高分辨率层序地层学方法在沉积前古地貌恢复中的应用

第 30 卷　第 1 期 　 　 　 成都理工大学学报 (自然科学版) 　 　 　 V o l. 30 N o. 1 　2003 年 2 月 JOU RNAL O F CH EN GDU UN IV ER S IT Y O F T ECHNOLO GY (Science & T echno logy Edition) Feb. 2003　 [文章编号 ] 167129727 (2003) 0120076206 高分辨率层序地层学在 沉积前古地貌恢复中的应用 [收稿日期 ] 2002205227 [作者简介 ] 赵俊兴 (1972- ) , 男, 博士生, 含油气盆地分析与层序地层学专业. 赵俊兴, 陈洪德, 向　芳 (成都理工大学“油气藏地质及开发”国家重点、沉积地质研究所, 成都 610059) [摘要 ] 古地形地貌是控制盆地内沉积相发育与分布的主导因素, 是沉积学研究的基本内容之 一。高分辨率层序地层学是以基准面旋回变化和可容纳空间变化原理为基础, 揭示基准面旋回 层序与沉积动力学和地层响应过程的关系。应用高分辨率层序地层学方法进行地层对比能使 地层对比等时性更强、精度更高, 进而能更好地反映原始古地貌特征。高分辨率层序地层学方 法恢复古地貌是建立在沉积相分析基础上, 其技术关键是对比参照面的选择。文章详细讨论了 单一沉积体系和多种沉积体系组合沉积前古地貌恢复的基本方法和步骤, 并提出了在实际操 作中应注意的问。 [关键词 ] 高分辨率层序地层学; 古地貌; 基准面旋回级次 [分类号 ] T E121. 34　　　　[文献标识码 ] A 　　为了认识预测并确定油气储集岩的位置及其 特征, 就必须研究砂体的几何形状、岩性、沉积构 造等问题; 要解决这些问题则必须了解沉积环境、 古地貌和古地理; 要了解沉积环境, 就需要有现代 沉积学的知识; 要了解古地貌, 则需要有现代地貌 学理论的基础。正如毕的钟指出:“沉积环境的分 析基本上就是古地貌学。而沉积学者在从事沉积 环境的重建时, 实际上就成为一位地貌学者”(引 自谢又予, 2000)。古地形地貌是控制一个盆地后 期沉积相发育与分布的一个主要因素, 同时在一 定程度上控制着后期油藏的储盖组合; 因此开展 古地貌恢复工作及探讨古地貌对后期油气藏关系 对于油田勘探具有重要的指导意义。 同现在地貌一样, 古地貌形态受到了所处的 区域构造位置、气候、基准面变化及构造运动等因 素综合作用的结果。对于古地貌的重建, 前人试图 从不同角度出发来研究恢复沉积前古地貌。就目 前而言, 关于沉积前古地貌恢复仍旧停留在传统 的沉积相分析基础上, 通过剖面柱状对比图来概 略反映古地貌轮廓。而对于进行剖面柱状对比时 所使用的参照面仍然比较混乱。现代地震剖面技 术为我们提供了有力武器, 而其所反映出的仅是 现代保留 (残留) 地貌轮廓, 并不是一套地层沉积 前的原始形态。其实, 恢复沉积前原始古地貌是一 项综合性很强的工作, 沉积学分析方法是主要的, 作为当代沉积学的理论前缘, 高分辨率层序地层 学方法能否在古地形地貌恢复工作中发挥更好的 作用, 使恢复精度更大地提高一步呢, 回答是肯定 的。本文主要就古地貌恢复方法从高分辨率层序 地层学角度进行了可行性理论探讨。 1　理论基础 对盆地古地貌恢复, 沉积学分析方法是主要 的。在应用沉积学方法进行沉积前古地貌恢复, 主 要是利用各种基本地质图件, 同时结合成因相分 析、古流向分析、古构造发育特点等多种沉积学分 析手段进行综合研究, 得出沉积前古地貌的大概 轮廓。其中每种资料都是互相补充、相互修正完善 的。高分辨率层序地层学则可以建立在上述定性 分析的基础上对不同沉积体系来进行小范围的较 高精度的古地貌恢复。 