沉積物體積分配與地層對比

沉積物體積分配與地層對比

分辨率層序地層比較是基于鉆頭、鉆頭、開挖和高分辨率三維地震資料的三維地震數據。本文以多段基面旋轉為參照，建立了高精度時地層的比較大群體層序層的分類與比較技術。筆者及其研究組過去幾年在國內一些期刊和學術會議上介紹了美國科羅拉多礦業(yè)學院T.A.Cross教授和他的成因地層研究組的高分辨率層序地層學理論與對比技術及其在我國陸相盆地中的實際應用。對該項理論與技術所依據的基本原理也作過一般性的介紹。近幾年來,在將該項技術運用到我國不同類型盆地、不同沉積環(huán)境的層序地層分析與儲層預測的實踐中,筆者深刻體會到,在高分辨率層序地層學諸多的概念與基本原理中,理解和運用沉積物體積分配原理對于高分辨率層序劃分、對比與預測至關重要。沉積物體積分配作用是基準面旋回過程中,沉積物以不同體積被分配到不同相域的過程。這一地質過程在地層記錄中的沉積學和地層學的響應表現為:(1)地層旋回的對稱性隨時間和空間的變化;(2)反映原始地貌要素保存程度的相分異作用(3)進積/加積地層單元的疊加樣式。這些地層學與沉積學屬性無一不是高分辨率層序地層劃分與對比的基礎。本文試圖從上述幾個方面論述沉積物體積分配的過程—響應原理及其內涵,并以實例說明其在高分辨率層序地層對比中的重要作用。1基準面與“可工藝”的關系沉積物體積分配是地層基準面旋回過程中由于可容納空間的變化導致的沉積過程的動力學響應,因此,要正確理解這一作用原理還要從基準面旋回概念談起?；鶞拭娴母拍顚τ诘刭|學家來說并不陌生。早在1917年Barrel就指出地層層序是基準面穿越地表上升與下降運動過程的地質記錄。但地質學家對基準面概念的理解不盡相同。一些人認為,基準面即地貌學上的平衡剖面。進一步的認識是地層基準面為分隔沉積作用和侵蝕作用的理論均衡面,“在該面之上沉積物不能停留,該面之下可能發(fā)生沉積和埋藏作用”。由此可以看出,多數地質學家僅僅是從地貌學角度出發(fā)理解基準面,并沒有把基準面旋回與時間域、基準面對巖石記錄的保存程度和內部結構的控制聯系起來(圖1)。自Barrell提出基準面概念后很長一段時間,Wheeler(1964)第一次明確地從地層保存作用出發(fā)認識基準面,并賦予其時間意義。他提出,基準面既不是海平面,也不是海平面向陸方向的水平延伸,而是一個相對于地表波狀升降的、連續(xù)的、略向盆地下傾的抽象面(非物理面),其位置、運動方向及升降幅度不斷隨時間變化。在基準面變化的時間域內,可供沉積物堆積的可容納空間在不斷變化,由此導致沉積物的保存、剝蝕、過路不留和非補償等4種地質作用的發(fā)生(圖2)。T.A.Cross(1996)發(fā)展了Wheeler(1964)關于基準面的含義,明確提出:可將基準面看作為一個勢能面,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,地表要不斷地通過沉積或侵蝕作用改變其形態(tài)向靠近基準面的方向運動。因此,這個面描述了迫使地表上下移動到某一個位置的能量,在這個位置上地形梯度、沉積物供應和可容納空間是平衡的?？刂苹鶞拭娴牡刭|過程變量,如沉積地形、海平面升降、盆地沉降、沉積物補給、沉積負荷補償等速率的變化導致基準面的變化,因此,基準面處于不斷的運動中。當基準面位于地表之上并相對于地表進一步上升時,可容納空間增大,沉積物在該可容納空間內堆積的潛在速度增加,但沉積物堆積的實際速度還受控于搬運沉積物質的地質過程。也就是說,可容納空間控制了某一時間內,在某一地理位置沉積物堆積的最大值,可容納空間和沉積物的比值(vA/vS)決定了可容納空間內沉積物的堆積速度、保存程度和內部結構特征。由此,基準面可以描述在其變化期間可容納空間與沉積物比值的變化。當基準面位于地表之下并進一步下降時,侵蝕作用的潛在速度增加,但實際侵蝕速度也受將沉積物搬離地表的地質過程限制。因此,基準面描述了可容納空間建立與消失及其與沉積作用相對關系的變化過程。沉積物體積分配作用貫穿于基準面相對于地表坡狀升降運動的過程中。