《高分辨率层序地层学》绪论.docx

1、高分辨率层序地层学绪论绪 论层序一词(sequence)，由Sloss在1949年第一次引入地质学中，认为它是“比群和超群更高一级的岩石地层学单位”，而没有现代层序地层学的概念70年代初，北美、西欧一些国家，把地震地层学方法广泛应用于石油和天然气的勘探，取得了显著的经济效益，同时也积累了大量的地震资料和分析解释经验。许多地质学家从中发现了许多在以往地面露头、岩芯和测井资料研究中忽视了的,或从未发现过的一些重要现象，认识到他们长期信守的某些基本地质概念需要加以修正。美国石油地质学家协会(AAPG)于1975年以地震地层为中心召开年会，专门讨论这些问题并进行理论总结，随后，于1977年公开出版了由

2、佩顿主编的地震地层学”。层序地层学的主要奠基者P.R.Vail教授在这本书中，发表了他的两篇经典论文，对层序地层学中的众多基本概念、定义和关键性术语，首次作出了明确和系统的说明，因此，从P.R.Vail的两篇经典论文发表时期开始，意味着层序地层学的正式诞生。80年代初期，以美国埃克森石油公司(EXXON) P.R.Vail为首的研究集体，在这一新的思想指导下进行了大量工作，发表了许多研究成果，同时利用层序地层、磁性地层、年代地层以及生物地层中所反映的海平面变化和同位素年龄等大量资料，编辑了全球中生代以来的年代地层和海平面旋回曲线图，厘定了不整合面与海平面变化的概念，并强调地震剖面、测井和地面露

3、头的综合研究，是识别海平面变化的重要手段；1986年，第12届全球沉积学大会上正式公布的全球沉积学计划(GSGP)中指出，“长期以来，地质学家对地球历史中的韵律和特殊事件的发现和解释，具有浓厚的兴趣，近10年来，有几个方面的进展，已为从全球规模来考虑问题提供了一个新的超常的良机，其中最有希望的进展是层序地层学”；1988年9月，全球沉积地质委员会(GSGC)正式将层序地层学和全球海平面变化纳入GSGC研究计划中，层序地层学被推向“学科研究的前沿”，在1988年正式出版了由C.K.威尔格斯主编的海平面变化综合分析(1993年由徐怀大和魏魁生等人译为中译本，译名为“层序地层学原理”)，之后在198

4、9年又相继出版了桑格瑞和维尔等主编的应用层序地层学。在这两本专著中，他们以全球性海平面变化为主导因素，系统和全面地阐明了层序地层学的基本理论、关键性术语的定义、解释程序和工作流程，以至于AAPG在1989年出版的层序地层学应用一书的前言中提出：“你要成为90年代的石油地质学家、地球物理学家、石油公司经理和管理人员吗？那么，务必请你读一读层序地层学应用这本书吧”。当前，层序地层学已成为国际地质科学研究的热门课题，如在1989年以来的历届AAPG年会中，1992年第29届和30届国际地质学大会上，层序地层学都成为最重要的讨论内容之一，充分显示了层序地层学在理论研究和实践应用中所取得的长足进展，以及

5、该理论对发展基础地质学科，如地层学、沉积学和构造地质学的重大贡献，及其大幅度提高矿产资源普查勘探的工作效率和经济效益。一、层序地层学研究现状层序地层学是近几十年来地学领域所取得的一项意义重大的革命性进展，它凝聚了半个世纪的研究成果，是继“莱依尔以来在地层学和沉积学领域的最大贡献”(Brown等)。层序地层学使古老的地层学研究产生了新的飞跃，使得20世纪80年代以来的地学领域充满活力，形成地层学与沉积学高度综合的新概念和前缘研究热点，呈蓬勃发展之势。在生产与科研实践中，层序地层学已作为一种非常有效的理论和技术方法被广泛应用于沉积地层分析和矿产资源勘探开发等诸多领域，由于其研究思路的先进性及其在生

