层序地层学研究新进展

层序地层学研究新进展

2002年apg年会的62篇文章涉及上层地层学和层次化评估。展厅还进行了一天的特别展览，反映了去年的层序地层学研究取得的重大进展。我国层序地层学理论研究及应用的广度、深度与国外尚有一定差距。本文介绍2002年AAPG年会反映的层序地层学理论和应用新进展,以期有助于我国在该学科领域追赶国际先进水平。1新理论1.1地震剖面的识别对许多在挤压型、伸展型和盐构造背景下生长的地层调查发现,生长地层的同沉积变形可以构成由运动学体系域组成的“运动学层序”,其地层单元局部被不整合限定,可通过地震剖面或露头的反射终止形式来确定和识别。将运动学体系域与基于露头和地下界面系统的沉积相分布和(或)地质年代学数据对比,研究生长断层、盐构造和同生褶皱的幕式生长特征及沉积相展布,可以恢复生长地层运动学历史。1.2基准面与陆架边缘的鉴定墨西哥湾北部常见侏罗纪陆架边缘碎屑沉积大规模快速崩塌形成的“崩塌层序”,在低位期常见,进积作用强烈的高位期也时有发生。崩塌基准面(BFS)是原始崩塌面与随后形成的冲刷面及印模面组成的复合界面,其上覆盖深水砂岩沉积。崩塌层序底界被崩塌基准面不整合所限,顶界可以是洪泛面或后继的崩塌基准面。多数富含深水砂岩的Ⅰ型层序可能与陆架边缘崩塌有关。通过地震资料、测井曲线特征及古生物资料,可以识别这种陆架边缘崩塌地层组合。1.3海底曲流河样式的稳定性使用侧向扫描成像设备,在佛罗里达的DeSoto峡谷和加利弗尼亚的Monterey海湾,观察到水深超过3km的海底曲流河样式的峡谷地貌被远洋软泥覆盖,而要淹没它们,海平面波动至少要达3km。假设洋底扩大的裂缝体积是因地球半径扩大而增加的体积,据此计算地球半径的增加量,认为地球半径的周期性变化可以引起深海盆地千米级规模的海平面变化和海洋低水位期的剥蚀、运移与沉积作用。1.4古新世海平面形貌米兰柯维奇地球轨道旋回理论对分析层序很有用。有证据表明,40×104a的离心率周期造成了白垩纪—古新世全球海平面变化。巴西大西洋边缘中生代裂谷沉积研究亦表明,气候变化与高频的米兰柯维奇振荡旋回关系密切。1.5黄铁矿滞后沉积物深水页岩对海平面的响应及层序划分历来是高难度的课题。在晚泥盆世Chattanooga黑色页岩中发现了含黄铁矿的滞后沉积物,页岩中的牙形石可记录1Ma内的海平面波动。滞后沉积物具有波浪形成特征,反映存在海平面下降形成的剥蚀面。覆盖剥蚀面的黑色页岩记录了海平面上升,鲕绿泥石层反映海平面低位期,大量藻类孢囊充填丰富的二氧化硅和黄铁矿,与高水位条件一致,可能反映海平面的高水位期。2新方法2.1生物地层模型古生物学是层序地层学研究的支柱之一,生物种群及其丰度可指示层序地层界面,生物形态、生物地层的标定和孢粉学都可在层序地层研究中应用。北海上侏罗统Humber群的沟鞭藻可用于编制高分辨率的标准藻类地质年代表,据此建立的生物地层模式在滨岸和临滨都适用,已用于修正区域对比结果和确定油田规模。在印尼苏门答腊盆地的层序地层研究中,使用“综合古生物系统(IPS)”分辨样品与样品之间的细微环境差别,把大量生物地层数据压缩成“生态群”(定义为小范围内海平面相对升降周期),构成“生态地层”。依据组群环境定义的13个“生态群”包括“浮游的”、“海相的”、“浅层的”,用于划分区域性等时单元。生物地层模型由多种生物地层事件组成,根据生物标志物的种类、组合及丰度变化确定其顶底。先通过形态对比建立区域复合标准剖面,消除大的地理范围内层序构型及构造作用对生物事件序列的影响;然后建立局部的复合标准,识别削截模型,定义局部的层序构型,预测层序构型对生物事件序列的影响。