从常规体系域到非常规体系域——河流相层序地层学研究的一个重要进展

在与海平面变化存在联系的近滨线河流相地层中,源于海岸碎屑沉积体系的层序地层学概念得到了较好的应用,从而在河流相地层中产生了低水位体系域(LST)、与海侵体系域类似的水进体系域(TST)及高水位体系域(HST)等常规体系域下的河流相层序地层划分方案。由于源于海岸沉积体系的早期体系域划分存在着概念体系的不协调,故常规体系域划分在河流相层序中的使用也就存在着概念体系的不协调。非常规体系域(低可容纳空间体系域,LAST;高可容纳空间体系域,HAST)的提出可避免这种概念体系的不协调,并为研究复杂的河流沉积过程和提取地层记录规律提供重要的线索和思路。     

碎屑岩沉积从源到汇的“物-坡”耦合效应*

碎屑岩沉积体系的三维展布特征及其成因机制是建立沉积模式与预测其砂体分布的关键,更是沉积学研究的关键性科学问题。国内外绝大多数学者认为其平面形态和剖面充填型式均与其沉积的地形坡度、粒度粗细有密切的联系,但其定量关系并不清楚。建立不同类型沉积体中粒度和坡度之间的定量关系,对于预测沉积体中不同颗粒的运动方式及其分布至关重要。应用“源-汇”系统研究的思路,分析了供源区、搬运(输送)区及汇积区各自的地质特点,从单向水流对不同质量颗粒在静止/运动中的受力分析与沉积前总体地形斜坡设定2个角度,系统分析、推导并模拟了不同碎屑颗粒在纵向剖面上的运动轨迹,其表现为随着设定的坡型呈抛物线变化,反映出沉积物输送营力的变换及其随坡度变化的响应特征。建立了陆相碎屑岩沉积体系纵向剖面的流速与坡度的计算方程,明确指出沉积物的流速或流态决定其沉积方式,阐述了汇积区碎屑颗粒的加积型式与沉积物分布上的总体规律,由此提出碎屑岩沉积体系的“物-坡”耦合效应及其主要内涵,并从多个维度与源-汇的各区段,阐述了“物-坡”耦合效应在各种沉积体系的沉积物类型及其空间形态特征上的地质响应。     

中国含煤岩系古地理及古环境演化研究进展*

随着含煤岩系沉积学从最初的旋回层理论到沉积模式,再到现阶段层序地层学理论的发展,中国学者已经在含煤岩系沉积学研究领域取得了显著的成果。(1)层序地层格架下基于可容空间增加速率与泥炭堆积速率之间平衡关系的厚煤层聚集模式受到重视,层序地层学提供了等时性地层单元,用于中国六大聚煤区等时性层序地层格架下岩相古地理的重建,为预测各聚煤期聚煤中心及富煤带的分布起到指导性作用。随着层序地层学理论的深入研究,煤相及沉积有机相的发育特征、研究方法以及划分方案也取得了新的进展。(2)近年来,煤系共伴生矿产已经成为当今煤地质学研究的热点问题之一,含煤盆地的煤层气、页岩气、天然气水合物、铀矿、三稀矿产、石墨等矿产资源具有重要的经济价值,部分共伴生矿产潜在的价值甚至超过煤炭本身。古地理作为研究煤系矿产资源的先决条件,与之联系密切,为这些矿产的研究和勘探提供极大的帮助。(3)煤作为泥炭地的产物和重要的沉积载体,其中蕴藏着丰富的“深时”古气候信息。以米兰科维奇旋回作为地层时间的“度量”工具,可以通过分析煤中碳的聚集速率,进而分析泥炭地的碳聚集速率、净初级生产力以及大气CO₂的变化趋势;而随着对煤中惰质组成因的重新认识,蕴含在煤中的古野火信息越来越受到重视,基于煤中惰质组的含量对地质历史中古泥炭地野火事件以及大气氧含量的估算也成为古环境研究的新方向。中国聚煤模式及聚煤古地理今后的研究需进一步加强对不同构造背景下含煤盆地的层序地层模式、各聚煤期的聚煤古地理及聚煤规律、有益煤系共伴生矿产的古地理重建、含煤岩系“深时”古气候信息以及大数据驱动下的含煤岩系古地理定量化研究等方面的探索。     