6、产实践中的有效性已被众多数地质学家接受，成为一种被公认的新理论、新技术、新方法，特别是在油气勘探开发领域已成为最重要的研究方法和技术手段之一，因此，它被认为是地层学的一场革命(Brown，L.F.Jr，1990)。纵观目前国内外层序地层学的研究动态和主流思想，大体上可归结为海相学、陆相学和高分辨率层序地层学三个主要方面的流派，其中海相学流派以国外学者为主，陆相学流派以国内学者为主，高分辨率层序地层学派以美国科罗拉多矿业学院的T.A.Cross为主。1.海相学派该学派特别重视海平面升降周期对地层层序形成的重要影响，通过年代地层格架的建立，可对地层分布模式作出更为合理的解释，对同时代成因地层内的沉

7、积体系域进行划分，从而为含油气盆地的地层分析和盆地规模的储层预测提供了坚实的理论基础和油气勘探的有效手段，有力地推动了地质学，特别是石油地质学的发展。根据其层序划分方案可将各家研究者分为三大学派：以Exxon公司为代表的P.R.Vail学派(1987)，将地表不整合面或与此不整合面可以对比的整合面作为划分层序的边界；以Galloway为代表的学派(1989)，采用最大洪泛面作为层序边界；Johnson所强调的层序(Johnson J.G.，Klapper G & Sandberg C.A.，1985)，是以地表不整合或海进冲刷不整合为边界的海进海退旋回沉积层序。虽然上述划分层序类型的三种方法各

8、不相同，但均以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地层对比。在层序控制方面将构造运动、全球海平面变化、沉积物供给、气候变化作为影响层序产生和发展演化特征的四大控制因素，但对于构造沉降作用、成岩作用的影响考虑较少，这是其局限所在。2.陆相学派层序地层学已成功地应用于河流、湖泊、沼泽、冰川等板块内部的陆相环境中，由于陆相盆地所具有的沉积充填作用的特殊性及其与海相盆地之间所存在的沉积环境与构造背景的巨大差异性，层序地层学在陆相盆地中的应用，被R.J.Weimer（1992）称之为现代地球科学的一场革命。我国中、新生代含油气盆地以陆相地层为主，油、气田储层绝大部分属于陆相

9、沉积的砂岩储层，不仅在愈半个世纪的勘探开发史中积累有丰富的经验、资料和科学研究成果，而且已形成了系统和完整的“陆相生油理论”与勘探开发技术，在有关陆相盆地的油气地质研究方面位于世界前列。然而，在陆相盆地中，由于受层序地层发育条件、控制因素和沉积作用的特殊性的影响，存在相变快、厚度变化大和层位不稳定等复杂地质因素，在油、气成藏条件和成藏规律等方面有着不同于海相盆地的特点，因此，研究陆相层序地层学特征及其层序地层格架中的生、储、盖组合规律和控制因素，已成为预测评价陆相含油、气盆地中油气聚集规律与油气藏类型的重要研究思路和技术方法之一，也是当前我国层序地层学研究的前沿课题之一。我国地质学家们对陆相盆

10、地层序地层学理论体系的建立和完善做出了突出贡献，主要表现在陆相层序地层学概念与理论术语体系、陆相层序地层研究技术方法、陆相层序地层学应用研究三个方面。按层序形成时的控制因素不同，陆相层序地层研究者也可分为四个学派：（1）“类海相”学派认为湖泊和海洋类似，是陆相沉积的主导控制体，其不仅控制自身的沉积发展，也控制毗邻的的河流及风成沉积，湖平面的变化类似海平面的变化，控制整个盆地的发育，因此，P.R.Vail海相学派源自被动大陆边缘的经典层序地层学理论可同样应用于陆相地层的层序分析。如，Shanley和McCabe(1989，1991，1993)在描述美国尤他洲南部Kaiparowits高原与海相地

11、层可追踪对比的冲积相层序地层时，使用的是海进体系域及高水位体系域术语；Mancilla等(1988，1991)在研究阿根廷内陆盆地的冲积相时使用的是低水位体系域、海进体系域及高水位体系域术语；HavhoLm(1990，1991)在其风成沉积层序地层研究中使用的是低水位期、高水位期等术语；Scholz(1991)在其半地堑式湖盆层序地层模式中使用的是低水位体系域和高位体系域术语；Olsen(1990，1991)在其断陷湖盆层序地层模式中使用的是低水位体系域、水进体系域及高水位体系域术语；Shanley等 (1994)在描述荷兰湖泊盆地时使用的也是低水位体系域、水进体系域及高水位体系域等术语。类似

