层序地层学原理及应用

层序地层学原理及应用姜在兴李华启等编著第一部分层序地层学原理层序地层学是一种划分、对比和分析沉积地层的新方法。当与生物地层及构造沉降分析相结合时，它提供了一种更精确的地质时代对比、古地理恢复和在钻井前预测油气储集岩、烃源岩和盖层的方法。层序地层学概念在沉积地层上的应用有可能提供一个完整统一的地层概念，就象板块构造曾经提供了一个完整统一的构造概念一样。层序地层学改变了分析世界地层记录的基本原则，打开了了解地球历史的一个新阶段，因此，它可能是地质学中的一次革命。从本质上说，层序地层学分析提供了划分层序和体系域等时间地层单位组成的地层格架，这些层序和体系域与特定的沉积体系、岩相和油气分布有密切联系，并形成于与海平面相对变化有关的基准面变化。而这些变化表现为地震资料上的反射不连续性和测井、岩心及露头剖面上相带叠置方式的变化。层序地层学在世界范围内得到了广泛的应用，有以下几方面原因:①消除了地层学中长期存在的年代地层与岩石地层单位及生物地层单位三重命名的混乱现象。地震反射近似地逼近等时面本身，为地层的划分与对比(至少在准层序级以上)提供了有力的武器。象板块构造学说提供了全球统一的构造概念一样，层序地层学也有可能提供一个全球统一的地层学格架和沉积作用格架。②第一次提出了全球统一的成因地层划分方案(成因地层年表)。过去人们根据某一或二项标志，提出过地层划分方案(地层年表)，其中有古生物的、岩性的、放射性向位素年龄的、古地磁的方案等。但由于没有从根本上从地层的成因和发展上进行研究，因此，出现了许多相互矛盾、无法解释的现象。层序地层学通过对控制地层形成的四个要素(构造沉降、全球海平面升降、气候、沉积物供应)的综合分析，得出相对海平面(或基准面)控制层序形成与发育的概念。将层序内部和层序之间的成因联系确立下来，把地层学从描述性提高到有完整体系的理性阶段。③建立了地层分布模式。层序地层学是研究地层分布模式的一门科学，它把层序定义为“顶、底以不整合或与这些不整合相应的整合为界的、成因上有联系的一套地层”。层序地层学定义中所说的“地层分布模式”就是这里所指的“成因上有联系的一套地层”。具体到每个层序来说，这“一套地层”就是指在一个海平面相对变化周期(两个相邻下降翼拐点或拐点附近)沉积的地层。即每个层序都可包括三个体系域:低水位体系域、海侵体系域和高水位体系域(指工类层序)，或者陆架边缘体系域、海侵体系域和高水位体系域(u类层序)。这些概念是层序地层学的核心，是许多理论和实际工作的依托。④提高了地质学家的预测能力，包括理论预测和实际预测两个方面。从理论预测上讲，一1一通过海平面相对变化的研究，可以预测尚未钻探地层的年代，预测某些应有的体系域的展布方向、范围、可能的岩相及其分布，从而对地质发展史、古地理状况作出科学的预见。从实际上讲，可以通过体系域和沉积相的分布规律，预测有利于形成油气藏以及其它沉积矿产的有利分布带。再进一步，通过高精度高分辨率的地震勘探(尤其是三维地震)、油藏描述烃类检测等手段，可以进行钻前油藏、油层质量预测，以至已开发油田的开发方案部署、调整、提高采收率预测。⑤把地球科学的研究从定性推向定量。总的来说，地质科学与其它科学相比，是比较偏于推理性的、定性的、描述性的和经验性的。其根本原因是无法直接了解地下地质条件在时间和空间这四维参量中的真实情况和细节变化。近年来，由于计算机技术和地震勘探以及其它有关学科的发展，已经在盆地模拟、构造史恢复、油气运移、资源评价、储量计算、储层质量预测等方面积累了不少经验，提出了一些定量研究的方法。然而，由于对地层及其所代表的岩相在三维空间和时间上的分布不够了解，影响了上述评估的确定性，并造成不同评估值之间的重大差异。现在，层序地层学的出现，基本上解决了这个问题。可以相信，在不久的将来，随着地震勘探和计算机技术的进一步提高，将有可能以层序地层及地震地层学为主线，把地质研究和(或者)油气勘探的各项主要工作从头到尾贯穿起来，构成一个系统工程。