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层序地层学研究现状及进展_模式多样化

第30卷 第6期20 1 1年 11月 地质科技情报Geological Science and Technology 

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Vol.30 No.6

Nov. 2011收稿日期:2011-01-20 编辑:杨 勇基金项目:国家自然科学基金项目(40472065

)作者简介:吴和源(1986— ),男,现正攻读矿物学、岩石学、矿床学专业硕士学位,主要从事沉积学专业方面的研究。E-mail

:tom198672@126.com

层序地层学研究现状及进展:模式多样化

吴和源

(中国地质大学地球科学与资源学院,北京100083

)摘 要:1977年至1988年,层序地层学从诞生逐渐走向成熟,并且形成了一套完整的概念体系和工作方法,这段特殊时期被称为层序地层学的Exxon时代。之后,将最大海泛面作为层序界面的R-T层序模式则代表了后Exxon时代模式多样化的开始。随后,对Exxon层序地层学概念体系不协调的认识则代表了由模式多样化所表征的后Exxon时代,与此几乎同时出现的T-R层序及淹没不整合型层序等模式意味着层序地层学“百家争鸣”的新景象。阐释各种层序地层学模式出现的原因,追索这些模式对解决问题的针对性以及存在的问题,将有助于深入理解“在地层框架内划分和对比沉积岩”的层序地层学,并且为分析复杂的地层记录提供更多的思考途径。

关键词:层序地层学;后Exxon时代;进展;争论中图分类号:P539.2 文献标志码:A 文章编号:1000-7849(2011)06-0060-0

6 1

977年《地震地层学》[1]

的出版将层序地层学带入了地层学实践的主流,形成一套相对完善的层序地层学概念方法体系[2-

4],重新定义“层序”为“沉

积层序”(由不整合面及其可以对比的整合面所限定

的地层单位)[5]

,成为层序地层学的基本单元,层序

地层学进入了“Exxon时代”

[6]

。另一个里程碑式的出版物———《Sea level change:An integrated ap-p

roach》[7],进一步展示了层序地层学更加广泛的研究成果:①修正了暴露不整合面与最大海泛面的错

误对比;②将层序形成机制解释为海平面变化;③完整论述了Ⅰ型和Ⅱ型层序地层模式,大胆假设体系域边界位置。意味着层序地层学概念方法体系进入了一个更加成熟的阶段,同时标志着层序地层学“Exxon时代”

的结束。1988年至今称为层序地层学的“后Exxon时

代”[6]

,期间层序地层学概念体系日新月异,新概念、新模式层出不穷,但一切都源于对Exxon层序模式概念体系不协调的认识。Exxon层序模式将沉积层

序细分为4个类型的体系域[8]

,两种类型的层序模

式[9]

:Ⅰ型层序界面被定义在海平面下降的拐点,Ⅱ

型层序界面在海平面变化的最低点。然而,在运用

以时间为纵坐标建立的海平面变化曲线时,

又不自觉地将层序界面置于海平面变化的最低点[11],且形

成了两种类型的高位体系域(HST)

(图1),造就了Exxon层序模式概念体系的不协调,也为后Exxon

时代层序地层学模式的多样化提供了重要素材

图1 Ⅰ型和Ⅱ型层序体系域及时间位置对比

Fig.1 The systems tracts of typeⅠand typeⅡseq

uence,andthe timing 

correlations根据相对海平面变化曲线定义Ⅰ型、Ⅱ型层序边界,

并指定各种体系域边界位置[10]。HST.高位体系域;SMST.

陆架边缘体系域;TST.海侵体系域;LST.低位体系域;LSF.低位扇;LSW.

低位楔。面对后Exxon时代多样化层序模式,

受北美地层命名委员会(NACSN)的委托,Catuneanu等[12]

对层序地层学标准化展开讨论,认为层序地层学应该

朝着标准化的方向发展,但是他们并没有给出一个

 第6期吴和源:层序地层学研究现状及进展:模式多样化

标准化模式,并且认为“对现今层序地层学标准化为时过早”。体系域的多样性、术语的复杂性、层序界面的多选性,为标准化增加了难度,因此,结合新认识,对各种层序模式进一步阐述,可能会为层序地层学标准化提供一些有利线索。

1 R-T层序模式:后Exxon时代层序地层学模式多样化的开始

Galloway[13]基于墨西哥湾古近纪的综合性研究,提出由最大海泛面(“下超面”)为边界定义一种非常规的层序地层学规范,即R-T层序模式,拉开了成为层序地层学后Exxon时代变化的开始。

