陸源碎屑巖Ⅰ型層序和碳酸鹽巖Ⅰ型層序的異同

(成都理工大學(xué)沉積地質(zhì)研究院 四川 成都 610059)

引言

層序地層學(xué)是地質(zhì)學(xué)科賴以建立的重要基礎(chǔ)學(xué)科之一，它建立等時(shí)地層格架，并將沉積相和沉積體系的研究置于構(gòu)造沉降、海平面升降和沉積物供給的符合制約和整體的統(tǒng)一格架中，因而能有效地揭示其三維配置關(guān)系。

傳統(tǒng)的層序地層學(xué)主要強(qiáng)調(diào)被動(dòng)大陸邊緣的中新生代地層響應(yīng)。近年來，全球獲得重大勘探發(fā)現(xiàn)的油氣田中，有近50%來自被動(dòng)大陸邊緣深水盆地。據(jù)USGU和其他國(guó)際能源機(jī)構(gòu)估計(jì)，全球深水盆地潛在石油地質(zhì)儲(chǔ)量可能超過1000～1500×108bbl[1]。因此，分析被動(dòng)大陸邊緣深水盆地的層序地層特征仍然具有重要的意義。

陸源碎屑巖和碳酸鹽巖的層序在某些方面具有可對(duì)比性，本文主要對(duì)比了碎屑巖Ⅰ型層序和碳酸鹽巖Ⅰ型層序的異同。其中具陸棚坡折的盆地與碳酸鹽臺(tái)地邊緣在地形上具有相似性，對(duì)海平面升降的響應(yīng)相近。同理，具緩坡邊緣的沉積盆地與碳酸鹽緩坡在地形上也較為相似，由于二者地形都沒有明顯的坡折，因此在相對(duì)海平面升降過程中，無論是暴露還是淹沒歷史都與前二者表現(xiàn)出明顯的差異。所以筆者在進(jìn)行碎屑巖Ⅰ型層序和碳酸鹽巖Ⅰ型層序?qū)Ρ葧r(shí)，分別在以上兩種地形的基礎(chǔ)上對(duì)碎屑巖Ⅰ型層序和碳酸鹽巖Ⅰ型層序進(jìn)行對(duì)比。通過對(duì)比，不僅可以深化對(duì)Ⅰ型層序的理解，也便于記憶陸源碎屑巖層序地層模式和碳酸鹽巖層序地層模式的相似與不同。

一、Ⅰ型層序的基本概念

層序地層學(xué)是研究一系列以侵蝕面或無沉積作用面和與之可以對(duì)比的整合面為邊界的、具有旋回性的、成因上有聯(lián)系的并可置于年代地層框架內(nèi)的沉積巖層關(guān)系。層序地層學(xué)的基本單位是層序(sequence)，它是一套內(nèi)部相對(duì)整合，在成因上有聯(lián)系的、以不整合可以與之對(duì)比的整合面為界的等時(shí)沉積體。

在地層記錄中，可以識(shí)別出兩種類型的層序，即Ⅰ型層序和Ⅱ型層序。Ⅰ型層序底部以Ⅰ型層序界面為界，頂部為Ⅰ型或Ⅱ型層序邊界(圖1)。Ⅰ型層序界面的形成被解釋為，是由于全球海平面下降速度超過陸架坡折帶處盆地的沉降，因而在該處產(chǎn)生海平面的相對(duì)下降時(shí)形成的[2]。

Ⅰ型層序界面以河流回春作用(硅質(zhì)碎屑巖區(qū))、沉積相向盆地方向遷移、海岸上超的向下轉(zhuǎn)移以及陸上暴露和同時(shí)發(fā)生的陸上侵蝕作用為特征。由于沉積相向盆地方向遷移，必將造成非海相或者淺水海相地層(如辮狀河道砂巖或者河口灣砂巖、潮坪相碳酸鹽巖)，可直接覆蓋在界面下的較深水的海相地層之上(如下臨濱砂巖、陸棚泥巖或者泥灰?guī)r)，其間缺少中等水深環(huán)境的沉積巖層。

