成岩作用在层序边界识别中的作用

内容摘要层序地层学研究是通过对露头、测井和地震反射剖面研究进行的,是属宏观研究.但大量实践证明,在不少层序界面,宏观上是难于辨别的.这就有碍于正确划分层序,开展层序地层学的研究工作.任何一个层序都经历过成岩作用的改造,因此成岩地层学与层序地层学有密切的关系,特别是与表生成岩作用有非常密切的关系,在许多不整合面上形成区域性的成岩标志,如溶蚀作用、硅化作用、白云岩化作用、土壤化作用、交代作用等标志.因此,可以通过成岩作用的微观研究来识别那些隐伏的层序界面. 成岩作用研究在白云岩地层中对层序边界及其类型的识别、体系域的划分具有重要的意义。

关键词：成岩作用层序地层学层序层序界面第一章前言长期以来，人们在进行层序地层学研究过程中，往往只注重测井、地震及野外露头资料的宏观分析，而忽略了沉积记录中各种微观现象固有的意义.近年来通过研究发现，在沉积岩粒间胶结物、次生加大边、次生矿物和孔洞充填矿物中，准确记载着当时地球动力学和物理化学条件及各种自然变迁的信息.自90年代以来，一些具有远见卓识的沉积学家已意识到成岩微观资料在层序地层学研究中的重要性，并很快把成岩作用与层序研究有机结合起来，从此，成岩层序地层学(diageneitesequeneestratigraphy)应运而生。

Ginsburg在研究大巴哈马台地时明确阐述了海平面变化对碳酸盐岩早期成岩作用的影响.Tucker(1992)则系统地总结了层序地层与成岩作用的关系并明确指出，碳酸盐沉积物的成岩作用可在相对海平面变化及沉积体系域这一框架内加以论述，并认为在不同的海平面旋回时期及不同的气候条件下，会出现不同的成岩作用类型。

因此，成岩作用信息会有助于对不整合面的认识，从而有利于重建海平面变化.据此，AkihiroKano(1992)提出了成岩层序地层学的概念，Goldstein等(1992)提出了碳酸盐胶结层序地层学概念，他们认为浅水碳酸盐岩层序的成岩特征如胶结物及溶孔等，可帮助认识不整合面。

其原因是:在部分暴露于水面的大陆架碳酸盐岩横剖面上，随埋深增加成岩作用序列分别是渗流作用、淋滤潜流作用、潜流作用及深埋成岩作用;当大陆架完全被上升的海平面侵没时陆架在海底环境中接受碳酸盐沉积物，因此其岩石由两个部分构成:上部为海水成岩相，下部为淡水成岩相，不整合面位于上部成岩相和下部成岩相之间。

他将这一思想应用于瑞士Gotland地区泥盆系浅水碳酸盐岩层序中，至少找到了9种不整合面。

这对碳酸盐岩层序中难以识别的不整合面的重新认识，具有理论指导作用.这不仅为成岩矿物研究方法在层序地层学中的运用铺平了道路，而且作为理想的桥梁，把成岩作用和孔隙演化与海平面变化科学地联系起来。

成岩层序地层学研究内容主要包括:①沉积相、层序和区域成岩作用的关系，②成岩作用与层序边界的关系;③不同成因层序，其成岩物理、化学特征及其变化;④胶结成岩事件的区域对比和连续性研究;⑥层序边界代表胶结物晶体生长间断研究;⑥成岩层序作为胶结物结晶生长过程中一系列沉积、加大事件的总和研究，⑦孔隙和孔隙流体阶段性演化与海平面周期性变化的关系。

