层序地层学的历史与现状

层序地层学的历史与现状

1层序地层学的发展简史1.1层序地层学的诞生20世纪70年代，该学院被广泛认为是在20世纪70年代建立的。实际上,层序地层的萌芽思想产生于100多年前。而自从Sloss于1948年提出层序的概念后,层序地层学便诞生了。Sloss认为层序是“比群和超群更高一级的岩石地层学单位”,而没有现代层序地层学的概念。Sloss的概念没有受到人们足够的重视而长期进展不大,所以该时期可称为层序地层学的初期阶段。1.2地震勘探技术20世纪四五十年代,地震勘探活动急剧增加,地震勘探新技术和计算机的广泛应用,使地震勘探走向了现代化。地震勘探方法被越来越广泛地应用于盆地研究和油气勘探,取得了显著的经济效益,并逐渐成为基本的必不可少的一种勘探技术。20世纪70年代,以Vail为首的EXXON石油公司的地质学家们将地质理论、地震勘探技术与现代计算机技术紧密结合,创立了地震地层学。地震地层学被认为是当代地层学在理论和实践上的一项重大突破。1.3层序地层学的发展阶段地震地层学使人们开始利用地震速度来提取岩性信息,并能够在盆地规模上对地层结构、沉积相的展布及其变化进行分析研究和预测,并在此基础上产生了层序地层学。20世纪80年代,威尔格斯、桑格瑞和维尔等在《层序地层学原理》和《应用层序地层学》等著作中,以全球性海平面变化为控制因素,系统、全面地阐明了层序地层学的基本理论、关键性术语的定义、解释程序和工作步骤,从而使层序地层学的理论与方法趋于完善,层序地层学进入了现代层序地层学发展阶段。1991年,由D.I.M.Macdonald主编的《活动边缘的沉积作用、构造运动和全球海平面变化》一书,进一步把层序地层研究扩展到活动大陆边缘。层序地学是研究一系列以侵蚀面或无沉积作用面和与之可对比的整合面为界的、具有旋回性的、成因上有联系的并可置于年代地层框架内的沉积岩层关系,即研究等时格架内的具有成因联系的相,因而体现了成因地层学的本质。近几年来,层序地层学得到不断发展和广泛应用,并在此过程中产生了多个分支。这些分支主要有层序生物地层学、成岩层序地层学、高频层序地层学、层序充填动力学、高分辨率层序地层学等,其中尤以Cross领导的科罗拉多矿业学院成因地层研究组为代表的高分辨率层序地层学影响最大。该理论及其方法在美国和其他一些国家石油公司油气勘探、开发中所发挥的显著作用和重要影响,突出地反映了高分辨率层序地层学的新概念、新方法、新进展。2层序地层学的主要成就和存在的问题2.1层序地层学的兴起与发展层序地层学由于其学术上的先进性和实践上的巨大应用价值,已被广大的地质工作者所认可和接受,并被广泛应用于油气勘探和盆地分析的实践中,取得了巨大的成就,获得了显著的经济效益。其成就主要表现在:在理论上,它提出了一个完整统一的地层学概念。正如P.R.Vail所说:“层序地层学概念在沉积岩上的应用有可能提供一个完整统一的地层学概念,就像板块构造提供了一个完整统一的构造概念一样。层序地层学改变了分析世界地层记录的基本原则;因此,它可能是地质学中的一次革命,它开创了研究地球历史的一个新阶段”。通过对诸如构造沉降、基准面变化、沉积物供应及气候等控制沉积作用的几个最基本因素的深入分析,深刻揭示了层序成因(Posamentier,1989;Galloway,1989;Cross,1994),为层序划分和对比、层序特征分析、层序模式建立提供了标准或依据。通过以不整合面和与之可对比的整合面为界,划分出层序、体系域、准层序和准层序组,形成一套独立完整的沉积层序划分原则和体系。全球统一的成因地层划分方案的提出,消除了地层学中长期存在的年代地层、岩性地层与生物地层三重命名的混乱现象,将地层学的研究从描述性提高到具有系统完整的理论阶段。在研究方法上,一些新的方法被引入到层序地层学研究中来。