一個(gè)層序的內(nèi)部可以分為若干沉積體系域。一般來說，Ⅰ型層序都是由三個(gè)體系域所組成：低水位體系域(lowstand system tract，簡(jiǎn)稱LST)，向上依次為海侵體系域(transgressive system tract，簡(jiǎn)稱TST)和高水位體系域(highstand system tract，簡(jiǎn)稱HST)。

圖2 三種不同背景下的硅質(zhì)碎屑沉積體系域(轉(zhuǎn)引自Vail,P.R.等，1991)

A)陸棚坡折帶背景下發(fā)育有：盆底扇(BF)、斜坡扇(SF)、低位進(jìn)積組合(LPC)、深切谷(IV)、海侵體系域(TST)和高水位體系域(HST)

B)在深水緩坡中發(fā)育低位進(jìn)積組合或形成陸棚邊緣體系域(SMST)

C)在淺水緩坡中可分別出現(xiàn)下部低位進(jìn)積組合(LLPC)和上部低位進(jìn)積組合(UTPC)

最低位置的沉積體系如果處于Ⅰ型層序之上，則稱為低水位體系域(lowstand system tract，簡(jiǎn)稱LST)。在陸棚邊緣環(huán)境中，碎屑巖的低水位體系域可以包括四部分：盆底扇復(fù)合體、斜坡扇復(fù)合體、低位進(jìn)積復(fù)合體和深切谷充填(圖2)[3]。而對(duì)于碳酸鹽沉積來說，它們的沉積體系與硅質(zhì)碎屑巖大體相似，但更多的表現(xiàn)為重力滑塌成因的碳酸鹽碎屑流或者濁積巖。

海侵體系域(transgressive system tract，簡(jiǎn)稱TST)是位于Ⅰ型層序中間的體系域，它以一個(gè)或者多個(gè)退積式準(zhǔn)層序組為特征，其底面是低水位體系的頂部，并以初始海泛面為界。海侵體系域內(nèi)部的準(zhǔn)層序向陸方向上超于層序界面之上，向盆地方向下超于初始海泛面之上。它的頂部是下超面，也是最大海泛面，并以從退積式準(zhǔn)層序組變?yōu)榧臃e式準(zhǔn)層序組為特征。一般來說，無論是碎屑沉積還是碳酸鹽沉積，海侵體系域都有向盆地方向和向上減薄加深的特點(diǎn)。

高水位體系域(highstand system tract，簡(jiǎn)稱HST)，是Ⅰ型層序的上部體系域。通常廣泛分布于陸棚之上，其內(nèi)部準(zhǔn)層序組在向陸方向上超于層序界面之上，而在內(nèi)盆地方向則下超于海進(jìn)體系域或低水位體系域之上。

二、具陸棚坡折的碎屑巖Ⅰ型層序與具臺(tái)地邊緣的碳酸鹽巖Ⅰ型層序之間的異同

(一)邊界特征

具陸棚坡折的碎屑巖Ⅰ型層序界面是在全球海平面下降速率大于盆地沉降速率時(shí)產(chǎn)生的，它響應(yīng)于區(qū)域性不整合界面，其上下地層巖性、沉積相和地層產(chǎn)狀可以發(fā)生很大變化，具有陸上暴露標(biāo)志和河流回春作用形成的深切谷。隨著相對(duì)海平面下降，河流深切作用不斷向盆地中央推進(jìn)，形成了巖相向盆地中央方向的遷移特征。

具臺(tái)地邊緣的碳酸鹽巖Ⅰ型層序界面是在海平面迅速下降且速率大于碳酸鹽巖臺(tái)地或?yàn)┻吘壟璧爻两邓俾?、海平面位置低于臺(tái)地或?yàn)┻吘墪r(shí)形成的，以臺(tái)地或?yàn)┑谋┞逗颓治g、斜坡前緣侵蝕、區(qū)域性淡水透鏡體向海方向的運(yùn)動(dòng)以及上覆地層上超、海岸上超向下遷移為特征。

