定量地层学研究

高分辨率层序地层研究现状~

目前，国外主要是以美国科罗拉多矿业学院的Cross TA.教授为代表，研究范围主要 涉及海岸平原-浅海沉积体系、河流沉积体系、湖相沉积体系及深湖浊流沉积等不同相带 的高分辨率层序地层研究，在综合应用多种资料的基础上，建立高精度的层序地层格架，对储层进行预测，并总结了一套研究高分辨率层序地层的思路和方法。近年来，高分辨率 层序地层学研究已开始对地层沉积过程的模拟进行探索，通过正、反演模型的建立对不同 构造背景、不同沉积环境的地层样式和储备层分布进行定量预测，成为高分辨率层序地层 学研究的热点。
高分辨率层序地层学的理论与技术于1995年被介绍到国内之后，通过教学、报告和 现场工作等形式得到迅速的传播及应用。邓宏文、郑荣才等总结了地层基准面在岩性剖 面、测井曲线和地震剖面上的识别标志，指出沉积物的体积分配原理是高分辨率层序地层 学的理论基础，较为系统地介绍了该学派的基本原理后，引起了国内石油地质学家广泛关 注。近年来，以邓宏文（1995，1996，1997，2000，2004）、郑荣才（2000、2001、2003）、刘招君（1994，1997，1998）等为代表，开展了多方面的研究，应用领域涉及石 油勘探与开发等诸多石油地质领域和油气藏勘探、开发工程等方面。目前，高分辨率层序 地层学具有从勘探应用向开发应用方向发展，从储层空间分布预测向储层非均质性研究方 向延伸，从储层地层对比预测到剩余油分布预测综合研究，从定性地层分析到定量的地层 形成过程模拟等深层次的精细地质研究（TipperJ.C.，2000），这一趋势预示了高分辨率 层序地层学理论在油气田勘探开发应用中的良好前景。
近年来利用高分辨率层序地层学的理论和方法在珠江口盆地已开展了一些研究工作 （邓宏文等，2005），但总体上研究程度较低，尚未涉及四级以上层序及储层控制因素等 精细地质问题。因此，本文在总结高分辨率层序地层学理论和研究方法的基础上，结合惠 州凹陷古近系深层储层实际情况，针对古近系深层储层珠海组和恩平组进行了比较系统的 高分辨率层序地层学研究，并在等时的格架内分析储层时空展布规律。

