露头层序地层学分析步骤

陆相层序地层学研究思路与方法概述~

陆相盆地尽管受海平面变化的影响饲有限的（Shanley等，1994），但由于湖平面的变化对陆相湖盆沉积作用的基本控制，在很大程度上类似于相对海平面变化对浅海地层的控制，所以源于海相沉积地层研究而形成发展起来的经典层序地层学（Vail等，1977），其理论、研究思路及方法同样能有效地应用于陆相沉积盆地研究中。目前，根据经典层序地层学以不整合面或与之可对比的整合面进行层序划分与对比的思路和方法，已经并仍是陆相层序地层学研究的一个主要流派。在进行层序地层研究时，必须充分认识到层序地层学是一门综合性很强的地层学分支学科，应结合多门学科、多种手段及多类资料，始终遵循层序地层划分的三大基本原则——最大间断原则、等时性原则和统一性原则，按照先宏观、整体再微观、细致的操作程序进行综合分析。
本文运用经典层序地层学理论、研究思路及方法，遵循层序地层研究的基本原则和操作程序，首先从区域上整体分析鄂尔多斯盆地延长期沉积演化规律，充分利用富县地区的岩心、录井、测井、露头以及测试等各种资料，通过分析沉积微相序列、测井相、地球化学等特征进行层序各类界面的识别和层序划分；在此基础上进行层序地层对比，建立层序地层格架；然后深入研究层序内部体系域构成特征，重点分析主要目的层组的层序地层与沉积相展布特征；最后，重点研究本区物源供给与湖平面的变化，进一步综合分析晚三叠世延长期富县地区层序地层形成、演化及其控制因素。

