能源岩系沉积序列中旋回类型及其非对称性成因

2019-12-24李晓静王东东刘海燕刘福胜

中国煤炭地质 2019年10期

关键词：层序细粒对称性

李晓静，刘莹，王东东，刘海燕，刘福胜

(1.山东科技大学地球科学与工程学院，山东青岛 266590; 2.中煤地质集团有限公司，北京 100040)

1 沉积旋回类型及相关问题

旋回是盆地充填中的重要规律和盆地分析中的重要内容。因此有必要将有关“旋回”的基本内涵及进展进行简要的理顺。就旋回而言，有沉积旋回、构造旋回、海侵海退旋回、旋回层序、高频旋回、米兰科维奇旋回等。本文主要就“沉积旋回”及相关问题进行探讨。

1.1 沉积旋回的基本概念

沉积旋回是指沉积作用和沉积条件按相同的次序不断重复沉积而组成的一个沉积上的序列，又称层序。表现在地层剖面上是指若干相似岩性、岩相的有规律地周期性重复。沉积旋回以规模较大，常表现为岩性岩相的交替变化而区别于“沉积韵律”。是个古老的概念。最早人们认为其成因主要是由于地壳周期性振荡运动引起的，而韵律的形成则多与局部地区性因素有关。但是，随着层序地层学、成因地层学、沉积学，特别是盆地分析领域新的进展，沉积旋回的概念有了新的涵义，其成因也是复杂的。

从盆地地层结构、沉积构成与过程响应角度出发，盆地沉积充填中的沉积旋回结构主要表现在水退-水进演变序列中形成的地层叠置样式的变化上[1]。因此沉积旋回的涵义更加丰富了。

沉积旋回是不同地质历史事件在地层岩性上的规则性反映，沉积旋回的形成是幕式构造运动、天体周期运转、全球海平面变化(或湖平面变化)、事件等主控因素，形成的连续沉积地层具有一定的周期韵律性。因此，研究沉积旋回级次及成因，对推演原始沉积动力机制及主控因素具有重要意义。随着层序地层学、盆地动力学、细粒沉积学等学科的新概念、新方法不断提出，传统沉积旋回研究出现了新的研究方向和领域，也从定性到定量、大中型旋回向精细旋回发展。通过对岩相、地球化学、矿物学、岩石磁性、颜色等方面的详细采样和研究，从旋回沉积层序中采集化石天文信号[2]。

1.2 自旋回与异旋回及混合旋回

自旋回(Autocyclicity)的概念是Beerbower[3]于1964年提出的，原意是指沉积体系在外部条件(构造运动、物源供给和气候变化)不变的情况下，沉积体系内为达到自身能量的平衡，而发生周期性的作用，如沉积和侵蚀作用，包括河道迁移、河道分流和砂坝迁移。Miall[4]则用自成因地层(成因地层学)认为自成因地层不会严格按照旋回形式发生，因此将 “ Autocyclic ”改为 “Autogenic ”，并认为最常见的自成因地层是决口沉积和河道迁移。之后，有多位学者[5-9]将这类沉积体系自身成因的作用或成因地层定义为沉积体系内地层对构造升降、物源供给变化、气候变化等地质作用稳定变化的响应。很明显，自旋回是一个沉积体系内部作用对外部条件稳定变化的响应，而不是外部条件直接导致的作用结果。

由此可见，自旋回是受限于沉积体系的，其作用范围由该沉积体系的沉积作用所决定，常局限于沉积亚相及微相，因此横向上连续性较差、纵向上持续时限较短。但本文认为这与自旋回的厚度和规模无关，即自旋回不是用旋回所涉及的沉积体的大小规模来衡量的。典型的自旋回沉积作用如曲流河边滩侧向加积、决口扇前积或退积作用，辫状河心滩坝加积、前积，扇三角洲和三角洲朵体前积、侧向迁移作用，火山沉积和泥石流沉积作用等等。自旋回的侵蚀作用如曲流河侧向侵蚀、辫状河改道侵蚀、扇三角洲和三角洲水道的侧向侵蚀以及泥石流的侵蚀作用等等[10]。

