层序地层学研究现状及进展

2.1.2.1 层序地层学研究现状

（1）层序地层学的研究领域不断扩大

其研究领域由被动大陆边缘盆地扩展到前陆盆地（Krystinik等，1995；Schwans P，1995），裂谷盆地（如Muto等（1997）对北海裂谷盆地中侏罗统Oserberg三角洲的层序地层学研究）和各种类型的陆相盆地（如Shanley等（1994）研究了陆相断陷盆地、山间盆地、滨海盆地等不同类型盆地的层序地层样式和层序形成的控制作用）。

（2）层序地层的研究精度不断提高

由以研究三级层序（1～5Ma）为主逐渐转向高频层序地层（0.12～0.5Ma）和高分辨率层序地层。高频层序地层学的概念最早由Van Wagoner等（1990）提出。他们把四级海平面旋回以下的高频海平面旋回所形成的层序或准层序叫高频层序。随后，Brown等（1995）在南非Pletmos盆地、Bredasdrop盆地，Orange盆地白垩纪后期地层的三级层序中划分出了10～12个时限在0.2～0.5Ma的低位体系域（LST）、海侵体系域（TST）、高位体系域（HST）发育完整的三级层序。高分辨率层序地层学最早由科罗拉多矿业学院的Cross等（1994）提出，他们把基准面旋回作为理解层序成因并进行层序划分的主要依据，按基准面的长周期和短周期旋回的地层沉积过程响应来实现高分辨率成因层序地层对比。

（3）层序形成的主控因素复杂性

由以经典层序地层学派所认为的全球海平面升降（Eustasy）为主，逐步被扩展为受海平面升降、构造运动、沉积物供给等多种因素共同作用。如Sissingh（1997）分析了阿尔卑斯前陆盆地构造地层的沉积历史后指出：新生界层序明显与前陆盆地造山变形事件和全球海平面变化一致。Muto等（1997）把受构造控制的相对海平面变化作为控制层序形成的动力学原因。Ravnas等（1998）进一步认为，作为地层层序主控因素的构造活动对层序形成的控制作用远大于海（湖）平面的变化，特别是在大陆环境中，海平面变化对层序形成的意义不大，而构造活动变为主控因素。

大于1Ma的长周期的气候旋回与海平面变化周期具有同步性。他们都受控于全球构造、冰川的消融等因素，其对层序的控制与海平面升降具有相同的特征。四级以下的高频层序的形成与米兰科维奇气候旋回有关，这一点已被Juha'sz E'（1997）对Pannonian盆地的研究所证实。沉积物供给作用对层序形成的控制作用主要体现在沉积物供给速率与可容空间的关系决定了层序体系域的叠加方式。

把导致层序形成的海平面旋回、构造旋回、气候旋回与地球演化的节律联系起来，使层序地层学的研究成为再造板块构造及地球演化史的有力工具。因为地球深部过程引起板块运动，板间、板缘及板内构造过程造成沉积盆地，盆地充填演化导致沉积层序，从该意义上讲，层序反映盆地，盆地揭示板块，板块揭示深部过程。

（4）层序地层学在陆相断陷盆地的成功应用

层序地层学在陆相断陷盆地的成功应用是对层序地层学理论的完善和发展，并取得了一定的进展。这些进展主要体现在两个方面：①陆相断陷盆地层序形成的动力学机制更加强调盆地构造、气候、沉积物供给、基准面变化对层序形成的控制作用；②陆相断陷盆地层序的对比与划分、层序级别的确定、层序模式及体系域构成形成了自己的特点。

总体来看，陆相断陷盆地层序地层学的研究把盆地构造运动和气候变化作为层序形成的主控因素，用沉积基准面旋回的概念代替海平面（或湖平面）升降旋回来解释层序的形成过程。针对不同的沉积盆地建立不同的层序模式。

由于中国主要的油气都产于陆相盆地中，在层序地层理论引入中国后，中国的地质专家将层序地层学理论应用到陆相盆地的实践中，大大发展了陆相层序地层学，致使我国陆相层序地层学研究处于国际领先地位。赵国连（2000）将陆相层序地层研究分为四个学派：