有两种方法研究孢子对海平面的反应:①现代模拟方法(比较岩心分析资料与现代花粉、孢囊分布);②实验方法(在实验过程中不断增加化石埋藏史,定量模拟地质时代对孢子收集的影响)。交叉使用这两种方法重现中新世至今的新泽西陆缘海平面,与其它资料(如稳定同位素、遗迹化石等)对比,证明海平面升降(因地球转动影响)是影响新泽西陆缘形态的重要因素。2.2地震地质和地质三维可视化技术可以直观展现三维地震勘探以及钻井、测井、沉积相及生物地层研究成果,可用于分析层序地层格架中储集层与圈闭条件。如研究挪威北海Osebtrg油田西侧隐蔽生长裂谷带的沉积学和地质模式时,利用可视化技术(地层描述、回归模拟等)及地震模式作出同期裂谷砂体展布图,与构造、地层模式相结合,研究断层和隐蔽圈闭。在墨西哥湾,应用高分辨率的AUV海底成像和三维地震可视化技术描述深水浊积扇的要素,鉴别沉积凸起、堤成谷、剥蚀谷、滑塌块和滑塌断崖等。在巴西滨外带Santos盆地,采用可视化技术提取地震时间构造面、反射强度、层间信息,用生物地层及沉积相资料标定,识别斜坡滑塌沉积、坡脚扇、盆地扇等储集砂体和圈闭。在墨西哥湾维拉克拉兹盆地,应用三维可视化技术识别切蚀谷、堤成谷、扇中沟道和盐、泥刺穿等圈闭类型。2.3地震地质属性识别应用人工神经网络技术建立地质相、储集层特性和地震参数的联系后进行三维可视化分析,可以预测孔隙度、储集层流体和岩性,也可进行烃类检测。对高分辨率地震数据及其派生的地震属性进行数理统计及神经网络分析,可以识别体系域中的冲刷面及古河道。如墨西哥湾南部March地区用这种方法发现了中新统的地层圈闭。2.4地震地质及地质事件的基本特征层序地层数学模拟着重于沉积充填及圈闭形成历史,可视为盆地模拟的延伸,约束条件主要有:①地震剖面层序边界几何形态深度转换;②生物标定的层序边界年龄;③根据生物地层学、地震时深转换和地层几何形态重建的古水深剖面;④测井岩性分析;⑤根据地震属性解释的砂岩分布等。层序地层学应用研究日趋综合,综合分析露头、岩心、地震、测井、古生物、各种分析化验及地化资料,辅以先进的数据处理、统计技术及三维可视化技术,可更好地解决实际科研生产问题。3新应用3.1中生界碳酸盐岩沉积特征碳酸盐岩层序地层研究相对薄弱,但已有重要进展。对西德克萨斯二叠系及沙特阿拉伯侏罗系碳酸盐岩的研究表明,其可容空间受低频的连续构造沉降与高频的米兰柯维奇气候旋回引起的海平面变化综合控制,造成深水与浅水的碳酸盐岩交替沉积,暴露期比沉积期更长,低水位期缺乏淡水补给,高水位期沉积的碳酸盐岩被低水位期的成岩作用保护而免于被溶蚀。沉积速率的局部变化与水深、氧含量、营养物质、碎屑注入量及盐度关系密切。中东的中生界碳酸盐岩中所含的微体古生物反映海平面变化,如阿拉伯东北地区Thamama组粒泥灰岩从下至上发育水平有孔虫、叠锥形有孔虫、有口的钙藻和小粟虫类和粗枝藻,反映向上变浅的沉积序列,可用以划分地层层序。在阿曼,根据下白垩统碳酸盐岩的几何形态、沉积相及地球化学特征研究层序地层演化。3.2层序地层格架在意大利MonteCamposaura的白垩系碳酸盐岩成岩作用与层序地层研究中,提出了成岩矿化度旋回的概念。一个完整的旋回从海水成岩作用开始,经过混合作用、淡水作用、混合水作用和海水作用过程,潜水面变化可能与相对海平面波动旋回有关。成岩矿化度旋回保存于海相的文石相和方解石相中,可以根据上倾方向成岩作用预测下倾方向的沉积层序,也可以根据下倾方向的层序地层预测上倾方向成岩作用。对爱尔兰石炭系Mullaghmore组、犹它州上白垩统Ferren砂岩和巴西二叠系RioBonito组碎屑岩的研究发现,贫生物碎屑的低水位体系域河流砂岩和高水位体系域河控三角洲砂岩及海侵砂岩的碳酸盐胶结物含量很低;在准层序界面和海侵面上发育的海侵滞留沉积及高水位体系域浪控三角洲砂岩中,富含生物碎屑的沉积物中钙质和白云质胶结普遍,沿准层序界面和海侵面分布的碳酸盐胶结物形成隔板。