(二)體系域構(gòu)成及LST、TST、HST特征對(duì)比

這兩類層序都包含低位體系域(LST)、海侵體系域(TST)和高位體系域(HST)這三個(gè)體系域。

具陸棚坡折的碎屑巖Ⅰ型層序中(圖3)，LST的底為Ⅰ型不整合界面及其對(duì)應(yīng)的整合面，其頂為首次越過陸棚坡折帶的初次海泛面，LST經(jīng)常由盆底扇、斜坡扇和低位楔狀體組成。初始海泛面以低水位沉積體系向盆進(jìn)積轉(zhuǎn)換為海侵沉積體系向陸退積為特征，它常常伴隨著海水進(jìn)侵過程中在向陸方向?qū)有虻捉缑娴那治g作用。TST的底界為初始海泛面，頂界為最大海泛面，它由一系列較薄層的、不斷向陸呈階梯狀后退的準(zhǔn)層序組構(gòu)成，當(dāng)海泛面達(dá)到最大時(shí)形成薄層富含古生物化石、以低沉積速率沉積的凝縮層。在碎屑巖層序中，最大海泛面可以通過鉆井的測(cè)井資料識(shí)別，因?yàn)檫@一界面往往顯示最低電阻率值和高伽瑪值。而HST廣泛分布于陸棚之上，下部以加積式準(zhǔn)層序組的疊置樣式向陸上超于層序邊界之上，向海方向下超于TST頂面之上，上部沉積物以一個(gè)或多個(gè)具前積斜層形態(tài)的前積式準(zhǔn)層序組向盆地中央推進(jìn)。在許多硅質(zhì)碎屑巖層序中，它常被上覆層序邊界削截，若被保持下來，也往往厚度較薄或富含頁(yè)巖[5]。

圖3 具陸棚坡折的碎屑巖Ⅰ型層序(改編自Wagoner,1990)

具臺(tái)地邊緣的碳酸鹽巖Ⅰ型層序中，LST主要由物源來自前緣斜坡侵蝕的他生碎屑沉積和沉積于海平面低位期斜坡上部的自生碳酸鹽巖巖楔組成。TST為一系列退積式準(zhǔn)層序組，向陸棚方向加厚，然后由于底面上超而減薄。它可以表現(xiàn)為追補(bǔ)型和并進(jìn)型兩種方式的沉積。HST呈前積S型至斜交型的沉積特征，下超在最大海泛面(識(shí)別標(biāo)志通常為長(zhǎng)期與海水接觸有關(guān)的各種成巖作用產(chǎn)物，如原生白云石、生物擾動(dòng)層)之上，以相對(duì)較厚的加積至前積幾何形態(tài)為特征，形成寬闊的臺(tái)地、緩坡和進(jìn)積灘及其在淺海孤立臺(tái)地上的對(duì)應(yīng)沉積體?？煞譃樵?、晚兩期，早期追補(bǔ)型沉積以富泥、貧粒的準(zhǔn)層序?yàn)橹鳎谂_(tái)地邊緣沉積中，含大量早期海底膠結(jié)物，而晚期并進(jìn)型沉積以富粒、貧泥的準(zhǔn)層序?yàn)橹?，在臺(tái)地邊緣沉積中，早期海底膠結(jié)物含量較少。

(三)物源、主控因素

在物質(zhì)來源方面，相較于碎屑巖的層序而言，碳酸鹽層序的物質(zhì)來源主要是沉積盆地內(nèi)的碳酸鹽工廠，而碎屑巖層序地層的物質(zhì)來源主要依靠陸源物質(zhì)的輸入。

在具陸棚坡折的碎屑巖Ⅰ型層序中，不同體系域形成于相對(duì)海平面升降旋回變化的不同階段。LST的盆底扇形成于相對(duì)海平面快速下降時(shí)期，斜坡扇和前積楔狀體形成于相對(duì)海平面下降晚期或上升早期，TST形成于相對(duì)海平面開始上升時(shí)期，HST形成于相對(duì)海平面上升晚期、停滯期和下降的早期。