1）类海派

该派认为，湖泊与海洋类似，湖平面变化是整个湖盆层序发育的主要控制因素，它不仅控制着自身的沉积发育，也控制着相邻的河流及风成沉积，故可把海相层序地层学的模式灵活应用到陆相沉积盆地。

2）构造派

该学派认为陆相层序的充填风格、沉积体系都有其自身的特点，其层序的控制因素不同于海相层序，构造作用在其层序发育过程中有很大的作用。

李思田等（1992）提出了不同于海相层序地层学模式的陆相层序地层学。他们认为层序具有三分性，层序的顶界面是古构造运动面，其下部反映了初始充填或早期充填特征，古地貌复杂，冲积体系发育；中部为相对稳定阶段周期性的水进，主要是三角洲—湖泊发育期；顶部河流作用强化，分异性强，是新构造演化的前奏，是划分层序的依据，并认为体系域可以划分为：沉积体系单元、成岩相、成因相内部单元、岩性-能量单元等一系列不同级别的建造。

解习农认为，陆相断陷盆地受构造的控制明显，物源近，堆积快，突发事件沉积比例大，气候变化对沉积影响明显。而中国中新代的盆地多数为叠合盆地，盆地的每一个原型代表一个构造层序，因而对盆地原型的识别就比较重要。他把断陷盆地的层序样式根据其应力场的状况划分为拉张/张扭型层序、走滑伸展型层序和热沉降型层序，并认为不同的构造层序样式具有不同的体系域，拉张/张扭型层序由初始充填体系域（PST）、湖扩展体系域（EST）和湖萎缩体系域（CST）三个体系域构成，主要以冲积扇、扇三角洲、三角洲和湖泊沉积体系为主；挤压/压扭型层序由冲积扇、河流和洪泛平原沉积组成；走滑-伸展型层序及热沉降型层序与拉张型层序相似，只是少见了三角洲沉积体系。

3）综合派

该学派认为层序受海平面变化、湖平面变化、沉积物供给、构造作用及气候作用等因素的综合影响。他们把湖盆分为敞流湖盆、闭流湖盆，各自有自己的沉积模式。他们研究了陆相盆地的沉积基准面和可容纳空间，认为地层的展布形成和沉积相的分布取决于可容纳空间的大小和新增可容纳空间的变化率，陆相断陷盆地中的沉积基准面是湖平面的递降水流平衡剖面/河流平衡剖面。

层序是构造作用、气候变化、沉积物供给和湖平面变化等综合作用的结果，但是构造和气候在层序形成的过程中是主要影响因素，对敞流湖盆，构造作用与相的形成呈镜像关系；而对闭流湖盆，盆地基底的整体构造作用对其相对湖平面变化没有影响，气候作用主要表现在潮湿气候使湖平面上升，使闭流湖盆转化为敞流湖盆，而干燥气候的作用则相反，在敞流湖盆中，层序边界的形成主要受构造因素的控制，叫构造层，而闭流湖盆层序主要受气候作用的影响，叫气候层。

4）高分辨率层序地层学

以郑荣才、邓宏文为代表的专家将高分辨率层序地层的理论运用到中国含油气储层预测的实践中，并极大地丰富和发展了高分辨率层序地层学理论，郑荣才将不同构造性质的湖盆在盆地构造——沉积演化序列中的控制因素进行了分类，根据界面成因特征提出了“巨旋回、超短期旋回、长周期旋回、中期旋回、短期旋回和超短期旋回”的划分方案。而邓宏文（1995）首先将高分辨率层序地层学引入到中国来，其基本思路是：基准面变化旋回中，随着A/S的变化，可容纳空间在不同空间部位迁移，同时伴随空间中的体积分配，进而形成了相分异，储层物性产生相应的变化，因此，可容纳空间、基准面及基准面旋回地层叠加样式、体积分配、相分异构成了高分辨率层序地层学完整的概念体系和理论基础。