层序地层学理论提出之后，自旋回概念也赋予了新的涵义[11]。自旋回是指在沉积体系按照自身搬运、沉积介质的特征、地形坡度、围岩特征、植被发育等条件发生沉积、路过或侵蚀作用而形成的沉积旋回，自旋回作用在基准面升降变化期或稳定期都会发生。这里引入了“基准面升降变化”这个重要概念在自旋回作用中有重要意义。

异旋回是在构造运动、沉积物供给速率变化、气候周期性变化和与之相关的湖平面变化或基准面变化等导致的规律性变化。实际上是指一个沉积体系外的重要因素，如构造升降、物源供给变化、气候变化等地质作用对沉积体系导致的旋回。很明显，异旋回是外部条件对一个沉积体系发生作用直接导致的结果。由此可见，异旋回是控制沉积体系的外部条件，其作用范围是整个沉积体系甚至更大、更广，是一个盆地充填序列、或沉积体系发育及废弃整个体制形成的旋回，因此横向上连续性较好、纵向上持续时限相对较长。

层序地层学加深和精细了异旋回的涵义，主要是在异旋回的识别与地层对比[11]方面更具有理论和实际价值。层序地层学理论认为异旋回是基准面(海平面、湖平面或河流平衡剖面)变化引起的，而基准面的变化又受构造活动、气候变化等控制，因此控制层序地层单元的形成，构成了层序地层单元能在区域内进行追踪和对比的依据。所以，层序地层单元的划分和对比，即层序地层格架的建立就是识别异旋回，并进行对比。

可以认为，异旋回是盆地充填整体序列中层序地层单元或格架的组成部分，其分界面是可以在整个盆地追综对比的地质作用界面。而自旋回是相对异旋回而言，自旋回控制的地层单元是超短期基准面旋回形成的地层，一个超短期旋回结构不反映短期基准面升降变化，多个超短期旋回层序叠加反映短期基准面的变化，自旋回成因地层是由搬运、沉积介质性质决定的。

尽管自旋回和异旋回在概念上比较清晰，但在具体研究工作中进行识别、对比，以及在能源地质应用(如煤地质研究中泥炭堆积及煤层对比、油气勘探中精细地层对比及成藏研究等)中还存在较大的困难和问题。这主要是异旋回作用对自旋回作用的影响和控制、自旋回作用对异旋回作用的改造等，使得如何确定哪些是自旋回、哪些是异旋回产生困扰。

油气地质学家从油气勘探研究实践中得出认识[11]，层序地层学中1～4级层序可以在全盆地范围内对比，属于异旋回，可以在野外露头、岩心、测井及地震等资料上识别；5 ～6 级层序的结构既受异旋回的控制，也受自旋回的影响，可以在一个物源所控制的范围内比较容易的进行对比，但由于厚度较薄，地震资料上已难以识别，只能在野外露头、岩心和测井等资料上识别；7级以上的旋回多为自旋回，分布范围小。

本文认为单纯就层序地层单元划分异旋回还是自旋回，如7级层序单元框架，虽然比较明了，但这个级别的层序划分在实际操作中也是难以掌握的。层序地层单元级别的划分，特别是层序地层单元时限是随着研究深度的不断进展而有所变化，所以，界定层序地层单元是否为异旋回还是自旋回具有不确定性。本文将异旋回与自旋回相互影响、干扰的旋回定义为“混合旋回”。

1.3 旋回的对称性与非对称性

从广义角度看，旋回的不对称性是普遍和客观存在的，绝对的对称性是很少的或者不可能存在的。本文所说的沉积旋回的“不对称性”是狭义的，不是广义的。所谓沉积旋回的“狭义不对称性”，是特指旋回的结构差异性明显，甚至缺失某个半旋回或半旋回仅保留一小部分，这类旋回的形成具有特殊条件和机制。而恰恰这类“不对称性”旋回中往往含有更多的沉积学和地层学信息。

