层序地层学分析基础

1.2.l　层序地层学与传统地层学的主要区别

传统地层学根据生物、岩性和地质年代的特点建立起几种不同的分类系统，如本区显生宙最底部地层为寒武系下寒武统梅树村阶玉尔吐斯组。无论是寒武、梅树村或玉尔吐斯，都是人为赋予的名称，没有成因意义。这一组里开始出现小壳动物化石。有人主张寒武系应以小壳动物化石首次出现的地层为底界，但习惯上却以小壳动物化石大量出现的地层为底界。因此在同是生物地层学的分带上也存在着矛盾。本组地层在柯坪肖尔布拉克地区的岩性为含有磷块岩、黑色含沥青泥岩、硅质岩的灰色微晶白云岩、细晶灰岩、薄—中层泥岩。按岩石地层学分层概念，此层在塔东北库鲁克塔格地区有一对应岩性段为西山布拉克组。不过，在西山布拉克白云岩之下，还有一套厚34.3m的紫红、紫灰、黄灰色块状含漂砾的砾岩和砾质泥岩，属重力流沉积，名日汗格尔乔克组。习惯上，把它归入震旦系。然而从层序地层学观点看，含磷块岩及沥青泥岩的玉尔吐斯组是在一个层序形成中期海进条件下沉积的，称之为海进体系域。其海侵事件的时代和相同岩性的西山布拉克组相当。而汗格尔乔克组的重力流沉积属于一个层序发育第一阶段在深水盆地区沉积的低水位体系域中的重力流盆底扇。于是，按照层序地层学观点，这里的寒武/震旦系界线是错的，作为真正的一个成因地层单位的底界，应当划在震旦系内的汗格尔乔克组底界上。在肖尔布拉克地区的层序真正底界在小壳孙磨培动物化石首次出现或者玉尔吐斯组下面的一个明显的首次海泛面处。这里是层序中部的海进体系域沉积与下伏层序直接接触，缺失了汗格尔乔克组所代表的低水位体系域，见图1—2。

图1—2　柯坪地区和库鲁克塔格地区层序地层与传统地层对比的差别

这个例子说明了几点：①传统地层划分是人为的，没有参考地层的沉积成因；②在生物地层单位中，常常由于不同化石的穿时后延而发生矛盾；③岩石地层单位的对比常常是穿时的；④年代地层单位在一般条件下很难逐层进行年龄标定，因此，在一般条件下，很少人使用年代地层单位，实际上形同虚设；⑤由于地层划分不与地层成因相联系，很难将一个地层单位与油气藏的形成、有利成藏区带预测相联系。

层序地层学强调地震资料、钻井、测井资料和地表露头资料的综合研究，与传统地层学相比较，层序地层学有如下一些特点：①地震反射界面基本上是等时面，地震资料为地下地质解释提供了三维空间上的等时地层结构框架，地震资料的质量越好，分辨率越高，则提供的信息越可靠、越准确；②岩心、岩屑、地面露头的实际观测与研究，为层序解释提供了直观的第一性资料；③合成地震记录或垂直地震剖面（VSP）为钻井与地震资料搭桥，使地震资料的解释更准确、更合理。

1.2.2　层序地层学的原理及其应用

层序地层学的原理及其应用，可以概括为如下方面：

（1）地则唯质历史中曾发生过多次海平面、湖平面或沉积基准面的周期性变化。这些变化是由构造运动、全球海平面变化、沉积物供应、气候变游圆化综合结果引起的。

（2）沉积基准面（上限）与沉积物表面（下限）之间的空间称为可容纳空间，沉积物就是、也只能是在这个空间中沉积下来的。

（3）基准面的周期性变化会造成可容纳空间的周期性变化。

（4）这些变化是非常复杂的，但是，通过傅里叶变换，可以把它们分解成时间跨度或频率大小不同的若干级次.R.M.Mitchum和P.R.Vail（1991）等人、R.K.Goldhammer（1993）等人和M.E.Tucker（1991）所采用的标准分别如表1—2、表1—3和表1—4所示。

