李寶慶

(中國地質(zhì)大學(xué) 構(gòu)造與油氣資源教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430074)

現(xiàn)行層序模型及其標(biāo)準(zhǔn)化

李寶慶

(中國地質(zhì)大學(xué) 構(gòu)造與油氣資源教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430074)

基于對先前研究成果的分析，歸納了現(xiàn)行層序模型(沉積層序、成因?qū)有蚝蚑-R層序)和層序地層標(biāo)準(zhǔn)化流程，對比分析了各層序模型的優(yōu)點(diǎn)和不足，認(rèn)為各層序模型均為不同地質(zhì)背景下地層記錄的理論提煉，具有各自的優(yōu)點(diǎn)與不足，適用于各自的地質(zhì)背景；模型構(gòu)成(體系域)的出現(xiàn)受控于可容納空間與物源供給的相互作用，具體歸因于構(gòu)造、海平面、物源和氣候等的變化；層序地層的標(biāo)準(zhǔn)化就是獨(dú)立于模型與依賴于模型2個方面和方法的結(jié)合，標(biāo)準(zhǔn)化的關(guān)鍵在于層序地層格架基石或建造塊(成因類型)的識別。

層序模型；沉積層序；T-R層序；成因地層層序；成因類型

層序地層學(xué)作為一種新的基于成因、過程分析的地層分析方法，被認(rèn)為是沉積地質(zhì)學(xué)的第三次概念革命[1]，其不僅有助于理解沉積地層的沉積機(jī)制，且對沉積礦產(chǎn)具有強(qiáng)大的預(yù)測功能[2-3]?；诖?，層序地層學(xué)在沉積礦產(chǎn)勘探領(lǐng)域得以廣泛推廣和普遍應(yīng)用，并且伴隨著一系列層序模型的誕生[4-16]，呈現(xiàn)出“百花齊放，百家爭鳴”的局面。然而，層序地層模型的持續(xù)爭議和相關(guān)術(shù)語的混亂，給學(xué)科發(fā)展及學(xué)術(shù)交流造成了諸多不便，故Catuneanu等[4]推薦進(jìn)行層序地層標(biāo)準(zhǔn)化工作，以期進(jìn)一步完善學(xué)科的發(fā)展。

1 層序地層模型

1.1 Sloss層序

層序地層學(xué)通常被認(rèn)為源自于20世紀(jì)70年代的地震地層學(xué)。事實(shí)上，與層序地層學(xué)有關(guān)的沉積、不整合與基準(zhǔn)面變化關(guān)系的研究要早于地震地層學(xué)[17]。Sloss等[18]在北美地質(zhì)學(xué)會年會上就提出過層序的概念，認(rèn)為層序?yàn)橐惶准墑e重大的、跨越大多數(shù)北美地臺的區(qū)域不整合所限定的地層單元。Krumbein等[19]詳述了層序概念，認(rèn)為層序代表重大的構(gòu)造旋回。Sloss等[20]應(yīng)用層序概念于北美地臺，將區(qū)域構(gòu)造不整合面界定的北美克拉通前寒武紀(jì)晚期—全新世地層劃分為6個超層序。值得一提的是，Sloss等[18,20]提出的層序?yàn)楸热夯虺焊呒墑e的地層單元(構(gòu)造層序)，此限制層序只能應(yīng)用于區(qū)域尺度的地層研究。同時，此層序概念僅涉及以陸上不整合面界定的層序，而不整合面局限于盆地邊緣且沿沉積傾向逐漸消失，故難以建立整個盆地的等時格架(圖1)[17]。

圖1 Sloss層序和地震層序的層序數(shù)目[17]

