层序地层学国内外研究进展及应用

层序地层学国内外研究进展及应用
2018年1月
层序地层学国内外研究进展及应用
摘要：为了加深对层序地层学的认识和理解，本文从层序地层学的研究对象和内容出发，系统性地认识层序地层学的研究方法以及理论基础。

首先查找文献初步了解层序地层学的概念体系和以全球海平面变化为特征的理论基础。

其次，梳理了层序地层学的发展历史和近期层序地层学的相关研究进展。

最后，针对塔里木盆地的寒武-奥陶系海相碳酸盐岩的层序地层特征，查找了相关研究成果，加深了对塔里木盆地的海相地层的层序特征的理解。

关键字：层序地层学；研究进展；塔里木盆地；寒武-奥陶系；碳酸盐岩
1 层序地层学研究对象及内容
层序地层学(Sequence Stratigraphy)是20世纪80年代发展起来的一门新学科和新技术[1]。

它是研究以侵蚀面或无沉积作用面以及可与之对比的整合面为界的、有成因联系并具旋回性的地层格架内的岩石关系为主要内容的一门学科。

层序地层学的诞生和发展伴随着地震地层学、生物地层学、年代地层学和沉积学的发展。

它是以地震地层学为基础，结合有关的沉积环境及岩相古地理解释，对地层的层序格架进行综合解释的科学。

通过对地震、测井和露头资料的分析，研究在构造运动、海面升降、沉积物供应和气候等因素控制下，造成相对海平面的升降变化及其与地层层序、层序内部不同级次单位的划分、分布规律；研究其相互之间的成因联系、界面特征和相带分布，以建立更精确的全球性地层年代对比、定量解释地层沉积史。

当与生物地层、构造分析等结合时，能提供以不整合面或与之相对应的整合界面为界的更精确的地层对比。

层序的基本模式是以不整合为边界，内部是由三个体系域组成(低位体系域、海侵体系域和高位体系域)，层序形成的控制因素主要有四个，即构造沉降、海平面升降运动、沉积物的供给和气候，层序的研究方法包括地震、露头和测井的综合应用。

层序地层学在其发展的过程中逐渐形成了一套相对独立的理论方法体系。

它是在是在地震地层学的基础上发展起来的，并综合了生物地层学、年代地层学、岩石地层学、同位素地层学、磁性地层学、沉积学和构造地质学的最新成果[2]。

它依据生物地层学与年代地层学所建立的宏观年代地层格架基础开展研究，并把自己的研究同已建立的宏观地层格架结合起来；它将地质学和地球物理学相互交叉渗透而迅速发展起来，逐渐形成了一套相对独立的理论方法体系，在实践中不断被完善和发展；它消除了地层学中长期存在的年代地层学、岩石地层学与生物地层学单位的三重命名的混乱现象，第一次提出了全球统一的成因地层划分方案，建立了地层分布模式，提高了对地层的分布预测能力，将地球科学的研究从定性推向定量[3]。

2 层序地层学理论基础
2.1 层序地层学的概念体系
2.2 层序地层学的理论基础
层序地层学的基本原理是构造运动、全球绝对海平面的变化和沉积物供应速度综合作用的结果，产生的地层记录。

这些记录反映了各种地质作用的规模、强弱、持续时间和影响范围。

其中，构造作用与海平面变化的结合，引起了全球性相对海平面变化，它控制了沉积物形成的潜在空间。

构造作用与气候变化的结合，控制了沉积物的类型和沉积数量，以及可容纳空间中被沉积物充填的比例。

而河流和海洋环境中的沉积作用，又由于水流与地形和水深间的相互影响而引起不同的岩相分布。

不同变量具有不同的控制作用，而全球海平面变化是控制地层叠置样式的基本因素，是形成以不整合为边界的沉积层序的根本原因，是建立全球地层对比的重要手段[4]。

图1 四个变量控制层序地层模式
Fig. 1 Sequence stratigraphic model controlled by four variables
2.1.1全球周期性海平面升降变化[5]
层序地层学是在地震地层学理论基础上发展起来的，它继承了地震地层学的理论基础，即海平面升降变化具有全球周期性，海平面相对变化是形成以不整合面以及与之相对应的整合面为界的、成因相关的沉积层序的根本原因。

