地质专业-层序地层学-第二章.ppt

,三、不整合、沉积间断与层序边界 1不整合的重要性 不整合(unconformity)是指岩石地层之间接触上的构造关系在沉积上缺少连续性，并与沉积间断、风化特别是侵蚀阶段相对应(Bates，1980)。与此相关的其他一些术语有非整合(nonconformity)、假整合(disconformity)、小间断(diastem)、中断(hiatuse)。文中所运用的不整合是指在地层记录中包括从局部到全球规模的不同级别的时间间断(temporal break)。以不整合来确定地层层序，主要基于如下两个关键性的特征：1)沉积间断比记录更重要，即地表上任何地方的沉积，只是漫长地史时期微小而零星的记录。不整合代表了一个恒定的、最大时间范围内沉积作用的中断。2)不整合面之上的沉积物较其以下地层年轻。通常这种类型的不整合是由于陆上暴露产生的侵蚀作用而形成的，绝大多数不整合属此类型。,2不整合成因分析 不整合的成因分析不仅是对不整合形成的主要方式侵蚀(包括陆上暴露侵蚀和水下侵蚀)和非侵蚀作用的研究，而且包括对其控制因素如大陆抬升、海平面变化以及盆地构造活动等的分析。1)与侵蚀作用有关的不整合 从各级别的不整合形成方式上，绝大多数不整合是侵蚀作用形成的。侵蚀作用包括陆上暴露侵蚀和水下侵蚀。陆上侵蚀作用主要受大陆构造抬升和全球海平面下降的控制，作用的结果是下伏地层被削蚀。对不整合级别的形成控制上存在不同的认识。Sloss认为，区域间的不整合是全球同时构造抬升的结果。Miall也证实绝大多数的构造事件对应着全球海平面下降，即全球不整合可能发生在构造抬升或低海平面期。Vail等认为全球海平面变化产生全球不整合，构造作用产生区域不整合。水下侵蚀主要由事件流(如密度流、浊流、风暴流等)、陆源碎屑注入以及碳酸盐矿物溶解、海侵作用(向岸侵蚀)所致。,2)与侵蚀作用无关的不整合 在地层记录中，存在与侵蚀作用无关的不整合间断,如“加深饥饿不整合”是由于环境突然变深，沉积物供应滞后而形成的间断。Schalager(1989，1992a)用淹没不整合表达上述间断。淹没不整合形成于海平面上升时期的海水快速加深过程中，假如海水上升速度很大，远远超过碳酸盐沉积物堆积速率，那么将造成碳酸盐台地淹没事件，形成淹没型台地(Tucker，1990)。在这种情况下，就形成一个淹没不整合面，其特征是凝缩段直接覆盖在层序界面之上，不必包含任何暴露证据。这个面也可能是一个沉积间断面，它形成于海平面快速上升过程中，由于沉积水体变深，造成碳酸盐生产速率降低或停止生产而形成的沉积滞后所导致的沉积间断。结构上它们可能相似于低位期的不整合，然而要对其进行正确的解释则需十分当心。事实上由于许多小的沉积间断中夹杂着薄的凝缩段，因此淹没不整合可能代表着一个缓慢的沉积作用。,3不整合与层序边界类型 在Exxon模式中，层序界面常常是以不整合面来代表的(常用SB表示)。Vail等人识别出两种类型的不整合。I型不整合(type I unconformity)形成于快速的海平面下降期。海岸线可能移至陆架边缘，伴随着陆架下切谷和海底峡谷的深切作用，陆架遭受广泛的侵蚀作用。碎屑岩块沿着峡谷体系被搬运至陆架斜坡的底部，形成了广泛的低位体系域。沉积相迅速地向盆地方向迁移，不整合面之下的高位体系域遭受广泛的侵蚀作用。型不整合(typeunconformity)发育于相对海平面缓慢下降时期，其结果导致相域逐渐向海迁移，并伴随少量的陆上暴露和侵蚀作用，陆架边缘体系域形成型不整合。由于型不整合没有发育明显的侵蚀或大的相带迁移，因此在地震资料和露头中极难识别。淹没不整合截然不同于海平面下降造成的暴露而产生的I型或型不整合。有时也将淹没不整合称之为型不整合。,4层序类型 Vail等人(1991)依据沉积滨线坡折带处海平面下降速率与盆地沉降速率之间的关系以及层序边界不整合类型，将层序划分为I型层序和型层序两类。I型层序(typeI sequence)是以I型不整合面为边界，自下而上由低位体系域、海侵体系域、高位体系域组成。