高分辨率层序地层学这一理论体系的核心内 容是: 在基准面旋回变化过程中, 由于可容纳空间 与沉积物补给量比值 (A öS) 的变化, 相同沉积体 系域或相域中发生沉积物的体积分配作用, 导致 沉积物的保存程度、地层堆积式样、相序、相类型 及岩石结构和组合类型发生变化。因此, 通过由基 准面旋回变化所控制的地层单元结构类型、叠加 式样及其在基准面旋回中所处的位置与沉积动力 学关系等可以对沉积地层进行高分辨率的等时地 层对比。 同样, 高分辨率层序地层学进行沉积前地貌 分析也是建立在等时基准面的基础上进行的, 因 此, 在这里首先需要对基准面进行介绍。对于基准 面 (图 1) 的理解需要强调以下几个方面: (1) 基准 面并非是一个物理界面, 而是相当于河流平衡剖 面的抽象势能面。地为了达到与基准面的平衡, 要通过沉积或侵蚀作用来改变其形态, 并向靠近 基准面的方向移动。(2)在基准面的升降变化过程 中, 其总是向幅度最大或最小值单向移动, 并由上 升和下降两个半旋回构成一个完整的基准面旋回 结构。 (3)基准面的升降可发生地表之上, 或地表 之下, 也可以从地表之下越过地表上后再摆动到 地表之下。当基准面位于地表之上时, 其以沉积作 用为主; 当基准面与地表重合时则为过路状态, 沉 积作用与侵蚀作用相平衡; 当基准面位于地表之 下时, 以侵蚀作用为主。 (4)一个基准面旋回升降 过程中所保存下来的岩石为一个成因地层单元, 即成因层序, 以时间为界面, 是等时的。 传统上, 运用地层柱状剖面对比来反映沉积 前古地貌形态通常是以剖面顶界对齐后所反映出 的底面轮廓来表示古地貌形态, 其参考面是地层 顶界面。而理论上, 顶界面本身并不处于同一水平 面上, 因此把顶界面作为对比参照面具有很大的 局限性, 所反映出的古地貌形态同样与实际形态 不一致。在高分辨率层序地层学方法中将基准面 作为地层对比参照面, 而且最大海泛面在实际对 比中具有更好的实际操作性, 因此将两者相结合 进行地层柱状剖面对比来反映沉积前古地貌形态 是该方法的技术关键。对于具有等时性的基准面, 在整个盆地中并非一个水平面, 而是一个连续光 滑的曲面, 而且在不同的沉积体系发育位置, 其曲 率大小是不同的。例如对于一个河流平衡剖面, 其 中下游的曲率小, 可以近视为一条直线 (切线) , 这 样, 就可以通过基准面等作为对比参考面来恢复 出下伏地层的沉积前的原始古地貌形态。 2　技术方法探讨 在使用高分辨率层序地层对比进行沉积前古 地貌恢复时, 首先应建立高分辨率层序地层格架, 正确划分基准面旋回级次, 在此基础上进行井间 地层对比, 具体划分方法参考有关文献, 这里不再 赘述; 同时, 为了提高恢复精度, 应考虑压实作用 影响, 使用压实率系数进行原始沉积厚度校正; 另 外, 在使用高分辨率层序地层学方法进行古地貌 恢复的前提是要运用沉积学方法判定沉积体系发 图 1　基准面形态与沉积动力学关系图 F ig. 1　T he rela t ionsh ip betw een the base2level shape and depo sit ion k inetics (据郑荣才, 2001) ·77·第 1 期 赵俊兴等: 高分辨率层序地层学方法在沉积前古地貌恢复中的应用 育的类型, 以便确定出进行对比参考面的形态。以 下就对不同情形的基准面形态来详细地加以讨 论。 2. 1　对基准面变化幅度不大的单一沉积体系 在这类沉积体系中, 就可以将基准面近似看 作一条水平面, 通过等时基准面来恢复出下伏地 层的沉积前古地貌底形。像冲积平原河流体系、浅 湖沉积及深海平原等, 在这种条件下恢复古地貌 的技术方法比较简单。下面仅以冲积平原河流沉 积体系为例来进行说明。 在河流沉积体系中, 整个冲积平原可以近似 看作一个水平面, 基准面升降可以近似于一条水 平线的相对升降。