陆相层序地层学应用指南.pdf

陆 相 层 序 地 层 学 应 用 指 南 中国石油天然气集团公司 油 气 储 层 重 点 实 验 室 编 石 油 工 业 出 版 社 内 容 提 要 本书简 明扼 要地介 绍了 层序地 层 学在 陆 相层 序 地 层研 究 中 的 应用 , 介 绍了在 陆相 沉积的 层序 特征 、分 布 规律 及 对 油气 生 储 盖 的预 测,并对陆 相层 序地层 学的 概念 、术 语 和研 究 方 法等 作 了 规 范性 阐述 。这些 对陆 相层序 地层 学的 研 究和 交 流都 会 有一 定 的 帮 助。 本书可供 从 事 层 序 地 层 学 的 研 究 人 员 以 及 有 关 院 校 师 生 参 考。 图书在版编目 CIP 数据 陆相层序地层学应用指南/ 中国石油天然气集团 公司油 气储 层 重 点实 验 室编 . 北 京 石油 工 业出 版 社 , 2002.6 ISBN 7 - 5021 - 3797 - 1 Ⅰ. 陆⋯ Ⅱ. 中⋯ Ⅲ. 陆相 - 地层层序 - 研究 Ⅳ.P539.2 中国版本图书馆 CIP 数据核字 2002 第 038591 号 石 油工 业出版 社出版 100011 北京 安定门 外安华 里二 区一号 楼 石油 工业出 版社 印刷厂 排版 印刷 新华 书店 北京发 行所发 行 * 8501168 毫米 32 开本 3 印张 2 插页 76 千字 印 11500 2002 年 6 月北 京第 1 版 2002 年 6 月 北京第 1 次印 刷 ISBN 7 - 5021 - 3797 - 1/ TE 2768 定价 8.00 元 前 言 源于被动大陆边缘的层序地层学自 20 世纪 70 年代兴起以 来, 经历了萌芽、孕育发展和走向成熟的三个阶段。大部分研究 者认为海相层序地层学的普遍原理和方法适合于在陆相沉积中应 用。然而陆相沉积层序毕竟不同于海相, 陆相沉积物源近、多物 源、粒级粗、相变快, 结构和矿物成熟度低, 而且陆相沉积在很 大程度上取决于构造的抬升和沉降、物源的供给、气候和湖平面 的变化, 因此, 在应用中既要吸收海相层序地层学中的精华、成 熟的工作程序和工作方法, 同时还要结合各类陆相盆地沉积的具 体特征有所创新、有所前进, 从而在各自的盆地建立模式, 并通 过综合上升为理论, 建立一套有特色的陆相盆地层序地层学, 以 指导陆相盆地的油气、煤等沉积矿产资源的勘探。 早在 20 世纪 70 年代 Vail 对层序地层学的应用意义就有一 个明确的评价, “层序地层学概念在沉积岩上的应用有可能提供 一个完整统一的地层学概念, 就像板块构造曾经提供了一个完整 统一的构造概念一样。层序地层学改变了分析世界地层记录的基 本原则。因此, 它可能是地质学中的一次革命, 它开创了了解地 球历史的一个新阶段。 ”无疑,我国在陆相盆地中全面、正确、 规范地应用层序地层学必将把我国陆相沉积和储层的研究推向一 个崭新的阶段, 并将极大地提高油气勘探中对生油岩分布区、储 层分布区和盖层分布区的预测精度, 给油气勘探带来巨大的经济 效益。同时也会对其他沉积矿藏, 如煤、铀的勘探产生巨大的经 济效益。 本指南旨在把近年来在中国石油天然气集团公司油气储层重 点实验室所辖的有关研究单位和高等院校的部分研究人员在学习 和借鉴国外海相层序地层学理论和方法并应用于部分油田实践的 一些成果和想法写出来, 与油田勘探生产第一线从事层序地层学 研究的人员一起进行学习和探讨。其目的是使从事陆相层序地层 学的研究人员有一本比较规范的手册, 在碰到困难的时候可以拿 出来查一查, 给具体从事油田勘探生产的研究人员带来一些方 便, 使其在陆相层序地层学研究应用时具有一定的正确性和规范 性。在目前一些学术理论问题还有待深化研究的情况下, 暂时有 一个统一的概念、术语、方法等的“规范” , 便于油公司范围内 交流沟通, 以利进一步的研究工作。我们也很清楚目前我们的工 作还很不完善, 实际工作的经验还不够, 同时, 陆相沉积复杂多 变, 各个盆地的沉积层序变化也不尽相同, 不同盆地、甚至同一 盆地的不同坳陷就有不同的层序地层分布模式。因此, 本指南仅 为一个“指南” , 具体方向还要依据不同的盆地不同的坳陷加以 分辨, 希望我们的努力能给在油田工作的研究人员一点帮助, 这 也就是我们最大的心愿。 