碳酸鹽巖層序的發(fā)育與全球海平面相對(duì)變化的周期性密切相關(guān)，全球海平面升降變化和構(gòu)造沉降等因素共同控制了相對(duì)海平面的變化以及可容空間的變化，進(jìn)而進(jìn)一步影響了體系域的類型和分布。若假定構(gòu)造沉降速率不隨時(shí)間變化，則LST是在全球海平面快速下降、靜止和開始上升早期形成的厚層沉積體系，TST是在海平面快速上升、可容空間快速增大時(shí)形成的薄層沉積體系，HST是在海平面快速上升末期、靜止和開始下降早期形成的沉積體系。

三、具緩坡邊緣的碎屑巖Ⅰ型層序與碳酸鹽緩坡的Ⅰ型層序之間的異同

無陸架坡折的緩坡盆地與具陸棚坡折的盆地明顯不同，其坡角通常在1°以內(nèi)，沒有從淺水到深水的突變帶，較緩傾斜與較陡傾斜之間也無梯度突變的坡折。而碳酸鹽緩坡(ramp)是指“介于濱線和大陸斜坡之間的平緩斜坡(坡度平均小于0.1°)”[5]。相對(duì)海平面下降1～2m將使大部分平頂臺(tái)地(如大巴哈馬灘)產(chǎn)生暴露，但是對(duì)于斜坡的特征沒有多大影響。因此緩坡特征的沉積模式和對(duì)海平面的響應(yīng)與鑲邊碳酸鹽臺(tái)地和陡坡具有較大差異。

無陸架坡折的緩坡盆地與碳酸鹽緩坡在地形上具有相似性，故將二者的Ⅰ型層序進(jìn)行比較有一定意義。

(一)邊界特征

具緩坡邊緣的碎屑巖Ⅰ型層序界面和碳酸鹽緩坡的Ⅰ型層序界面，都是在全球海平面下降速率大于盆地沉降速率時(shí)產(chǎn)生的，但由于緩坡坡度平緩，而且無陸架坡折，因此，二者的暴露面和海泛面一般是穿時(shí)的。碳酸鹽緩坡的Ⅰ型層序界面通常還會(huì)出現(xiàn)以早期白云華為特征的半咸水透鏡體的遷移；其內(nèi)緩坡以碳酸鹽沉積為主，外緩坡沉積則由硅質(zhì)碎屑泥巖組成，典型實(shí)例有英國(guó)西南部的早密西西比紀(jì)緩坡[5]。另外，其層序界面上通常還可以識(shí)別出特征巖相(如土壤層、鈣質(zhì)結(jié)合、喀斯特)或容易鑒定的凝縮段(沉積鐵質(zhì)巖、海綠石巖、磷塊巖、黑色頁(yè)巖、具特殊生物組合的灰?guī)r)

(二)體系域構(gòu)成及LST、TST、HST特征對(duì)比

總的來看，具緩坡邊緣的碎屑巖Ⅰ型層序和碳酸鹽緩坡的Ⅰ型層序均由低位體系域、海侵體系域和高位體系域組成。

在關(guān)鍵界面的識(shí)別上，鑒于二者都具有較低的斜坡坡度，因此高水位和低水位之間的緩坡沉積物特征沒有明顯變化，導(dǎo)致難以找到可直接識(shí)別的物理層序界面。同時(shí)，低水位沉積與下伏層序內(nèi)的高水位體系域中的濱面也都很難區(qū)分開來。由于層序界面難以直接識(shí)別，只能通過層序內(nèi)部的結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行分析和判別[6]。