基準面旋回過程中可容納空間大小隨地理位置變化,由此,堆積在可比較的沉積環(huán)境中的沉積物體積發(fā)生時空變化?；鶞拭嫔仙?地表和基準面的交點向上坡方向移動,擴大了可容納空間的范圍,增加了向盆地邊緣方向沉積物儲存的能力,在同一沉積體系內,堆積在盆地邊緣相域內的沉積物體積增加。盆地邊緣相域內沉積物堆積體積的增加必然減少了向下坡方向搬運的沉積物體積,導致靠近盆地中心位置相域內的沉積物體積減少;基準面下降期,盆地邊緣相域的可容納空間比該旋回基準面上升期的可容納空間小,沉積物體積減少。因而,被搬運到盆地中心位置的沉積物體積增加。結果,在盆地從陸相到海相環(huán)境的廣泛區(qū)域內,基準面下降期,陸相環(huán)境,如沖積平原和海岸平原環(huán)境中多發(fā)生沉積物的過路沖刷作用,沉積間斷面出現的頻率較多,同時更多的沉積物堆積在下坡臨濱和陸架相域中。而基準面上升期間,隨著盆地上坡位置儲存能力的增加,較少的沉積物被搬運到下坡相域(圖3)。這種在基準面旋回期間,相域內保存不同沉積物體積的過程稱之為“沉積物體積分配(Cross,1998)。二維剖面上,沉積物的體積分配作用直接表現為同一沉積體系的地層在相同時間單元內、不同地理位置沉積地層厚度的變化。由此可以看出,沉積物的體積分配作用是基準面旋回變化過程中,相同相域不同沉積環(huán)境中可容納空間的四維(空間+時間)動力學變化的結果。基準面旋回及其伴隨的可容納空間的變化過程中發(fā)生的沉積物體積分配作用表明地層過程-響應系統(tǒng)遵循能量守恒定律。Barrell(1917)早就認識到,“一個不整合標志著一個時間域,該時間域在其它區(qū)域表現為地層沉積”。也就是說,如果某地區(qū)存在著一不整合面,在不整合面的下坡終點位置必然存在著時間上與其相當的由該不整合面剝蝕搬運而來的沉積物堆積的地層。由此,可以聯想到湖盆或海盆邊緣三角洲或扇三角洲頂超現象向盆地方向必然伴隨著沉積物的前積作用;向上變淺的“準層序”僅發(fā)育在臨濱或三角洲發(fā)育部位,沿斜坡向上必然存在海(湖)洪泛期堆積的沉積物;低水位體系域下切河谷的存在意味著沿斜坡向下在盆地中心部位會發(fā)生盆底扇或類似的沉積作用等。正是由于沉積物的體積分配作用,某一地區(qū)的地層信息(地層保存程度、幾何形態(tài)、內部結構等)必然包含著時間上與其相同的另一地區(qū)的地層(或不整合)屬性的信息。也正因為如此,地層記錄才具有時空分布的有序性和三維空間的可預測性。沉積物體積分配是一個重要的概念,因為沉積物的體積變化反映了可容納空間與沉積物供給比值(vA/vS)在時間域和空間域的變化。其結果直接伴隨著原始地貌的幾何形態(tài)、沉積物的保存程度、地層不連續(xù)界面出現的頻率、沉積旋回的對稱性、沉積物內部結構、流體流動單元的連通性、相分異作用和巖石非均質性等一系列地層學和沉積學響應。正如T.A.Cross(1998)指出的那樣,“地層和相的所有其它屬性都是由沉積物體積分配所控制,或者與沉積物體積分配有關”。只有從基準面旋回和可容納空間變化產生的沉積物體積分配的過程—響應動力學觀點出發(fā),才有可能根據其導致的諸多的地層學和沉積學性質反演基準面旋回,建立時間地層對比格架,并解釋與預測地層記錄時空分布的變化。2沉積物體積分布的地層學和沉積物形成的反應2.1加積/進積地層單元旋回對稱性的變化是沉積物體積分配的地層學響應。旋回對稱性是以巖石形式保存下來的基準面上升時間與下降時間比例的記錄(Cross,1998)。對稱性旋回指的是在基準面旋回的上升半周期和下降半周期沉積了大致相等的巖石厚度,構成旋回的相序組成呈對稱形式。不對稱旋回或以基準面下降時期堆積的沉積物為主,或以基準面上升時期堆積的沉積物為主,相序組成也不對稱。地層旋回性變化是地層對比重要的輔助信息。地層旋回中包含基準面旋回期間堆積在成因上相聯系的沉積環(huán)境,并保存下來的所有沉積物。由于沉積物體積分配作用,基準面旋回期間,在進積/加積單元沉積的時空范圍內沉積物堆積作用并不連續(xù),地層的旋回性也隨之發(fā)生變化。