从层序地层学到高分辨率层序地层学

从层序地层学到高分辨率层序地层学
孟万斌
( 成都理工大学地球科学学院, 610059)
[ 摘要] 简要回顾了层序地 层学的发展 历史, 将层序地层 学划分为初 期阶段、地震地层 学和现 代层序地层学三个阶段 。总结了层序地层学的主要成就和存在的问题。扼要介绍了高分辨率层 序地层学的理论基础和关键定义 , 并展望了其发展前景。 [ 关键词] 层序地层学; 地震地层学; 高分辨率层序地 层学 [ 分类号] P 539. 2 [ 文 献标识码] A
1 层序地层学的发展简史
1. 1 层序地层学的初期阶段 学术界普遍认为层序地层学是 Vail 在 20 世
纪 70 年代创立的。实际上, 层序地层的萌芽思想 产生于 100 多年前。而自从 Slo ss 于 1948 年提出 层序的概念后, 层序地层学便诞生了[ 1] 。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[ 2] 。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 地震地层学阶段
基准面升 降与沉积动力 学之间存在如 下关 系[ 12 ] : 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
第 29 卷 第 4 期 2002 年 8 月
来自百度文库
成都理工学院学报
JO U RN A L O F CHEN GD U U N IV ERSIT Y O F T ECHN O L OG Y
[ 文章编号] 1005-9539( 2002) 04-0380-06
V ol. 29 N o. 4 Aug . 2002
3 层 序地层学与高 分辨率层 序地层 学的关系
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”[ 10] 。
图 1 基准面、可容纳空间和反映可容纳空间 与沉积物供给平衡时的地貌状态
Fig. 1 Baselev el, acco mmodation and g eomo rphic featur e reflecting t he balance betw een accom modatio n and sediment supply ( 据邓宏文, 2000)
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”[ 7] 。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 ( Po sament ier, 1989; G al low ay, 1989; Cro ss, 1994) [ 8] , 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。
地层学、层序充填动力学、高分辨率层 序地层学 等[ 5] , 其中尤以 Cr oss 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
[ 收稿日期] 2001-10-10 [ 作者简介] 孟万斌( 1968- ) , 男, 硕士, 沉积 学专业.
第4期
孟万斌: 从层序地层学到高分辨率层序地层学
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
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 旋回对称性
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( Cro ss, 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
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 相分异作用
显著的经济效益。 2. 2 层序地层学存在的问题
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。Armento rout 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[ 9] 。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[ 4] 。
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. Cro ss( 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。
书, 进一步把层序地层研究扩展到活动大陆边 缘[ 2] 。
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[ 4] 。
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
·382·
成 都 理 工 学 院 学 报 第 29 卷
4 高 分辨率层序地 层学理论 基础及 关键定义
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”[ 12] 。 4. 1 基准面
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
·38 1·
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[ 6] 。
2 层 序地层学的主 要成就和 存在的 问题
2. 1 层序地层学的主要成就 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:
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[ 3] 。 1. 3 现代层序地层学阶段
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
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 可容纳空间
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) [ 13] 。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。