陆相层序地层标准化研究现状及展望

陆相层序地层标准化研究现状及展望

0高精度层序地层研究技术自20世纪70年代以来，层序地层学得到了发展，成为了解和预测沉积层分布的最基本方法，用于研究时间结构中的层重叠置风格。近年来,各种专业期刊中,内容涉及层序地层学的文献也呈逐年不断上升的趋势。在2009年与2010年,O.Catuneanu等著名沉积学家相继在《Earth-ScienceReviews》和《FirstBreak》发表了《走向层序地层的标准化》和《层序地层学:30年发展后的共性》2篇重要的文章,指出层序地层标准化可能成为未来层序地层研究重要方向,层序成因模式、标准建立、工业化应用是核心,层序地层学应用的最佳做法取决于露头、岩心、测井和地震数据的综合,层序地层学分析的标准工作流程要强调识别沉积物成因类型和层序地层界面的原因,向共同方法迈进国内自20世纪80年代引进层序地层学概念以来,针对中国沉积地质特征,创造性地发展和完善了层序地层学研究。特别是基于T.A.Cross创立的高分辨率层序地层学理论引入中国以来,国内地质工作者将其基本原理与分析方法广泛应用到陆相盆地区域、区带以及油藏级别高精度等时地层格架研究之中,在我国陆相盆地生储盖组合、储集层分布预测中发挥重要作用传统层序地层学研究,针对单一的野外露头或钻井研究,层序地层可以划分得相当精细;而进入盆地层序格架的研究,则取决于地震剖面的质量、研究者自身专业水平。随着研究的不断开展,面临露头、钻井和地震层序划分不统一,导致工业化应用困难;不同研究者对同一地区层序划分结果差异大、同一研究者对同盆地不同区块层序划分不一致等层序标准统一难的问题。如据相关资料,针对柴达木盆地第三系层序地层的划分,三级层序划分的个数可以从6→7→25→45→56个不等,给生产部门应用带来了很大问题。笔者近年来,探索出了应用野外露头伽马仪、元素捕获仪、探地雷达以及元素地球化学等多种手段建立露头层序地层格架,识别三级层序界面与洪泛面,进行高精度层序划分研究的一种新方法。该方法不仅强调依据野外露头、钻井信息获取层序划分一手资料,更依据陆相湖盆沉积旋回在古水深、古气候、沉积地球化学特征以及古气候等方面具体表征,尤其是露头剖面伽马曲线与探地雷达剖面为露头与盆地内钻井、地震的对比搭建了一个非常好的对比桥梁;最终依据露头剖面实测与实测地化参数综合定量开展高精度层序地层研究。在露头高精度层序地层划分基础上,进行井-震结合的层序对比、层序成因分析与岩相古地理分析。这对于沉积盆地层序地层标准的建立和统一、层序成因模式探讨是非常有意义的。1对陆相高精度层秩序的研究概念和方法1.1高精度层序地层划分强调以野外典型剖面为主要研究对象,以基干剖面大比例尺实测与辅助剖面观察为基础,结合典型剖面密集连续样品地球化学分析数据,运用露头伽马仪、元素捕获仪以及探地雷达等仪器,建立不同地区典型层序地层剖面;其次依据典型剖面露头实测伽马曲线为桥梁,对比相邻钻井伽马测井曲线,将剖面层序划分结果应用井下,建立联井剖面。同时利用实测探地雷达成像剖面进行层序界面识别与层序划分,对比探地雷达层序地层剖面与相邻地震剖面特征,据此进行研究区地震层序划分,最终综合完成研究区高精度层序地层划分。在层序格架内,进一步开展层序岩相古地理恢复、储集体分布评价预测等研究。1.2野外露头沉积地球化学层序地层划分不仅依据地震、钻井、古生物以及地层露头资料,而且突出露头沉积地球化学与露头伽马等多种实测方法相结合,充分利用野外露头信息准确划分层序。具体研究步骤包括:(1)分析整个野外区域的层序根据露头剖面上地层的岩性、岩相及沉积旋回等信息,进行典型剖面1∶500大比例尺实测;识别层序界面,划分层序。