T.A.Cross（1994）等认为基准面可以看作是一个势能面，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。要达到平衡，地表要不断地通过沉积或侵蚀作用，改变其形态向更靠近基准面的方向运动。因此，基准面在变化中总是有向其幅度的最小值或最大值单向移动的趋势，构成一个完整的上升与下降旋回。一个基准面旋回是等时的，在一个基准面旋回变化过程中（可理解为时间域）保存下来的岩石为一个成因地层单元，即成因层序，其以时间为界面，因而为一个时间地层单元。基准面相对于地表的波状升降伴随着沉积物可容纳空间的变化。当基准面位于地表之上时，提供了可供沉积物沉积的空间，沉积作用发生，任何侵蚀作用均是局部的或暂时的；当基准面位于地表之下时，可容纳空间消失，任何沉积作用均是暂时的或局部的；当基准面与地表一致（重合）时，既无沉积作用也无侵蚀作用发生，沉积物仅仅路过（Sediment bypass）而已。因而在基准面变化的时间域内（注意：时间是连续的），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。在地层记录中代表基准面旋回变化的全部时间内的这些时间空间事件表现为岩石+界面（间断面）。因此一个成因层序可以由基准面上升半旋回和基准面下降半旋回所形成的岩石组成，也可由岩石+界面组成。基准面处于不断的运动中，当其位于地表之上并相对于地表进一步上升时，可容纳空间增大，沉积物在该可容纳空间内堆积的潜在速度增快，但沉积物堆积的实际速度还受物质搬运速度的地表过程所限制。也就是说，可容纳空间控制了某一时间内在某一地理位置沉积物堆积的最大值，可容纳空间与沉积物供给量之间的比值（A/S）决定了在可容纳空间内沉积物的实际堆积保存程度及内部结构特征。如对于陆相湖盆来说，当沉积物补给速率大于可容纳空间的增加速率时（A/S＜1），湖岸线向盆地方向退缩，地层呈进积叠加样式；当沉积物的补给速率小于可容纳空间的增加速率时（A/S＞1），地层呈退积叠加样式，湖侵作用发生；当沉积物补给速率等于可容纳空间的增加速率时（A/S≌1），地层呈加积叠加样式。由A/S值变化导致的沉积物叠加样式的变化在高分辨率地震、测井及录井剖面中均可清晰地反映出来。

基准面旋回作用及伴随的可容纳空间的动力学变化，以及潜在的可容纳空间的A/S值的变化，导致在一个基准面旋回中沉积物沉积作用、过路或侵蚀作用的地理位置的前后迁移，不同沉积环境中沉积物堆积体积的变化及至内部结构（进积、加积、退积）和相分布的变化。尽管基准面是一个抽象的非物理面，但在地质记录中出现的反映基准面运动到地表之下的不整合面或穿越地表时形成的沉积间断面或非沉积作用面，以及反映基准面运动到地表之上发生的沉积作用与保存程度等的地层记录、地层沉积的旋回性、几何形态、沉积厚度、内部构型、相分布与相组合等都切实地说明这一潜在的势能面的存在及其对盆地充填演化特征的根本性控制作用。Vail提出，层序地层学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四个基本因素的控制，其中，构造沉降提供了可供沉积物沉积的可容空间，全球海平面变化控制了地层和岩相分布模式，沉积物的供给速率控制了沉积物的充填过程和盆地古水深变化。

