Question

美国中西部尤英塔盆地始新世河湖相沉积高分辨率层序地层划分与对比

Answer 1

一、区域地质背景

尤英塔盆地位于美国中西部落基山脉，为早第三纪东西向延伸的大型山间凹陷盆地。北部以尤英塔隆起为界，东部以Douglas Creek背斜与Piceance盆地相隔，西部为Wasatch山脉褶皱带和逆掩带，南部为科罗拉多高原。

盆地可划分为两个构造-地层旋回期。下部白垩系为受Sevier逆冲带和海平面升降双重控制的前陆盆地沉积，以白垩系Moncos组厚层海相页岩和Mesaverde组海岸平原沉积为特征。白垩纪末期基准面上升，海水退出，不整合面之上沉积了代表山间盆地构造旋回的巨厚的下第三系陆源碎屑地层，以古新世—早始新世的Wasatch组上部和Green River组的河湖相沉积为特征；中—晚始新世湖盆开始收缩，盆地呈北陡南缓的不对称状。研究区位于盆地南部缓翼的Bruin Point地区的Sunnyside Carbon 县。地层向东北方向呈3°～8°平缓倾斜。研究层序主要为早始新世沉积的Wasatch组上部和早—中始新世沉积的Green River组，它们为盆地的主要含油层系，由源自东南科罗拉多高原的河流体系形成的河流三角洲—湖相沉积组成。

研究层段下部地表冲刷不整合发育，表明盆地发育中早期普遍存在的基准面穿越旋回。此时，盆地基底下降显著，地形坡度大，基准面上升时提供了足够的可容纳空间。加之沉积物堆积速率高（A/S≈1），因而保存了大厚度的冲积三角洲平原河道沉积。至中期，基准面持续下沉，但构造运动减弱，古地形趋于平缓，沉积物补给速率也明显降低，湖盆范围广但水体浅。此时湖水大面积扩张与收缩明显改变着（增加或减少）盆地提供可容纳空间，形成研究区广泛发育的三角洲相、湖泊边缘相与开阔湖相指状交互沉积。

二、相域与相序

建立在沉积模式类比法基础上的传统的相分析认为，沉积相仅是该沉积环境中沉积作用的产物，并不考虑由于在基准面旋回中所处位置的不同，可供沉积物堆积的可容纳空间的变化会导致同一沉积体系、相同环境沉积的沉积物在地层和沉积特征方面的差异。

建立在基准面和可容纳空间动力学观点上的相分析则认为，相同沉积体系中沉积物的体积分配、沉积物的保存程度、地层堆积样式和相序、相组合特征不是固定不变的，而是其在基准面旋回中所处的位置和可容纳空间的函数。因而用沉积动力学的观点分析沉积物堆积期间基准面的变化导致可容纳空间的变化来解释地层结构和沉积学特征，在根本上不同于传统的静止的相模式类比与相分析法。

研究层段Wasatch组上部和Green River组河湖相沉积由成因上相关的、侧向上彼此相邻的三个相域组成，即河流三角洲相域、湖泊边缘相域和开阔湖相域。

（一）河流三角洲相域

河流三角洲相域可进一步划分为上三角洲平原和下三角洲平原相。前者以分支河道砂为主，夹冲积平原相的决口扇砂岩和泥岩；后者为分支河道砂岩与扩张或收缩期湖相泥岩、浅水碳酸盐岩互层。

基准面上升、高可容纳空间时期，上三角洲平原分支河道相为由厚度较大的、多个相互叠置、底形发育完整的向上变细的河道砂岩组成，并与河间冲积平原泥岩和决口扇砂岩形成组合（图6-1A），表明为高的可容纳空间与沉积物供给比（A/S值）。低可容纳空间分支河道相则具底形发育不完全（仅单一大型槽状交错层）、相互切割的复合河道形态，并与较薄的冲积平原相泥岩组合，一般不发育决口扇沉积（图6-1B），反映了较小的A/S值。

图6-1 上三角洲平原相序特征

下三角洲平原基准面上升时，高可容纳空间分支河道相序与上三角洲平原高 A/S 值时形成的分支河道相类似（图 6-2A），但顶部砂岩受扩张湖水的改造作用，浪成交错层、生物扰动构造发育，与湖泊边缘相砂、泥岩、碳酸盐岩形成组合。可容纳空间减少时，分支河道砂岩则与沉积于水下又暴露于水上的杂色泥岩、土壤层形成组合（图6-2B）。

图6-2 下三角洲平原相序特征

（二）湖泊边缘相域

三角洲发育区以基准面下降期形成的向上变浅的河口坝相组合为特征。三角洲地区湖水收缩时，以反映基准面下降、可容纳空间减少的块状灰岩→藻灰岩→角砾状灰岩的向上变浅的相组合或泥坪相组合为特征（图6-3）。湖水扩张时，反映可容纳空间增大的砂泥滩相互层组合。

（三）开阔湖相域

近岸开阔湖相当于基准面上升、可容纳空间增加时，为具退积样式（反映水体变深）的碳酸盐岩滩坝组合。远岸开阔湖相则为泥灰岩、纹层状钙质泥岩夹油页岩组合（图6-3）。油页岩代表高可容纳空间湖水最大洪泛期沉积。