R-T层序模式以一个综合的地层学界面为边界,记录了在海侵和随后的最大海泛期间陆架和陆坡上形成的相对饥饿的碎屑沉积。该模式包含了三大要素:退覆部分、上超或海侵部分及反映最大海泛的边界界面(间断面[14]),即HST+LST+TST(图2)。在理想的R-T模式中,缺失海侵沉积,海侵记录可能仅涵盖一个经波浪改造后的海岸带不整合盖层沉积,因此,以最大海泛面作为层序边界的成因地层层序也符合“不整合面及其可以对比整合面所限定的沉积层序”的概念

图2 后Exxon时代主要层序模式体系域类型及边界对比

Fig.2 System tracts of the main post-Exxon times sequence models,and their boundary correlationsA.可容纳空间;HNR.高位正常海退;LNR.低位正常海退;TS.海侵;FR.强迫型海退;LPWST.低位进积楔体系域;FRWST.强迫型海退楔体系域;FSST.下降阶段体系域;RST.海退体系域;LLST.晚期低位体系域;ELST.早期低位体系域;①可对比整合面[15];②海侵面或最大海退面;③最大海泛面;④强迫型海退底面。

与反映盆地充填普遍海平面变化控制的Exxon模式相比,R-T层序模式更加灵活地容纳了3个可变因素,即物源区、相对海平面变化及构造在层序形成中的重要作用。其主要优点在于其单一的、容易识别的层序边界[16],然而却受到两方面的制约。首先,R-T层序模式包括层序内的陆上不整合面,与“层序由成因上有联系的地层组成”这个普遍被接受的概念相冲突。因此,R-T层序模式中陆上不整合面的存在承认这样的可能性:成因上不相关的地层可以一起归为相同“成因”组合。其次,最大海泛面的形成时间取决于基准面变化和沉积的相互作用,因此这些面可能是穿时的[17]。

2 Exxon层序模式概念体系不协调的认识:后Exxon时代的重大变化 层序地层学的后Exxon时代存在各种层序模式及概念体系。深究其最初的起因,都是对Exxon层序模式概念体系不协调的认识,不一样的思考角度,造就多样化的层序模式,也成为后Exxon时代的重要变化。

Posamentier等[18]针对Exxon层序模式概念体系的不协调,建议使用基准面下降开始时的时间面作为C.C.(可对比整合面[19]),将Exxon层序模式Ⅰ型层序界面置于海平面下降的开始,即海平面变化的最高点,提出取消Ⅰ型和Ⅱ型层序之分,形成Exxon沉积层序模式的三分定义:LST+TST+HST(图2)。但如果考虑Haq等[11]所推出的中新生代全球海平面变化曲线、Emery等[20]的三叠纪全球海平面变化曲线及Hallam[21]的侏罗纪全球海平面变化曲线时,Posamentier等对Exxon层序模式的修订反而将层序界面置于海平面变化的最高点[22]。概念体系的不协调不仅未能得到解决,反而变得更加明显。但值得肯定的是该修改模式将海平面下降期的陆架沉积与同期的深水沉积在年代地层

地质科技情报2011年 

学上得到统一。

后Exxon时代,层序地层学工作者提升了两个方面认识:第一,对层序内部地层的叠加形式所代表的独特沉积的成因类型(即“海侵”、“正常海退”、“强迫型海退”)取得了更加系统的认识;第二,区分出了沉积物供应速率大于沉积物容纳空间的增长速率产生的海退———“正常海退”,将其区别于由基准面下降或海平面下降产生的强迫型海退过程[15,17,22]。在此基础之上,涌现出大量新体系域概念。Hunt等[15]在强调Exxon层序模式概念体系存在不协调的同时,为了避免Exxon科学家[23]在时间上将海平面下降期的陆架沉积与同期的深水沉积分开,提出了第4种体系域类型———强迫型海退楔体系域(FRWST)。定义FRWST为强迫型海退期基准面达到最低点之前的沉积。FRWST上界为陆上不整合面或可对比整合面,下界为分隔老地层和进积高位体系域的“强迫型海退底面(BSFR)”(对应Posa-mentier等[18]1992年的层序界面)。他们提出将FRWST上界面作为层序界面,即将层序界面置于海平面变化的最低点,使任何海平面在最低点沉积的沉积物都置于层序边界之上,成为LST的一部分,从而形成体系域的四分方案,即除对应基准面上升期TST和HST外,还包括相对海平面下降期的FRWST和低水位期的低位进积楔体系域(LPW-ST),其中FRWST和LPWST是Exxon模式中LST的进一步细分[24-25](图2)。

1995年Hunt等[26]提出用“强迫型海退体系域”(FRST)替代FRWST[27],2000年Plint等[22]提出“下降阶段体系域(FSST)”的概念,并用其取代FRST,从而将体系域四分方案定格为:LST+TST+HST+FSST。对比层序地层学中其他的模式,该四分方案很好地对应了完整基准面旋回中沉积趋势的变化(图2),新体系域类型的提出为解决Exx-on层序模式概念体系的不协调提供了强有力的基础,虽然Hunt和Tucker的模式忽略了对高位正常海退和低位正常海退[28]的定义及区别,但却去除了对早期模式中相对海平面低位期和下降期的无休止争论,层序地层学标准化出现了新的亮点。