层序地层学研究取得的进展，主要集中于从1988年以来的第三发展阶段。此间，层序地层学真正成为了地学一大亮点和热点，并取得了多方面、多层次的巨大进展。
1.学派纷呈
从传统层序地层学发展到经典层序地层学、成因层序地层学、高分辨率层序地层学，三大主要理论体系齐放异彩，并成为层序地层学的三大主要流派和支柱技术体系。现在，还出现了不少新的层序地层学概念和发展方向。主要有：
1）高频率层序地层学（Van Wagoner等，1990）。其主要研究相当于Miall等（1991）和Posamentier（1992）划分的四至六级高频旋回层序的层序地层学。它不同于高分辨率层序地层学（Posamentier，1992；Cross，1994）。高分辨率强调的是不同级次的基准面层序旋回的等时对比的高分辨率、高精度；而高频层序旋回是周期为米兰科维奇驱动的气候变化和高频短周期海平面的产物，大量发育于多数为自旋回的碳酸盐岩中，它具有局部或区域对比意义，如巴哈马群岛新近系泥灰岩、灰岩交互的进积型碳酸盐岩高频旋回的主要控制机制就是轨道岁差/旋回。
2）生物层序地层学（殷鸿福等，1997）。它将层序地层学与生物地层学紧密结合，通过生物带“顶”、“底”相对位置，更精确地确定层序年龄、划分对比层序和恢复层序沉积环境。
3）成岩层序地层学。它是把成岩作用和孔隙演化与海平面变化相联系的产物，它强调成岩微观资料在层序形成演化研究中的重要意义，因为成岩事件和成岩现象在层序界面的特征表现在一定程度上响应了沉积时期的海平面变化、构造抬升、气候变化等信息，因而能够为层序研究提供更有用的微观信息。如在挪威海域埋深很大（大于5 000 m）的早中侏罗世地层中，受层序地层的控制，进积作用期海水与淡水混合带向海方向迁移，而不大可能渗入滨海相砂岩形成高孔隙度储层；而在强烈加积作用时期，海水与大气淡水混合强烈并使滨海相砂岩发生较强的绿泥石沉淀作用，形成厚厚的绿泥石包壳而阻止后期硅质胶结作用的发生，从而局部发育高孔隙度（＞30%）的优质储层。
此外，还涌现出了露头层序地层学、测井层序地层学、化学层序地层学、应用层序地层学以及层序充填动力学等新概念。
这些新的层序地层学概念的大量涌现，无一不是层序地层学引起人们广泛兴趣、百家争鸣的结果，无疑是它特有的魅力的具体体现，是人们倾注大量思索和实践的最好表白。
2.研究对象与理论模式拓广
从被动大陆边缘盆地拓展到活动大陆边缘盆地（包括造山带沉积盆地）、克拉通内陆坳陷盆地、裂谷盆地、断陷盆地等，从海相盆地拓展到陆相盆地，从滨浅海相硅质碎屑岩沉积拓展到海相碳酸盐岩沉积及海陆混合沉积，甚至发展到冰川沉积的层序地层学研究，层序地层学研究领域不断拓展。如Davila和Roberto对巴西潘雪拉盆地冰蚀谷充填的拉伯砂岩，对威斯特伐利亚阶（C2）/斯蒂芬阶（C3）进行层序地层学研究认为，冰积区的层序地层概念模型不同于一般的被动边缘盆地，主要区别在于冰积区海侵期具有很高的沉积供给和前积速率，而盆地中的主要退积作用和细粒物质沉积远离冰川中心。Camana等对阿尔卑斯、撒丁岛、比利牛斯山脉、西班牙、瑞典和中国不同地质构造背景元古宙到中生代的硅化萤石、重晶石、含硫化物岩层硅化和矿化碳酸盐岩宿主岩层进行了层序地层研究。
相应地，层序地层模式的建立也取得很大发展，从最初被动大陆边缘层序地层模式的建立发展到适合不同构造沉积背景盆地、不同类型沉积的层序地层模式。
3.研究手段多样化
从最初主要依靠地震、钻井资料，发展到地震、钻井、测井、露头剖面、古生物组合及古生态、地球化学、成岩演化、磁性地层以及现代计算机技术等多种手段综合应用，研究手段越来越多样化，并开始实现宏观地质调查与微观测试分析、定性描述与定量刻画-模拟的充分结合，更加强调多学科的交叉渗透与整合发展。如利用地面穿透雷达（GPR）对巴西潘雪拉盆地Vila Velha砂岩中冰川河道舌形体进行三级沉积层序海侵体系域的内部组成分析和三维几何形态的描述；利用深度分辨率相当于10 m的三维地震图像和测井资料进行四级高频层序体系域、层序边界和层序的识别与编图；用定量化的 FMI图像测井资料校正高分辨率层序地层图，标定不同等级的沉积旋回，得出海侵期沉积较细、储层不发育，仅在海侵旋回的白云岩化部分发育高渗透储层，而海退期沉积物较粗、发育高孔渗储层，尤其是海退的淋溶带发育高渗透储层；用碳酸盐岩碳、氧、锶稳定同位素定量测试手段（李儒峰；郑荣才等，1997；谢渊等，2002）研究海相层序地层的形成演化，揭示稳定同位素组成变化与海平面升降、层序形成演化的关系。
4.研究精度极大提高
从最先主要研究三级层序，发展到对包括四至六级高频层序在内的多级别层序地层的研究，并以高分辨率地震、测井和精细露头层序地层学分析、高新测年技术等为依托，研究高频沉积旋回的成因与控制因素，对沉积演化史的刻画与层序地层的垂向演化及空间展布形态和样式的模拟再现更趋深刻与真实。如保加利亚东北部 Cape Kaliacra剖面萨尔马特阶11 m厚，由6个风暴层（碳酸盐岩风暴层）与微晶灰岩交互沉积的高频层序旋回，每个风暴层沉积从一个侵蚀面开始，侵蚀面上由风暴流高峰期块状滞留沉积组成（灰质砾石），向上很快变为风暴回流的最后阶段砂粒级鲕粒灰岩（交错层理），风暴层上部由正常气候下海侵时期的微晶灰岩退积层序盖住；德国三叠纪干盐湖米级的砂岩-碳酸盐岩-页岩韵律旋回性沉积所反映的海侵-海退或更好地解释气候潮湿-干旱变化形成的沉积旋回是受1万年的米兰科维奇气候周期性变化的控制。
5.生产应用要求提高及领域拓宽
层序地层学研究初期主要是为沉积盆地分析、储集体-烃源岩-盖层发育与分布的宏观预测等提供指导，现今已发展到为精细油藏描述、储集小层识别与对比，次生孔隙发育带预测、储层宏观-微观非均质性描述、岩性-地层型隐蔽油气藏的勘探，甚至油田开发动态模拟等多个领域服务；从服务于油气勘探程度低的地区发展到为勘探程度高的油气开发区甚至油气老区的促产挖潜提供技术支持。从最初主要为油气勘探服务发展到服务于煤田、油气以及其他矿产的资源评价、勘探开发等多个方面。
此外，还有学者对黑色页岩是海（湖）侵沉积的经典结论提出了疑义，认为湖泊相黑色页岩更有可能记录的是碎屑湖泊中低水位期间的沉积。因为根据包括瑞典下白垩统在内的全世界的湖泊相黑暗色页岩的描述，有一个共同的特点：它们均直接与含盐和低水深环境相联系，沉积中发育泥裂、蒸发岩、白云岩、燧石、叠层石，具碳酸盐岩氧同位素正偏移以及高盐度的生物地球化学标志。气候变干旱也同时减少了碎屑溶解的供给和底水的通风换气性，从而有利于有机质的聚集和保存。因此，气候变化所决定的底水氧化作用强度和水/沉积物的注入情况的变化，是控制湖泊小级别沉积旋回的主要因素，有机质的沉积是介于碎屑沉积作用和化学沉积作用之间的一种地质作用。
综上所述，20多年来层序地层学理论的巨大发展及其在国内外油气勘探和地质研究等领域中的广泛而又有效的应用表明，它在许多方面明显优越于其他分支的地层学科：①沉积解释比其他地层学更加符合客观地质实际；②对生、储、盖层的时空展布具有更强的预测性和更高的预测精度；③更有助于在油气勘探成熟的盆地和新的油气勘探盆地中发现新的油层；④能帮助更为准确地计算盆地油气资源量和发现常规解释所遗漏的隐蔽油气圈闭及含油气远景区。正是由于层序地层学具有这些优越性，铸就了它旺盛的生命力，使它已经和正在并即将给地层学、沉积学及油气勘探等带来更具革命性的飞跃和发展。

