层序地层学后Exxon时代

殷宇婧

摘要：层序地层学是现代各学科通向沉积地质各学领域的入口，它更新了地质思维和地层学分析方法，是沉积地质学领域最革命性的范例。在分析和总结前人对层序地层学研究的基础之上，回顾层序地层学的发展，将层序地层学发展史分为Exxon时代和后Exxon时代。总结了当今几种主要的层序地层模式的起因，认为层序地层学发展到今天仍存在以下问题：（1）以Galloway为代表的成因地层层序是一个不完善的模式，表现在层序成因的不完全统一和最大海泛面的穿时性（2）Exxon层序地层概念不协调需要进行几个方面的修正：对低位体系域进一步细分为强迫海退楔体系域和低位进积楔体系域；盆底层序边界被放置于强迫海退楔体系域之上低位进积楔体系域之下，然而修正后的体系仍忽略了正常海退的高位和低位之分；（3）层序地层学发展至今仍无法形成一套标准的层序模式。各种问题以及层序模式的多样化造就了后Exxon时代层序地层学巨大混乱，这种混乱可能还将持续较长时间。

关键词：层序地层学；Exxon时代；层序模式

中图分类号：P539.2 文献标志码：A 文章编号：

概述

层序地层学概念体系发展日新月异，始终逃不出沉积趋势变化本质的研究以及海平面变化的控制。从成因层序的提出到Exxon概念体系不协调的修正，层序地层学进展与争论同在，问题层出不穷，各类层序模式起因的解读成为地层工作者的必修课。后Exxon时代层序地层学将走向何方，至今尚无定论。

层序地层学由20世纪70年代的地震地层学发展而来，是沉积地质学的第三次革命（Miall, 1995），随着层序地层学基本理论的不断完善与地质勘探技术的进一步革新，层序地层学已从地震地层学的分支学科发展成为沉积地质学领域的庞大科学命题。在Sloss等（1949）“层序”研究的基础上，《AAPG地震地层学26号专辑》（Payton, 1977)的出版标志着层序地层学Exxon时代的开始（梅冥相，2010），形成一整套相对完善的层序地层学基础概念，且Exxon学派重新定义“层序”为“沉积层序”（Mitchum et al., 1977: 由不整合面及其可以对比的整合面所限定的单位），并成为层序地层学模型的最初单元。Exxon公司科学家及相关学者在出版的《SEPM Special Publication 42》（Wilgus et al., 1988）中展示了层序地层学研究的重要成果，修正了暴露不整合面与最大海泛面的错误对比，并在此基础之上完整叙述了类型Ⅰ和类型Ⅱ层序地层模式（Posamentier et al., 1988; Posamentier and Vail, 1988; Van Wagoner et al., 1988），意味着层序地层学概念体系和方法进入了一个更加成熟的阶段。

图1 层序地层演化（modified from Donovan, 2001）

梅冥相（2010）将1988年之后的层序地层学时代称为“后Exxon时代”，后Exxon时代层序地层学发生了巨大变化（图1），首先是针对Exxon层序地层学类型Ⅰ和类型Ⅱ层序模型定义所存在的概念体系不协调的修正，在Frazier（1974）概念基础之上，Galloway（1989）提出应用最大海泛面替换陆上不整合面作为层序边界，定义“成因地层层序”或“海退—海侵（R-T）层序”，并强调最大海泛面和同期凝缩段在区域地层学对比中的重要作用。然而，该层序存在的致命性缺点在于，成因层序整体可能并不是同一成因单元。因此，Embry 和Johannessen（1992）对层序模式进行了简化，提出第三种类型层序模式，“海侵—海退（T-R）层序”，对应滨线迁移海侵、海退的完整旋回。同时Tucker（1990）提出淹没型台地，Schalager将其界面称为“淹没不整合面”（Schlager, 1981; Schlager, 1989），随后，以Goldhammer等为首的学者们提出将“淹没不整合面（或加深饥饿间断面）”定义为地层记录中的另一种类型间断面，从而定义了“淹没不整合型层序”，即凝缩层+高位体系域（CS+HST）（Goldhammer et al., 1990）。梅冥相（1996）对“淹没不整合型层序”的形成机制和相序结构进行了详细论述。

