沉積體系及層序地層學(xué)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

姜在興

（中國地質(zhì)大學(xué)能源學(xué)院，北京 100083）

沉積體系及層序地層學(xué)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

姜在興

（中國地質(zhì)大學(xué)能源學(xué)院，北京 100083）

分別論述了層序地層學(xué)及沉積體系的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)，闡述了與層序地層學(xué)及沉積體系相關(guān)的理論和基本概念。層序地層學(xué)未來的發(fā)展趨勢(shì)為研究方法標(biāo)準(zhǔn)化及應(yīng)用地區(qū)特殊化，尤其要加強(qiáng)深水層序、碳酸鹽巖層序及層序模擬研究。沉積體系研究要由靜態(tài)描述向動(dòng)態(tài)模擬、由宏觀分析向微觀刻畫發(fā)展，要加強(qiáng)沉積過程恢復(fù)，在更規(guī)范、更精細(xì)的等時(shí)層序格架內(nèi)編制沉積體系圖件，為尋找油氣提供更可靠的依據(jù)。

沉積過程；沉積體系；層序格架；層序地層學(xué)

Abstract：depositional process，depositional system，sequence framework，sequence stratigraphy

沉積學(xué)的發(fā)展整體上經(jīng)歷了從萌芽到蓬勃發(fā)展，再到現(xiàn)今的儲(chǔ)層沉積學(xué)、層序地層學(xué)、地震沉積學(xué)等派生學(xué)科發(fā)展階段［1，2］。這期間，沉積學(xué)的形成和發(fā)展一直服務(wù)于油氣和其他沉積礦產(chǎn)的勘探和開發(fā)。鑒于對(duì)能源的需求和對(duì)新興學(xué)科的探求，各國積極學(xué)習(xí)、引入并不斷發(fā)展沉積學(xué)，一大批沉積學(xué)著作應(yīng)運(yùn)而生［3～8］。沉積學(xué)的研究內(nèi)容包括沉積巖石學(xué)特征和沉積環(huán)境沉積體系的研究，這兩部分內(nèi)容從宏觀和微觀精細(xì)刻畫了二維沉積體的沉積特征。然而，為了滿足油氣勘探和開發(fā)的需求，需要引入時(shí)間的概念，即在三維甚至四維時(shí)空領(lǐng)域內(nèi)揭示沉積體的沉積特征。因此，層序地層學(xué)的產(chǎn)生具有劃時(shí)代的意義，它為沉積分析提供了縱向的時(shí)間尺度。目前，“在等時(shí)格架內(nèi)研究沉積體系的展布和沉積特征”是沉積學(xué)研究的核心內(nèi)容之一。本文即針對(duì)這一論題，探討沉積體系和層序地層學(xué)研究中存在的問題及發(fā)展方向。

1 層序地層學(xué)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

1.1 國內(nèi)外層序地層學(xué)研究現(xiàn)狀

層序地層學(xué)發(fā)展至今，理論上形成了Vail層序地層學(xué)、Cross高分辨率層序地層學(xué)、Galloway成因?qū)有虻貙訉W(xué)三大主流派系［9～11］；除此之外，姜在興等（2005）提出了可容納空間轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的概念［12］。方法上，除運(yùn)用傳統(tǒng)的露頭、巖心、測(cè)井和高精度地震資料外，還可運(yùn)用地震資料三維可視化技術(shù)、古生物、地球化學(xué)、數(shù)值分析和計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，使得層序地層學(xué)研究更靈活、更精細(xì)。

近幾年，國內(nèi)外層序地層學(xué)研究仍然處于不斷完善階段，主要集中在：（1）綜合應(yīng)用各種資料識(shí)別層序界面與層序的級(jí)次劃分；（2）不同沉積背景層序地層模式的建立與完善（包括海相、非海相，淺水、深水，硅質(zhì)碎屑巖、碳酸鹽巖等沉積背景）；（3）層序研究逐漸由宏觀向微觀發(fā)展，結(jié)合成巖相、生物相（化石相）分析，揭示古沉積環(huán)境；（4）層序形成的動(dòng)力學(xué)機(jī)制分析；（5）層序的體系域構(gòu)成研究，對(duì)于尋找單砂體和研究油氣成藏規(guī)律具有重要意義［13～15］。