本指南是在收集有关海相层序地层学研究成果和我国学者研 究中国陆相层序地层的成果以及中国石油油气储层重点实验室研 究工作的基础上, 由顾家裕教授和张兴阳博士编写而成, 编写过 程中范土芝博士为本书收集了有关资料, 书中大量的资料是我国 学者在研究中国陆相沉积的层序特征、分布规律、对生储盖预测 等的总结性成果, 正是他们为本指南的编写积累了大量素材和图 件, 在此谨对他们认真有效的工作表示敬意和感谢。 为编写本指南, 在中国石油油气储层重点实验室的组织和领 导下, 召开了学术委员会中有关层序地层学研究人员讨论会和全 国性的层序地层学学术研讨会, 本指南吸取了两次与会研究人员 大量学术思想精华、优秀的成果和好的建议。初稿完成后, 学术 委员会主任裘怿楠, 副主任赵澄林、薛叔浩, 重点实验室主任罗 平等有关人员对本指南进行了认真细致的审阅, 修改后又送交有 关学术委员进行了审读, 并再次进行了修改, 应该说本指南是我 国从事层序地层学研究人员和中国石油油气储层重点实验室人员 集体劳动的成果和智慧的结晶。 在编写过程中, 中国石油天然气股份有限公司贾承造总地质 师, 科技信息部罗治斌副总经理、李先奇博士, 中国石油天然气 集团公司科技发展部方朝亮处长和中国石油勘探开发研究院赵文 智副院长等有关领导给予了极大的关心和指导, 在此表示真挚的 感谢。 同时也恳请油田勘探生产第一线的科研人员及其相关研究人 员对本指南提出宝贵意见, 我们定会虚心接受并将根据你们的意 见进行修改和完善, 以满足油田勘探生产工作实际的需要。 编 者 2001 年 11 月 目 录 第一章 层序地层学发展历史与现状 1 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第一节 层序地层学发展历史 1 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第二节 层序地层学研究现状 5 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第二章 关于陆相层序地层学研究21⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第一节 湖平面升降曲线精度和可靠性研究21⋯⋯⋯⋯⋯ 第二节 层序地层主控因素的研究27⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第三节 层序地层模式的适用及推广27⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第四节 层序地层学定量研究和计算机模拟的研究29⋯⋯ 第三章 陆相地层层序边界的识别和层序级别的划分32⋯⋯ 第一节 陆相层序地层学研究的基础资料、遵守的法则及研究 流程32⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第二节 层序边界的识别35⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第三节 层序级别的划分46⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第四节 等时地层格架的建立及体系域的划分52⋯⋯⋯⋯ 第四章 陆相层序地层学研究方法55⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第一节 露头层序地层学研究55⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第二节 地震层序地层学研究61⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第三节 井下层序地层学研究66⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第五章 陆相层序地层模式与隐蔽圈闭74⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第一节 坳陷型湖盆层序地层模式与隐蔽圈闭74⋯⋯⋯⋯ 第二节 断陷型湖盆层序地层模式与隐蔽圈闭77⋯⋯⋯⋯ 第六章 陆相层序地层学研究中的基本图件80⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 参考文献83⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第一章 层序地层学发展历史与现状 随着人们对盆地认识的深化以及油气地质学、沉积学、海洋 地质学、海洋学、古气候学、古生物学和地球物理、同位素测年 等技术的长足进展,知识的量变必然导致科学的革命 质变 , 层序地层学以其强大的生命力在全世界得到迅速发展和应用。