Question

湖盆层序地层学面临的挑战

Answer 1

在层序地层学蓬勃发展与广泛应用的同时，它暴露出一些问题，以及如何更切实有效地、更为得心应手地把陆相层序地层学应用到油气勘探以及其他生产应用领域，引起了国内外许多学者的思索和探讨。1997年我国石油学会举办的“层序地层学及其在油气勘探开发中的应用”专业会议，2000年在巴西举行的主题为“地质学与可持续发展——第三个千年的挑战”的第31届国际地质大会，2001年在美国丹佛市召开的主题为“能源的长期探索”，以及“上游世界石油大会”之称的AAPG年会，就专门针对层序地层学进行了热烈地探讨。国内众多专家学者在我国许多盆地的层序地层学研究的辛勤耕耘和探索中，也提出了陆相层序地层学研究面临的一些难点与挑战。

（一）三大层序地层学理论体系在陆相盆地研究中均面临挑战

传统层序地层学是以地层不整合面及其与之可对比的整合面为层序边界，强调界面的时间重要性，特别是海平面变化对层序的控制作用。它在海相沉积研究中已经较为成熟，但在我国广泛分布的陆相盆地的沉积层序研究中，却难以出色地解决诸如复杂多变的陆相层序到底具体受哪些因素、受到何种程度的控制这一类的问题，尤其是在非湖相的陆相沉积（河流沉积、洪冲积沉积、风成沉积甚至火山沉积）中，更无法借用海（湖）平面变化进行层序分析，还需深入进行探索。

成因层序地层学以最大水进面泥岩沉积作为层序边界，强调海（湖）平面从下降到上升所完成的进积-退积-加积作用形成一个完整的成因地层单元，层序内部具有向上变粗再变细的演化序列。由于最大水进面泥岩沉积在钻井岩心和测井剖面上易于识别，区域上展布稳定、厚度薄并具有极好的等时性，因此在湖相盆地中易于识别，能有效地应用于科研和生产实践。但它忽略了最大水退期发生的暴露侵蚀作用及其对砂体的成因控制，因而难以进行不同成因砂体的追踪与对比；同样，在非湖相陆相沉积盆地（河流沉积、洪冲积沉积、风成沉积甚至火山沉积）研究中，它也显得无能为力。

成因层序地层学与传统层序地层学在非湖相陆相层序研究中都面临着一个共同的重大问题——基准面（徐怀大，1997），而已建立的陆相盆地地层基准面概念尚较薄弱（Shanley等，1994）。

对此，Cross（1994）等进行了深入探索，他们引用并发展了Wheeler（1964）定义的基准面概念，提出了基准面旋回与成因地层层序形成的过程-响应原理，建立了以成因层序为基础的高分辨率层序地层学。该理论除了应用于海相地层分析外，现已广泛应用于河湖相地层划分对比（邓宏文等，1997；郑荣才等，2000）、储层预测（王洪亮等，1997）以及河流相储层模拟等方面。但它仍存在一些问题，如层序划分对比的等时性还有待完善，难以识别和确定层序界面的性质及其相关的成因层序类型；尚难统一层序级别划分，从而难于实现大范围、区域上的层序地层对比；主要适用于钻井较多、范围不大的研究区，且对局部出现的自旋回事件考虑不够（徐怀大，1997）。

对于陆相湖盆沉积而言，尽管它受到海平面变化的影响是有限的（Shanley等，1994），但由于湖平面的变化对湖盆沉积作用的基本控制在很大程度上类似于相对海平面变化对浅海地层的控制，因此，经典层序地层学的理论、研究思路及方法能同样有效地应用于湖相沉积盆地研究中，而且目前仍是陆相湖盆层序地层学研究的一个主要流派。而对于非湖相的陆相河流沉积、风成沉积等，由于缺乏直观标志的湖平面特征，应用高分辨率层序地层学的地层基准面升降变化旋回进行层序地层分析则显得合理和可行。

（二）Ⅱ型层序在陆相盆地中是否存在?

