(1)层序地层学研究历史的回顾与展望

1.层序地层学研究的基础和定义

地层学家在实践中逐渐发现,年代地层学、生物地层学和岩石地层学对于地层学来说是不完全的,它们各有缺点。地层学家认为年代地层划分实际上是一种人为的地层划分,深受传统习惯、奠基者优先等因素的影响。,尤其是在确定界线、选择地层剖面等关键问题上,仍然没有比“投票”更好的办法了(吴等,1989)[1]。生物地层学和岩石地层学的分类及其各自的分类单位(生物群、群、组等。)都不同程度地受到地层形成时的沉积环境的影响。因此,人们越来越意识到,单纯依据化石或岩性划分和对比地层有很大的局限性,甚至有些混乱,因此有必要寻找其他方法来建立地层格架。

沉积学和地层学是地球科学中最基础的学科,但由于其他学科的发展和渗透,近年来取得了很大进展,特别是旋回地层学和层序地层学的兴起。这些新思想在油气勘探等生产实践中被广泛接受并成功应用,导致了人们对地球形成演化历史尺度认识的改变和全球同时地层对比原理的出现。

作为广义地层学中一个引人注目的新领域,层序地层学应运而生并迅速发展。而层序地层学的提出和实践是建立在特定地质背景下的被动大陆边缘盆地,即一边与陆地相连,另一边是深海盆地,特别是上新世至更新世墨西哥湾和大西洋大陆架上的海底扇。该盆地的格局和确定的层序有三个特点:一是单向物源和单向海平面波动;二是物源和海平面升降的线性效应。当海平面下降时,沉积物(陆地来源)从陆地迁移到海洋,而当海平面上升时,沉积物(海洋来源)从海洋迁移到陆地。第三,层序界面的形成强调海平面升降速率与构造沉降速率的相关性,忽略了构造活动对沉积体系域成分的影响。

不难看出,经典层序地层学的应用和实践只适用于从裂解到热沉降的被动大陆边缘盆地。

然而,古大陆边缘盆地的地质背景要复杂得多。除了构造沉降、海平面波动、物质供应速率和古气候之外,陆缘盆地性质的转变、相邻板块之间的构造活动对盆地的制约、物源的多向作用以及区域构造活动对相对海平面变化和海平面波动的影响,都会使沉积体系域的构型和叠置关系复杂化,导致在露头上识别层序内的次级界面和体系。因此,层序地层学的应用和实践不能脱离经典的层序地层学模式,不能不区分地质背景和条件而应用。可见,在研究和确认层序地层的划分和对比,建立等时地层格架时,实际中应根据不同的盆地建立不同的层序地层模式,其结果必将对经典层序地层学提出新的挑战,并引起其改革。

层序地层学是在等时地质年代框架内,由不整合及其对应的整合面切割而成的具有三维成因关系的沉积组合。根据P.R.Vail et al. (1987)[2],层序是指一个海平面升降旋回中的沉积体,以海平面下降开始为起点,以海平面下降结束为终点,从而在沉积体的界面上形成不整合,即层序不整合。

斯洛斯在1948中首先提出了序列这个词。虽然其含义不同,但他认为“数列的概念并不新,但我和同事在1948提出这个概念的时候就老了”。然而,斯洛斯对不整合界面层序发展成为一种地层工具作出了巨大贡献。斯洛斯(1963)[3]将北美克拉通晚前寒武纪至全新世地层划分为六套以跨区域不整合为界的地层组合,并以北美印第安部落命名这六套地层组合,以强调它们起源于北美。斯洛斯在克拉通上建立了层序,并绘制成沉积相图。然而,他认为这些层序“不一定适用于克拉通和其他大陆以外的岩石地层学和年代地层学”。虽然克拉通层序奠定了层序地层学的基础,但在20世纪60年代初和70年代还没有被接受。

层序地层学演化的另一个重要发展体现在埃克森公司的P.R.Vail和R.M.Mitchum(1977)[4]的研究成果中。在这些作者提交给各种学术会议的一系列论文中,提出了全球海平面升降以及由此产生的以不整合为边界的地层格局。米彻姆深化和扩展了数列的概念,使其有了更准确的定义,并改变了斯洛斯数列的用法,主要表现在以下两个方面:

第一,Vail和Mitchum所指的层序比斯洛斯短得多,原来的6个北美克拉通层序被他们划分得更细,北美克拉通层序被归为超层序);埃克森研究人员编制的循环图。

其次,维尔的层序概念强调全球海平面波动是层序演化的主要驱动机制。这一解释在沉积学家和地层学专家中引起了争议和怀疑。

在M.T.Jervey(1988)[5]建立了可容空间模型后,新的解释拓宽了地震地层模式的分辨率,人们很快对可容空间模型有了* * *认识,可容空间模型可能将层序划分为更小的地层单元。这些较小的地层单位后来被称为“体系域”,根据体系域的发育类型将层序划分为ⅰ型或ⅱ型。在建立上述概念模型的同时,在D.E.Frazier(1974)[6]和C.V.Campbell(1967)[7]的强烈影响下,Exxon公司的一些地质学家开始利用测井、岩心和露头资料分析向上变浅的硅质碎屑岩的叠加样式及其地层单元的年代地层学。上述研究方法容易与概念模型混淆。虽然J.L.Wilson(1975)[8]等人将向上变浅的地层单位称为“旋回”,J.C.Van Wagoner等人(1989)[9]称之为“准层序”。这个术语保留了P.R.Vail等人(1987)用“旋回”一词表示有规律的重复事件的时间,也强调准层序与层序之间的关系。