圖4表示了一個成因層序(加積/進積地層單元)中旋回對稱性的變化。沿著原始傾斜剖面,由斜坡向盆地方向地層發(fā)生由從基準面上升非對稱旋回到對稱旋回再到基準面下降非對稱旋回的過渡性變化。斜坡上部,在沖積平原或臨近的海岸平原位置,地層旋回由明顯的基準面下降不整合和上覆的基準面上升時堆積的沉積物組成,形成由基準面上升時期沉積構成的不對稱旋回。在海岸平原更向下坡的位置,由于基準面上升和下降期間均存在足夠的可容納空間使沉積物保存,形成一個對稱的地層旋回。繼續(xù)向海方向,地層旋回逐漸失去了基準面上升部分,最后完全由以洪泛面為界的臨濱砂巖構成的基準面下降旋回組成,即經典地層學“向上變淺”的旋回或“準層序”。向盆地中心位置,地層旋回的對稱性又逐漸增加。旋回對稱性變化表明,在成因地層單元沉積的范圍內,由于沉積物的體積分配作用,沉積物的堆積作用是不連續(xù)的。在不同地理位置,地層有時由巖石+巖石組成,有時由巖石+不連續(xù)界面(或沉積間斷面)組成。其時間對比關系是,沖積平原環(huán)境基準面下降期間形成的地層不連續(xù)面在時間上相當于沿斜坡向下臨濱或三角洲環(huán)境中基準面下降期形成的地層。臨濱位置的“準層序”上覆的洪泛面(海侵沖刷不整合)在時間上相當于海岸平原和沖積平原位置基準面上升期沉積的地層。2.2沉積相與相組合相分異作用是沉積物體積分配作用的沉積學響應。相分異指在基準面變化周期中巖石的沉積學屬性的變化。具體指地層的幾何形態(tài)、相組合和相序、巖石多樣性、層理類型和巖石物性的差異等。這些差異存在于基準面旋回過程中相同的相域、不同的地層位置處。相分異反映了原始地貌要素保存的程度,以及存在于不同時間的沉積環(huán)境中的地貌要素類型的變化。有兩種主要的相分異作用類型。第1種是在基準面變化周期中的單個相屬性的改變。例如,高可容納空間與低可容納空間形成的河道砂體,其幾何形態(tài)(寬度與厚度比)、側向連續(xù)性、相互截切程度、底形類別與保存程度、底部滯留沉積厚度與類型等均有明顯差異(圖5)。第2種相分異作用類型表現為在沉積地形剖面的相同位置沉積相或相序發(fā)生完全變化。這些相組合的變化反映了構成沉積環(huán)境的地貌組成的變化。常見的例子是基準面下降期波浪為主的開闊海相臨濱沉積環(huán)境與基準面上升期開闊海灣、河口灣以潮汐流為主的沉積環(huán)境的交替。這種交替作用發(fā)生在沿沉積剖面的相同位置和相同的水深范圍。此外,通常人們所熟悉的三角洲分類中,由鳥足狀三角洲向鳥嘴狀三角洲及至港灣狀三角洲或潮汐三角洲類型的過渡也與基準面旋回中vA/vS的變化導致的沉積物體積分配作用有關。vA/vS比值較低時,沿斜坡向上沖積平原環(huán)境中沉積物的保存能力較差,沉積物體積較少,更多的沉積物過路不留,被搬運到三角洲復合體處,形成鳥足狀或朵狀三角洲;vA/vS比值增大時,沖積平原環(huán)境沉積物的保存能力增強,沉積物體積增大,沉積在三角洲和淺海環(huán)境的沉積物減少,波浪作用或潮汐作用逐漸增強,形成鳥嘴狀三角洲或潮汐三角洲。與此同時,三角洲的相序和相組合特征也存在明顯差異。相分異作用是同一地理位置相同沉積環(huán)境或沉積相幾何形態(tài)、相類型、巖石內部結構的差異及地層層間和層內非均質性產生的主要原因。2.3成因層序的演化和旋回對稱的發(fā)展在長期地層旋回內,沉積物體積分配決定了進積/加積地層單元的堆積樣式。以海岸平原—臨濱—陸架沉積剖面為例,長期基準面下降期間,構成長期地層旋回的成因層序呈進積疊加樣式,由于沉積物向盆地方向搬運能力的增加,海岸平原相域沉積物儲存能力的逐漸減小,沖積平原或海岸平原成因層序的厚度自下而上逐漸變薄,旋回的對稱性逐漸變差直至僅由基準面上升半旋回組成,其頂部可能出現陸上不整合。在臨濱相域內,隨著自海岸平原搬運來的沉積物逐漸增加,成因層序厚度向上變大,旋回的對稱性逐漸變差直至僅由基準面下降旋回組成。