地表“矿物膜”半导体矿物光电子调控微生物群落结构演化特性研究

矿物-微生物交互作用广泛参与地球表层系统物质循环与能量流动过程,深刻地影响着一系列重要的地表生物地球化学进程。近年来地表半导体矿物的相关研究,为矿物-微生物交互作用提供了崭新研究方向,揭示地表“日光-半导体矿物-微生物”系统电子传递过程及其环境效应,是地质微生物学交叉领域研究的核心科学问题之一。本研究从地表不同生境“矿物膜”出发,以光电化学技术证实喀斯特、红壤、岩石漆“矿物膜”在1 000 min长时间循环实验中平均光电流值约为5.4、3.4、3.2 μA/cm²,证实“矿物膜”良好日光响应特性且铁锰氧化物矿物在其中发挥核心作用。基于笔者前期研究所发现的“矿物膜”电活性菌富集且与半导体矿物分布呈正相关性这一现象,本文进一步构建模拟光电子红壤细菌群落系统,20天后细菌群落α多样性显著提升,研究证实细菌群落具有模拟光电子响应活性,且电极与溶液群落均具有演化方向性;16S rRNA测序分析表明模拟光电子作用下Shewanella、Pseudomonas、Streptococcus、Lactobacillus、Acinetobacter等电活性菌显著富集。综上,本文研究结果间接证实地表半导体矿物光电子可有效调控微生物群落结构并促进电活性菌在“矿物膜”中富集。     

新华夏构造体系结构面“米字型”分布与演化的数学模拟研究

构造体系由多方向、多应力-应变性质和多重次序的结构构造组成,这些结构面在构造应力场中有较为固定的分布型式。经过区域成矿带、矿田、矿床等不同层次地质研究,揭示了新华夏构造体系的共轭剪切、挤压和引张三种类型结构面,它们在平面上组成“米字型”构造。通过应力-应变有限元法模拟,将“米字型”构造分为三个形成阶段:第一期共轭构造阶段,发育NNW 345°方向(大义山式)张扭断裂和NEE 75°方向(泰山式)压扭构造;第二期挤压构造阶段,产生NNE 25°方向挤压断裂和褶皱;第三期横张构造阶段,产生NWW 300°方向(长江式)的横张断裂,给出了有利于控矿成矿的应力-应变场特征,为地质找矿指明了方向。三个阶段相比,构造带内主干拉应力以第一期NNW向构造带内为最大,第三期NWW向“长江式”构造带次之,第二期NNE向和第一期NEE向构造带内拉应力微弱,拉应力总体呈现出时间由老到新从最高下降至微弱之后再回升的趋势;最大主压应力从第一期NEE向构造带为中等,演进到第二期NNE向构造带为最大,第三期NWW向“长江式”构造带和NNW向构造带为最小,表现出时间由老到新,先增强至最高值再下降至最小的趋势。     

长江中下游地区新华夏构造体系的“米字型”结构特征

构造体系由强变形构造带和弱变形地域共同构成,这些构造带和变形带可以用结构面的形式表达。构造体系结构面的分布分析,更加适用于变形规律研究,便于追索构造应力场及其演化。以长江中下游地质结构与导矿-控矿要素研究为基础,总结了新华夏构造体系结构面的“米字型”分布特征。新华夏系“米字型”构造,由NNE 25°方向挤压断裂和褶皱带、NNW 345°方向(大义山式)张扭断裂、NEE 75°方向(泰山式)压扭构造和NWW 300°方向(长江式)的横张构造组成。其演化分先后三个阶段;NNW 345°方向—NEE 75°方向的共轭剪切构造阶段、NNE 25°方向挤压构造阶段和NWW 300°方向的张性剪切构造阶段。新华夏构造体系的“米字型”构造样式的识别,为研究构造体系的应力-应变成因、探讨构造体系的形成演化以及浅部构造和深部构造相关性研究提供了重要的地质构造基础。在其它类型的构造体系中,结构面也具有“米字型”分布特征。     

