Question

基准面与基准面旋回

Answer 1

一、概念

基准面的概念对于地质学家来说并不陌生，早在1917年Barrell就认识到地层层序是基准面穿越地表上升与下降运动过程的地质记录，但地质学家对基准面含义的理解却不尽相同（图1-1）。一些人认为，基准面即地貌学上的平衡剖面，进一步的认识是地层基准面为分隔沉积作用和剥蚀作用的理论均衡面，“在该面之上沉积物不能停留，该面之下可能发生沉积作用和埋藏作用”（Sloss，1963）。由于在基准面位于地表之上的地方，沉积物发生沉积作用，而在基准面位于地表之下的地方，沉积物发生剥蚀作用并被向下搬运到基准面位于地表之上的位置，由此，在某一个固定的地理位置，基准面穿越地表的上升和下降产生了地层记录，在这个位置上剥蚀或沉积作用交替发生，形成由不整合面分开的垂向相序。

图1-1 基准面概念的演化及应用

Busch（1959）重新引入了地层旋回是在基准面旋回期间形成的沉积记录的概念。他把术语“成因层序”作为一个地层单位。一个成因层序是在一个增加和减少可容纳空间的基准面旋回期间堆积的沉积物进积/加积的地层单元。这个地层单元包含一个完整的基准面旋回期间在所有成因上有联系的沉积环境中堆积的沉积物（图1-2）。一个成因层序的半旋回边界发生在基准面上升到下降或下降到上升的转换位置。在不同的古地理环境，这些转换点或表现为地层不连续面，或表现为分别记录了可容纳空间增加或减小的整合地层。所以，在一个成因层序内的垂向相序满足“相”对比的 Walther 定律。如果地层不连续，其不连续面同成因层序边界一致。由此一个基准面旋回的全部过程被岩石+间断面的组合所记录。

图1-2 一个成因层序包含基准面旋回期间所有相邻环境沉积的沉积物

Wheeler，H.E.（1964）认为，基准面旋回经历了一个时间域，基准面变化对沉积物保存程度和内部结构有直接的控制作用。Wheeler提出了一个更加适合于地层分析的基准面概念，基准面既不是海平面，也不是海平面向陆方向延伸的水平面，同样不具有地貌学上的平衡剖面的定义。地层基准面是一个相对于地表波状起伏的、连续的、略向盆地方向下倾的抽象面（非物理面）。这个面相对于地表上升和下降，其位置、运动方向及升降幅度不断地随时间而变化。当基准面上升时，基准面与向海倾斜的地面的交点向上坡移动，使沉积物可以堆积的基准面之下的地表面积增加，并且增加了在陆相环境中沉积物堆积的能力；当基准面下降时，会发生相反的结果。Wheeler认为，基准面是一种状态，在这种状态下，要求搬运沉积物的能量与储存沉积物的能量是平衡的。

T.A.Cross等引用并发展了Wheeler（1964）关于基准面的含义，明确指出：基准面为一个势能面，它反映了地球表面与力求其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，使其向靠近基准面的方向运动。因此，基准面描述了迫使地表上、下移动到某一个位置的能量。在这个位置上，地形梯度、沉积物供给和可容纳空间是平衡的（图1-3）。基准面在变化中总是具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（base level cycle）。基准面可以完全在地表之上或地表之下摆动，也可以穿越地表摆动到地表之下再返回，后者称之为基准面穿越旋回（base level transit cycle）。基准面由上升到下降或由下降到上升的转换位置称之为基准面旋回的转换点（turnaround point）。

不论规模的大小，每种规模的基准面旋回导致的地层旋回都是时间地层单元，因为它们是在基准面旋回变化期间由成因上有联系的沉积环境中堆积的地层记录构成。由于基准面旋回运动在地表之下时产生剥蚀作用，基准面旋回所经历的全部时间由地层记录（岩石）和沉积间断面组成。

