高分辨率层序地层学的基本原理

高分辨率层序地层学的基本原理

层序地层学是一种划分、比较和分析沉积层的方法。它是研究一套由不整合及其对应的整合面为边界的、具有成因联系的年代地层格架内的岩层间相互关系的一门学科。它不同于以往的岩石地层学、生物地层学、磁性地层学等。它通过建立年代地层格架,为盆地范围内的地层对比提供依据;它建立了一些经典的层序地层模式,有效预测地层充填结构和展布样式;它在一个层序内进一步划分出体系域,对地层分布模式、储层预测作出解释。高分辨率层序地层学是以TimoCross为首的美国科罗拉多矿业学院成因地层研究组在上世纪九十年代创立的,它和P.R.Vail为首的Exxon科研小组的经典层序地层学及Galloway的成因地层学已成为层序地层学的三大学派。近年来它已为越来越多的学者所接受并在实际应用中收到了较好的效果[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12]。但是,由于其基本理论和经典的层序地层学差异较大,初学者感觉其抽象、晦涩、难于理解。本文结合前人的研究成果,详细论述了高分辨率层序地层学的四个基本原理,并对它们之间的相互关系作了初步探讨,以期读者能加深对它们的理解,从而更好地领会和掌握高分辨率层序地层学理论。1层序地层学的基本工艺和其资高分辨率层序地层学一门以露头、测井、岩心和三维高分辨率地震反射资料为基础,精细地划分地层层序、进行层序对比,从而建立高精度的区域、油田乃至油藏级别的地层对比格架,最终实现在成因地层格架内评价和预测生、储、盖层的一项理论和技术。高分辨率层序地层学具有四大基本原理,即基准面变化原理、沉积物体积分配原理、相分异原理和物质守恒原理。这四个原理的地位是不平等的:基准面原理是最重要的,由基准面的变化(即可容纳空间与沉积物供给的比值的变化)产生了体积分配和相分异原理。体积分配原理又可看成是相分异的第一种类型(单个相属性改变)的控制因素,若将第二种相分异类型(地貌要素的保存程度)视为短期旋回内体积分配的结果,则相分异都是由体积分配作用引起的。1.1不同层次的地层演化高分辨率层序地层学认为层序的形成受控于基准面的上升、下降的旋回。基准面不是一个实在的物理界面,它不是海平面,也不是海平面向陆地方向的延伸,而是一个相对于地表波状起伏的、连续的、略向盆地下倾的抽象面,它的位置、运动方向及升降幅度不断地随时间变化。可以将基准面看成一个势能面,它反映了地球表面与力求其平衡的地表过程间的不平衡程度,要达到平衡,地表要通过沉积或搬运作用改变其形态来向靠近基准面的方向运动。在基准面位于地表之上的地理位置,可以发生沉积物的堆积作用(也可发生饥饿性沉积作用或非沉积作用);在基准面位于地表之下的地理位置,不会发生堆积作用,只能发生物质剥蚀作用;在二者正好重合的位置,沉积物发生路过不留作用,继续向下搬运。使基准面升降的地质因素有沉积地形、海平面的升降、盆地的构造沉降、沉积负荷的补偿等速率的变化。要单独分析单个因素对于基准面的影响是很困难的,但是这些因素的综合作用所反映的dA/dS变化却可以通过相同体系域或相域中沉积物的保存程度、地层堆积样式、相序、相类型以及岩石结构的变化反映出来。地表和基准面之间可供沉积物沉积的空间构成可容纳空间,基准面相对于地表的运动使其发生变化,从而限定了沉积物堆积的最大潜在空间(但不代表沉积物真正堆积的体积)。沉积物真正堆积的体积受控于可容纳空间和沉积物供给的比值,即在剥蚀和堆积过程中可容纳空间变化速率和沉积物供给速率的相对变化。沉积物的供给速率一般是不易确定的,它和区域地貌、构造运动等有关,和可容纳空间的变化相比,其变化相对较小,所以容易操作的是二者变化速率的比值。进一步假定沉积物质供给速度不变,则可容纳空间的变化即近似等于可容纳空间与沉积物供给量变化的比值dA/dS,就决定了可容纳空间内(有效可容纳空间)沉积物的堆积速度、保存程度及内部结构特征,所以可认为可容纳空间的变化速率决定了上述沉积特征。基准面在变化中有总是向其幅度最大值或最小值单向移动的趋势,其变化构成一个个完整的上升与下降旋回,每个旋回称为基准面旋回。基准面穿越地表摆动到地表之下再返回,称为基准面穿越旋回。它的基准面下降半旋回会形成不整合面,而基准面完全在地表之下,或地表之下的摆动产生剥蚀作用,不会形成不整合面。高级次的基准面旋回包含着低级次的旋回,相应地形成了不同级次的地层旋回。地层旋回是在基准面旋回期间堆积在成因上相联系的沉积环境内并保存下来的所有沉积物。基准面旋回所经历的全部时间由地层记录(岩石)和沉积间断面组成,伴随旋回的dA/dS变化均在地层旋回的沉积或岩石性质表现出来,所以在地层记录中识别不同级次的基准面旋回并进行地层对比是可以实现的。基准面旋回控制了可容纳空间的增减,而充填于其中的沉积物体积变化是Va/Vs作用的结果。Va/Vs的变化还控制了相分异、不连续界面出现的频率、沉积物的保存程度、旋回对称性、沉积物内部结构、流体流动单元连通性及岩石非均质性。