此外，在碳酸鹽沉積區(qū)，氣候也是控制層序結(jié)構(gòu)的重要因素[7]。由區(qū)域氣候變化所控制的碳酸鹽緩坡沉積體系，最典型的特點(diǎn)是具有廣泛可追索對(duì)比的多級(jí)旋回性巖性分層序列，具有與米蘭柯維奇天文周期良好的可對(duì)比性[8]，這是碎屑巖層序所不具備的。有學(xué)者也指出，有機(jī)的群落生境型的遷移通常對(duì)環(huán)境變化的指示更加靈敏[9]。盡管沉積物巖性分化不大導(dǎo)致關(guān)鍵界面的識(shí)別困難，但對(duì)于碳酸鹽緩坡來說，生物群落的區(qū)域和古地理分化仍十分明顯。因此，不同于碎屑巖同斜緩坡，碳酸鹽緩坡可以借助于反映當(dāng)時(shí)生活群落生態(tài)環(huán)境的古生物及其遷移形式分析，仍可以比較可靠地建立較為可靠的層序地層格架。

具緩坡邊緣的碎屑巖Ⅰ型層序中，LST的底為Ⅰ型不整合界面，其頂為的初次海泛面。海平面相對(duì)下降到沉積濱線坡折以下，因地形平緩缺少明顯地形坡折，所以具有緩坡邊緣的Ⅰ型層序低位體系域僅由相對(duì)較薄的楔狀體組成，而沒有深切谷和盆底扇。其TST和HST雖然類似于具陸棚坡折的Ⅰ型層序的，但是略有不同。具有緩坡邊緣的Ⅰ型層序HST缺乏明顯的前積斜層沉積，并在TST和HST中，常見三角洲前緣的濁積巖。

在碳酸鹽緩坡的Ⅰ型層序中，LST在低水位期，內(nèi)緩坡區(qū)可完全暴露，和喀斯特化并且發(fā)育強(qiáng)烈進(jìn)積作用的體系，河流硅質(zhì)碎屑沉積物也可能覆蓋或下切前期高水位內(nèi)緩坡沉積物[10]，而斜坡扇和斜坡裙不發(fā)育；在局限盆地中，相對(duì)海平面的低水位期可能導(dǎo)致蒸發(fā)鹽的形成，如Arabian灣侏羅紀(jì)Hanifa組，這種情況下可能發(fā)育進(jìn)積的薩勃哈和水下蒸發(fā)巖體系。

對(duì)于TST，在高能緩坡可能產(chǎn)生一套疊置的或階狀退積和上超的四或五級(jí)層序，它們由海灘、障壁島或障壁沙壩顆?；?guī)r和共生的濱面及過度帶沉積物組成；在低能緩坡，TST的四、五級(jí)層序大部分由泥粒灰?guī)r沉積組成僅在局部淺灘環(huán)境有高能顆?；?guī)r；在海侵背景中，高級(jí)別緩坡層序可能被特殊巖相(如黑色頁(yè)巖、磷質(zhì)泥巖、海綠石或鮞綠泥石質(zhì)鐵質(zhì)巖組成的凝縮段覆蓋)。

HST的特征主要表現(xiàn)為沉積相帶的強(qiáng)烈向海進(jìn)積；沉積物中富含碳酸鹽顆粒；瀉湖相相當(dāng)發(fā)育，且淺灘和瀉湖構(gòu)成了內(nèi)緩坡的主體；斜坡變陡和傾斜的趨勢(shì)變大；顆?；?guī)r或薄層瀉湖沉積物頂部發(fā)育喀斯特面。

(三)物源、主控因素

與前述一樣，在物質(zhì)來源方面，碳酸鹽緩坡區(qū)的主要物質(zhì)供給來自于海水中的物質(zhì)本身，異源的陸源物僅有從遠(yuǎn)源區(qū)懸移而來的細(xì)少懸浮組分，而碎屑巖層序地層的物質(zhì)來源主要依靠陸源物質(zhì)的輸入。

區(qū)域海平面變化、區(qū)域構(gòu)造控制的盆地容納空間和區(qū)域沉積物源供給量共同制約著層序地層的發(fā)育。在碎屑巖Ⅰ型層序中，不同體系域形成于相對(duì)海平面升降旋回變化的不同階段。LST的盆底扇形成于相對(duì)海平面快速下降時(shí)期，斜坡扇和前積楔狀體形成于相對(duì)海平面下降晚期或上升早期，TST形成于相對(duì)海平面開始上升時(shí)期，HST形成于相對(duì)海平面上升晚期、停滯期和下降的早期。對(duì)于碳酸鹽層序來說，LST是在全球海平面快速下降、靜止和開始上升早期形成的厚層沉積體系，TST是在海平面快速上升、可容空間快速增大時(shí)形成的薄層沉積體系，HST是在海平面快速上升末期、靜止和開始下降早期形成的沉積體系。這點(diǎn)與前述相同。