图1-3 基准面、可容纳空间和反映可容纳空间与沉积物供给之间平衡时的地貌状态

地层旋回的多级次特征说明了基准面旋回的多级次性。最短期的地层旋回是符合沉积相序或相组合基本定律（Walther定律）的进积/加积的地层单元，即成因地层单元（也可以称作成因层序）。一个成因层序包括在一个基准面旋回期间相互联系的沉积环境中堆积的，并在地层记录中得以保存的所有沉积物。成因层序的相序符合Walther定律。短期地层旋回由短期基准面旋回期间堆积在侧向上有联系的沉积环境中保存下来的沉积物组成。连续的短期地层旋回在某些地区可以被地层不连续界面分开，地层不连续面可以是基准面上升和下降期间形成的侵蚀不整合面、沉积物路过不留面和非沉积作用间断面。在某些地区可以被基准面上升到下降或下降到上升的整合地层分开，通过旋回对称性、地层结构和相序的变化可以识别出这些转换界面。

二、基准面旋回变化的主控因素

前面已谈到，基准面是抽象的、非物理的界面，而且地层旋回的存在表明的确存在一个变化的势能面，其通过制约可容纳空间变化而控制着地层的沉积与保存作用，这就是地层基准面。经典层序地层学曾总结出了控制层序形成与发育的四大要素，即构造沉降、全球海平面升降、沉积物补给与气候。事实上，这些要素综合作用的结果反映在基准面的变化上，基准面相对于地表位置的变化又控制了层序发育特征。基准面的变化是海平面、构造沉降、沉积物补给、沉积负荷补偿、沉积压实与沉积地形等各要素变化的综合反映，是这些参数相对比值变化的结果。

与海相盆地不同，在陆相盆地中，基底沉降、沉积物供给和气候对基准面变化和层序发育的控制作用更加明显。其中，构造运动的控制作用至关重要。陆相盆地构造运动强烈，具有很强的分割性。如我国东部断陷盆地形成早期，由于拉张作用造成软流圈上拱而具裂陷性质，晚期因热流扩散岩石圈冷却收缩而具坳陷性质。盆地的拉张裂陷时期盆缘同生正断层事件是构造运动的主要形式，是一个不连续的、多旋回的幕式沉降过程（张万选，1994）。断层活动中应力的积累与释放决定了断裂作用以不连续的间歇式活动完成，即幕式运动。断层的幕式活动造成断块基底沉降的阶段性及至可容纳空间的周期性变化。断层幕式活动的规模、幅度和强度则控制着可容纳空间的变化速率。边界控盆断裂幕式活动形成长期地层旋回，期间产生的次级幕式活动形成次一级的地层旋回，由此导致断陷盆地充填地层的多级次旋回特征。

不同级次的基准面旋回形成的主要控制因素不同。构造基准面旋回的形成受区域构造运动控制，多与盆地的演化阶段有关。气候的变化仅影响沉积物的补给量和沉积物类型。对长期基准面旋回内部次级、高频基准面旋回来说，除受局部构造运动控制外，沉积物补给量的变化对旋回的形成与发育的影响明显增强。构造旋回也可以划分为不同的级次，形成不同级次的不整合面或沉积间断面。构造基准面旋回的级次愈高，形成的地层旋回在盆地内的可对比程度愈差。区域构造运动形成的长期基准面旋回在盆地范围内可以追踪对比，如断陷盆地控盆边界断裂活动形成的基准面旋回。规模次一级的基准面旋回可以由二级断裂的活动造成，在二级构造单元或局部地区的可对比性强。更次一级的基准面旋回受构造沉降与沉积物补给双重作用的控制更加明显。短期基准面旋回的形成除了与构造运动、沉积物补给作用等因素有关外，自旋回作用对地层旋回形成的影响逐渐增加，如河流的决口、三角洲朵叶体迁移等，因而一般仅能在沉积体内部进行追踪与对比。

对陆相湖盆来说，周期性的构造运动、交替变化的古气候条件、断层的间歇性活动都会引起基准面的周期性升降变化、湖盆水体深度和水域大小的变化、沉积物供给速率的变化，最终导致可容纳空间的变化，由此决定了地层旋回的形成与发育特征。