12、的研究成果在我国有着非常为广泛的应用和相关文献资料的发表，并在科研和生产实践中发挥了重要的作用。但在上述众多研究成果中，大多数研究者简化了陆相沉积盆地的复杂性和淡化了陆相沉积盆地与海相沉积盆地之间的巨大差异性，在描述复杂的陆相沉积层序的特征时，在认识上往往存在较大的局限性，主要适用于大型湖泊沉积体系的层序地层分析；（2）“单一”成因学派主要针对河流相地层学进行层序地层研究（张周良，1996），提出低水位体系域主要由辫状河流的砂砾质沉积物组成，低水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，高水位体系域主要是由曲流河沉积物组成，也可能发育有网状河沉积。这一学派更加强调了河流为主

13、的控制因素，忽略了构造和气候因素，将沉积物供给速度与河流作用的重要性相等同，而将湖相或海相沉积归为夹层，为次要因素。由于该学派没有考虑到在同一个地区不可能出现仅由一系列河流相沉积所组成的、包括各个沉积体系域在内的地层层序，或仅由单纯的河流相沉积所组成的完整的沉积层序，因而在使用中存在更大的局限性，主要适用于大型冲积扇和河流沉积体系的层序地层分析；（3）“构造”学派认为构造活动在陆相盆地发育及演化历史中占有最重要的支配地位(李思田，1992、解习农，1996)，构造旋回就是层序的基本成因，主张层序分析是把相、沉积体系放在盆地的整体地层格架中进行研究。由于这种地层格架主要是根据具有等时地层意义的界

14、面来划分的，因此，层序地层分析的核心是建立全盆地等时的构造地层格架，在此基础上将盆地充填序列解析为不同级别的建造块体。李思田(1992)在对鄂尔多斯盆地东北部进行层序地层学研究中，提出了盆地充填序列和构造层序的概念，这一认识突破经典层序地层学的束缚，全面考虑了盆地构造发展史和沉积演化史，强调了构造作用与沉积作用的相互关系，并从不同级别的构造旋回角度对沉积层序和沉积体系域进行了划分，大大突出了陆相沉积层序的发育特征和促进了陆相层序地层学的发展。这一研究思路在我国中、新生代断陷湖盆的层序分析中有着非常广泛的应用，虽然对不同成因类型的陆相沉积体系层序地层分析都适用，但因其仅强调了构造对较长时间尺度的

15、层序发育和演化过程的控制作用，而缺乏考虑气候因素和沉积物供给速度与较短时间尺度的层序之间的关系，因此，主要适用于煤田和油气田勘探阶段粗框架的层序地层分析，而不能满足开发阶段的精细地质研究要求；（4）综合学派认为陆相湖盆层序的形成及特征受构造运动、气候变化、沉积物供给和湖平面变化的控制，以前两者为主导因素，后两者为影响因素(纪友亮，1996)，并明确指出气候的变化只对闭流湖盆产生影响，而闭流湖盆的湖平面不受盆地基底整体构造沉降因素的影响。据此可将层序划分为构造层序和气候层序两种成因类型，其中构造层序又分为简单断坳层序、同生断坳层序和多期断坳层序。简单断坳层序只发育厚的湖缩体系域；同生断坳层序由低

16、位体系域、湖扩体系域、湖缩体系域和非湖泊体系域组成；多期断坳层序由多期进程式准层序构成。气候层序由低位体系域、高位体系域和湖扩、湖缩体系域组成。由于这一分类方案适用于不同性质的陆相沉积盆地和沉积体系，为大多数学者所接受。二、高分辨率层序地层学的诞生和发展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细和准确的技术，以提高层序地层分析的时间-地层分辨率和储层预测评价描述的准确性。正因为如此，以T.A.Cross为首的美国科罗拉多矿业学院成因地层研究小组(1994)在对浅海环境沉积层序进行分析研究的基础上，首次提出利用基准面旋回和可容纳空间与沉积物供给量比值（A/S值）进行