它 作为一种成功的全球性理论, 在油气资源勘探开发中正发挥着巨 大的作用; 以其概念的合理性和应用的可操作性, 提供了一种更 为精确的以不整合面或与之相对应的整合面为边界, 在等时的地 层格架内对地层进行对比、岩相古地理再造和勘探中钻前预测生 储盖地层分布的有效方法。它的出现在沉积学、地质学以及一切 与沉积岩有关的科学领域引起了极大的震动。 正如 Vail 所言, “层序地层学概念在沉积岩上的应用有可能 提供一个完整统一的地层学概念, 就像板块构造曾经提供了一个 完整统一的构造概念一样。层序地层学改变了分析世界地层记录 的基本原则。因此, 它可能是地质学中的一次革命, 它开创了了 解地球历史的一个新阶段” 。层序地层学在我国的兴起和发展仅 有十年的历史, 但我国的层序地层学工作者在引用海相层序地层 学理论的基础上, 对陆相层序地层学研究有了创新性的进展, 已 经取得了丰硕的成果。 第一节 层序地层学发展历史 虽然“层序”概念的提出 Sloss, 1948 ,近乎与地层学一 样古老, 但层序地层学作为地层学的一门新兴分支学科, 则是近 20 多年来才发展起来的。究其发展轨迹, 它大致可分为三个阶 段 即概念萌芽阶段、孕育发展阶段和理论系统化阶段。 1 一、概念萌芽阶段 19481977 层序概念建立阶段 该阶段主要建立了层序地层学赖以发展的地质基础, 包括以 生物地层学、岩石地层学、年代地层学及动力地貌学为依据建立 的一些层序。其中以 Sloss, Krumbein 和 Dapples 1948 同时提 出的地层层序概念为标志。Sloss 等人将层序定义为“比群、大 群或超群更高一级的单元, 在一个大陆的大部分地区可以追踪, 并且以区域的不整合面为界” 。1963 年, Sloss 等人将北美克拉通 前寒武纪晚期至全新世地层划分成以区域不整合面为边界的六套 地层层序 图 1 - 1 , 并以北美印地安部落的名字对层序进行命 名。然而, 由于这样的层序单位所代表的时间跨度太大, 不能满 足详细分层对比和生产实际的需要, 再加上受当时技术条件的限 制, 未能得到深化和推广。Sloss 的层序思想当时仅被他的学生 和朋友所接受。尽管如此, Sloss 等人提出的层序概念为当今层 序地层学的发展提供了概念基础。 二、 该阶段以 Vail 1977 等人编著的 地震地层学 为标志。 它是随着高分辨率地震勘探和处理技术的发展而诞生的, 地震地 层学提出了全球海平面变化具有相对一致性, 海平面变化控制了 层序发育的观点。在这个阶段, 人们已能在盆地规模上或三级层 序以上的级别中应用地震资料及钻井、测井资料预测和确定盆地 及区域范围内的地层结构、沉积相类型和沉积相的区域分布, 其 影响已波及整个全世界。但这一阶段还不能适应在勘探目标 油气藏规模上的具体分析预测工作。尽管如此, 该阶段对进行地 层学分析已产生了一次重大的飞跃。 三、理论系统化阶段 1988 年至今 层序地层学综合 发展阶段 该阶段以 Vail 1988 等人编著的 海平面变化综合分析 以及 Sangree, Wagoner 和 Mitchum 等人的层序地层学文献的发 表为标志。层序地层学建立了一套层序地层概念体系以及在等时 地层格架下不同沉积背景下的层序地层分布和不同地层的叠置样 2 图 1 - 1 Sloss 识别出的显生宙克拉通层序与克拉通边缘上 的造山幕的关系 1963 式。前期, 随着可容空间概念的建立和引入应用, 层序地层学的 理论和方法趋于成熟、实用, 其标准就是 1989 年 AAPG 年会举 办的层序地层学短期培训班和会议上发表的大量关于层序地层学 的论述 Sangree, J B 和 Vail,P R, 1989。这个时期已可直接 运用测井、岩心、露头资料单独或综合进行层序地层分析, 既可 在较大规模上服务于勘探, 也可在油藏规模上进行对比、分析和 预测工作。 20 世纪 90 年代以来, 层序地层学进入了理论研究和生产应 用全面发展的新时期, 在理论上出现了诸如高分辨率层序地层学 Cross、成因地层学 Galloway、旋回地层学等学派; 在实践 应用中, 层序地层学不但研究海相沉积, 也大步迈向非海相沉 3 积, 同时开始深入到油气勘探开发的各个阶段和层次。