长周期层序形成机制的探索:层序地层学进展之二

将不整合面所限定的地层单位定义为层序,赋予这种层序以"构造旋回"的概念;将"不整合面及其可以对比的整合面"所限定的地层单位定义为"沉积层序",简称为"层序",并将沉积层序的形成过程解释为海平面变化过程。如果将前者作为"构造层序",则这种层序代表了二级层序,新定义的"沉积层序"则属于三级层序。概念的调整和变化意味着层序存在一个级别或序次问题。地质学家长期研究的结果表明,海平面变化主要存在两种基本的驱动机制,一种是由于构造运动所造成的"洋盆体积"的变化,另一种是气候变化所造成的地球极地冰盖消长而最终产生的海水体积的变化;前者所造成的变化以周期长、速度慢为特征,被简称为"构造型海平面变化",后者所产生的变化则以高频率和高速率为特征,被简称为"冰川型海平面变化"。根据上述概念,显生宙可识别出两个一级旋回,并可以进一步划分为6个二级层序(Sloss模型)或13个二级层序(Vail模型),显生宙二级层序划分的差别反映了长周期层序形成机制研究的一些重要变化和进展。对长周期层序形成机制的研究,除了考虑地球本身的构造活动所造成的洋盆体积的变化以外,地质学家们还将一级旋回与银河年旋回对应、二级旋回与银道面旋回对应、三级旋回与奥尔特星系旋回对应起来进行更大范围的思考和探索,也为研究长周期层序形成的最终驱动机制提供了一个重要的思考途径。如果把对Exxon层序地层模式概念体系不协调的研究而产生的各种层序地层模式作为层序地层学的第1个进展,长周期层序形成机制的研究则可以作为层序地层学的第2个进展。包括:(1)把来自于显生宙的一些重要模型和概念应用到前寒武纪,由此在更长的时间框架内探索一级旋回与超大陆旋回的成因联系;(2)二级旋回与地球水圈和大气圈演变的成因关联;(3)进一步总结三级旋回的形成机制。追索这方面的进展,可以更加深入地理解当年Exxon科学家们将层序形成机制归因于海平面变化的初衷以及所包含的科学意义,从而有利于今后的深入研究。     

层序级别划分的两种途径：具有重要科学意义的难题

层序级别的合理划分是层序地层学面临的基本问题之一,根据多年的探索,前辈学者提出了两种方案：以层序界面出现的频率（时间）和以层序界面物理属性为基础的两种划分方案。第一种方案具有历史优先性的特点,伴随着层序地层学的诞生而出现,这种以时间为基础的划分方案强调全球海平面变化是地层旋回的主要驱动力,为研究全球变化提供了一个有益线索,但是由此而产生的全球旋回曲线图的有效性正在经受严峻的考验。第二种划分方案不受时间跨度的限制,而是按层序界面的特征和属性对层序进行级别划分,该方案实践性较强,有利于单个盆地的层序划分,尤其对年代地层分辨率普遍较低的前寒武纪地层研究十分有用。但是该方案也存在两个明显的缺陷：即以不同的界面属性进行划分可能会得出相互矛盾的结论,并且对盆地边缘地层的保存程度要求很高。追踪这一具有重要意义的层序地层学基本问题,不但有助于深入理解前辈学者们持续不懈的艰苦努力,而且也为今后对复杂地质作用过程的进一步研究提供了重要的思考线索。     