1.2 地震地層學(xué)層序

基于對大量地震模型的分析，Mitchum等[21]引進(jìn)了相對應(yīng)的整合面的概念，從而將層序定義為由盆緣不整合面及其盆內(nèi)相對應(yīng)的整合面所限定的一套相對整一的、成因上有聯(lián)系的地層單元。此層序術(shù)語的提出，一方面使層序界面延伸于整個盆地，建立了全盆范圍的地層格架(圖1)[17]；另一方面使得層序術(shù)語獨(dú)立于空間和時間尺度，可應(yīng)用于不同尺度的地層研究。為區(qū)別Sloss等[18,20]的超層序概念，Mitchum等[21]的層序被認(rèn)為是沉積層序[17]；自提出之日起，因相對應(yīng)的整合面形成時間、性質(zhì)等受到諸多學(xué)者的爭議，進(jìn)而導(dǎo)致一系列沉積層序模型的提出。

1.3 沉積層序

1.3.1 Ⅰ和Ⅱ型層序模型

為區(qū)分不同構(gòu)造背景，Vail等[22]首次提出了Ⅰ型和Ⅱ型層序邊界定義。Ⅰ型層序邊界形成于快速的絕對海平面下降階段，此時陸架邊緣處的海平面下降速率高于構(gòu)造沉降速率，進(jìn)而引起廣泛的陸上暴露和重要的下切侵蝕。Ⅱ型層序邊界形成于緩慢的絕對海平面下降階段，此時陸架邊緣處的海平面下降速率低于構(gòu)造沉降速率，進(jìn)而引起較小的陸上暴露和下切侵蝕。Ⅰ型和Ⅱ型層序邊界的主要不同在于暴露和下切侵蝕程度的不同。

Posamentier等[5]重新修訂了Ⅰ型和Ⅱ型層序邊界的定義，認(rèn)為Ⅰ型和Ⅱ型層序邊界的出現(xiàn)取決于沉積濱線坡折處的海平面下降速率與構(gòu)造沉降速率，由此造成更多的概念混淆[17]。

Ⅰ型層序邊界形成于沉積濱線坡折處的絕對海平面下降速率高于構(gòu)造沉降速率期，引起了廣泛的陸上暴露和重要的下切侵蝕。I型層序模型可細(xì)分為低位體系域(LST)、海侵體系域(TST)和高位體系域(HST)，其除在海平面曲線上標(biāo)定體系域分布區(qū)間之外，重點(diǎn)標(biāo)定了“相對應(yīng)的整合面”的位置，為海平面從最高點(diǎn)下降至近于1/8周期位置(圖2)[3,5-9,12-15]。因海平面下降至最低點(diǎn)時，陸上不整合面向盆內(nèi)延伸達(dá)最大，故陸上不整合面不可能同海平面下降至近于1/8周期處的時間面相連接，故Ⅰ型層序邊界在理論上是不可能的[23]。意識到將相對應(yīng)的整合面(cc)標(biāo)定于海平面下降至近于1/8周期位置處的不恰當(dāng)性，Posamentier等將cc移至相對海平面開始下降時間點(diǎn)(圖2)[3,5-9,12-15]。故認(rèn)為現(xiàn)行Posamentier和Allen[6]的層序模型為Posamentier和Vail[5]的Ⅰ型層序的演變。

Ⅱ型層序邊界形成于沉積濱線坡折處的海平面下降速率低于構(gòu)造沉降速率期，據(jù)此推理Ⅱ型層序邊界形成于相對海平面上升期(通常認(rèn)為陸上不整合面形成于相對海平面下降階段)。Ⅱ型層序模型可細(xì)分為陸架邊緣體系域(SMST)、海侵體系域(TST)和高位體系域(HST)，相對應(yīng)的整合面(cc)位置放置于海平面下降結(jié)束時間點(diǎn)(圖2)[3,5-9,12-15]。理論上，相對海平面上升期，在遠(yuǎn)離沉積濱線坡折帶的陸上位置不整合面持續(xù)發(fā)育，但在濱岸地帶不會有暴露不整合面的產(chǎn)生。

理論上，絕對海平面變化和構(gòu)造沉降速率極難區(qū)分；實(shí)踐中，不整合面的發(fā)育程度極難確定。有鑒于此，Posamentier等[6]提出廢除Ⅰ型和Ⅱ型層序及其邊界，以便形成單一的沉積層序及其邊界。隨著Ⅰ型、Ⅱ型層序邊界術(shù)語的棄用，Ⅱ型層序模型隨之廢棄，Ⅰ型層序模型演變?yōu)镻osamentier等的層序模型(圖2)[3,5-9,12-15]。

