層序地層學研究新進展

2002年apg年會的62篇文章涉及上層地層學和層次化評估。展廳還進行了一天的特別展覽，反映了去年的層序地層學研究取得的重大進展。我國層序地層學理論研究及應用的廣度、深度與國外尚有一定差距。本文介紹2002年AAPG年會反映的層序地層學理論和應用新進展,以期有助于我國在該學科領域追趕國際先進水平。1新理論1.1地震剖面的識別對許多在擠壓型、伸展型和鹽構造背景下生長的地層調查發現,生長地層的同沉積變形可以構成由運動學體系域組成的“運動學層序”,其地層單元局部被不整合限定,可通過地震剖面或露頭的反射終止形式來確定和識別。將運動學體系域與基于露頭和地下界面系統的沉積相分布和(或)地質年代學數據對比,研究生長斷層、鹽構造和同生褶皺的幕式生長特征及沉積相展布,可以恢復生長地層運動學歷史。1.2基準面與陸架邊緣的鑒定墨西哥灣北部常見侏羅紀陸架邊緣碎屑沉積大規模快速崩塌形成的“崩塌層序”,在低位期常見,進積作用強烈的高位期也時有發生。崩塌基準面(BFS)是原始崩塌面與隨后形成的沖刷面及印模面組成的復合界面,其上覆蓋深水砂巖沉積。崩塌層序底界被崩塌基準面不整合所限,頂界可以是洪泛面或后繼的崩塌基準面。多數富含深水砂巖的Ⅰ型層序可能與陸架邊緣崩塌有關。通過地震資料、測井曲線特征及古生物資料,可以識別這種陸架邊緣崩塌地層組合。1.3海底曲流河樣式的穩定性使用側向掃描成像設備,在佛羅里達的DeSoto峽谷和加利弗尼亞的Monterey海灣,觀察到水深超過3km的海底曲流河樣式的峽谷地貌被遠洋軟泥覆蓋,而要淹沒它們,海平面波動至少要達3km。假設洋底擴大的裂縫體積是因地球半徑擴大而增加的體積,據此計算地球半徑的增加量,認為地球半徑的周期性變化可以引起深海盆地千米級規模的海平面變化和海洋低水位期的剝蝕、運移與沉積作用。1.4古新世海平面形貌米蘭柯維奇地球軌道旋回理論對分析層序很有用。有證據表明,40×104a的離心率周期造成了白堊紀—古新世全球海平面變化。巴西大西洋邊緣中生代裂谷沉積研究亦表明,氣候變化與高頻的米蘭柯維奇振蕩旋回關系密切。1.5黃鐵礦滯后沉積物深水頁巖對海平面的響應及層序劃分歷來是高難度的課題。在晚泥盆世Chattanooga黑色頁巖中發現了含黃鐵礦的滯后沉積物,頁巖中的牙形石可記錄1Ma內的海平面波動。滯后沉積物具有波浪形成特征,反映存在海平面下降形成的剝蝕面。覆蓋剝蝕面的黑色頁巖記錄了海平面上升,鮞綠泥石層反映海平面低位期,大量藻類孢囊充填豐富的二氧化硅和黃鐵礦,與高水位條件一致,可能反映海平面的高水位期。2新方法2.1生物地層模型古生物學是層序地層學研究的支柱之一,生物種群及其豐度可指示層序地層界面,生物形態、生物地層的標定和孢粉學都可在層序地層研究中應用。北海上侏羅統Humber群的溝鞭藻可用于編制高分辨率的標準藻類地質年代表,據此建立的生物地層模式在濱岸和臨濱都適用,已用于修正區域對比結果和確定油田規模。在印尼蘇門答臘盆地的層序地層研究中,使用“綜合古生物系統(IPS)”分辨樣品與樣品之間的細微環境差別,把大量生物地層數據壓縮成“生態群”(定義為小范圍內海平面相對升降周期),構成“生態地層”。依據組群環境定義的13個“生態群”包括“浮游的”、“海相的”、“淺層的”,用于劃分區域性等時單元。生物地層模型由多種生物地層事件組成,根據生物標志物的種類、組合及豐度變化確定其頂底。先通過形態對比建立區域復合標準剖面,消除大的地理范圍內層序構型及構造作用對生物事件序列的影響;然后建立局部的復合標準,識別削截模型,定義局部的層序構型,預測層序構型對生物事件序列的影響。