裂谷地區(qū)的層序地層初探

張滋榮

(中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心寧夏總隊 寧夏銀川 750000)

裂谷地區(qū)的層序地層初探

張滋榮

(中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心寧夏總隊 寧夏銀川 750000)

自上世紀八十年代層序地層的概念被提出，九十年代進入理論與生產(chǎn)全面發(fā)展時期，至今大體上分為Exxon沉積層序理論學派，Galloway的成因地層學學派和T.A.Cross陸相高分辨率層序地層學理論學派，主要以陸相層序地層及海相層序地層研究為主要對象。國際上目前研究內(nèi)容包括海相、湖相、河流相碎屑巖層序地層；碳酸鹽層序地層；煤和其他沉積物層序地層研究，而國內(nèi)以陸相河流相、湖泊相層序地層研究為主，對裂谷層序地層研究較少[1-6]，雖然對于被動陸緣盆地層序地層學概念已提出，但裂谷地區(qū)層序地層還沒有合適的沉積模式提出，本文從傳統(tǒng)的層序地層原理及層序地層格架控制因素包括：野外露頭、測井、地震等方面對裂谷層序地層進行分析，最后提出裂谷盆地的層序地層模型。

裂谷盆地；層序地層；體系域

一、前言

被動陸緣作為構(gòu)造穩(wěn)定區(qū)域，由于長期的熱沉降背景上的全球海平面波動，使得可容空間的產(chǎn)生成為可能，因此經(jīng)典的層序地層學被運用到被動陸緣背景下，同時也能很好分析被動陸緣背景下的沉積盆地地層格架。因此可以看出根據(jù)傳統(tǒng)層序地層研究被動陸緣盆地的沉積系統(tǒng)的空間和時間分布特點，并對儲層、來源、蓋層組合的分布和空間關(guān)系進行各項預(yù)測是可以的。

從被動陸緣的初始模式提出開始，在過去的二十年間層序地層在不斷的演變。然而構(gòu)造穩(wěn)定的盆地相對于構(gòu)造活動的盆地層序發(fā)育的機制從根本上是不同的，許多讀者嘗試將被動陸緣模式應(yīng)用于所有其他構(gòu)造背景上去。但這種不同構(gòu)造背景下的層序地層模式的差異性還沒有被采納，這也將是層序地層學未來的研究的方向之一。

本文主要是對裂谷盆地提出一個層序地層模式。被提出的模型規(guī)定了層序地層的模式，這種模式通常在裂谷盆地的構(gòu)造背景下常見，此外還提供了一個理解過程與結(jié)果的關(guān)系格架，這種關(guān)系相當于裂谷盆地的可容空間控制因素和層序格架結(jié)果。同時強調(diào)了在油氣勘探方面獲得的地層垂向疊加模式的可能預(yù)測。主要以實例說明模式，包括海相和非海相沉積背景。能否被被應(yīng)用于所有裂谷盆地仍然值得被證實。

二、基本原理

圖1. 可容空間和沉積物供給之間的相互作用所反映的沉積動態(tài)(進積作用，退積作用，充填作用)(據(jù)Van Wagoner,1990年改)。

層序地層提高了我們對沉積盆地充填結(jié)構(gòu)和演化的認識，由此對自然資源的勘探預(yù)測也提出了新的方法。層序地層的方法強調(diào)了沉積作用的動態(tài)變化(例如，前積，退積，堆積，剝蝕)和穿時的地層垂向疊加模式結(jié)果，這些主要是由可容空間(沉積物充填的可用空間)與沉積物供給之間的平衡轉(zhuǎn)化所控制(圖1)，包括：可容空間的生成或缺失，是由構(gòu)造作用(如基底沉降或抬升)與海平面升降波動(升高或下降)之間的相互作用所導(dǎo)致的；同時沉積物占據(jù)可容空間的速率與可容空間產(chǎn)生的速率相對比所產(chǎn)生的?？扇菘臻g的變化速率與和沉積物沉積速率的平衡控制了海侵(海岸線的后退)和海退(海岸線的前進)的形成，就垂向沉積疊加序列模式來看，進積作用意味著一個連續(xù)的相，隨時間的推移近端相逐漸疊加遠端相。進而生成一個在淺水環(huán)境下向上變粗的連續(xù)沉積。退積作用也是連續(xù)相的結(jié)果，表現(xiàn)為基底的近源相，向上逐漸過渡，在頂部形成遠源相，在淺水環(huán)境為向上變細趨勢[7]。

