陆源碎屑岩Ⅰ型层序和碳酸盐岩Ⅰ型层序的异同

(成都理工大学沉积地质研究院 四川 成都 610059)

引言

层序地层学是地质学科赖以建立的重要基础学科之一，它建立等时地层格架，并将沉积相和沉积体系的研究置于构造沉降、海平面升降和沉积物供给的符合制约和整体的统一格架中，因而能有效地揭示其三维配置关系。

传统的层序地层学主要强调被动大陆边缘的中新生代地层响应。近年来，全球获得重大勘探发现的油气田中，有近50%来自被动大陆边缘深水盆地。据USGU和其他国际能源机构估计，全球深水盆地潜在石油地质储量可能超过1000～1500×108bbl[1]。因此，分析被动大陆边缘深水盆地的层序地层特征仍然具有重要的意义。

陆源碎屑岩和碳酸盐岩的层序在某些方面具有可对比性，本文主要对比了碎屑岩Ⅰ型层序和碳酸盐岩Ⅰ型层序的异同。其中具陆棚坡折的盆地与碳酸盐台地边缘在地形上具有相似性，对海平面升降的响应相近。同理，具缓坡边缘的沉积盆地与碳酸盐缓坡在地形上也较为相似，由于二者地形都没有明显的坡折，因此在相对海平面升降过程中，无论是暴露还是淹没历史都与前二者表现出明显的差异。所以笔者在进行碎屑岩Ⅰ型层序和碳酸盐岩Ⅰ型层序对比时，分别在以上两种地形的基础上对碎屑岩Ⅰ型层序和碳酸盐岩Ⅰ型层序进行对比。通过对比，不仅可以深化对Ⅰ型层序的理解，也便于记忆陆源碎屑岩层序地层模式和碳酸盐岩层序地层模式的相似与不同。

一、Ⅰ型层序的基本概念

层序地层学是研究一系列以侵蚀面或无沉积作用面和与之可以对比的整合面为边界的、具有旋回性的、成因上有联系的并可置于年代地层框架内的沉积岩层关系。层序地层学的基本单位是层序(sequence)，它是一套内部相对整合，在成因上有联系的、以不整合可以与之对比的整合面为界的等时沉积体。

在地层记录中，可以识别出两种类型的层序，即Ⅰ型层序和Ⅱ型层序。Ⅰ型层序底部以Ⅰ型层序界面为界，顶部为Ⅰ型或Ⅱ型层序边界(图1)。Ⅰ型层序界面的形成被解释为，是由于全球海平面下降速度超过陆架坡折带处盆地的沉降，因而在该处产生海平面的相对下降时形成的[2]。

Ⅰ型层序界面以河流回春作用(硅质碎屑岩区)、沉积相向盆地方向迁移、海岸上超的向下转移以及陆上暴露和同时发生的陆上侵蚀作用为特征。由于沉积相向盆地方向迁移，必将造成非海相或者浅水海相地层(如辫状河道砂岩或者河口湾砂岩、潮坪相碳酸盐岩)，可直接覆盖在界面下的较深水的海相地层之上(如下临滨砂岩、陆棚泥岩或者泥灰岩)，其间缺少中等水深环境的沉积岩层。

一个层序的内部可以分为若干沉积体系域。一般来说，Ⅰ型层序都是由三个体系域所组成：低水位体系域(lowstand system tract，简称LST)，向上依次为海侵体系域(transgressive system tract，简称TST)和高水位体系域(highstand system tract，简称HST)。

图2 三种不同背景下的硅质碎屑沉积体系域(转引自Vail,P.R.等，1991)

A)陆棚坡折带背景下发育有：盆底扇(BF)、斜坡扇(SF)、低位进积组合(LPC)、深切谷(IV)、海侵体系域(TST)和高水位体系域(HST)

B)在深水缓坡中发育低位进积组合或形成陆棚边缘体系域(SMST)

C)在浅水缓坡中可分别出现下部低位进积组合(LLPC)和上部低位进积组合(UTPC)

最低位置的沉积体系如果处于Ⅰ型层序之上，则称为低水位体系域(lowstand system tract，简称LST)。在陆棚边缘环境中，碎屑岩的低水位体系域可以包括四部分：盆底扇复合体、斜坡扇复合体、低位进积复合体和深切谷充填(图2)[3]。而对于碳酸盐沉积来说，它们的沉积体系与硅质碎屑岩大体相似，但更多的表现为重力滑塌成因的碳酸盐碎屑流或者浊积岩。