从旋回的有序叠加形式到层序的识别和划分：层序地层学进展之三

在Exxon层序地层学概念体系中,由不整合面及其可以对比的整合面所限定的地层单位被定义为 层序,即三级沉积层序;构成三级层序的单元为体系域,体系域由若干准层序和准层序组所组成。基于海岸沉 积的层序地层模式,准层序被定义为“由海泛面所限定的层或层组组成的一个相对整合的序列”;作为准层序界 面的海泛面被进一步定义为：一个将老地层与新地层分开的面,穿过该面存在一个突然的“水深加深”。因此, 从海泛面到准层序,其定义由于不具有普遍性而表现出欠完整性。虽然类似级别的地层单元后来又被Exxon的 科学家修改为“高频层序”,但是,准层序这个欠完整的概念一直被广泛使用着。与层序地层学的Exxon时代大 致同步,或者在更早的时期,地质学家就已经注意到那些由岩层所构成的沉积旋回,以“洛非尔旋回层” 为典 型代表;这种类似的旋回性沉积记录,后来被进一步定义为“米级旋回”,而且将米级旋回进一步解释为异成因 机制控制下的自旋回沉积过程（间断-加积-旋回机制;PAC机制） 的产物,这种异成因机制是与米兰柯维奇 旋回相关的极地冰盖的消长所造成的海水体积变化,以及由这种数万年至数十万年级别的海水体积变化所产生 的高频海平面变化旋回。这些厚度为数厘米至数米的沉积旋回,在长周期三级层序中常常构成有序的叠加形式, 这种叠加形式成为研究三级层序内沉积趋势变化的主要标志。再者,对与米兰柯维奇旋回存在成因关联的沉积 旋回的研究,成为另一个地层学分支---旋回地层学的主要内容。如果说对Exxon层序地层学概念体系不协调 的研究是第1个进展、对长周期层序的形成机制的探索为层序地层学的第２个进展,那么,从旋回的有序叠加 形式到层序的识别与划分,不但表现出了旋回地层学和层序地层学的交融,而且也代表了层序地层学的第3个 重要进展。     

21世纪初期层序地层学发展的新方向

层序地层学是在年代格架中划分和对比沉积岩的一门分支学科。尽管使用广泛,但是由于多种模式并存,术语使用缺乏规范,所以没有纳入任何地层规范和指南。鉴于此,以Catuneanu为首的地质学家致力于将层序地层学标准化,并且把层序重新定义为"在可容纳空间或沉积物供给变化的一个完整旋回中所形成的地层序列",提出了非依赖模式型(model-independent approach)的标准化工作流程,强调层序地层学的重点是体系域和层序地层界面,并且根据可使用资料的质量选择最佳层序模式(如沉积层序模式、成因层序模式)。层序地层学的标准化不论是否可以引领层序地层学进入国际地层规范和指南,这对于在复杂而不完整的岩石记录中寻求某种普遍规律都是一种有益的尝试,并且可以为今后的研究提供重要线索。     

上扬子地台南缘不同沉积相区上泥盆统和下石炭统沉积层序之对比

层序的空间分布是否具有全球性,地史时期海平面变化是否具有全球等时一致性,是层序地层学的根本问题。上扬子地台南缘不同沉积相区上泥盆统和下石炭统沉积层序研究表明,不同级别的层序具有特定的空间分布和对比范围,虽然形成各种级别层序的海平面变化基本上是全球性的。本文把空间分布,特别是在不同沉积相区的分布作为定义和识别各种级别层序的一个标准。正层序（ 三级层序） 的分布可能是全球性的,至少可以在同一大陆边缘的不同相区辨认,并能进行远距离对比,有些甚至可以进行全球对比。一般来说,亚层序（ 四级层序,时间间隔0.5 M a～ 1.5 M a） 在不同的沉积相区对比比较困难,虽然有些亚层序的空间分布也可以是全球性的。亚层序至少应当在一个沉积相带内可以普遍识别和对比。更高级的层序,包括副层序（ 五级层序,即Wang 和 Shi 1996 年使用的亚层序） 和小层序（ 六级层序） 的分布是区域性的或地区性的,它们可能分别反映米兰柯维奇旋回的长周期和短周期。正层序和亚层序一般可在不同沉积相区识别,而副层序和小层序一般仅能在浅海相区识别,在斜坡和盆地相区则不易辨认。     

山东聊城石炭二叠系层序划分及海平面变化响应

在钻井、测井资料分析的基础上,利用沉积学、古生物学、地层学等技术手段,识别出聊城地区的晚古生代沉积7种层序界面,并将其划分出6个三级层序。在此基础上,研究不同级别的海平面变化原因和特点。其中,三级海平面主要受冰川消融作用影响,四级海平面变化则是由三级海平面变化起主导作用或地表潜水位降低导致地层基准面下降而产生的;海平面震荡和沉积物供给变化成为五级海平面变化影响因素。总结层序地层与海平面变化、基准面旋回耦合关系．发现三者具有一致性,长期基准面受三级海平面变化的影响,形成了三级层序．四级层序并受控于四级海平面的变化,形成了体系域。五级基准面旋回受控于五级海平面变化,形成小层序。     