沉積物供給量隨時間的變化取決于若干變量，包括：氣候、物源區(qū)風化程度、母巖的巖石類型，以及物源區(qū)與盆地之間的地貌差異(高差、距離、坡度等)。在這些控制因素中，地貌差異與沉積盆地的構(gòu)造演化過程密切相關(guān)，影響著構(gòu)造機制引起的可溶空間的變化。在構(gòu)造活動的盆地內(nèi)(例如裂谷)，作為控制可容空間的構(gòu)造作用，起著非常重要的角色，然而在構(gòu)造穩(wěn)定的盆地例如離散型大陸(被動大陸)邊緣，海平面升降起著主要的控制作用。

河流系統(tǒng)搬運沉積物到沉積盆地的能力是與橫向梯度變化成比例的，橫向的變化受盆地下陷作用和物源構(gòu)造作用共同影響的?；鶞拭嫦陆禃r，河流向下游變陡導(dǎo)致均衡剖面的負向調(diào)整(負向可容空間)，使得盆地的海相部分物源供給量增加。相比之下，在基準面上升期間的正向調(diào)整，引起靠近盆地邊緣的滯留沉積，即在沉積盆地的河流相沉積部分增加，進而導(dǎo)致沉積物流進盆地的量減少，同時導(dǎo)致海相儲層相的沉積物減少。

被動陸緣盆地有自己可容空間的發(fā)展歷史，因此，它們的地層學格架主要受不同等級規(guī)模的海平面波動控制。被動陸緣的沉積層序開始和結(jié)束伴隨著基準面的階段性下降，從而引起近地表的暴露，剝蝕和大陸架(層序邊界)碎屑的迂回沉積，同時伴隨深海沉積環(huán)境下的低水位沖積扇沉積(即為退積作用)。緊接著，正的可容空間速率與沉積物供給速率的平衡轉(zhuǎn)變導(dǎo)致經(jīng)典的地層學沉積記錄變?yōu)檎５牡臀煌朔e楔、海侵和高水位體系域。

其實概括起來，能被應(yīng)用于所有構(gòu)造背景下的層序地層學方法中，一個沉積層序相當于正常物源動態(tài)沉積和地層垂向疊加模式下一個完整層序循環(huán)，這個沉積層序是由可容空間和沉積物供給量(產(chǎn)生或消亡)的比率相互影響所產(chǎn)生的。

三、裂谷盆地的層序格架控制因素

受氣候影響的海平面波動引起高頻率的海平面變化，這個海平面變化是裂谷環(huán)境中的層序地層循環(huán)的控制因素之一。裂谷盆地的可容空間主要由大地構(gòu)造沉降產(chǎn)生，它擁有以下特點：在著脈沖式的伸展和活動性的斷層下伴隨著可容空間迅速產(chǎn)生，并形成段階段的幕式沉降，通常伴隨著長時間的構(gòu)造平靜期。在后來的階段中，沒有新的可容空間的產(chǎn)生，并且沉積物供給逐漸消耗了有效地空間導(dǎo)致盆地從欠補償?shù)教顫M甚至是到過補償盆地。典型的分析來說是在一個構(gòu)造活動后不久，沉積物供給增加，可容空間產(chǎn)生速率降低，當源區(qū)和盆地之間新產(chǎn)生的地貌差異允許更多的有效地沉積物運送到盆地中時，會導(dǎo)致沉積盆地充填滿的情況。

圖2. 巴西邊緣岸的一個白堊紀裂谷盆地的測井曲線截面相關(guān)圖，說明了由一個海泛面分隔的兩個沉積層序。從巖性和伽馬值曲線可以很好的定義海泛面。記錄兩個層序向上變粗的疊加模式。

