沉积学和层序地层学研究现状

1.3.1 层序地层学简介

层序地层学最早是地震地层学应用于油气勘探领域而被提出的。1977年，Vail等发表的地震地层学论文集标志着层序地层学的萌芽(Vail et al.，1977)。此后的10年，地震地层学迅速发展并日臻成熟，而且在油气勘探领域有了广泛的应用。1987年，Vail和Wagoner正式提出了“层序地层学”的概念，并发表了第二代Vail海平面变化曲线，Vail还提出以海平面升降作为层序演化的主控因素，至此，层序地层学理论基本形成(纪友亮等，1997)。时至今日，层序地层学的应用已远非仅限于油气、煤等能源地质领域，它在区域地质、大陆边缘地质和地层学理论研究方面都取得了突出的成果，受到越来越多地质学家的重视(王鸿祯等，1998)。层序地层学研究主要包括两方面的内容:一是全球绝对海平面变化曲线的建立和对比(Vail et al.，1977;Haq et al.，1988);二是在等时性地层序列中的岩性特征预测。其中第一方面的应用已受到严厉批评，因为支持这些曲线的许多假设条件是错误的(Miall，1986，1991，1992;Summerhayes，1986;Burton et al.，1987)。尤其是用来确定这些曲线的古生物、古地磁及放射性测年技术的精度不足以界定所发表的三级海平面变化曲线的时限，结果是不同盆地的年代序列曲线被错误地叠加在一起形成毫无意义的全球海平面变化曲线(Aitken et al.，1994)。现在更为通用的是区域性的而非全球性的海平面变化曲线(Partington et al.，1995)。只有通过高分辨率生物地层学和年代地层学研究并对一些区域性旋回进行详细分析，才能把一些局部事件从全球性的等时性事件中区别开来，这样才能建立正确的全球海平面变化曲线。尽管如此，在那些年代资料很少或根本就没有年代资料的盆地中，全球海平面变化曲线还是有价值的(Posamentier and Weimer，1993;Posamentier and James，1993)。

尽管全球海平面变化曲线存在着不合理性，但并没有影响到层序地层学作为岩石特征预测和揭示盆地充填历史工具的合理性。层序地层学在这方面的应用比建立全球海平面变化曲线的应用更广且更有价值，因为它依赖于可容空间的概念(Jervey，1988)。只要认识到以前提出的模型只是概念化的东西，并在使用层序地层学概念以前阐明局部影响因素(如沉积物供给、盆地形态)，层序地层学是可以应用到许多构造和沉积环境中的(Posa-mentier and Weimer，1993;Posamentier and James，1993;Posamentier and Allen，1993; Weimer and Posamentier，1994)。自从它旋回地层学(Allostratigraphy)(NACSN，1983)、成因层序地层学(Galloway，1989)和Exxon模式层序地层学(Jervey，1988;Posamentier et al.，1988)被提出后，人们就已经开始讨论它们的优缺点了(Posamentier and James，1993;Walker，1990，1992)。这几个应用于事件地层的方法都以岩石记录中的旋回特征和相对时间地层格架的确定为基础，它们之间主要的差异在于对划分各旋回单元界面的定义。它旋回地层学是以假整合面为外源地层单元的分界，成因层序地层学以最大洪泛面为界，Exxon模式层序地层学则以不整合面为界。尽管如此，成因层序地层学和Exxon模式层序地层学可以看作是基于描述性特征的它旋回地层学的子集。因此，它旋回地层学与成因层序地层学和Exxon模式层序地层学之间是没有矛盾的(Aitken et al.，1994)。但是，在成因层序地层学和Exxon模式层序地层学之间却存在着许多争议。成因层序地层学首先从凝缩层和最大洪泛面的识别开始，因为通常这比识别不整合面要容易得多，尤其在测井数据中;然后再识别不整合面(Exxon模式层序地层学)。这两种方法相互并不排斥，都有各自的优缺点，且在同一个研究中，两种方法可以同时使用(Aitken et al.，1994)。只是成因层序地层学在预测砂层沉积的时间和地点方面与由不整合面限定的层序(Exxon模式层序地层学)相比，其预测功能稍差。