到目前為止，針對(duì)層序研究，相關(guān)的理論和方法已比較系統(tǒng)、成熟，對(duì)相關(guān)術(shù)語的理解更加明確［16～18］。尤其是國內(nèi)陸相層序地層學(xué)，在層序內(nèi)部體系域劃分、裂谷盆地層序地層模式研究及層序地層控制因素分析等方面取得了長足進(jìn)步。因此，層序地層學(xué)的廣泛應(yīng)用對(duì)于生儲(chǔ)蓋組合和圈閉的預(yù)測(cè)及隱蔽油氣藏的勘探開發(fā)起到了重要作用［19～21］。

1.2 國內(nèi)層序地層學(xué)研究存在問題

20世紀(jì)80年代后期以來，中國即融入世界層序地層學(xué)研究的大潮。

在層序地層學(xué)理論引入過程中，由于過于依賴國外海相層序地層學(xué)研究，導(dǎo)致概念混淆，對(duì)不同學(xué)派理論名稱理解有些偏差，認(rèn)為Vail層序是經(jīng)典層序地層學(xué)、Cross層序是現(xiàn)代層序地層學(xué)， Vail層序是低分辨率層序地層學(xué)、Cross層序是高分辨率層序地層學(xué)，這些說法不夠準(zhǔn)確。20世紀(jì)70年代，Vail層序理論問世；90年代，Cross高分辨率層序、Galloway成因?qū)有虻缺姸嗬碚撆d起。這些不同的層序理論形成時(shí)間有先后之分，但并不代表先形成的是“經(jīng)典”的、晚形成的是“現(xiàn)代”的，兩種理論在目前是并行發(fā)展的，并且兩種理論適用范圍并不沖突。即使Vail層序理論相比較Cross層序理論被更多的人所接受，但并不代表Vail層序理論是完全成熟、沒有缺陷、堪稱“經(jīng)典”的。

由于Vail層序理論來源于地震層序地層學(xué)，鑒于地震資料分辨率的局限性，所以有人認(rèn)為Vail層序是低分辨率層序地層學(xué)，Cross層序是高分辨率層序地層學(xué)，這種說法也不夠準(zhǔn)確。Vail層序地層學(xué)不等于地震層序地層學(xué)，作為一種理論方法，它同樣可利用露頭、巖心、測(cè)井等資料進(jìn)行高級(jí)別層序分析；而Cross層序理論是“高分辨率層序”，可用于高級(jí)別層序分析，但“高分辨率”并不等于“高頻”或“高精度”［22］。

正是由于對(duì)這些層序理論理解不夠準(zhǔn)確，目前有些科研項(xiàng)目中出現(xiàn)混用層序理論的現(xiàn)象，經(jīng)常是低頻層序研究用Vail層序地層學(xué)，高頻層序研究用Cross層序地層學(xué)，甚至在Vail層序理論建立的層序格架內(nèi)使用上升半旋回和下降半旋回這些Cross層序理論的專業(yè)術(shù)語，這是不對(duì)的。Vail層序理論強(qiáng)調(diào)層序界面是不整合相應(yīng)整合面，層序發(fā)育主控因素是海（湖）平面升降；而Cross層序理論強(qiáng)調(diào)受海（湖）平面、構(gòu)造沉降、沉積負(fù)荷補(bǔ)償、沉積物補(bǔ)給、沉積地形等綜合因素制約的地層基準(zhǔn)面升降旋回變化。地層基準(zhǔn)面并非海（湖）平面，也不是相當(dāng)于海（湖）平面的一個(gè)向陸方向延伸的水平面，而是一個(gè)相對(duì)于地球表面波狀升降的、連續(xù)的、略向盆地方向下傾的抽象面（非物理面）；基準(zhǔn)面之上發(fā)生侵蝕作用，基準(zhǔn)面之下發(fā)生沉積作用［23］（圖1）；基準(zhǔn)面一個(gè)完整的上升與下降旋回構(gòu)成一個(gè)層序。因此，Vail層序的海（湖）平面上升與下降并不完全等同于Cross層序的基準(zhǔn)面上升與下降。換言之，海（湖）平面升降變化只是基準(zhǔn)面變化的影響因素之一，有時(shí)候構(gòu)造沉降、沉積物供給等其他因素的影響程度大于海（湖）平面變化幅度，從而使得基準(zhǔn)面變化趨勢(shì)與海（湖）平面變化趨勢(shì)相反（圖2）。Vail層序與Cross層序二者理論不同，導(dǎo)致形成的層序界面不能夠統(tǒng)一吻合，因此不可混用。