湖南泥盆纪露头层序地层研究

湖南及相邻地区泥盆纪地层发育，其地层划分对比清楚，沉积类型丰富，地层裸露良好，是进行露头层序地层研究的理想场所。本文运用层序地层学的理论和方法，在详细的沉积学研究和精细的地层划分对比基础上，对湖南泥盆纪进行了精细的露头层序地层研究，详细阐述了层序建立和各种界面的露头标志，探讨了湖南泥盆纪的层序划分、海平面变化及全球对比，从而解释泥盆里各沉积层序的形成控制因素。     

滇中上震旦统层序构架及其主控因素

建立高精度的全球前寒武纪地层对比框架是地质学家梦寐以求的目标。精细的层序研究能够提高同一盆地内的对比精度。但所采用的这种对比能否扩展到不同盆地,特别是不同构造体制的盆地之间仍是一个有争议的问题,问题的核心之一是能否获得真正的前寒武纪全球海平面变化曲线...     

塔里木盆地寒武系层序地层格架

通过露头、钻测井及地震层序地层特征综合分析,建立了塔里木盆地寒武系三级层序地层格架,将寒武系划分出6个可全盆地追踪与对比的三级层序。结合反映全球海平面相对变化的全岩碳同位素旋回与反映沉积古水深相对变化的沉积旋回的对比分析,可将塔里木盆地寒武系三级层序分为主要受全球海平面变化控制形成的全球海平面层序(层序CSQ2、CSQ4、CSQ5、CSQ6)及主要受地区性构造沉降作用控制形成的构造层序(层序CSQ1、CSQ3)2类。塔北轮南地区寒武系台地边缘总体呈现由早寒武世的缓坡向中—晚寒武世的镶边台地的演变以及由西向东的进积叠置型式,推测主要与寒武纪全球海平面总体微弱下降及塔里木盆地基底沉降速率总体稳定且较小有关。     

海平面周期性升降变化与岩溶洞穴层序次关系探讨

层序地层学理论为全球或跨地区的等时地层对比提供了理论和技术方法,它对洞穴层的跨地区对比及序次分析同样适用。从洞穴层的发育期总是与水平面稳定期对应关系出发,通过水平面周期性升降变化与岩溶洞穴层序次关系研究,探索层序地层学与岩溶学交叉学科研究领域中的一些基本问题。认为同一个水平面稳定期发育的所有水平洞穴可形成一个跨地区对比的洞穴层,岩溶旋回应包括侵蚀基准面上升和下降两种旋回,在海平面的间歇性上升(或下降)过程中可以发育多个水平洞穴层及下老上新(或上老下新)的洞穴层序列。在总结前人研究成果及美国YATE油田、四川峨眉山剖面、塔河油田实例分析基础上,概括了3种受海平面间歇性上升(或下降)变化控制的洞穴层序次模式,包括层序地层内部同生期岩溶形成的下老上新的洞穴层序次,以及碳酸盐岩陆块近地表风华壳岩溶形成的上老下新和下老上新的洞穴层序列。利用塔河油田早海西期古岩溶地质条件、洞穴充填结构等直接和间接证据,求证该洞穴系统的洞穴层序次,指出该特大洞穴系统为晚泥盆-早石炭世海平面间歇性上升过程中形成的下老上新的洞穴层序列,并由此推测塔里木盆地早海西期大规模岩溶的时代。指出利用水平洞穴层同时期形成的沉积地层等地质体可以确定洞穴层的形成年代,预测洞穴的发育分布。     

层序的成因及层序地层格架

层序的成因是沉积基准面变化所引起的 ,沉积基准面是全球性海平面变化、构造升降、沉积物供应和气候四个因素耦合作用导致的。通过对同位素测年、生物地层对比、层序成因、层序地层对比及层序界面性质五个方面的讨论 ,指出层序地层格架不是一个等时地层格架 ,不能作为全球对比的标准 ,它所体现的主要是沉积作用和沉积地层在三维空间的展布规律。     

塔里木盆地北部古生代层序地层系统

层序地层系统，本质上就是以各种不同级次的海平面变化所控制的不同级次的沉积层序为单位，在年代地层学格架中所建立起来的地层系统。本文以露头剖面的层序地层研究为主要依据，结合生物地层和地震地层的研究成果，在进行详细层序划分的基础上，在塔里木盆地北部古生代地层中建立起了由不同周期叠加的海平面变化所控制的不同级次的层序所组成的层序地层系统。通过生物地层和层序地层相结合的方法，厘定并标定了一系列重要地质界线的     