异旋回与自旋回都存在对称与非对称性问题，影响盆地充填的大的事件往往导致非对称性异旋回形成，而在稳定外部条件状况下形成的自旋回则往往是对称性的。重要能源矿产的形成与聚集(积)往往与旋回的对称性/非对称性特点有关，即重要矿层一般位于旋回结构中某个重要的关键部位。这对于能源矿产的预测有指导意义。

综上所述，能源岩系沉积序列中旋回类型具有多样性，以下几个问题值得关注。

1.3.1 自旋回

事件沉积作用是否皆是自旋回值得探讨，有些事件作用是全局性的、属于盆地外部因素导致的，则应归为异旋回作用。

事件沉积作用如陆表海盆地的突发性海侵作用、浊流沉积、泥石流沉积、火山喷发形成的火山灰的沉积，再如地震、海啸、飓风等引起的浊流和泥石流等事件沉积。这些事件中有些是影响全局性的，如突发性海侵事件是海平面快速上升导致整个盆地发生海侵，使得盆地迅速处于海洋环境；火山喷发形成的火山灰的沉积，也是具有广泛意义的特殊沉积作用，可能导致盆地生态发生巨变，盆地及沉积体系内部作用是左右不了的；地震、海啸和飓风等，也是外部重要条件发生变化导致的作用。这些事件导致的盆地充填旋回发生改变，应为异旋回作用。

浊流沉积、泥石流沉积、滑坡(如深水区沉积斜坡发生软沉积物滑塌作用)等沉积都是偶然性的，影响范围也比较小，应属于自旋回作用。而地震、海啸、飓风等外部作用导致的震积、浊流、风暴沉积作用，形成的旋回应归为混合旋回。

1.3.2 高频旋回

高频旋回是否一定归为自旋回或异旋回，已有学者注意到这个问题[11]。某些高频旋回的形成往往不受基准面变化的控制，是偶发因素形成的，应为自旋回，而有些高频旋回是异旋回，因为基准面控制了这类高频旋回的形成。值得注意的是，自旋回影响或改造了异旋回的结构，造成了旋回及地层对比的困难，因此必须在异旋回中将自旋回甄别出来。

1.3.3 异旋回作用

垂向上持续时间短的事件性地质作用，往往分布范围很大，甚至超过一个完整盆地范围，应属于异旋回。如层序中的密集段的形成，是最大海平面形成时期形成的特殊沉积，也构成了层序划分与对比的关键。再如成煤盆地的大规模泥炭沼泽化作用及泥炭沼泽废弃事件，是气候条件发生重要变化导致的重要沉积作用，也应属于异旋回作用。

1.3.4 微旋回

细粒沉积中若干微旋回多为自旋回，也存在异旋回，这主要是看其形成机制，如盆地外部因素(如天文周期)导致的细粒沉积，代表一种特殊意义和事件作用，就是细粒异旋回作用。

2 快速海侵与成煤旋回的不对称结构

正常的海侵/海退是边缘海盆地沉积充填中的重要因素，一般为渐进性的，即海侵过程与海退过程是逐步进行的，形成的旋回结构是完整的、基本对称性的。然而，陆表海盆地的海侵常表现为突发性的、事件性的，对盆地充填产生质的变化。如海侵沉积与煤层的典型组合。

2.1 突发性海侵导致的异旋回

典型的高频海平面变化控制盆地充填沉积的实例是华北石炭-二叠纪陆表海盆地。导致沉积旋回呈现多旋回海陆交替沉积及海侵沉积与煤层的叠复。

突发性的海平面变化及成煤的异旋回形成机制，最主要的特色是海相沉积与煤层的组合受海平面变化周期的控制，在低级别的海平面变化周期中形成薄层海相灰岩/较厚煤层的组合，高级别的海平面变化周期中则多形成厚层海相沉积/薄煤层组合。在层序地层格架中，海侵体系域的煤层位于体系域的底部，而海退成因的煤层则位于高水位体系域的顶部。可以说，煤层的发育都与海平面升降变化中的转折期有关，而海侵成煤成为陆表海盆地成煤的重要特色。在低级别的海平面变化周期内，适合泥炭沼泽发育的持续时间相对较长，尽管海平面波动对泥炭堆积产生重要影响，但泥炭堆积得以较稳定的进行且最终成煤(图1)。这是很典型的突发性海侵事件导致海相灰岩与煤层直接接触的非对称性异旋回。