此外，針對(duì)我國斷層活動(dòng)復(fù)雜、相帶變化頻繁的地質(zhì)特點(diǎn)，在進(jìn)行層序研究時(shí)，同一研究區(qū)不同學(xué)者建立的層序格架不盡相同。其原因是，缺乏統(tǒng)一的劃分標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，層序分級(jí)比較亂，難以采用統(tǒng)一的時(shí)間區(qū)間對(duì)層序分級(jí)，而且準(zhǔn)層序以上更高級(jí)別的層序邊界識(shí)別比較困難；此外，對(duì)于層序發(fā)育的主控因素研究也不夠深入，雖然已經(jīng)建立了陸相盆地層序地層模式［24～26］，但無法在各盆地推廣，表明層序模式對(duì)盆地充填序列及油氣勘探的預(yù)測(cè)存在局限性。以上問題需要在今后層序地層學(xué)研究中逐漸解決完善。

圖2 體系域與基準(zhǔn)面升降、海（湖）平面升降、構(gòu)造沉降、沉積物供給的關(guān)系（據(jù)劉招君等，1994，1997修改）Fig.2 Relationship among base-level changes，sea （lake）level changes，tectonic subsidence and the input of sediments

1.3 未來發(fā)展趨勢(shì)

針對(duì)現(xiàn)有問題及油氣勘探的需要，層序地層學(xué)未來發(fā)展趨勢(shì)為：理論上尋求突破；方法上尋求完善；應(yīng)用上尋求效益。研究重點(diǎn)集中在以下幾個(gè)方面：

1）深水層序地層研究，充分利用高精度地震資料反演、時(shí)頻分析等地球物理方法，結(jié)合伽馬能譜分析和地球化學(xué)元素（C，O，Sr同位素等）含量的旋回分析，準(zhǔn)確識(shí)別不整合面相應(yīng)的整合面，科學(xué)地建立等時(shí)地層格架；

2）可容空間轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的研究，強(qiáng)調(diào)可容空間的增大與減小之間的轉(zhuǎn)換，揭示變化不統(tǒng)一性的存在，作為新生概念，應(yīng)加強(qiáng)推廣應(yīng)用，檢驗(yàn)其適用性；

3）碳酸鹽巖層序地層學(xué)研究，尤其加強(qiáng)與儲(chǔ)層物性相關(guān)的成巖層序地層學(xué)研究，對(duì)尋找灘壩、生物礁儲(chǔ)層具有重要的指導(dǎo)意義；

4）層序地層模擬研究，將層序研究由定性向半定量或定量發(fā)展，揭示影響層序發(fā)育的主控因素，增強(qiáng)對(duì)有效儲(chǔ)層的預(yù)測(cè)功能。

2 沉積體系研究存在問題及發(fā)展趨勢(shì)