东海陆架全新统高分辨率层序地层学研究

在高分辨率１４Ｃ测年、岩石、生物、化学、同位素、气候及磁性地层学研究成果基础上,通过不同沉积背景典型钻孔的沉积学分析,运用层序地层学理论,对东海陆架全新统进行了高分辨率层序划分及对比;建立了全新世层序地层格架及海平面变化过程;提出了相应的层序成因模式。研究结果表明,东海陆架全新统相当于一个发育中的六级（１～１０ｋａ）层序,可进一步划分为３个七级（０．１～１ｋａ）层序和若干个更次级层序。代表１个六级或３个七级周期相对海平面变化过程中叠加有若干更次级的海平面波动,它们与地球旋回谱系中的太阳带、历法带密切相关。七级层序具有与三级层序相近的内部构型和成因格架。在东海陆架全新世沉积演化过程中,长江三角州至少有３次不同程度地越过东海陆架进入冲绳海槽,并滞留有至少３层海侵改造“残积砂”沉积。在东海陆架全新世海平面变化期间,最大海平面时期为约距今６～５ｋａ,大致高于现今海平面２～４ｍ,最低海平面在距今１０ｋａ左右,大约低于现今海平面１３０ｍ。目前,由于温室效应的影响,海平面仍呈小幅度波浪式上升。事实证明,层序地层学不仅丰富了现代海洋沉积学的内容,而且解决了许多海洋沉积学未能解决的问题。     

黔桂泥盆纪层序地层及海平面变化的频幅、速度和相位

通过对广西六景、贵州独山和乌当泥盆系剖面层序、体系域、副层序及作用相和环境相的系统研究,识别出2种层序界面;3种海进过程和10种层序、体系域和相对海面变化.并发现,阶跃型高幅海平面变化形成的层序界面、层序、体系域、副层序和旋回层往往可在大区域追踪对比;剖面作用相、环境相分析是露头层序地层和相对海平面变化研究的基础,剖面上层序、体系域及其反映的相对海平面变化的频率、幅度、速度和相位研究对层序界面、层序、体系域、副层序和旋回层的空间延拓、等时追踪对比和驱动机制的成因解释有重要的指导、预测作用.     

皖西南地区南华纪—志留纪层序地层分析

在1：25万区域地质调查基础上，通过对宿松—东至地区南华纪-志留纪地层露头剖面研究，对其相应的沉积环境、沉积相进行了分析，并根据生物地层、岩石地层和年代地层等成果，将南华纪-志留纪地层划分为1个一级层序，5个二级层序和15个三级层序组。一级和二级层序在沉积相序上总的趋势表现为浅→深→浅的变化，且与海平面变化曲线相吻合；三级层序组海平面上升和下降往往受构造运动、海平面变化；冰川事件影响。     

稀疏井区辫状河三角洲地层精细对比: 以惠州凹陷HZ-A油田文昌组为例

HZ-A油田产油层段主要为辫状河三角洲相的砂岩储层,现今埋深超过3500 m。目的层段地震资料主频低、钻井少、 井距稀疏及砂层厚度变化大的特点,给小层对比工作带来较大困难。针对以上难点,本文提出了一套实用的相控旋回等时 对比技术。具体步骤如下：首先分析其物源和汇水体系,明确辫状河三角洲沉积特征;其次,建立精确的井-震关系以及 地震相分析,提供地层对比趋势;在此基础上参考地球物理反演模型,选择合适的小层对比模式;最后,应用高分辨率层 序地层学理论,同时结合流体性质对比、沉积微相相序等,对测井旋回级次由大到小,完成目的层段的地层细分与砂体对 比。该方法可以有效降低小层划分和对比的多解性,较好的应用于HZ-A油田文昌组辫状河三角洲油层砂体对比。     

层序界面-驱动层序地层模式多样化

研究层序地层学的重点在于层序划分,而层序划分的前提是识别和对比岩石记录中代表沉积趋势变化的地层界面。地层界面作为基准面与沉积速率相互作用产生不同沉积成因类型（强迫型海退、低水位和高水位正常海退以及海进）的响应,一部分可以提升至具有层序地层学意义的层序界面。目前,不同学者对层序界面的理解及使用存在着明显的差异和混乱,其导致的模式多样化也造成了解决实际问题时的混乱。