此外，在碳酸鹽沉積區(qū)，氣候也是控制層序結(jié)構(gòu)的重要因素。在碳酸鹽緩坡沉積區(qū)，這幾方面因子有特殊的表現(xiàn)型式和作用規(guī)律。當(dāng)區(qū)域構(gòu)造處于相對(duì)穩(wěn)定或在區(qū)域上沒有重大分異時(shí)期，氣候變化可能是控制層序結(jié)構(gòu)的主導(dǎo)因子。在低級(jí)別的副層序旋回中，全球或區(qū)域氣候變遷直接控制了海平面的升降運(yùn)動(dòng)，或者兩者呈協(xié)同變化。無論是生物成因的還是化學(xué)成因的碳酸鹽沉積物產(chǎn)量，明顯受控于氣候的波動(dòng)，與區(qū)域氣候變化表現(xiàn)出良好的一致

由于海平面的變化引起斜坡帶沉積作用的物理、生物和化學(xué)條件的變化，加之海洋化學(xué)界面上升引起的溶解作用、底流的侵蝕作用和沉積作用、影響陸源區(qū)進(jìn)入海岸地區(qū)的腹地構(gòu)造活動(dòng)的變化等，使得碳酸鹽緩坡的層序地層明顯比同緩斜坡的碎屑巖層序要復(fù)雜得多。但斜坡帶的沉積作用和層序發(fā)育相對(duì)海平面變化的控制亦十分明顯，這種受控于氣候變化的沉積速率，也控制了沉積物的可容空間。

結(jié)語

陸源碎屑巖和碳酸鹽巖的層序在某些方面具有可對(duì)比性，本文以被動(dòng)大陸邊緣盆地為背景，主要對(duì)比了該構(gòu)造環(huán)境下的碎屑巖Ⅰ型層序和碳酸鹽巖Ⅰ型層序的異同。

Ⅰ型層序底部以Ⅰ型層序界面為界，不論是具有何種地形的沉積環(huán)境，其Ⅰ型層序界面都是在全球海平面下降速率大于盆地沉降速率而在該處產(chǎn)生海平面的相對(duì)下降時(shí)形成的產(chǎn)生的。在物質(zhì)來源方面，碳酸鹽緩坡區(qū)的主要物質(zhì)供給來自于海水中的物質(zhì)本身，異源的陸源物僅有從遠(yuǎn)源區(qū)懸移而來的細(xì)少懸浮組分，而碎屑巖層序地層的物質(zhì)來源主要依靠陸源物質(zhì)的輸入。

區(qū)域海平面變化、區(qū)域構(gòu)造控制的盆地容納空間和區(qū)域沉積物源供給量共同制約著層序地層的發(fā)育。在碎屑巖Ⅰ型層序中，不同體系域形成于相對(duì)海平面升降旋回變化的不同階段。碳酸鹽Ⅰ型層序的發(fā)育與全球海平面相對(duì)變化的周期性密切相關(guān)，全球海平面升降變化和構(gòu)造沉降等因素共同控制了相對(duì)海平面的變化以及可容空間的變化，進(jìn)而進(jìn)一步影響了體系域的類型和分布。此外，在碳酸鹽沉積區(qū)，氣候也是控制層序結(jié)構(gòu)的重要因素。在關(guān)鍵界面識(shí)別困難的情況下，如碳酸鹽緩坡層序，還可以借助于反映當(dāng)時(shí)生活群落生態(tài)環(huán)境的古生物及其遷移形式分析。

通過對(duì)比，不僅可以深化對(duì)Ⅰ型層序的理解，也便于記憶陸源碎屑巖層序地層模式和碳酸鹽巖層序地層模式的相似與不同。