17、层序地层划分的方法、即高分辨率层序地层学（high-resolution sequence stratigraphy）。该学派认为，在基准面旋回的升降过程中，由可容纳空间和沉积物供给量比值的变化，由相同沉积体系域或相域中发生的沉积物体积分配过程，可导致沉积物的保存程度、地层堆积方式、相序、相类型及岩石结构发生变化，这些变化是基准面旋回过程中所处位置的可容纳空间与沉积物供给量比值的函数，因而由基准面旋回所控制的等时地层单元在三维空间中的保存程度、堆积样式、沉积相类型和演化序列不仅是有规律可循的，而且是可以预测的。该学派以其全新的理论、概念、技术方法和显著的实际应用效果，业已引起国内外广大石油地质

18、学和沉积学、层序地层学等地质工作者的高度重视，并于我国石油勘探开发领域取得众多研究成果和显著经济效益，逐步发表了一大批有价值的学术论文，有力地推动了该理论体系及其技术方法在我国陆相含油气盆地层序分析中的应用和发展。1.高分辨率层序地层学的诞生层序地层学自Sloss在1948年提出将层序作为以不整合为边界的地层单位以来，50多年间有了飞速的发展，自从P.R.Vail等为代表的“由一套有成因联系的、相对整合的地层组成的地层单元，顶底以不整合面或与之相对应的整合面为界”的层序地层学概念提出以来，层序地层学在不断发展和应用过程中产生了多个分支学科和学派，如生物层序地层学、成岩层序地层学、高频层序地层学

19、、层序充填动力学、高分辨率层序地层学等发展到现在的多个新学派。尽管经典的层序地层学理论还存在一定的问题，但由于其理论在学术上的先进性和实践中的适应性，已广泛应用于石油勘探和盆地分析中，不仅有力地推动了地质学，特别是石油地质学的发展，而且在生产实践中取得了巨大的经济效益。然而，随着盆地油气勘探与开发向更复杂和更深入的方向发展，以及隐蔽油气藏勘探风险的不断增加，石油地质学家需要更精确的技术，以提高层序分析的时间分辨率和储层预测的准确性。在这种背景下，应运而生的高分辨率层序地层学以其全新的理论、概念、技术方法和显著的实际应用效果，引起了国内外广大石油地质学和沉积学、层序地层学等地质工作者的高度重视。

20、这一理论体系及其技术方法在我国石油勘探开发领域逐步得到推广，获得了显著的经济效益，取得了众多的科研成果，有力地推动了高分辨率层序地层学理论体系及其技术方法在我国的沉积学和石油地质学领域的研究和发展。2.高分辨率层序地层学的定义、优势及其研究意义需指出的是，不同的学者对高分辨率层序地层学中所谓的“高分辨率”定义有不同的理解，有的学者将其作为高分辨率地震地层学的代名词，或将其等同为高频层序，认为在岩性、测井或地震剖面中将层序尽可能地划分为最小成因地层单元，即可达到“高分辨率”的目的。作者依据近几年应用该理论体系对多个陆相盆地进行层序分析的体会，结合Cross提出的基准面旋回的概念范畴、级次划分和等

21、时对比原则，认为所谓的“高分辨率”的实质系指“对不同级次地层基准面旋回进行划分和等时对比的高精度时间分辨率”，它既可应用于油气田勘探阶段长时间尺度的层序地层单元划分和等时对比，也适合于开发阶段短时间尺度的地层单元划分和等时对比，所强调的是大幅度提高被对比地层单元的高时间精度分辨率的旋回性和等时性。如前所述，在经典层序地层学中有关层序划分的方案主要有3种，其一以Exxon公司“Vail”学派为代表，以不整合面或相关整合面为层序边界；其二以Galloway W.E.为代表，以最大洪泛面作为层序边界；其三以Johnson J.G.为代表，以地表不整合面或海侵不整合面为层序边界。高分辨率层序地层学倡导