三、地层旋回

研究层段可以识别出三种空间和时间规模的地层旋回，即短期、中期和长期旋回。不论规模大小，均反映了不同级次的完整的基准面上升—下降旋回。

（一）短期地层旋回

短期地层旋回为形成于成因上相关的环境中的岩相组合，记录了一个短期基准面旋回可容纳空间由增加到减少的过程。

河流三角洲相域短期旋回界线为代表基准面下降期的地表冲刷不整合面。在湖泊边缘相域为沉积物路过或既未沉积又未侵蚀的非沉积作用面，如植根发育的土壤薄层、淋滤作用形成的角砾状泥岩、灰岩。在某些地方短期旋回表现为连续的岩石序列，旋回界线则为岩相类型或相组合发生明显变化的转折位置，如泥坪相突变为碳酸盐滩坝的位置。

图6-3 湖泊边缘和开阔湖相域的相序特征

（二）中期地层旋回

可以识别出四个由短期地层旋回组成的中期地层旋回，自下而上分别命名为MSC1、MSC2、MSC3、MSC4。

（1）MSC1旋回：由三个河道砂岩和冲积平原相泥岩组成的短期旋回构成，厚约150 m，该中期旋回底界面为冲刷不整合面，顶界面为上覆中期旋回底界不整合面。自下而上河道砂岩逐渐由相互切割的具复合河道带充填形态的砂岩→较少叠置的底形发育较完全的河道砂岩→孤立的底形保存完全的河道砂岩。与河道砂岩相组合的冲积平原泥岩厚度也逐渐增大。上部短期旋回顶部则为湖相砂泥岩，记录了中期基准面旋回最大可容纳空间的沉积。因此该中期旋回形成于中期基准面上升时期，下降时期以顶部不整合为代表。

（2）MSC2旋回：由8个分支河道砂岩与湖泊边缘相泥岩组成的短期旋回构成，厚约130 m。短期旋回垂向上呈退积到进积叠加样式，组成中期对称旋回，记录了中期基准面上升到下降时期的沉积。最大可容纳空间沉积物为旋回中上部的湖相灰岩、介形虫灰岩，代表了中期基准面上升到下降的转换位置。

（3）MSC3旋回：由7个短期旋回构成，厚约60～70 m。短期旋回多代表基准面上升时期的碳酸盐滩坝相和代表基准面下降时期的泥坪或碳酸盐坪组成。中期旋回的下部为进积的碳酸盐滩坝相，上部则以湖泊边缘硅质碎屑岩相组合主体，顶部以三角洲的进积作用告终，反映一个中期基准面上升到下降旋回。

（4）MSC4旋回：由开阔湖相灰岩、泥灰岩、钙质泥岩与油页岩构成的向上变浅的非对称短期旋回为主组成，少量为湖泊边缘相对称旋回，总体代表一个中期基准面上升到下降旋回。中期旋回最大可容纳空间时期的沉积为油页岩集中发育段。

四、成因地层单元与高分辨率层序地层对比

在识别出研究层段MSC2和MSC3短期、中期、长期旋回的基础上，以顶部首次出现湖泛油页岩沉积为区域标志层，建立了研究区的高分辨率地层对比格架（图6-4、图6-5）。成因地层单元的识别是描述中期、长期基准面旋回并进行高分辨率等时地层对比的基础。研究区成因单元的边界为反映短期基准面旋回的地层边界，侧向上同一成因单元内沉积物的体积分配、旋回对称性变化、相分异特征十分明显。如前所述，研究层段处于湖盆演化长期基准面上升时期。在长期基准面旋回下部，即低可容纳空间时期，上三角洲平原相域主要为基准面上升时期形成的分支河道相（具低可容纳空间相组合特征）和河道间沉积组成的不对称旋回，基准面下降期表现为侵蚀不整合。向湖盆方向则变为基准面上升时期形成的分支河道相和基准面下降时期形成的湖泊边缘相或河口坝构成的对称旋回。在长期基准面旋回中下部，由于可容纳空间增加，成因单元的下三角洲平原相域由基准面上升时期的分支河道相（具高可容纳空间相组合特征）和扩张湖泊边缘相组成。基准面下降时期表现为侵蚀不整合，向湖盆方向则为厚度较大、反映基准面上升的具退积叠加样式的碳酸盐滩坝组合与厚度较薄的基准面下降时期的湖泊边缘相组合。处于基准面旋回中上部的成因单元，由于可容纳空间进一步增加，三角洲向浅水湖泊方向则表现为由基准面上升期形成的碳酸盐滩坝相和基准面下降期形成的泥坪相的对称性较强的旋回组成。

纵向上，在盆地的不同演化阶段，成因单元的对称性、各沉积相域所占体积比、中期基准面旋回的地层结构也有显著差异。在研究层段，其特点自下而上表现为，由反映基准面上升的非对称旋回到基准面上升与下降均保存下来的对称旋回，再过渡到仅具基准面下降期间形成的非对称旋回为主。

高分辨率等时对比格架建立以后，根据成因层序之间的堆积样式与其在长期基准面旋回中的位置关系，成因地层单元内体积分配及其在相互叠置的短期地层旋回内的关系，可预测未知地区的相域分布与相特征。同时根据具有时间意义的地层界面与流体流动单元岩石物理边界一致性的原理，该高分辨率对比格架还可成为流体流动数值模拟的岩石物理模型。

图6-4 河流-三角洲沉积体系高分辨率层序地层对比剖面（MSC2）

图6-5 湖泊边缘相高分辨率层序地层对比剖面（MSC3）