对于河流沉积准层序来讲, 从现 代沉积来看, 其相序通常为河床沉积- 天然堤沉 积- 洪泛平原沉积, 在岩性上表现为向上变细的 结构特征。其所构成的短期基准面旋回往往表现 出向上“变深”的非对称旋回结构, 即以保留上升 半旋回结构为主 (图 2)。 下面通过举例来说明在河流沉积地区恢复其 沉积前古地貌的技术方法。例如, 在某一河流沉积 体系中, 运用高分辨率层序地层学方法建立各井 基准面层序叠加结构, 在等时层序地层对比的基 础上, 我们要恢复出某一中期基准面旋回格架中 上升半旋回沉积前的古地貌形态, 可以通过以下 具体步骤进行古地貌恢复工作: 首先, 对各井进行高分辨率层序地层划分, 正 确划分出中期和短期基准面旋回结构。 其次, 将各级次基准面旋回进行正确对比。 第三, 取出某一中期基准面上升半旋回, 并使 各井该期基准面旋回中最大海 (湖)泛面点拉齐成 一水平直线 (即以河流沉积体系基准面的切线形 态作为对比参照面)。 第四, 连接旋回底界面, 并尽量使其光滑, 所 得到的底面形状即为该旋回沉积前的原始古地貌 形态。 2. 2　对基准面形态变化幅度较大的单一沉积体系 这种沉积体系主要发育形态为扇形体, 如三 角洲沉积体系、冲积扇体系及各种水下扇沉积等。 在此情形下来恢复沉积前原始古地貌形态比较复 杂, 下面以三角洲沉积体系为例来加以说明。其技 术关键是参照井 (参照剖面) 和对比参考面的选 择。 三角洲体系主要包括了三角洲平原、三角洲 前缘和前三角洲等沉积亚相, 三角洲平原亚相的 沉积相序叠加方式基本上与平原河流沉积相同, 主要以向上变深的上升半旋回为主, 单个亚相内 的小范围地貌恢复与河流相同; 三角洲前缘沉积 的相序叠加结构比较复杂, 主要的基准面旋回叠 加式样随发育位置的不同而异 (图 3) , 但主要以 发育由向上变深的上升半旋回和向上变浅的下降 半旋回组成的对称旋回结构; 前三角洲亚相则以 发育向上变浅的下降半旋回为主。由于各个亚相 发育的基准面旋回叠加结构式样不同, 因此在按 照沉积前地形特征进行旋回对比过程中所存在的 误差相对较大。为了尽量减少误差又能反映出古 地貌特征, 我们可以按如下原则进行旋回对比: 在 同一个基准面变化旋回中, (1)在三角洲平原地区 的沉积基准面旋回结构中的最大海泛面与三角洲 前缘地区的沉积厚度最大 (参照井)的旋回结构的 最大海泛面近似看作为一条水平直线, 然后进行 底面对比。 (2)在三角洲前缘与前三角洲对比中, 则用三角洲前缘沉积保留厚度最大 (旋回结构最 图 2　河流体系基准面旋回及沉积响应关系图 F ig. 2　T he river base2level cycle and its depo sit ional characterist ics ·87· 成都理工大学学报 (自然科学版)　　　　　　　　　　　第 30 卷 图 3　三角洲体系基准面旋回与沉积物响应关系图 F ig. 3　T he depo sit ional characterist ics and the base2level cycle of a delta system (据罗立民, 1997) 完整, 即参照井) 的向上变浅的下降半旋回的底 (亦即上一次沉积的最大海泛面)与前三角洲沉积 的下降半旋回的底 (同为上一次沉积的最大海泛 面点)近似看作是在同一条水平直线上, 并进行对 比。具体步骤如下。 第一, 对各井进行高分辨率层序地层学研 究, 正确划分各级次基准面旋回结构。 第二, 将各井按不同级次基准面旋回进行对 比。 第三, 针对某一旋回, 找出在三角洲前缘亚 相中保留厚度最大最完整的井作为参照井。 第四, 以参照井的本次沉积的最大海泛面和 上一次沉积的最大海泛面为理想参照面, 把三角 洲平原亚相地区井的最大海泛面与参照井的本次 沉积的最大海泛面拉平在一条直线上, 同时将前 三角洲亚相地区井的上次沉积的最大海泛面与三 角洲前缘的上次沉积的最大海泛面拉平为一条直 线。 