裂谷盆地的地層層序，主要受推進式的進積沉積控制，垂向上表現(xiàn)為向上變粗序列，例如在伸展沉降的各階段之后沉積物充填可容空間過程中，一個完整的循環(huán)常常包括一個短的退積部分(海浸體系域)，它與伸展沉降背景的脈沖式構(gòu)造相對應(yīng)，緊接著在一個構(gòu)造平靜期的一個長階段的進積作用(高水位體系域)。這種垂向疊加模式遵循于不同等級的層序。巴西東北部的雷孔卡裂谷盆是南大西洋裂谷體系夭折的一支，它是早白堊紀一級地層格架，印證了向上變粗層序的發(fā)育，為盆地充填徹底的進積河流相(馬薩卡拉群)沉積物質(zhì)越過哎哈斯群的三角洲沉積，依次覆蓋在坎德斯組的原始湖相沉積物上。

巴西東南部的埃斯皮尼亞蘇元古代裂谷盆地是這種層序地層模式的另一個實例，在裂谷演替中兩個多角度裂谷延伸不整合面分離了三個類似的裂谷層序。修正的不同海泛面被湖泊沉積和人為定義的層序邊界所覆蓋。每個類似的裂谷層序顯示出一個向上變粗的堆積模式，發(fā)育在湖泊系統(tǒng)頂部的沖積扇，河流沉積和三角洲沉積體系中。更高頻率的層序被解釋為高頻率的脈式斷層作用的產(chǎn)物，而且被認為是在斯帕-布曼蒂胡的三個類似裂谷層序，同時還表現(xiàn)出與高等級(低頻率)層序一樣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)[8-9]。

由于裂谷特殊的下陷模式，因此層序邊界的傾向由海泛面標注出來，伴隨著可容空間的迅速產(chǎn)生導(dǎo)致了在未填滿的(湖泊或海洋)背景下產(chǎn)生海侵作用。不同等級下的海泛面可以在裂谷盆地中的測井曲線和野外露頭中鑒定出來，為相關(guān)的地層學提供強有力的工具。

圖2中相關(guān)的測井曲線橫截面說明了海泛面在相關(guān)層序地層學中被用來作為關(guān)鍵的界面。圖2中的層序邊界分離出兩個類似裂谷層序，每一個都顯示出向上變粗的堆積模式，這些在巖性和伽馬曲線是被認可的。同樣的，圖3中的測井曲線橫截面展現(xiàn)了一個層序結(jié)構(gòu)，證明了這里說明的格架：即不同等級下海泛面被認為是類似裂谷沉積層序的邊界[10]。

圖3. 維京地塹測井曲線截面相關(guān)圖，北海裂谷(據(jù)Frostick修改,1993)的四個向上變粗沉積層序以海泛面為邊界能夠被鑒別(深海頁巖與基底的直接接觸定義海泛面(為層序邊界)。砂巖和礫巖軸向上的進積作用產(chǎn)生了整體向上變粗的堆積模式)

四、討論和總結(jié)

一個典型的裂谷層序傾向認為，開始于基底為相對深水沉積物，上覆一個海泛面，這個海泛面是迅速的沉降和隨即的海侵作用產(chǎn)生的。當可容空間一直受限，在初始海泛面之下，一些盆地中出現(xiàn)基底富砂的區(qū)域，代表了裂谷開始的早期階段。在基底的細粒的沉積體中，夾有一些濁積巖相的夾層，它們上覆在首次海泛面至上，能夠表明進積作用的開始。頁巖和濁積巖的沉積表明盆地演化的欠補償階段。隨著進積作用進行，巖體推進達到淺水區(qū)域和沿岸體系(補償相)，逐漸變?yōu)轫敳康臎_積扇相(過補償相)。從欠補償?shù)竭^補償條件的逐漸變化是由于可容空間和沉積系統(tǒng)充填有效空間的能力之間的平衡變化所決定的。