从盆地较大范围观察煤层与海侵沉积的稳定性，可以看出，煤层与海侵沉积间存在互相消长的关系，靠陆方向煤层较厚，靠盆地方向煤层较薄，而海相灰岩则恰恰与之相反。如果最大海泛面位于海侵事件成煤组合中，那么这一界面附近应有“密集段”沉积，本文认为应是煤层或海相层的组成部分，或者是海相层的下部层段。这是一种相当缓慢的、基本无陆源碎屑供应的还原环境下的饥饿期沉积。此时的密集段沉积并不是“海侵过程”所对应的沉积序列，而是最大海泛期的饥饿沉积(图2)。

三级层序由海侵体系域与高水位体系域两个层序地层单元构成(图2)，属于非对称性的异旋回。而体系域构成单元准层序(如图2中的PS1-PS7)也呈现为非对称旋回，在海侵层之下缺失渐进的海侵过程沉积，也属于异旋回。突发性海侵导致成煤过程终止，形成极不对称旋回，为异旋回。成因是突发性大规模海侵事件发生，盆地内部沉积体制是无法控制的[12-14]。

图1 陆表海盆地突发性海侵沉积与煤层直接接触形成的异旋回(山西河东煤田ZK7-1孔)Figure 1 Epeiric sea basin paroxysmal transgressive sedimentation directly contacting with coal seam formed allocycles(in borehole ZK7-1, Hedong coalfield, Shanxi)

图2 陆表海含煤层序中异旋回及密集段及"类密集段"产出位置Figure 2 Allocycle dense segment and “resembled dense segment” occurrence positions in epeiric sea coal-bearing sequence

突发性海侵沉积与煤层的组合，即陆表海沉积层序中的海相灰岩压煤现象，其沉积组合为海相灰岩/煤层/根土岩或铝质泥岩，在高水位体系域(图3)和海侵体系域(图4)都有突发性海侵沉积与煤层的异旋回组合。最具特色的是，深水、泥炭还原环境、暴露土壤化沉积组合在一起，即海相灰岩代表深水相，煤层代表还原环境，根土岩或铝质泥岩代表暴露沉积(图4)。其组合主要特征是煤层底板具有根土岩、风化黏土、铝土岩或铝质泥岩等，含大量植物根系化石，表现为海退时期的暴露相，说明煤层与其下伏地层为非连续沉积，则可能在泥炭沼泽发育的前期，往往是盆地基底暴露发生土壤化的沉积时期，代表了一种沉积间断面。

图3 向上变浅的非对称型异旋回结构特征Figure 3 Upward shoaling asymmetric allocycle structural features

图4 突发性海侵沉积与煤层组合非对称性异旋回结构(山西太原西山露头剖面)Figure 4 Paroxysmal transgressive sedimentation andcoal seam combination asymmetric allocycle structures(Xishan outcrop section in Taiyuan, Shanxi)

2.2 浅水三角洲成煤沉积旋回为对称性自旋回

在二叠世(相当于山西组沉积期)华北发育大型浅水三角洲沉积，也是成煤的最佳时期，主要发育的成因相是分流河道相、决口扇相、决口三角洲相、废弃的分流河道相、天然堤相、分流间洼地相、分流间沼泽或泥炭沼泽相、堤外越岸沉积相等，是自旋回形成的主要阶段(图5)。这类自旋回是浅水三角洲平原分流河道发生周期性的作用，如沉积和侵蚀作用，包括河道迁移、河道分流和砂坝迁移形成的，是在盆地外部条件基本稳定状况下，三角洲沉积体系自身由于沉积作用导致的。其旋回在垂向上虽然比较厚，但基本呈现对称性，即上半旋回与下半旋回基本相当。

