在一個地層旋回內(nèi),有的地理位置地層連續(xù)沉積,中間沒有不連續(xù)界面(或沉積間斷面),有的位置地層的沉積是不連續(xù)的。但是,物質(zhì)在一個完整的旋回內(nèi)是守恒的,只是其地理位置發(fā)生了遷移。一個地區(qū)不整合面的存在,意味著在其下方的終止位置上必然堆積著對應(yīng)此不整合發(fā)育期被剝蝕的物質(zhì)。高分辨率層序地層的對比,并非等厚巖層的對比,而是巖石對巖石,巖石對界面或界面對界面的對