海侵体系域(transgressive system tract，简称TST)是位于Ⅰ型层序中间的体系域，它以一个或者多个退积式准层序组为特征，其底面是低水位体系的顶部，并以初始海泛面为界。海侵体系域内部的准层序向陆方向上超于层序界面之上，向盆地方向下超于初始海泛面之上。它的顶部是下超面，也是最大海泛面，并以从退积式准层序组变为加积式准层序组为特征。一般来说，无论是碎屑沉积还是碳酸盐沉积，海侵体系域都有向盆地方向和向上减薄加深的特点。

高水位体系域(highstand system tract，简称HST)，是Ⅰ型层序的上部体系域。通常广泛分布于陆棚之上，其内部准层序组在向陆方向上超于层序界面之上，而在内盆地方向则下超于海进体系域或低水位体系域之上。

二、具陆棚坡折的碎屑岩Ⅰ型层序与具台地边缘的碳酸盐岩Ⅰ型层序之间的异同

(一)边界特征

具陆棚坡折的碎屑岩Ⅰ型层序界面是在全球海平面下降速率大于盆地沉降速率时产生的，它响应于区域性不整合界面，其上下地层岩性、沉积相和地层产状可以发生很大变化，具有陆上暴露标志和河流回春作用形成的深切谷。随着相对海平面下降，河流深切作用不断向盆地中央推进，形成了岩相向盆地中央方向的迁移特征。

具台地边缘的碳酸盐岩Ⅰ型层序界面是在海平面迅速下降且速率大于碳酸盐岩台地或滩边缘盆地沉降速率、海平面位置低于台地或滩边缘时形成的，以台地或滩的暴露和侵蚀、斜坡前缘侵蚀、区域性淡水透镜体向海方向的运动以及上覆地层上超、海岸上超向下迁移为特征。

(二)体系域构成及LST、TST、HST特征对比

这两类层序都包含低位体系域(LST)、海侵体系域(TST)和高位体系域(HST)这三个体系域。

具陆棚坡折的碎屑岩Ⅰ型层序中(图3)，LST的底为Ⅰ型不整合界面及其对应的整合面，其顶为首次越过陆棚坡折带的初次海泛面，LST经常由盆底扇、斜坡扇和低位楔状体组成。初始海泛面以低水位沉积体系向盆进积转换为海侵沉积体系向陆退积为特征，它常常伴随着海水进侵过程中在向陆方向对层序底界面的侵蚀作用。TST的底界为初始海泛面，顶界为最大海泛面，它由一系列较薄层的、不断向陆呈阶梯状后退的准层序组构成，当海泛面达到最大时形成薄层富含古生物化石、以低沉积速率沉积的凝缩层。在碎屑岩层序中，最大海泛面可以通过钻井的测井资料识别，因为这一界面往往显示最低电阻率值和高伽玛值。而HST广泛分布于陆棚之上，下部以加积式准层序组的叠置样式向陆上超于层序边界之上，向海方向下超于TST顶面之上，上部沉积物以一个或多个具前积斜层形态的前积式准层序组向盆地中央推进。在许多硅质碎屑岩层序中，它常被上覆层序边界削截，若被保持下来，也往往厚度较薄或富含页岩[5]。

图3 具陆棚坡折的碎屑岩Ⅰ型层序(改编自Wagoner,1990)

具台地边缘的碳酸盐岩Ⅰ型层序中，LST主要由物源来自前缘斜坡侵蚀的他生碎屑沉积和沉积于海平面低位期斜坡上部的自生碳酸盐岩岩楔组成。TST为一系列退积式准层序组，向陆棚方向加厚，然后由于底面上超而减薄。它可以表现为追补型和并进型两种方式的沉积。HST呈前积S型至斜交型的沉积特征，下超在最大海泛面(识别标志通常为长期与海水接触有关的各种成岩作用产物，如原生白云石、生物扰动层)之上，以相对较厚的加积至前积几何形态为特征，形成宽阔的台地、缓坡和进积滩及其在浅海孤立台地上的对应沉积体。可分为早、晚两期，早期追补型沉积以富泥、贫粒的准层序为主，在台地边缘沉积中，含大量早期海底胶结物，而晚期并进型沉积以富粒、贫泥的准层序为主，在台地边缘沉积中，早期海底胶结物含量较少。

(三)物源、主控因素

在物质来源方面，相较于碎屑岩的层序而言，碳酸盐层序的物质来源主要是沉积盆地内的碳酸盐工厂，而碎屑岩层序地层的物质来源主要依靠陆源物质的输入。

在具陆棚坡折的碎屑岩Ⅰ型层序中，不同体系域形成于相对海平面升降旋回变化的不同阶段。LST的盆底扇形成于相对海平面快速下降时期，斜坡扇和前积楔状体形成于相对海平面下降晚期或上升早期，TST形成于相对海平面开始上升时期，HST形成于相对海平面上升晚期、停滞期和下降的早期。

