富有机质页岩的层序与地层学研究方向

1.层序及层序类型

1）层序

层序是一套相对整一的、成因上存在联系的、顶底以不整合面或与之相对应的整合面为界的地层单元（Mitchum，1977）。层序是一个具有年代意义的地层单位，层序内部相对整合的地层形成于同一个海平面升降旋回中，层序是由成因上有联系的多种沉积相在纵向和横向上的有序组合。层序本身不包括规模甚至时间的含义，但层序内所有岩层都是沉积在以层序边界年代所限定的地质时间间隔内，层序边界及内部地层的地质年代可以用生物地层和其他年代地层学的方法加以确定（图4—1）。层序是层序地层学研究的基本单元。一个沉积层序可以包含若干个不同类型的沉积体系域以及准层序组和准层序。

2）层序类型

在地层记录中，可以识别出两种类型的层序，即Ⅰ型和Ⅱ型层序。Ⅰ型层序底部以Ⅰ型层序界面为界，顶部以Ⅰ型或Ⅱ型层序界面为界。Ⅱ型层序底部以Ⅱ型层序界面为界，顶部以Ⅰ型或Ⅱ型层序界面为界。

Ⅰ型层序界面是一个区域性的不整合界面，是全球海平面下降速度大于沉积滨线坡折带处盆地沉降速度时产生的（图4—2）。也就是说Ⅰ型层序界面是在沉积滨线坡折带处，由海平面相对下降产生的。Ⅰ型层序界面以河流回春作用、沉积相向盆地方向迁移、海岸上超点向下迁移以及与上覆地层相伴生的陆上暴露和同时发生的陆上侵蚀作用为特征。由于形成Ⅰ型层序边界时，沉积相迅速向盆地方向迁移，必将造成非海相辫状河或浅海相河口湾等沉积物直接覆盖在界面之下的较深水下临滨、陆棚沉积物之上，界面之间缺少中等水深的沉积地层。

Ⅱ型层序界面是由于全球海平面下降速度小于沉积滨线坡折带处盆地沉降速度时形成的，因此在这个位置上未发生海平面的相对下降（图4—2）。Ⅱ型层序界面是一个区域性界面，具有自沉积滨线坡折带向陆方向的陆上暴露、上覆地层的上超以及海岸上超的向下迁移等特征。然而，它没有伴随着河流回春作用造成的陆上侵蚀，也没有沉积相明显向盆地方向的迁移。

不同类型的层序及其界面的形成与全球海平面下降速度、沉积滨线坡折处沉降速度的大小密切相关。沉积滨线坡折是指陆架剖面上的一个位置，是沉积作用活动的地形坡折，在此坡折向陆方向，沉积表面接近基准面，面向海方向沉积表面低于基准面。因此，在硅质碎屑沉积盆地中，沉积滨线坡折带的位置大致与三角洲河口砂坝向海一端或与海滩上临滨位置一致，通常位于岸线向海100～1 000 m处，水深在8～15 m，相当于正常浪基面位置。随着海平面升降变化，沉积滨线坡折的位置也会发生变化。

由于形成层序类型的机制不同，因此，不同类型层序内部的体系域构成和沉积特征就有所不同（表4—1）。

图4—1　沉积层序及其年代地层剖面（R.M.Mitchum，1997）

图4—2　Ⅰ型、Ⅱ型不整合及造成这两类不整合的海平面升降（Wilson，1991）

表4—1　不同类型层序的体系域构成

2.层序地层学及其理论基础

1）层序地层学定义

层序地层学是研究以不整合面或与之相对应的整合面为边界的年代地层格架中具有成因联系的、旋回岩性序列间相互关联的地层学分支学科。也可定义为研究年代地层格架中成因关联的学科（Van Wagoner，1988，1990）。也有人认为，层序地层学是研究层序形成和地层分布模式的一门科学。层序地层学就是根据地震、钻井、测井和露头资料以及有关沉积环境和岩相对地震形式作出解释。层序地层学的解释过程将建立以地层不连续面为界的、成因上有联系的、旋回性地层的年代地层学体制。

层序地层学属于成因地层学的范畴，是一种划分、对比和分析沉积岩的新方法。当它与生物地层学和构造沉降分析相互结合时，便可提供一种更为精确的地层时代对比、沉积相制图和钻前预测生、储、盖层分布的年代地层格架。从本质上讲，层序地层学分析成果提供了被称为层序和体系域的成因地层单位的、以不整合面或与之相对应的整合面为界的年代地层格架。这些层序和体系域与特定的沉积体系类型、岩性分布和油气产出具有密切的联系，是由与海平面相对变化有关的基准面变化引起的。这些基准面变化表现在地震反射剖面上的不同类型地震反射的终止关系以及露头、钻井、测井资料上的沉积相带叠置方式的变化，可利用生物地层学和其他年代地层学的方法确定基准面变化处的地质年代。因此，层序地层学的地层单位是由物理界面所限定的等时岩石组合，从而提高了岩相古地理再造、盆地地质历史分析和资源评价的科学性和准确性。

陆相层序地层学研究方法应该比海相层序地层学更精细，而且是双向的，即从地震剖面上层序的宏观控制，建立与露头的对应关系，用古地磁、同位素、旋回地层学等给以标定时间及时间间隔；同时通过精细的测井曲线分析，确定层序、亚层序、层系、层，甚至纹层，建立与地震剖面、露头层序的对应关系；这样从宏观控制微观，微观又反过来补充、充实、证明宏观，在宏观控制下建立地层格架，通过露头、岩心详细观察和测井资料的精细处理，计算机模拟探讨预测储层横向变化，油气赋存状态，在四维时空上认识其配置关系，这是一个历史的动态的平衡。