(2)层序界面识别与划分根据实测野外地质剖面与伽马曲线对比研究,利用伽马曲线组合特征开展层序界面识别与层序划分。关键的是,通过建立露头剖面的伽马曲线剖面,可以直接应用到钻井剖面的划分对比中,为钻井剖面与露头剖面的划分对比建立一个桥梁(图1)。(3)露头沉积的地球化学分析分析野外露头剖面连续地球化学数据,寻找沉积介质变化、沉积物供给等元素引起的层序转换面。结合地球化学标志识别层序界面,划分层序。(4)野外露头沉积地球化学分析室内地球化学分析的同时,利用元素捕获仪进行野外露头剖面实测。获取密集沉积物元素含量信息,建立连续全面的地球化学剖面。据此识别层序界面,划分层序地层。(5)地震地质界面识别原理RAMAC/GPR探地雷达是利用高频电磁波(主频为数十至数百乃至数千MHz)以宽频带短脉冲形式,由地面通过天线传入地下,经地下地层或目的物反射后返回地面,被接收。其原理与地震勘探方法一致,均根据不同的地质体(物体)具有不同的物理参数,产生电磁波传播速度与深度差异进行界面的识别。分析野外探地雷达仪获取的野外雷达剖面中电磁波反射特征、层序界面接触关系、反射波组合特征等信息,结合实测地质剖面标定,在雷达剖面上划分层序,为地震剖面层序划分提供模型。宣汉樊哙剖面表明,露头剖面观察的须二段底部与顶部的三级层序界面在野外探地雷达剖面上存在明显反射,其中须二段上部层序内地层明显呈现超覆特征,并且须二段内部的洪泛面具有明显的强反射特征(图2)。(6)钻井数据的序列分析利用测井曲线的组合特征进行层序划分。同时利用野外实测伽马曲线为桥梁,将露头剖面层序划分结果应用到测井曲线层序划分中。(7)层序地层对比以野外露头剖面层序研究为基础,以露头自然伽马实测与探地雷达剖面为桥梁,进行区域上的露头层序、钻井层序与地震层序的综合对比,建立研究区层序格架。2特殊成因界面类型层序地层学研究,最关键的问题是层序界面识别。目前识别层序界面主要依靠野外露头、地震剖面、录井岩性及测井曲线等资料所表现的不整合面或沉积间断面进行宏观厘定在四川盆地上三叠统不同级别层序界面识别研究中,通过对大量野外剖面和钻井岩心中特殊成因意义界面的分析(构造不整合面、大型侵蚀冲刷面、水进超覆面、岩性突变面和最大洪泛面等界面类型)。超长期层序或长期层序界面是由于侵蚀冲刷或沉积间断形成的大型构造不整合界面,而中期-短期层序则表现为大型侵蚀冲刷面、岩性突变面、水进超覆面等不同界面类型。同时应用露头伽马仪实测曲线上层序界面特征,地震、测井剖面层序界面特征,沉积物元素地球化学数据反映层序界面特征,露头元素捕获仪实测曲线识别层序界面特征,粘土矿物含量变化反映层序界面等均可对层序界面进行识别3四川盆地三叠纪徐家河群地层秩序的比较与发育发育控制因素的控制3.1层序划分方案在四川盆地上三叠统须家河组露头基干剖面、钻井岩心测井剖面以及相关地球化学室内与野外资料研究的基础上,同时考虑界面性质、界面级别、层序结构和叠加样式,对整个四川盆地须家河组多条露头与井下剖面进行了高分辨率层序地层学分析,提出Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级和Ⅴ级4个级别的层序地层综合划分方案,将须家河组划分为3个Ⅱ级(S1、S2和S3)、5个Ⅲ级(SQ1～SQ5)、19个Ⅳ级(MSC1-MSC19)(表1,图3)。四川盆地上三叠统须家河组由于受到川西前陆盆地构造演化制约,层序发育特征受晚三叠世盆地构造运动、沉积物供给与古气候控制。在川西地区沉积层序发育不完整,缺失SQ5;川中层序发育较完整,部分缺失SQ1。