Question

　层序地层的控制因素

Answer 1

海相层序地层学的理论基础是全球同步的周期性海平面变化产生了一系列旋回性沉积层序，且认为海平面变化是影响层序发展演化的重要控制因素（Mitchum等，1977）。层序地层学认为：地层单元的几何形态和岩性受四个控制参数的制约，即①构造沉降，控制沉积物的沉积空间；②海平面升降，控制地层和岩相型式；③沉积物供应，控制沉积物充填和古水深；④气候，控制沉积物类型。而沉降速度、海平面升降速度和沉积物供给速度这三个参数控制了沉积盆地的几何形态，沉降速度和海平面变化速度这两个参数综合起来可作为沉积物可容空间系数。沉积物可容空间是指沉积物充填到受海平面控制的高度为止所在盆地可容纳的沉积物。

这些概念和观点对于海相地层可以很好地用于层序地层学解释，但是在陆相湖盆中是否还适合使用呢？如前所述，陆相湖盆与海相盆地相比存在着很大的差异，陆相盆地的影响因素更为复杂，由于陆相湖盆不同与海洋的这些特点，层序地层学的四个控制参数在层序地层发展演化过程中所发挥的作用与在海相地层中所发挥的作用并不完全一样，其主次地位也发生了改变。划分内陆盆地层序边界的成因依据和层序内部形成体系域的沉积背景不同于海相盆地，但是无论海相盆地还是陆相盆地的沉积岩都是由一系列不同时间级别的地层单元组成（从纹层、纹层组、层、层组到层序），而沉积岩的所有这些地层学和沉积学的属性或特征都记录着地层基准面的变化（Cross,1994），因此可以根据基准面的变化划分和对比每一个盆地的层序，并进一步开展沉积相研究。为了更好地分析陆相层序地层的控制因素及其对层序发育的影响，这里有必要重申一下有关的几个概念。

一、内陆湖盆及其分类

内陆湖盆是大陆上地形相对低洼和流水汇集的地区，也是沉积物堆积的主要场所。水文地质学一般将其分为敞流湖盆和闭流湖盆，二者的沉积动力学系统并不相同。

二、基准面

基准面是控制沉积物堆积的一个重要因素，最初Barrell（1917）将基准面描述为这样一个面：“向着该面外力发生作用，在该面上不发生侵蚀也不发生沉积”。Sloss（1962）又把基准面描述为“平衡面”，并指出“在该面之上颗粒不能停留，在该面之下可能发生沉积和埋藏”。传统的基准面定义是“理论界限或最低面，地球表面的侵蚀不断向着它靠近但很少达到这个面，尤其是这个面之下，河流不能侵蚀它的底床。对陆表来说，总的或最终的基准面是海平面，但是短时间的基准面可以局部存在”（Bates和Jackson,1987）。当然大多数河流以相当大的剪切速度流入大海，由于冲力，这些河流能够局部侵蚀海平面之下的河道。但这一事实并没有影响这一定义被广泛地接受。在层序地层学理论中，Schumm（1993）把基准面定义为有效海平面，尽管于其下有轻微的河流侵蚀。在大型湖泊中基准面就是湖平面。但是在内陆湖泊中基准面真的就等同于湖平面吗？

陆相沉积盆地中，沉积物可容空间的变化与海平面升降没有内在的直接联系，也不受湖平面这一单一因素控制。沉积物可以发育在湖平面之下的盆地内部，也可以发育在湖岸线附近的盆地边缘，甚至可以发育在远离盆地的陆地，如冲积物堆积场所，参看图5-1、5-2（沙四下亚段和孔一段红层沉积对应的就是这种干湖盆的特殊情况，赵澄林（1988）对东濮凹陷沙四段、孔店组红层沉积过程描述为“洪水重力流或风暴回流的高密度、粗组分充填满沟道之后，细的或低密度悬浮物质从沟道向四处漫溢所致，由沟道向远处漫溢沉积物逐渐变细，并穿插叠加覆盖在其它沟道沉积物之上”）。基准面只有在图5-2的情况下才具有原来的意义，在图5-1的几种情况下已失去了它原来的意义。本文提出沉积基准面和主控沉积基准面的概念来解释湖盆的沉积演化。沉积基准面是受湖盆周围高地的高程所控制的一个略向下凹的曲面，其位置、形状随时间和湖盆边缘地形的变化而变化。在陆相湖盆中湖平面始终低于沉积基准面，当湖盆中有水体存在时，湖平面是一个控制沉积物分布和沉积，控制沉积层序发展演化的一个重要的作用面，这里把湖平面及其在湖盆边缘的外延部分定义为主控沉积基准面。沉积基准面和主控沉积基准面的关系如图5-3所示。主控沉积基准面应当是这样一个面，在该面之上颗粒任何时候都不能停留，在该面之下则可能发生沉积物的沉积和保存，尽管在该面之下有可能存在暂时的侵蚀和冲刷。但是主控沉积基准面也不是一个水平面，而是一个相对于地表不断起伏变化的、连续的、略向盆地方向下倾的等势面，是一个曲面，它代表沉积物通量（sediment flux）最小且相对稳定的面，其位置、运动方向及升降幅度不断随时间而变化。主控沉积基准面受湖平面、构造升降、沉积物补偿、沉积物供给速率、地形等综合因素制约。当主控沉积基准面位于地表之上时为沉积物的堆积提供了有利的容存空间，正常湖相沉积作用发生，任何侵蚀作用都是局部的和暂时的，当位于地表之下时，主控沉积可容空间消失，侵蚀作用占主导地位，正常湖盆消失，以冲积和洪水-漫湖相为主，发育大套红色地层。陆相湖盆沉积基准面只受构造升降的影响，同全球海平面变化无任何关系，全球海平面变化对于近海内陆湖盆的主控沉积基准面（主要为湖平面）可能存在一定程度的影响。主控沉积基准面消失以后，沉积基准面开始对沉积物的堆积发挥控制作用。