基准面升降变化的沉积动力学响应是:当基准面从最高点开始下降直到最低点,海岸平原被剥蚀,海岸线向盆地方向迁移,河口湾逐渐消失,三角洲的类型由海湾状潮控型转变为浪控型继之以河控型(理想情况下由尖头状→朵状→鸟足状),三角洲不发育的临滨由潮汐作用为主变为波浪作用为主。伴随蚀源区扩大,更多的沉积物堆积在向盆地的位置,滨岸和盆地依次出现高位加积、高位进积和低位加积(滨岸可能无沉积而发生剥蚀)形式的沉积。当基准面从最低点开始上升直到最高点,海岸平原被海进侵蚀,海岸线向陆地方向迁移,河流变成河口湾,三角洲类型由河控型变为浪控型(理想情况下由鸟足状→朵状→尖头状)继之以潮控型,三角洲不发育的临滨由波浪作用为主变为潮汐作用为主。伴随蚀源区收缩,沉积物更多地堆积在靠陆的位置,滨岸和盆地依次出现低位加积(滨岸可能发生剥蚀)、海进进积和高位加积形式的沉积。Swift和Thorne利用可容纳空间与沉积物的比值来描述海洋陆架的动态响应及响应机制,Schlager用可容纳空间与碳酸盐岩生长速率的比值来解释碳酸盐岩陆架、台地、斜坡地层的大规模几何形态和堆积样式。1.2基准面旋回内沉积物的积分交叉活动特征沉积物体积分配原理是指基准面旋回过程中,沉积物以不同的体积被分配到不同的相域。由于沉积物的体积分配作用,导致在基准面升降变化的过程中,在同一沉积体系内的不同地理位置堆积的沉积物体积发生变化。其具体表现是:在基准面上升期间,地表和基准面的交点(沉积物过路不留的沉积和侵蚀作用的分界位置)向盆地上坡移动,横向上可容纳空间的范围扩大,盆地边缘相域储存沉积物的能力增加而沿斜坡向下搬运的沉积物减少,结果堆积在更靠盆地中心位置的沉积物减少;基准面下降期间,地表和基准面的交点向下坡移动,横向上可容纳空间的范围缩小,盆地边缘相域储存沉积物的能力下降,沿斜坡向下搬运的沉积物增加,结果更多的沉积物堆积在更靠盆地中心的位置。体积分配作用是在基准面变化过程中不同沉积环境内可容纳空间的四维(空间+时间)动力学变化的产物。基准面的升降运动控制了可容纳空间的增减,为沉积物体积分配提供了基本的背景,而可容纳空间与沉积物供给的共同作用(以Va/Vs表示)是沉积物体积分配过程发生的根本动力。以下序列描绘了沉积物体积分配作用的实现过程:同一相域的不同沉积环境中可容纳空间发生变化→单个相域的可容纳空间变化→不同相域的可容纳空间变化→和沉积物供给共同作用→体积分配作用实现。体积分配作用在沉积地层中留下了沉积学和地层学方面的记录:①地层旋回对称性的时空变化;②相分异作用;③加积/进积地层单元的叠置样式。它们构成了划分与对比高分辨率地层层序的基础。地层旋回的对称性是指基准面上升和下降时期保存的沉积物所代表的时间的比例关系(近似的结果可以不作去压实校正)。若在基准面旋回上升半周期和下降半周期沉积了大致相等的岩石厚度,相序呈对称式分布,这种旋回称为对称性旋回;不对称性旋回或者以基准面上升半周期的沉积物为主,或以下降半周期的沉积物为主,相序组成也不对称。地层单元的叠置样式指在长期基准面旋回的上升和下降过程中,不同的环境(地理位置)短期地层旋回的厚度和对称性的变化。郑荣才将中期基准面分为缓慢上升、加速上升、由上升折向下降和快速下降四个演化阶段,在各个阶段中,短期旋回的结构类型、叠加样式及其在中期基准面旋回过程中的分布规律各不相同。1.3不同的资源量相分异指的是在可容纳空间的变化过程中,保存在相同沉积环境中的相类型、相组合、相序、地层结构(堆积样式)和岩石物性的变化。根据上文对沉积物体积分配作用的论述,可知相分异在很大程度上(甚至全部)是由沉积物体积分配的结果。相分异有两种类型,一种是在不同的Va/Vs情况下,沉积剖面上相同环境(地理位置)的沉积相和/或相序的变化,如基准面下降半旋回的滨岸在上升半旋回可以变为滨岸一陆棚过渡带或者陆棚;另一种是在不同的Va/Vs情况下,基准面变化周期中原始地貌要素的保存程度(包括单个相属性)及地貌要素相对比率的变化。一般来说,进积旋回的典型特征是相的多样性和保存程度的增加,而退积旋回的典型特点是相的叠置、相互吞并导致相类型减少,保存程度差。如高可容纳空间退积旋回的滨面沉积由均质的砂岩组成,而低可容纳空间进积旋回的滨面沉积相多样性增加,原始地貌要素保存程度好,岩性非均质性明显。但是,对于分流河道砂岩,其情形恰好相反:退积旋回的分流河道砂岩具有明显的相多样性、复合底形组合和保存较好的底形;而进积旋回的分流河道砂岩发生强烈的相叠置和相吞并,相多样性低,滞留沉积物少,底形较少且保存程度差,砂体连通好,宽厚比小,均质性好,是较好的油气储层。1.4旋回内地层的迁移其主要含义是地层在时间上是连续的,没有间断,连续的时间表现为岩石+不整合面,而地层的沉积却不是总连续的。在一个地层旋回内,有的地理位置地层连续沉积,中间没有不连续界面(或沉积间断面),有的位置地层的沉积是不连续的。但是,物质在一个完整的旋回内是守恒的,只是其地理位置发生了迁移。一个地区不整合面的存在,意味着在其下方的终止位置上必然堆积着对应此不整合发育期被剥蚀的物质。高分辨率层序地层的对比,并非等厚岩层的对比,而是岩石对岩石,岩石对界面或界面对界面的对