如从盆地 分析到圈闭的成因解释,从油藏描述、数值模拟到后续动态模 拟, 从勘探开发各个阶段的软件开发到油藏管理, 都应用了层序 地层学的理论、方法和研究成果。该阶段层序地层理论的系统 化, 给沉积学和地层学研究带来了革命性的飞跃。Vail 称层序地 层学“可能是地质学中的一次革命, 它开创了了解地球历史的一 个新阶段” ,这一点也不为过; Brown 1990 认为是“地层学 领域正在进行的一场革命” ; Cross 等 1987 则认为是“地质学 领域不亚于板块学说的一场革命” , 并认为它是“把地质学从定 性转变为定量科学的推动力” 。 层序地层学的诞生和发展之所以获得如此高的评价, 主要是 在于它的科学性、先进性、预测性和定量性, 具体有以下五个方 面的原因。 1 层序地层学的基本指导思想是强调地层层序的形成受控 于全球海平面的升降、构造沉降、气候和沉积物供给等因素, 并 表现出不同的级别、规模和不同的时间间隔。显然, 层序地层学 的基本观点和当前人类把地球作为一个整体, 研究其演化历史的 地球观是一致的, 因而受到了地学工作者的重视和支持。 2 首次提出了全球统一的成因地层划分方案 成因地层年 表。层序地层学通过对控制地层形态的构造沉降、全球海平面 升降、气候和沉积物供应的综合分析, 提出了相对海平面 或基 准面 变化控制层序形成与发育的概念, 确定了层序内部和层序 之间的成因联系, 将地层学推向了具有完整系统的理性阶段。 3 层序地层单元的界面具有物理性界面和生物界面的双重 意义。因此, 层序地层学清除了地层中长期存在的年代地层、岩 石地层和生物地层单位三重命名的混乱现象, 为准确的地层划分 与对比有可能提供一个全球统一的地层学概念和对比方案。 4 建立了地层格架分布模式, 提高了地学工作者的预测能 力。层序是以不整合面或与之相对应的整合面为其边界的、成因 上有联系的一套地层。这套地层是在一个海平面变化周期中形成 4 的, 一般包括了低位体系域、海进体系域和高位体系域, 每个体 系域在每个层序中都有一定的几何形态、相邻相的组合和平面上 的展布方式, 同时也具备三维空间的立体概念, 从而提高了地层 工作者在地层对比和沉积相分布的预测能力。即预测尚未钻探地 层的年代、体系域的展布和范围, 预测有利生储盖地层的分布, 预测钻前油藏类型和油层质量, 以提高勘探的成功率、勘探效益 和开发中油气采收率。 5 将偏定性的地球科学研究推向定量化。层序地层学研究 成果使人们能够更充分地了解地层的时空分布, 进而可依据地震 勘探技术和计算机技术来定量化地模拟层序地层的充填过程, 使 人们能够较定量化地了解地层划分、相带分布、古地理恢复、构 造发育史、成藏史以及油藏开发效果监测等一套完整油气勘探开 发过程。 第二节 层序地层学研究现状 由层序地层学的发展历史可见, 作为比较完善的层序地层 学, 能够在全球范围内建立一个完整统一的地层学概念, 在统一 的等时地层格架下研究不同沉积背景下不同的地层叠置样式, 从 而大大提高了地层、岩性, 甚至油藏的预测能力, 能直接为油气 勘探开发服务。因此, 现今的层序地层学具有比较系统完整的概 念体系、理论体系和方法体系。 一、层序地层学的概念体系建立 1. 三大不同学派层序及层序边界的概念 层序概念的建立是层序地层学建立的基石。不同学派, 其层 序与层序边界是不同的。在三个不同学派中, Exxon 公司的 Vail 和他的合作者认为两个不整合面或与其相对应的整合面之间的地 层单元为层序; Galloway 认为在墨西哥湾上第三系以三角洲为主 体的沉积复合体系中, 最大海泛面是最好的地层对比标志层, 因 此他把层序划分为最大海泛面之间的地层单元, 称为成因地层层 5 序; 而 Johnson 根据加拿大中生界露头上层序地层工作的情况, 认为海侵面是本区最好对比的一个标志层, 强调层序以海进海 退的一个旋回沉积层作为一个层序, 因此, 把两个海侵面之间的 地层单元称为海侵海退层序 即 TR 旋回图 1 - 2。所 以, 谈层序, 谈边界必须指出哪一派 或哪种划分方案 , 而有 些学者把三者混在一起谈, 使不整合面、最大海泛面、海侵面在 同一文章中都成为边界, 这是要十分注意的。 