22、的层序划分类似于“Vail”学派，以不整合面或与之相关的整合面为层序边界，但在层序划分中更多地强调了海平面变化、构造沉降、沉积负荷、沉积通量和沉积地形等综合因素所制约的基准面升降过程，因而该理论的重要贡献还在于摆脱了经典层序地层学关于海平面变化控制层序形成这一思想对陆相层序地层研究的束缚，从而可以通过对基准面的分析实现高分辨率陆相层序地层格架的构建。更重要的是，高分辨率层序地层学理论及其技术方法的提出，不仅有可能将地层定量研究的精度在时限上提高到万年至千年级、甚至更精确，而且由体积划分和相分异原理所决定的地层空间展布也变得可以更加精准地预测，从而为不同时间尺度和厚度规模的地层等时对比和砂体分布

23、的精确描述和预测、评价提供了强有力的分析工具。正因如此，高分辨率层序地层学问世以来，很快受到地质学家们，尤其是油气勘探家们的重视，并在实际应用中取得了巨大成功。高分辨率层序地层分析以地表三维露头、钻井岩芯、测井和高分辨率地震反射剖面为主要研究对象，其中以钻井岩芯和测井剖面资料为最重要的研究基础。通过各种资料的精细层序划分和对比技术，将钻井或露头，以及地震剖面中的一维或二维信息转化为三维地层关系的信息，从而建立区域、油田乃至区块或油藏级规模储层的等时成因地层对比骨架，大大提高储层、隔层及油层分布的预测和评价精度。实践证明，高分辨率层序地层学的原理和方法是进行含油气盆地中地层成因解释和油砂层对比的

24、一种有效的新方法。它不仅实现了高时间精度的等时地层对比，而且将原来的组合对比结果从感性认识阶段上升到理性认识阶段，研究方法更科学、结果更可靠，信息更丰富。诸如在油田范围内运用构造地层过程的沉积学响应特征进行高分辨率层序划分、对比和建立等时地层格架，在此基础上编制短时间尺度大比例尺的砂体等厚图、砂岩百分含量等值线图和等时沉积微相图，可大幅度提高储集砂体的几何形态、非均质性、储隔层结构等特征的精细描述，从而为储层的三维预测评价，储层建模和流体流动单元划分、数值模拟、剩余油分布状况分析，以及加密井和扩边井布署，注采工艺调整等勘探开发工程中的深层次精细地质研究，提供更为可靠的地质模型。3.对高分辨率层

25、序地层学的不同认识本文所讲的高分辨率层序地层学(High resolution sequence stratigraphy)是由Cross教授提出的源于经典层序地层学的一门重要的分支学科。其高分辨率层序地层学的概念最初是由Henry W.Posamentier等(1989)在研究小型阿伯塔东坷里三角洲时提出的，是指形成于“大水坑”边缘、在暴雨季节发育的“高分辨率”经典层序地层学。但国内学者对“高分辨率层序地层”有着不同的理解，特别是在90年代中后期，有些学者在引用“高分辨率层序地层学”的同时，在概念上存在着一定的混淆，目前国内引用“高分辨” 概念的有关层序地层学派主要有三个学派：高频层序地层学

26、、高精度层序地层学和高分辨率层序地层学。（1）高频层序地层学高频层序地层学(High frequency sequence stratigrphy)概念最初由Wagoner等(1991)提出。相当于Miall等(1990)和Posamentier等(1982)的四-五级甚至六级旋回，周期为0.01Ma0.2Ma，是米兰柯维奇驱动的气候变化和高频短周期海平面变化的综合产物，属行星轨道参数(偏心率、偏度和岁差)不规则旋回层序。国内倡导这种提法的学者主要有覃建雄教授(1995、1997、1998)、魏魁生教授(1997)等。最早的高频层序研究可以追溯到对北美中大陆晚宾夕法尼亚世碳酸盐岩地层进行旋间划

27、分的研究，当时共划分了55个相当于四-六级的高频旋回。后来大量研究也证实了在碳酸盐岩地层中普遍发育四-六级高频层序。Wagoner等还认为：这种高频层序横向追踪范围最小仅数km2，最大可达数百km2，具局部或区域性对比意义，在特殊条件下可进行全球对比。（2）高精度层序地层学高精度层序地层学由High resolution sequence stratigraphy英文翻译而来的，为国内纪友亮教授（1998）、魏魁生教授(2001)和林畅松教授(2000，2002)等人所倡导的储层规模的层序地层学。其理论源于Jervey(1988)、Posamentier(1993)和VanWagoner等(1