臨濱和陸架相域旋回厚度的向上逐漸變厚與海岸平原相域旋回厚度的逐漸變薄有關。長周期基準面上升期間,構成長期地層旋回的成因層序呈退積疊加樣式,海岸平原相域內成因層序厚度向上逐漸變厚,旋回對稱性向上變好,由非對稱的基準面上升旋回向更對稱的旋回變化,反映了隨時間在海岸平原相域增加的儲存能力。由于沖積平原沉積作用增強、沉積厚度變大,在臨濱和陸架相域成因地層旋回厚度向上逐漸變薄,但旋回對稱性逐漸變好,從非對稱的基準面下降旋回漸變?yōu)閷ΨQ旋回。海岸平原相域旋回厚度向上的增加同臨濱和陸架相域旋回厚度的向上變薄有關。由此可以看出,短期地層旋回的疊加樣式反映了沉積物體積分配的程度與過程,它是隨較長期基準面旋回的vA/vS條件的變化而改變的。3沉積物體積分布與高分辨率層的比較3.1層序地層對比原則基準面變化旋回導致地層旋回的形成,基準面變化及其控制的vA/vS的變化伴隨沉積物的體積分配作用,沉積物體積分配作用又決定了地層旋回的保存程度與旋回對稱程度。因此,在基準面上升與下降連續(xù)的時間內,在進積/加積成因地層單元中發(fā)生的沉積作用并不是連續(xù)的,導致地層記錄由巖石+界面組成。巖石與地層不連續(xù)面(或沉積間斷面)二者的結合記錄了完整而連續(xù)的時間,地層間斷僅發(fā)生在垂向地層序列上,而時間沒有間斷,也沒有缺失。由此不難理解,沉積物體積分配作用決定了從時間和空間四維角度出發(fā)的高分辨率層序地層對比原則是有時巖石與巖石、有時巖石與界面或界面與界面的對比原則,而不是等厚度對比和巖性地層對比。同樣原理,由成因地層單元疊加作用形成的較長期地層旋回的對比也要遵循這一地層對比原則。由此可以看出,要進行正確的層序地層劃分與對比必須學會識別由于vA/vS比值變化導致的沉積物體積分配作用及其產生的地層學和沉積學響應,而且也只有高分辨率層序地層劃分才能認識沉積物的體積分配作用,從而才有可能進行準確的高分辨率地層對比。3.2基準面旋回控制下的不對稱旋回演化模式以鄂爾多斯盆地中東部上古生界太原組、山西組海陸過渡相沉積和渤海灣裂谷盆地東營組湖相沉積為例說明如何運用沉積物體積分配原理進行高分辨率層序地層劃分與對比。早古生界,鄂爾多斯盆地中東部地形由北向南緩傾。沉積太原組時海平面上升,陸表海擴張,形成障壁島與潮坪為主的沉積,僅在東北部發(fā)育扇三角洲和三角洲沉積體系。至早二疊世沉積山西組時期,受海西構造運動影響,華北地臺整體抬升,在北高南低的古地形背景下,海水逐漸退出,自北向南發(fā)育大型河流-三角洲沉積體系。圖6為該區(qū)太原組—山西組一條南北向(自伊14井到鄂6井)高分辨率地層對比剖面。可以看出,太原組(下部長期地層旋回)沉積時期,由于地臺基底穩(wěn)定沉降,海平面上升,基準面上升時期地層厚度明顯大于下降時期地層厚度,形成地層不對稱旋回。其內部又可進一步劃分出2個較短期旋回。以下部較短期旋回為例,基準面上升期間,沉積作用向盆地邊緣的伊14井方向擴張,早期形成瀉湖相,之后為最大海泛期灰?guī)r;基準面下降期,由于可容納空間降低,北部未發(fā)生沉積作用,僅在盆地較低部位(陜196井以南)形成泥碳坪和潮坪沉積。由此決定了北部地層不連續(xù)面或沉積間斷面與南部泥碳坪和潮坪環(huán)境中保存下來的地層的對比關系。山西組旋回(上部長期旋回)是以基準面下降期沉積為主的不對稱旋回。由3個較短期旋回組成,基準面上升時期北部地區(qū)(陜196井以北)可容納空間增大,沉積物堆積作用和保存能力強,地層厚度顯著大于南部地層,并以河道相為主;基準面下降期,斜坡高部位可容納空間降低,沉積物保存能力差,多發(fā)生過路沖刷作用,形成沖刷面。大量沉積物向盆地方向搬運,發(fā)生河流三角洲進積作用,并在南部斜坡部位保存下來。由此導致北部地區(qū)多發(fā)育以基準面上升期河道作用為主的不對稱旋回,基準面變化所經歷的時間由巖石+界面代表,而向南旋回對稱性增加,基準面變化所經歷的時間均作為巖石記錄保存了下來。因此,時間地層單元對比關系是:基準面上升期斜坡下部以泛濫平原相為主的地層與上部以河道相為