准噶尔盆地东部中二叠统平地泉组具“斑状”结构热水喷流沉积岩的成因及地质意义*

准噶尔盆地东部中二叠统平地泉组(相当于芦草沟组)发育一套陆内裂谷背景下的湖泊相砂岩、泥岩、灰岩、白云岩、凝灰岩互层以及它们的过渡岩石,是区内最主要的烃源岩和储集层。近年来,在帐北断褶带、石树沟凹陷和吉木萨尔凹陷中二叠统平地泉组暗色泥岩、泥晶白云岩中发现了一类特殊的沉积岩,该类岩石发育类似火山岩的斑状结构。“斑晶”主要为粗晶白云石、方解石、黄铁矿及方沸石等,在岩心标本上呈“树枝状”或“雪花状”散布于基质中;基质则主要由泥晶白云石或泥质沉积物构成,富含有机质,发育水平层理及小型变形层理等。岩石学和矿物学分析表明,“斑晶”往往为粗晶方解石或白云石的集合体,也常见黄铁矿、方沸石与碳酸盐矿物共生,“斑晶”方解石发育环带,而白云石未见明显环带。电子探针分析表明“斑晶”方解石具有低镁、低铁及锶分布不均匀的特点,而“斑晶”白云石(FeO含量介于7.272%~11.086%之间)与“基质”泥晶白云石(FeO含量为1.027%)相比具有明显富铁的特点。流体包裹体分析表明“斑晶”方解石均一温度平均为180.68,℃,“斑晶”白云石均一温度平均为320.95,℃。这种特殊 “斑状”白云岩和“斑状”泥质岩很可能是湖底热液喷流作用的结果。当湖水沿深大断裂下渗至地下深处,与围岩发生物质交换并被加热后再沿断裂返回地表喷涌而出,热液流体携带的离子达到过饱和后就会析出方解石、白云石及黄铁矿等集合体,随热液的喷涌作用上升并破碎散落于湖底细粒沉积物内。“斑状”白云岩的发现对新疆北部中二叠统热水喷流沉积作用及该区油气的成因研究具有重要的意义。     

陆相层序的“非常规”体系域构成:层序地层学的一个重要进展

在层序地层学的Exxon时代,在强调陆上不整合面形成层序界面的概念体系中,科学家们总结认为,陆相层序形成在基准面上升期间,以一个从聚合的河道相砂岩到孤立的河道相砂岩组成的向上变细的沉积序列为特征,这代表了一个重要的概念进步;但是,运用海相层序地层的"体系域"名称,如海侵体系域和高水位体系域等,来划分和解释陆相层序的时候,又产生了若干的概念体系不协调。基于此,产生了陆相层序体系域构成的"非常规"体系域概念,成为陆相层序研究的第2个概念进步。更为重要的是,与海相地层一样,主要的沉积作用发生在基准面上升期间,但是,在基准面下降期间也可能产生相应的沉积,从而进一步说明了陆相地层复杂的堆积作用和响应机制,也表明了陆相层序更多的变化性。陆相层序的上述特征成为近年来关注的焦点之一。追逐这些概念变化和进步,将有益于深入理解陆相层序复杂的形成过程而具有重要的科学意义,同时也代表了层序地层学研究的一个重要进展。     

维嘉平顶海山富钴铁锰结壳空间分布特征:基于“蛟龙号”载人潜水器近海底观测资料的分析

基于对具有高精度水下定位功能的载人潜水器“蛟龙号”近海底观测视像资料数据的分析研究,本文首次报道了维嘉平顶海山山顶平台凸起区域、顶坡过渡带以及斜坡上部地形单元内的富钴结壳分布特征,对我国富钴结壳资源勘查评价具有重要意义。研究表明:(1)不同地形单元发育的富钴结壳具有明显不同的分布特征;(2)山顶平台凸起区发育有连续分布的富钴结壳,可作为我国富钴结壳资源勘查工作的关注区;(3)顶坡过渡带—斜坡上部区域发育有连续分布的富钴结壳,然而往往被白色波纹状沉积物隔成数段;(4)顶坡过渡带钴结核发育较少,与马尔库斯—威克海山群平顶海山存在明显的不同。     

朝向层序地层学标准化:层序地层学研究的一个重要科学命题

层序地层学后Exxon时代,层序模式的多样化代表了科学家们对复杂地层记录及其响应机制的深入认识,在赋予各种层序地层模式较强针对性的同时,也引起了许多概念体系的不协调。因此,以寻求概念术语一致性为目的的层序地层学标准化,就成为当今层序地层学所面临的一个重要科学命题。层序地层学的发展历程中,正常海退与强迫型海退的识别与区分为层序形成过程的系统描述奠定了重要基础,由于这些过程可以独立于层序地层模式,所以成为迈向标准化成功的第一步;河流相层序模式中非常规体系域概念的引入,即低和高可容纳空间体系域,同样因其独立于层序模式存在的特性,代表了层序地层学标准化又一次成功的尝试。鉴于地层堆积作用过程的旋回性和复杂性,以及地层记录的非渐变性和不完整性,追逐层序地层模式多样性所表征的变化性,以及蕴含着变化性的标准化本质,将为层序地层学的进一步发展提供更多的思考线索和途径。     