在和其它一切与沉积学有关的科学和技术密切配合的基础上，构成一个从地层划分、相带分布、古地理环境恢复、构造发育史、油藏形成史、油藏预测、油藏质量预测到油藏开发效果监测的一套完整的、比现在精确得多的定量化研究全过程(据徐怀大，1993),,第二章层序地层学发展历史层序作为一种以不整合为边界的地层单位在1948年由Sloss提出:“层序并不是一个新概念，当作者及他的同事在1948年提出时便已经是旧概念了。这个概念及其实践和成因地层学一样旧。”可是，我们应当肯定Slos、对于发展以不整合为边界的层序作为地层学的分析工具所做的贡献。Sloss(1963)在北美克拉通晚前寒武纪至全新世地层之间，以区域不整合为边界划分出了六大地层单位，他称这些地层单位为“层序”，并且给它们贯以美国当地的名字，以强调它们源于北美。尽管Slos、感到这些层序没有必要应用到超克拉通或超大陆的岩石地层学和年代地层学中，他仍用这些克拉通层序作为实际工作中的实用地层单位，例如相带等。尽管克拉通层序为层序地层学奠定了基础，但Sloss的观点在20世纪50年代、60年代以及70年代前期除Wheeler(1958)之外仍为少数人所接受。当P.R.Vail,R.M.Mitchum,J.B.Sangree等人的地震地层学理论在美国石油地质学家协会专刊第26号(Payton,1977)上一发表，层序地层学便进人了另一个重要发展时期。在一系列专题论文中，专家们提出了海平面升降的概念以及相应应用于由地震反射记录的以不整合面为边界的地层型式。Mitchum(1997)阐明并扩展了层序的概念，把它定义为“由有内在联系的相对整合的地层序列组成的地层单位，其顶、底界面为不整合面或与之可对比的整合面”。Vail在另外两个方面修改了Sloss(1963)对层序的应用。首先Vail和Mitchurn的层序比Sloss(1963)的层序包括的时间更短。他把最初的六个克拉通层序进行了更为详细的划分。这样，Sloss的层序便成了Exxon旋回图上的超层序。其次，Vail提出了海平面升降作为层序演化机理的主导因素，但这一观点已经引起并将继续产生更多的争论。由于第26号专刊的诞生和日臻完善的地震反射技术的出现，层序作为一种可行的、以不整合为边界的地层单位进行地层学分析比起Sloss最初的克拉通层序的概念来说确实是一次重大的飞跃。尽管地震地层学理论代表了层序应用发展历史过程中迈出的重大一步，但它在20世纪70年代后期却主要应用于地震资料范围内的盆地分析中。测井、岩心和露头一般不能单独用来分析层序。地震地层学不能提供在储层范围内进行沉积地层分析所需要的精度。Jervey(1988)提出的新的实用模型扩展了地震地层学的应用范围，并且用它来解释地震可分辨的地层模型。这一模型很快就实现了，层序能够进一步细分为小的地层单位即“体系域”。从理论上，Posamentier和Vail等(1988)创建了一种三维结构图，即海底扇体系域、低水位体系域、海侵体系域和高水位体系域(工类层序)或陆架边缘体系域、海侵体系域和高水位体系域(H类层序).1980年以后，识别出工类层序中的低水位体系中有盆底扇、斜坡扇、低水位前积三角洲、深切谷充填(Vail,1987).在理论模型发展的同时，受D.E.Fra7ier(1974)和C.V.Campbell(1967)强烈影响的Exxon地层学家们开始分析研究测井、岩心和露头中向上变浅的硅质碎屑岩地层的沉积模式，目的是要提高地下地层的地质年代和相带的对比精度。这些向上变浅的地层单位以具有重要年代地层学意义的海泛面为边界，由纹层、纹层组、岩层和岩层组构成。实践中层以同期层面为边界，在测井对比中这是一种非正式年代地层标志。当向上变浅地层单位及组成它们的沉积岩层很明显地已经成为体系域和层序的组成单元时，这种研究就会迅速地和理论模型趋于一致。虽然有些学者把向上变浅的单位称为“旋回”，但VanWagoner0990)称之为“准层序”。