1.3.2 层序地层学研究现状

到目前为止，高分辨率层序地层学还没有被特别定义过。从广义上讲，高分辨率层序地层学是基于露头、测井和包括三维地震的现代高分辨率地震数据体，它是具有较高地层分辨率的层序地层研究方法，与传统地震地层学方法或其他常用地层学方法相比，具有更高的地层分辨率(Nystuen，1998)。这种以高分辨率地震数据体研究为主的层序地层学概念正在被成功地应用于地下资料分析，并极大地改进了人们对相几何形态及储层构架的理解，从而使得层序地层学成为油气工业中一个预测功能强大的相分析工具。虽然高分辨率层序地层学已被应用到各种层序地层模式和方法中，但其方法仍然来源于Exxon模式。Exxon模式假设包括高频海平面变化在内的海平面变化具有全球等时性，而且这种等时性应当在层序的垂向记录中得到反映。因此，在Haq的海平面变化曲线上实际已反映出了三级和四级海平面变化。VanWagoner和Mitchum等(1990)进一步发展了高分辨率层序地层的概念。他强调高分辨率层序地层没有时间和空间尺度的含义，全球海平面变化中高频旋回是四级或更高级别层序或准层序形成的主要原因。尽管如此，他们还是建议应该根据岩相、界面结构特征以及岩石特征的变化来划分准层序和体系域，而不是根据理论上的海平面变化位置来确定(Van Wagoner et al.，1990)。Cross(1988)则认为这些高级别的层序是复合成因的。准层序在Exxon高分辨率层序地层模式中具有重要的地位，它与体系域一起构成了层序的基石。

在高分辨率层序地层学中，准层序不仅以海泛面为界，而且分布在层序的特定位置。准层序的顶或底可以是层序界面或随后的海泛面。Van Wagoner(1995a)认为准层序海泛面的陆上对比面是无侵蚀或侵蚀微弱的假整合面。Mitchum和Van Wagoner(1991)根据他们的经验认为，高频层序最有可能发育在沉积速率高而构造沉降速率低的环境中，三级、四级和五级层序与全球海平面变化的旋回性有关，且对应于Milankovitch的轨道偏心率、黄赤交角和岁差旋回;并认为四级层序的时限为0.1～0.2Ma，五级准层序和高频层序的时限为0.01～0.02Ma，五级层序单元叠置成四级层序，而四级层序又叠置成由主要层序边界限定的三级复合层序。

最近，国外出现了一些有关高频海平面变化或者说高频海平面变化与构造运动和沉积物供给之间相互作用形成四级或更高级别层序的研究(Brown et al.，1995;Van Wagoner，1995b;Surlyk et al.，1995;Henriksenetal.，1996;Church et al.，1997)。高分辨率层序地层学原理也已被应用于现代三角洲研究(Bellotti et al.，1994)及利用三维模拟技术的三维储层描述(Tinker，1996)。

在中国，层序地层学的应用首先也是开始于石油工业，由于中国油气田储层绝大部分为陆相沉积，因此引入层序地层学后，中国的地质学家们就开始探索陆相沉积的层序地层研究方法及层序发育模式，在详细分析海陆相层序地层研究的差异性和陆相沉积层序控制因素的基础上，探索出了陆相坳陷和断陷湖盆的层序地层研究方法及层序地层发育模式(顾家裕，1995;冯有良等，2004，朱筱敏等，2003)，并提出了诸如“构造坡折带”(林畅松等，2000;胡受权等，2000)等一系列具有陆相特征的层序地层术语。随着我国油气勘探精度要求的提高，高精度(高分辨率)层序地层学也被大量地应用。目前国内开展的高分辨率层序地层研究大致可分为以Exxon经典模式为基础的高分辨率层序地层研究(林畅松等，1999，2002)和以Cross提出的基准面变化原理为基础的高分辨率层序地层学研究(邓宏文等，2000)，同时国内也开展了陆相湖盆沉积层序的计算机模拟研究(林畅松等，1998，1999;胡受权等，1998)。