试论汾渭“S”型旋转拉分构造体系及其影响

汾渭地堑系位于我国东部阴山与秦岭纬向带之间,自北向南,由集宁、怀来、大同、蔚县、忻州、太原、晋中、汾渭、天水、礼县、西和、成县等10余个NE向斜列的新生代断陷盆地组成,它们呈“S”形展布,反映华北地块在新生代时期发生了顺时针旋转,使古老地块发生裂解,可称之为“S”型旋转拉分构造体系。这个构造体系对中国东部构造格局和构造发展有广泛和深远的影响,强烈改造了秦岭—大别山纬向构造带和江南地块北缘的构造格局,使新华夏系形成分段特征,启动了华北地块伸展构造发展模式,影响所及直达琉球海沟。无独有偶,亚洲中部俄罗斯、蒙古境内有贝加尔地堑系,由反“S”形分布的新生代断陷盆地组成,它们也发育于古老结晶地块之中,可与之对比,是逆时针旋转的反“S”型旋转拉分构造体系。说明它们是同一类型的旋转构造型式,是古老地块裂解的一种方式。     

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。     

陆相层序地层学标准化研究和层序岩相古地理：以四川盆地上三叠统须家河组为例

层序地层标准化是未来层序地层研究重要发展方向,层序成因模式、标准建立、工业化应用是核心;层序地层学分析的标准工作流程强调识别沉积物成因类型和层序地层界面的原因,向共同方法迈进。针对中国陆相沉积复杂多变的特点,可以利用野外露头伽马仪、元素捕获仪、探地雷达以及元素地球化学等多种手段进行高精度层序划分,识别三级层序界面与洪泛面,建立露头-钻井-地震层序地层格架。可以依据陆相湖盆沉积旋回在古水深、古气候、沉积地球化学特征等方面的定量表征,综合开展高精度层序地层研究。在四川盆地上三叠统须家河组层序岩相古地理研究中,将须家河组划分为5个三级层序,须家河组二段上、下亚段实际上是2个不同三级层序的基准面上升与下降体系域沉积,须二下段发育进积型三角洲,上段发育退积型三角洲;由于三角洲砂体发育机理明显不同,导致须二下段储层厚度和物性均好于上段,产层主要分布在下段。在层序岩相古地理研究基础上,进一步明确须二、四、六段是主要储层发育段,层间泥岩也可作为烃源岩。须一、三、五段是主要烃源岩发育段,盆缘规模较小的三角洲砂体也是重要的储层。     

Impact of Conjugated Shear Joint of “X” Type on Macroscopic Karstification on the Basis of the Analysis of Google Earth Images

As viewed from space remote-sensing images (e.g. Google Earth images) of South Guizhou and North Guangxi, the authors found that macroscopic karst landscape on the Earth’s surface is strongly controlled by the Conjugated shear joint of “X” type. Joints of this kind constitute a huge infiltration network and act as channel-ways for the permeation of meteoric waters from the surface, thus, leading to the dissolution of carbonate rocks nearby. As a result, the karst landscape is formed, which is dominated by linear karst valleys. An “X” karst valley network structure appears in the area where horizontal strata are distributed, and a feather-like network structure appears in the area where vertical strata are distributed, respectively. When the water permeates downwards to the underground-water level, it will flow horizontally along the strike of “X” joints toward the local base level of erosion to form an “X” network system of underground conduits in the area where horizontal strata are distributed, but it is relatively complex, because of the joining of other joints. This is the first time we have made use of Google Earth images to study the karst environment. Therefore, it has been successful in research on the Earth’s geomorphology, which could only rely on aerial photos and satellite photos in the past. Google Earth images provide low-cost and applicable imaging materials for the study of Earth’s geomorphology and karst rocky desertification and its control.     

陆相裂陷湖盆三级层序类型与发育模式——海拉尔盆地某凹陷为例

海拉尔盆地某坳陷是典型的白垩纪陆相湖盆。作者利用地震、单井等资料,对目标坳陷进行层序地层学的分析和研究,将该区早白垩纪地层划分出4个三级层序,并对每个层序特征及层序内部沉积特点进行了分析,在此基础上阐述了在该坳陷层序类型与层序发育模式。     

深水浊积岩层序地层学研究中碳氧同位素的应用——以湖南大庸田坪剖面为例

笔者通过海平面变化曲线与碳氧同位素曲线比较,发现两者曲线基本吻合。碳同位素曲线显示的海平面变化更接近露头层序地层的海平面变化;氧同位素曲线与露头层序海平面变化大体一致,局部出现相反结论。碳同位素曲线对沉积环境变化较氧同位素曲线更敏感。通过两者曲线研究,说明运用稳定同位素曲线变化可作为浊积岩层序地层学研究的一个研究手段。