裂谷地区的层序地层初探

张滋荣

(中国建筑材料工业地质勘查中心宁夏总队 宁夏银川 750000)

裂谷地区的层序地层初探

张滋荣

(中国建筑材料工业地质勘查中心宁夏总队 宁夏银川 750000)

自上世纪八十年代层序地层的概念被提出，九十年代进入理论与生产全面发展时期，至今大体上分为Exxon沉积层序理论学派，Galloway的成因地层学学派和T.A.Cross陆相高分辨率层序地层学理论学派，主要以陆相层序地层及海相层序地层研究为主要对象。国际上目前研究内容包括海相、湖相、河流相碎屑岩层序地层；碳酸盐层序地层；煤和其他沉积物层序地层研究，而国内以陆相河流相、湖泊相层序地层研究为主，对裂谷层序地层研究较少[1-6]，虽然对于被动陆缘盆地层序地层学概念已提出，但裂谷地区层序地层还没有合适的沉积模式提出，本文从传统的层序地层原理及层序地层格架控制因素包括：野外露头、测井、地震等方面对裂谷层序地层进行分析，最后提出裂谷盆地的层序地层模型。

裂谷盆地；层序地层；体系域

一、前言

被动陆缘作为构造稳定区域，由于长期的热沉降背景上的全球海平面波动，使得可容空间的产生成为可能，因此经典的层序地层学被运用到被动陆缘背景下，同时也能很好分析被动陆缘背景下的沉积盆地地层格架。因此可以看出根据传统层序地层研究被动陆缘盆地的沉积系统的空间和时间分布特点，并对储层、来源、盖层组合的分布和空间关系进行各项预测是可以的。

从被动陆缘的初始模式提出开始，在过去的二十年间层序地层在不断的演变。然而构造稳定的盆地相对于构造活动的盆地层序发育的机制从根本上是不同的，许多读者尝试将被动陆缘模式应用于所有其他构造背景上去。但这种不同构造背景下的层序地层模式的差异性还没有被采纳，这也将是层序地层学未来的研究的方向之一。

本文主要是对裂谷盆地提出一个层序地层模式。被提出的模型规定了层序地层的模式，这种模式通常在裂谷盆地的构造背景下常见，此外还提供了一个理解过程与结果的关系格架，这种关系相当于裂谷盆地的可容空间控制因素和层序格架结果。同时强调了在油气勘探方面获得的地层垂向叠加模式的可能预测。主要以实例说明模式，包括海相和非海相沉积背景。能否被被应用于所有裂谷盆地仍然值得被证实。

二、基本原理

图1. 可容空间和沉积物供给之间的相互作用所反映的沉积动态(进积作用，退积作用，充填作用)(据Van Wagoner,1990年改)。

层序地层提高了我们对沉积盆地充填结构和演化的认识，由此对自然资源的勘探预测也提出了新的方法。层序地层的方法强调了沉积作用的动态变化(例如，前积，退积，堆积，剥蚀)和穿时的地层垂向叠加模式结果，这些主要是由可容空间(沉积物充填的可用空间)与沉积物供给之间的平衡转化所控制(图1)，包括：可容空间的生成或缺失，是由构造作用(如基底沉降或抬升)与海平面升降波动(升高或下降)之间的相互作用所导致的；同时沉积物占据可容空间的速率与可容空间产生的速率相对比所产生的。可容空间的变化速率与和沉积物沉积速率的平衡控制了海侵(海岸线的后退)和海退(海岸线的前进)的形成，就垂向沉积叠加序列模式来看，进积作用意味着一个连续的相，随时间的推移近端相逐渐叠加远端相。进而生成一个在浅水环境下向上变粗的连续沉积。退积作用也是连续相的结果，表现为基底的近源相，向上逐渐过渡，在顶部形成远源相，在浅水环境为向上变细趋势[7]。

沉积物供给量随时间的变化取决于若干变量，包括：气候、物源区风化程度、母岩的岩石类型，以及物源区与盆地之间的地貌差异(高差、距离、坡度等)。在这些控制因素中，地貌差异与沉积盆地的构造演化过程密切相关，影响着构造机制引起的可溶空间的变化。在构造活动的盆地内(例如裂谷)，作为控制可容空间的构造作用，起着非常重要的角色，然而在构造稳定的盆地例如离散型大陆(被动大陆)边缘，海平面升降起着主要的控制作用。

河流系统搬运沉积物到沉积盆地的能力是与横向梯度变化成比例的，横向的变化受盆地下陷作用和物源构造作用共同影响的。基准面下降时，河流向下游变陡导致均衡剖面的负向调整(负向可容空间)，使得盆地的海相部分物源供给量增加。相比之下，在基准面上升期间的正向调整，引起靠近盆地边缘的滞留沉积，即在沉积盆地的河流相沉积部分增加，进而导致沉积物流进盆地的量减少，同时导致海相储层相的沉积物减少。