层序地层学是20世纪70年代末由美国Riee大学P.R.Vail及其在Exxon公司的同行R.M.Mitchum和J.B.Sargree等在地震地层学基础上创立起来的一门新的地层学分支科学（罗立民，1999）。回顾它的发展历程，大致可分为3个阶段。
（1）层序地层学萌芽阶段（20世纪40年代末至60年代）
1948年，Sloss等在北美地质学会年会的沉积相和地质历史研讨会上首次提出了“层序（sequence）”的概念，将“层序”定义为“一种以不整合面为边界的地层单位”，并在北美克拉通晚寒武世至全新世地层研究中，率先创造性地应用“层序”进行了地层划分，将北美稳定克拉通的地层记录从晚前寒武纪直至现今划分出6个层序，分别由6个主要的不整合分隔（Sloss，1963）。此后的30年间，尽管Sloss的思想及层序的概念一直未被广泛接受，但却为当今层序地层学的发展奠定了概念基础。
（2）地震地层学的成熟及经典层序地层学的形成阶段（20世纪70年代）
1974年，Frazier研究了密西西比河三角洲复合体的沉积学和地层学，认为地层是由相层序及沉积幕形成的沉积复合体，强调了由海进面限定的地层组。
《地震地层学》（Vail等，1977）和《地震地层学在油气勘探中的应用》（Payton等，1977）等著作的出版，标志着地震地层学已进入发展成熟期，也正是地震地层学的成熟推动了经典层序地层学的诞生。
1977年，Vail等应用和发展了Sloss的层序概念，把层序的形成看成是对全球海平面变化的响应，为层序地层学的诞生奠定了基础。他们提出了海平面相对升降的概念以及由此引起的在地震剖面资料上可以识别的以不整合为界的地层型式，建立了一套主要依据地震资料进行层序分析的方法技术体系；明确层序是以不整合面及与之可对比的整合面为边界，在成因上有联系、具有旋回结构并可置于年代地层框架内的一套沉积地层；应用地震、钻测井资料确定和预测盆地地层结构、沉积相类型及其区域分布，建立了被动大陆边缘盆地地层分布模式，为此后建立具有成因意义的层序演化模式（H.W.Posamentier等，1988；Galloway，1989）奠定了基础。因此，这一阶段对层序地层学的发展具有极其重要的意义。
（3）层序地层学的发展完善和全面应用阶段（20世纪80年代至今）
1987年，Vail和Galloway分别发表了“层序地层构型”和“沉积幕的理想地层构型”，形成了完整的概念模型和术语体系。同时，Haq通过将全世界各地区的海相露头层序地层特征进行编年和年代标定形成了海平面旋回变化图，引起了广泛关注。1988年，《海平面变化综合分析》（Vail等，1988）、《层序地层学工作手册》、《层序地层学基础》（Sagree和Vail等，1988）、《海平面变化——一种整体性的研究》（Wilgus等，1988），SEPM《层序地层学特刊》（Van Wagoner等，1988）、《测井、岩心、露头研究中的硅质碎屑岩层序地层学》（Van Wagoner等，1990）以及Mitchum等（1991）有关层序地层学著作的问世，发展了沉积学中的层序、体系域等概念，并分别以初次海泛面和最大海泛面把一个完整的层序划分为3个体系域，详细定义了层序与层序类型、层序界面及类型、沉积体系域、初始和最大海泛面、层序级别、准层序和准层序组、凝缩层和可容纳空间等一系列相关概念（R.M.Mitchum等，1977；R.M.Mitchum等，1991）。突出地强调海平面升降变化的全球性和周期性以及构造沉降、全球海平面升降、沉积物供给速率及气候等4个基本变量对地层单元几何形态与岩相组合的控制，使经典层序地层学理论体系得到了进一步完善和发展。同时，1988年9月在法国迪涅召开的全球沉积地质委员会（GSGC）会议决定将“层序地层学和全球海平面变化”正式纳入全球沉积地质计划（GSGP），从而开始使“层序地层学”面向世界，并进入了理论研究和生产应用全面发展时期，成为地学界的一大亮点和热点。
自1988年以来，层序地层学在理论和实际应用方面都进入了辉煌的发展时期，成为地学的一大亮点和热点，并取得了多方面、多层次的进展。
1）三大支柱体系各具特色、多种学派精彩纷呈：在理论上呈现了以Vail等（1977）为代表的经典层序地层学、以Galloway（1989）为代表的成因层序地层学以及以Cross（1993，1994）为代表的高分辨率层序地层学等各具特色和优势的三大支柱体系，并派生出了高频率层序地层学（Van Wagoner等，1988）、成岩层序地层学（A.kihiro Kamo，1993）、生物层序地层学（殷鸿福等，1995）、层序充填动力学以及应用层序地层学等边缘科学。
2）研究对象与理论模式广阔：层序地层学已经在不同类型的沉积盆地中得到了广泛应用，并初步建立了湖相沉积（Johnson等，1987；Dunkelman 等，1988；Scholz等，1991；Xue等，1995；Aigner 等，1996）、断陷湖盆（魏魁生等，1994，1996，1998，2003，2004；王东坡等，1994，1998；顾家裕，1995；纪友亮等，1996；姜在兴等，1996，2002，2003；解习农等，1994，1996）、坳陷湖盆（王东坡等，1994；顾家裕，1995；郑荣才等，1996，2000）、前陆盆地和百色走滑盆地（郑荣才，1998；郑荣才等，1999，2000）、冲积地层（Shanley，1992，1993；MC Cabe，1993；Wright Marriott，1993；Olsen等，1995；Van Wagoner，1995）及风成沉积（Havholn和Kocurek，1991）等不同沉积类型的陆相盆地的层序地层模式，取得了很好的科研与应用成果。
3）研究手段多样：快速引进大量高新科学技术是层序地层学的一个显著特点。目前，层序地层已经从最初主要依靠地震、钻井资料发展到地震、钻井、测井、露头剖面、古生物组合及古生态、地球化学、成岩演化、磁性地层以及现代计算机技术等多种手段综合应用的新阶段，并开始实现宏观地质调查与微观测试分析、定性描述与定量刻画、模拟的充分结合，更加强调多学科的交叉渗透与整合发展。如利用地面穿透雷达（GPR）对巴西潘雪拉盆地Vila Velha砂岩中冰川河道舌形体进行三级沉积层序海侵体系域的内部组成分析，三维几何形态的描述（Marques等，2000）；利用深度分辨率相当于10m的三维地震图像和测井资料进行四级高频层序体系域、层序边界和层序的识别与编图（Zeng Hongliu，2001）；用定量化的FMI测井资料校正高分辨率层序地层图，标定不同等级的沉积旋回，得出海侵期沉积物较细、储层不发育，仅在海侵旋回的白云岩化部分发育高渗透率储层，而海退期沉积物较粗、发育高孔渗储层，尤其是海退的淋溶带发育高渗透率储层（Eberli，2001）；用碳酸盐岩碳、氧、锶稳定同位素定量测试手段（李儒峰等，1996；郑荣才，1998）研究海相层序地层的形成演化，揭示稳定同位素组成变化与海平面升降、层序形成演化的关系。
4）研究精度极大提高：从最先主要研究三级层序发展到包括四—六级高频层序在内的多级别层序地层研究，并以高分辨率地震、测井和精细露头层序地层学分析、高新测年技术等为依托，研究高频沉积旋回的成因与控制因素，对沉积演化史的刻画与层序地层的垂向演化及空间展布形态和样式的模拟再现更趋深刻与真实。如Koleva Rekalova（2000）研究了保加利亚东北部Cape Kaliacra剖面萨尔马特阶11m厚的由6个风暴层（碳酸盐岩风暴层）与微晶灰岩交互沉积的高频层序旋回，认为每个风暴层沉积从一个侵蚀面开始，侵蚀面上由风暴流高峰期块状滞留沉积组成（灰质砾石），向上很快变为风暴回流的最后阶段砂粒级鲕粒灰岩（交错层理），风暴层上部由正常气候下海侵时期的微晶灰岩退积层序盖住；Bachmann（2000）研究了德国三叠纪干盐湖米级的砂岩-碳酸盐岩-页岩韵律旋回性沉积，认为海侵-海退（或更好地解释为气候潮湿-干旱变化）形成的沉积旋回受1万年的米兰科维奇气候周期变化的控制。
5）生产应用领域拓宽：近年来，层序地层学理论已经广泛地应用于沉积盆地分析、矿产资源评价以及油气勘探等方面，并从初期主要为海相地层的储集、烃源岩及盖层的发育与分布的宏观预测发展到为陆相地层的储集、烃源岩及盖层的发育与分布的宏观预测、精细油藏描述、储集小层识别与对比、次生孔隙发育带预测、储层非均质性描述、岩性-地层型隐蔽油气藏（徐怀大，1997）的勘探、储层流动单元及油田开发动态模拟等多领域服务。