Ⅱ型层序在陆相盆地中是否存在，是一个长期存在争议的问题。一种观点认为，陆相盆地由于不大可能发育与海盆可类比的陆架坡折，因而不存在Ⅱ型层序；另一种观点则认为，由于大型的内陆盆地一般存在较大规模的古地形坡折，因此可能发育Ⅱ型层序，如徐怀大（1992）在松辽盆地、王英民等，在准噶尔侏罗纪大型坳陷湖盆坡折带都识别出了Ⅱ型层序。而目前对湖盆坡折带的认识分歧也较大，并主要集中于断陷型湖盆，对坳陷型湖盆研究甚少。因此，Ⅱ型层序是否存在于陆相盆地，还需要进行深入探索。

（三）沉积体系域的识别、划分及名称需要统一

沉积体系域是“一套有成因和年代联系的同期沉积体系的组合……，每一体系域由在边界面之上的地层几何体与层序内的位置和内部低级层序的叠置型式而客观确定”（Posamentier等，1988）。它是构成层序的主要单元，包含有特征的地层、古生物及测井响应等信息，具有可预测的地层层序、展布形态及沉积相组合，因而通过它的研究，能有效地预测生、储、盖层的分布。

而目前，关于陆相层序中沉积体系域的划分与命名尚不统一。一些学者在冲积地层层序中基本沿用海相层序沉积体系域的三分法和名称术语（Shanley和 McCabe，1994；Wright和Marriott，1993）；另一些学者则把湖相层序划分为低水位体系域、湖进体系域、高水位体系域及下降（湖退）体系域（李思田等，1992；郭建华等，1999；吴因业等，1996）；而Xue Liangqing和 Galloway（1993）按成因地层的观点，将松辽盆地白垩系湖相沉积层序划分为低水位进积复合体系域、退积体系域和进积体系域；纪友亮等（1996）在断陷湖盆中，把层序划分为低水位体系域、湖泊扩展体系域、高水位体系域、湖泊收缩体系域及非湖泊体系域5种类型；在克拉通盆地研究中，认为把层序二分为海侵（湖进）和高水位体系域较为合适。

笔者认为，在湖盆层序中，由于湖平面升降旋回是湖盆抬升-沉降、扩张-收缩、气候演变及沉积物供给等诸多因素综合作用的结果，湖平面升降变化具有直观、传统常用等特点，因此在湖盆层序研究中，应该而且完全有条件把湖平面升降变化作为划分沉积体系域的重要依据，采用低水位体系域（暂把Ⅰ型和Ⅱ型层序发育之初形成的体系域均冠名为低水位体系域）、湖侵体系域及高水位体系域三分法，它具有较为直观、全面、方便及统一等众多优点。

（四）确定层序边界、层序级次的难度大

目前，层序地层学的三大主要理论体系问题的焦点之一，就是层序界面和层序性质的确定、级别划分。

层序作为“一个完整的沉积旋回”这一概念出现在地层学界已有50多年，但其边界问题却仍存在一些分歧：①以不整合面或与之可对比的整合面为层序边界（Vail等，1988）；②把最大湖（海）泛面作为层序的边界（Galloway，1992），具有分布范围广、沉积特征明显、易于追踪对比及可操作性强等特点；③以基准面下降到最低点的位置作为层序界面（Cross等，1994），它既可以是沉积界面之上的相关整合面，也可以是沉积界面之下的不整合面或冲刷面。