两种方案,不同的体系域组合模式,都很好地诠释了后Exxon时代多样化层序模式的原因,即不同的层序边界位置。Exxon概念体系不协调的认识使层序地层学向前迈进了一大步,T-R层序模式及一些新概念相继涌现。

3 T-R再现:对海侵-海退过程的系统总结

1985年,Johnson等[29]在研究欧美泥盆纪海平

面变化时提出了“T-R旋回”的概念,且定义“T-R旋回”为一次加深事件开始与下一次加深事件开始之间沉积下来的岩层。Ross等[30]利用“T-R旋回”将世界各个稳定克拉通陆架区的石炭纪—二叠纪浅海沉积层序划分出约60个海侵—海退过程,同时Em-bry[31]应用“T-R旋回”对加拿大极地地区Sverdrup盆地进行了大量研究。

从Exxon时代的相对海平面变化到后Exxon时代的基准面变化,“T-R”隐匿了近10a的漫长时期,直到“T-R层序”的出现。T-R层序,即“海侵—海退层序”[32-33],不同于早期的“T-R旋回”,完成了从岩相序列到层序模式的转换,是沉积层序和R-T层序的简化,提供了一种把地层组合成层序的方法。

T-R层序包括2个体系域:TST+RST(图2)。T-R层序被定义为存在于一个海侵事件开始与下一个海侵事件开始之间的沉积单元。以复合面为边界,包括向盆地边缘的陆上不整合面和向海方向的最大海退面(MRS),曾被称为海侵面[10],且包括了大量的对应术语:初始海侵面[10]、低水位顶面[34]、整合海侵面[35]、最大海退作用面[23,36]、最大进积作用面[20]。标志着滨线由海退向海侵的变化,反映了滨线轨迹由低位正常海退到海侵的转变[28,12](图2)。该面作为滨线海退最年轻的斜坡沉积,分隔了其下的前积地层与其上退积地层,下超于古老海底,覆盖于原有海退斜坡沉积之上。

T-R层序实质上是将可对比整合面置于最大海泛面之上,与其他模式形成了强烈的对比。虽然不存在内部出现不整合的问题,也避免了可对比整合面的识别,但还存在以下问题:①在浅水环境中容易识别的MRS在深水环境可能难以识别,可能发育一套整合序列的低密度浊积岩;②MRS的形成受沉积作用和沉积物供给速率的影响,因此该面沿走向可能存在一个重要的穿时记录,且A型与B型MRS[37]穿时速率也不一致;③T-R模式是沉积层序和R-T层序的简化,仅包含2个体系域:TST+RST,虽然涵盖了所有类型的沉积趋势,即TST以向上变细为特征,RST以向上变粗为特征,但过于简化的模式忽略了内部其他沉积界面的重要作用。

4 层序地层学模式多样化的原因

大量的研究[10-11,34,38]表明,海平面变化直接或间接地控制了层序地层学研究的本质———沉积趋势的变化,反映了沉积物“可容纳空间”(A)与注入沉积物之间的关系[28];表现为由沉积作用速率和海平面变化速率共同作用形成的不同地层叠加样式(加积、进积、退积),且由反映海平面变化的“滨线轨迹”

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 第6期吴和源:层序地层学研究现状及进展:模式多样化

体现[36,39-40]。分析后Exxon时代多样化层序模式,可将源于地震地层学沉积层序的各种层序模式归为2类:①根据“基准面”变化曲线来定义层序界面;②利用T-R曲线定义层序界面[41-42]。因此,无论层序模式如何发展,海平面变化的沉积响应研究始终是层序地层学的重大命题。

后Exxon时代广泛应用的“基准面”概念描绘了剥蚀作用和沉积作用之间的动态平衡,由构造、气候、海平面变化等异成因过程因素控制,较好地反映了滨线处“可容纳空间”(A)[43]的变化。基准面相当于海平面[17,43-44],由于波浪的剥蚀以及其他水下事件的作用,基准面还可能位于海平面之下。当基准面大致相当于海平面时,“基准面变化”就等同于Exxon时代“相对海平面变化”[9](图1,2)。基准面与沉积作用一起共同控制了滨线的海侵、海退,形成不同类型的体系域和边界界面,成为多样化层序模式的中心。