Haq和Vail(1977，1987) [6]建立了显生亩全球海平面Ⅰ、Ⅱ级变化旋回和中新生代海平面变化年表(图2)。

由于海平面变化的全球性，层序地层学可以成为建立全球性地层对比的手段，重建全球地层对比系统,对具有全球性周期的沉积层序进行准确定年，就能够提供一种特别适合于沉积相和古地理重建的年代地层格架，同时还能获得对全球海平面周期升降规律的认识(图2)。

图2 显生宙全球海平面变化旋回（据Vail等，1977）
Fig.2 Phanerozoic global sea level change cycle (Vail et al., 1977)
2.1.2 四个基本变量控制了地层单元的几何形态和岩性
层序地层学注重研究以不整合面及与之相关的整合面为界的旋回地层的关系。

一个沉积层序是由沉积在一个相对海平面升降旋回之间的各种沉积物组合而成的，一个层序中地层单元的几何形态和岩性受构造沉降、全球海平面升降、沉积物供给速率和气候变化等四个基本因素的控制。

一个沉积层序和地层叠置样式常受构造沉降、全球海平面升降、沉积物供给速率和气候四个基本因素的综合影响。

一般来说，构造沉降速率、海平面升降速率和沉积物供给速率三个参数控制了沉积盆地的几何形态，沉降速率和海平面升降变化综合控制了沉积物可容空间的变化。

2.1.3全球海平面变化曲线特征
1.全球海平面变化和相对海平面变化
(1)全球海平面变化
全球海平面(Global eustasy or Global sea-level)是指海平面相对于一个固定的基准点(如地心)的位置(图3)，它与局部影响因素无关。

全球海平面变化可起因于
洋盆体积的变化、全球海洋水体体积的变化和响应于平均海平面的全球重力场等势面的变化。

现今全球重力场等势面相对于地心来说存在180 m的地势起伏，在过去还存在着波动，即在100×104a时间内波动变化了50--250 m，在最近2×104a内波动变化了60 m。

这些波动是由于板块漂移、冰川变化和米兰柯维奇旋回造成的重力变化所形成的。

洋盆体积的变化主要有以下5个原因：①大洋巾脊体积的变化和大洋中脊扩张速率的变化；②大洋碰撞降低了大陆面积、增加了海洋面积；②洋底热诱导隆升，降低了洋盆体积，引起海平面上升，④沉积物注入率和生长率的突然增加；
⑤大洋岩石圈的冷却和密度变化。

所有上述变化都是长期的、缓慢的，均持续几百万年，变化速率为1mm／1000 a。

图3 全球海平面、相对海平面及水深的基本含义（据Jerrey，1998）
Fig.3 Basic meanings of global sea level, relative sea level and water depth ( Jerrey,
1998)
(2)相对海平面
相对海平面(Relative sea-level)是指海平面与局部基准面如基底之间的测量值。

一个地区相对海平面的变化是全球海平面变化相当地盆地沉降速率的函数(图4)。

水深是指海水表面与海底之间的距离，是全球海平面、构造沉降和沉积物供给3个变量的函数，即是由相对海平面变化和沉积物供给决定的。

在不同尺度上可以发生相对海平面的变化。

短期相对海平面变化可以是由波浪、潮汐、风暴巨浪、海啸造成的，略长期的季节性和年度潮汐作用也可造成相对海平面的升降，温度下降、含盐度降低和大气压增高均可造成相对海平面下降；反之亦然。