笔者认为，在湖相沉积研究中，可以尽量考虑采用不整合面或与之可对比的整合界面，而不是采用最大水进面作为层序边界面来划分层序。这是因为：①尽管最大湖泛面沉积层是很好的标志层，但一个层序中最大湖泛面期的沉积会因沉积古地形条件的差异而形成不同类型的沉积物，而且深湖区沉积因远离物源而在层序各个时期的变化可能不大，因此以最大湖泛面沉积层作为层序边界进行全盆层序地层对比容易出现穿时现象；②一个层序的关键之处，在于其内部地层有无密切成因联系，而最大湖（海）泛面上下的沉积，在岩相古地理、地球化学、古生物、古生态等方面是基本相似的，以此作为层序边界则明显破坏了一个有密切成因联系的沉积旋回的完整性；③由于不整合面附近会出现包括沉积、地球化学、古生物、地震、测井等很多特征的响应，因此以不整合面作为层序界面本身就具有良好的操作性；④不整合面之下常是一些前积式三角洲沉积砂体，表明不整合面对沉积储层的分布有着明显控制作用，因而以此为层序边界能更好地了解储层的展布与含油气系统的特征；⑤尽管不整合面每一点的年龄可能都不相同，但对于一个层序沉积体所对应的时间段中绝对不会含杂其他年代的沉积地层，因此不整合面是一个具有较强年代地层学意义的等时面。

而在非湖相的陆相沉积中，根据基准面旋回分析，把基准面下降到最低点的位置作为层序界面是切实可行的。

目前关于陆相沉积层序级别的划分方案颇多，具代表性的主要有：①传统层序地层学层序级次划分（Vail等，1991）为巨层序（＞50Ma）、超层序组（27～40 Ma）和超层序（9～10 Ma）、层序（0.5～5 Ma）、准层序（0.05～0.5 Ma）及小层序（0.01～0.05 Ma）；②王鸿祯等（1998）层序级次划分为巨层序（500～600 Ma）、大层序（60～120 Ma）、中层序（30～40 Ma）和正层序组（9～12 Ma）、正层序（2～5 Ma）、亚层序（0.1～0.4 Ma）及小层序（0.02～0.04 Ma）；③李思田等（1995），岳文浙（2000）的层序级次划分为充填层序、构造层序、层序、亚层序及小层序；④高分辨率层序级次划分（郑荣才，2001）为巨旋回（30～100Ma）、超长期（10～50 Ma）、长期（1.6～5.25 Ma）、中期（0.2～1 Ma）、短期（0.04～0.16 Ma）及超短期（0.02～0.04 Ma）。

目前在湖相沉积中应用颇多的层序级次划分仍是Vail等（1991）的层序级次划分方案，而对于非湖相陆相层序级次的划分方案则需要进行统一规范，以便于对比研究。

（五）陆相层序地层控制因素研究难度大

海相层序发育受海平面变化、构造沉降、物源供给及古气候4种主要因素不同程度的叠加控制作用，但这些因素的作用在陆相层序形成与发育中仍然如此吗?研究表明，它们各自在控制陆相层序发育的重要性方面变得更加复杂。其复杂性则主要是因为陆相沉积盆地本身具有物源多且近、沉降中心多且迁移性强、相带窄且变化快、湖盆规模和水域面积小且变化大、内部构造分异大、沉积及沉降速率差异大、区域性构造事件或幕式构造旋回复杂等特点，而且不同构造沉积背景的陆相层序地层发育控制因素大不相同，不同级次的层序其控制因素的巨大差异性更是为控制因素研究增添了难度。但总体上，陆相层序受构造运动和气候的控制更加明显（Shanley等，1993；李思田等，1995）。

目前，对陆相盆地一级、二级低频率层序的主要控制因素是构造作用的认识争议不大；一般研究较多的是三级层序的控制因素，但还存在一些分歧；而对四到六级层序的控制因素研究，因其要求高分辨率、高精度的资料而研究程度较低，则争议颇大。

1.三级层序发育的控制因素

研究表明，陆相三级层序的形成演化同样受到构造沉降、物源供给、古气候及湖平面变化等因素的控制，但这些因素在控制层序发育的重要性方面存在差异，主要表现在不同类型陆相盆地、不同类型沉积的层序的控制因素及其重要意义上。