图 1 - 2 几种不同的层序定义 Armentrout, 1993 DSExxon 公司以 Vail 为代 表的 学派,以地 层不整 合或与 此不 整合 可以 对比 的整合 面为 边界; GS 继 Frazier 之 后, 以 Galloway 为代 表,采用最 大洪 泛面作 为层 序边界 ; TRJohnson 所 强调 的层序 以海侵 面为 层序边 界的 海进海 退旋 回 T - R 旋回 ; LST 低位体 系域 ;TST 海侵体 系域 ;HST高 位体 系域;CS凝 缩段 2. 三大体系域概念的建立 沉积体系是沉积环境和沉积作用过程方面具有成因联系的三 维岩相组合体, 沉积体系域则是由一连串有成因联系的同时代的 沉积体系组成, 它是在同一层序内相对海平面变化的产物, 各体 系域所指示的是地层剖面上它所处的位置 Posamentier, 1988 , 而并不表明水位的高低 图 1 - 3。根据不同的沉积背景, 可分 为低 位 体 系 域 Lowstand system tractLST 、 海 进 体 系 域 Transgressive system tractTST 和 高 位 体 系 域 Highstand 6 system tractHST。不同地质背景下层序地层具有三类体系域 不同的叠置样式 图 1 - 4。 图 1 - 3 标准层序中三种体系域的相对位置 LST低 位体 系域; TST 海侵体 系域 ; HST 高位体 系域 ;mfs最大 海平 面; SMW陆 棚边 缘体系 域; LSW 低位 楔状体 ;sf 低位斜 坡扇 ; bf 低位 盆底扇 ; tsfs 斜坡扇 顶面 ; tfs扇 顶面; fc 扇水道 ;SB1 层序边 界 1 ;SB2 层序边 界 2 图 1 - 4 不同构造背景下的层序地层模式 据 Vail 等 , 1991 7 3. 全球海平面和相对海平面 海平面变化是层序地层学中最重要的概念之一, 全球海平面 是海平面相对于某个固定参照点 如地心 运动的单元函数, 相 对海平面则是海平面运动和海底运动的双元函数 图 1 - 5。海 平面相对变化是形成以不整合面以及与之相对应的整合面为边界 的、成因上相关的沉积层序的根本原因。更重要的是, 它描述了 沉积可容空间是如何变化的, Vail 等人建立了 I, II 级层序全球 海平面变化的曲线 图 1 - 6。 图 1 - 5 y,1988 全球海 平面是 指海 平面相 对于 一个固 定的 基准点如地 心的位置 ; 相 对海平 面是 指海平 面与 局部基 准面 如基底 之间的 测量 值; 水 深是 指海水 表面 与海底 之间 的距离 4. 可容空间 Accommodation 可容空间是潜在的可供沉积物堆积的空间。可容空间是全球 海平面升降变化、相对海平面变化、沉积物供给和构造沉降的函 数, 也就是说, 海平面和构造的相对升降变化特征决定了是否存 在可供沉积物沉积的可容空间。图 1 - 7 表示了基准面和可容空 间的关系。 8 图 1 - 6 显生宙全球海平面变化旋回 据 Vail等 , 1977 图 1 - 7 基准面、可容空间和反映可容纳空间与沉积物 供给之间平衡的地貌状态 据 Cross, 1994 修改 当基 准面位 于地表 之上 时, 就 提供 了可供 沉积 物沉积 的空间 , 发 生沉积 作用 ; 当 基准面 位于 地表之 下时 , 可容 空间 消失,发生侵 蚀作 用; 当基 准面与 地表 重合时 , 既 不发生 沉积 作用也 不发生 侵蚀 作用, 沉 积物 发生过 路作用 9 二、层序地层学三大理论体系和四大方法体系 层序地层学研究自一开始, 就是从不同角度、不同思路、不 同层次开展的, 形成相互联系又有区别的三大理论体系及四大方 法体系。 1. 三大理论体系 1 海相层序地层学 层序地层学首先是在被动大陆边缘海相地层研究基础上建立 起来的, 它包括了层序地层最核心和精髓的部分, 如前所述的三 种层序和层序边界的定义均是以海相地层为研究对象建立的。 海相地层学的主要特点表现为 1 均强调海平面变化是控制层序成因和相分布的内在机 制, 可用于全球范围内的海平面对比及沉积地层对比。 2 将构造运动、全球海平面变化、沉积物供给、气候变化 作为影响层序发育变化的四大控制因素。 3 对成岩作用的影响考虑较少。 针对这些特点建立了 I, II 型碎屑岩层序地层模式 图 1 - 8 和图 1 - 9。在国内,对中国海相盆地已经建立了海相层序模 式, 并分析内部构成特征,实例有 中国古陆及邻区层序地层 学 王鸿桢, 1996 、 塔里木盆地层序地层学顾家裕, 1998 等。 