被动陆缘盆地有自己可容空间的发展历史，因此，它们的地层学格架主要受不同等级规模的海平面波动控制。被动陆缘的沉积层序开始和结束伴随着基准面的阶段性下降，从而引起近地表的暴露，剥蚀和大陆架(层序边界)碎屑的迂回沉积，同时伴随深海沉积环境下的低水位冲积扇沉积(即为退积作用)。紧接着，正的可容空间速率与沉积物供给速率的平衡转变导致经典的地层学沉积记录变为正常的低位退积楔、海侵和高水位体系域。

其实概括起来，能被应用于所有构造背景下的层序地层学方法中，一个沉积层序相当于正常物源动态沉积和地层垂向叠加模式下一个完整层序循环，这个沉积层序是由可容空间和沉积物供给量(产生或消亡)的比率相互影响所产生的。

三、裂谷盆地的层序格架控制因素

受气候影响的海平面波动引起高频率的海平面变化，这个海平面变化是裂谷环境中的层序地层循环的控制因素之一。裂谷盆地的可容空间主要由大地构造沉降产生，它拥有以下特点：在着脉冲式的伸展和活动性的断层下伴随着可容空间迅速产生，并形成段阶段的幕式沉降，通常伴随着长时间的构造平静期。在后来的阶段中，没有新的可容空间的产生，并且沉积物供给逐渐消耗了有效地空间导致盆地从欠补偿到填满甚至是到过补偿盆地。典型的分析来说是在一个构造活动后不久，沉积物供给增加，可容空间产生速率降低，当源区和盆地之间新产生的地貌差异允许更多的有效地沉积物运送到盆地中时，会导致沉积盆地充填满的情况。

图2. 巴西边缘岸的一个白垩纪裂谷盆地的测井曲线截面相关图，说明了由一个海泛面分隔的两个沉积层序。从岩性和伽马值曲线可以很好的定义海泛面。记录两个层序向上变粗的叠加模式。

裂谷盆地的地层层序，主要受推进式的进积沉积控制，垂向上表现为向上变粗序列，例如在伸展沉降的各阶段之后沉积物充填可容空间过程中，一个完整的循环常常包括一个短的退积部分(海浸体系域)，它与伸展沉降背景的脉冲式构造相对应，紧接着在一个构造平静期的一个长阶段的进积作用(高水位体系域)。这种垂向叠加模式遵循于不同等级的层序。巴西东北部的雷孔卡裂谷盆是南大西洋裂谷体系夭折的一支，它是早白垩纪一级地层格架，印证了向上变粗层序的发育，为盆地充填彻底的进积河流相(马萨卡拉群)沉积物质越过哎哈斯群的三角洲沉积，依次覆盖在坎德斯组的原始湖相沉积物上。

巴西东南部的埃斯皮尼亚苏元古代裂谷盆地是这种层序地层模式的另一个实例，在裂谷演替中两个多角度裂谷延伸不整合面分离了三个类似的裂谷层序。修正的不同海泛面被湖泊沉积和人为定义的层序边界所覆盖。每个类似的裂谷层序显示出一个向上变粗的堆积模式，发育在湖泊系统顶部的冲积扇，河流沉积和三角洲沉积体系中。更高频率的层序被解释为高频率的脉式断层作用的产物，而且被认为是在斯帕-布曼蒂胡的三个类似裂谷层序，同时还表现出与高等级(低频率)层序一样的内部结构[8-9]。

由于裂谷特殊的下陷模式，因此层序边界的倾向由海泛面标注出来，伴随着可容空间的迅速产生导致了在未填满的(湖泊或海洋)背景下产生海侵作用。不同等级下的海泛面可以在裂谷盆地中的测井曲线和野外露头中鉴定出来，为相关的地层学提供强有力的工具。

图2中相关的测井曲线横截面说明了海泛面在相关层序地层学中被用来作为关键的界面。图2中的层序边界分离出两个类似裂谷层序，每一个都显示出向上变粗的堆积模式，这些在岩性和伽马曲线是被认可的。同样的，图3中的测井曲线横截面展现了一个层序结构，证明了这里说明的格架：即不同等级下海泛面被认为是类似裂谷沉积层序的边界[10]。

图3. 维京地堑测井曲线截面相关图，北海裂谷(据Frostick修改,1993)的四个向上变粗沉积层序以海泛面为边界能够被鉴别(深海页岩与基底的直接接触定义海泛面(为层序边界)。砂岩和砾岩轴向上的进积作用产生了整体向上变粗的堆积模式)