从“Exxon时代”到“后Exxon时代”，层序地层学发生了巨大的变化，国内学者对其变化进行了大量的论述（邓宏文等，2002；顾家裕等，2001；纪友亮，2005；刘宝珺等，2006；李绍虎，2010；吴因业等，2010；吴因业等，2008），体现在某些概念的转变更新和层序模式不断变化。不同层序模式针对不同的古地理环境，采用不同的体系域和边界面进行组合，而且每种层序模式在概念或体系结构上也存在或多或少的差异，因此也造就了后Exxon时代层序地层学的巨大混乱。

各种层序地层模式起因

后Exxon时代层序模式的多样化导致层序地层学工作者不得不对各种模式的起因进行了解和掌握，这不仅能更加灵活的选用层序模式，而且能更有利的在单个模式框架中进行地层对比分析。各种层序模式采用了不同的地层界面作为层序边界，提供不同的体系域组合方式。分析后Exxon时代各种层序模式，即可得出，现今使用的五种层序都源于地震地层学的沉积层序（图1），这些层序可分为两类：1.依据基准面变化曲线来定义层序边界（沉积层序Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ）；2.依据T-R曲线定义层序边界（成因层序，T-R层序）（Catuneanu, 2002）。因此海平面变化的沉积响应研究始终是层序地层学的重大命题。

大量的研究表明（Haq, 1987, 2008; Posamentier and Vail, 1988; Vail et al., 1991），海平面变化直接或间接的控制了层序地层学研究的本质——沉积趋势的变化，它反映了沉积物可充填空间（可容空间）与注入沉积物之间的关系（Catuneanu ,2006）。表现为由沉积作用速率和海平面变化速率共同作用形成的不同地层叠加样式（加积、进积、退积），且由反映海平面变化的“滨线轨迹”体现（Helland-Hansen and Gjelberg, 1994; Helland-Hansen and Martinsen, 1996）。滨线轨迹决定了特定时间的沉积趋势类型，进而决定相应时间的地层叠加样式（如进积与滨线后退相对应，退积与滨线前进相对应）。

图2 T-R层序模式成因图解

以T-R层序模式，即“海侵—海退层序”为例，该模式是基于加拿大极地地区Sverdrup盆地三叠地层序列的野外工作分析得出的层序模式（Embry and Johannessen,1992; Embry, 1993, 1995; Embry and Myers, 1997）。T-R层序最初定义为是存在于一个海侵事件的开始与下一个海侵事件的开始之间一个沉积单元，以复合面为边界，包括向盆地边缘的陆上不整合和向海方向的最大海退面（图2）。Embry和Johannessen（1992）把T-R层序划分为两个体系域：海侵体系域（TST），对应滨线海侵和退积沉积趋势；海退体系域（RST）,对应滨线后退和地层进积或向上变粗（图2）。T-R层序是沉积层序和成因层序的简化模式。

总结T-R层序及其他模式成因过程，可发现任何一种模式都包含一个完整基准面变化周期中的四个主要地层学事件（图3），这几个事件都不同程度的反映了滨线迁移类型。这些事件对体系域进行分割，形成四种类型的地层学界面：强制海退底面、相联系整合面、最大海退面和最大海泛面；以及在滨线迁移特定时期形成的三个层序地层界面：强制海退期形成的陆上不整合面、强制海退期浪控背景下的海退侵蚀面和海侵时期浪蚀面，每一种模式采用不同的地层学界面作为层序边界。

图3 层序地层界面时限与基准面旋回主要事件相关图

（据Catuneanu等, 1998b; Embry和Catuneanu, 2002修改）

因此，不论后Exxon时代层序地层如何发展，各种层序模式如何变化，都逃不出地层界面识别及围绕选择何处作为层序边界的主线。所以，不论采用何种层序地层学模型，以及选择何处作为层序边界，对这些层序地层界面的正确识别才是层序地层学解译的关键。