2 陆相层序地层学 由于陆相地层中油气等矿产资源勘探开发的需要, 国内外许 多专家和学者, 尤其是中国地质界, 对陆相层序地层做了大量的 研究和探索工作, 取得了很大的成功, 促进了陆相层序地层学理 论体 系的 建 立。在 国 外,如 加 拿大 陆 相 层 序 地层 学 研 究 组、 Shanley 和McCabe 1991,1993 、 VanWagoner 1995 、 Mancilla 等 1988 、 Legarreta 和 Gulisan 1989 、 Kokgian 1991 等人分别对加拿大陆相近海、犹他州、阿根廷等内陆盆 地的陆相冲积层进行了研究; Mignel Uliana 等 1992 建立了 阿根廷白垩纪地层的湖相体系域 图 1 - 10; Fryberger 1988 01 图 1 - 8 具陆架边缘坡折带的Ⅰ型层序地层样式 据 Wagoner, 1990 图 1 - 9 Ⅱ型层序地层样式 据 Wagoner, 1990 图 1 - 10 阿根廷中生界冲积层序模型及柱状剖面 据 Miguel和 Legarreta, 1992 研究了风成活动中的 strokes 面, 认为 strokes 面的空间变化可反 映地层基准面上升的速度, 为风成地层分析提供系统研究格架。 由此可见, 国外学者对陆相沉积的几种主要类型 河流冲积、 湖相沉积、风成沉积等都分别做了研究和探讨, 并取得了一定的 成果。然而, 这些研究都试图将不同的沉积层序与相对海平面变 化联系起来或套用已建立的海相层序地层模式, 未免有些牵强附 会。此外, 这些研究所针对的仅是由单一的沉积作用所形成的地 层, 对于复杂的陆相沉积, 显得过于简化。国外学者虽已认识到 内陆与滨海环境中海平面升降、构造、气候及物源供给等所起作 用的不同, 但还未能深入研究。 中国是陆相沉积大国, 这就决定了中国的地质学家注定要采 用层序地层学先进理论来解决中国陆相问题, 也必然成为中国地 31 学界研究的热门课题。自徐怀大教授等将层序地层学引入中国以 来, 中国学者致力于陆相层序地层学研究, 建立起了真正理论意 义上的陆相层序地层学, 由此引发出多姿多彩的观点和看法, 出 现了百家争鸣的局面, 归纳起来大致有四大不同的学派。 1“类海相”派。 该学派学者们认为, 湖泊与海洋类似, 是陆相沉积盆地中的 主导沉积控制体, 它不仅控制着自身的沉积发育, 也控制着毗邻 的河流及风成沉积, 湖平面变化以类似于海平面变化的作用控制 着整个盆地的沉积发育。因而他们认为, 只需稍加修正, 即可把 海相层序地层学模式直接应用到陆相沉积盆地中。 该学派学者们对海相、陆相之间的差异认识不足, 过于简化 了陆相沉积。他们所提出的陆相层序地层模式难以适应复杂的陆 相沉积。 2 单一派 河流相层序地层学。 该派根据分析基准面变化对河流沉积作用方式的影响而提 出 低位体系域主要由垂向上互相叠置的、横向上成片分布的辫 状河流的砂砾质沉积物组成; 低位体系域后期可能出现曲流河沉 积; 水进体系域有利于网状河流沉积。该派淡化了构造因素、气 候因素, 而将沉积物供给速度和河流作用相等同; 将湖相或海相 沉积归为夹层, 河流为主控因素, 将单一的沉积体系和一系列成 因上有联系的同时代沉积体系等同, 同样也不能将各种因素的综 合影响考虑进来; 实际上不可能在同一地区出现一系列的河流相 结合或仅由单纯的河流相组成的包括各种体系域的地层层序。 3 构造派。 李思田教授 1992 从层序地层学根源出发, 提出了完全不 同于国外海相层序地层学模式的陆相层序地层学, 把相、沉积体 系放到盆地整体地层格架中研究, 建立全盆地等时地层格架, 在 此基础上 将盆地 充填序 列解 析为不 同级 别的建 造块。解习 农 1996 认为陆相断陷盆地层序地层主要受控于区域性构造事件 或幕式构造旋回 图 1 - 11。因此, 该派的主要特点表现为 41 图 1 - 11 拉张背景下构造运动轨迹与层序内部构成的关系 据解习农 , 1996 一 个阶 段的盆 地沉积 可 被划 分 成 早 期 较快 的 沉 降 和晚 期 趋 于 停 止 的沉降 。假 定沉积 物供 给 速 率不 变 , 盆 地 基 底刚 开 始 下 沉 , 此 时 沉 积 物供给 速率大 于或 等于构 造沉 降速率 t0至 t1 ,沉积 堆积速 率与 沉降 曲线基 本一 致, 形 成低 位 或 冲积 体 系 域。 随 着盆 地 基 底 沉 降 速 率、 可 容空间 或水深 明显 加大 t1至 t2 , 形 成退 积式的 湖侵 体系域 。