高頻層序地層學(xué)的理論基礎(chǔ)

1、第 1 章高頻層序地層學(xué)的理論基礎(chǔ)1.1高頻層序的基本概念和研究現(xiàn)狀1. 高頻層序的基本概念高頻層序的概念起源于地質(zhì)學(xué)家們對(duì)于準(zhǔn)層序的研究。準(zhǔn)層序最初被定義為“由海泛面所限定的層或?qū)咏M組成的一個(gè)相對(duì)整合的序列”。作為準(zhǔn)層序界面的海泛面被進(jìn)一步定義為：一個(gè)將老地層與新地層分開的面，穿過該面水深突然增加 1。這一定義主要是基于海岸沉積環(huán)境提出的，因此其定義不具有普遍性而造成 概 念 的 欠 完 整 。 VanWagoner和 Mitchum2 隨 后 將 類 似 于 準(zhǔn) 層序的地層單元重新命名為“高頻層序”，對(duì)于準(zhǔn)層序定義的欠完整 性 起 到 了 一 定 程 度 的 修 正 作 用 。 鄭 榮 才

2、 等 3 、 Cross 等 4 所 提出 的 短 期 基 準(zhǔn) 面 旋 回 和 超 短 期 基 準(zhǔn) 面 旋 回 ， Anderson和Goodwin 5 提 出 的“ 米 級(jí) 旋 回 ”，包 括 王 鴻 禎 等 6 所 稱 的“ 小 層 序 ” 都屬于高頻層序的范疇。綜合眾多學(xué)者的觀點(diǎn)，高頻層序應(yīng)是包含基準(zhǔn)面上升期和下降期沉積的完整的地層序列，在不同沉積環(huán)境，高頻層序的結(jié)構(gòu)特征有差異。2. 高頻層序級(jí)次劃分研究現(xiàn)狀Exxon 的 經(jīng) 典 層 序 地 層 學(xué) 、Cross 的 成 因 層 序 地 層 學(xué) 、Galloway- 1 -扇三角洲高頻層序界面的形成機(jī)理及地層對(duì)比模式的 成 因 層 序

3、地 層 學(xué) 以 及 Miall 的 儲(chǔ) 層 構(gòu) 型 要 素 分 析 理 論 關(guān) 于 高 頻層序單元的級(jí)次劃分、高頻層序的時(shí)限等方面有明顯的差異。經(jīng) 典 層 序 地 層 理 論 源 于 二 十 世 紀(jì) 八 十 年 代 ， Peter Vail 7 和 來自 Exxon 公 司 的 沉 積 學(xué) 家 繼 承 了 Sloss 8 的 研 究 成 果 ，提 出 了“ 層序體 系域準(zhǔn) 層序”這 樣一個(gè)完整的概念體系。層 序是以不整合面或與之相應(yīng)的整合面為邊界的、一個(gè)相對(duì)整合的、有內(nèi)在聯(lián)系的地層序列。層序內(nèi)部可以根據(jù)初始海泛面和最大海泛面進(jìn)一步劃分為低位體系域、海侵體系域和高位體系域。體 系域內(nèi)部則包含若干

4、個(gè)具有相互聯(lián)系的準(zhǔn)層序組或準(zhǔn)層序?；谶@一理論體系，眾多學(xué)者根據(jù)海平面持續(xù)的時(shí)間周期提出了層序劃分方案9。受限于勘探程度、資料分辨率和現(xiàn)有技術(shù)手段，在三級(jí)層序內(nèi)部進(jìn)行高頻層序劃分時(shí)所能夠識(shí)別的高頻層序級(jí)次也不相同，但大多數(shù)劃分至準(zhǔn)層序組、準(zhǔn)層序的級(jí)別，相當(dāng)于四級(jí)和五級(jí)層序 。 根 據(jù) 前 人 的 研 究 成 果 ， 四 級(jí) 層 序 時(shí) 限 在 0.08 0.5 Ma ， 五 級(jí)層 序 的 時(shí) 限 在 0.01 0.08 Ma 。Cross 4 及 其 成 因 地 層 學(xué) 小 組 提 出 了 高 分 辨 率 層 序 地 層 學(xué) 理論與研究方法，其理論基礎(chǔ)包括四個(gè)方面：地層基準(zhǔn)面原理、體積劃分原理