1）构造作用的控制。国内许多学者在断陷湖盆、裂谷盆地等盆地三级层序发育演化研究中，已经明确提出，构造升降是影响这些陆相湖盆层序演化的主要因素，它直接决定了盆地沉积可容空间的形成与消亡，构造的幕次性、周期性、脉动性直接控制了层序的多旋回性与层序内部发展演化的阶段性。但对于大型内陆拗陷湖盆而言，由于构造运动不强烈，且盆地范围构造活动强度的差异不显著，构造升降运动不明显的幕式性、周期性及脉动性，对层序的发育演化的控制作用仍是主要的吗?诸如此类的问题，尚需要深入研究。因此，不同构造性质的陆相沉积盆地，构造对其层序地层形成演化的控制作用的重要性会发生变化，必须认真地进行盆地的构造沉积背景及演化的具体分析。

2）古气候的控制。古气候是影响陆相层序发育的一个重要因素，已经得到了人们的认可。其作用机理是通过影响物源和湖平面变化而产生的一系列效应来影响层序的发育与演化，其周期性演变决定着陆相层序中高频单元的发生、发展和定格。在湖相盆地中，气候湿热时期，湖平面较高，深湖水域宽，物源区以化学风化作用为主，细碎屑物为主，形成层序单元厚度不大，以加积-退积为特色；半湿热-半干旱时期，物源区物理风化作用强烈，粗碎屑物源丰富，湖平面相对较低，湖水浅且湖域窄，进积-加积作用显著。可见，气候的旋回性变化极大地控制了三级层序的发育与演化，且对沉积物的供给、湖平面的升降也产生了重要影响。而在洪冲积、风成沉积中，气候的变化对三级层序的发育演化更为直观和明显。因此，在对不同构造沉积背景、不同类型沉积的层序控制因素研究中，还应更深入地具体分析气候因素控制的重要程度和意义。

3）沉积物源供给的影响。沉积物物源供给，对陆相盆地沉积可容空间的变化有重要影响。物源供给的充足和源区母岩的性质决定了层序中沉积岩石类型，并决定了层序内部沉积相的展布与叠置样式（加积式、进积式及退积式）。这方面的研究已经进入到综合利用多学科、多手段获得的资料进行物源及其供给变化的分析的新阶段，常通过岩石重矿物组合和“ZTR”指数、岩性特征、岩屑组分、岩石粒度、砂体厚度及展布、地层倾角测井、露头古水流方向等方法综合研究沉积物源性质和方向、物源供给速率与沉积物堆积速率变化等特征。

由于陆相盆地具有体积小、内部构造差异大、多物源、近物源、多沉积沉降中心等特点（Shanley等，1994），物源供给因受多次构造运动、气候变化而发生频繁的变化。因此，陆相盆地中，物源及其供给情况的变化对层序地层的形成演化产生的影响既是深刻的，又是复杂的，其控制作用的大小和强弱程度仍需要深入分析。

4）湖平面变化和沉积基准面变化的控制。海平面变化是控制海相层序地层发育的主要因素（Vail等，1977，1988）已为人们普遍接受，而相对湖平面变化是否是控制湖盆层序地层的主要因素，尚存争议。已成共识的是，湖平面大致相当于沉积基准面，相对湖平面变化与可容空间变化相当，相对湖平面的变化直接决定着水下可容空间的变化，湖平面变化是构造运动、气候及沉积物供给变化的综合反映，它直观地、直接地控制着湖相层序诸多几何学方面的特征和层序的发育演化。现在常用泥质岩中的B、Sr、Ba、V、Ni、Co、Fe等微量、常量元素及其相关比值的大小变化，结合沉积学等方法，综合分析湖平面变化规律，恢复古盐度、氧化还原条件、离岸距离、古水深、古水温、古气候等条件，识别层序和分析层序的形成，进一步分析湖平面对层序地层的控制关系。