第二章成岩地层学与层序地层学层序地层学研究是通过对露头、测井和地震反射剖面研究进行的,是属宏观研究.但大量实践证明,在不少层序界面,宏观上是难于辨别的.这就有碍于正确划分层序,开展层序地层学的研究工作.任何一个层序都经历过成岩作用的改造,因此成岩地层学与层序地层学有密切的关系,特别是与表生成岩作用有非常密切的关系,在许多不整合面上形成区域性的成岩标志,如溶蚀作用、硅化作用、白云岩化作用、土壤化作用、交代作用等标志.因此,可以通过成岩作用的微观研究来识别那些隐伏的层序界面.任何地层都经历过成岩作用的改造.这种改造,不同的地层,特别是在不同的成岩环境产生不同的结果.现代地层学包括众多的分支学科,如岩性地层学、生物地层学、年代地层学、事件地层学、磁性地层学、地震地层学、同位素地层学等等.他们都是从不同的地层的特性研究地层的特点,划分地层,认识地层.成岩地层学则是从地层经历过的历史,根据成岩类型、成岩作用、成岩环境、成岩演化,即发生的成岩事件来认识地层的微观特点和变化.Vail指出:“层序地层学分析提供了划分名叫层序和体系域的成因地层单位的不连续面的地层格架,这些层序和体系域与特定的沉积体系、岩相和油气产出有联系”.它主要的任务是根据一定地层事件来划分层序,研究层序中的沉积体系域,以及随时间变化的海平面变化和沉降作用.每个层序都具有独立的成岩作用和成岩过程.因此,层序地层学与成岩地层学具有密切的关系.所以,开展层序地层学的研究,除了要运用露头、钻井、地震反射之外,还应该开展成岩地层学的研究,从微观世界来研究层序地层学.Braithwaite[2]提出胶结物层序地层学(cementsequence stratigraphy).他强调胶结作用在层序中的重要意义,根据胶结作用的增生和特点,划分出胶结物带的区域分布.胶结物层序可以与上超、下超和其他的相关层序对比.胶结作用又是成岩作用的一种,成岩作用还包括:溶解作用、交代作用、重结晶作用、压实作用(机械压实、化学压实)、白云岩化作用、硅化作用、充填作用、破裂作用、再生核作用、增生作用、生物作用等等.这些成岩作用的发生、发展、改造和消失是与沉积环境和成岩环境有着密切的关系,也是与层序的埋藏历史有密切的关联.正是这样,我们可以运用成岩作用的研究,即成岩地层学认识地层和解剖地层.现在人们广泛运用露头、钻井和地震反射等资料研究层序地层学.但是这些资料常常是有限的,对层序地层学的许多问题,只能提供部分的证据和资料;而且这些部分资料都是宏观的.实践证明,有些层序的界面宏观资料是无法鉴别的,如有的平行不整合侵蚀面、露头剖面就无法识别,常判定为整合连续沉积,实则是重要的层序界面.地震反射和钻井资料就更加难辨.这种情况运用成岩地层学开展微观研究,就完全能得到解决.所以,开展层序地层学研究的同时,非常有必要进行成岩地层学的工作.2.1 成岩作用的过程从沉积物堆积开始,直至变质作用开始之前,使沉积物转化成岩石,并伴随地质历史而发生的改造所产生的物理、化学作用,称为成岩作用.它的过程,不同的学者有不同的划分和命名.结合油气的形成,可划分为沉积阶段、浅埋藏阶段、深埋藏阶段、超深埋藏阶段、表生成岩阶段等(图1).(1)沉积阶段:沉积物颗粒疏松自由地堆积于海底、湖底、河床,粒间的水与沉积环境有密切关系.具有生物作用,特别是细菌作用活跃.(2)浅埋藏阶段:由于上覆岩层负荷作用,开始发生明显的机械压实作用,排出粒间水,粒间水与颗粒发生矿化反映.(3)深埋藏阶段:由于埋藏深度加大,粒间的束缚水被排出,发生化学压实作用、矿化交代作用、破裂作用、有机物质发生演化.(4)超深埋藏阶段:由于埋藏深度不断增大,颗粒质点的结晶水被排出,继续发生化学压实作用和矿物交代作用.(5)表生成岩阶段:由于海水的退出或构造作用使沉积基准面出露,发生天然水的淋滤和溶蚀,而形成表生成岩作用。