第五, 在上述对比的基础上, 将各井旋回的 底用平滑曲线相连接, 所得的底形形状可以近似 代表沉积前的原始古地貌。 值得一提的是, 在使用这种高分辨率层序地 层学方法进行沉积前古地貌恢复时, 其所得到的 形状是理想化的, 所得到三角洲平原地带地形要 比实际地形略平坦一些, 而在前三角洲地带所得 到的地形要比实际地形则要高一些, 因此, 可以根 据实际情况略作一些调整, 使所恢复的地貌更好 地代表沉积前的古地貌形态。 2. 3　对于多沉积体系组合的沉积前古地貌恢复 在讨论了以上两种情况下的高分辨率层序地 层学古地貌恢复方法后, 对于由不同类型组成的 沉积体系组而言, 沉积前古地貌恢复也变得明朗 清晰起来, 其关键技术问题在于如何对不同沉积 体系进行对接。 以冲积平原河流- 三角洲- 浅湖组成的沉积 体系组为例, 只需将河流体系与三角洲平原对接, 同时将前三角洲与浅湖对接即可 (图 4)。三角洲 平原可以看作是河流下游的一部分, 其基准面同 样可以视作同一个变化幅度不大的近似直线, 因 此就可以运用上述的基准面变化幅度不大的单一 沉积体系古地貌恢复方法来进行对比恢复; 而与 前三角洲相连的浅湖沉积, 不管是从岩性上还是 从沉积的底部形态上都比较相似, 也可以将浅湖 沉积看作是前三角洲沉积的向前延伸, 因此可将 浅湖作为前三角洲的一部分来进行对比。 整体而言, 所研究的区域越大, 沉积体系组合 越复杂, 运用高分辨率层序地层学方法进行沉积 前古地貌恢复时的误差也就越大, 所恢复出的古 地貌形态要比原始的形状平缓。这是因为基准面 本身是一条有起伏的光滑曲线, 在小范围内可以 用其切线来近似代替。但与传统的对比方法相比, 它能够更好地反映出某一基准面旋回沉积前的原 始古地貌形态, 其在理论上是可行的。这里要强调 的是, 运用以上高分辨率层序地层学方法恢复出 ·97·第 1 期 赵俊兴等: 高分辨率层序地层学方法在沉积前古地貌恢复中的应用 图 4　河流- 三角洲- 浅湖沉积体系组基准面形态与沉积物响应关系 F ig. 4　T he base2level shape and depo sit ional characterist ics of a system of stream , delta and shallow lake 的地貌形态是某一旋回沉积前的原始地貌形态, 排除了由于构造沉降等因素作用而导致的后期变 形。虽然由于局部因素变化可以导致基准面形态 变化, 但其总体上遵循动态均衡原则, 因此在实际 操作中可以忽视个别局部地区的小范围的偶然因 素变化。 3　基准面旋回级次的选择 应用高分辨率层序地层进行古地貌恢复时, 其参考界面为基准面; 而在地史发展过程中, 基准 面可根据变化幅度不同可分为不同的级次。根据 郑荣才教授关于基准面旋回级次的划分, 可将基 准面旋回级次划分为 6 个级次, 即巨旋回、超长 期、长期、中期、短期和超短期旋回等 (表 1)。不同 旋回级次对应着不同时间段、不同的构造运动期 次, 有着不同的沉积响应特征。因此, 在进行古地 貌恢复时, 应针对研究课题的需要来选择对比时 所使用的基准面旋回级次。 在实际研究中, 对于区域性基础地质研究可 选用巨旋回或超长期基准面旋回; 在油气勘探阶 段地质研究中, 一般应用中期或长期基准面旋回 级次即可; 在油气开发过程中, 常选用短期或超短 期基准面旋回级次来进行沉积前古地貌恢复工 作。 