在等時(shí)層序地層格架建立的基礎(chǔ)上進(jìn)行沉積體系研究，是尋找有效儲(chǔ)層和油氣圈閉的有效路徑。尤其對(duì)于尋找隱蔽油氣藏，沉積體系研究更是不可缺少。目前，沉積體系研究基本理論和方法已經(jīng)成熟，未來要由靜態(tài)向動(dòng)態(tài)，由宏觀向微觀，向更精細(xì)、更準(zhǔn)確、更科學(xué)的方向發(fā)展。

2.1 相關(guān)基本概念

沉積體系的概念最早由Fisher（1967）和Brown（1980）使用，Galloway（1996）在此基礎(chǔ)上將沉積體系定義為成因上相關(guān)的沉積環(huán)境和相互聯(lián)系的沉積作用過程中所形成的一套三維沉積體［5］，這一概念目前仍被廣泛應(yīng)用。與沉積體系相關(guān)的概念還有沉積環(huán)境、沉積相及巖相，這些概念易于混淆。本文將這些概念加以明確，并說明相互之間的關(guān)系。

沉積環(huán)境是在物理上、化學(xué)上和生物上均有別于相鄰地區(qū)的一塊地表，是發(fā)生沉積作用的場(chǎng)所。沉積相為沉積環(huán)境及在該環(huán)境中形成的沉積巖（物）特征的綜合，它包含沉積環(huán)境和沉積特征這兩個(gè)方面的內(nèi)容，而不應(yīng)當(dāng)把它簡單地理解為環(huán)境，更不應(yīng)當(dāng)把它與地層概念相混淆。巖相是一定沉積環(huán)境中形成的巖石或巖石組合以及巖石所具有的可觀測(cè)成巖特征的面貌，巖相是沉積相的主要組成部分。巖相和沉積相是從屬關(guān)系而不是同義關(guān)系。

對(duì)于沉積體系與沉積相，二者的概念都包含沉積環(huán)境，核心都指沉積體，包括沉積體的空間展布和內(nèi)部特征，但二者的指代范圍是不相同的。區(qū)別在于沉積體系是具有成因聯(lián)系的多個(gè)沉積相集合體，強(qiáng)調(diào)沉積體成因上要相互聯(lián)系，其范圍大于沉積相；而沉積相更強(qiáng)調(diào)沉積體的內(nèi)部特征。

2.2 沉積過程恢復(fù)

沉積體系研究除了要對(duì)沉積體進(jìn)行靜態(tài)描述、定性分析外，還要對(duì)沉積過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)恢復(fù)和定量模擬。

沉積過程發(fā)生在氣（氣候）-源（物源）-盆（盆地）系統(tǒng)中，涉及古氣候、古物源和古水系、古岸線、古地貌、古水深等因素，各因素相互制約、相互影響、不斷變化。沉積過程恢復(fù)重點(diǎn)在于各單因素的定量恢復(fù)［27～35］（表1）。層序地層學(xué)研究恰恰涵蓋了以上各因素，因此在等時(shí)地層格架內(nèi)進(jìn)行沉積過程研究能夠更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)油氣藏。

在氣-源-盆系統(tǒng)中恢復(fù)沉積過程，其中古物源恢復(fù)相對(duì)成熟，而與盆地相關(guān)的古地貌、古水深和古岸線研究程度卻相對(duì)低些。古物源的恢復(fù)要完善地球物理方法，深化元素地球化學(xué)方法，并結(jié)合孢粉分析等古生物方法；古岸線研究要深入探討古岸線在地震、測(cè)井上的響應(yīng)；古地貌和古水深恢復(fù)要充分利用層序地層學(xué)研究的層拉平技術(shù)，并結(jié)合地球化學(xué)元素分析和古生物分析；古氣候恢復(fù)要利用孢粉百分含量恢復(fù)溫度和濕度；利用沉積物的層理、結(jié)構(gòu)形態(tài)、厚度、顆粒粒度和礦物性質(zhì)等恢復(fù)風(fēng)向及風(fēng)力。以上影響沉積過程的各因素都間接與構(gòu)造沉降和沉積物供給相關(guān)，因此要提高對(duì)埋藏史和脫壓實(shí)過程恢復(fù)的精度，才能從根本上減小恢復(fù)各因素時(shí)計(jì)算的誤差。