三、沉积可容空间

Jervey（1988）把可容空间描述为“适合于沉积物堆积的空间，……为了保存沉积物，在基准面之下必须存在一空间（该面之上将出现侵蚀），其内可堆积沉积物，是由海平面上升、构造沉降或二者的综合作用产生的一个空间”。这个定义仍然是针对于海相地层的，对于内陆湖盆它仍然是不全面的。根据前面对沉积基准面的论述，沉积可容空间应该是指沉积基准面之下到现有沉积物表面的一个三维空间，其内可以充填沉积物，它包括主控沉积可容空间和后备沉积可容空间（图5-3）。沉积可容空间的大小主要受控于构造沉降和沉积物的供给，湖平面升降对其基本无任何影响而只影响主控沉积可容空间。主控沉积基准面变化旋回及其伴随的主控沉积可容空间变化的动力学系统控制着沉积层序的形成和层序内部的地层结构，包括沉积物的体积分配、沉积物保存程度、厚度、地层堆积模式、地层三维空间的连续性、几何形态、岩相类型、相序特征和岩石物理性质等。

图5-1　几种特殊情况下的湖盆

由以上分析可见，在内陆湖盆层序地层演化过程中四个控制参数所发挥的作用并不相同，构造沉降主要影响沉积可容空间的大小，沉积物供给主要影响盆地沉积物充填和主控沉积可容空间中的古水深，气候则影响沉积物的类型，湖平面升降受控于构造沉降和古气候，同时它亦控制着主控沉积基准面之下的沉积地层和岩相型式。其中构造沉降、古气候和沉积物供给对陆相层序的发展演化起着决定性的控制作用，湖平面升降仅仅在主控沉积可容空间内发挥作用，而且它的变化还受到前三个参数的强烈影响。这些影响因素对沉积层序的主要控制作用具体表现在如下几个方面。

图5-3　陆相湖盆沉积基准面和可容空间

1.构造升降

构造升降是影响陆相湖盆层序演化的最主要因素，它直接决定着盆地沉积可容空间的形成和消亡。不同级别的构造活动控制着不同级别的层序演化，且对不同类型的湖盆有着不同的影响。

2.气候

在陆相湖盆中气候的变化对于湖平面的升降起着决定性的影响。大气降水是湖水的主要来源，潮湿的气候条件将提供充足的淡水供应，可以使闭流湖盆湖平面上升，甚至变为敞流湖盆，如沙河街组中的层序Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ；在干旱条件下，由于大气降水供应不足，可以使敞流湖盆变为闭流湖盆，甚至变为干湖盆，如孔店组的层序Ⅰ。所以气候这一因素对陆相层序的发展演化也同样起着巨大的影响作用。

3.沉积物供应

与海盆相比，由于湖盆体积小、物源多，沉积物供应对湖盆沉积可容空间的变化也发挥着非常重要的影响作用。对于敞流湖盆，沉积物的充填不影响其绝对湖平面变化，但影响其相对湖平面变化即影响了主控沉积可容空间，最后可能导致湖泊的消亡；对于闭流湖盆，沉积物供应将影响绝对湖平面变化，但对相对湖平面变化或主控沉积可容空间的影响并不大；对于干湖盆，由于不存在什么湖平面，所以此时沉积物的充填只影响后备沉积可容空间的大小。

图5-4　惠民凹陷湖平面变化与全球海平面升降对比关系图

层序地层学强调海平面变化这一主要控制因素，而内陆湖盆的水体自成体系，但是造成全球海平面升降的主要因素——全球性构造运动对其肯定会有一定的影响，尤其是近海湖盆，但是对于惠民凹陷下第三系地层既缺少海相生物化石也缺少象渤海湾盆地其它坳（凹）陷那样大量的盐岩沉积而只在局部地区见有少量膏盐，这里没有充分的证据表明其受海侵的影响，从而表现出内陆湖盆更为复杂性的一面，所以二者在层序演化上并不完全一致，如图5-4所示。