4　问题与讨论 从上面对于不同情况下的沉积前古地貌高分 辨率层序地层学恢复方法研究, 我们认为该方法 表 1　基准面旋回级次的划分和基本特征 T he grade division of the base2level cycle and its basic characterist ics 基准面旋 回级次 界面类型 时限范围 T öM a 层序定义 主要控制因素 适用研究阶段 巨旋回 É 类 30～ > 100 (视盆地延时而定) 包括盆地演化各阶段的原型盆地完整的沉积充填序列 超长期 Ê 类 10～ 50 以盆地演化各阶段为单位的构造充填序列 长期 Ë 类 1. 6～ 5. 25 一套具有较大水深变化幅度的、彼此间具成因联系的地层的地层所组成的区 域性湖进2湖退沉积序列 中期 Ì 类 0. 2～ < 1 一套水深变化幅度不大的、彼此间成因联系密切的地层叠加所组成的湖进2湖 退沉积序列 短期 Í 类 0. 04～ 0. 16 一套具有低幅水深变化的、彼此间成因联系极为密切的, 或由相似岩性、岩相 地层叠加组成的湖进- 湖退沉积序列。 超短期 Î 类 0. 02～ 0. 04 一套代表最小成因地层单元的单一岩性或相关岩性的叠加式样 构造因素天文因素 区域构造运动 区域地质基础研究构造演化阶段应力场转换 区域或勘探初期构造幕式性强弱变化 勘探期偏心率长周期 勘探2开发初期偏心率短周期 开发期岁差周期 开发晚期 　　 (根据郑荣才教授资料修编) ·08· 成都理工大学学报 (自然科学版)　　　　　　　　　　　第 30 卷 理论上是可行的, 而且能够得到某一基准面旋回 的沉积前的原始古地貌形态。在使用该方法前, 我 们不能忽视对沉积相的研究, 因为该方法是基于 沉积相分析的基础上进行的。与传统的方法比较, 其精度更高, 可靠性更强。同时, 在实际操作中应 注意以下问题: a. 使用高分辨率层序地层学恢复原始古地貌 形态的前提: 在使用该方法时, 我们首先应对研究 区进行沉积相成因分析, 正确判断出沉积体系发 育类型; 其次, 应正确使用高分辨率层序地层学方 法进行不同级次基准面旋回对比。这两个前提是 进行高分辨率层序地层恢复古地貌形态的基础。 b. 关于恢复精度与对比尺度、区域范围的关 系: 运用高分辨率层序地层学方法恢复古地貌的 精度与使用的对比尺度和研究区域范围有直接的 关系。使用不同级次的基准面旋回进行地层对比 时, 所得到的精度不同, 可以这么讲, 对比尺度越 小, 所得到的精度越高, 即使用短期基准面旋回比 中长期基准面旋回进行地层对比时的恢复精度要 高, 这是因为周期越短, 影响基准面变化的因素越 少, 基准面可以更近似为某一曲面; 同时, 研究区 域范围越小, 则恢复精度越高, 是由于这样可以用 基准面的切线来近似代替。 c. 为了更有效地恢复出原始古地貌形态, 我 们应该使用沉积物原始厚度。这样就需要通过压 缩率系数进行岩石原始沉积厚度换算, 使恢复精 度进一步得到提高。 在本文的撰写过程中, 得到了郑荣才教授的 热情指导, 在这里表示衷心感谢。 [ 参 考 文 献 ] [1 ] 郑荣才, 吴朝容, 叶茂才. 浅谈陆相盆地高分辨率层序 地层研究思路 [J ]. 成都理工学院学报, 2000, 27 (3) : 241- 244. [2 ] 邓宏文. 美国层序地层研究中的新学派 高分辨率 层序地层学 [J ]. 石油与天然气地质, 1995, 16 (2) : 89 - 97. [3 ] 郑荣才, 尹世民, 彭军. 基准面旋回结构叠加式样的沉 积动力学分析[J ]. 沉积学报, 2000, 18 (3) : 369- 375. [4 ] 郑荣才, 彭军, 吴朝容. 陆相盆地基准面旋回的级次划 分和研究意义[J ]. 沉积学报, 2001, 19 (2) : 249- 255. [5 ] 罗立民. 河湖沉积体系三维高分辨率层序地层学- 以 准葛尔盆地东部北 27 井区侏罗系头屯河组为例 [M ]. 北京: 地质出版社, 1997. [6 ] 谢又予. 沉积地貌分析[M ]. 北京: 海洋出版社, 2000. [7 ] 赵俊兴, 陈洪德, 时志强. 