以四川盆地上三叠统须家河组单剖面沉积层序划分为基础,优选典型露头剖面,以露头伽马实测曲线为桥梁,利用曲线形态分布特征、组合特征进行露头与钻井之间层序对比研究。将露头剖面层序划分结果与邻近钻井伽马曲线对比,寻找区域不整合界面,在露头与地震层序对比研究时,可利用露头探地雷达剖面识别地层叠置关系、反射特征。以二级旋回层序为对比骨架,以三级层序界面为等时对比界线,对须家河组进行高分辨率层序地层对比和建立等时层序地层格架(图4)。3.2构造期间沉积体系的演化四川盆地晚三叠世层序充填主要以陆相碎屑岩沉积为主,厚度从造山带到盆地具有明显的西厚东薄特点,反映了龙门山造山带自诺利克期开始,从西向东的不断侵位。须一、三、五段属于构造相对宁静期,逆冲推覆造山作用相对较弱,以缓慢物源供给为主,物源供给相对不足,可容纳空间相对充足;须二、四、六段对应构造强烈隆升期,物源供给充足,可容纳空间相对不足。四川盆地构造层序发育初期,沉积体系不断由川中古隆起向川西拗陷退缩,沉积体系由边缘海沉积向三角洲沉积转换,具有向上变粗沉积序列。从层序充填样式来看,冲断一侧,A/S值小于1,以向盆地强烈进积的堆积样式为主;在前陆斜坡带和隆起带一侧,表现为持续上超。须二段沉积期之后,以陆相碎屑岩沉积物为主,盆地边缘以冲积扇、扇三角洲等粗粒沉积为主,向盆地过渡到湖泊沉积。在靠近冲断带一侧,沉积体系不断向盆地迁移,随着冲断作用加强,前陆向东迁移;在靠近前陆隆起一侧前陆斜坡带,沉积体系表现为向东超覆特点。3.3层序古地理环境沉积岩石中的微量元素特征不仅受控于其本身的物理化学性质,而且受到古气候和古环境的极大影响。前人利用CaO/MgO、Sr/Ba、B等元素含量反映湖泊自生碳酸钙沉淀的相对多少,古盐度的高低或古水深的升降在深度域的变化趋势,反映基准面变化以及高分辨率层序地层单元的划分粘土矿物组合及结构特点与形成时温度和湿度存在良好对应关系。高岭石主要形成于潮湿气候环境,伊利石形成于气候干燥、淋滤作用弱环境。威远庆卫剖面须家河组高岭石和伊利石含量比值变现为须三和五段K/I值高,须二、四和六段K/I值低,反映出须三和须五段气候较为炎热潮湿,须二、四和六段气候较为温和干旱。4层序古地层下的岩石相图四川盆地上三叠统主要发育三角洲沉积体系与湖泊沉积体系,其中须一、三、五段以湖泊体系为主,须二、四、六段以三角洲沉积体系为主4.1盆地晚三叠世盆地沉积期岩石学特征晚三叠世龙门山(米仓山—大巴山)间歇性的冲断构造控制岩性分布。须二和须四段分别是龙门山南段与北段强烈冲断隆升构造作用阶段,该时期砾岩出露在龙门山、大巴山—米仓山造山带前缘。川西晚三叠世瑞替克期砾岩主要分布于盆地西缘中北段,砾石层最厚达700余米,均为碳酸盐质砾岩,砾岩中砾石成分平均含量为:灰岩83%,白云岩5%,砂岩3%,石英岩7%,燧石2%;据砾石中所含化石和岩性特征推断,碳酸盐岩砾石主要来自石炭系—三叠系母岩,燧石来自二叠系,砂岩来自于小塘子组。此时物源区以晚古生代碳酸盐岩为主。龙门山山前须家河组砂岩成分含量百分数统计表表明,强烈构造隆升作用造成岩屑含量激增,进入须一、须三、须五段构造安静期,砂岩成分中石英含量增加,不稳定岩屑与长石含量减少。总体而言,四川盆地晚三叠世沉积时具有来自造山带和来自于克拉通的双物源。在平面上,靠近造山带的沉积物以高长石含量、低石英含量为特征,而靠近克拉通一侧的沉积物以高含石英、低含长石为特征。在时间演化序列上,前陆盆地形成初期,由于造山带地形未出露地表,物源主要来自克拉通,石英矿物丰富,而长石矿物和岩屑含量较少。须一—须二段的岩石类型主要以石英砂岩和岩屑石英砂岩为主,石英含量高达60%～90%,而长石含量仅为5%～15%。