层序地层学国内外研究进展及应用

层序地层学国内外研究进展及应用2018年1月层序地层学国内外研究进展及应用摘要：为了加深对层序地层学的认识和理解，本文从层序地层学的研究对象和内容出发，系统性地认识层序地层学的研究方法以及理论基础。

首先查找文献初步了解层序地层学的概念体系和以全球海平面变化为特征的理论基础。

其次，梳理了层序地层学的发展历史和近期层序地层学的相关研究进展。

最后，针对塔里木盆地的寒武-奥陶系海相碳酸盐岩的层序地层特征，查找了相关研究成果，加深了对塔里木盆地的海相地层的层序特征的理解。

关键字：层序地层学；研究进展；塔里木盆地；寒武-奥陶系；碳酸盐岩1 层序地层学研究对象及内容层序地层学(Sequence Stratigraphy)是20世纪80年代发展起来的一门新学科和新技术[1]。

它是研究以侵蚀面或无沉积作用面以及可与之对比的整合面为界的、有成因联系并具旋回性的地层格架内的岩石关系为主要内容的一门学科。

层序地层学的诞生和发展伴随着地震地层学、生物地层学、年代地层学和沉积学的发展。

它是以地震地层学为基础，结合有关的沉积环境及岩相古地理解释，对地层的层序格架进行综合解释的科学。

通过对地震、测井和露头资料的分析，研究在构造运动、海面升降、沉积物供应和气候等因素控制下，造成相对海平面的升降变化及其与地层层序、层序内部不同级次单位的划分、分布规律；研究其相互之间的成因联系、界面特征和相带分布，以建立更精确的全球性地层年代对比、定量解释地层沉积史。

当与生物地层、构造分析等结合时，能提供以不整合面或与之相对应的整合界面为界的更精确的地层对比。

层序的基本模式是以不整合为边界，内部是由三个体系域组成(低位体系域、海侵体系域和高位体系域)，层序形成的控制因素主要有四个，即构造沉降、海平面升降运动、沉积物的供给和气候，层序的研究方法包括地震、露头和测井的综合应用。

层序地层学在其发展的过程中逐渐形成了一套相对独立的理论方法体系。

它是在是在地震地层学的基础上发展起来的，并综合了生物地层学、年代地层学、岩石地层学、同位素地层学、磁性地层学、沉积学和构造地质学的最新成果[2]。

它依据生物地层学与年代地层学所建立的宏观年代地层格架基础开展研究，并把自己的研究同已建立的宏观地层格架结合起来；它将地质学和地球物理学相互交叉渗透而迅速发展起来，逐渐形成了一套相对独立的理论方法体系，在实践中不断被完善和发展；它消除了地层学中长期存在的年代地层学、岩石地层学与生物地层学单位的三重命名的混乱现象，第一次提出了全球统一的成因地层划分方案，建立了地层分布模式，提高了对地层的分布预测能力，将地球科学的研究从定性推向定量[3]。

2 层序地层学理论基础2.1 层序地层学的概念体系2.2 层序地层学的理论基础层序地层学的基本原理是构造运动、全球绝对海平面的变化和沉积物供应速度综合作用的结果，产生的地层记录。

这些记录反映了各种地质作用的规模、强弱、持续时间和影响范围。

其中，构造作用与海平面变化的结合，引起了全球性相对海平面变化，它控制了沉积物形成的潜在空间。

构造作用与气候变化的结合，控制了沉积物的类型和沉积数量，以及可容纳空间中被沉积物充填的比例。

而河流和海洋环境中的沉积作用，又由于水流与地形和水深间的相互影响而引起不同的岩相分布。

不同变量具有不同的控制作用，而全球海平面变化是控制地层叠置样式的基本因素，是形成以不整合为边界的沉积层序的根本原因，是建立全球地层对比的重要手段[4]。

图1 四个变量控制层序地层模式Fig. 1 Sequence stratigraphic model controlled by four variables2.1.1全球周期性海平面升降变化[5]层序地层学是在地震地层学理论基础上发展起来的，它继承了地震地层学的理论基础，即海平面升降变化具有全球周期性，海平面相对变化是形成以不整合面以及与之相对应的整合面为界的、成因相关的沉积层序的根本原因。

Haq和Vail(1977，1987) [6]建立了显生亩全球海平面Ⅰ、Ⅱ级变化旋回和中新生代海平面变化年表(图2)。

由于海平面变化的全球性，层序地层学可以成为建立全球性地层对比的手段，重建全球地层对比系统,对具有全球性周期的沉积层序进行准确定年，就能够提供一种特别适合于沉积相和古地理重建的年代地层格架，同时还能获得对全球海平面周期升降规律的认识(图2)。

图2 显生宙全球海平面变化旋回（据Vail等，1977）Fig.2 Phanerozoic global sea level change cycle (Vail et al., 1977)2.1.2 四个基本变量控制了地层单元的几何形态和岩性层序地层学注重研究以不整合面及与之相关的整合面为界的旋回地层的关系。

一个沉积层序是由沉积在一个相对海平面升降旋回之间的各种沉积物组合而成的，一个层序中地层单元的几何形态和岩性受构造沉降、全球海平面升降、沉积物供给速率和气候变化等四个基本因素的控制。