有兩種方法研究孢子對海平面的反應:①現代模擬方法(比較巖心分析資料與現代花粉、孢囊分布);②實驗方法(在實驗過程中不斷增加化石埋藏史,定量模擬地質時代對孢子收集的影響)。交叉使用這兩種方法重現中新世至今的新澤西陸緣海平面,與其它資料(如穩定同位素、遺跡化石等)對比,證明海平面升降(因地球轉動影響)是影響新澤西陸緣形態的重要因素。2.2地震地質和地質三維可視化技術可以直觀展現三維地震勘探以及鉆井、測井、沉積相及生物地層研究成果,可用于分析層序地層格架中儲集層與圈閉條件。如研究挪威北海Osebtrg油田西側隱蔽生長裂谷帶的沉積學和地質模式時,利用可視化技術(地層描述、回歸模擬等)及地震模式作出同期裂谷砂體展布圖,與構造、地層模式相結合,研究斷層和隱蔽圈閉。在墨西哥灣,應用高分辨率的AUV海底成像和三維地震可視化技術描述深水濁積扇的要素,鑒別沉積凸起、堤成谷、剝蝕谷、滑塌塊和滑塌斷崖等。在巴西濱外帶Santos盆地,采用可視化技術提取地震時間構造面、反射強度、層間信息,用生物地層及沉積相資料標定,識別斜坡滑塌沉積、坡腳扇、盆地扇等儲集砂體和圈閉。在墨西哥灣維拉克拉茲盆地,應用三維可視化技術識別切蝕谷、堤成谷、扇中溝道和鹽、泥刺穿等圈閉類型。2.3地震地質屬性識別應用人工神經網絡技術建立地質相、儲集層特性和地震參數的聯系后進行三維可視化分析,可以預測孔隙度、儲集層流體和巖性,也可進行烴類檢測。對高分辨率地震數據及其派生的地震屬性進行數理統計及神經網絡分析,可以識別體系域中的沖刷面及古河道。如墨西哥灣南部March地區用這種方法發現了中新統的地層圈閉。2.4地震地質及地質事件的基本特征層序地層數學模擬著重于沉積充填及圈閉形成歷史,可視為盆地模擬的延伸,約束條件主要有:①地震剖面層序邊界幾何形態深度轉換;②生物標定的層序邊界年齡;③根據生物地層學、地震時深轉換和地層幾何形態重建的古水深剖面;④測井巖性分析;⑤根據地震屬性解釋的砂巖分布等。層序地層學應用研究日趨綜合,綜合分析露頭、巖心、地震、測井、古生物、各種分析化驗及地化資料,輔以先進的數據處理、統計技術及三維可視化技術,可更好地解決實際科研生產問題。3新應用3.1中生界碳酸鹽巖沉積特征碳酸鹽巖層序地層研究相對薄弱,但已有重要進展。對西德克薩斯二疊系及沙特阿拉伯侏羅系碳酸鹽巖的研究表明,其可容空間受低頻的連續構造沉降與高頻的米蘭柯維奇氣候旋回引起的海平面變化綜合控制,造成深水與淺水的碳酸鹽巖交替沉積,暴露期比沉積期更長,低水位期缺乏淡水補給,高水位期沉積的碳酸鹽巖被低水位期的成巖作用保護而免于被溶蝕。沉積速率的局部變化與水深、氧含量、營養物質、碎屑注入量及鹽度關系密切。中東的中生界碳酸鹽巖中所含的微體古生物反映海平面變化,如阿拉伯東北地區Thamama組粒泥灰巖從下至上發育水平有孔蟲、疊錐形有孔蟲、有口的鈣藻和小粟蟲類和粗枝藻,反映向上變淺的沉積序列,可用以劃分地層層序。在阿曼,根據下白堊統碳酸鹽巖的幾何形態、沉積相及地球化學特征研究層序地層演化。3.2層序地層格架在意大利MonteCamposaura的白堊系碳酸鹽巖成巖作用與層序地層研究中,提出了成巖礦化度旋回的概念。一個完整的旋回從海水成巖作用開始,經過混合作用、淡水作用、混合水作用和海水作用過程,潛水面變化可能與相對海平面波動旋回有關。成巖礦化度旋回保存于海相的文石相和方解石相中,可以根據上傾方向成巖作用預測下傾方向的沉積層序,也可以根據下傾方向的層序地層預測上傾方向成巖作用。對愛爾蘭石炭系Mullaghmore組、猶它州上白堊統Ferren砂巖和巴西二疊系RioBonito組碎屑巖的研究發現,貧生物碎屑的低水位體系域河流砂巖和高水位體系域河控三角洲砂巖及海侵砂巖的碳酸鹽膠結物含量很低;在準層序界面和海侵面上發育的海侵滯留沉積及高水位體系域浪控三角洲砂巖中,富含生物碎屑的沉積物中鈣質和白云質膠結普遍,沿準層序界面和海侵面分布的碳酸鹽膠結物形成隔板。