5、、相分異原理與旋回等時(shí)對(duì)比法則。高 分辨率層序地層學(xué)并沒有根據(jù)海平面變化持續(xù)的時(shí)間來進(jìn)行旋回級(jí)次劃分，而是以不同級(jí)次的基準(zhǔn)面變化將地層劃分為不同的旋回，依據(jù)鉆井和 測(cè) 井 資 料 可 以 識(shí) 別 出 來 的 最 高 級(jí) 次 的 旋 回 稱 為 短 期 旋 回 。Cross指出完整的短期旋回是具有進(jìn)積和加積地層序列的成因地層單元。鄭 榮才等3根據(jù)其對(duì)多個(gè)盆地的高分辨率層序地層學(xué)研究成果，建立了各級(jí)次基準(zhǔn)面旋回的劃分標(biāo)準(zhǔn)，并且厘定了各級(jí)次旋回的時(shí)間跨度，將基準(zhǔn)面旋回劃分為六個(gè)層次：巨旋回、超長(zhǎng)期旋回、長(zhǎng)期旋回、中期旋回、短期旋回和超短期旋回。超 短期旋回與短期旋回具有相似的沉積動(dòng)力學(xué)形成條件和內(nèi)部

6、結(jié)構(gòu)。- 2 -第 1 章高頻層序地層學(xué)的理論基礎(chǔ)Galloway 1 0 的 成 因 層 序 地 層 學(xué) 起 源 于 美 國 沉 積 學(xué) 家 Frazier 所提出的沉積幕概念11。一個(gè)沉積幕相當(dāng)于兩次最大洪泛事件所限定的一個(gè)沉積復(fù)合體，而這一個(gè)沉積復(fù)合體依次由若干個(gè)相序列組成，這些相序列與準(zhǔn)層序的規(guī)模相當(dāng)，也屬于高頻層序的范疇 。Galloway 在 沉 積 幕 的 基 礎(chǔ) 上 提 出 了 成 因 地 層 層 序 的 模 式 ，一個(gè)完整的成因地層層序由三個(gè)重要部分組成：退覆部分、上超海侵 部 分 和 代 表 最 大 洪 泛 事 件 的 頂 底 界 面 。 運(yùn) 用 Galloway 的 成

7、因?qū)有虻貙訉W(xué)進(jìn)行高頻層序劃分有其自身的優(yōu)勢(shì)，尤其是在油田開發(fā)階段的地層對(duì)比工作中，在鉆井和測(cè)井資料上，洪泛面比不整合面、沖刷面等層序界面易于識(shí)別，且側(cè)向穩(wěn)定性良好，十分有助于建立高質(zhì)量的等時(shí)地層格架。Miall1 2 1985年 根 據(jù) 多 年 研 究 成 果 提 出 了 儲(chǔ) 層 建 筑 結(jié) 構(gòu) 分 析法，該方法的基本研究?jī)?nèi)容包括界面分級(jí)、巖相類型和構(gòu)型要素三 個(gè) 方 面 。 在 隨 后 的 數(shù) 年 里 ， Miall 的 不 斷 研 究 使 得 儲(chǔ) 層 劃 分 方案達(dá)到相對(duì)完善的八級(jí)，具體為：一級(jí)界面交 錯(cuò)層系的界面；二級(jí)界面層 系組界面；三級(jí)界面 大 型底型的內(nèi)部界面，以低角度切割下伏 2

8、3 個(gè)交錯(cuò)層系；四級(jí)界面單 一河道的頂、底面；五級(jí)界面河 道充填復(fù)合體的大型砂體界面；六級(jí)界面限 定河道群或古河谷群的界面，相當(dāng)于段或亞段；七級(jí)界 面 大的 沉 積 體 系 （ Major depositional System）、 扇 域 （ Fantract ）、 層 序 （ Sequence ） 的 界 面 ； 八 級(jí) 界 面 盆 地 充 填 復(fù) 合 體（ Basin-fill Complex ） 的 界 面 。 在 建 立 界 面 分 級(jí) 系 統(tǒng) 的 基 礎(chǔ) 上 ，地質(zhì)工作者可以進(jìn)一步從三維角度將儲(chǔ)層砂體劃分為一系列具有特定成因、幾何形態(tài)及內(nèi)部非均質(zhì)性的構(gòu)成要素。1.2高頻層序形成機(jī)制