而在洪冲积、风成等沉积中，利用基准面变化来研究三级层序的发育演化较为可行。因为在这些非湖相的陆相盆地中，基准面变化受到构造沉降、沉积负荷、沉积通量及沉积古地形等众多因素综合制约的抽象界面的变化（Cross等，1994）。而基准面变化的复杂性和抽象性是陆相层序研究中存在的最大问题（徐怀大，1997），因而是一个需要重点深入探索的领域。

因此，在对不同类型的陆相沉积、不同构造沉积背景的陆相层序控制因素研究中，还应更深入地具体分析基准面和湖平面变化对层序发育演化的控制作用。

2.高频层序发育的控制因素

研究表明，高频层序旋回的形成发育主要受自旋回沉积作用的控制。对于海相碳酸盐岩地层，由于四级及其以上的高频旋回常为自旋回，米兰科维奇气候旋回的影响最为明显，米兰科维奇地球轨道参数中的偏心率长周期（0.4 Ma）、偏心率短周期（0.1 Ma）和岁差周期（0.019～0.043 Ma）分别控制了四至六级高频层序的发育。湖相盆地中，高频层序（准层序等）可以通过粒度、颜色、层理构造等岩性、电性的旋回特征得到反映，因此可直接利用岩性、电性特征实现精度为准层序级别的等时性地层对比；准层序的发育受控于相对湖平面、沉积速率及可容空间增加速率的变化，而湖平面变化是最本质的因素，它也受米兰科维奇气候周期的偏心率长周期决定。

但在非湖相的陆相地层中，准层序一般是不可鉴别的（Aitken等，1995），对其进行高频层序的研究需要高分辨率的手段和资料，需要高精度的定年技术作支撑。同时，陆相沉积中自旋回沉积作用（河流具有明显的自旋回沉积作用）有限，异旋回最为发育，异旋回的控制机理更为复杂。因此，陆相高频层序及其控制因素的研究更是一个难点。陆相高频层序所面临的一个重大挑战是，能否采用一种更为完整的方法，来了解异旋回在陆相层序沉积中的控制作用（徐怀大，1997）。

（六）湖盆层序地层学研究面临的其他问题

除上述重大挑战外，当今湖盆层序地层学研究还面临下列一些问题：

1）层序地层研究成果还远未能满足生储盖层和隐蔽圈闭预测评价及油气系统研究的需要，建立的层序地层划分对比方案尚难以在生产与研究中有效地应用和推广，层序名称纷繁众多，不便统一应用。

2）等时层序格架建立较难，定年测试工作薄弱。

3）目前国内对于断陷陆相盆地和前陆盆地的层序地层学研究已有不少成果，而对于大型内陆坳陷沉积盆地层序地层学研究不够深入。不同构造背景、不同类型陆相盆地层序地层模式建立的工作明显滞后，已建立的层序地层模式适用性推广难度大。

4）层序地层学定量研究和计算机模拟的研究工作进展缓慢。

笔者针对陆相湖盆层序地层研究的存在的一些问题，以鄂尔多斯内陆坳陷湖盆东南部富县地区三叠系延长组为研究对象，瞄准盆地东南部富县地区延长组油气勘探面临的致密砂岩储层成因及分布复杂等关键问题，运用传统层序地层学理论和方法，综合利用钻井、岩心、测井、露头剖面等资料，研究延长组层序地层形成、演化及其受控因素，并重视分析物源供给、湖平面变化对延长组层序地层的形成与演化的控制关系，进一步通过储层成岩作用、孔隙结构、物性等储层特征研究，深入分析延长组致密砂岩储层的成因及分布，在层序地层格架内综合分析生储盖组合的分布及油气成藏条件及主要成藏模式，综合预测评价有利油气勘探区块，为该区油气勘探提供科学指导。