层序地层学是研究一套由不整合面及其相当的整合面为界的、具有成因联系的年代地层格架内岩层间相互关系的一门学科(Vail P R,1988),其中心思想是建立盆地等时性地层格架。它是在地震地质学基础上发展起来的新的地球科学分支学科(Vail P R et al.,1977)。由于地层是四度空间地质体,地层间断测定或沉积间断的定量研究对沉积盆地分析是必不可少的。层序地层学迅速发展的根本原因在于层序边界的年代地层学意义,根据层序地层研究可建立一个等时地层格架,确定盆地中沉积体系的三维配置关系,统一了传统的生物地层、岩石地层和年代地层间的关系,消除了地层多重分类系统间的矛盾。
层序地层学理论发展是建立在地震地层学与被动大陆边缘海相地层序列研究成果基础上。其基本理论是海平面升降旋回控制着海洋和海岸环境重大沉积层的分布,并作为划分层序及沉积体系域的依据。层序地层学以全球海平面变化的思想为基础,根据露头、钻井、测井和地震资料,结合沉积学解释,对地层层序格架进行综合解释。层序地层学从四维时空来认识沉积记录,并将其和全球海平面变化与地壳沉降联系起来,从而增强了全球不同地域、不同时代地层间的可对比性。当它与生物地层学结合时,可提供一个更为精确的不整合界面及与之相当的整合界面为界限的年代地层格架,并成为分析全球海平面变化及盆地演化的基础。由于层序地层具有预测地层、沉积体系和沉积体系域叠置及分布样式的作用,因此对恢复能源盆地的沉积格架、预测油气藏的分布,以及恢复盆地的充填序列和演化均具有重要意义。国内一些地质学家已成功地将层序地层学理论运用到大部分沉积盆地分析及找矿当中,并取得了丰硕的成果。层序地层学自1988年真正面世至今的二十多年来,在海相和陆相地层的研究及层序发育的控制因素等方面皆取得了举世瞩目的成就,主要表现在研究领域的拓宽、研究深度的加深,同时也派生了一些新的学派和边缘学科。
传统岩石地层具有较强的填图性,但其对盆地分析、沉积矿产的生、储、盖预测等缺少有效的分析方法和理论,更易造成地层等时对比的矛盾(刘招君等,2002),而层序地层学以它的科学性、定量性、预测性和综合性越来越被广大地质学者所重视。尤其是高分辨率层序地层学理论自创建以来,以其全新的技术方法和显著的实际应用效果,引起了国内外众多学者的高度重视。它是由Corss T A为首的美国科罗拉多矿业学院成因地层研究小组在1994年首次提出的(Cross T A,1994a),是近年来崛起的层序地层学新学派,其理论核心是:在基准面旋回的升降过程中,由可容纳空间和沉积物供给量比值的变化,由相同沉积体系域或相域中发生的沉积物体积分配过程,可导致沉积物的保存程度、地层堆积方式、相序、相类型及岩石结构发生变化,这些变化是基准面旋回过程中所处位置的可容纳空间与沉积物供给量比值的函数,因而由基准面旋回所控制的等时地层单元在三维空间中的保存程度、堆积样式、沉积相类型和演化序列不仅是有规律可循的,而且是可以预测的。高分辨率层序地层学是以露头、测井、岩心和三维高分辨率地震反射资料为基础,以高分辨率层序地层理论为指导,运用精细地层划分和对比技术,建立区域高精度地层对比格架,在成因地层格架内对地层和油藏进行评价和预测的一项理论和技术。
邓宏文教授在1995年引入了高分辨率层序地层学理论(邓宏文,1995),并较为系统地介绍了该学派的基本原理,将其基本原理总结为基准面原理、体积分配原理、相分异原理和等时对比法则,引起了国内地质学家,尤其是石油地质学家的关注。1996年邓宏文教授结合研究成果,总结了在陆相层序中识别地层基准面旋回进行等时对比的方法,给出了在岩性剖面、测井曲线、地震剖面三种常用的地质资料中识别基准面旋回的可操作的方法(邓宏文等,1996)。1997年邓宏文等给出了如何在河流相和湖相地层中识别基准面旋回,进行高分辨率层序地层学研究的实例,认为高分辨率层序地层划分与对比技术适用于陆相地层研究,可以加深对冲积河流相地层形成、发育、演化及相分布特征的认识,提高河流相储层预测的精度(邓宏文等,1997;王洪亮等,1997)。高分辨率层序地层学通过精细层序划分和对比技术,建立各种级别的成因地层格架,对各种级别沉积体进行评价和预测,更具有客观、动态、准确、精细等特点(李增学等,2000)。在中国广泛分布的中新生代油气盆地及含煤盆地研究中取得了巨大成功,并且已经证实该理论体系及技术方法(池秋鄂等,2001;罗立民,1999),相对Vail等沉积层序地层学及Galloway等(Vail P R,1988;Galloway W,1989a,1989b)成因层序地层学理论更适合陆相盆地的层序地层学分析。其后,关于高分辨率层序地层研究的成果屡见报道,基本形成了高分辨率层序地层学研究的高潮。