完整基准面变化旋回可分为2个部分(图2):负可容纳空间(-A)和正可容纳空间(+A)。基准面曲线的上升下降对应可容空间的不断变化,同时,沉积趋势也在不断转变,但无论如何变化都具有异成因旋回层序的两大特征———“空间上相序的有序性及时间上环境变化的同步性”[45]。在正、负可容纳空间交替过程中存在4个主要地层事件:强迫型海退的开始、强迫型海退的结束、海退的结束及海侵的结束。这些事件不同程度地反映了滨线迁移类型,形成4种类型的地层学界面:强迫型海退底面、可对比整合面、海侵面或最大海退面和最大海泛面(图2);以及在滨线迁移特定时期形成的3个层序地层界面:对应-A的陆上不整合面和海退沟蚀面及对应+A的海侵沟蚀面。4个主要的地层学界面对沉积过程进行分割,形成不同类型的体系域(图1,图2),成为多样化层序模式的基石,不同基石模块与对应界面组合,即不同的可对比整合面位置,造就多样化的层序模式。

然而以上论述都限定在浅海陆架边缘沉积环境中,在沉积物供给不充分的孤立台地边缘环境,沉积样式不可忽视。快速海侵时期,碳酸盐沉积作用与长周期三级海平面变化共同形成一种特殊的沉积间断面,即“淹没不整合面(或加深饥饿间断面)”[46-48],从而形成以淹没不整合面为层序边界,即:CS(凝缩段)+HST(高位体系域)为组合的“淹没不整合型碳酸盐岩三级旋回层序”[49-51]。

由以上论述可证明层序模式多样化的时代,实质是地层学家采用不同体系域组合方式及选择不同层序界面所造成的。国内学者做了大量论述[52-57],同时也提出一些新的层序模式,如L-H-T模式[58]。

不论后Exxon时代层序地层如何发展,各种层序模式如何变化,都无法偏离地层界面识别及选择何处作为层序边界的主线,所以对层序地层界面以及沉积相的正确识别才是层序地层解译的关键。

5 结 语

从“R-T层序”的问世到“T-R”的再现,从体系域边界的模糊限定到精确定义,从单一的Exxon层序模式到后Exxon时代多样化层序模式的应用以及Exxon模式概念体系不协调的两次修订等,无一不体现层序地层学“百家争鸣”的新景象。后Exxon时代层序地层学虽然尚未被纳入任何地层规范或指南,但各种层序模式已经被地层学工作者广泛应用。每一种层序模式都是对复杂地质过程的理解,不同模式在具备其优越存在意义的同时,又受到特殊的限制。

总结各种模式的区别主要表现在:①体系域和层序地层界面的命名;②选择不同的界面作为层序边界。但无论层序地层学方法如何发展,必须始终把握住各种方法之间的共识:任何尺度下的层序地层单元都是变化的可容纳空间和沉积物供给共同作用的产物,且运用地层堆积样式和沉积趋势来描述单元内部格架。因此,要求地层工作者正确地识别每一种类型的地层界面,以及从准层序到体系域和层序的每一种类型的层序地层单元,针对不同的古地理背景和数据资料,灵活应用不同类型的概念和层序模式进行层序地层分析。

后Exxon时代概念模式的多样化,是层序发展的必经阶段,多样化虽给层序地层学标准化带来不便,但却促使层序地层学不断走向成熟。在众多的模式中,Hunt和Tucker体系域四分方案完整的对应了沉积趋势从低位正常海退到海侵,再从高位正常海退到强迫型海退的变化,即LNR+TS+HNR+FR,将层序体系域定格为:LST+TST+HST+FSST,层序地层学或许已经迈向了标准化,但是与理想的标准化模式还有差距,仍需要地层学家的不断钻研与实践。

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744.Review of Sequence Stratigraphy

:Diversification of ModelsWU He-y

uan(Faculty of Earth Sciences and Mineral Resources,China University 

ofGeosciences,Beijing 

100083,China)Abstract:A special period,from 1977to 1988,can be honored as the Exxon times,which is marked byboth the appearance of useful concept and working method of sequence stratigraphy 

and their further matu-rity.Thus,the R-T model represents the first change of the post-Exxon times of sequence stratigraphy,which defines the maximum flooding surface as sequence boundary.Subsequently,the recognition of theinconsistence of sequence stratigraphic concept system of the Exxon School represents the p

ost-Exxontimes characterized by the diversification of models.Almost simultaneously various models were proposed,such as the T-R model,the drowning unconformity 

sequence and so on,which mean a new age of‘conten-tion of a hundred of thought’.Interpreting the origin of various sequence stratigraphic models and tracingtheir pertinence and existing problems contribute to the further understanding 

of sequence stratigraphy‘di-vision and correlation of sedimentary rocks in stratigraphic architecture’,which provides an important ap-proach for analyzing 

the complex stratigraphic records.Key 

words:sequence stratigraphy;post-Exxon times;advance;disputation5

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