9、- 3 -扇三角洲高頻層序界面的形成機(jī)理及地層對(duì)比模式對(duì)地層層序的形成機(jī)制有“自旋回”和“異旋回”兩種解釋。針對(duì)這兩種機(jī)制，國內(nèi)外學(xué)者都投入了大量的研究工作，并取得了一定的成果。1. 自旋回作用機(jī)理有 關(guān) 自 旋 回 （ auto cycle ） 的 研 究 最 早 開 始 于 1944 年 ， 國 外學(xué) 者 Lewis 1 3 通 過 水 槽 實(shí) 驗(yàn) 展 示 了 由 單 一 基 準(zhǔn) 面 變 化 產(chǎn) 生 多 個(gè) 河流 階 地 的 過 程 ， Schumm 和 Parker 1 4 完 善 了 這 一 實(shí) 驗(yàn) ， 并 且 提 出了 關(guān) 于 河 流 階 地 形 成 過 程 中 的 自 旋 回 因

10、素 的 概 念 模 型 。 Muto 等 1 5- 1 8 依 據(jù) 大 量 水 槽 實(shí) 驗(yàn) 指 出 自 旋 回 是 由 自 體 因 素 （ autogenic ）產(chǎn)生的地層旋回，而對(duì)于地層中的自體因素，這兩位作者做出如下解釋：自體因素是地層對(duì)于穩(wěn)定的外部驅(qū)動(dòng)力的內(nèi)在響應(yīng)。國內(nèi)學(xué)者對(duì)于自旋回的概念也做出了類似的解釋。高 志勇等19在探討洪泛面的形成機(jī)理時(shí)指出，地層內(nèi)的自旋回沉積作用可視為基準(zhǔn)面上升或下降過程中瞬間穩(wěn)定地層過程的產(chǎn)物。在基準(zhǔn)面上升或下降過程中的某一瞬間，曲流河“凹岸侵蝕、凸岸堆積”的沉積作用所形成的邊灘-漫灘序列屬于自旋回作用，而當(dāng)基準(zhǔn)面上升或者下降時(shí)，才會(huì)產(chǎn)生異旋回的河流序列。鄧

11、宏文等20，21在分析基準(zhǔn)面旋回的識(shí)別方法時(shí)指出，構(gòu)成河流相的任何一種單一微相與基準(zhǔn)面的變化均沒有任何直接的聯(lián)系，只有微相的疊加樣式才能反映 A/S 比值的變化，從而提供基準(zhǔn)面升降變化的重要信息。2. 異旋回作用機(jī)理異旋回是由異源因素控制而產(chǎn)生的旋回。異源因素是與層序地層直接相關(guān)、控制相對(duì)大比例尺的盆地充填結(jié)構(gòu)的因素，包括- 4 -第 1 章高頻層序地層學(xué)的理論基礎(chǔ)常見的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、海平面升降、氣候變化和物源供給等，其中以氣候變化和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)為主導(dǎo)。在異旋回機(jī)制的驅(qū)動(dòng)下多期單一微相呈現(xiàn)出有規(guī)律的疊加樣式，因此準(zhǔn)層序主要受控于異源因素。目前關(guān)于氣候變化對(duì)高頻層序形成與發(fā)育的影響的研究成果較為豐富，而

12、有關(guān)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的作用機(jī)理研究較少。孫陽等22對(duì)大慶長(zhǎng)垣姚家組進(jìn)行了高頻層序分析，認(rèn)為高頻層序與米蘭科維奇旋回之間存在著較好的一致性，地球軌道變化所引起的湖平面變化是高頻層序形成的主控因素。紀(jì)友亮等23根據(jù)錄井及巖心等資料，在東濮凹陷沙三段沉積時(shí)期，識(shí)別出了湖 平 面 變 化 的 6 級(jí) 周 期 ， 其 變 化 頻 率 約 為 1 000 次 /Ma 。 如 此 頻繁的湖平面變化，使得低位砂體分布比較廣泛，但厚度較薄，形成東濮凹陷沙三段高位期的暗色泥巖與低位期的砂巖薄互層的特點(diǎn)。王冠民24通過對(duì)濟(jì)陽坳陷古近系大量巖性資料的測(cè)試分析，研究了氣候變化對(duì)湖相高頻泥巖和頁巖的沉積控制，認(rèn)為在一定的古鹽度和

