陸源碎屑巖Ⅰ型層序和碳酸鹽巖Ⅰ型層序的異同

(成都理工大學沉積地質研究院 四川 成都 610059)

引言

層序地層學是地質學科賴以建立的重要基礎學科之一，它建立等時地層格架，并將沉積相和沉積體系的研究置于構造沉降、海平面升降和沉積物供給的符合制約和整體的統一格架中，因而能有效地揭示其三維配置關系。

傳統的層序地層學主要強調被動大陸邊緣的中新生代地層響應。近年來，全球獲得重大勘探發現的油氣田中，有近50%來自被動大陸邊緣深水盆地。據USGU和其他國際能源機構估計，全球深水盆地潛在石油地質儲量可能超過1000～1500×108bbl[1]。因此，分析被動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比性，本文主要對比了碎屑巖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地邊緣在地形上具有相似性，對海平面升降的響應相近。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出明顯的差異。所以筆者在進行碎屑巖Ⅰ型層序和碳酸鹽巖Ⅰ型層序對比時，分別在以上兩種地形的基礎上對碎屑巖Ⅰ型層序和碳酸鹽巖Ⅰ型層序進行對比。通過對比，不僅可以深化對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

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

在地層記錄中，可以識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，因而在該處產生海平面的相對下降時形成的[2]。

Ⅰ型層序界面以河流回春作用(硅質碎屑巖區)、沉積相向盆地方向遷移、海岸上超的向下轉移以及陸上暴露和同時發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、陸棚泥巖或者泥灰巖)，其間缺少中等水深環境的沉積巖層。

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

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

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

B)在深水緩坡中發育低位進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下部低位進積組合(LLPC)和上部低位進積組合(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，簡稱LST)。在陸棚邊緣環境中，碎屑巖的低水位體系域可以包括四部分：盆底扇復合體、斜坡扇復合體、低位進積復合體和深切谷充填(圖2)[3]。而對于碳酸鹽沉積來說，它們的沉積體系與硅質碎屑巖大體相似，但更多的表現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，簡稱TST)是位于Ⅰ型層序中間的體系域，它以一個或者多個退積式準層序組為特征，其底面是低水位體系的頂部，并以初始海泛面為界。海侵體系域內部的準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，并以從退積式準層序組變為加積式準層序組為特征。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。

高水位體系域(highstand system tract，簡稱HST)，是Ⅰ型層序的上部體系域。通常廣泛分布于陸棚之上，其內部準層序組在向陸方向上超于層序界面之上，而在內盆地方向則下超于海進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產生的，它響應于區域性不整合界面，其上下地層巖性、沉積相和地層產狀可以發生很大變化，具有陸上暴露標志和河流回春作用形成的深切谷。隨著相對海平面下降，河流深切作用不斷向盆地中央推進，形成了巖相向盆地中央方向的遷移特征。

具臺地邊緣的碳酸鹽巖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地或灘邊緣盆地沉降速率、海平面位置低于臺地或灘邊緣時形成的，以臺地或灘的暴露和侵蝕、斜坡前緣侵蝕、區域性淡水透鏡體向海方向的運動以及上覆地層上超、海岸上超向下遷移為特征。

(二)體系域構成及LST、TST、HST特征對比

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應的整合面，其頂為首次越過陸棚坡折帶的初次海泛面，LST經常由盆底扇、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積轉換為海侵沉積體系向陸退積為特征，它常常伴隨著海水進侵過程中在向陸方向對層序底界面的侵蝕作用。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層序組構成，當海泛面達到最大時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井資料識別，因為這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，上部沉積物以一個或多個具前積斜層形態的前積式準層序組向盆地中央推進。在許多硅質碎屑巖層序中，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巖[5]。

圖3 具陸棚坡折的碎屑巖Ⅰ型層序(改編自Wagoner,1990)

具臺地邊緣的碳酸鹽巖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。它可以表現為追補型和并進型兩種方式的沉積。HST呈前積S型至斜交型的沉積特征，下超在最大海泛面(識別標志通常為長期與海水接觸有關的各種成巖作用產物，如原生白云石、生物擾動層)之上，以相對較厚的加積至前積幾何形態為特征，形成寬闊的臺地、緩坡和進積灘及其在淺海孤立臺地上的對應沉積體。可分為早、晚兩期，早期追補型沉積以富泥、貧粒的準層序為主，在臺地邊緣沉積中，含大量早期海底膠結物，而晚期并進型沉積以富粒、貧泥的準層序為主，在臺地邊緣沉積中，早期海底膠結物含量較少。

(三)物源、主控因素

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

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海平面升降旋回變化的不同階段。LST的盆底扇形成于相對海平面快速下降時期，斜坡扇和前積楔狀體形成于相對海平面下降晚期或上升早期，TST形成于相對海平面開始上升時期，HST形成于相對海平面上升晚期、停滯期和下降的早期。