依据不同的盆地几何型态，可将I型层序可划分为具陆棚坡折和具缓坡边缘的I型层序地层。陆棚坡折I型层序地层和具缓坡边缘的I型层序地层之间主要的区别在于低位沉积的不同。在具陆棚坡折边缘的I型层序地层中，低位体系域常由盆底扇、斜坡扇和低位前积楔组成；在具缓坡边缘的I型层序地层中，低位体系域是由厚度相对薄的低位楔构成，这个薄层低位楔包括两部分沉积物。具有缓坡边缘的I型层序海侵和高位体系城类似于具陆棚坡折的I型层序海侵和高位体系域。虽然在具有缓坡边缘的I型层序高位体系域中缺乏明显的前积斜层沉积，但在高位和海侵体系域中，常见三角洲前缘浊积岩。,型层序(typesequence)是以型不整合为边界的、自下而上由陆棚边缘体系域、海侵体系域、高位体系域组成，型层序形成时，在沉积滨线坡折带处没有发生相对海平面下降，因而型层序无深切谷形成，也没有河流回春作用造成的明显截切和相向海方向的迁移。陆棚边缘体系域是型层序最下部一个体系域，其底界是一个以覆盖河流沉积的海相平原或以覆盖河流沉积的滨岸和三角洲沉积物为特征的侵蚀不整合或与之可对比的整合面。在底界面为整合的地方，它只表现为准层序叠置样式的变化，即从快速前积到缓慢前积到加积的变化。当型层序边界形成时，陆棚未完全暴露地表，也没有形成深切谷，所以型层序海侵体系域的一开始就表现为沿层序边界广泛的海侵沉积。而I型层序边界伴随着明显的河流下切作用和陆棚的广泛暴露，当海平面开始上升并形成I型层序海侵体系域时，深切谷首先被充填，后来大面积陆棚海泛形成了广泛的海侵沉积物。型层序高位体系域与I型层序类似，均以加积至前积准层序组为特征。,虽然层序边界是在最低的相对海平面时间内发育，但是此刻的全球海平面可能并不处于最低点。层序边界代表了相对海平面下降最大速率段，而全球海平面曲线近似为正弦曲线，层序边界与全球海平面曲线下降翼的拐点相对应。按照Exxon公司的模式，构造沉降的变化在拐点之后超过了全球海平面变化，并且相对海平面是上升的。因此，当试图用层序边界来确定全球海平面变化，并以此来推导全球周期图时，正确地识别出拐点是相当重要的。全球海平面曲线的拐点和相对海平面变化最低点之间的时间段是不同的，它们主要受控于海平面变化、构造沉降和沉积物供应的速率。,第二节 层序地层学的其他学派 按层序边界选取的差异分为三个学派：以地表不整合或与此不整合可以对比的整合面为边界的、以Vail为代表的Exxon公司的沉积层序学派；采用最大海泛面作为层序边界的以继Frazier之后的Galloway成因层序地层学派；以基准面旋回与过程响应原理为理论依据的Cross的高分辨率层序地层学。,一、Galloway成因地层学及与Exxon层序地层概念的区别 以Frazier(1974)幕式沉积旋回理论为基础，Galloway(1989a)发展并创建了成因地层学理论。虽然Galloway强调其模式与Exxon模式之间的不同，但实质上，两个模式的主要差异在于对层序边界面的定义。Exxon模式重点强调不整合，但Galloway(1989a)指出，在某些情况下不整合可能不容易定义或缺失，不容易识别和作图。Galloway(1989a)成因地层学强调采用最大海泛面作为层序边界。在地层记录中这些面十分明显，并且极易作图。例如，在测井分析中，最大海泛面与明显的伽马测井曲线的峰值相对应并对应着广泛分布、特征明显的棱菊石带(Martinsen，1993)。因此最大海泛面是一个极易追踪的标志层。,Exxon模式的层序边界反映了不规则地形，不易与其它河道冲刷面相区别。在非海相地层中，在河口湾地区很难发现与作为层序边界的河道冲刷面相对应的古土壤面。一些研究已发现海侵期的冲刷侵蚀作用可能会将已沉积的海侵体系域侵蚀掉，这样导致海泛面与层序边界重合。这两种方法也不是互相排斥的，他们各有其优缺点，只要弄清楚用的是哪一种方法，在同一研究中使用两种方法也并非不可以。实践证明，以不整合面为边界的层序地层学解释在预测砂体的沉积可能比成因地层层序更具有潜力。