与此论点相近，Cross T A认为在海相盆地中，基准面旋回的变化主要受海平面升降，构造沉降，沉积物补给，沉积地形等诸多因素的控制，地层基准面的变化正是上述变量变化的综合反映。其中，海平面升降是控制层序形成和发育的主要机制，特别是在大陆边缘盆地中。与海相盆地不同，陆相盆地中层序的形成受盆地基底构造升降、沉积物补给、古气候及其导致的湖平面变化所控制。在近海盆地中，海平面的变化和海侵作用导致的基准面的变化显著地影响了陆相层序的发育特征。随着沉积盆地距离海盆越来越远，湖盆受海平面的影响渐趋减弱，而构造作用、古气候和源区抬升渐成为基准面变化的主控因素，其中构造运动是各影响因素之首。陆相沉积中高级次的旋回（巨旋回或长期旋回）多与古构造运动、构造应力场的转换或大的构造活动造成的区域基准面的升降有关，具构造旋回的性质。较高级次的旋回（长期旋回或中期旋回）的形成多是明显的湖平面升降或局部性、地区性构造活动导致的。较低级次旋回（中期旋回和较短期旋回）受湖平面升降、沉积物补给速率、气候变化等多种因素的控制。构造运动控制层序、层序界面的形成与内部充填序列特征。构造运动导致的基底沉降提供了沉积物堆积的可容纳空间，而可容纳空间变化速率和沉积补给速率的比值决定该可容纳空间内沉积物充填特征。因而构造运动控制着层序的发育和层序充填序列特征。构造运动，特别是区域构造运动引起的盆地基底沉降是高级次层序（构造层序）形成的主导因素。构造运动的多期性导致盆地充填地层层序的多级次性。以断陷盆地为例，在断陷盆地中盆缘同生正断事件是构造运动的主要形式。断层活动中应力的积累与释放决定了其是以不连续的间歇式活动来完成的，或称幕式活动。断层的幕式活动产生基底沉降的阶段性及导致可容纳空间的周期性变化。断层幕式活动的规模、幅度、强度（沉降速率）则控制着可容纳空间的大小及变化速率。具区域规模的断层高级次的幕式活动形成长期地层旋回，其间产生的次级幕式运动则形成级次较小的地层旋回，如中期或较短期的地层旋回，由此形成断陷盆地充填地层的多级次旋回特征。气候变化控制着湖平面的变化，因而在基底构造沉降所提供的可容纳空间上又增加或减少着沉积物堆积的空间，特别是近岸线部位。因此可以说构造运动和古气候是湖相层序发育特征的重要控制因素。除构造因素外，古气候同时控制着沉积物供给和层序内充填沉积的类型。在可供沉积物堆积的可容纳空间内，沉积物补给则直接控制着地层的内部结构特征。上述各因素的相互影响使陆相层序地层较海相地层要复杂。

纪友亮特别强调构造沉降和气候对层序的控制作用，认为湖盆可划分为敞流湖盆和闭流湖盆，沉积物供应对闭流湖盆湖平面影响较大，对敞流湖盆湖平面无影响。构造运动不会影响闭流湖盆的湖平面，只影响敞流湖盆的相对湖平面，湖盆中的局部构造沉降无实际意义。气候对敞流湖盆的湖平面无影响，但对闭流湖盆的湖平面影响大。河水注入量对闭流湖盆的湖平面影响大，对敞流湖盆的湖平面无影响。

2.1.2.2 层序地层学研究进展

（1）在理论上的研究进展

1）地球半径变化与海平面旋回关系的假设

使用侧向扫描成像设备，在佛罗里达州的 De Soto峡谷和加利福尼亚州的Monterey海湾，观察到水深超过3km的海底曲流河样式的峡谷地貌被远洋软泥覆盖，而要淹没它们，海平面波动至少要达3km，假设洋底扩大的裂缝体积是因为地球半径扩大而增加的体积，据此计算地球半径的增加量，认为地球半径的周期性变化可以引起深海盆地千米级规模的海平面变化和海洋低水位期的剥蚀、运移与沉积作用。

2）气候变化是高频层序的主要控制因素

米兰科维奇地球轨道旋回理论对分析层序很有用。有证据表明，40Ma的离心率周期造成了白垩纪—古新世全球海平面变化。巴西大西洋边缘中生代裂谷沉积研究表明，气候变化与高频的米兰科维奇震荡旋回关系密切。

3）深水页岩层序地层

深水页岩对海平面的响应及层序划分历来是高难度的课题。在晚泥盆世Chattanooga黑色页岩中发现了含黄铁矿的滞后沉积物，页岩中的牙形石可记录1Ma内的海平面波动。滞后沉积物具有波浪形成特征，反映存在海平面下降形成的剥蚀面。覆盖剥蚀面的黑色页岩记录了海平面上升，鲕绿泥石层反映海平面低位期，大量藻类孢囊充填丰富的二氧化硅和黄铁矿，与高水位条件一致，可能反映海平面的高水位期。