层序地层学的诞生和发展受益于地震地层学、生物地层学、年代地层学和沉积学的发展。但需要指出的是，岩性地层学不利于层序地层学的发展。岩性地层学常是相似岩性的地层对比，因而常是穿时的、没有等时意义的（图4—3）。

图4—3　层序地层学与岩性地层学地层对比的差异(www.xing528.com)

具有地质年代意义的地层对比线为AA′、BB′；
岩性对比将会把相同岩性的砾岩①②、砂岩③④⑤、泥岩⑥⑦⑧对比起来。

2）层序地层学理论基础

（1）海平面升降变化的全球周期性

层序地层学是在地震地层学理论基础上发展起来的，它继承了地震地层学的理论基础，即海平面升降变化具有全球周期性，海平面相对变化是形成以不整合面以及与之相对应的整合面为界的、成因相关的沉积层序的根本原因。Haq和Vai（1977，1987）建立了显生宙全球海平面Ⅰ型、Ⅱ型变化旋回的中新生代海平面变化年表（图4—4）。他们认为，由于海平面变化的全球性，层序地层学可以成为建立全球性地层对比的手段，重建全球地层对比系统；尽管还有许多地质学研究者对全球海平面升降曲线的准确性持怀疑态度，指出区域海平面变化周期受控于构造、气候、全球性海平面变化、沉积物供给等多种因素，但是若排除构造运动以及其他干扰因素的影响，并对具有全球性周期的沉积层序进行准确定年，就能够提供一种特别适合于沉积相和古地理重建的年代地层格架，同时还能获得对全球海平面周期升降规律的认识（图4—4）。

（2）地层单元几何形态和岩性的控制因素

图4—4　显生宙全球海平面变化旋回（Vail等，1977）

层序地层学注重研究以不整合面及与之相关的整合面为界的旋回地层的关系。一个沉积层序是由沉积在一个相对海平面升降旋回之间的各种沉积物组合而成的，一个层序中地层单元的几何形态和岩性受构造沉降、全球海平面升降、沉积物供给速率和气候变化等4个基本因素的控制。其中构造沉降提供了可供沉积物沉积的可容空间，全球海平面变化控制了地层和岩相的分布模式，沉积物供给速率控制了沉积物的充填过程和盆地古水深的变化，气候控制了沉积物类型以及沉积物的沉积数量。Vail（1987）曾认为，全球海平面升降变化是控制地层叠置样式的最基本因素。一个沉积层序顶底边界的形成直接受全球性海平面变化所形成的不整合控制。若能够排除构造运动以及其他局部因素的影响，而将这些具有全球周期性的沉积层序准确定年，就能够提供一种特别适合于沉积相和古地理重建的年代地层格架，同时还能够获得对全球海平面升降周期性变化规律的认识（图4—4）。

3）其他相关基本概念

（1）最大海泛面/最大湖泛面

最大海泛面是一个层序中最大海侵时形成的界面，它是海侵体系域的顶界面并被上覆的高位体系域下超。在任一级海平面升降周期内，海平面上升速率极快，达到高峰后转为缓慢或初始下降之前的瞬间，为最大海泛期。它以从退积式准层序组变为进积式准层序组为特征，常与凝缩层伴生，与页岩的沉积环境和发育密切相关。在地震反射剖面上，最大海泛面常对应于最远滨岸上超点所对应的反射同相轴。

最大湖泛面，即指在湖盆演化过程中，湖平面达到最高、湖岸上超点达到向陆最远时期所对应的湖泛面，是对应于湖平面升降曲线上的最高点的产物，表现为湖岸从上超最远位置开始向下退缩，沉积物亦相应地向盆内发生迁移，且沉积岩层中湖相成分往上逐渐减少。常形成分布范围广、色暗质纯、反映较深水环境的凝缩层。

该界面在海相盆地中常为典型的下超面，但在陆相断陷湖盆中，因陆源碎屑物供给丰富，湖相泥质岩沉积作用可在每一步进积岩层中形成较厚的湖相夹层，故而难于形成类似于海相盆地的典型的下超面，这给在地震反射剖面上寻找“下超面”带来了一定的难度。

（2）可容空间

可容空间指可供沉积物潜在堆积的空间（Jerrey，1998）。可容空间受控于沉积背景的基准面的变化，或者是海平面升降和构造沉降的函数。也就是说，若沉积物要发生沉积，则在基准面之下必须存在可容空间。基准面的位置是随沉积背景的变化而变化的（图4—5）。

图4—5　可容空间示意图（Emery，1996）

（3）凝缩层/密集段

凝缩层是指沉积速率很慢［（1～10）×10—3 mm/a］、厚度很薄，富含有机质、缺乏陆源物质的半深海和深海沉积物，是在海平面相对上升到最大、海侵最大时期在陆棚、陆坡和盆地平原地区沉积形成的。凝缩层也称密集段，与富有机质页岩的发育密切相关。

（4）准层序组叠加样式

准层序是一个以海泛面或与之相应的面为界、由成因上有联系的层或层组构成的相对整合序列。准层序组是指由成因相关的一套准层序构成的、具特征堆砌样式的―种地层序列。根据准层序的垂向组合关系（叠置样式），可将准层序组划分为进积、加积和退积准层序组3种类型，其中退积准层序组对页岩沉积环境具有指示意义。

退积准层序组是在沉积速率小于可容空间增长速率的情况下形成的，因此年轻的准层序依次向陆方向退却。尽管每个准层序都是进积作用的产物，但就整体而言，退积准层序组显示出向上水体变深、单层砂岩减薄、泥岩加厚、砂泥比值降低的特征，它常是海侵体系域的特征。

此外，进积准层序组形成于沉积速率大于可容空间增加速率的情况下；加积准层序组形成于沉积速率等于或近于可容空间变化速率的情况下。