更长期的相对海平面升降变化往往是全球海平面变化和海底隆升造成的。

在区域范围内，更重要的影响因素是造山运动、火山活动、沉积物压实和热机制。

图4 作为全球海平面变化和沉降作用函数的海平面相对变化及其对可容纳空间
的影响
（H.W.Psamentier等，1988）
Fig.4 Relative sea level changes as a function of global sea level change and subsidence and their effects on accommodation space (H.W. Psamentier et al., 1988)
2.全球海平面相对变化特征
目前较为流行的海平面相对变化曲线是出Exxon公司科研人员对全球不同地区沉积盆地进行研究得出的(Vail,1977，Haq,1987)[7]。

他们认为，在不同大陆边缘确定的海平面相对变化周期不仅具有同时性，而且具有相似的升降幅度。

通过对比研究并利用区域海平面升降周期众数的平均值，Vail等人建议了一种全球海平面变化曲线。

在20世纪70年代根据海岸上超建立了第一代海平面升降曲线。

Vail等人认为，全球海平面升降变化具有不称性，并存在2个一级周期、14个二级周期和数以百计的三级周期。

2个一级周期分别出现在前寒武纪到早二叠世(约350 Ma)和中三叠世至今(约225Ma)。

14个二级周期表现出较缓慢的海平面相对上升和快速的海平面下降，周期持续时间为10-80 Ma。

在80年代，Haq和Vail等人对70年代的全球海平面相对变化曲线进行了修改[7]，依据海平面相对变化周期不同阶段沉积样式，结合磁性地层、生物地层的研究成果，分别编制了三叠纪、侏罗纪、
白垩纪和新生代全球海平面变化周期曲线(图5)，并将70年代海平面相对变化改称为海岸上超的相对变化，重新编制了不对称的非锯齿状的波状曲线，将海平面的升降变化周期细分为巨周期组、巨周期、超周期组、超周期和周期。

巨周期组和巨周期为一级周期，周期频率约为200 Ma，是由控制全球海平面变化的构造运动引起的，界限处于早、晚三叠世。

超周期组和超周期构成一级周期．周期频率为9—10 Ma。

一般的周期作为三级周期，周期频率为1—2Ma 。

三级周期的成因与全球冰川引起的海平面变化有关。

还可分出周期频率为0.1和0.01—0.02Ma的四级和五级高频周期。

图5 侏罗纪-第三纪全球海平面相对变化周期（Vail，1977）Fig. 5 Jurassic-Tertiary Global Sea Level Relative Change Period (Vail, 1977) 3.全球海平面相对变化周期与层序级别
(1)全球海平面相对变化周期
全球海平面相对变化周期指的是一个时间段落，在这段时间内发生了全球海平面的相对上升和相对下降。

一个典型的海平面相对升降变化周期包括海平面的逐渐相对上升、静止期和迅速的海平面相对下降。

一个海平面相对变化周期可以在全球、区域和局部规模上加以识别。

尽管仍有人认为层序是没有级次的，但大多数人认为，不同级次的海平面升降变化周期形成了不同级次的层序。

所以，正确划分并准确确定海平面相对变化周期是层序地层学研究的基本问题。

根据Vail 和Miall等人的研究成果，一般将海平面升降变化周期分成一级、一级、三级、四级和五级周期。

每个周期的持续时间和成因都是不同的(表1)。

表1 海平面相对变化周期及其成因
Table.1 Periods of relative sea level changes and their causes
(2)海平面变化周期与层序级别的关系
在大多数情况下，一个沉积层序是在一个海平面变化周期内形成的，也就是说的海平面相对变化周期对应于相应级别的沉积层序。