目前，沉積過程研究在完善各單因素恢復(fù)的基礎(chǔ)上，要加強(qiáng)對(duì)以上幾個(gè)因素進(jìn)行系統(tǒng)的、綜合的、定量的研究，這樣才能夠更準(zhǔn)確地再現(xiàn)沉積過程，進(jìn)而對(duì)油氣勘探具有實(shí)際的指導(dǎo)作用。具體要關(guān)注以下兩方面內(nèi)容：一是加強(qiáng)計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬研究，通過計(jì)算機(jī)軟件，將各參數(shù)納入統(tǒng)一系統(tǒng)，在界定條件下，不斷調(diào)試各參數(shù)之間的關(guān)系，建立沉積過程理論數(shù)值預(yù)測(cè)模型，模擬再現(xiàn)沉積過程；二是加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)沉積學(xué)研究，充分利用先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，結(jié)合理論數(shù)值模型以及現(xiàn)代沉積數(shù)據(jù)分析，盡量再造沉積古環(huán)境，在實(shí)驗(yàn)室再現(xiàn)沉積過程，對(duì)理論模型進(jìn)行有效檢驗(yàn)，運(yùn)用實(shí)驗(yàn)完善理論。

2.3 沉積體系研究與油氣開發(fā)地質(zhì)

沉積體系研究不局限于尋找有利砂體，而且要尋找有效儲(chǔ)層，因此未來更要與油氣開發(fā)地質(zhì)緊密結(jié)合，充分表明沉積研究由宏觀向微觀發(fā)展。

沉積微相及巖相研究與油氣開發(fā)地質(zhì)密切相關(guān)。目前，巖相研究既包括與沉積環(huán)境相關(guān)的沉積巖相，即傳統(tǒng)所指在一定沉積環(huán)境中形成的巖石或巖石組合，又包括與成巖作用相關(guān)的成巖巖相，即巖石目前所具有的可觀測(cè)成巖特征的面貌。以巖石在次生成巖特征方面的差異為依據(jù)來劃分，“成巖巖相”是對(duì)沉積巖相的引申與擴(kuò)展［36］，并且成巖巖相的研究將成巖特征與儲(chǔ)層分類評(píng)價(jià)結(jié)合在一起，對(duì)于預(yù)測(cè)儲(chǔ)層的優(yōu)劣變化趨勢(shì)與其含油性具有一定的可靠性和實(shí)用性［37，38］。

沉積環(huán)境決定沉積微相類型，并通過沉積結(jié)構(gòu)、沉積構(gòu)造、礦物組分和流體性質(zhì)，對(duì)沉積巖相和成巖特征有不同程度的控制和影響，因而沉積微相與巖相之間存在著時(shí)空上的相關(guān)性。通過對(duì)沉積微相對(duì)應(yīng)的有利砂體的巖相進(jìn)行詳細(xì)研究，搞清楚砂體內(nèi)部巖相的組合類型、分布方式以及在縱向上和橫向上巖相組合變化的規(guī)律，在此基礎(chǔ)上建立巖相-沉積微相的相關(guān)判別模式，并以沉積微相為橋梁，進(jìn)一步建立巖相-測(cè)井相、巖相-地震相對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而在平面上揭示砂體的巖相展布規(guī)律，最終通過巖相分析，結(jié)合物性參數(shù)，揭示平面儲(chǔ)層物性及非均質(zhì)性分布規(guī)律，從而對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行分類評(píng)價(jià)，為油氣開發(fā)注水驅(qū)油、防止儲(chǔ)層水淹等提供參考。

表1 沉積過程各參數(shù)恢復(fù)方法Table 1 Reconstruction methods of parameters of depositional process