任何层序或准层序都经历过沉积、浅埋藏、深埋藏(或超深埋藏)和表生成岩阶段,经历过完整的成岩旋回。

图1 成岩阶段的划分和基本特征Fig.1 Principal characteristics and stages of diagenesis2.2成岩环境成岩环境与成岩过程有着密切的关系.当地层经过沉积、浅埋、深埋等阶段,它与沉积环境有关.例如海相沉积(图2),滨岸或潮坪沉积环境成岩作用是在淡水和海水混合的介质中发生;潮下带沉积环境成岩作用是在海水介质中进行;枢纽带沉积体系的成岩作用则在海水和淡水混合介质中发生;而深水斜坡和盆地的沉积体系则在海水中进行.图2 海相沉积成岩环境介质的特点Fig.2 Characteristics of medium of diagenesis environment in marine deposition由于成岩环境的介质不同,成岩作用的结果必然有别,特别是颗粒岩中的胶结作用显示尤为明显(图3).胶结作用发生在不同的介质中,形成区域性的分带.图3 美国东部维尔吉尼亚州中奥陶统碳酸盐岩胶结物分带的区域分布Fig.3 Regional distribution of cement zoning of Middle Or-dovician carbonate in Virginia1.环潮汐相胶结物带;2.潮下相胶结物带;3.未能分带的模糊胶结物根据胶结物的分带,形成胶结物的层序,Braith-waite[2]曾经作了一张精彩的胶结物层序地层学的年代地层学的剖面(图4).这张图清楚地反映了胶结物层序地层的特点:上超、下超、截切.图4 美国维尔吉尼亚州胶结物层序地层学的年代地层格架特点Fig.4 Chronostratigraphy framework of cement sequence stratigraphy in Virginia2.3白云岩化作用与层序地层学白云岩化作用是碳酸盐岩中普遍而重要的成岩作用之一.关于白云岩化作用形成的机制有多种,其中与层序和沉积体系域的关系,还缺乏有总结性的成果.但是与表生成岩作用有关的白云岩化作用和准同生有关的白云岩化作用等,常与沉积间断不整合有密切关系,与向上变浅的沉积旋回有关.例如鄂尔多斯盆地东部奥陶纪马家沟期四级旋回(图5),由两部分组成,上部为准同生白云岩,下部为石灰岩组成.这是典型向上变浅的沉积旋回,是层序中高水位体系域的特有组成部分.鄂尔多斯盆地西部定边—环县一带,马家沟组白云岩则是与表生成岩作用有密切的关系(图6),反映马家沟组顶部存在一重要的沉积间断不整合.这就是层序的界面.图5 鄂尔多斯盆地东部奥陶纪马家沟期四级旋回特征Fig.5 Characteristics of the fourth-order cycle of Maji-agou age, Ordovician in eastern Ordos basin图6 鄂尔多斯盆地西部奥陶系马家沟组白云岩相的成因Fig.6 Origin of dolostone facies of Majiagou Formation,Ordovician in western Ordos basin2.4层序界面的成岩标志层序地层学中层序的划分,首先要依靠层序的界面.因此,层序界面的研究是层序地层学中极为重要的研究内容.层序界面的研究,现在多用露头、地震反射等方法.但是不少沉积间断不整合并不能运用上述两种手段识别出来,常常在露头宏观研究或地震反射中认为是整合;然而通过微观研究,特别是成岩作用的研究,可以判别出沉积间断不整合的存在.如塔里木盆地寒武系与奥陶系之间是否有沉积间断不整合?根据柯坪地区露头的观察,认为寒武—奥陶系之间是连续沉积的.但是通过微观研究,则证明存在沉积间断不整合,而且运用微观手段查明了塔里木盆地北部覆盖区巨厚寒武系下丘里塔格群内部也存在一个重要的沉积间断不整合,并可与柯坪露头地区对比(图7).这两个间断不整合都是划分层序的重要界面.这种表生成岩作用形成的硅质层在世界各地沉积间断表面均可见到.鄂尔多斯地区山西河津奥陶系亮甲山组与马家沟组之间的沉积间断面,在微观研究中,也能清楚地看到强烈的硅化作用.形成的硅质层,紧接上覆是含砾砂岩.图7 塔里木盆地北部柯坪、沙雅隆起寒武系下丘里塔格群沉积间断,根据微观可追踪对比Fig.7 Deposition erosional surface of lower Qiulitage Groupof Cambrian in Kepin and Shaya rises of northernpart, Tarim basin, that is on the basis of micro cor-relation溶解作用是表生成岩作用的另一个重要作用.在沉积间断不整合面,发生强烈的成岩改造.由于海平面的下降或构造的抬升作用,使地层暴露于大气,受天然水的淋滤、溶蚀,形成风化壳,发育大规模的溶孔、溶洞、洞穴、缝,产生各种溶岩,如:溶蚀岩、岩溶残积岩、岩溶塌积岩、岩溶填积岩、岩溶淀积岩、破碎岩、岩溶交代岩等.这些特征也是重要不整合面的成岩标志.第三章成岩对层序的指示关系控制层序演化的海(湖)平面变化、构造沉降、沉积物补给和气候变化等各种动力学因素在层序形成的不同时期的整体综合表现都具有差异性,每个层序都具有相对独立的成岩作用和成岩过程,导致在层序不同位置的元素类型与含量也具有明显的差异特征。