Question

高分辨率层序地层学的理论基础

Answer 1

高分辨率层序地层学实际上是指分辨率高于地震分辨率的地层学^［23］，究竟多大分辨率算高呢？并无一定的明确界线^［24］，它是将岩心、测井、露头、地震等资料相结合的综合层序地层学研究方法^［25］。

以Cross领导的科罗拉多矿业学院成因地层研究组是近年来兴起的高分辨率层序地层学派的突出代表。有关高分辨率层序地层学的理论基础和地层基准面的识别、对比技术，国内已有详细的介绍和讨论^{［26，27］}。以下的高分辨率层序地层学理论部分摘录自邓宏文^{［26，27］}的论著。

高分辨率层序地层学以地层-响应沉积动力学为理论基础，主要由四部分组成，即：地层基准面原理、体积划分原理、相分异原理与旋回等时对比法则。

3.4.1.1 地层基准面原理

科罗拉多矿业学院Cross^{［28，29］}领导的成因地层研究组认为，受海平面、构造沉降、沉积负荷补偿、沉积物补给、沉积地形等综合因素制约的地层基准面是理解地层层序成因并进行层序划分的主要格架。Cross等引用并发展了Wheeler（1964）提出的基准面的概念，认为地层基准面并非海平面，也不是相当于海平面的一个向陆方向延伸的水平面，而是一个相对于地球表面波状升降、连续、略向盆地方向下倾的抽象面（非物理面），其位置、运动方向及升降幅度不断随时间而变化（图3.23）。基准面在变化中总是有向其幅度的最大值或最小值单向移动的趋势，构成一个完整的上升与下降旋回。基准面的一个上升与下降旋回称为一个基准面旋回。基准面可以完全在地表之上或地表之下摆动，也可以穿越地表之上摆动到地表之下再返回，后者称基准面穿越旋回（base level transit cycle）。一个基准面旋回是等时的，在一个基准面旋回变化过程中（可理解为时间域）保存下来的岩石为一个成因地层单元，即成因层序，其以时间面为界面，因而为一个时间地层单元。

图3.23 基准面、可容纳空间与沉积物供给之间平衡时的地貌状态^［28］

基准面相对于地表的波状升降，伴随着沉积物可堆积空间（可容纳空间）的变化（图3.23）。当基准面位于地表之上时，提供了沉积物的空间，沉积作用发生，任何侵蚀作用均是局部的或暂时的。当基准面位于地表之下时，可容纳空间消失，任何沉积作用均是暂时的和局部的。当基准面与地表一致（重合）时，既无沉积作用又无侵蚀作用发生，沉积物仅仅路过（sediment bypass）而已。因而在基准面变化的时间域内，在地表的不同地理位置上表现为四种地质作用状态，即沉积作用、侵蚀作用、沉积物路过时产生的非沉积作用，沉积物非补偿（可容纳空间、沉积物供给量比值）产生的饥饿性沉积作用乃至非沉积作用。

基准面处于不断的运动中，当其位于地表之上并对于地表进一步上升时，可容纳空间增大、沉积物在该可容纳空间内堆积的潜在速度增加，但沉积物堆积的实际速度还受控于沉积物搬运的地质过程。也就是说，可容纳空间控制了某一时间内、在某一地理位置沉积物堆积的最大值。在沉积物质供给速度不变的情况下，可容纳空间与沉积物供给量比值（A/S值），决定了可容纳空间沉积物（有效可容纳空间）的堆积速度、保存程度及内部结构特征。当基准面位于地表之下并进一步下降时，侵蚀作用的潜在速度将增加，但实际侵蚀速度也受沉积物搬离地表的地质过程所限制。因此基准面描述了可容纳空间的建立或消失、与沉积作用间的作用变化过程。可将基准面看作一个势能面，它反映了地球表面与力求平衡的地表过程间的不平衡程度。要达到平衡，地表要不断地通过沉积或侵蚀作用，改变其形态，向靠近基准面的方向运动。

3.4.1.2 体积划分和相分异原理

沉积物体积划分（volumetric partitioning）即在成因地层内沉积物被划分为不同的相域过程。它是基准面变化过程中，不同沉积环境可容纳空间的四维（空间+时间）动力学变化的产物。体积划分直接伴随着原始地貌形态的保存程度、沉积物厚度、内部结构等，以及诸多的沉积学和地层学的响应。

伴随着可容纳空间的变化和沉积物的体积划分，保存在相同沉积环境中的相序、相组合、相类型和相的多样性，也有显著区别，统称为相分异（facies differentiation），因而也直接影响着储层的物理特征，如储层相在三维空间的连续性、几何形态、岩性及岩相类型及岩石物理性质（非均质性）。如高可容纳空间与低可容纳空间形成的河道砂体，其几何形态（宽度与厚度之比）、砂体的连接性、侧向连续性、相互截切程度、底形类别、保存程度、底滞沉积厚度与类型均有明显差异。

3.4.1.3 旋回等时对比法则

高分辨率层序地层划分与对比，是依据基准面旋回、可容纳空间的变化，导致岩石记录的地层学和沉积学特征的过程-响应原理进行的。而成因层序对比是通过相序的变化识别层序（垂向剖面上即旋回）的位置及边界，进而分析连续的层序空间上的排列或沉积样式，划分不同级次的基准面旋回来实现的。

Cross认为，在成因层序的对比中，基准面旋回的转换点（turnround point），即基准面由下降到上升或由上升到下降的转变位置，可作为时间地层对比的优选位置，因为转换点为可容纳空间增加到最大值或减小到最小值的单向变化的极限位置，即基准面旋回的二分时间单元的划分界线。转换点在地层记录中某些位置表现为地下不连续面，某些地理位置则表现为连续的岩石序列。岩石与界面出现的位置和比例，是可容纳空间和沉积物供给的函数。由于基准面变化的地层记录是以多级次频率（多级次旋回）出现在区域范围内，可跨越各种沉积环境，因而以地层基准面识别为基础的地层对比不依赖于沉积环境，也不需要了解海平面的位置与运动方向。