全球显生宙存在两个海平面升降变化一级周期，形成了两个可全球性对比的一级层序或巨层序。

早奥陶世和晚白至世分别为两个最大海泛时期，前寒武纪晚期和中晚三叠世为最大海退期。

这两个一级层序均由陆棚边缘体系域、海侵体系域和高位体系域组成(图6)。

实际上，这些一级层序体系域是由一个或多个二级周期形成的二级层序组成的。

全球显生宙在14个海平面升降变化二级周期，形成了14个可全球性对比的二级层序或超层序。

每个层序都是由低位体系域(陆棚边缘体系域)、海侵体系域和高位体系域组成的。

例如侏罗纪二级海平面变化周期形成的二级层序包括了早侏罗世低位体系域、中侏罗世海侵体系域和晚侏罗世高位体系域。

三级周期亦是全球性海平面变化周期，中新生代存在120个三级周期，在尚未发表的古生代海平面升降曲线中存在127个三级周期。

在一个三级海平面升降周期内形成的地层就是一个层序，它包括了由一系列准层序组组成的低位体系域(陆枷边缘体系域)、海侵体系域和高位体系域。

在对三级周期形成的层序进行全球性对比时应充分考虑区域构造运动影响。

从理论上讲，全球范围的四级和五级海平面升降周期具有对比性，但实际上由于受区域构造、沉积物供给、气候等多种因素的影响，很难进行全球性四级和五级海平面变化周期的对比。

四级周期持续时间为0.1—1Ma或0.2-0.5Ma，多起因大陆冰盖生长和消亡或天文驱动力。

五级周期持续时间为0.01-0.1Ma或0.01-0.2Ma 。

主要反映了米兰柯维奇冰川全球海平面变化旋回。

四级海平面升降所形成的沉积地层往往是复杂的，它既可形成一个完整的四级层序，也可形成一个或几个准层序，这主要取决于海平面升降和盆地沉降之间的关系。

五级海平面升降周期多表现为一个快速的海平面上升和缓慢的下降或静止，因此，五级周期很难形成一个完整的沉积层序，往往形成一个可以在区域上进行对比的准层序。

根据层序地层学原理，一个实际沉积层序的形成来自多个外力的周期性复合驱动，并且具有分级嵌套性。

不同级别的层序发育与可容空间及可容空间的变化速率密切相关。

因此，我们现今在地层记录中看到的不同级别的沉积层序往往是不同级别海平面升降旋回耦合的结果。

图6 全球一级海平面变化周期与体系域类型(Vail,1985)
Fig. 6 Periods of global first-level sea level change and types of system tracts (Vail,
1985)
3 层序地层学研究进展
3.1 发展简史
朱筱敏将发展史分成三个阶段[5]：可以划分为概念萌芽阶段(1949—1976年)、地层地层学形成和发展阶段(1977—1987年)及层序地层学综合发展阶段(1988年以后)。

3.1.1第一阶段——萌芽阶段
层序地层学的诞生和发展首先得益于层序概念的提出。

早在1788年，Hutton 首次指出不整合面是区分隆起、剥蚀和沉积旋回的物理界面。

19世纪中叶，在
Lyell和Aganssiz(1835,1840)提出的冰川理论中就初步讨论了海平面变化与构造作用之间的关系。

1906年Suess发展了冰川理论并进一步讨论了海平面升降与沉积物上超和下超之间的关系。

1909年，Chamberlin发表文章，论述了地壳运动控制了世界范围内的海平面变化。

后来，几位美国地质学家继承发扬了Chamberlin 的思想，以全球不整合为边界来恢复地质历史时期的沉积环境。

L. Sloss、Krumbem和Dapples于1949年在同一次学术会议上提出了地层层序的概念，即“层序是以主要区域不整合为边界的地层集合体”，并利用北美克拉通地质资料，在寒武系至侏罗系8个系的地层单元中识别划分出了4个地层层序，从而开始了以层序作为地层单元来研究地层特征的新阶段。