以不整合面和与之可对比的整合面为界的地层对比方法,与事件地层学、生物地层学、放射性年代学、磁性年代学方法相结合,为层序地层分析的年代地层学研究提供了新的武器。在生产实践中,由于层序地层学建立的先进的成因模式,能够有效地阐明生、储、盖层的配置规律,提高了地层对比的精度以及对相带展布、砂体分布和各种地层参数的预测能力,为圈定有利隐蔽地层-岩性圈闭提供了科学依据,从而取得了显著的经济效益。2.2全球海平面变化曲线尽管层序地层学的发展是迅速的,并取得了巨大的成就,但其理论和方法有一个成熟和完善的过程,其中也存在争论甚至挑战。首先是关于全球性海平面变化问题。有人认为,支持全球海平面变化曲线的许多假设是不成立的,因为用来限定这些曲线的古生物、古地磁及放射性等测年技术的精确度还不足以确定发表的三级曲线的时限,结果使来自不同盆地的穿时性的曲线被错误地叠加在一起而产生那些毫无意义的全球海平面变化曲线。Armentorout认为,只有通过高分辨率生物地层学和年代地层学研究对一些区域性旋回进行仔细论述后,才能把一些局部事件从全球性的等时性事件中区别出来,然后才能真正建立正确的全球海平面变化曲线。其次,不同级别层序的划分标志是个难题。由于层序地层的研究在西欧、北美多集中在中、新生代,但这些标准能否适用于中生代甚至更古老的地层,受到人们的质疑。再次,在陆相层序地层学中,冲积作用地层对于层序地层学提出了挑战,而体系域的延伸和适应性也是一个问题。3率层序地层学的基本原理随着盆地油气勘探与开发向更复杂和更深入的方向发展,以及隐蔽油气藏勘探风险的不断增加,石油地质学家需要更精确的技术,以提高层序地层分析的分辨率和储层预测的准确性。在这种背景下,高分辨率层序地层学分析理论与方法应运而生。高分辨率层序地层学是在现代层序地层学的基础上发展起来的,它所依据的仍然是层序地层学的基本原理。它与盆地或区域规模的层序分析不同在于,它以露头、岩心、测井和高分辨率地震反射剖面资料为基础,运用精细层序划分和对比技术,建立油田乃至油藏级储层的成因地层对比骨架。这里所谓的“高分辨率”,“系指对不同级次地层基准面旋回进行划分和等时对比的高精度时间分辨率,也即高分辨率的时间-地层单元既可应用于油气田勘探阶段长时间尺度的层序单元划分和等时对比,也适合开发阶段短时间尺度的砂层组、砂层和单砂体层序单元划分和等时对比”。4沉积物组合类型的因子分析高分辨率层序地层学理论的核心内容是“在基准面旋回变化过程中,由于可容纳空间与沉积物补给通量比值的变化,相同沉积体系域或相域中发生沉积物的体积分配作用和相分异作用,导致沉积物的保存程度、地层堆积样式、相序、相类型及岩石结构和组合类型发生的变化”。4.1基准面旋回法Wheeler(1964)提出,基准面既不是海平面,也不是海平面向陆方向的水平延伸,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(非物理面,图1),其位置、运动方向及升降幅度不断随时间变化。T.A.Cross(1996)引用并发展了Wheeler的基准面概念,认为基准面是一个相对于地表起伏的连续的势能面,而不是物理界面,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。基准面描述了可容纳空间建立与消失及其与沉积作用相对关系的变化过程。基准面变化的趋势总是向其幅度的最大值或最小值单向移动,构成一个完整的上升下降旋回。基准面的一个上升与下降旋回称为一个基准面旋回。