13、物源距離等沉積背景下，古氣候變化通過控制古湖泊有機(jī)質(zhì)、碳酸鹽、黏土之間的沉積比例和湖水的分層性來進(jìn)一 步 控 制 泥 巖 和 頁 巖 的 發(fā) 育 和 類 型 。 Gibling 等 2 5 研 究 了 印 度 恒河平原第四系河流露頭剖面的高頻層序結(jié)構(gòu)特征，指出河流洪泛平原環(huán)境下高頻層序的加積與退積對(duì)古季風(fēng)氣候有非常敏感的響應(yīng)，進(jìn)而建立了古季風(fēng)控制下的洪泛平原高頻層序模式。張成等26利用地質(zhì)、地球物理等資料對(duì)烏爾遜凹陷下白堊統(tǒng)高頻層序特征及其控制因素進(jìn)行了分析，共識(shí)別出 16 個(gè)高頻層序，并且提出在低構(gòu)造沉降速率和溫暖潮濕氣候條件下，沉積物供給速率是控制高頻層序形成和發(fā)育的主要因素。近年來，在構(gòu)

14、造背景穩(wěn)定的海相地層以及陸相坳陷盆地地層中，基于米蘭科維奇旋回控制下的高頻旋回分析，逐漸成為探討氣候?qū)Ω哳l層序控制作用的重要手段27-34。但任擁軍等35指出陸相斷陷盆地為構(gòu)造盆地，斷裂構(gòu)造理論以及大量地表、地下的- 5 -扇三角洲高頻層序界面的形成機(jī)理及地層對(duì)比模式構(gòu)造、沉積現(xiàn)象都表明，短周期幕式構(gòu)造沉降對(duì)陸相斷陷盆地高頻層序形成與發(fā)育存在不可忽視的控制作用。不同級(jí)別高頻層序的形成可能響應(yīng)不同級(jí)次的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，構(gòu)造活動(dòng)并不是只控制三級(jí)層序的形成。在 靠近斷陷盆地盆緣主控?cái)嗔训囊粋?cè)，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)有可能造成物源供給速率和盆地沉積速率的變化，進(jìn)而出現(xiàn)完全由短周期幕式構(gòu)造運(yùn)動(dòng)控制的高頻進(jìn)積-退積序列。向盆

15、地沉積中心方向，盆緣斷裂的控制作用可能會(huì)逐漸減弱，而氣候因素占主導(dǎo)。解習(xí)農(nóng)等36也認(rèn)為，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)所帶來的盆地沉降過程可能是非線性或間斷函數(shù)，因此在高頻旋回沉積過程中，會(huì)發(fā)生一系列規(guī)模較小的、不同頻率的幕式構(gòu)造沉降。池 英柳等37探討了幕式構(gòu)造沉降作用對(duì)層序發(fā)育的控制作用，并建立了幕式構(gòu)造旋回控制下的陸相層序地層單元分級(jí)方案。1.3扇三角洲高頻層序結(jié)構(gòu)與對(duì)比模式國內(nèi)學(xué)者分別依據(jù)經(jīng)典層序地層學(xué)和高分辨率層序地層學(xué)理論對(duì)扇三角洲高頻層序結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了深入的研究，建立了高頻層序單元的分布模式，并在此基礎(chǔ)上提出了扇三角洲地層對(duì)比模式。趙俊青等38以東營凹陷勝北斷層沙四上亞段扇三角洲沉積體為例，開展了高精

16、度層序地層學(xué)研究，將扇三角洲沉積體系中的高精度層序地層單元?jiǎng)澐譃闇?zhǔn)層序組、準(zhǔn)層序、層組和層四個(gè)級(jí) 別 （ 表 1.1 ）。 根 據(jù) Van Wagoner 關(guān) 于 層 組 和 準(zhǔn) 層 序 的 定 義 ， 將扇 三 角 洲 沉 積 體 系 中 的 層 組 歸 納 為 向 上 變 粗 的 層 組（ Cu 型 ）、向上 變 細(xì) 的 層 組（ Fu 型 ）和 向 上 變 細(xì) 再 變 粗 的 層 組（ Fu-Cu 型 ）三種 類 型 ， 將 準(zhǔn) 層 序 歸 納 為 向 上 變 粗 的 準(zhǔn) 層 序 （ Cu 型 ）、 向 上 變 細(xì)再 變 粗 的 準(zhǔn) 層 序 （ Fu-Cu 型 ） 和 由 細(xì) 變 粗 、

