一層序地層學研究歷史的回顧和展望

2021-03-06 23:03:02 字數 4873 閱讀 1666

1樓:中地數媒

1.層序地層學研究的基礎和定**釋

地層工作者在實踐中逐漸發現,對地層學來說,僅有年代地層學、生物地層學和岩石地層學是不完備的,況且它們各自還有不足之處。地層學家認為,年代地層分類法實際上是一種人為的地層分類法,它受傳統習慣、創名者優先權等的影響很深,尤其在確定界線和選擇層型剖面等關鍵問題上,至今仍沒有找到比「表決」更好的途徑(吳瑞棠等,1989)[1]。生物地層和岩石地層分類法以及它們各自的分類單位(生物帶、群、組等)都不同程度地受地層形成時沉積環境的影響。

因此,人們越來越認識到,單純依據化石或巖性劃分和對比地層存在很大的侷限性,甚至會造成某些混亂,因而需要尋求其他途徑建立地層格架。

沉積學與地層學雖然是地球科學中最基礎的學科,但由於其他學科的發展和滲透,因而在近年也有了極大的進展,突出表現在旋迴地層學和層序地層學的興起。這些新觀點被廣泛地接受和成功地應用在油氣勘探等生產實踐中,從而導致了人們認識地球形成演化史的尺度的改變和全球同時性地層的對比原則的產生。

層序地層學作為廣義地層學中一個引人矚目的新領域應運而生,並迅速地發展。然而,層序地層學的提出和實踐是在特定的地質背景下,以被動大陸邊緣盆地為準,即一側與陸地相連的大陸架和另一側與深海洋盆相連的大陸邊緣,尤其是以上新世到更新世墨西哥灣和大西洋大陸架上的海底扇最為典型。這種盆地的格局和所限定的層序有三個特點:

一是單向物源和單向的海平面升降;二是物源和海平面升降的線型效應,海平面下降時沉積物(陸源物)由陸向海遷移,反之海平面上升時則沉積物(海源物)由海向陸遷移;三是形成層序介面的成因強調海平面升降速率與構造沉降速率的相關性,忽略了構造活動對沉積體系域組分的影響。

由此不難看出,經典的層序地層學的應用與實踐,只適用於被動大陸邊緣由裂解至熱沉降階段的盆地。

然而,古大陸邊緣盆地的地質背景則複雜得多,控制層序型別和體系域性質的條件,除構造沉降、海平面升降、物源供給率和古氣候外,大陸邊緣盆地性質的轉換、相鄰板塊間的構造活動對盆地的制約、物源的多向性、區域構造活動影響相對海平面變化和海平面升降的雙向效應等,都會使沉積體系域的配置和疊置關係複雜化,造成在露頭上識別層序內部次級介面和體系域的困難。因此,層序地層學的應用和實踐既不能脫離經典的層序地層學模式,又不能不區分地質背景和條件而套用。可見,在研究和確認層序地層的劃分和對比以及建立等時地層格架時,在實踐中要根據不同性質的盆地建立不同的層序地層學模型,其結果必將對經典層序地層學提出新的挑戰並引起其變革。

層序地層是在一個等時地質年代格架內從三維空間上認識一個有成因聯絡的沉積組合體,上下被不整合面以及與之相當的整合面所截切。按照p.r.

vail等人(1987)[2]的觀點,一個層序是指一次海平面升降週期中的沉積體,以海平面開始下降為起點和以海平面終止下降為終點,從而在沉積體的介面上形成不整合,即為層序不整合。

層序一詞,最早是l.sloss於2023年提出的,雖然其含義有所不同,但他認為「層序概念不是新的,在我和我的同事們於2023年提出這個概念時它就是老的」。然而,sloss將以不整合為界的層序發展成為一種地層學手段,功不可沒。

sloss(1963)[3]把北美克拉通的前寒武紀晚期到全新世的地層劃分出6套以跨區域不整合面為界的地層組合,並將這6套地層組合以北美印地安部落的名字命名,以強調它們起源於北美。sloss以此在克拉通上建立層序,並作為沉積相進行填圖;不過他已經感到這些層序「不一定適用於克拉通以外和其它大陸以外的岩石地層學和時代地層學」。儘管克拉通層序為層序地層學奠定了基礎,但在60和70年代的早期,人們並沒有接受。