成因层序——一个不完善的模式

Frazier（1974）定义碎屑盆地退覆充填成因地层学单元和组分时提出一个概念模型，把沉积间断和沉积复合体作为主要的成因时间及盆地充填历史的地层学细分，虽然Frazier没有使用术语“沉积层序”，但是他的沉积复合体是以侵蚀面或无沉积作用面及它们相联系整合面作为边界的层序地层学单元。复合体为定义可变的层序地层学单元提供了基础，该层序地层学单元不依赖于广泛发育的陆上不整合，脱离了Exxon（Vail, 1987; Van Wagoner et al., 1987）工作小组定义的沉积层序。在此基础之上，Galloway（1989）提出 “成因地层层序”的概念。

在Galloway的理想成因地层层序中，海侵部分几乎没有沉积物堆积（图4），海侵的沉积记录可能涵盖了一个经波浪改造后的海岸带沉积物不整合盖层，海侵期沉积物的持续主动注入，形成厚层沉积，且记录了沉积事件向陆的延伸期。成因地层层序是沉积物的一种组合，该组合记录了盆地边缘海退建造和盆地充填的重要沉积间断，间断面继承了Frazier（1974）的原始定义。成因地层层序以两个地层学界面为边界，它们记录了在海侵和随后的最大海泛期陆架和陆坡相对饥饿的碎屑沉积。成因层序包含了三大要素：退覆部分、上超或海侵部分，即高位体系域（基准面上升晚期）、低位体系域（基准面下降期和上升早期）、海侵体系域，及反映最大海泛的边界界面（间断面，Fraizer, 1974）。

图4 理想成因层序地层格架图

上图以时间为纵坐标，下图以地层厚度为纵坐标

Galloway的成因地层层序和Exxon层序在描述和定义沉积层序时存在许多的相似性。成因地层层序与Van Wagoner等（1987）的准层序相类似，它们都有一个共同的关于沉积间断和Frazier（1974）沉积复合体的原始概念。然而，在选择关键边界面和解译目的上存在分歧。Exxon工作小组聚焦于利用地震数据和发展地震地层学，利用地震映像描述界面的分布和几何样式，由沉积体系和体系域的地层和地貌关系来解译出层序边界不整合面。成因地层层序则提出在沉积体系三维相格架内综合界面地层学，且融合、协调了沉积体系与在周期性旋回框架内组分相、层几何样式、边界界面、凝缩段的三维分布。它与地震为基础的Exxon模型的几个关键不同，主要是因为后者最初被解释为反映了盆地充填的普遍海平面变化控制。

尽管Van Wagoner 等（1987）很多定义都排除了特定海平面控制的参考，Vail（1987）再一次重新强调了地层格架主要由海平面控制。这导致许多关键的Exxon层序模型要素，如广泛发育的陆上不整合面及高位和低位楔，都与海平面控制的沉积物供给和沉降紧密联系。然而，成因地层层序框架保留和强调了Frazier（1974）的结论：沉积层序是来自于盆地边缘的普通物源区，在相对海平面或构造稳定期沉积的相复合体。因此成因地层学框架更加灵活的容纳了三个可变因素：物源区，相对海平面变化和构造作用。其中任何因素都可能成为控制沉积间断的主导作用。

图5 Exxon类型Ⅰ（A）和类型Ⅱ（B）沉积层序边界与成因层序

边界对比图（Galloway, 1989）

对比主要的沉积间断和相对基准面稳定期，成因地层层序和沉积层序边界正好相移180°（图5）。Vail（1987）把盆地边缘的进积等同于海平面下降和低水位时期。低水位期广泛发育的陆上不整合面（类型Ⅰ或Ⅱ）作为层序边界。成因地层层序包括沉积物脉冲输入和盆地边缘进积，都被作为由海侵、海泛期分隔的主要沉积间断。即，Exxon沉积层序以海泛事件为中心，成因层序以海泛面为边界（图5）。