图5 含煤地层中浅水三角洲沉积的自旋回剖面结构特征Figure 5 Autocycle section structural features of shallowsea delta sedimentation in coal-bearing strata

3 湖相沉积不对称旋回结构特点

细粒沉积的岩石学、沉积微相等方面的研究成果不断涌现。其中页岩气(包括煤系页岩气)主要以吸附状态和游离状态两种形式存在于页岩地层中，其成藏及资源预测评价与勘探、开发研究是当今研究热点[15-20]。与之相关的若干基础研究也引起了学者们的重视，如细粒沉积旋回、层序及细粒岩及页岩的形成、细粒岩及页岩分类等的研究成为人们关注的重要基础科学问题。我国沉积学家和石油地质学家已经就含油气细粒沉积岩的有关基础关键问题进行了深入讨论[21]，提出了建设性和指导性意见。

细粒沉积分析在页岩油气成藏地质条件研究中是至关重要的，在成煤沉积及煤资源聚积规律分析中也十分重要，因为含煤地层中细粒组分占有相当大的比例。传统沉积旋回主要基于连续沉积，最新进展达到了小于米级，但仍属于地层划分及沉积体系、短期旋回范畴，对于细粒沉积旋回划分，以及小于米级乃至更小级别的旋回研究，目前尚没有成功的范例可供借鉴。存在的问题是细粒沉积微细旋回结构，特别是非对称性旋回及空间展布的形成及其控制机制尚没有过硬和完善的理论和模型。

济阳坳陷古近系沙四上亚段湖相细粒沉积纹层十分发育，形成多种多样的细粒岩相组合旋回。已有学者对湖相细粒沉积岩纹层发育特征及古气候的量化关系进行了分析[22]，认为沙四上亚段具有多种细粒沉积岩相类，记录了稳定的米兰科维奇旋回，主要受控于偏心率和岁差参数，纹层状岩相形成与四季气候变化有关。细粒沉积旋回的成因很复杂，受构造、气候、物源、环境等的综合影响，归纳起来是以异旋回为主，自旋回对异旋回具有改造作用。细粒沉积中的事件沉积具有特殊性和典型性，季风、干旱、洪水等事件，甚至风暴事件等对细粒沉积旋回的形成具有控制性影响。本次研究也发现了大多数纹层与气候变化的密切关系(图6)，细粒沉积纹层特征是指示沉积环境的重要指标，粉砂质纹层通常指示滨浅湖环境，岩心含有陆地植物碎片，并观察到前积层沉积构造，以及强烈的生物扰动构造等；鱼类化石的出现指示该类岩相沉积时期表层湖水为富氧气，并且适合有机质赋存的水体环境；灰质泥岩与泥质灰岩两大类岩相的发育环境相似，宏观上都是泥质与灰质纹层韵律互层的状态，表明季节交替对湖水的沉积环境、有机质的生产力等变化的控制。这些都指示了含氧量较高的浅水环境。膏质纹层的出现代表了湖盆环境中盐水与淡水之间的频繁转化，干旱条件下蒸发量大于淡水注入量，而淡水可能来自于湖盆边缘的间歇性洪水。

图6 济阳坳陷牛页1井沙四上亚段湖相细粒沉积非对称性旋回结构表征Figure 6 Shahejie Formation Upper Submember lacustrinefine-grained sedimentation asymmetric cycle structuresuperficial features in well NY1, Jiyang depression

从垂向上来看，济阳坳陷古近系沙四上亚段沉积序列表现湖泊水域的扩张与萎缩有规律的重复呈现(图6)，可以识别出4个长周期旋回，每个沉积旋回基本上都是滨浅湖到深湖再到滨浅湖转换，这也反映出湖盆水体动荡扩张，而这种水域体制的变化与天文周期及气候的变化密切相关。说明细粒纹层岩相旋回应属于异旋回，无论是长周期、中周期还是短周期旋回，均表现为非对称性异旋回。