《高分辨率层序地层学》基准面旋回结构和叠加样式的沉积动力学分析

第三章基准面旋回结构和叠加样式的沉积动力学分析第一节基准面旋回升降与沉积动力学的关系一、基准面旋回过程中的几个沉积动力学问题1.基准面旋回的动力学特征有关基准面及其相关的几个重要概念前已述及，这里所要强调的是基准面旋回过程中与沉积动力学相关的几个基本问题：①基准面并非是一个物理界面，而是一个相当河流平衡剖面的抽象势能面。

地表为了达到与基准面的平衡，要不断地通过沉积或侵蚀作用来改变其形态，并向靠近基准面的方向运动；②基准面在其升降变化过程中，总是向其幅度最大值或最小值单方向移动，并由上升和下降两个半旋回构成一个完整的基准面旋回；③基准面的升降可发生在地表之上，或地表之下，也可从地表之下穿越到地表之上后再摆动到地表之下。

当基准面上升并穿越到地表之上时，可容纳空间加大，以沉积作用为主，而下降时可容纳空间减小，沉积作用仅延续到基准面下降至与地表重合的位置，如基准面进一步下降到地表之下不仅无可容纳空间产生，而且可形成侵蚀作用；④一个基准面旋回升降过程中所保存下来的岩石为一个成因地层单元，层序的结构和叠加样式明显受基准面升降过程中的沉积动力学条件控制。

2.基准面旋回过程的沉积动力学模型在进行基准面旋回分析时了解基准面升降状态和过程与沉积动力学的关系是极其重要的，这一动力学关系模型可表述如下：①当基准面下降达最低点位置时，可由基准面下降到地表之下引起包括陆棚（或浅湖）及滨岸带以内的区域发生广泛暴露和遭受侵蚀，沉积盆地的可容纳空间缩小。

与之相对应的是物源区（包括母岩物源区和再侵蚀搬运的沉积区）大面积向盆地方向扩展，沉积物补给量充沛。

又因河流的落差、流域面积和向盆地方向的延伸距离及流量增大，流速加快和能量增高，所能搬运的沉积物数量最多和粒度最粗。

伴随有效可容纳空间向图3-1 基准面升降与沉积动力学的关系模式盆地方向的迁移，在河流入海（或湖）口处呈补偿—过补偿沉积状态，从而产生强烈进积作用（图3-1A）；②当基准面上升达最高点位置时，沉积盆地可容纳空间的扩大至最大值。

与之相对应的是物源区（主要为母岩物源区）大面积收缩，沉积物补给量迅速减少。

又因河流的落差、流域面积和向盆地方向的延伸距离及流量大大缩小，流速减慢和能量降低，且粗粒组份主要被截留在靠物源山地一侧的冲积扇沉积区，因而可被搬运入海（或湖）的沉积物数量最少、粒度变细。

伴随河流入海（或湖）口处与有效可容纳空间向陆方向的迁移，盆内和滨岸带逐渐处于弱补偿—欠补偿沉积状态，从而产生加积→退积作用，以及相继滨岸上超后发生广泛的海（或湖）侵作用（图3-1B）；③由上述两种情况为极端点，不难理解基准面从最低点开始上升到最高点位置，或从最高点位置开始下降到最低点位置的两个升降变化区间，分别出现沉积物补给区缩小（升）或扩大（降），可容纳空间递增（升）或递减（降），有效可容纳空间向陆（升）或向盆地（降）方向迁移，河流落差、流域面积、流量、延伸距离和所能搬运的沉积物数量由大变小（升）或由小变大（降），粒度由粗变细（升）或由细变粗（降）的沉积动力学条件动态变化规律，以及与之相对应的进积→加积→退积（升）或加积→进积→局部遭受侵蚀（降）的地层响应过程。

二、较长期旋回过程中较短期旋回结构的类型和变化较短期基准面旋回识别和划分是进行高分辨率层序地层分析及建立高精度时间—地层格架的基础。

前已述及，较短期基准面旋回由进积、退积或加积的地层单元组成，主要依靠沉积微相的结构与相的叠加序列变化来加以确定，它既可由一系列成因上相联系的岩性组合+界面组成，也可由单一岩性+界面组成，或代表记录有基准面上升期和下降沉积的，具二分时间单元分界线的完整地层旋回，或代表仅发育上升期、抑或下降期沉积记录的不完整地层旋回，层序界面既可是代表有侵蚀作用的或非沉积作用的间断面，也可以是连续沉积的整一界面。