1.3.2 Van Wagoner層序模型

Van Wagoner等[7-8]將層序劃分為低位體系域(LST)、海侵體系域(TST)和高位體系域(HST)[7-8]，除在海平面曲線上標(biāo)定體系域分布區(qū)間外，將相對應(yīng)整合面(cc)放置于海平面下降結(jié)束時間點(diǎn)(圖2)[3,5-9,12-15]。此cc之設(shè)定方案，被后續(xù)的四分層序地層模型所接受[3,9-10,17]。

圖2 層序地層模型[3,5-9,12-15]

1.3.3 四分層序模型

Posamentier等[5]將相對海平面下降階段的沉積指定為低位扇沉積(低位體系域早期)，然而并沒有提供具體的實(shí)例和詳細(xì)的識別標(biāo)志以區(qū)分低位扇沉積[11]。Plint等[24]于加拿大阿爾伯塔前陸盆地上白堊統(tǒng)森諾曼階Dunvegan組發(fā)現(xiàn)濱海砂巖直接覆蓋在濱外泥巖之上，砂體底界發(fā)育Gutter Casts構(gòu)造，由此將此套相對海平面下降期的沉積產(chǎn)物定義為強(qiáng)迫海退。Hunt等[9]將經(jīng)典三分模型中的低位扇稱為強(qiáng)迫海退楔體系域(FRWST)，將低位楔稱為低位前積楔體系域(LPWST)，層序邊界位于FRWST和LPWST之間。由此層序自下而上為LPWST-TST-HST-FRWST(圖2)[3,5-9,12-15]。此四分方案隨后被Helland-Hansen等[25]證明了其理論上的邏輯性，將層序自下而上分為低位楔體系域(LWST)、海侵體系域(TST)、高位體系域(HST)、強(qiáng)迫海退楔體系域(FRWST)，顯而易見他們主張將強(qiáng)迫海退楔體系域(FRWST)放在沉積層序頂部，嚴(yán)格遵循層序關(guān)于不整合面及其相對應(yīng)的整合面為界的概念[12]。隨后，Hunt等[10]為避免誤解，將FRWST、LPWST分別更改為FRST、LST，由此層序自下而上為LST-TST-HST-FRST。Plint等[11]將基準(zhǔn)面下降期的沉積命名為下降期體系域(FSST)，并對其進(jìn)行了系統(tǒng)的論述，從而將四分層序模型定格為LST-TST-HST-FSST，成為目前普遍應(yīng)用的層序術(shù)語。盡管出現(xiàn)與下降期體系域(FSST)同義的多個層序術(shù)語，但都強(qiáng)調(diào)一個類似的問題，而且達(dá)到類似的結(jié)果[3,11]。

Hunt等[9]的研究成果標(biāo)志著層序地層四分方案的誕生，其具有以下特征：(1)首次將體系域分布與相對海平面曲線相結(jié)合，認(rèn)識到相對海平面(絕對海平面和構(gòu)造)是控制層序形成的驅(qū)動機(jī)制；(2)強(qiáng)迫海退楔體系域(FRWST)形成于相對海平面開始下降至下降結(jié)束期，其底界面為強(qiáng)迫海退面(BSFR，basal surface of forced regression)，頂界面為層序邊界；(3)他們的四分模式LPWST-TST-HST-FRWST和LST-TST-HST-FRST演變?yōu)楹髞硭姆帜Ｊ降脑蚚26]。

Catuneanu等[3,17]對層序地層學(xué)主要模型進(jìn)行了系統(tǒng)對比研究，采用LST-TST-HST-FSST四分模型，目前已經(jīng)成為國際層序地層學(xué)標(biāo)準(zhǔn)化建議方案的核心概念模型[12]，其模式亦將相對應(yīng)的整合面cc放置在基準(zhǔn)面曲線最低位置(圖2)[3,5-9,12-15]。此四分模型中，將體系域與特定的成因單元、成因事件相聯(lián)系，如：下降期體系域(FSST)與強(qiáng)迫海退、低位體系域(LST)與低位正常海退、海侵體系域(TST)與海侵、高位體系域(HST)與高位正常海退，為后續(xù)標(biāo)準(zhǔn)化工作準(zhǔn)備了條件。