表1—2　层序级次及米兰科维奇轨道参数对比　（据R.M.Mitchum和P.R.Vail,1991，略有修改）

表1—3　不同级次层序的时间跨度

表1—4　海平面变化级次和机理

本书采用的是现今常用的第一种方案。

（5）每一个完整的周期内两个相邻下降翼拐点（或拐点附近某点）之间形成的沉积物称作一个层序。见图1—3。

图1—3　基准面变化周期与层序及体系域的关系

df—盆底扇；sf—斜坡扇；pgw—前积复合体

（6）每个层序由三个体系域组成，它们并不完全是彼此平行的千层饼状，而是不均一分布，请仔细研究图1—4和图1—5中所示的地层结构。

图1—4　横切物源方向的沉积层序。

图1—5　硅质碎屑岩层序地层模式

（a）完整的Ⅰ型沉积层序界面的地层横剖面。这个沉积层序沉积在一个高水位期沉积体系域（HST）顶部，其上覆盖了由Ⅱ型层序界面不整合产生的陆架边缘楔形体（SMW）。密集段（虚线）包含了海进和高水位体系域的远端部分。（b）（a）中同一地层序列的时间—距离图。密集段朝盆地方向持续时间增加，由于海进体系域中退积准层序的连续上超而使底部向陆地方向逐渐变新。最大海泛面（mfs）也叫下超面（Mitchum,1977），作为海进和高水位体系域的分界线。这个面构成了有力的地层和时间地层标准层。说明：SB—层序边界；SB1—Ⅰ型层序边界；SB2—Ⅱ型层序边界；DLS—下超面；mfs—最大洪水面；tfs—顶部扇面；tls—有堤河道的顶面；TS—海侵面（最大海退之上的第一次洪水面）；HST—高水位期沉积体系域；TST—海侵沉积体系域；LST—低水位期沉积体系域；ivf—切割河谷充填；LSW—低水位期楔形体；lcc—堤道复合体（大陆斜坡扇）；LSF—低水位期扇；fl—扇舌；fc—扇道：SMST—陆架边缘沉积体系域

（7）准层序及准层序组是组成层序的最基本单位，也是构成油气藏的基本单位。准层序有四种类型，但基本特点是沉积环境的水深向上变浅，它是在两次小的海泛之间沉积的。图1—6、图1—7为其中的二种类型。

图1—6　向上变粗的准层序特征

图1—7　向上变细的准层序特征

（8）准层序形成于：①水下河流改道后引起的泥质沉积物的迅速压实；②构造沉降；③海平面或其它基准面的迅速下降。后二者可导致一系列的准层序的形成，其时间跨度可以等于或超过四级层序的形成时间，见图1—8。

图1—8　全球海平面变化及构造沉降作用形成的层序与准层序（据J.C.Van Wagoner,1990）

（注：英尺为非法定计量单位，1英尺＝0.3048m）

（9）一些低级的层序可以叠置组合成高级复合层序，其中的低级层序可以看作是高级层序的低水位（或陆架边缘）、海进和高水位体系域。如图1—9所示。但称它们为低水位、海进或高水位层序组。

图1—9　层序、层序组和复合层序（据R.M.Mitchum,1990）

（10）在地震剖面中经常看到某些段落出现明显的前积高频层序（四级或五级），其它段落虽有同样现象，但不明显（图1—10）。很多隐蔽圈闭就是从这里预测出来的，而过去的研究中却多被忽视或被错误解释。

图1—10　地震上显示的典型高频层序（塔里木盆地EW—500测线中上白垩统—第三系的高频层序）

（11）前积现象构成的前积砂体（即朵状体），实际上使储集岩隔段化（compartmentalization），这些隔段边界阻碍了流体的流动，其走向上的变化可构成一系列圈闭（图1—11）。

图1—11　成因层序中储集岩的隔段现象（据D.W.Valasek对新墨西哥州白垩系Gallup砂岩的研究成果）

前积作用中的间断形成于㬵结泥岩构成的隔段边界，这些边界大体与临滨面—陆架前积斜坡面吻合，使砂体在走向上连通，但在倾向上受到隔挡。

（12）准层序、层序等在空间上的叠置和变化规律，有助于利用少数资料预测其在三度空间中的变化，从而提高了地质人员的预测能力。图1—12和1—13表示在碳酸盐岩台地上，在一低频（1—10Ma）高幅的三级海平面周期的背景上，叠置以四、五级（10—100ka）高频低幅海平面变化之后的准层序叠置模式，注意不同阶段准层序的厚度变化。依同理，在海岸线两侧，随着基准面上升或下降的不同以及可容纳空间变化的不同，在沉积物供应速度相同的情况下，沉积物在朝陆地一侧或朝海一侧的分配比例、岩石的不均一性、相带组合、地层几何形态以及它们在三维空间的连续性、岩石物理性质、各种沉积构造标志和保存程度均不相同。这是由于陆架坡折点两侧沉积的陆相和海相砂岩体积比例不同，即体积分异（volumetric partition）和相分异（facies differentiation）造成的。这些现象为深层次沉积学研究指明了方向，也对定量模拟（包括沉积模型模拟和计算机模拟）提出了更高的要求。图1—14说明了海岸两侧沉积物在不同条件下的体积分异现象。

图1—12　碳酸盐岩台地上沉积的准层序叠加方式

低幅高频（四级、五级，10—100Ma）准层序叠加在高幅低频（三级，1—1OMa）层序上

图1—13　碳酸盐岩台地上层序叠加方式与二级海平面升降变化强度的关系及其相关成岩作用的差别（图中三级层序年龄为1—10Ma，二级层序为10—100Ma）

图1—14　海岸两侧沉积物在不同条件下的体积分异现象（据M.H.Gardner及T.A.Cross,1993）

（13）硅质碎屑岩层序中的低水位体系域、低水位层序组为今后油气勘探提供了广阔前景。图1—15中低水位体系域可能是形成良好圈闭的重要部位。经过重新检查，现已证明，在美国一些成熟探区已发现的油气藏中，相当一部分位于低水位体系域内。近年来，据此新概念，又有新的油气藏发现。