17、 再 由 粗 變 細(xì) 的 準(zhǔn) 層 序- 6 -第 1 章高頻層序地層學(xué)的理論基礎(chǔ)（ Cu-Cu 型 ）三 種 類 型 ，并 以 河 道 底 部 沖 刷 面 和 洪 泛 面 為 對(duì) 比 標(biāo)志，總結(jié)出了扇三角洲沉積體系中準(zhǔn)層序的劃分對(duì)比模式，包括順物源方向的相序遞變對(duì)比模式和切物源方向的侵蝕對(duì)比模式。針對(duì)層組的對(duì)比，依據(jù)河道形態(tài)特異性提出了分流河道發(fā)育區(qū)的層組對(duì)比模式，包括孤立水道對(duì)比模式、疊加水道對(duì)比模式和不穩(wěn)定互層水道對(duì)比模式等三種對(duì)比模式。表 1.1扇三角洲沉積體系高精度層序地層單元與沉積地層單元對(duì)比（據(jù)文獻(xiàn)38 ）層序地層沉積體系層 序形成時(shí)間延伸范圍形成時(shí)間可對(duì)比性級(jí) 別沉積單元單 元/

18、a/km/a剖面上可區(qū)域準(zhǔn) 層103 1053 152濁流體系、扇 105106追蹤，電測(cè)曲線序 組可區(qū)域?qū)Ρ?，地震可識(shí)別剖面上可追蹤，準(zhǔn) 層102 1043 103扇朵、水下分104106油田范圍可電序流河道復(fù)合體測(cè)對(duì)比，三維地震可識(shí)別單個(gè)河道充剖面上可對(duì)比，層 組10 10350 3004填、席狀砂、102103小井距條件下河口壩組合可 對(duì) 比剖面上可對(duì)比，層1 10220 1005成因砂體10 102井下可識(shí)別，對(duì)比 困 難靳松等39對(duì)胡狀集油田沙三中亞段扇三角洲相儲(chǔ)層進(jìn)行了高分辨率層序地層研究，依據(jù)縱向巖相組合和界面接觸關(guān)系將研究層段分為若干個(gè)短期旋回，包括向上變深的非對(duì)稱型、向上變淺

19、的非對(duì)稱型和向上變深復(fù)變淺的非對(duì)稱型三種類型。在順物源- 7 -扇三角洲高頻層序界面的形成機(jī)理及地層對(duì)比模式方向上，依據(jù)河道河口壩淺湖泥等微相的規(guī)律性變化，提出了界面（沖刷面）巖石界面（沉積間斷面）的對(duì)比原則；在切物源方向上，依據(jù)分流間灣分流河道分流間灣等微相的規(guī)律性變化提出了湖泛面沖刷面湖泛面的對(duì)比原則。樊中海等40考慮到多物源給扇三角洲砂體的精細(xì)對(duì)比帶來巨大難度，因此根據(jù)地震、鉆井等資料，提出了以五級(jí)層序?yàn)榭蚣?、以點(diǎn)物源為中心的儲(chǔ)層精細(xì)對(duì)比方法。重點(diǎn)指出高頻層序格架內(nèi)，物源供給對(duì)層序構(gòu)成樣式的控制作用明顯增強(qiáng)。根據(jù)扇三角洲砂體的巖性、厚度及其構(gòu)成樣式，可以判斷其沉積物來源，在不同物源砂體的疊置區(qū)采用不同的對(duì)比方法。郭建華41以遼河西部凹陷為例，指出湖平面的升降旋回是控制斷陷湖盆儲(chǔ)集巖層分布的主要因素，根據(jù)湖平面變化形成的湖進(jìn)-湖退（T-R ）旋回和沉積旋回界面可以進(jìn)行儲(chǔ)層的劃分與等時(shí)對(duì)比。1.4扇三角洲高頻層序地層學(xué)研究存在的問題通過對(duì)前人研究成果的總結(jié)、分析，認(rèn)為扇三角洲環(huán)境高頻層序單元的劃分