碳酸盐岩层序的发育与全球海平面相对变化的周期性密切相关，全球海平面升降变化和构造沉降等因素共同控制了相对海平面的变化以及可容空间的变化，进而进一步影响了体系域的类型和分布。若假定构造沉降速率不随时间变化，则LST是在全球海平面快速下降、静止和开始上升早期形成的厚层沉积体系，TST是在海平面快速上升、可容空间快速增大时形成的薄层沉积体系，HST是在海平面快速上升末期、静止和开始下降早期形成的沉积体系。

三、具缓坡边缘的碎屑岩Ⅰ型层序与碳酸盐缓坡的Ⅰ型层序之间的异同

无陆架坡折的缓坡盆地与具陆棚坡折的盆地明显不同，其坡角通常在1°以内，没有从浅水到深水的突变带，较缓倾斜与较陡倾斜之间也无梯度突变的坡折。而碳酸盐缓坡(ramp)是指“介于滨线和大陆斜坡之间的平缓斜坡(坡度平均小于0.1°)”[5]。相对海平面下降1～2m将使大部分平顶台地(如大巴哈马滩)产生暴露，但是对于斜坡的特征没有多大影响。因此缓坡特征的沉积模式和对海平面的响应与镶边碳酸盐台地和陡坡具有较大差异。

无陆架坡折的缓坡盆地与碳酸盐缓坡在地形上具有相似性，故将二者的Ⅰ型层序进行比较有一定意义。

(一)边界特征

具缓坡边缘的碎屑岩Ⅰ型层序界面和碳酸盐缓坡的Ⅰ型层序界面，都是在全球海平面下降速率大于盆地沉降速率时产生的，但由于缓坡坡度平缓，而且无陆架坡折，因此，二者的暴露面和海泛面一般是穿时的。碳酸盐缓坡的Ⅰ型层序界面通常还会出现以早期白云华为特征的半咸水透镜体的迁移；其内缓坡以碳酸盐沉积为主，外缓坡沉积则由硅质碎屑泥岩组成，典型实例有英国西南部的早密西西比纪缓坡[5]。另外，其层序界面上通常还可以识别出特征岩相(如土壤层、钙质结合、喀斯特)或容易鉴定的凝缩段(沉积铁质岩、海绿石岩、磷块岩、黑色页岩、具特殊生物组合的灰岩)

(二)体系域构成及LST、TST、HST特征对比

总的来看，具缓坡边缘的碎屑岩Ⅰ型层序和碳酸盐缓坡的Ⅰ型层序均由低位体系域、海侵体系域和高位体系域组成。

在关键界面的识别上，鉴于二者都具有较低的斜坡坡度，因此高水位和低水位之间的缓坡沉积物特征没有明显变化，导致难以找到可直接识别的物理层序界面。同时，低水位沉积与下伏层序内的高水位体系域中的滨面也都很难区分开来。由于层序界面难以直接识别，只能通过层序内部的结构型式进行分析和判别[6]。

此外，在碳酸盐沉积区，气候也是控制层序结构的重要因素[7]。由区域气候变化所控制的碳酸盐缓坡沉积体系，最典型的特点是具有广泛可追索对比的多级旋回性岩性分层序列，具有与米兰柯维奇天文周期良好的可对比性[8]，这是碎屑岩层序所不具备的。有学者也指出，有机的群落生境型的迁移通常对环境变化的指示更加灵敏[9]。尽管沉积物岩性分化不大导致关键界面的识别困难，但对于碳酸盐缓坡来说，生物群落的区域和古地理分化仍十分明显。因此，不同于碎屑岩同斜缓坡，碳酸盐缓坡可以借助于反映当时生活群落生态环境的古生物及其迁移形式分析，仍可以比较可靠地建立较为可靠的层序地层格架。

具缓坡边缘的碎屑岩Ⅰ型层序中，LST的底为Ⅰ型不整合界面，其顶为的初次海泛面。海平面相对下降到沉积滨线坡折以下，因地形平缓缺少明显地形坡折，所以具有缓坡边缘的Ⅰ型层序低位体系域仅由相对较薄的楔状体组成，而没有深切谷和盆底扇。其TST和HST虽然类似于具陆棚坡折的Ⅰ型层序的，但是略有不同。具有缓坡边缘的Ⅰ型层序HST缺乏明显的前积斜层沉积，并在TST和HST中，常见三角洲前缘的浊积岩。

在碳酸盐缓坡的Ⅰ型层序中，LST在低水位期，内缓坡区可完全暴露，和喀斯特化并且发育强烈进积作用的体系，河流硅质碎屑沉积物也可能覆盖或下切前期高水位内缓坡沉积物[10]，而斜坡扇和斜坡裙不发育；在局限盆地中，相对海平面的低水位期可能导致蒸发盐的形成，如Arabian湾侏罗纪Hanifa组，这种情况下可能发育进积的萨勃哈和水下蒸发岩体系。