层序地层学的基本单位是层序,层序中体系域的层序和叠置对应一个海平面升降旋回中海平面变化的各个阶段。在体系域内,以二次水淹面为界,形成一对向上变浅的地层,称为准层序。由性质相同的泛滥面组成的多个准层序的叠加称为准层序组,因而有水进体系域准层序组、低水位体系域准层序组和高水位体系域准层序组之称。对于三个含义不同的术语:层序、准层序组和准层序,王宏镇提出称之为正层序、子层序和微层序,这也是本文所采用的方法。

层序或正序的确定是层序地层学分析的基础。目前,层序地层学学派划分层序大致有四种方案:

(1),以P.R.Vail领导的Exxon研究组(1987)[2]为代表,以海平面下降开始和结束时形成的不整合面或其等效整合面为层序界面标志,强调层序不整合面的成因受海平面快速下降控制,构造运动只起到加强和减弱层序界面印记的作用,并根据海平面下降的幅度和速率,

(2)加洛韦(1989) [10]采用最大海水淹没面作为层序顶底界面。这种方案只充分考虑了层序顶底界面的瞬时等时性,而忽略了他所定义的层序中的不整合面,代表了地质时间的损失,所以这种划分方案不利于地层的划分和对比。

(3)Johnson等(1985)[11]认为该层序是一个以不整合或海侵-剥蚀不整合为界面的海侵-海退旋回地层层序。

上述三种层序划分方法与定义标志的相似之处是海平面变化是控制体系域层序成因和沉积相分布的内在机制,但它们又有很大的不同。关键是序列边界的定义不一样,所以三种不同方案的“序列”是不能比较和混用的。

(4)以科罗拉多矿业学院t . a . Cross(1994)[12]为首的成因地层组认为,地层基准面旋回是控制地层层序形成和划分的一个关键。地层基准面受海平面变化、构造沉降、沉积载荷补偿、沉积物供给速率和沉积地形等综合因素的制约。Cross等人引用并发展了h . e . Wheeler(1964)[13]提出的基准面概念,分析了基准面旋回和海相层序的过程-响应原理,可以说是美国层序地层学的一个新流派。这一观点和思路有助于研究上陆架、三角洲、海底扇等沉积单元的对比和沉积体的精细划分,因此备受地质学家的关注。

2.层序地层学应用实践中的问题

80年代中后期,我国也相继开展了层序地层学研究。除了一些油田的地震地层学之外,地质学界主要研究古大陆边缘海相地层的露头层序地层学。其中,刘宝军、许等人[14]建立了中国南方扬子地台东南缘震旦纪至三叠纪的层序地层格架。他们绘制了相应时限内的海平面升降曲线,提出了扬子地台地质历史中两个碳酸盐台地与海平面升降旋回的关系,初步尝试将层序地层学研究与盆地演化相结合,拓展层序地层学的应用。许、牟传龙[15]在详细露头研究的基础上,开展了湖南泥盆纪层序地层学研究,编制了以最大洪泛面、古岩溶面和各种低水位体系域为标志的等时和穿时沉积相古地理图,提出了三种类型的层序界面;在此期间,国内其他学者也进行了层序地层学的研究。乔秀夫、吴英林等人[16]]、盛等人[17]、魏等人分别对晚元古代、古生代和中生代地层进行了大量的层序研究。这些研究无疑为层序地层学的应用积累了丰富的经验。由于层序地层学的研究主要在露头上进行,实践中出现了新的问题,主要表现在以下五个方面:

(1)序列的选择和序列边界定义。海平面下降时,以裸露面或最大淹没面作为层序界面,在实践中颇有争议。一般认为,裸露面只能在河流复兴发生的区域识别,而且是深水区的隐蔽不整合,识别难度较大。相反,最大洪泛面可以作为等时界面追踪,也可以被生物圈标记。

(2)露头上的层序界面与生物地层界面的吻合程度也很值得怀疑。生物地层学家(尹鸿福口述,1994)认为生物界面和层序不整合界面有时间差,在露头上的分布不一致,应以泛滥面作为层序界面。层序地层学和生物地层学的矛盾和统一需要在实践中深化。

(3)层序不整合界面的性质和类型多种多样,特别是在碳酸盐岩分布区或碳酸盐台地,层序不整合界面上的沉积记录均显示海侵体系域。因此,许多学者对层序界面的类型感兴趣,提出了三种界面类型或对层序界面进行遗传分析。

(4)尝试将层序地层学和等时层序界面类型的研究应用于盆地演化和盆山转换的过程分析。

(5)国内也开展了陆相地层层序地层学的研究和应用,如李思田等人(1992)[18]在鄂尔多斯陆相坳陷盆地进行了层序地层学研究;汪东坡等人开展了松辽裂谷盆地陆相层序地层学研究;赵宇光等(1993)[19]对准噶尔盆地三叠系-侏罗系层序地层进行了划分。此外,南海油田、渤海油田和长庆油田开展了陆相地层地震地层学研究。然而,除了地震地层学、层序地层学研究之外,这方面的研究不仅在国内,在国外也是如此。一是对层序边界的划分有不同的理解,二是对体系域有不同的定义和理解。这两个问题其实是相互联系的,关键是识别陆相地层中的层序界面,有的以最大洪泛面为界,有的根据侵蚀基准面标定,二是沉积体系域的定义和识别,与海相地层不同,需要进一步探索。