后 来盆 地构造 沉降趋 于停 止,沉积 物 充 填 前期 残 存 的 可容 空 间 , 形 成 高 位 体 系域 t2至 t3。 当残余 可容空 间被 完全充 填以 后, 就 形成 了层序 的顶 界 面 侵蚀不 整合 面或沉 积作 用间断 面 t3至 t4 ①主张层序分析是把相、沉积体系放于盆地整体地层格架中 进行研究, 这种格架主要根据等时地层意义的界面划分。分析的 核心是建立等时地层格架, 在此基础上将盆地充填序列解析为不 同级别建造块。 ②把古构造面作为划分层序的惟一界面,存在一定的局限 性。因为如果该界面分布不连续, 则影响等时对比的精确性。 ③忽略了气候作用、物源供给速率等其他因素的影响。 4 综合派。 由于内陆环境复杂多变, 陆相层序的形成受比海相更难把握 的多因素控制。纪友亮 1996、魏魁生 1997 等分别对济阳 51 坳陷下第三系和松辽盆地白垩系进行层序地层学研究时, 认真分 析了海平面变化、湖平面变化、沉积物供给、构造运动及气候等 陆相沉积层序的影响, 提出了一些新的思路和观点。顾家裕教授 1998 对陆相层序地层学在油气勘探应用中的关键问题提出了 科学合理的定论和设想。综合学派的主要特点是 ①分析了海平面变化、湖平面变化、沉积物供给、构造运动 和气候等各种因素的影响, 认为陆相湖盆分为敞流湖盆和闭流湖 盆 图 1 - 12。 图 1 - 12 陆相湖盆的水文地质学分类 据纪友亮等 , 1996 修改 敞流 湖盆 中注入 湖盆 的水量 大于 蒸发量 和地 下渗 透 流量 之 和,湖平 面 的位 置 维持在 与湖 盆的最 低溢 出口相 同的 高程上 , 多余 的 水则 通 过汇 水 通道 流 出湖 盆 , 常形 成于 潮湿气 候条 件下;闭流 湖盆是 注入湖 盆的 水量小 于蒸 发量和 地下 渗透 流量 之和,湖平 面的位 置常 低于盆 地最低 溢出 口的高 程,常形成 于 干旱 气候条 件下 ②控制沉积物沉积的基准面和可容空间有两种。 A 陆相湖盆中沉积基准面是湖平面和河流平衡剖面,沉 积物表面到这种基准面之间的所有空间称为可容空间, 在沉积同 时形成的可容空间称为新增可容空间; B 盆地基准面是盆地最低出口位置所决定的水平面或河 流平衡剖面, 沉积物表面到盆地基准面之间的可容空间称为盆地 可容空间。 ③影响层序的主要因素是构造变动、湖平面变化、气候和沉 积物的供给, 不同阶段为四个因素中一个或几个因素的不同组合。 61 3 高分辨率层序地层学 随着盆地油气勘探与开发向更复杂和更深入的方向发展, 石 油地质学家需要更精确的技术来提高层序地层分析的分辨率和储 层预测的准确性。正因如此, 高分辨层序地层分析理论和技术便 应运而生。其中以 Cross 领导的科罗拉多矿业学院成因地层研究 组为代表的高分辨率层序地层学派的崛起, 及其在美国和其他一 些国家石油公司油气勘探、开发中发挥的显著作用和影响, 突出 反映了高分辨率层序地层学的新概念、新方法、新进展, 如运用 过程响应沉积学原理进行高分辨层序划分与对比技术、正演与 反演数值地层模拟技术、地层对储层中流体流动速度与流体流动 单元控制的研究等 彩图 1。邓宏文教授 1995 首先及时将 高分辨率层序地层学引入到中国来, 使其在国内得到了广泛的研 究与应用。因此,高分辨率层序地层学是一个具有潜力的新学 派, 主要表现为理论基础完善、研究精度高, 使层序地层由定性 研究向定量研究迈出了坚实的一步。其基本思想是 基准面变化 旋回中, 随着可容空间增长速率/ 沉积物供给速率 即 A/ S 的 变化, 可容空间在不同空间部位迁移, 同时伴随着空中的体积分 配, 进而形成了相分异, 储层物性随之产生相应的变化 彩图 2。从彩图 2 上可以看出,A/ S 值较大时,形成向陆后退的成 因层序, 非海相砂岩体积与海相砂岩体积的比值较大, 海相砂岩 的物性由于没有更多的陆源碎屑特别是细粒陆源碎屑的注入而变 好;A/ S 值较小时则相反。通过对地层记录中体积分配和相分 异进行描述, 则有可能恢复基准面变化旋回, 据其进行储层精细 对比和储层物性预测。 因此, 可容空间、基准面及基准面旋回地层叠加样式、体积 分配、相分异构成了高分辨率层序地层学完整的概念体系和理论 基础。 2. 四大方法体系 1 地震层序地层学分析 在钻井资料少的地区, 应用地震资料来研究层序地层学, 以 71 层序地层学为主线, 划分地震层序、识别地震相带、恢复沉积体 系 图 1 - 13 , 进而预测砂体和油气分布 Vail, 1995。 