層序地層學

層序地層學

層序地層學是20世紀80年代發展起來的一門新學科和新技術,是綜合利用地震、鑽井及露頭資料,結合有關的沉積環境及岩相古地理解解,對地層層序格架進行綜合解釋的科學。隨著層序地層學研究的不斷發展,逐漸形成了一門相對獨立的分支學科。層序地層學是地層學的一個分支,是根據地震、鑽井和露頭資料進行地層分布型式、沉積環境和岩相綜合解釋的一門科學。

層序地層學層序地層學
層序地層學是20世紀80年代發展起來的一門新學科和新技術,是綜合利用地震鑽井露頭資料,結合有關的沉積環境及岩相古地理解解,對地層層序格架進行綜合解釋的科學。隨著層序地層學研究的不斷發展,逐漸形成了一門相對獨立的分支學科。

理論形成

主要介紹了層序地層學的基本概念和術語,以及層序地層學各級單元的形成機制;成因層序地層學、構造層序地層學、T-R層序地層學和高解析度層序地層學等不同學派的觀點和研究內容;陸相層序地層學主要介紹了陸相湖盆層序地層學研究基礎、陸相湖盆、擠壓坳陷湖盆、前陸盆地、沖積環境等的層序發育模式、發育機制體系域的劃分特點。層序地層學是地層學的一個分支,是根據地震鑽井和露頭資料進行地層分布型式、沉積環境和岩相綜合解釋的一門科學。

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人們發現,在同一時期的、情況各異的許多沉積盆地內發育著的地層形式,說明存在著一種有效的全球控制因素,這種因素即是全球海平面變化。P.R.Vail等(1977)曾提出了這樣一種觀點:大多數地表地質學家普遍見到的旋迴性沉積作用基本上或完全受全球範圍的海平面升降變化的控制。

層序地層學的產生起源於Mac Jeryey在70年代後期的研究成果,他在數學上模擬和定量表示了產生全球旋迴曲線的海平面、構造沉降和物源供給之間的相互關係。這項工作顯示出層序地層學以統一思想對地層學和盆地演化進行研究所產生的巨大潛力。然而,層序地層學成為獨立的學科形成於80年代後期,是由P.R.Vail、J.B.Samgree和J.C.Van wagoner等學者提出並完善的。

P.R.Vail等(1987)提出的層序地層學概念及其有關沉積模式,是以海洋環境為背景,針對被動大陸邊緣提出的。層序地層學的核心部分是研究全球海平面升降變化對沉積作用的控制。包括對大陸邊緣碎屑沉積作用的控制和對大陸邊緣碳酸鹽沉積作用的控制。層序及其內部組成部分體系域是全球海平面升降、地殼沉降以及沉積物供給之間相互作用的產物。全球海平面升降和構造沉降共同作用的結果,引起海平面的相對變化。在全球海平面升降的控制下,海平面的相對變化速度是碎屑沉積地層型式和岩相分布的主要控制因素;在長期構造運動的背景下,海平面的相對變化控制碳酸鹽沉積地層型式和岩相分布。

根據上述這些相互作用可以建立沉積模式,用以檢驗人們的認識,預測沉積地層關係和岩相,進行全球不同地域、不同時代地層間的對比。因此,層序地層學是從四維時空上來認識沉積記錄,並將其和全球海平面的周期性變化聯繫起來,認為沉積記錄是全球海平面變化與地殼沉降和沉積物供給的函式,從而增強了全球不同地域、不同時代地層間的可對比性和沉積相的可預測性,將沉積學地層學推向了一個新的階段。

基本論點

層序地層學的基本論點是地層單元的幾何形態及岩性受海平面升降、構造沉降、沉積物供給和氣候四大參數控制。其中全球海平面升降速度、構造沉降速度和沉積物供給速度控制了沉積盆地的幾何形態;這三種因素互相影響、互為因果關係最終導致某一地區海平面相對於該區陸架邊緣的相對變化速度及沉積體系域的發生、發展和變化。

層序地層學分類
當海平面上升引起海水穿過陸架時,形成海進體系域;隨著海平面升高、上升速度減慢,在沉積物供給速率維持原速度時,則由淺海相和非海相沉積組合的濱線向盆地方向推進,形成高水位期海退體系域沉積;若海平面急劇下降並且下降速度大於構造沉降速度,在陸架邊緣之下沉積了低水位體系域。當海平面緩慢下降,內陸架暴露侵蝕面僅在外陸架出現緩慢沉積,則構成陸架邊緣體系域。區分組成層序的體系域的關鍵部位是陸架坡折點(或陸架邊角、陸架邊緣),由沉積物分布於該點之上或其下劃分低水位體系域、海進體系域和高水位體系域

層序地層學是地震地層學的新發展。它綜合利用鑽井測井曲線、地震剖面及地表露頭三種資料對盆地的沉積體系域及各岩相作立體解釋,並概括為具有三維空間立體概念的沉積模式。

因此,可以說地震地層學已經進入了一個以層序概念為代表的層序地層學的新階段。同樣,層序地層學的基本理論體系也可以適用於陸相湖泊斷陷盆地,但不能機械地套用。因為湖泊水域小,受構造作用及氣候因素的控制明顯;同時需要考慮構造沉降、基準面變化、海泛、沉積物注入速度、氣候、物源方向及局部構造運動等因素。