针对陆相盆地层序地层学，许多研究者对陆相盆地基准面旋回的级次划分和研究意义、基准面旋回的识别方法、高分辨率层序地层学原理在实践中的应用等问题进行了广泛的研究和探讨(张明禄等，2004;何玉平等，2003;赵俊青等，2004;郑荣才等，2001;胡受权等，2001;倪新锋等，2002;游俊等，1999;李志明等，2004;刘鹏举等，2001);邓宏文等(2004)以河流相沉积学为基础，运用以基准面旋回为参照面的高分辨率层序地层学理论和方法，分析了河流相层序单元的构成;王嗣敏等(2004)在对陆相高分辨率层序地层学中基准面运动的参照系、自旋回与异旋回的区分等问题讨论的基础上，提出基准面升降是相对于沉积物表面的一种相对运动。

1.3.3 含煤岩系层序地层学研究现状

20世纪90年代以来，在层序地层学思想的影响下，越来越多的煤田地质学家注意到河道决口、三角洲迁移等自旋回机制只能解释那些与理想旋回层序不一致的局部变化，而不能解释那些在整个盆地范围甚至全球性分布的沉积特征或旋回层序的成因(Holzetal.，2002;邵龙义等，1997)。层序地层学与旋回地层学相结合，建立的层序地层格架、旋回序列及其所反映的海平面变化规律等，可为含煤岩系年代地层、旋回性及盆地演化等研究提供可靠依据，进而推动聚煤作用理论的发展。因此也可以说，层序地层学的出现将开辟含煤岩系研究的新篇章(Holzetal.，2002)。

目前，许多煤田地质学家都已认识到大面积稳定分布的厚煤层作为含煤岩系中的一个等时面，形成于海平面(基准面)抬升过程，即海(湖)侵过程成煤，而煤层底板的根土岩则是基底暴露期间形成的古土壤层，代表一定的沉积间断(Arditto，1991;Diessel，1992;Flint et al.，1995;邵龙义等，1998)。同时也认识到，在近海背景下，大多数大面积分布的厚煤层常常出现在最大海泛面或其附近(Flint et al.，1995;Hamilton et al.，1994;Aitken et al.，1995;Ryer，1988;邵龙义等，1998)，这主要是因为厚泥炭层的堆积需要有持续存在的可容空间以容纳快速堆积的泥炭(Diessel et al.，2000)，而适合成煤的最大可容空间的持续保持需要有潜水面或基准面的不断抬升，这种基准面的抬升又离不开海平面的抬升。因此，一般认为大区域性分布的厚煤层一般都形成于最大海泛期(Hamilton et al.，1994;Aitken et al.，1995;吴因业，1996)。

一些研究表明，大面积展布的煤层可能形成于海平面上升过程，即海侵过程成煤。Petersen等(1998)在研究丹麦中央地堑中侏罗统层序地层格架后，识别出其中的“海退型煤”(regressive coal)和“海侵型煤”(transgressive coal)，其中海退型煤并非是在海平面下降期形成，而是在低位晚期或高位期海平面缓慢上升期间形成的，海侵型煤则是在海平面迅速上升期间形成。海平面迅速上升时期的煤与海平面缓慢上升期形成的煤在显微组分特征和地球化学特征方面都有显著的不同(Diessel，1992)。McCabe和Parrish(1992)认为泥炭主要形成于高位或漂浮沼泽，河流三角洲中的煤一般堆积在与海侵密切相关的高位沼泽中。进一步的研究表明，大面积分布的以海相石灰岩或含海相化石的泥岩为顶板的煤层多形成于海侵过程 (Diessel，1992; 林畅松等，2002; 邵龙义等，1998) ，一般为海侵体系域的组成部分，并和上覆的陆源碎屑沉积物一起构成了典型的海陆过渡相含煤旋回层。区域上分布广泛的煤层是在长期的、遍及盆地范围的碎屑物质供给不足以及潜水面抬升期间形成的，因为只有在这种情况下，才能为泥炭的持续堆积提供有效的可容空间(Hampson，1995; Hampson et al.，1996) 。