图1—15　盆地斜坡背景下的低水位体系域中砂体及可能形成的圈闭分布

（14）在碳酸盐岩中找油找气应当遵循一套新的思路，其根本点在于碳酸盐岩是盆地内生物化学及化学作用形成的内源岩，而不是外界供应形成的外源岩，其形成、相带分布及配置关系、后生作用等均与硅质碎屑岩迥异。

（15）陆相地层同样也可以并应该进行层序地层学研究，因为陆上同样有基准面和可容纳空间的变化，层序地层学的基本概念和思路是适用的，主要的区别在于：①在陆上以过路递降均衡表面代替海平面和湖平面；②沉积物供应来自多方向，且供应速度远大于海相环境；③气候可能起更大控制作用；④局部作用的小型断裂、拉张、滑移、刺穿等可能起更大作用；⑤与海盆相比，陆盆的规模狭小得多，沉积物和层序及岩相的展布受边界条件的影响更大（如生长性正断层、逆断层），这些边界是不断改变的，有时可能根本改变了盆地边缘的最初面貌，如丧失原型盆地的边界，改变盆地边缘或内部块体的高程等等。

这些都可能导致层序、准层序、相带间的复杂空间配置关系。然而，经验告诉我们，在渤海、松辽、二连等陆相盆地，层序地层学原理不但适用，而且还解决了某些长年悬而未决的问题，特别是指出了新的找油方向。本项研究结果也证明，层序地层学原理不仅适用于塔里木盆地古生代海相地层，而且也适用于中新生代的陆相地层。

（16）最大海泛面在层序地层学解释中占有重要地位。大量资料表明，地质学家多年来用作分层标准和层位追踪的反射波组，如T₁、T₂、T₃……大多数是层序中的最大海泛面，它们的连续性依其发育程度而异。大的层序的最大海泛面，可以全区追踪，局部发育的小规模的高频层序，则只在局部地区发育可追踪的反射。由此产生了几个问题：①过去人们总是将最大海泛面作为分层的标准，但是常常与古生物的分层发生矛盾，其原因就在于最大海泛面的下面还有低水位体系域，层序的划分与传统分层在很多情况下不一致；②在追踪反射波组时，有时出现反射消失或者多出一个或多个新的连续反射，不知应继续追踪哪个，特别是在出现斜的前积或强反射时更是难以选择；③利用地震资料能不能划分层序？能够划分多细？能否满足勘探需要？

上述问题是相互关联的，也是地质学家最为关心的。下面将综合性地予以阐述。

首先，选择全区连续的强同相轴，并通过合成记录或VSP确定其地质时代和属性后，当作地层划分的标准波组是个已用多年的行之有效的办法。这一点应当肯定。但是，第一不要把它看作一定是传统地层分层的界面，因为传统分层中很多是以不整合面为根据的。第二不要把它和层序界面相混淆。因为只有当海泛进入陆架之上的地段，才可以近似地靠近（但不是重合）真正的不整合面（层序界面）。此时，一个经常发生的现象是，在连续的最大海泛面的反射之下，出现一些不太明显的轻微下凹的反射，这些是下切河谷，它们才是该处的层序界面，虽然它并不是位于低水位体系域最底部的盆底扇之下。

在追踪反射波时要特别注意反射系数的正负（即波峰或波谷），一般情况下取右为正，即波峰为正，左（波谷）为负。在与测井曲线对比时要注意，由低速岩层进入高速岩层时，其反射系数为正（波峰），反之为负。在资料质量较高的情况下，在地震与测井及合成记录（或VSP）之间，可以找到良好的匹配关系。

在连续的代表最大海泛面的反射波组出现分叉或者出现多个同相轴时应如何处理？分叉现象多出现在陆架边角开始进入盆地处。上面的一个同相轴继续沿着最大海泛面延伸，而下面的一个则可能沿着层序底界或者低水位体系域内的一个明显反射界面向前延伸。如果仔细检查这两个反射之间的断续弱反射，再加上已有的层序地层学的概念，是不难作出合理判断的。

层序地层学为我们寻找和开发新油气藏、重新认识老油气藏提供了一套完整的新思路、新方法。它代表了未来十年和下个世纪初地学发展的总趋势和大方向，改变了地学领域内多年习以为常的理论与概念，属于基础理论性研究。然而，由于它与油气勘探、评价、开发有更密切的关系，因此，它更偏重于应用科学。目前看来。有些基本问题很难在短期内得到解决，如准确的测年、四大控制因素的定量区分等，许多石油公司在讨论勘探开发油气时，言必涉及层序地层学，并配有专人从事这项研究工作，其根本原因是经济观念在起作用，是由于层序地层学的概念帮助他们找到了新油气田，提高了老油气田开发效率，提高了经济效益的结果。

思路和概念转变之后，跟着的是必须改变研究的技术路线、流程和工作方法。这方面我们还有很多工作要做。要结合盆地的具体特点探索总结出一套新的工作方法，以适应工作需要，加速油气勘探与开发。