两个层序在时间、演化过程、陆架边缘侵蚀及退积作用的强调有所不同。在Exxon模型中，快速海平面下降低于陆架边缘导致地表发生侵蚀，斜坡上部路过和侵蚀，沉积低水位浅海扇（Vail et al., 1984; Mitchum, 1985）。海平面下降的减速和稳定导致充填峡谷形成。在成因层序模型中，陆架边缘和斜坡的侵蚀、退积过程由陆架边缘和上部斜坡的不稳定性、暂时性的古地理变化、沉积物供给速率、盆地水文地理、海岸陆架形态及基准面变化控制。

Galloway成因地层层序的主要优点在于其单一的、容易识别的层序边界面。成因层序定义最大海泛时间的沉积薄层或侵蚀面为主要三维沉积体系之间的边界，典型薄层海侵相或面及凝缩的古生物学或沉积学盖层相互毗邻，在区域地层学对比中可相互替换使用。由盆地边缘海泛形成的界面或地层学盖层拥有较强的物理地层属性，广泛发育海相地层或浅海侵蚀面，在单独的露头和测井剖面中通常能找到薄层标志层，且容易识别，如最大海泛期的凝缩沉积和古生物标志层。在地震记录中，标志层和半远洋盖层通常形成高振幅持续反射，可以穿过整个沉积平台和斜坡进行追踪。

成因地层层序主要受两方面的批判。第一，成因地层层序包括层序内的陆上不整合面，违反了“层序由成因上有联系的地层组成”这个普遍被接受的概念。因此，成因地层层序中，陆上不整合面的存在承认这样的可能性：成因上不相关的地层可以一起归为相同“成因”组合。其次，最大洪泛面的形成时间取决于基准面变化和沉积的相互作用，因此这些面可能是穿时的（Posamentier and Allen, 1999）。如，在低的沉积物供给区高位正常海退的开始可能会推迟，最大洪泛面在低的沉积物供给区要比高的沉积物供给区更年轻。

Exxon概念体系不协调的修正

Brown 和Fisher（1977）为定义同时期沉积体系之间的相互关系而提出体系域的概念，体系域是地层的叠加模式，没有厚度和时间的涵义，以层序内的位置和界面的类型，及沿滨线处基准面变化曲线的位置加以说明。每一种地层叠加模式对应特定的沉积类型，形成相应的体系域，组合为不同的层序模式。

早期Exxon公司层序模式将沉积层序细分为四个类型的体系域（Vail等，1977），后由Posamertier（1988）等进行详细描述，包括低位体系域、海侵体系域、高位体系域、陆架边缘体系域。进而形成了两种类型的层序类型：Ⅰ型层序，低位体系域+海侵体系域+高位体系域；Ⅱ型层序，陆架边缘体系域+海侵体系域+高位体系域。这两种层序模式类型的不同在于如何区分低位体系域与陆架边缘体系域，进而归结为全球海平面下降速率是否超过还是小于沉降速率。Vail 等（1984）年认为Ⅰ型和Ⅱ型不整合面之间的区别是基于各自的侵蚀范围和分布领域的不同，经过沉积学者不断的争论，Posamentier和Allen（1999）提出取消Ⅰ型与Ⅱ型层序之分，从此Exxon沉积层序模式走向了三分定义的趋势，即：低位体系域、海侵体系域、高位体系域，其中低位体系域又细分为低位扇（LSF）、低位楔（LSW）。Haq（1987）的中、新生代海平面变化曲线中，层序边界被置于海平面变化的最低点，然而在Exxon地层叠加模式中层序边界却位于海平下降的拐点，即层序边界位于LSF和LSW之下（图6）。由此产生了Exxon概念体系的不协调。

Hunt和Tucker（1992）为调整Exxon层序模型在硅质碎屑和碳酸盐陆架斜坡应用中概念体系的不协调，在Van Wagoner等（1990）和其他学者类型Ⅰ层序模型基础上，提出体系域四分方案，即除对应基准面上升期的海侵体系域（TST）和高水位体系域(HST)外，还包括相对海平面下降期的强迫海退楔体系域（FRWST）和低水位时期的低水位进积楔体系域（LPWST），其中FRWST和LPWST是Exxon模式中低位体系域的进一步细分（Mellere and Steel, 1995）。