層序地層學演化的又一重大發展體現在埃克森公司的p.r.vail和r.

m.mitchum(1977)[4]等人的研究成果上,在這些作者向各種學術會議提交的一系列**中,提出了全球海平面升降和由此產生的以不整合為界的地層型式。mitchum深化和拓展了層序概念,使其有更確切的定義,並改變了sloss對層序的用法,主要表現在以下兩個方面:

第一,vail和mitchum所指的層序比sloss的層序包含的時間要短得多,原來北美的6個克拉通層序被他們分得更細,在埃克森公司科研人員編的旋迴曲線圖上北美克拉通層序被劃為超層序(supersequence);

第二,vail的層序概念,強調全球海平面升降是層序演化的主要驅動機制。這種解釋引起了沉積學家和地層學家的爭論和疑義。

m.t.jervey(1988)[5]建立了容納空間模式後,新的解釋拓寬了**地層型式的解析度,人們對容納空間模式很快取得了一種共識,從而可能將層序分成更小的地層單位。

這些更小的地層單位後來被稱為「體系域」,並根據體系域的發育型別又將層序分為i型或ⅱ型。在建立上述概念模式的同時,埃克森公司某些地層學家在d.e.

frazier(1974)[6]和c.v.campbell(1967)[7]的強大影響下,開始利用測井、岩心及露頭資料分析向上變淺的矽質碎屑岩地層的堆疊型式,其地層單位的年代地層限定以海水洪泛面為界。

上述研究方法很易同概念模式相混淆,雖然j.l.wilson(1975)[8]等人將向上變淺的地層單位稱為「旋迴」,但是j.

c.van wagoner等人(1989)[9]卻稱之為「準層序(parasequence)」。這種叫法保留了p.

r.vail等人(1987)用「旋迴」一詞表示規律性重複事件的時間,除此還強調了準層序和層序之間的關係。

層序地層學的基本單位是層序,層序內體系域的序列和疊置與一次海平面升降週期中海平面變化的各個階段相對應。體系域內部以次一級的海泛面為界形成向上變淺的地層對,稱之為準層序(parasequence)。相同性質海泛面構成的多個準層序的疊置,稱之為準層序組(parasequence set),從而有海進體系域準層序組、低水位體系域準層序組和高水位體系域準層序組等稱謂。

對層序、準層序組和準層序3個不同涵義的術語,王鴻禎提出以正層序(orthosequence)、亞層序(subsequence)和小層序(microsequence)稱之,本文也採用這一稱謂。

層序或正層序的確定是層序地層學分析的基礎。目前,在層序地層學學派中大致有4種劃分層序的方案:

(1)以p.r.vail領導的埃克森公司研究組(1987)[2]為代表,層序介面以海平面下降的起點和終點所形成的不整合面或與之相當的整合面為標誌,強調層序不整合介面的成因受控於海平面快速下降,構造運動僅對層序介面的印記起到一個加強與減弱的作用,並根據海平面下降幅度和速率對陸架坡折帶造成暴露的程度,把層序介面劃分為ⅰ型層序不整合面和ⅱ型層序不整合面。

(2)galloway(1989)[10]採用最大海水氾濫面作為層序頂底的分介面。這種方案僅充分考慮了層序頂底介面的瞬時等時性,而忽視了他所定義的層序內部包含了不整合面,此面則代表了地質時間的損失量,因而這種劃分方案不利於地層的劃分與對比。

(3)johnson等人(1985)[11]認為,層序是以不整合或海進沖刷不整合為介面的海進-海退旋迴地層序列。

上述這3種層序劃分方法和所限定標誌的共同點是,強調海平面變化是控制層序成因和體系域內沉積相分佈的內在機制,但它們卻有極大的不同。其關鍵是層序介面的定義不同,因而3種不同方案的「層序」不能對比,也不能混用。