28、990)的研究成果，他们提山了“可容纳空间”、“相对海平面变化”、“基准面变化”、“强制性海退”等重要概念，不断提高层序和沉积体系域的划分精度，发展和完善了层序地层学理论。林畅松教授认为相对于有限的钻井和露头及地震剖面等资料为基础的低精度层序地层分析而言，具有密集的钻井和露头、岩芯等资料、生物地层、二维和三维地震资料控制的层序地层学称为高精度的层序地层学。因此利用岩芯、钻井和露头资料，将作为地层格架的三级层序尽可能划分成更小的四级、五级层序或体系域，并依此建立高精度层序地层格架来进行地层对比，即可达到“高分辨率”的目的。如魏魁生教授根据地震、钻井、古生物、同位素等资料综合分析，借助于琼东南盆地

29、与全球海平面升降频率和变化趋势的相似性，共识别出了19个三级层序、57个体系域、54个以上准层序组，196个以上准层序，并将高精度层序地层学译为high precision sequence stratigraphy。（3）高分辨率层序地层学高分辨率层序地层学同样是由（High resolution sequente stratigraphy）英文翻译而来的，在国内的倡导人主要以邓宏文教授、郑荣才教授等研究者为代表。其理论是由Cross教授(1994)所提出的，它与以往的经典层序地层学，包括上面提到的高频层序地层学、高精度层序地层学有所不同。关于高分辨率层序地层学的理论知识已有很多相关论文都做

30、过详细的介绍，这里就不专门一罗列了。其主要的观点有：引用、发展了Wheeler提出的基准面概念，并提出了“沉积物体积分配”、“相分异”、“基准面旋回的转换点”和“二分时间单元”等重要的概念；高分辨率层序地层学中的沉积旋回是取决于海平面变化、构造沉降、沉积负荷、沉积通量和沉积地形等综合因素所制约的基准面升降旋回；其研究目的是在于建立高时间精度的等时地层格架和在地层框架内进行同级次地层之间的对比。综上所述，可以看出不同的学者对“高分辨率”的含义各有不同的理解，或将其视为高分辨率地震地层学代名词，或将其等同为高频层序或高精度层序地层，认为在岩性、测井或地震剖面中将层序尽可能地划分为最小成因地层单元，

31、如准层序级或储层规模级的层序划分即达到“高分辨率”的目的。而事实上高频层序地层学和高精度层序地层学只是借助于密集的原始资料，将三级层序进一步细分，且不论是所运用的术语，还是所遵循的地层划分原理，都是以经典层序地层学理论知识为依据的，仅仅是从不同角度考虑了细化地层的划分级次，因此二者仍然属于经典层序地层学的概念范畴。而高分辨率层序地层学是以基准面升降旋回为成因地层沉积的主控因素，由于影响基准面升降变化的频率和幅度的因素众多，如海平面变化、构造沉降、沉积负荷、沉积通量和沉积地形等，在不同地区和不同的沉积环境中是不同的，在同一基准面旋回过程中不同地区和不同沉积环境的沉积记录亦是不同的，存在着等时异相

32、地层对比关系，尤其是陆相地层等时异相的对比关系更为强烈，因此，在重塑古地理环境和描述储集砂体时空展布和演化规律时，对时间地层单元的划分和等时对比就显得格外重要，石油地质学家需要更精确的地层划分和等时对比技术，以提高层序分析的时间分辨率和储层预测的准确性，从某种意义上来说，需要对不同时间尺度和厚度规模的地层进行高时间精度分辨率的划分和等时追踪对比。我们认为所谓的“高分辨率层序地层学”的实质，系指对不同层次的地层基准面旋回进行划分和对比的高精度的时间分辨率，它既适用于油气田勘探阶段长时间尺度地层单元(如巨旋回、超长期基准面旋回、长期基准面旋回)的层序划分和等时对比，也可以用于油气田开发阶段短时间尺度地层单元(如中期基准面旋回，短期、超短期基面旋回)的细化的层序划分和等时对比。