以上沉積層序具有如下特征：(1)各層序模型都在具余弦變化特征的海平面曲線、相對海平面曲線和基準(zhǔn)面曲線上標(biāo)定體系域分布區(qū)間；(2)不整合面并非單一時間界面，而是持續(xù)時間段的物質(zhì)表現(xiàn)形式，故各層序模型均未能在海平面曲線、相對海平面曲線和基準(zhǔn)面曲線上標(biāo)定具體的不整合面，僅僅設(shè)定相對應(yīng)的整合面(cc)的位置；(3)沉積層序邊界均包括陸上不整合面。陸上不整合面形成于基準(zhǔn)面下降階段，對于基準(zhǔn)面持續(xù)上升情況，沉積供給與可容納空間的相互作用導(dǎo)致LST-TST等重復(fù)出現(xiàn)，此時沉積層序理論應(yīng)用受到局限；(4)沉積層序邊界為概念上的時間界面，并不依賴沉積供給速率，避免層序界面沿沉積走向、傾向的穿時性；(5)沉積層序的主要差異在于相對整合面(cc)位置放置的不同，Posamentier等[6，27]設(shè)定cc于基準(zhǔn)面初始下降起點(diǎn)，即下降期體系域(FSST)底界面(圖2[3,5-9,12-15]、圖3[5,9,13,17])；下降期體系域(FSST)底界面在地震剖面上可明顯識別，且界面上下巖性具突變特征，但此模型的低位體系域包含明顯的陸上不整合界面(圖3)[5,9,13,17]，有違成因相關(guān)的層序定義。Van Wagoner等[7-8]、Hunt等[9-10]放置cc于基準(zhǔn)面初始上升點(diǎn)，即下降期體系域(FSST)頂界面(圖2[3,5-9,12-15]、圖3[5,9,13,17])；此放置方案避免了層序內(nèi)部包含不整合面，但基準(zhǔn)面初始上升點(diǎn)為理論上的時間界面，巖心、露頭處極難區(qū)分[11,28]。

1.3.4 修訂的Exxon沉積層序模型

Neal等[29]和Abreu等[30]依據(jù)受控于可容納空間與沉積供給相互作用的地層堆疊樣式，提出了可容納空間序列(accommodation succession)的概念，自下而上包括PA(progradation to aggradation)序列、R(retrogradation)序列和APD(aggradation to progradation to degradation)序列，對應(yīng)的體系域(四分層序模型)依次為低位體系域、海侵體系域、高位體系域+下降期體系域(AP=高位體系域、D=下降期體系域)?？扇菁{空間序列具以下特征：(1)A序列、D序列、APD序列等的出現(xiàn)能反映出可容納空間與沉積供給相互作用的狀況，進(jìn)而預(yù)測隨后序列的出現(xiàn)；(2)此模型以APD序列頂部(下降期體系域頂部)為層序邊界，與四分層序模型相一致；(3)此模型的相關(guān)序列是基于地層堆疊樣式設(shè)定，都被賦予層序格架的基本建造塊[29,31]，不同之處在于定義術(shù)語的差異。

1.4 成因地層層序模型

基于對Frazier等[32]沉積幕的分析和墨西哥灣古近系地層的研究，Galloway等[14]提出以最大海泛(maximum marine flooding)或最大海侵(maximum transgressive flooding)，亦即后來演變成的最大水泛面(MFS)作為層序邊界的成因地層層序(圖2)[3,5-9,12-15]。成因地層層序特征如下：(1)最大水泛面(MFS)代表一定的沉積間斷(沉積物供給不足時，出現(xiàn)于陸架邊緣或斜坡地帶)；(2)最大水泛面(MFS)標(biāo)志著海退與海侵的轉(zhuǎn)變，巖性上具明顯區(qū)別特征，其在全盆范圍內(nèi)較易識別，從而克服了相對整合面的識別困難；(3)基準(zhǔn)面持續(xù)上升過程中的海侵海退地層(無不整合面出現(xiàn))，最大水泛面是構(gòu)建層序格架的理想界面；(4)沉積地層形成過程對應(yīng)于基準(zhǔn)面變化的一個全周期時，成因地層層序的層序單元內(nèi)部包含不整合面界面，顯然有違經(jīng)典的層序定義；(5)最大水泛面(MFS)受控于基準(zhǔn)面與沉積的共同作用，沿沉積走向和傾向具有一定穿時性[6]。