1963年，L. Sloss等人又将北美克拉通前寒武纪最晚期到全新世地层划分成以区域不整合为边界的6套层序并以印第安部落名称进行命名，以强调层序研究起源于北美。

L.Sloss认为，层序是比群和超群更高一级的岩石地层单位，它不一定适用于克拉通以外和大陆以外地区的岩石地层学和年代地层学研究。

尽管克拉通层序概念为当今层序地层学的诞生和发展奠定了基础，但L. Sloss的思想，仅被P.Vail和Wheeler等人所接受。

所以，在1975年，国际地层分类委员会把“层序”从岩石地层系统中分了出来，并命名为构造层(Synthem)。

3.1.2 第二阶段——形成发展阶段
在这个阶段，许多地质理论和方法得到了迅速发展。

利用同位素年代测定、古地磁测量和超微生物分带研究成果确定地层的地质时代；利用沉积学、古生态学、碳氧同位素的理论方法判断古沉积环境、古水深、古气候、古水温和沉积基准面的变化；利用板块构造理论、地球物理和盆地分析方法分析地壳的垂向升降、横向伸缩以及各种构造活动、火山活动、重大地质事件发生的时代和规模；特别是由于高分辨率数字地震勘探技术的发展，地质学家可以得到比较精确的能够反映地下地层形态、岩性、物性、流体性质的不同维数的图像。

使人们更加深入地研究世界各地的地震反射剖面特征，并把它们与露头、钻井和测井资料结合起来，P．Vail等人(1977)提出了一门新的学科——地震地层学。

根据Mitchum(1977)的定义，“沉积层序是由相对整一、连续的，在成因上有联系的地层组成的、顶底以不整合面或与之相对应的整合面为界的地层单元”。

一定的沉积层序代表的时间段可以因地而异，但某个层序的范围却限于等时界面之间。

因此，它可以为地层对比和沉积相分析提供一个理想的年代地层格架。

1987年，Haq等人再次发表了全球海平面旋回变化图表,它比Sloss(1949)最初的克拉通层序概念更加细致合理，是一次理性概念的飞跃。

3.1.3 第三阶段——综合发展阶段
1988年，正式出版了由Wilgus主编的《海平面变化综合分析》。

1989年，随继出版了Sangree和Vail等的《应用层序地层学》。

在这两本专著中，他们以全球性海平面变化为主导因素，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。

1991年Vail等又在Einsele等主编的《层序旋回和事件》一书中，发表了《构造运动、全球海平面升降及沉积作用的地层标志综述》，再次强调，地层层序是由于构造运动、全球海平面升降、沉积作用及气候变化等地质作用相互作用而产生的。

同时，也突出了不同级别构造作用对地层层序的影响，提出了一整套将层序地层分析、沉降史分析和构造地层分析相互结合、互为补充的综合地层分析方法，特别将构造地层分析概括为9个步骤，突出构造沉降史与不整合面的研究，注意沉积充填史、构造型式与古应力条件的分析，高级别构造运动、构造条件与板块构造运动的关系等。

1991年，由D.I.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。

进入90年代以来，层序地层学进入了理论研究和生产应用全面发展的时期。

理论上出现了多种学派，如以基准面旋回与过程——响应原理为理论依据，以地质、地球物理方法为手段的T.A. Cross高分辨率层序地层学学派[8]，及由W.E. Galloway创立的因地层学派等[9]。

实践上，层序地层学开始深入到油气勘探开发的各个阶段，如油田开发层序地层学研究用于采油，细粒岩层序地层学研究用于地球化学(S.Greaney和Q．R．Passey，1993)等。

层序地层学已成为油气勘探开发各个阶段不可缺少的内容。

以最大的石油公司Exxon为例，从盆地分析到圈闭的成因解释，从油藏描述、数值模拟到后续动态模拟，从勘探开发各个阶段的软件开发到油藏管理，都直接或间接地应用到层序地层学的理论、方法或研究成果。

4塔里木盆地寒武-奥陶系海相碳酸盐岩层序地层学应用
4.1 塔里木盆地地质构造背景
塔里木盆地位于中国新疆南部（图7），是我国面积最大、含油气资源丰富的大型内陆叠合盆地，盆地处于天山、昆仑山和阿尔金山之间。