成因地层学采用最大海泛面作为层序边界，在地震剖面中，最大海泛面通常以强同相轴出现，地震解释中的时间地层界面常与最大海泛面相对应，极易识别和作图。因此在两个成因地层的层序界面(最大海泛)之间能较好的研究沉积体系。,二、Cross的陆相高分辨率层序地层学原理 Exxon公司的沉积层序学派过多地强调了海平面变化对层序形成的控制作用，而陆相层序受到海平面的变化影响较小或不受其影响。Exxon层序地层学理论在很多情况下不能较准确地反映陆相盆地的充填过程，因而该方法对于陆相层序适用性较差。针对陆相层序，还必须探讨新的研究方法和思路。TACross高分辨率层序地层学无疑将以自身完善的理论技术优势在油气勘探开发中发挥显著的作用和重要的影响。TACross创立的以基准面旋回与过程响应原理为理论依据的高分辨率层序地层学派，以岩心、露头、测井和高分辨率地震反射剖面为基础，运用精细层序划分和对比技术建立油田乃至油藏级高分辨率层序地层格架，对生、储、盖分布进行评价与预测。作为一种岩性预测工具，高分辨率层序地层学在储层对比和模拟以及非均质性的定义方面有重要的意义。,1、高分辨率层序地层学理论体系 高分辨率层序地层学理论体系的核心是：在沉积基准面旋回变化过程中，由于可容空间与沉积物补给通量比值(As)的变化，相同体系域或相域中发生沉积物体积分配作用，导致沉积物保存程度、地层堆积样式、相序、相类型及岩石结构发生变化。这些变化是基准面旋回中所处位置和可容空间的函数。,1）沉积基准面原理 Sloss(1962)提出，基准面是一个侵蚀与沉积作用达到平衡的面，在“该面之上沉积物不能停留，在该面之下可能发生沉积作用和埋藏作用”。由于在这个面上既没有侵蚀作用也没有沉积作用发生，故亦叫平衡面(equilibrium surface)。又因为上游搬运来的沉积物在此地路过但无沉积，因此也叫过路不留面(bypassing surface)。还因为这个表面的高程是逐步降低的，也有人称之为递降表面(graded surface)，或称之为基准面(base profile)。近年来，Cross等引用并发展了基准面概念，并赋于其时间单元意义。认为“沉积基准面是一个相对于地表波状起伏的、连续的略向盆地方向下倾的潜在势能面，其位置、运动方向及升降幅度不断随时间变化。它在海盆(湖盆)范围内基本上是平行水平面的风暴浪基面，而朝陆方向则是一种波状起伏的曲面”。Cross的高分辨率层序地层学把沉积基准面作为控制层序形成并对其进行划分、对比的主要依据。,2）沉积基准面旋回 将基准面的一个上升与下降旋回称为一个沉积基准面旋回(stratigraphic base level cycle)。在基准面旋回变化过程中，当基准面位于地表之上时，提供沉积物空间，沉积作用发生，任何侵蚀作用均是局部和暂时的；当基准面位于地表之下时，该地段发生侵蚀；当基准面与地表一致(重合)时，该地段既无沉积作用又无侵蚀作用发生，沉积物仅仅路过(Sediment bypass)而已。在基准面变化的时间域内，在地表的不同地理位置上表现出四种地质作用状态，即沉积作用、侵蚀作用、沉积物路过时产生的非沉积作用、及沉积物非补偿产生的饥饿性沉积作用乃至非沉积作用。,地层旋回性正是基准面变化中，上述地质作用状态随时间发生空间迁移的地层响应。因此地层记录的四维动力学变化信息往往反映基准面旋回变化的时间空间事件，即岩石+界面。不难看出，在同一个基准面变化的时间域内，不同地理位置保存的“等时痕迹”常常为岩石序列，即岩石+界面，或界面(间断面)，这对层序划分时在横向上进行精确对比具有重要的意义。高分辨率层序地层学中的一个成因层序(genetic sequences)可以由岩石组成，也可以由岩石+界面组成，其深刻含义绝非一般层序地层学中的“准层序”所能正确地反映。依据基准面旋回持续时间的长短，可以将其划分为短期基准面旋回、中期基准面旋回和长期基准面旋回。每一个高级次的基准面旋回由若干个具有相同地质背景和沉积特征的低级次基准面旋回相互叠加而成。