对于TST，在高能缓坡可能产生一套叠置的或阶状退积和上超的四或五级层序，它们由海滩、障壁岛或障壁沙坝颗粒灰岩和共生的滨面及过度带沉积物组成；在低能缓坡，TST的四、五级层序大部分由泥粒灰岩沉积组成仅在局部浅滩环境有高能颗粒灰岩；在海侵背景中，高级别缓坡层序可能被特殊岩相(如黑色页岩、磷质泥岩、海绿石或鲕绿泥石质铁质岩组成的凝缩段覆盖)。

HST的特征主要表现为沉积相带的强烈向海进积；沉积物中富含碳酸盐颗粒；泻湖相相当发育，且浅滩和泻湖构成了内缓坡的主体；斜坡变陡和倾斜的趋势变大；颗粒灰岩或薄层泻湖沉积物顶部发育喀斯特面。

(三)物源、主控因素

与前述一样，在物质来源方面，碳酸盐缓坡区的主要物质供给来自于海水中的物质本身，异源的陆源物仅有从远源区悬移而来的细少悬浮组分，而碎屑岩层序地层的物质来源主要依靠陆源物质的输入。

区域海平面变化、区域构造控制的盆地容纳空间和区域沉积物源供给量共同制约着层序地层的发育。在碎屑岩Ⅰ型层序中，不同体系域形成于相对海平面升降旋回变化的不同阶段。LST的盆底扇形成于相对海平面快速下降时期，斜坡扇和前积楔状体形成于相对海平面下降晚期或上升早期，TST形成于相对海平面开始上升时期，HST形成于相对海平面上升晚期、停滞期和下降的早期。对于碳酸盐层序来说，LST是在全球海平面快速下降、静止和开始上升早期形成的厚层沉积体系，TST是在海平面快速上升、可容空间快速增大时形成的薄层沉积体系，HST是在海平面快速上升末期、静止和开始下降早期形成的沉积体系。这点与前述相同。

此外，在碳酸盐沉积区，气候也是控制层序结构的重要因素。在碳酸盐缓坡沉积区，这几方面因子有特殊的表现型式和作用规律。当区域构造处于相对稳定或在区域上没有重大分异时期，气候变化可能是控制层序结构的主导因子。在低级别的副层序旋回中，全球或区域气候变迁直接控制了海平面的升降运动，或者两者呈协同变化。无论是生物成因的还是化学成因的碳酸盐沉积物产量，明显受控于气候的波动，与区域气候变化表现出良好的一致

由于海平面的变化引起斜坡带沉积作用的物理、生物和化学条件的变化，加之海洋化学界面上升引起的溶解作用、底流的侵蚀作用和沉积作用、影响陆源区进入海岸地区的腹地构造活动的变化等，使得碳酸盐缓坡的层序地层明显比同缓斜坡的碎屑岩层序要复杂得多。但斜坡带的沉积作用和层序发育相对海平面变化的控制亦十分明显，这种受控于气候变化的沉积速率，也控制了沉积物的可容空间。

结语

陆源碎屑岩和碳酸盐岩的层序在某些方面具有可对比性，本文以被动大陆边缘盆地为背景，主要对比了该构造环境下的碎屑岩Ⅰ型层序和碳酸盐岩Ⅰ型层序的异同。

Ⅰ型层序底部以Ⅰ型层序界面为界，不论是具有何种地形的沉积环境，其Ⅰ型层序界面都是在全球海平面下降速率大于盆地沉降速率而在该处产生海平面的相对下降时形成的产生的。在物质来源方面，碳酸盐缓坡区的主要物质供给来自于海水中的物质本身，异源的陆源物仅有从远源区悬移而来的细少悬浮组分，而碎屑岩层序地层的物质来源主要依靠陆源物质的输入。

区域海平面变化、区域构造控制的盆地容纳空间和区域沉积物源供给量共同制约着层序地层的发育。在碎屑岩Ⅰ型层序中，不同体系域形成于相对海平面升降旋回变化的不同阶段。碳酸盐Ⅰ型层序的发育与全球海平面相对变化的周期性密切相关，全球海平面升降变化和构造沉降等因素共同控制了相对海平面的变化以及可容空间的变化，进而进一步影响了体系域的类型和分布。此外，在碳酸盐沉积区，气候也是控制层序结构的重要因素。在关键界面识别困难的情况下，如碳酸盐缓坡层序，还可以借助于反映当时生活群落生态环境的古生物及其迁移形式分析。

通过对比，不仅可以深化对Ⅰ型层序的理解，也便于记忆陆源碎屑岩层序地层模式和碳酸盐岩层序地层模式的相似与不同。