图 1 - 13 地震剖面上层序地层的识别 池秋鄂 , 1999 2 露头层序地层学分析 露头层序地层学的最大优点在于它的客观性和真实性。通过 钻孔或测井所得的数据虽然珍贵,但总是“一孔之见” ,与分布 广泛的地表露头相比, 相差很远。同时, 尽管所有钻孔、测井取 得的数据、图像等都是地层物性的真实反映, 但它们不是地层本 身, 而是需要研究者去解释、判断, 这样就出现了解的非惟一 性。而在地表露头上可直接观察和研究地层 图 1 - 14 ,其真 实性要大得多。 当然, 露头层序地层学研究也有其局限性, 主要表现在 在 单一地表露头中见到的只是该层序的一小部分, 通过一个或数个 露头的层序地层研究, 是很难正确确定层序, 必须与钻孔、测井 及地震资料相结合。 3 测井层序地层学分析 20 世纪 80 年代以来, 随着地震技术和计算机技术的发展, 测 井技术与沉积学的联系更加密切, 渗透到了沉积学研究的各个方 81 图 1 - 14 露头剖面上层序旋回的识别 图 1 - 15 测井曲线上层序 旋回的识别 面, 对层序地层学理论体系的形成和发展做出了巨大的贡献。其 基本原理是运用测井曲线的五个结构要素, 即幅度、形态、接触 关系、组合特征及变化类型, 对沉积层序或体系域特征进行分析 图 1 - 15。主要优点表现在 为 高分辨率层序地层学和层序生物 地层学研究提供了可能性; 提供 盆地深部岩石成分、结构和沉积 构造; 测井信息提供特别密集的 采样频率,在不可能取心的条件 下, 可根据测井曲线和测井资料 对层序进行分析; 为深部潜在生 储层及隐闭岩性圈闭或油气藏的 勘探研究提供了重要信息。 4 层序地层学模拟分析 由于高分辨率层序地层学的 发展及可容空间概念的建立,层 序地层模拟技术应运而生, 实现 层序地层学由定性研究向定量研 究的质的飞跃, 对层序地层理论 91 发展和盆地沉积分析和定量预测产生了重要作用 参见彩图 1。 通过模拟更加深了对层序发育和构成特征的认识, 揭示层序形成 演化的控制因素, 定量分析和预测沉积体系和沉积相的空间组合 和分布样式, 快速检验前沿盆地的勘探预测方案。 应当指出, 在实际研究过程中, 往往是多种方法结合起来综 合应用。 02 第二章 关于陆相层序地层学研究 陆相层序地层学作为一门在海相层序地层学基础上发展起来 的新兴的层序地层学的分支, 自它诞生以来, 一直就受到人们的 广泛关注以及持有不同观点的学术争论。这说明了两点, 一是陆 相层序地层研究具有旺盛的生命力, 完全可以发展成为层序地层 学的一个分支; 二是也说明陆相层序地层学与海相层序地层学有 一定的差异 表 2 - 1 , 对其研究具有相当大的难度, 尚需创立 陆相层序地层一套完整的理论体系和方法, 并不断加以完善。研 究的难度主要体现在两大方面,一是由于陆相湖盆沉积面积小, 相变快, 预测难度大; 二是实际应用中, 与油气勘探开发等生产 的直接结合上, 即如何使层序地层学直接用于生产上。下面从四 个方面说明目前尚未形成统一认识或还未解决的难题, 有些还介 绍了海相层序地层研究相应的成果或现状, 以希望能引导今后的 陆相层序地层学研究。 第一节 湖平面升降曲线精度和可靠性研究 在 Vail 等的层序地层学理论中,海平面变化被认为是层序 叠置方式最重要的控制因素, 所以尽管地质学家普遍认为构造是 控制陆相湖盆沉积的主导因素, 但在我国层序地层学工作者将海 相层序地层学的研究方法及理论引入陆相层序地层学领域后的一 段时期内, 湖 平面变化被认为是湖 盆沉积的形成机制。然而, 海、湖之间差别甚大, 不考虑陆相湖盆的特殊性而照搬海相层序 地层学理论, 就无法建立能服务于我国勘探实际的陆相层序地层 学理论。陆相湖平面升降曲线的精度和可靠性能否满足我国油气 勘探实际的要求, 需要做更加深入细致的研究工作。 12 表 2 - 1 海陆相盆地层序地层研究影响因素对比 据顾家裕, 1995 盆 地 类 型海 相 盆 地陆 相 盆 地 控 制因 素 主要 受 全 球 海 平 面 变 化、 盆 地沉 降、 沉 积 速 率 和 气 候 四 种 因素影 响 主要受 构造 沉 降、 物源 供 给、 气候、 古地 形等因 素影 响 沉 积水动 力条 件 主要 作用 营力 是 波 浪、 潮 汐、 海 流、风 暴、 海底火 山等 主要 受 大 陆 水 流 、 波 浪、 潮 流等影 响 沉 积范 围 海岸 带、陆 架 、陆 坡 、 深 海, 横向 穿 越 距 离 数 十 米 至 数 百 千 米 冲积 扇 区、 河 流 沉