古地貌恢复技术方法及其研 究意义 以鄂尔多斯盆地侏罗纪沉积前古地貌研 究为例 [J ]. 成都理工学院学报, 2001, 28 (3) : 260- 266. THE POSSIB IL ITY OF REBU ILD ING PAL EOGEOMORPHOLOGY BEFORE BASIN D EPOSIT ION BY H IGH-RESOL UT ION SEQUENCE STRAT IGRAPHY ZHAO Jun2x ing, CH EN Hong2de, X IAN G Fang (S ta te K ey L abora tory of O il and Gas R eservoir Geology and E xp loita tion , Cheng d u U niversity of T echnology , Ch ina) Abstract: Paleogeomo rpho logy is the m ain facto r to con tro l the la te depo sit ion in a basin. H igh2reso2 lu t ion sequence stra t igraphy is to research the rela t ion sh ip betw een base2level cycle sedim en tary st ra ta sequence and basin depo sit ion k inet ics based upon the theo ry of the changing of base2level cycle and accommodat ion. It can imp rove the isoch roneity and accu racy du ring stra ta con trast ing. A cco rd ing the theo ry, it is po ssib le to rebu ild ing basin paleogeomo rpho logy befo re depo sit ion by h igh2reso lu t ion se2 quence stra t igraphy. T he w ay of rebu ild ing the o rig inal geomo rpho logy in one basin by h igh2reso lu2 t ion sequence stra t igraphy is founded on the sedim en tary facies analysis, tak ing the largest t rasgres2 sion as the reference level, and u t ilizing h igh2reso lu t ion sequence stra ta con trast ing to comp lete o rig i2 nal paleogeomo rpho logy. T he paper deta ils the m ethod and p rocedu re of rebu ild ing p leogeomo r2 pho logy of a single sedim en tary system and comp lex system and po in ts ou t the at ten t ion p rob lem. Key words: h igh2reso lu t ion sequence stra t igraphy; paleogeomo rpho logy; base2level cycle ·18·第 1 期 赵俊兴等: 高分辨率层序地层学方法在沉积前古地貌恢复中的应用