最早对海平面升降旋回的观察起源于地震地层学分析（Michum等，1977;Vail等，1977,1987）。虽然露头层序地层研究中的三维控制因素迄今仍是一个悬而未决的难题，但是可以最大限度地获取地质信息。这种方法可以作为更为详细的层序地层学研究的工具（Michel Rioult等，1991）。主要的海平面升降变化取决于地震资料分析，在地下层序对比中亦为重要，例如在地震分辨率许可的情况下，可以分析、对比层序、超层序和巨层序。测井和露头资料的详细研究，可以进行高频、高分辨率层序地层分析。但是如何识别沉积层序及几个重大界面，尚需建立一个切实可行的工作流程。作者通过对鄂尔多斯盆地北部露头层序地层工作方法的总结，结合国内外学者的研究经验，提出以下工作步骤：

1.逐层详细分析、识别准层序

在基干露头剖面上，最重要的步骤是获取地质信息，在有条件的前提下对大断面进行自然伽马信息获取。其主要方法是逐层详细分析并识别成因地层单元，获取矿物学的、岩石学的、古生物学的和沉积学演化资料，特别是识别露头剖面上的间断面。这一步骤的室内工作是通过薄片鉴定、粒度分析、碳酸盐含量、X光衍射、地球化学及岩石学分析来完善的。这一步骤在露头层序地层研究是首要步骤。详细的室内外研究必将获得精确的成果，其结果是识别出准层序。在碳酸盐地层中一系列的向上变深或变浅的准层序，不仅能反映出古水深的变化，而且准层序组的叠加型式对于分析体系域及沉积层序很有意义。例如海进体系域以退积式准层序组为主，垂向上水体是向上变深的；高水位体系域下部以加积式准层序组（追补型）为主，上部以前积式准层序组（并进型）占主导地位，总体上是向上变浅的。在一个海平面变化周期中，沉积环境也必然随着时间的变化而演化，因此分析沉积相、确定古水深也是很重要的，其中波基面和风暴浪基面是两个重要的水体深度分界面。

2.分析沉积环境与沉积相

第二个步骤是分析沉积环境、重建古地理格局（Hallam,1975）。根据沉积构造、古生态、环境变迁、生物的时空分布、不连续面及间断面，分析沉积史和生物演化史，从而可以制作综合性的区域性图件。露头上化石的分带，浮游、底栖和陆相生物的分异，以及各类生物的丰度与分异度，可以用来查清古地理与地球动力学的关系（Michel Rioult等，1991）。

3.古水深估测

第三个步骤是连续沉积环境剖面中分析古水深的变化。其中，古水深演化趋势是很有用的。沉积构造、礁、化石、遗迹化石组合和地貌学、碎屑含量与分段曲线、碳酸盐增长速度及自生矿物，都可以粗略用来估测古水深。但是在陆架坡折（退覆坡折）部位，最关键的古水深变化标志是波基面与风暴浪基面，作者在工区使用的参考深度分别是30m和100m。此外，碳酸盐岩补偿深度（CCD）也是一个很重要的水深分界面，深度至少大于1000m（现代大西洋4000～6000m）。

4.识别最大海进和海退相旋回

在连续、完整的研究剖面上，存在一系列沉积层序，这些系列层序中具有相对应的最大海进和海退相旋回，这可以识别与最大海泛作用对应的多个连续的海泛事件沉积。与最大海泛时期或高可容纳空间期相联系的是密集段，而海进－海退旋回的顶底界可能是与首次海泛面重合的层序边界（下切谷除外）。

5.建立层序地层格架

根据准层序组类型（退积型、前积型及加积型）、古水深变化、密集段和首次洪泛面，划分体系域和沉积层序。沉积层序的识别关键是层序边界，它通常位于两个密集段之间。层序边界部位有地层缺失、暴露剥蚀、生物扰动、微体生物丰度低等特点。

露头地层中的层序边界有时难以识别，特别是高频层序，因此需要结合准层序组变化型式、与相对海平面变化有联系的沉积相变迁、空间上的地层分布型式等综合确定。

6.时代标定并建立海平面变化曲线

沉积层序及其边界的时代可以由高分辨率的生物地层来标定，在经费条件许可的状况下可以由放射性同位素及磁性地层来确定。时间尺度用于命名、对比、将各沉积层序归位于与地层格架相关的时间序列中。

在建立层序地层格架、时代标定的基础上，根据“上超点”变化、结合Milankovitch周期的Fischer图解或可容纳空间变化建立海平面升降曲线。

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