與層序地層相關的早期成巖變化對砂巖深埋后的成巖特征及儲集層質量有重要影響。低水位體系域河流砂巖的黏土包裹層經常演化為伊利石,而高水位體系域三角洲砂巖的黏土包裹層轉變為綠泥石。3.3低水位體系圈閉的預測隱蔽的巖性、地層圈閉與層序地層格架關系密切,研究主要集中在三方面:①根據層序內部界面和體系域界面預測地層的厚度變化趨勢和巖性變化趨勢,如砂體進積、泥巖超覆等,進而預測圈閉;②研究特定的沉積體,如低水位體系域中的辮狀河切蝕谷、陸架切蝕谷、斜坡扇、滑塌扇、海底濁積扇、濁積水道砂體等,它們均可形成良好的圈閉;③研究層序地層與成巖作用的關系,預測成巖隔層、膠結層,如加州Joaquin盆地LostHill油田的研究等。3.4盆地內部的地層格局在層序地層格架(尤其是大型的三角洲沉積)中,經常發育含油氣系統的各組成要素。低水位體系域常發育砂巖儲集體,高水位體系域和海侵體系域發育蓋層和圈閉,層序地層間相關性和工業制圖描述了儲、蓋層的分布,有利于盆地建模和確定烴類運移路徑。尼日爾三角洲的研究表明,三角洲進積的沉積載荷使重力不穩定,導致拉張、刺穿、壓縮等有關變形,進而導致超壓環境,形成巨大的拆離面。構造與沉積的相互作用不但形成三角洲體系內部的圈閉與蓋層,還形成油氣運移通道。通過巖心、測井及地震資料,可以研究層序格架中的沉積相展布、地層結構及隔層分布,作為油氣成藏建模基礎,結合三維可視化技術,可以更直觀地展現含油氣系統,預測砂體及圈閉的展布。3.5儲集層地震勘探相德士古石油公司在巴西Santos盆地油氣勘探中,綜合分析鉆井、測井資料及二維、三維地震資料,建立油氣層序地層格架。通過地震制圖識別與基底控制及鹽體流動有關的構造區帶,將地層厚度圖(反映沉積中心遷移)與地震相分析結合,預測儲集層及蓋層、隔層的分布。在尼日爾三角洲,綜合應用三維地震數據、測井數據、高分辨率生物地層學以及地球化學信息研究區域地質,并結合年代地層學預測巖性油氣藏。綜合層序地層學和巖石物理學可以預測改善砂巖儲集層物性的因素。在新墨西哥Vacuum油田成熟的碳酸鹽巖儲集層研究中,綜合運用層序地層學、儲集層特征、碳酸鹽巖相模式及三維可視化的巖溶地震屬性。綜合運用層序地層學、巖石學和巖石物理學確定儲集層質量,已成為Alabama州WomackHillSmackover油田優化開采方案研究的一部分。3.6研究所取得的信息油藏動態與其在層序和整個體系域框架內的單元位置有關。在Starfak油田和Louisiana油田的研究中,所用信息包括幾十項開采數據、155口井的各種地球物理資料、井壁取心和特殊巖心分析、烴類分布和類型、油藏巖性和巖相、孔隙度和滲透率、開采特征等,證實了第四級體系域(高水位區、海進區和低水位區)的孔隙度和滲透率有明顯差別,導致體系域不均衡,各開采區的特征可用于預測未來全油田的產量。3.7地下水滲流對抗tra根據對層序地層學、古生態學和淺層地下水運動規律的研究,在氣候和基準面驅動的營養物平衡作用下,可以形成大型三角洲體系烴源巖層序,其分布在時間和空間上都可預測。對Po、Rhune、Orinoco和密西西比三角洲全新統鉆井、高分辨率地震和定時取樣數據的研究表明,泥炭相傾向于在海侵體系域內退積岸線的靠陸一側可容空間內堆積。富生物的泥沼需要補充富營養的水。地下水和溢岸水補充一般發生于相對海平面上升期,此時岸線后退,部分三角洲平原中的富營養河水流向陸地方向,促進泥沼發展;隨著高水位期系統的前積,富營養河水和地下水向海域排泄,剝奪了對泥沼的營養供給,從而限制