通过国内外的研究成果看,高分辨率层序地层学具有以下特点:①非海相沉积研究是高分辨率层序地层研究的特长,大部分研究都是陆相或近海平原沉积;②多种资料的综合应用是进行高分辨率层序地层研究的前提;③建立高精度的开发地质格架,预测储层非均质性是高分辨率层序地层学研究的主要目标;④地层沉积过程模拟是目前高分辨率层序地层学研究的热点。
层序地层学作为新兴地层学的很重要分支,如果只适用于海相地层而不适用于陆相地层层序分析,则其是局限的,不完整的。20世纪80年代以来,多数地层学家认为:源于被动大陆边缘的层序理论也适用于陆相地层,但不能机械地照搬,这是由于湖泊等陆相沉积环境的异旋回沉积作用与受控于海平面相对变化的海相盆地沉积作用具有相似性,因此层序地层学的理论和方法同样可以运用于陆相湖盆的研究和陆相盆地石油天然气的勘探。但由于湖相盆地的沉积特征受构造、气候作用影响较大,盆地结构类型复杂,湖盆水域浅、小,湖盆地形坡折缺乏、陆源供给类型、方式复杂,湖平面变化频繁从而造成沉积体系类型多、相变快,因此层序地层学的理论和方法在陆相湖盆中的应用与海相盆地存在明显差异。要成功应用层序地层学的原理,就需要对陆相盆地的构造活动、气候变化、湖平面变化、沉积物供给及基准面变化进行全面了解和研究,才能根据陆相湖盆的地质特征作出反映陆相盆地的层序地层研究成果。
由于陆相盆地的地质结构明显不同于大陆边缘盆地,因此陆相盆地层序地层的研究与大陆边缘盆地相比具有较大差异。陆相盆地层序地层发育的主要特点表现为:①构造是控制陆相盆地形成的主导因素,它不但明显控制盆地性质、规模和形态,而且也控制沉积作用的旋回性,构造控制下所形成的盆地性质类型不同,其层序地层发育特征也不同。我国东部中新生代陆相盆地层序地层形成与演化主要受控于特定构造背景下的区域构造事件或幕式构造旋回,所形成的断陷式或断坳式盆地分割性强,并主要受盆缘断裂带控制;盆地蓄水空间、湖盆扩展和萎缩、体系域面貌等明显受控于不同时期构造样式或构造格架;幕式构造的旋回性决定沉积作用的旋回性,并制约着充填物具有物源近、堆积速度快、沉积物中含突发性事件的特点。②气候周期性变化导致大陆地表水流量及沉积速率周期性变化明显,它与构造作用共同控制盆地蓄水区水体的规模及搬运方式,决定着沉积物类型,从而制约盆地内层序地层的发育。③陆相盆地具有多物源、多沉积中心、相变快、相带窄、水域面积小和变化大等特点,其沉积体系域类型比海相大陆边缘盆地更多样化和复杂化;陆相盆地在纵向上演化快、不稳定系数大,盆地发育的不同时期,不同方向的物源相对作用的能量和沉积物的类型不断变化,决定了陆相盆地层序地层分布的复杂性和多样性。④湖盆沉积受地表水影响较大,在湖盆消亡期表现尤为明显;另外,除湖泊沉积区(滨浅湖—深湖)外,还包括风成区、冲积扇区、河流冲积平原及河流沼泽区,这些沉积区形成的陆相层序地层特点显然与海相层序有明显差别。
基于上述陆相层序地层特点,决定了在对其研究中要注重以下几点:①陆相盆地研究范围不仅要研究湖盆,还研究河流沉积和冲积扇沉积;②要注意研究不同类型盆地、不同环境盆地,它们的层序地层特征也不相同,要针对具体情况具体分析,总结不同类型和环境下盆地的层序地层学特征和模式;③陆相沉积盆地的分割性决定了不可能在很大区域内进行完整的地层对比,只能尽可能地寻找某一特定区域对比层,建立该区域的等时地层格架;④湖泊相是陆相盆地有利于层序分析的因素之一,但也只能当湖泊在盆地中占主导地位时才可以把它与“海”相类比;⑥由于陆相盆地的多物源性,因此就从三度空间分析层序的演化与分布特征,总结出相对具有普遍意义的层序模式(顾家裕等,1997;吴因业,1996;吴因业等,2002)。
陆相层序地层学问世以来,发展很快,其发展趋势主要表现以下几方面:
(1)随着陆相层序地层学研究的不断深入,以及计算机技术的广泛应用,计算机模拟层序地层学分析已经成为陆相层序地层学的一个新的发展方向。从而可以更精确地研究陆相层序的形成、相带的组合与分异、主要控制因素,及其对层序的几何形态、沉积相、地震层序(层序组)等的影响,促使地层学由定性到定量方向发展。
(2)从成因上来分析陆相地层中各种类型层序的形成与演化,特别强调地震地层学、测井地层学以及与生物地层学与钻井资料相结合的综合研究。
(3)将构造运动、沉积体系、相分析和含油气系统相结合,综合分析地层的形成、演化、相带匹配以及岩性分布规律。
陆相层序地层学在高科技条件下诞生,丰富的地震与测井资料以及岩心等资料提供了大量的三维、四维信息,陆相层序地层学就是要充分利用和正确解释这些信息,使之与煤田、油气的勘探与开发相结合。可以预言,21世纪是陆相层序地层学蓬勃发展的时期。
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