圖3 2種不同沉積層序邊界[5,9,13,17]

1.5 T-R層序模型

基于對加拿大Sverdrup裂谷盆地中生界的實(shí)地調(diào)查和研究，Embry等[15,33]提出了以陸上不整合面或不整合的濱線沖刷面及其最大海退面為邊界限定的T-R層序模型。此層序以最大海退面(MRS，maximum regressive surface)和最大水泛面(MFS，maximum flooding surface)將層序分為海退體系域(RST)和海侵體系域(TST)(圖2)[3,5-9,12-15]。T-R層序具以下特征：(1)陸上不整合、最大海退面(海退與海侵的轉(zhuǎn)變)易在地震、露頭及巖心上識別，從而克服相對整合面的識別困難；(2)基準(zhǔn)面下降結(jié)束期，陸上不整合面達(dá)到向盆心的最大延伸[23,29]，基準(zhǔn)面上升至海退結(jié)束時形成的最大海退面(MRS)明顯晚于陸上不整合面(時間間隔為強(qiáng)迫海退結(jié)束到海退結(jié)束持續(xù)時間)，因此T-R復(fù)合層序邊界為不同時間面的連接。Embry等[15]也認(rèn)為陸上不整合向盆內(nèi)的延伸面也許與盆內(nèi)最大水退面無法相連；(3)最大海退面、最大水泛面受基準(zhǔn)面變化和沉積速率的雙重作用，沿沉積走向、傾向具有一定的穿時性；(4)海退體系域(RST)籠統(tǒng)將高位正常海退、強(qiáng)迫海退和低位正常海退歸為一體，降低層序格架下沉積礦產(chǎn)的預(yù)測精確度。

2 層序地層學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)化

層序地層學(xué)作為盆地分析的一項(xiàng)常規(guī)技術(shù)方法，在地層格架對比、古地理重建、沉積礦產(chǎn)預(yù)測等方面得以廣泛推廣和應(yīng)用。盡管如此，現(xiàn)行層序地層學(xué)派的持續(xù)爭議、層序術(shù)語的繁多和混亂，給層序地層學(xué)發(fā)展及學(xué)術(shù)交流造成諸多不便，故Catuneanu等[4]倡導(dǎo)獨(dú)立于模型和依賴于模型兩方面相結(jié)合的層序地層學(xué)標(biāo)準(zhǔn)化與工作流程，為沉積盆地層序格架的研究提供了一種更加靈活的方法。

層序地層的標(biāo)準(zhǔn)化，其實(shí)質(zhì)是提供一種基本的、靈活的、能廣泛應(yīng)用于大多數(shù)或所有盆地的思路或方法。這種思路或方法可概況為2大部分：獨(dú)立于模型方面(model-independent approach)和依賴于模型方面(model-dependent approach)(圖4)。