与层序地层相关的早期成岩变化对砂岩深埋后的成岩特征及储集层质量有重要影响。低水位体系域河流砂岩的黏土包裹层经常演化为伊利石,而高水位体系域三角洲砂岩的黏土包裹层转变为绿泥石。3.3低水位体系圈闭的预测隐蔽的岩性、地层圈闭与层序地层格架关系密切,研究主要集中在三方面:①根据层序内部界面和体系域界面预测地层的厚度变化趋势和岩性变化趋势,如砂体进积、泥岩超覆等,进而预测圈闭;②研究特定的沉积体,如低水位体系域中的辫状河切蚀谷、陆架切蚀谷、斜坡扇、滑塌扇、海底浊积扇、浊积水道砂体等,它们均可形成良好的圈闭;③研究层序地层与成岩作用的关系,预测成岩隔层、胶结层,如加州Joaquin盆地LostHill油田的研究等。3.4盆地内部的地层格局在层序地层格架(尤其是大型的三角洲沉积)中,经常发育含油气系统的各组成要素。低水位体系域常发育砂岩储集体,高水位体系域和海侵体系域发育盖层和圈闭,层序地层间相关性和工业制图描述了储、盖层的分布,有利于盆地建模和确定烃类运移路径。尼日尔三角洲的研究表明,三角洲进积的沉积载荷使重力不稳定,导致拉张、刺穿、压缩等有关变形,进而导致超压环境,形成巨大的拆离面。构造与沉积的相互作用不但形成三角洲体系内部的圈闭与盖层,还形成油气运移通道。通过岩心、测井及地震资料,可以研究层序格架中的沉积相展布、地层结构及隔层分布,作为油气成藏建模基础,结合三维可视化技术,可以更直观地展现含油气系统,预测砂体及圈闭的展布。3.5储集层地震勘探相德士古石油公司在巴西Santos盆地油气勘探中,综合分析钻井、测井资料及二维、三维地震资料,建立油气层序地层格架。通过地震制图识别与基底控制及盐体流动有关的构造区带,将地层厚度图(反映沉积中心迁移)与地震相分析结合,预测储集层及盖层、隔层的分布。在尼日尔三角洲,综合应用三维地震数据、测井数据、高分辨率生物地层学以及地球化学信息研究区域地质,并结合年代地层学预测岩性油气藏。综合层序地层学和岩石物理学可以预测改善砂岩储集层物性的因素。在新墨西哥Vacuum油田成熟的碳酸盐岩储集层研究中,综合运用层序地层学、储集层特征、碳酸盐岩相模式及三维可视化的岩溶地震属性。综合运用层序地层学、岩石学和岩石物理学确定储集层质量,已成为Alabama州WomackHillSmackover油田优化开采方案研究的一部分。3.6研究所取得的信息油藏动态与其在层序和整个体系域框架内的单元位置有关。在Starfak油田和Louisiana油田的研究中,所用信息包括几十项开采数据、155口井的各种地球物理资料、井壁取心和特殊岩心分析、烃类分布和类型、油藏岩性和岩相、孔隙度和渗透率、开采特征等,证实了第四级体系域(高水位区、海进区和低水位区)的孔隙度和渗透率有明显差别,导致体系域不均衡,各开采区的特征可用于预测未来全油田的产量。3.7地下水渗流对抗tra根据对层序地层学、古生态学和浅层地下水运动规律的研究,在气候和基准面驱动的营养物平衡作用下,可以形成大型三角洲体系烃源岩层序,其分布在时间和空间上都可预测。对Po、Rhune、Orinoco和密西西比三角洲全新统钻井、高分辨率地震和定时取样数据的研究表明,泥炭相倾向于在海侵体系域内退积岸线的靠陆一侧可容空间内堆积。富生物的泥沼需要补充富营养的水。地下水和溢岸水补充一般发生于相对海平面上升期,此时岸线后退,部分三角洲平原中的富营养河水流向陆地方向,促进泥沼发展;随着高水位期系统的前积,富营养河水和地下水向海域排泄,剥夺了对泥沼的营养供给,从而限制