安县运动以后,须三—须五段的岩石类型主要以长石砂岩和岩屑长石砂岩为主,石英含量为30%～70%,而长石含量为10%～20%,岩屑含量较高,为20%～30%,从龙门山到川中石英含量明显增高,长石和岩屑含量明显降低。4.2来自四川盆地的三叠纪徐家河群的特征和运移方向(1)稀土元素分布规律106块样品元素测试结果表明,盆地周缘的川西北广元地区、川西什邡金河—彭州狮子山地区、川东北宣汉地区以及川中观音溪地区,碎屑岩样品稀土元素标准化图谱变化趋势一致,自须一段至须六段,稀土标准化图谱分布规律连续一致(图5),表明晚三叠世沉积时,存在连续稳定发育的物源供给区。须家河组砂岩Dickinson三角判别图表明,龙门山北段与中段须家河组须一段至须五段物源全部来自再旋回造山带,龙门山南段以再旋回造山带为主,须一段—须二段存在部分克拉通物源区的特征,也说明存在持续稳定的物源供给区。(2)稀土元素及微量元素四川盆地周缘的多条剖面样品稀土元素特征、砂岩Dickinson三角图投点趋势均反映物源区稳定并且单一,在同沉积时期,各剖面样品地球化学分布趋势一致(图6)。但川中南部的威远剖面表现较为混乱。威远剖面67块样品分析表明,须一段至须二段稀土元素变化较大,说明存在两个物源区,威远庆威地区属于混合物源区;自须三段至须六段稀土元素分布变化不大,基本保持一致,说明该沉积期,威远地区存在单一物源区,推测须一—须二段沉积期,该区受到西部物源与南部物源共同供给,自须三段开始,西部龙门山物源区未能翻越前渊凹陷,因此,该区西部物源有可能消失,仅存在南部物源区。(3)物源及受限制须家河组沉积期,四川盆地周缘存在多个物源区,物源运移方向整体向盆内汇聚。川东北主要来自北部大巴山;川西北主要受到北部大巴山与西部龙门山共同影响,但小塘子组主要来自西部;川西中南部物源主要来自龙门山;川中广安来自古陆;川中南部威远以复合为主,须二之后基本来自南部和东部物源。其中川西北广元地区整体接受北部秦岭高地(大巴山—米仓山)与西部龙门山(后龙门山)地区的物源供给;川东北宣汉地区主要接受北部秦岭古陆(大巴山—米仓山)物源;川西什邡金河—彭州狮子山地区主要受西部龙门山(后龙门山)地区;川中南部威远地区主要受盆地南部远源物源区、西部龙门山物源区以及东部古陆物源的联合控制;川中广安地区受到东部古陆物源供给。4.3晚三叠世须家河组岩相古地理在盆地内17条露头剖面和盆地内226口钻井单井层序分析基础上,以长期旋回层序的基准面上升、下降相域为等时编图地层单元,结合物源区分析,采用“单因素分析多因素综合作图法”编制了四川前陆盆地上三叠统须家河组各时期的层序-岩相古地理图。4.3.1盆地末二下亚段须家河组一段分布面积较少,重点针对须二下亚段编图。须家河组二段沉积开始,由于松潘—甘孜造山带隆升,海水基本上从西南部退出,四川盆地开始以陆相沉积为主。地层厚度表现为自西向东减薄特征,存在2个沉积中心,1个位于龙门山前,另1个位于大巴山前。须二下亚段沉积环境以三角洲-湖泊沉积体系为主,在川南地区发育滨、浅湖相(图7a)。须二段下部层序沉积体系明显受泸州古隆起与开江古隆起控制,发育进积型三角洲,三角洲河道砂体受古隆起带内部的洼地分布,是主力储层发育层段。4.3.2川东北及其围区构造格局在须二上亚段沉积时期,仍保留须二下亚段沉积格局。由于持续的湖盆作用,整体沉积范围扩大,三角洲发育整体向东发展,主要发育退积型三角洲,三角洲发育规模也有一定差异(图7b)。砂岩百分含量图显示,盆地东部江津—大足—资阳、广安—西充—大竹一带含量较高,川东北宣汉—开县与川西北旺苍一带砂岩百分含量也较高,须二上亚段主要物源区仍以东部与北部古陆为主。在须三段盆地周缘构造山系逆冲推覆活动的暂时休眠期。