四、讨论和总结

一个典型的裂谷层序倾向认为，开始于基底为相对深水沉积物，上覆一个海泛面，这个海泛面是迅速的沉降和随即的海侵作用产生的。当可容空间一直受限，在初始海泛面之下，一些盆地中出现基底富砂的区域，代表了裂谷开始的早期阶段。在基底的细粒的沉积体中，夹有一些浊积岩相的夹层，它们上覆在首次海泛面至上，能够表明进积作用的开始。页岩和浊积岩的沉积表明盆地演化的欠补偿阶段。随着进积作用进行，岩体推进达到浅水区域和沿岸体系(补偿相)，逐渐变为顶部的冲积扇相(过补偿相)。从欠补偿到过补偿条件的逐渐变化是由于可容空间和沉积系统充填有效空间的能力之间的平衡变化所决定的。

一个典型的裂谷层序包括海侵体系域和高水位体系域。海浸体系域包括在脉冲式构造驱动下的沉降期和泛滥期堆积的退积相。高水位体系域形成大部分层序，还包括进积作用下向上变粗并上覆于最大最大海泛面之上的序列。由于基准面(可容空间)曲线强烈的不对称形状，伴随着快速的抬升(脉式构造沉降)和持久的平静期(构造静止期)，低水位体系域倾向于发育不全或缺失。这点标示了裂谷和构造稳定盆地之间的重要不同之处，例如那些在被动陆缘背景下的大陆架环境下列出的盆地，低水位体系域发育。

那些构造控制的裂谷沉积序列的层序格架以海泛面为边界，内部主要为向上变粗层序序列。各种地层格架具有这样的特点：它具有在不同等级下发育各层序地层格架。高频率层序能够在测井曲线中识别，例如图4中所展示的小规模的层序显示了相同的向上变粗序列的特点。例如高频率层序(如三级层序)是由小规模的活动断层的脉冲式构造产生，这是发生在一个相对长时期的构造平静期间，

图.4 测井曲线(GR伽马射线)展示了两个分级标准的裂谷层序(实体箭头代表高位，虚线箭头代表低位)。

在更高级的构造事件下之间的产物。一个新的沉降产生导致早期的沉积物被海水淹没，并预示着一个新的沉积层序的开始。层序相当重要的一个反面(基于厚度或是发育规模)就是用来对不同裂谷盆地充填的地层体系进行划分。一个裂谷盆地的完整充填被认为是一级层序，代表了这个盆地体系演化的起始点[11、12]。标准层序常出现一些变化，是由于一些因素引起的，包括气候影响海洋面(湖泊面)波动因素的叠加；裂谷体系演化过程中的伸展速率；及裂谷体系下的不同亚盆地之间的差异性沉降历史和沉降中心相对于物源和沉积物入盆的位置有关。

[1]侯明才,陈洪德,田景春.2001层序地层学的研究进展[J].矿物岩石,21(3):128-134.

[2]谢渊,刘家铎,王剑,等.陆相层序地层学研究进展与挑战沉积与特提斯地质.2002,22(2):8-17.

[3]付志方,王焕弟,邢卫新,等.2005.层序地层学研究现状及进展[J].勘探地球物理进,28(5):320-325.

[4]吴和源.层序地层学研究现状及进展:模式多样化[J].地质科技情报,2011,30(6):60-65.

[5]姜在兴.层序地层学研究进展：国际层序地层学研讨会综述[J].地学前缘,2012,9(1):1-9.

[6]陈留勤,郭福生,梁伟.河流相层序地层学研究现状及发展方向[J].地层学杂,2014,38(2):227-235.

Rift valley region of sequence stratigraphy

Zhang Zi-rong
(Geological Prospecting Center Ningxia Headquarters Building Materials Industry of China, Yinchuan Ningxia, 750000, China)

Since the 1980 s, the concept of the sequence stratigraphy is put forward, in the ninety s into the all-round development theory and the production period, school of today can be broadly divided into Exxon sedimentary sequence theory, Galloway school of genetic stratigraphy and T.A.C Ross school continental high resolution sequence stratigraphy theory, mainly continental sequence stratigraphy and Marine sequence stratigraphy research as the main object. On the international current research contents include Marine facies, lacustrine facies, fluvial facies clastic sequence stratigraphy; Carbonate sequence stratigraphy; Coal and other sediment sequence stratigraphy research, and domestic to continental fluvial facies, lacustrine facies sequence stratigraphy study is given priority to, the rift sequence stratigraphy research is less. Although the concept has been put forward for the passive continental margin basin sequence stratigraphy, sequence stratigraphy but rift valley region are still to be suitable depositional model put forward, in this paper, from the traditional principles of sequence stratigraphy and sequence stratigraphy framework control factors include: field outcrops, well logging, seismic sequence stratigraphy analysis of the rift valley, the rift basin sequence stratigraphy model is put forward.

rift basin; sequence stratigraphy; system domain

P631.4

A

1000-9795（2014）08-000344-03

［责任编辑：周 天］

张滋荣(1966-)，男，宁夏银川人，学士，高级工程师，主要从事固体矿产勘查与开发综合研究。