因此，较短期基准面旋回结构变化非常复杂，可划分为具有较完整地层旋回记录的对称型，和对地层旋回记录不完整的分为向上“变深”的非对称型及向上变浅的非对称型3类和7个亚类（图3-1）。

各类旋回的结构、相序、堆积速度和厚度保存状况、对称型变化，以及界面的性质均直接受较长期基准面旋回过程中可容纳空间的变化和沉积物补给通量的变化控制，即A/S比值的控制。

在单位时间内，可容纳空间的增量为单位时间内基准面上升期的体积减去下降期的体积，数学表达式为：ΔV＝H1×S1―H2×S2式中ΔV为单位时间内的可容纳空间增量，H1为单位时间内的基准面上升幅度，H2为单位时间内的基准面下降幅度，S1为基准面上升后的沉积盆地面积，S2为基准面上升前的沉积盆地面积。

设定ΔH为基准面上升幅度（H1）与下降幅度（H2）的差值，由于同一个较短期基准面旋回过程中，由基准面低幅升降变化所影响的盆地面积变化很小，S1和S2可视为非常相近的常数S，因此上式可改写为：改写式为：ΔHS=H1S—H2S简化式为：ΔV＝H1S—H2S由此可见，新增可容纳空间的大小主要取决于基准面上升幅度（H1）与下降幅度（H2）的差值，当ΔH＞0时产生新增可容纳空间，ΔH＝0时无新增可容纳空间，ΔH＜0时不仅无新增可容纳空间，而且原有的可容纳空间进一步缩小。

又由于较短期基准面上升幅度大于下降幅度的升降运动总是出现在较长期基准面由最低点位置向最高点位置单方向移动的过程中，反之亦然，因而相伴随的可容纳空间总是由小变大后复变小，而相对应的沉积物补给通量及粒度则由多而粗变为少而细后，再复变为多而粗的过程，从而引起A/S比值有序的递增、递减和相对应的旋回结构类型规律性变化，最终形成较长期基准面升降对较短期旋回结构类型变化的直接控制，出现如图3-2所示的低、中、高3种状态的可容纳空间和7种结构类型的变化。

值得一提的是，所谓低、中等、高可容纳空间是一个相对的概念，它用以描述可容纳空间与沉积物补给通量的相互关系，可出现如图3-2 不同可容纳空间条件的基准面升降幅度与旋回结构关系示意图下几种情况：①当新增可容纳空间或被缩减的原有可容纳空间小于沉积物补给通量时（A/S＜＜1→A/S＜1，图3-2中的A和B）称之为低可容纳空间，由于可容纳空间难以容纳所有沉积物的补给量，部分较细粒的沉积物将通过冲刷或溢流作用被带出，地层的旋回性不完整，因而在较长期基准面上升初期和早期以发育向上“变深”的非对称型旋回结构为主，旋回的厚度取决于ΔH值，以冲刷面为层序底、顶边界；②而在较长期基准面下降中、晚期，可容纳空间为零和负增长（A≤1，图3-2中的H），以发育向上变浅的非对称型较短期基准面旋回为主，旋回的厚度取决于下降前的沉积界面（位于地表或水底）至下降后达到低点位置的基准面之间的距离，与ΔH值无关，此两类非对称型较短期旋回均以冲刷面为层序底、顶边界；③又如可容纳空间接近或略大于沉积物补给通量时（A/S≤1→A/S≥1，图3-2中的C和G），可称之为中等-高可容纳空间，可容纳空间几乎可接纳所注入的全部沉积物，无论是较长期基准面上升期或下降期发育的较短期旋回，都以发育具二分时间单元分界线的，具完整对称型结构的旋回为主，旋回的厚度主要取决于沉积物的堆积速率，部分取决于ΔH值，层序的底、顶为整一界面，或为弱冲刷面；④又再如可容纳空间远大于沉积物补给通量时，称之为特高可容纳空间，由于可容纳空间远大于所注入沉积物供给量，此时沉积环境处于弱补偿至欠补偿状态，可出现如下3种变化：其一为沉积物补给量处于弱补偿状态（A/S＞1，图3-2中的D），以形成对称型旋回结构为主，层序的底、顶为整一界面；其二为沉积物供给通量迅速减少至可以忽略不计的强烈欠补偿状态（A/S＞1→A/S＞＞1，图3-2中的E），以形成向上加速变深的非对称型旋回结构为主，层序的底为整合界面而顶为饥饿面。