以川西坳陷沉降幅度最大,川东北坳陷和川东南坳陷以稳定低幅沉降为主,川中古隆起则以稳定低幅隆升为主。各坳陷沉降中心沉积厚度差异很大,以川西坳陷厚度最大,在鸭子河构造带厚达400m,为沼泽化滨、浅湖相暗色泥岩、炭质泥岩夹煤层。在川西坳陷的三角洲沉积体系分布范围略有扩大,砂体厚度减薄。近期于大邑地区三角洲前缘相带分流河道砂体中钻获高产工业气流,证明沿川西坳陷西侧盆地边缘分布的三角洲沉积体系,为有利储层发育和成藏的相带;川东北坳陷除局部发育有小型辫状河三角洲外,主体以发育滨、浅湖和沼泽相的暗色泥岩为主,厚度一般不足100m;川东南坳陷以发育河流—滨、浅湖沉积为主,湖岸线与盆地东部边界大致平行,厚度为100～150m。4.3.3盆缘沉积体系的配置须四段沉积期,龙门山造山带逆冲推覆作用增强,米仓山—大巴山造山带于此时期也开始进入由逆冲推覆作用引起的强烈隆升阶段,沉降-沉积中心开始向米仓山—大巴山造山带前缘的川东北坳陷带扩展,沉降幅度明显加大,沉降-沉积中心主体仍位于逆冲推覆作用更为强烈的龙门山造山带前缘的川西坳陷带。在须四段中下部快速湖侵沉积期。受基准面快速上升和可容纳空间急剧增大影响,同时周缘构造山系逆冲推覆作用和沉积物供给量骤然增多,在快速湖侵过程中整个盆地沉积作用始终处于超补偿→补偿状态。沿龙门山和米仓山—大巴山两逆冲推覆带的盆缘发育有规模大的冲积扇和扇三角洲裙带,如川西坳陷的天全—卢山冲积扇、崇州九龙沟冲积扇、平落坝扇三角洲、彭洲新华狮子山冲积扇、孝泉—新场—合兴场扇三角洲、中坝扇三角洲、安县扇三角洲、广元朝天冲积扇,川东北坳陷的南江阮家湾冲积扇、通江平溪扇三角洲、万源石冠寺冲积扇、宣汉固军坝和七里峡扇三角洲等,沉积厚度大,一般为200～300m,以川西坳陷的孝泉—新场—合兴场地区最厚可达400～600m;川东南坳陷盆缘发育辫状河三角洲沉积体系,扇体分布面积较大,厚度相对较薄,一般为100～200m,在广安一带的辫状河三角洲前缘可达250～300m。在须四段上部基准面缓慢下降的稳定湖退期,盆地周缘仍以发育扇三角洲和辫状河三角洲沉积体系为主,向坳陷中心进积明显,川西坳陷的辫状河三角洲自西向东进积与川中古隆起带的辫状河三角洲自南西向北东的进积作用都较明显。沉积厚度以川西坳陷为最大,一般为150～200m,在孝泉—新场—合兴场及其以西地区可厚达300～400m。4.3.4第二大坝式储层发育模式须五段沉积期是四川盆地周缘构造山系逆冲推覆作用又一次平静期,沉降-沉积中心的主体仍位于龙门山前缘的川西坳陷带。在须五段下部基准面持续稳定上升的缓慢湖侵沉积期,岩相古地理面貌与须四段比较有很大差异,在川西坳陷仍发育有大型辫状河三角洲,在川东北坳陷仅发育小型辫状河三角洲。川中古隆起和渝东—川东南坳陷等地区以广泛发育滨、浅湖和沼泽相的大套暗色泥岩、粉砂岩、炭质泥岩夹薄煤层组合为主。沉积厚度仍以川西坳陷为较厚,一般为100～200m,在平落坝、孝泉—新场—合兴场和中坝等地辫状河三角洲沉积区可厚达200～350m,为储层主要发育区。在川中古隆起上的厚度为60～100m,以浅湖砂坝的厚度为较大。在须五段中上部基准面缓慢下降的稳定湖退沉积期,辫状河三角洲沉积体系发育于川西坳陷,以平落坝、白马庙和大邑等构造带为最厚,大于300m,为有利储层发育相带。除了在川东北坳陷发育有小型三角洲,川东南地区发育有数个小型浅湖砂坝之外,区域上以发育滨、浅湖相和沼泽相的杂色泥岩、粉砂岩、暗色炭质泥岩夹薄煤层的互层组合为主。4.3.5盆缘三角洲沉积相受晚三叠世末期至早侏罗世早期龙门山逆冲推覆构造活动影响,川西坳陷须六段被卷入造山带而遭受大面积剥蚀。较完整的须六段沉积记录主要保存在盆地西南部、中部和东北部,以西南部厚度最大。