(4)由科羅拉多礦業學院t.a.cross(1994)[12]領導的成因地層組則認為,地層基準面旋迴是控制地層層序形成並進行層序劃分的一把鑰匙。

地層基準面受海平面變化、構造沉降、沉積負荷補償、沉積物供給率和沉積地形等綜合因素的制約。cross等人引用並發展了h.e.

wheeler(1964)[13]提出的基準面概念,分析了基準面旋迴與海相層序的過程——響應原理,可以說是目前美國層序地層學新崛起的一大流派。這一觀點和思路有利於研究大陸架上部、三角洲、海底扇等沉積單元對比和沉積體的精細劃分,因而倍受地學界的矚目。

2.層序地層學應用實踐中的問題

80年代中末期,我國也相繼開展了層序地層學的研究工作,除部分油田地區開展**地層學研究以外,在地質界主要針對古大陸邊緣的海相地層進行露頭層序地層學研究。其中頗有影響的為劉寶珺和許效鬆等人[14]對中國南方揚子地臺東南邊緣震旦系至三疊系建立的層序地層格架。他們編繪了相應時限的海平面升降曲線圖,提出了揚子地臺地質歷史中兩次碳酸鹽臺地與海平面升降週期的關係,初步嘗試把層序地層研究與盆地演化相結合進行研究,擴充套件了層序地層學的應用;許效鬆和牟傳龍等[15]以精細的露頭研究為基礎,開展湖南泥盆紀的層序地層研究工作,以最大海泛面、古喀斯特面和各種低水位體系域為標誌,編制等時和穿時沉積相古地理圖,並提出3種層序介面型別;這期間國內其他學者也進行了層序地層學的研究工作,喬秀夫、吳應林等[16]]、杜遠生等[17]、魏家庸等分別對晚元古代、古生代、中生代的地層作了大量的層序研究。

上述這些研究無疑對層序地層學的應用積累了豐富的經驗。由於層序地層學研究主要是在露頭中進行,因而在實踐中又出現了新問題,主要有以下5個方面:

(1)層序和層序介面定義的選擇。以海平面下降時的暴露面或者是最大海泛面作為層序介面,在實踐中頗有爭議。一般認為,暴露面只在發生河流回春的區域內可識別,在深水域則為隱蔽型的不整合,因而不易識別。

相反,最大海泛面則可作為等時介面追蹤,或以生物層為標誌。

(2)露頭上的層序介面與生物地層界限的吻合程度,也是頗有疑義的問題。生物地層學家(殷鴻福口述,1994)認為生物界限與層序不整合界線有時序差,在露頭上分佈不一致,應以海泛面為層序介面。對於層序地層和生物地層之間的矛盾和統一,在實踐中還有待深化。

(3)層序不整合介面的性質和型別頗有多解性,特別是在碳酸鹽巖分佈區或者是碳酸鹽臺地,層序不整合介面上的沉積記錄均表現為海侵體系域上超,因而不少學者都對層序介面的型別有興趣,提出3類介面或進行層序介面成因分析研究。

(4)嘗試把層序地層學的研究和等時的層序介面型別用於解釋盆地演化和盆山轉換的過程分析中。

(5)層序地層學在陸相地層中的研究與應用在我國也相繼開展,如:李思田等(1992)[18]對鄂爾多斯陸相坳陷盆地進行了層序地層研究;王東坡等開展了鬆遼裂谷盆地陸相層序地層研究;趙玉光等(1993)[19]進行了準噶爾三疊紀—侏羅紀層序地層的標定及劃分。此外,南海油田、渤海油田、長慶油田等都進行了陸相地層中**地層學的研究工作。

但這一領域的研究,除**地層外,層序地層研究,不僅在國內而且在國外也是眾說紛紜。一是對層序介面的標定有不同的理解,其次是對體系域的定義和認識也不一致。實際上這兩個問題是相互關聯的,其關鍵就是對陸相地層中的層序介面的識別,有的以最大洪泛面為界,有的則根據侵蝕基準面標定,其次是沉積體系域的定義和鑑別,因與海相地層不同,也有待深入探索。

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