通常岩心资料用于确定短期基准面旋回、测井资料用于确定短、中期基准面旋回，而地震剖面用于确定中、长期基准面旋回。,3）沉积物体积分配与相分异 沉积物体积划分(volumetric partitioning)是指在沉积体系域或相域内沉积物被划分成不同相域或相的过程。它直接伴随着原始地貌形态的保存程度、沉积物厚度、旋回对称程度、内部结构等诸多沉积学和地层学响应。体积划分对理解受基准面旋回和可容空间变化的动力学系统控制的地层结构与沉积特征是一个重要的概念。伴随可容空间的变化和沉积物体积划分，保存在相同沉积环境中的相序、相组合、相类型和相的多样性也有显著区别，统称为相分异(facies differentiation)。相分异直接影响储层三维空间连续性、几何形态、岩性、岩相类型及岩石均质性等物理性质。如在河流相中，与高可容空间河道砂岩相比，低可容空间叠置砂体厚度大，分布稳定，含泥少，均质性强。从过程响应的四维动力学观点出发。相同沉积体系域或相域的体积划分、沉积物保存程度、地层堆积样式、相序特征及相类型不是固定不变的，而且看其处在基准面旋回中位置和可容空间的变化。,4）有效可容空间 有效可容空间(positive accommodation)是指能被沉积物优先充填的基准面相对于沉积表面位置的所有空间。与Exxon层序地层学的区别在于，高分辨率层序地层学比较强调有效可容空间的变化和其间沉积物堆积性质。5）可容空间与沉积物补给通量比值 可容空间与沉积物补给通量比值(A/S)的变化，直接导致相同沉积体系域或相域中沉积物体积分配、地层旋回厚度与对称性、相序和相类型特别是地层叠加样式的变化。在盆地边缘的有效可容空间内，当(A/S)1时，较长期基准面上升，形成向陆推进的退积叠加样式，岩相类型丰富；在较长期基准面上升与下降的转换时期，此时(AS)=1，形成短期旋回加积叠加样式。,2、地层旋回等时对比技术 主要依据基准面旋回及可容空间变化所形成的岩石记录的地层学和沉积学特征的过程响应变化原理。1）基准面旋回的划分 地层旋回是在相序分析的基础上识别出来的，相序及在纵向上的相分异直接与基准面旋回中可容空间的变化密切相关。一个完整的基准面旋回及与其伴生的可容空间的增加与减小，在地层记录中由代表二分时间单元的完整的地层旋回组成，有时仅由不对称的半旋回和代表侵蚀作用或非沉积作用的界面构成。地层记录中不同级次的地层旋回，记录了相应级次的基准面旋回，所以岩性露头剖面是高级次旋回识别的基础，通过取心观察，可建立合理的测井响应模型，在此基础上，根据测井曲线确定的短期旋回及其依据相组合和叠加样式进而识别长期旋回。地震反射界面基本上是平行于地层的等时界面，因此可用地震反射剖面来识别长周期基准面旋回。Exxon层序地层学主要强调地层层序内体系域划分，而高分辨率层序地层学则强调地层旋回性，其划分范围可小到数千至数万年级。,2）地层旋回的等时对比 高分辨率地层对比是在依据各级次基准面旋回划分和建立高分辨率地层对比格架后进行的。它是同时代地层与界面的对比，而不是简单地进行砂对砂、泥对泥对比，也不是旋回幅度和岩石类型的对比，而是根据在一个旋回中不同地理位置上的地层发育特点进行对比。Cross认为，可容空间增加到最大值或减少到最小值单向变化的极限位置为基准面旋回的转换点(turnround point)，它是基准面旋回二分时间单元的划分界线，并在地层记录中某些位置表现为地层不连续面，某些地理位置则表现为连续的岩石序列，因此可作为时间地层对比的优选位置。高分辨率层序地层学一方面强调注意确定什么时候岩石与岩石对比、岩石与界面对比或面与面对比。不仅一个完整旋回可以和相邻另外一个完整旋回对比，也可以将向上变细的半个旋回和另一个向上变粗的半旋回对比，甚至可以和无沉积记录的一个面进行对比。实际对比过程中，总的原则是先进行较大旋回对比，然后依次进行较小旋回的对比。在一个基准面升降旋回中同一地质时期不同地点的沉积环境，有的地段发育了完整的旋回，有的地段只有上半个旋回，有的地段只有下半个旋回，而有的地段却没有沉积物沉积。,