一个沉积层序和地层叠置样式常受构造沉降、全球海平面升降、沉积物供给速率和气候四个基本因素的综合影响。

一般来说，构造沉降速率、海平面升降速率和沉积物供给速率三个参数控制了沉积盆地的几何形态，沉降速率和海平面升降变化综合控制了沉积物可容空间的变化。

2.1.3全球海平面变化曲线特征1.全球海平面变化和相对海平面变化(1)全球海平面变化全球海平面(Global eustasy or Global sea-level)是指海平面相对于一个固定的基准点(如地心)的位置(图3)，它与局部影响因素无关。

全球海平面变化可起因于洋盆体积的变化、全球海洋水体体积的变化和响应于平均海平面的全球重力场等势面的变化。

现今全球重力场等势面相对于地心来说存在180 m的地势起伏，在过去还存在着波动，即在100×104a时间内波动变化了50--250 m，在最近2×104a内波动变化了60 m。

这些波动是由于板块漂移、冰川变化和米兰柯维奇旋回造成的重力变化所形成的。

洋盆体积的变化主要有以下5个原因：①大洋巾脊体积的变化和大洋中脊扩张速率的变化；②大洋碰撞降低了大陆面积、增加了海洋面积；②洋底热诱导隆升，降低了洋盆体积，引起海平面上升，④沉积物注入率和生长率的突然增加；⑤大洋岩石圈的冷却和密度变化。

所有上述变化都是长期的、缓慢的，均持续几百万年，变化速率为1mm／1000 a。

图3 全球海平面、相对海平面及水深的基本含义（据Jerrey，1998）Fig.3 Basic meanings of global sea level, relative sea level and water depth ( Jerrey,1998)(2)相对海平面相对海平面(Relative sea-level)是指海平面与局部基准面如基底之间的测量值。

一个地区相对海平面的变化是全球海平面变化相当地盆地沉降速率的函数(图4)。

水深是指海水表面与海底之间的距离，是全球海平面、构造沉降和沉积物供给3个变量的函数，即是由相对海平面变化和沉积物供给决定的。

在不同尺度上可以发生相对海平面的变化。

短期相对海平面变化可以是由波浪、潮汐、风暴巨浪、海啸造成的，略长期的季节性和年度潮汐作用也可造成相对海平面的升降，温度下降、含盐度降低和大气压增高均可造成相对海平面下降；反之亦然。

更长期的相对海平面升降变化往往是全球海平面变化和海底隆升造成的。

在区域范围内，更重要的影响因素是造山运动、火山活动、沉积物压实和热机制。

图4 作为全球海平面变化和沉降作用函数的海平面相对变化及其对可容纳空间的影响（H.W.Psamentier等，1988）Fig.4 Relative sea level changes as a function of global sea level change and subsidence and their effects on accommodation space (H.W. Psamentier et al., 1988)2.全球海平面相对变化特征目前较为流行的海平面相对变化曲线是出Exxon公司科研人员对全球不同地区沉积盆地进行研究得出的(Vail,1977，Haq,1987)[7]。

他们认为，在不同大陆边缘确定的海平面相对变化周期不仅具有同时性，而且具有相似的升降幅度。

通过对比研究并利用区域海平面升降周期众数的平均值，Vail等人建议了一种全球海平面变化曲线。

在20世纪70年代根据海岸上超建立了第一代海平面升降曲线。

Vail等人认为，全球海平面升降变化具有不称性，并存在2个一级周期、14个二级周期和数以百计的三级周期。

2个一级周期分别出现在前寒武纪到早二叠世(约350 Ma)和中三叠世至今(约225Ma)。

14个二级周期表现出较缓慢的海平面相对上升和快速的海平面下降，周期持续时间为10-80 Ma。

在80年代，Haq和Vail等人对70年代的全球海平面相对变化曲线进行了修改[7]，依据海平面相对变化周期不同阶段沉积样式，结合磁性地层、生物地层的研究成果，分别编制了三叠纪、侏罗纪、白垩纪和新生代全球海平面变化周期曲线(图5)，并将70年代海平面相对变化改称为海岸上超的相对变化，重新编制了不对称的非锯齿状的波状曲线，将海平面的升降变化周期细分为巨周期组、巨周期、超周期组、超周期和周期。

巨周期组和巨周期为一级周期，周期频率约为200 Ma，是由控制全球海平面变化的构造运动引起的，界限处于早、晚三叠世。

超周期组和超周期构成一级周期．周期频率为9—10 Ma。

一般的周期作为三级周期，周期频率为1—2Ma 。

三级周期的成因与全球冰川引起的海平面变化有关。

还可分出周期频率为0.1和0.01—0.02Ma的四级和五级高频周期。

图5 侏罗纪-第三纪全球海平面相对变化周期（Vail，1977）Fig. 5 Jurassic-Tertiary Global Sea Level Relative Change Period (Vail, 1977) 3.全球海平面相对变化周期与层序级别(1)全球海平面相对变化周期全球海平面相对变化周期指的是一个时间段落，在这段时间内发生了全球海平面的相对上升和相对下降。

一个典型的海平面相对升降变化周期包括海平面的逐渐相对上升、静止期和迅速的海平面相对下降。

一个海平面相对变化周期可以在全球、区域和局部规模上加以识别。

尽管仍有人认为层序是没有级次的，但大多数人认为，不同级次的海平面升降变化周期形成了不同级次的层序。

所以，正确划分并准确确定海平面相对变化周期是层序地层学研究的基本问题。

根据Vail 和Miall等人的研究成果，一般将海平面升降变化周期分成一级、一级、三级、四级和五级周期。