Vail等保留了“旋回”的用法，以表明一个规律性重复事件发生的时间，并强调了准层序和层序之间的关系。相互关联的准层序叠加形成退积、进积和加积式三种型式，这些有明显联系的准层序叫做“准层序组”。每一个准层序组大致对应于一个体系域。另外，每一个体系域都以一个明显的相组合并在层序中处于一定的位置为特征。认识到准层序和准层序组是体系域和层序的组成单元，就可以把它们置于年代地层学的系统中，这样，它们的叠加模式、组成岩层类型及在很大程度上还有它们组成部分的沉积环境都是可以预测的。这就加强了它们在地下地层年代和岩相对比中的应用。准层序的概念，或象它在文献冲通常用的名字—向上浅变旋回，至少可以追溯到1836年Phillips的著述，也包括他在1912,1930,1950,1967,1971,1975以及1982等年份的著述。Wilson(1975)论述了作为准层序边界的海泛面在年代地层学上的重要意义，他提出碳酸盐岩旋回以大范围的海侵面为边界面，这些海侵面可能是“最可能接近时间标准的”，它们比每个旋回中不同期的岩相更有效。Krumbein和Sloss(1963)指出，一个前积浅滩砂岩的海侵面近似一个时间界线。Anderson等(1984)和Goodwin及Anderson(1985)基于对美国纽约州赫尔德堡碳酸盐的研究，也强调了旋回在年代地层学中的重要性，他们把Wilson的向上变浅碳酸盐岩旋回称为一个PAC，为间断式加积旋回的缩写。到1983年，在美国Exxon公司，地层分析超出了对准层序的研究，已发展到了对测井、岩心和露头中硅质碎屑岩层序和体系域的分析。这代表了超越地震地层学的一个重要阶段。应用由地层学相互关系定义的测井、岩心和具有很高分辨率的年代地层学系统，就能够对储层作地层和岩相分析。随着硅质碎屑岩层序、碳酸盐岩相和以层序为标志的生物地层学等的积累以及与地震地层学方法的结合，产生了现在被称为“层序地层学”的地层学和相分析的系统及方法论。随着越来越多地用层序地层学方法进行盆地分析，从而产生两点重要认识:①在许多沉积记录中硅质碎屑岩以100,000到200,000年的频率出现。这比原先由地震地层学家发现的频率要高得多;②低水位体系域是保存在硅质碎屑岩层序中占主导地位的体系域，在大陆架它的主要组成部分是深切谷。有关深切谷的例子在文献中已引用。Fisk(1944)记载了与大约27,000年以前开始的最后一次海平面下降相对应的“密西西比峡谷侵蚀下切作用”。密西西比深切冲积谷在有些地方深260m、宽193km。从伊利诺斯州到现在海岸线的下部约三分之二为冲积充填，大约延伸963km远，充填物包括砾石和粗砂。利用高分辨率的地震资料，Suter等(1985)记录了穿过墨西哥湾北部大陆架的区域深切作用，它也是与最后一次海平面下降相对应的。美国西部阿尔必阶泥质砂岩及其同期地层中的深切谷均已被人们深人地研究过。层序地层学将深切谷的形成与相对海平面的升降联系起来，并首次把深切谷列人层序和准层序边界的年代地层学范畴。地震、测井、岩心和露头中层序的详细分析揭示了在低水位体系域的上倾部分深切谷在时空上广泛出现。因此，深切谷的年代、分布以及充填物都是可以预测的(Wagoner等，1990).第三章‘层序地层学模式第一节层序地层系统层序地层学对地层单元的划分有其自己的体系，见表3-1,3-2。识别和研究这些地层单位及其在地层年代和岩相对比中的应用是层序地层学的关键。以下从本系统中的最小单位—纹层，向上至最大的单位—层序进行讨论。层序地层系统中的每种地层单位仅用地层的物理关系来定义和识别，这些物理关系包括横向莲续性、单位边界的几何形状、垂直叠加模型以及在单位中地层的横向几何性质。而且，对于边界面两侧地层的岩相及环境分析都十分重要，尤其是对准层序、准层序组及层序边界的识别。第二节纹层、纹层组、岩层、岩层组Campbell(1967)识别出纹层(lamina)、纹层组(laminaset)、岩层(bed)、岩层组(bedset)作为沉积体的组成部分。我们把这些地