2.4 沉積體系編圖

沉積體系編圖要與層序格架特征緊密結(jié)合，從而更有效地預(yù)測(cè)砂體。

沉積體系研究的相關(guān)圖件主要有單井、連井和平面3類。單井相分析圖件劃分微相時(shí)要考慮準(zhǔn)層序單元，要注意縱向相突變與某個(gè)級(jí)別層序界面是否吻合。連井剖面橫向沉積體系對(duì)比要避免以往的“砂對(duì)砂，泥對(duì)泥”；只有在層序格架內(nèi)部合理的“砂對(duì)泥”才能夠如實(shí)地反映當(dāng)時(shí)的沉積規(guī)律，而且要反復(fù)核查砂-泥進(jìn)退變化與層序內(nèi)部地層疊加樣式是否相對(duì)應(yīng)；對(duì)于油氣開發(fā)階段橫向沉積對(duì)比要達(dá)到巖層，相當(dāng)于Wagoner層序級(jí)別的七級(jí)。平面圖編制重點(diǎn)在于作圖單元的選擇，以往的沉積體系（或古地理）圖件習(xí)慣以地層組段名稱為作圖單元，但是地層名稱的不統(tǒng)一造成同時(shí)期地層無法對(duì)比；為了滿足需要，要在資料允許的情況下，提高沉積體系編圖的精度，要按照需求以各級(jí)別層序?yàn)樽鲌D單元，并且建立各級(jí)層序與確定的地質(zhì)時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即將沉積體系演化按照時(shí)間單元層層剝開，這樣更精細(xì)的編圖能夠更準(zhǔn)確地刻畫沉積體的沉積特征。

3 結(jié)論

文章綜述了沉積體系及層序地層學(xué)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，在明確相關(guān)概念的基礎(chǔ)上，提出未來沉積體系研究要由靜態(tài)向動(dòng)態(tài)、由宏觀向微觀發(fā)展。進(jìn)行沉積體系研究，首先要綜合各種資料和方法，準(zhǔn)確識(shí)別層序界面，建立高精度等時(shí)地層格架；然后，在層序格架內(nèi)進(jìn)行沉積環(huán)境、沉積相、亞相、微相及巖相的靜態(tài)分析；第三步，在氣-源-盆系統(tǒng)中，采用適當(dāng)方法，動(dòng)態(tài)恢復(fù)沉積過程，分析控制沉積的影響因素；第四步，以各級(jí)層序?yàn)樽鲌D單元，宏觀與微觀相結(jié)合，編制與沉積體系相關(guān)的平面展布圖；最后，分析圖件，揭示沉積體系與有效儲(chǔ)層及油氣圈閉的關(guān)系，尋找有利目標(biāo)區(qū)。

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（編輯 李 軍）

Studies of depositional system s and sequence stratigraphy： the present and the future

Jiang Zaixing

（China University of Geosciences，Beijing 100083，China）

This paper discusses the present status and the trend of domestic and international studies of sequence stratigraphy and depositional systems and presents relevant theories and basic concepts.The trend of sequence stratigraphy will be standardization of research approaches and specification of studied areas for application.In particular，the studies of deepwater sequences and carbonate sequences and sequence simulation should be strengthened.Studies of depositional systems should shift from static description to dynamic simulation and from macroscopic analysis to microscopic characterization.Reconstruction of depositional processes will be strengthened，and depositional systemswill bemapped in amore standard and fine synchronic sequence framework，so as to providemore reliable foundations for petroleum exploration.

TE121.3

：A

0253-9985（2010）05-0535-07

2010-06-30。

姜在興（1962—），男，教授、博士生導(dǎo)師，沉積學(xué)和石油沉積地質(zhì)學(xué)。

國家科技重大專項(xiàng)（2009ZX05009-002）；教育部“長江學(xué)者與創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃”項(xiàng)目（IRT0864）；高校博士點(diǎn)基金項(xiàng)目（200804910004）。