需指出的是，该饥饿面不仅可代表缺失基准面下降期沉积的无沉积作用间断面，同时还可标志较长期基准面上升已达最高点位置的最大洪（湖或海）泛面，因而又具有凝缩段的成因意义，此界面系对不同级次的基准面旋回进行等时对比的极其重要的标志；其三为沉积物补给通量由可以忽略不计至渐趋增多时，以形成向上变浅的非对称型旋回为主（A/S＞＞1→A/S＞1，图3-2中的F），层序的顶为整一界面，而底为饥饿面，该饥饿面代表上升半旋回的无沉积缺失，为标志较长期基准面上升达最高点位置后开始折向下降的相转换面位置。

事实上，在物源补给充分的湖相盆地中，出现在后二种非对称型旋回结构变化中的饥饿面，并不代表上升半旋回或下降半旋回沉积作用的真正缺失，将其划归“缺失”的原因，是与湖（或海）平面上升到最高点位置时的沉积物补给量极低和极细（通常以泥质为主），沉积物堆积厚度很薄且很难以与上升半旋回晚期或下降半旋回早期的沉积物区分开，因而分别将其归并为上升半旋回末期或下降半旋回初期的沉积记录所致。

由此可见，该界面往往可具有相当一个或数个较短期旋回时限的跨度。

然而在实际工作中，虽然在大套泥岩段中确定该饥饿面的时限跨度是极其因难的，但其在泥岩段中代表洪泛面产出位置的识别标志清晰，区域分布稳定，因而通常将其作为与较长期旋回洪泛面相重合的、具特殊成因意义和重要等时对比意义的标志。

三、中期旋回过程中短期旋回叠加样式的沉积动力学分析在高分辨率层序地层分析中，最具等时对比意义的是具有较长时间周期的长、中期旋回，尤以中期旋回最为重要。

由于中期旋回主要根据较短时间周期的超短期和短期旋回的叠加样式所确定的，一个完整的中期旋回由一系列具有进积、加积和退积叠加样式的较短期旋回组成，因而从理论上了解较短期旋回的结构类型及其叠加样式在中期基准面旋回过程中的分布位置和变化规律，是在实践中深入理解和运用该理论体系及其技术方法的关键问题之一。

以下以中期旋回为例，分析旋回过程中的短期旋回结构类型的变化和叠加样式与沉积动力学过程的关系。

1.中期基准面升降过程中的可容纳空间变化率鉴于中期基准面升降运动的轨迹为一正弦曲线，曲线上每一点位置的可容纳空间增减量取决于短期基准面升降幅度差值ΔH，单位时间内（Δt）,该差值等于正弦曲线的一阶导数，即该曲线的斜率，因而某点的数值大小取决于该点在正弦曲线上所的处位置，该曲线的最低点和最高点位置为零值，从上升翼和下降翼上，可找出两个绝对斜率或变化速度最大的点，即R拐点（上升）和F拐点（下降），对应的可容纳空间增量为最大（R点）和缩减量为最大（F点）。

如不考虑构造沉降提供的可容纳空间，或将其视为盆地沉降速度保持稳定状态的常数，由中期基准面升降运动所控制的短期基准面升、降及其所影响的可容纳空间变化率可出现下列几种情况的变化：①当中期基准面下降至最低点或上升达最高点位置时，短期基准面升降幅度为零值，因而无可容纳空间的新增或缩减；②中期基准面从最低点的零值位置开始上升的初期至早期，为短期基准面中的上升幅度由零值开始缓慢增大到快速增大，而下降幅度由零值开始非常缓慢递增的过程（H1>H2），其上升幅度（H1）和上升幅度（H1）与下降幅度（H2）的差值（ΔH=H1—H2）都于R点位置达最大值，与之相关的可容纳空间为一低速至快速的递增过程；③从R点位置至中期基准面上升达最高点位置的上升晚期，为短期基准面上升和下降幅度各为快速减小至缓慢减小的过程，以上升幅度的递减率大于下降幅度的递减率，并延续到升、降的幅度持平为止（两者的差值ΔH为零值），与之相关的可容纳空间为一增长速率逐渐递减直至为零值的过程；④绕过中期基准面上升达最高点位置后至中期基准面下降早期，则为短期基准面下降幅度由小于上升幅度至大于上升幅度的负差值（H2＞H1，ΔH＜0）递增过程，其下降幅度和上升幅度与下降幅度的负差值都于F点位置达最大值，与之相关的可容纳空间为一缩减速率从零值开始后显著加大的过程；⑤从F点位置至中期基准面下降至最低点位置的晚期，为短期基准面下降幅度重新递减和上升幅度可忽略不计，以及两者的负差值逐渐减小至为零值的过程，与之相关的可容纳空间的缩减率为一由快速加大向缓慢加大至为零值的过程。