在國外,對作為全球事件地質學的一個重要組成部分的層序地層學的研究正在不斷深入和發展,不僅在理論上獲得了重要的突破,而且在指導與沉積岩有關的礦產勘查方面也獲得了豐碩的成果。在我國也引起了較大的反響,受到了我國地質石油煤炭部門的普遍重視,有許多學者已迅速開展了中國東部陸相湖泊斷陷盆地和地表露頭層序地層學研究,並已取得了初步成果。

理論周期

層序地層學相關學科
層序地層學是在地震地層學的基礎上發展起來的,它概括了地震地層學的基本概念和方法,並綜合了生物地層學同位素地層學磁性地層學沉積學構造地質學的最新成果。其基本原理是構造運動、全球絕對海平面的變化和沉積物供應速度綜合作用的結果,產生了地層記錄,也可稱作地層信號。這些記錄反映了上述諸作用的規模、強弱、持續時間和影響範圍。其中,構造作用與海平面變化的結合,引起了全球性相對海平面變化,它控制了沉積物形成的潛在空間。

構造作用與氣候變化的結合,控制了沉積物的類型和沉積數量,以及可容納空間中被沉積物充填的比例。而河流和海洋環境中的沉積作用,又由於水流與地形和水深間的相互影響而引起不同的岩相分布。

上述作用按其規模可以分為六級:持續時間大於5000萬年的稱為一級周期,500~5000萬年的為二級周期,50~500萬年的為三級周期,10~50萬年的為四級周期,1~10萬年的為五級周期,小於1萬年的為六級周期。

一級周期的起因是地殼的拉張、負載引起的地殼下撓、地殼的熱冷縮等,其地層記錄表現為沉積盆地的形成與發展;二級周期的起因是板塊邊界的調整、熱的擾動、大洋盆體積的變化等,表現為大規模的海進-海退旋迴、大規模的大陸淹沒;三級周期的起因是局部或區域性的應力釋放、氣候的變化、水體體積變化引起的海平面相對變化,地層記錄表現為褶皺斷層、岩漿活動、刺穿作用和層序地層學的基本單位沉積層序的形成;第四、五、六級周期的起因分別是氣候和水體體積的變化、地球軌道偏心率的變化、地軸傾角的變化以及歲差引起的米蘭科維奇頻率

一般認為,海平面的升降是全球性的,而構造活動是地區性或區域性的。儘管後者的強度通常明顯地大於前者,但是構造活動只能增強或削弱層序的邊界不整合面和層序內部的沉積間斷面,但不能製造這些面。

層序地層學主要根據露頭、測井、地震資料和高解析度的生物地層學斷代資料,進行沉積層序分析,解釋層序、體系域、準層序,建立年代地層框架;根據層序邊界編制構造沉降和總沉降曲線,並解釋盆地的地質歷史;

將板塊碰撞或離散事件、重大海進-海退旋迴、岩漿活動、重大不整合面等構造事件與地層特徵聯繫起來,進行構造-地層綜合分析,劃分構造-地層單元、編制相應圖件、利用計算機模擬它們的發展歷史;

研究層序內部的不同綏次地層單位,包括沉積體系域、沉積體系、準層序組和準層序。確定其地層分布模式和相帶分布;編制年代地層框圖、海面升降曲線、古地理圖件、岩相圖件等,以進行綜合解釋;

圈定有利生油和有利於形成油藏的地段,提出可供勘探的井位,圈定有利於形成其他礦產,如煤、鐵、磷灰石等沉積礦床的地段,提出可供勘探的靶區。

層序地層學的誕生,提出了一系列新的概念。依照這些新概念,幾乎一切與沉積地質學有關的學科,都要接受重新檢驗和研究。

層序地層學下一步重要發展方向是建立和完善不同構造、環境背景下的不同級次的層序地層模式,特別是目前研究薄弱的陸相環境以及元古宙的模式;改進和完善全球海平面相對變化曲線,以及統一的年代地層表;在層序地層學理論與高解析度地震岩性勘探和計算機技術相結合的基礎上,實現油藏氣藏煤田沉積礦床等的鑽前預測和合理的資源開發。

發展趨勢

層序地層學取得了較大進展,概括起來主要包括:提出了運動學層序和體系域、地球半徑周期性變化引起的深海盆地千米級規模的海平面變化、氣候變化是高頻層序的主控因素、深海頁岩層序識別和陸架邊緣崩塌層序、深水頁岩層序地層變化等新理論;在層序地層學研究方面增加了古生物高分辨率層序地層研究、樣品分析測試與有機地化研究、三維可視化、地震智慧型化分析、地質統計、數值模擬與模式識別等新方法,使層序地層學的理論和方法得到豐富和發展;另外,在碳酸鹽岩層序地層學、成岩作用與層序地層學關係研究方面以及層序地層學在含油氣系統、圈閉預測、儲集層與油氣藏精細描述、烴源岩預測以及油藏開發動態模擬等方面的套用也取得較大進展。

隨著全球油氣勘探難度的不斷增加,相應地對層序地層學的研究也提出了更高的要求,目前層序地層學正朝著以下幾個方向發展:
(1)總趨勢是多學科綜合,國內外許多層序地層學研究已將古生物學地層學岩石物理學有機地球化學以及岩石學等綜合套用;
(2)研究手段日益更新,在傳統的露頭、岩心描述和測井、地震資料處理與解釋的基礎上,套用三維可視化技術、數理統計、人工神經網路分析、模式識別、數值模擬等許多新技術;
(3)層序地層學與含油氣系統研究、成岩作用、油氣田開發動態、油藏描述、儲集層精細描述、烴源岩預測等結合,逐漸解決實際問題,在油氣勘探中的套用領域將不斷擴大。

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