盆地的油气勘探先后在塔北、塔中、巴楚、库车等地的油气勘探获得了重大突破，发现了国内最大的海相碳酸盐岩油田、最大的海相砂岩油田和最大的陆相高气田。

盆地中含油气层分布在寒武系、奥陶系、石炭系生物碎屑灰岩段、石炭系—二叠系小海子组、古近系库姆格列木组和卡拉塔尔组等6个层系, 有效勘探面积超过20.1×104 km2, 总资源量超过40×108 t。

近年来，不论是中石油还是中石化集团公司对塔里木盆地的海相油气勘探高度重视，特别是对下古生界海相碳酸盐岩油气聚集规律的研究成为当前高度关注的领域。

盆地内的轮南、塔河、塔中等下古生界油气田的发现预示了海相碳酸盐岩油气勘探的巨大前景[10]。

图7 塔里木盆地地形图
Fig.7 Topographic map of the Tarim Basin
塔里木盆地的发展演化受不同时期板块构造背景的控制，形成了陆内裂谷、裂陷槽、克拉通内拉张盆地、克拉通内挤压盆地、被动大陆边缘盆地、弧后拉张盆地、弧后前陆和周缘前陆盆地等多种原型盆地并相互叠加和改造[10]。

盆地中存在挤压、引张、扭动和叠加构造样式，可以形成良好的圈闭构造。

盆地中的大型
隆起带是主要的油气聚集带，前陆盆地褶皱-冲断带具有较好的油气前景[11]。

塔里木盆地夹持在天山和昆仑山之间，边界为大型逆冲断裂带和走滑断裂带所限，塔里木盆地及邻区开展的地面地质、地震及钻井等方面的油气勘查和研究成果表明，该盆地具有复杂的演化历史、众多的构造样式和良好的油气远景。

图8塔里木盆地与周缘造山系的卫星影像图(许志琴等，2011)
Fig. 8 Satellite image of the Tarim basin and its surrounding orogens 塔里木盆地是在前震旦纪陆壳基底上发展起来的大型复合叠合盆地。

不同时期盆地内的隆坳单元既有继承，又有反转，因此盆地构造单元的划分就成为十分复杂的问题。

贾承造按构造性质将塔里木盆地划分为隆起构造、坳陷构造、边缘断隆三类共12个一级构造单元[13]（图10、图11）包括7个隆起、5个坳陷，简称“七隆五坳”；盆地内部则为“三隆五坳”。

塔里木盆地经历严寒武纪-中泥盆世、晚泥盆世一三叠纪、侏罗纪等三大伸展一聚敛的构造旋回，发育从海相、海陆过渡相到陆相的完整海退沉积旋回，沉积岩最大厚度达18000m。

塔里木盆地的主体由古生代海相克拉通盆地叠合而成，在南北两侧又叠置了库车、塔西南等中、新生代陆相前陆盆地[14]。

图9 塔里木盆地大地构造背景略图（王鸿祯等，1990）
Fig.9 Sketch map of the tectonic setting of the Tarim Basin
图10 塔里木盆地构造区划分图（贾承造，1997）
Fig.10 Division of the tectonic area of the Tarim Basin 1-盆地边界；2-一级单元界线；3-二级单元界线；4-断层；5-构造单元编号；6-井位；Ⅰ-库车坳陷；Ⅱ-塔北隆起；Ⅱ1-轮台凸起；Ⅱ2-英买力地凸起；Ⅱ3-哈拉哈塘凹陷；Ⅱ4-轮南低凸起；Ⅱ5-草湖凹陷；Ⅱ6-库尔勒鼻状凸起；Ⅲ-北部坳陷；Ⅲ1-阿瓦提凹陷；Ⅲ2-满加尔凹陷；Ⅲ3-英吉苏凹陷；Ⅲ4-孔雀河斜坡；Ⅳ-中央隆起；Ⅳ1-巴楚断隆；Ⅳ2-塔中低凸起；Ⅳ3-塔东低凸起；Ⅴ-西南坳陷；Ⅴ。