4）旋回层序地层

在20世纪90年代，旋回与层序有了更深层次的发展，主要进展有：①旋回层序为异成因机制下的自旋回产物，与其他内外及宇宙各因素密切相关；②强迫性海退及强迫性海退体系域的提出对传统EXXON层序模式进行了修证；③淹没不整合为底界的Ⅲ型层序的建立。

（2）在方法上的研究进展

1）古生物学分析

古生物学是层序地层学研究的支柱之一，生物种群及其丰度可指示层序地层界面，生物形态、生物地层的顶底和孢粉学都可在层序地层研究中应用。

生物地层模型由多种生物地层事件组成，根据生物标志物的种类、组合及丰度变化确定其顶底。先通过形态对比建立区域复合标准剖面，消除大的地理范围内层序构型及构造作用对生物事件的影响；然后建立局部的复合标准，识别削截模型，定义局部的层序构型，预测层序构型对生物事件的影响。有两种方法研究孢子对海平面的反应：①现代模拟方法，就是比较岩心分析资料与现代花粉、孢囊分布；②实验方法，在实验过程中不断增加化石埋藏深度，定量模拟地质时代对孢子收集的影响。

2）三维可视化技术

三维可视化技术可以直观展现地震勘探以及钻井、测井、沉积相及生物地层研究成果，可用于分析层序地层格架内储层与圈闭条件。如在墨西哥湾，应用高分辨率的AUV海底成像和三维地震可视化技术描述深水浊积扇的要素，鉴别沉积凸起、堤成谷、剥蚀谷、滑塌块和滑塌断崖等。

3）数理统计和神经网络分析

应用人工神经网络技术建立地质相、储层特性和地震参数的联系后进行三维可视化分析，可以预测孔隙度、储层流体和岩性，也可以进行烃类检测。对高分辨率地震数据及其派生的地震属性进行数理统计及神经网络分析，可以识别体系域中的冲刷面及古河道。如在墨西哥湾MarCh地区应用这种方法发现了中新统的地层圈闭。

4）有机相研究

煤层的形成依赖于基准面或海平面上升，因为上升的基准面会为泥炭或煤的堆积提供可容纳空间，PeterSer等在研究丹麦中央地堑中侏罗统煤层沉积环境时，通过对岩心样品作有机岩石学及有机地球化学研究分析，识别出了发育于低位体系域晚期及海侵体系域早期的“海退型煤”（海平面缓慢上升期形成的）和发育于海侵体系域晚期及高位体系域早期的“海侵型煤”（海平面迅速上升期形成的）。

而对于泥岩的有机相与海平面的关系，在低位体系域中，早期陆源有机质容易遭受氧化，沉积物一般只是越过陆棚和上部斜坡，陆棚有机质供应局限于局部再作用的盆底扇，故在此处源岩的生烃潜力是很小的，如果盆地能保持缺氧环境，可能形成远离沉积物输入点的源岩相，在晚期低水位加积期间，基准面开始缓慢上升，陆源物质供应量逐渐减弱，其展布区域局限在深切谷及相关的谷地内，分布范围很小。

在海侵体系域中，区域性海侵和富氢的有机相形成之间的关系十分密切，但不是所有的海侵体系域都能形成有利于生油的有机相。在海平面上升期间，河流萎缩，导致碎屑沉积物输入量减少，相应地供应到陆棚和斜坡上的陆源有机质供应量减少，这有利于海相有机质的集中沉积，但这个条件并不一定能生成有利于生油的有机相，还需要有合适的氧化还原体制。在风暴浪基面上，风暴流和潮汐可以扰动水体，使其含氧量上升，不利海相有机质的保存。

在高位体系域中，早期河流作用比较弱，如果盆地内条件合适，可以形成有机质相，在晚期高水位期间，河流输入陆源物质的作用较强，沉积速度较快，导致海相有机质被稀释，一般最好也只能形成气源岩。

5）数学模拟法

层序地层数学模拟着重于沉积充填及圈闭形成历史，可看作为盆地模拟的延伸，约束条件主要有：①地层剖面层序边界几何形态深度转换；②生物标定的层序边界年龄；③根据生物地层学、地震剖面时深转换和地层几何形态重建的古水深剖面；④测井岩性分析；⑤根据地震属性推断的砂岩分布等。