一個典型的裂谷層序包括海侵體系域和高水位體系域。海浸體系域包括在脈沖式構(gòu)造驅(qū)動下的沉降期和泛濫期堆積的退積相。高水位體系域形成大部分層序，還包括進積作用下向上變粗并上覆于最大最大海泛面之上的序列。由于基準面(可容空間)曲線強烈的不對稱形狀，伴隨著快速的抬升(脈式構(gòu)造沉降)和持久的平靜期(構(gòu)造靜止期)，低水位體系域傾向于發(fā)育不全或缺失。這點標示了裂谷和構(gòu)造穩(wěn)定盆地之間的重要不同之處，例如那些在被動陸緣背景下的大陸架環(huán)境下列出的盆地，低水位體系域發(fā)育。

那些構(gòu)造控制的裂谷沉積序列的層序格架以海泛面為邊界，內(nèi)部主要為向上變粗層序序列。各種地層格架具有這樣的特點：它具有在不同等級下發(fā)育各層序地層格架。高頻率層序能夠在測井曲線中識別，例如圖4中所展示的小規(guī)模的層序顯示了相同的向上變粗序列的特點。例如高頻率層序(如三級層序)是由小規(guī)模的活動斷層的脈沖式構(gòu)造產(chǎn)生，這是發(fā)生在一個相對長時期的構(gòu)造平靜期間，

圖.4 測井曲線(GR伽馬射線)展示了兩個分級標準的裂谷層序(實體箭頭代表高位，虛線箭頭代表低位)。

在更高級的構(gòu)造事件下之間的產(chǎn)物。一個新的沉降產(chǎn)生導(dǎo)致早期的沉積物被海水淹沒，并預(yù)示著一個新的沉積層序的開始。層序相當重要的一個反面(基于厚度或是發(fā)育規(guī)模)就是用來對不同裂谷盆地充填的地層體系進行劃分。一個裂谷盆地的完整充填被認為是一級層序，代表了這個盆地體系演化的起始點[11、12]。標準層序常出現(xiàn)一些變化，是由于一些因素引起的，包括氣候影響海洋面(湖泊面)波動因素的疊加；裂谷體系演化過程中的伸展速率；及裂谷體系下的不同亞盆地之間的差異性沉降歷史和沉降中心相對于物源和沉積物入盆的位置有關(guān)。

[1]侯明才,陳洪德,田景春.2001層序地層學的研究進展[J].礦物巖石,21(3):128-134.

[2]謝淵,劉家鐸,王劍,等.陸相層序地層學研究進展與挑戰(zhàn)沉積與特提斯地質(zhì).2002,22(2):8-17.

[3]付志方,王煥弟,邢衛(wèi)新,等.2005.層序地層學研究現(xiàn)狀及進展[J].勘探地球物理進,28(5):320-325.

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Rift valley region of sequence stratigraphy

Zhang Zi-rong
(Geological Prospecting Center Ningxia Headquarters Building Materials Industry of China, Yinchuan Ningxia, 750000, China)

Since the 1980 s, the concept of the sequence stratigraphy is put forward, in the ninety s into the all-round development theory and the production period, school of today can be broadly divided into Exxon sedimentary sequence theory, Galloway school of genetic stratigraphy and T.A.C Ross school continental high resolution sequence stratigraphy theory, mainly continental sequence stratigraphy and Marine sequence stratigraphy research as the main object. On the international current research contents include Marine facies, lacustrine facies, fluvial facies clastic sequence stratigraphy; Carbonate sequence stratigraphy; Coal and other sediment sequence stratigraphy research, and domestic to continental fluvial facies, lacustrine facies sequence stratigraphy study is given priority to, the rift sequence stratigraphy research is less. Although the concept has been put forward for the passive continental margin basin sequence stratigraphy, sequence stratigraphy but rift valley region are still to be suitable depositional model put forward, in this paper, from the traditional principles of sequence stratigraphy and sequence stratigraphy framework control factors include: field outcrops, well logging, seismic sequence stratigraphy analysis of the rift valley, the rift basin sequence stratigraphy model is put forward.

rift basin; sequence stratigraphy; system domain

P631.4

A

1000-9795（2014）08-000344-03

［責任編輯：周 天］

張滋榮(1966-)，男，寧夏銀川人，學士，高級工程師，主要從事固體礦產(chǎn)勘查與開發(fā)綜合研究。