基准面升降与沉积动力学之间存在如下关系:基准面下降到最低点时,引起包括滨岸带在内的地区发生暴露并遭受侵蚀,此时可容纳空间(A)缩小至最小值,而沉积物补给通量(S)值则达最大值,河流所搬运的沉积物数量最多、粒度最粗,在河流入海(湖)口处产生强烈进积作用;当基准面上升到最高点时,情况正好相反,此时在河流入海(湖)口处产生加积—退积作用;在基准面从最低点上升到最高点,或从最高点下降到最低点位置的两个半旋回区,则会出现与沉积动力学条件变化相对应的进积→加积→退积(上升)或加积→进积→局部遭受侵蚀(下降)的地层响应过程。4.2沉积学及地层学响应可容纳空间是指地球表面与基准面之间可供沉积物堆积的空间(Cross,1996)。在基准面旋回期间相域内保存不同沉积物体积的过程称为沉积物体积分配。它是地层基准面旋回过程中由于可容纳空间的变化导致的沉积过程的动力学响应。其在地质记录中的沉积学和地层学响应表现为:地层旋回的对称性随时空变化、相分异作用、进积/加积地层单元的叠加样式。可容纳空间随基准面的变化而不断变化,并产生沉积物保存、剥蚀、过路不留和非补偿四种地质作用,关系如图1所示。4.3旋回相序组成沉积物体积分配的地层学响应之一是地层旋回对称性,它是指以岩石形式保留下来的基准面上升时间和下降时间比例的记录(Cross,1996)。而对称性旋回是指在基准面旋回的上升半周期和下降半周期沉积了大致相等的岩石厚度,构成旋回的相序组成呈对称形式。地层的旋回性变化是地层对比的辅助信息。在一个成因层序中,旋回对称性在不同的地理位置的变化是不同的(图2)。在冲积平原和海岸平原的上部,地层旋回通常由基准面下降时形成的不整合和上覆的基准面上升时期堆积的沉积物组成,形成不对称旋回。滨海环境(混积的海岸平原下部和浅海)中的地层一般形成对称的地层旋回。滨面和浅海陆架的地层最常见的情况是形成基准面下降非对称旋回。在中—外陆棚环境,地层旋回的对称性逐渐增强。总之,地层旋回的对称性变化是基准面变化期间可容纳空间变化的函数。4.4地表要素的保存程度及相分异程度的提高相分异作用是沉积物体积分配的沉积学响应,指的是基准面变化周期中岩石的沉积学属性的变化(Cross,1998)。它反映了原始地貌要素保存的程度,以及存在于不同时间的沉积环境中的地貌要素类型的变化。相分异程度则是融入地层记录中的原始地貌要素的数量和比例。相分异作用主要有两种类型:一种是在基准面变化周期中的单个相属性的改变,另一种是在沉积地形剖面的相同位置沉积相或相序发生完全变化。相分异作用导致了同一地理位置相同沉积环境或沉积相几何形态、相类型、岩石内部结构的差异,同时也是地层层间和层内非均质性产生的主要原因。4.5层序格架地层叠加样式是沉积物体积分配的另一个沉积学和地层学响应。在这方面的研究,中国学者走在了前面。郑荣才等(2000)在分析了基准面升降与沉积动力学关系的基础上,以中期基准面旋回为周期,以短期基准面旋回为成因地层单元,详细讨论了层序结构、层序叠加样式与可容纳空间/沉积物补给通量比值(A/S比值)变化、基准面升降幅度及沉积动力学条件之间的相互关系,讨论了不同结构和叠加样式的短期基准面旋回在中期基准面旋回中的分布规律,并提出了以中期基准面旋回为单元的标准层序模式(图3)。实践证明,这种基准面旋回和叠加样式与沉积动力学关系的分析方法适合中国广泛分布的中、新生代陆相含油气盆地的高分辨率层序地层学研究。5层序地层学理论高分辨率层序地层学自诞生以来,由于其高精度和可预测性,可有效减小隐蔽油气藏的勘探风险、优选开发方案和预测剩余油的分布,在油气勘探与开发研究中得到了广泛的应用。大量研究表明,高分辨率层序地层学的概念和理论可有效地应用于地下地质的研究,为精细油藏描述、地下地层对比、沉积相和储层特征的研究提供了有效的分析方法和预测工具(J.F.Aitkenetal.,1996)。该理论中有关湖泊相油源岩和可作为非渗透层的陆相泥岩以及古深切谷沉积物的预测模式,对于石油储集层、层控矿床及地下含水层等研究具有重要意义。目前有关层序地层学概念在风成地层中的应用研究,还仅限于