图6 Exxon体系与修订体系的地层叠加对比图

强迫海退楔体系域（FRWST）成为层序的第四种体系域类型，被放置于层序边界之下（图6）。前三种层序的体系域（低水位进积楔、海侵、高水位体系域）都形成于基准面上升时期，相对海平面最低点（代表层序边界的位置）之后。FRWST是强迫海退期基准面达到最低点之前的沉积。该体系域的底界为“强迫海退底面”（BSFR），是一个分隔老地层和进积高水位体系域的年代地层学界面，形成于基准面下降时期。FRWST包括一个斜坡组分“强迫海退斜坡楔”，盆底组分为“强迫海退盆底扇或裙”。体系域上部层面是层序边界，代表了相对海平面最低点，是不整合面向盆地的延伸。修订后的体系（图6），层序边界在陆架顶部和上部斜坡位置为陆上不整合面，与Exxon模型一致，盆底层序边界位于强迫海退楔体系域之上，低水位进积楔体系域之下。该方案使任何在海平面最低点沉积的沉积物都位于在层序边界之上，且成为低水位进积楔体系域（LPWST）的一部分，形成于相对海平面最低点和海侵体系域之间。

Hunt和Tucker（1992）所提出的体系域边界较好的对应了相对海平面变化的方向和速率，虽然在实际地质情况中，该理论体系的应用不比Exxon模式容易，但却去除了早期模式中相对海平面低水位和下降期的相关争论。然而，新体系却忽略了对高位正常海退和低位正常还海退的定义及区分。

层序地层学今后的发展

后Exxon时代各类层序模式的相互竞争和术语的冲突导致了层序地层学的巨大混乱，尽管已经被地层学工作者广泛使用，但层序地层学尚未被纳入任何地层规范或指南(Catuneanu et al., 2009)。不同的层序模式针对不同的古地理环境提出，每一种层序模式都有其自身的存在意义，但却又受到特殊的限制：

沉积层序的相联系整合面独立于沉积作用，相当于年代地层标记，但却不易识别；成因层序模式克服了相联系整合面的识别问题，但却无法达到完全的成因统一；T-R层序模式避免了层序内部出现陆上不整合的问题，但也并不完美：（1）在浅水环境中容易识别的最大海退面在深水环境可能难以识别，可能发育一整套整合序列的低密度浊积岩；（2）最大海退面的形成受沉积作用和沉积物供给速率的影响，因此该面可能沿走向记录了一个重要的穿时面，且A型与B型最大海退面（Embry, 2002, 2005）穿时速率也不一致；（3）T-R模式是沉积层序和成因层序的简化，包括两个体系域：海侵体系域和海退体系域，虽然涵盖了所有类型的沉积趋势，即TST以向上变细为特征，HST以向上变粗为特征（图2、图5），但是过于简化的模型使它忽略了内部其他沉积界面的重要作用。总结各种模式的区别主要表现在：1.体系域和层序地层界面的命名；2.选择不同的界面作为层序边界。

无论层序地层学方法如何变换，必须始终把握住各种方法之间的共识：任何尺度下的层序地层单元都是变化的可容空间和沉积物供给共同作用的产物，且运用地层堆积样式和沉积趋势来描述单元内部格架。因此，要求地层工作者正确的识别每一种类型的地层界面，以及从准层序到体系域和层序的每一种类型的层序地层单元，针对不同的古地理背景和数据资料，灵活应用不同类型概念和层序模式进行层序地层分析。

后Exxon时代概念模式的多样化，是层序发展的必经阶段，多样化所造成的混乱虽给地层解译带来不便，但却促使层序地层学不断走向成熟。层序地层学的发展总是朝向寻求一个可以涵盖所有层序模式的概念模型，但在后Exxon时代层序地层学巨大混乱的当今，在短期时间内寻求一个标准化的方案可能性不大，仍需要地层学家的不断专研与实践。层序地层学将走向何方？能否形成大局的同一？所有问题尚待揭晓。

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