碳酸鹽巖層序的發育與全球海平面相對變化的周期性密切相關，全球海平面升降變化和構造沉降等因素共同控制了相對海平面的變化以及可容空間的變化，進而進一步影響了體系域的類型和分布。若假定構造沉降速率不隨時間變化，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，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]。相對海平面下降1～2m將使大部分平頂臺地(如大巴哈馬灘)產生暴露，但是對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海平面的響應與鑲邊碳酸鹽臺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產生的，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的。碳酸鹽緩坡的Ⅰ型層序界面通常還會出現以早期白云華為特征的半咸水透鏡體的遷移；其內緩坡以碳酸鹽沉積為主，外緩坡沉積則由硅質碎屑泥巖組成，典型實例有英國西南部的早密西西比紀緩坡[5]。另外，其層序界面上通常還可以識別出特征巖相(如土壤層、鈣質結合、喀斯特)或容易鑒定的凝縮段(沉積鐵質巖、海綠石巖、磷塊巖、黑色頁巖、具特殊生物組合的灰巖)

(二)體系域構成及LST、TST、HST特征對比

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。

在關鍵界面的識別上，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，導致難以找到可直接識別的物理層序界面。同時，低水位沉積與下伏層序內的高水位體系域中的濱面也都很難區分開來。由于層序界面難以直接識別，只能通過層序內部的結構型式進行分析和判別[6]。

此外，在碳酸鹽沉積區，氣候也是控制層序結構的重要因素[7]。由區域氣候變化所控制的碳酸鹽緩坡沉積體系，最典型的特點是具有廣泛可追索對比的多級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比性[8]，這是碎屑巖層序所不具備的。有學者也指出，有機的群落生境型的遷移通常對環境變化的指示更加靈敏[9]。盡管沉積物巖性分化不大導致關鍵界面的識別困難，但對于碳酸鹽緩坡來說，生物群落的區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時生活群落生態環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，內緩坡區可完全暴露，和喀斯特化并且發育強烈進積作用的體系，河流硅質碎屑沉積物也可能覆蓋或下切前期高水位內緩坡沉積物[10]，而斜坡扇和斜坡裙不發育；在局限盆地中，相對海平面的低水位期可能導致蒸發鹽的形成，如Arabian灣侏羅紀Hanifa組，這種情況下可能發育進積的薩勃哈和水下蒸發巖體系。

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

HST的特征主要表現為沉積相帶的強烈向海進積；沉積物中富含碳酸鹽顆粒；瀉湖相相當發育，且淺灘和瀉湖構成了內緩坡的主體；斜坡變陡和傾斜的趨勢變大；顆粒灰巖或薄層瀉湖沉積物頂部發育喀斯特面。

(三)物源、主控因素

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

區域海平面變化、區域構造控制的盆地容納空間和區域沉積物源供給量共同制約著層序地層的發育。在碎屑巖Ⅰ型層序中，不同體系域形成于相對海平面升降旋回變化的不同階段。LST的盆底扇形成于相對海平面快速下降時期，斜坡扇和前積楔狀體形成于相對海平面下降晚期或上升早期，TST形成于相對海平面開始上升時期，HST形成于相對海平面上升晚期、停滯期和下降的早期。對于碳酸鹽層序來說，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。這點與前述相同。

此外，在碳酸鹽沉積區，氣候也是控制層序結構的重要因素。在碳酸鹽緩坡沉積區，這幾方面因子有特殊的表現型式和作用規律。當區域構造處于相對穩定或在區域上沒有重大分異時期，氣候變化可能是控制層序結構的主導因子。在低級別的副層序旋回中，全球或區域氣候變遷直接控制了海平面的升降運動，或者兩者呈協同變化。無論是生物成因的還是化學成因的碳酸鹽沉積物產量，明顯受控于氣候的波動，與區域氣候變化表現出良好的一致

由于海平面的變化引起斜坡帶沉積作用的物理、生物和化學條件的變化，加之海洋化學界面上升引起的溶解作用、底流的侵蝕作用和沉積作用、影響陸源區進入海岸地區的腹地構造活動的變化等，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雜得多。但斜坡帶的沉積作用和層序發育相對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。

結語

陸源碎屑巖和碳酸鹽巖的層序在某些方面具有可對比性，本文以被動大陸邊緣盆地為背景，主要對比了該構造環境下的碎屑巖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生海平面的相對下降時形成的產生的。在物質來源方面，碳酸鹽緩坡區的主要物質供給來自于海水中的物質本身，異源的陸源物僅有從遠源區懸移而來的細少懸浮組分，而碎屑巖層序地層的物質來源主要依靠陸源物質的輸入。

區域海平面變化、區域構造控制的盆地容納空間和區域沉積物源供給量共同制約著層序地層的發育。在碎屑巖Ⅰ型層序中，不同體系域形成于相對海平面升降旋回變化的不同階段。碳酸鹽Ⅰ型層序的發育與全球海平面相對變化的周期性密切相關，全球海平面升降變化和構造沉降等因素共同控制了相對海平面的變化以及可容空間的變化，進而進一步影響了體系域的類型和分布。此外，在碳酸鹽沉積區，氣候也是控制層序結構的重要因素。在關鍵界面識別困難的情況下，如碳酸鹽緩坡層序，還可以借助于反映當時生活群落生態環境的古生物及其遷移形式分析。

通過對比，不僅可以深化對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。