邵龙义等在我国南方石炭-二叠纪及西北侏罗纪岩相古地理及聚煤规律研究中注意到海陆交互相含煤岩系中的一些厚煤层横跨不同相区大面积分布 (数百到数千平方千米) ，同时也注意到有些大面积连续展布煤层的形成环境与煤层之下的沉积物的沉积环境并没有必然的联系，提出了 “幕式聚煤作用”概念，以表示这种横跨不同相区的大面积的聚煤作用 (Shao et al.，2003; 邵龙义等，2003) 。许多研究者开始利用可容空间变化速率与泥炭堆积速率的关系来讨论煤层形成的层序地层学条件，并认为在一个基准面旋回中，大面积分布的厚煤层形成于可容空间增加速率与泥炭堆积速率保持平衡或略高于泥炭堆积速率时 (Bohacs and Suter，1997) 。

刘天绩等通过对柴达木盆地北缘侏罗纪含煤岩系层序地层学的研究，提出了柴北缘侏罗纪主要煤层形成于湖侵体系域的观点，而湖侵成煤不同于全球海平面变化引起的海侵成煤模式，它受控于局部构造运动引起的内陆湖平面变化，并建立了湖侵过程中废弃的辫状河冲积平原、古隆起和断陷台地聚煤模式 (刘天绩，2006; 鲁静等，2006，2007; 文怀军等，2006) 。

由于在海平面变化旋回中可容空间变化速率呈有规律变化，且在理想状态下，低位期和高位期可容空间变化速率具有对称性，为此 Bohacs 和 Suter (1997) 提出了煤层厚度和连续性与层序地层格架的关系模式，认为最厚的、分布孤立的煤层易形成于低位体系域晚期和海侵体系域早期; 连续性最好的煤层易形成于低位体系域中期和高位体系域中期; 海侵体系域中期、高位体系域晚期及低位体系域早期煤层的厚度最薄且分布孤立。

从所开展的这些研究工作来看，含煤岩系层序地层学的研究已经取得了较为实质性的进展，但在层序发育或者说海平面/基准面变化的哪个阶段最有利于厚度大、横向分布连续煤层的形成，以及煤层是否能够作为层序边界特征等问题，仍然存在争议。这些问题对于含煤岩系，尤其是海陆过渡环境中沉积的含煤岩系的层序地层学研究是十分重要的，因为它直接决定了在层序地层划分时，煤层是最大海泛面的标志，还是一般海泛面的标志。同时在这种环境中由于地形平缓，大部分地区不发育下切谷，在河道间常常形成暴露面，在这种情况下，底板具有暴露特征的煤层也有可能兼具有海侵面和层序界面的特征。因此，含煤岩系层序地层研究的这些问题还有待进一步探讨。

1.3.4 存在的问题

如前所述，尽管层序地层学在近海盆地含煤岩系中得到了广泛应用并取得了许多成果，如许多研究都从不同角度揭示了煤层在层序格架中的发育和分布特征，并认识到广泛分布的厚煤层形成于可容空间增加速率与泥炭堆积速率保持平衡或略高于泥炭堆积速率时。滨海平原含煤岩系中，靠陆一侧的三角洲平原，厚煤层主要出现在最大海泛面位置，在靠海一侧，厚煤层主要出现在初始海泛面的位置等。然而，这些根据近海盆地含煤岩系得出的规律是否适合内陆盆地含煤岩系还有待于进一步研究。

本书即是对扬子准地台西缘宝鼎断陷盆地晚三叠世含煤岩系进行沉积学和层序地层研究，并探讨内陆断陷盆地层序格架内主要可采煤层的分布规律、煤岩煤质的变化特征以及盆地演化与可容空间、沉积环境和聚煤作用间的关系。