2.1 獨(dú)立于模型方面

獨(dú)立于模型方法關(guān)鍵在于成因類型(genetic types of deposit)及其界面的識別。成因類型是層序格架構(gòu)建的基本建造塊[31]，依據(jù)地層堆疊樣式、相遷移與分析以及岸線軌跡遷移的研究進(jìn)行識別。成因類型可分為強(qiáng)迫海退、低位正常海退、海侵和高位正常海退4類，其分別對應(yīng)于下降期體系域(FSST)、低位體系域(LST)、海侵體系域(TST)和高位體系域(HST)(圖5[4]、圖6[6,9])。每種成因類型與特定地層堆疊樣式相對應(yīng)。(1)下降期體系域形成于強(qiáng)迫海退期，表現(xiàn)為前積、階梯下降的地層堆疊樣式，整個基準(zhǔn)面下降期由基準(zhǔn)面下降驅(qū)動，而不受沉積物供給控制；(2)低位體系域形成于低位正常海退期，表現(xiàn)為前期前積、后期加積的地層堆疊樣式，受沉積物供給驅(qū)動，沉積速率高于可容納空間增長速率，岸線基線朝海推進(jìn)；(3)海侵體系域形成于海侵期，為退積的地層疊置樣式，由基準(zhǔn)面上升驅(qū)動，沉積速率低于可容納空間增長速率，岸線基線朝陸侵入；(4)高位體系域形成于高位正常海退期，顯示前期加積、后期前積的地層堆疊樣式，受沉積供給驅(qū)動，沉積速率高于可容納空間增長速率，岸線基線朝海推進(jìn)。

圖4 層序地層學(xué)獨(dú)立模型和依賴模型方法

2.2 依賴于模型方面

基于對沉積地層成因類型的識別，可選擇合適的層序界面和層序模型進(jìn)行層序格架的構(gòu)建。地質(zhì)記錄的不完整性和復(fù)雜性造成層序模式的多樣化[34-35]，而根據(jù)已識別的成因類型選擇最佳模型，是一種更加靈活和實(shí)用的方法。由此認(rèn)為，Catuneanu等[4]推薦的層序地層學(xué)標(biāo)準(zhǔn)化方案，就是獨(dú)立于模型與依賴于模型2個方面和方法的結(jié)合，在成因單元格架的基礎(chǔ)上，識別單元界面、選擇層序邊界。體系域和層序邊界屬于與模型有關(guān)的范疇，遵從格架→界面→層序邊界之流程，模型由使用者自行選擇。

圖5 層序地層之成因類型疊置樣式[4]

圖6 與主要事件、成因類型相關(guān)的層序界面的時間屬性

3 結(jié)論

(1)不同層序模型均為不同地質(zhì)背景下地層記錄的理論提煉，具有各自的優(yōu)點(diǎn)與不足，適用于不同的地質(zhì)背景。模型構(gòu)成(體系域)的出現(xiàn)或缺失，受控于可容納空間與物源供給的相互作用，具體與地質(zhì)背景的差異(構(gòu)造、海平面、物源、氣候等)有關(guān)。

(2)層序地層的標(biāo)準(zhǔn)化就是獨(dú)立于模型與依賴于模型2個方面和方法的結(jié)合，標(biāo)準(zhǔn)化的關(guān)鍵在于層序地層格架基石或建造塊(成因類型)的識別。

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(編輯 韓 彧)

Current models and standardization of sequence stratigraphy

Li Baoqing

(KeyLaboratoryofTectonicsandPetroleumResourcesofMinistryofEducation,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan,Hubei430074,China)

Based on previous research, the paper summarized several sequence stratigraphic models (depositional sequence, genetic stratigraphic sequence and transgressive-regressive sequence) and standardized the workflow of sequence stratigraphy, and analyzed the merits and pitfalls of different sequence models. Sequence models representing stratigraphic records in different geological settings were applied to corresponding settings. The occurrence of system tracts was controlled by the interplay between accommodation and sediment supply, and was ascribed to changes such as tectonics, sea-level, sediment supply, climate and so on. The standardized workflow of sequence stratigraphy was based on the model-independent approach and model-dependent approach. Differentiating genetic types was essential for the standardization of sequence stratigraphy.

sequence models; depositional sequence; T-R sequence; genetic stratigraphic sequence; genetic types of deposit

1001-6112(2015)02-0134-07

10.11781/sysydz201502134

2013-11-05 ；

2015-01-18。

李寶慶(1986—)，男，博士在讀，研究方向?yàn)槊旱厍蚧瘜W(xué)、層序地層學(xué)和煤田地質(zhì)學(xué)。E-mail:bqli1986@126.com。

國家自然科學(xué)基金委面上項(xiàng)目(40972104)資助。

TE121.3

A