4.1.5.1 定量地层学研究的概念与成果

对于定量地层学，目前尚没有一个明确严格的定义，黄泽辉（1994）指出定量地层 学是以现代计算机技术为辅助手段，应用各种数学原理及方法，研究地层时间序列的一个 分支，它是地层学原理、数学方法及现代计算机技术相结合的产物。Agterberg（1990）指 出定量地层学是利用相对简单或复杂的数学-统计方法及少量的数据来计算出可以提供最 大预测能力的数学模型，并且也包含其置信限度的方程式。

相对于生物地层学、岩石地层学等一些“古老”的地层学分支来说，定量地层学是 一门相对“年轻”的学科，从产生至今也不过40余年的时间。自Shaw于1964年发表著 作“Time in Stratigraphy”，建立了定量地层对比方法Graphic Correlation（图形对比法），由此标志着定量地层学的诞生。从那以后的半个世纪，定量地层学获得了长足的进步，尤 其是1976年IGCP第148号“定量地层对比技术的开发和评价”开始实施。从1976～ 1981年，该计划研究重点是地层对比定量方法的摸索与建立。1981年以后，研究重点已 从理论性或方法学的探讨，转向各种方法的应用研究（张启锐，1992）。

在这40多年的研究中，人们做了许多尝试，有的失败了，有的成功了，但是所有这 些尝试都成为定量地层学发展的不可或缺的部分。目前最普遍的3种方法是Graphic Correlation（图形对比法）（Shaw，1964；Miller，1977；Edwards，1982，1984，1989），RASC（排序标度法）（Agterberg et al.，1982；Agterberg，1990；Agterberg et al.，1999），限制性最优化法（Constrained Optimization）（Kemple et al.，1995；Sadler，2003；Sadler et al.，2003），其他方法还包括单元组合法（Unitary Associantion）（Savary et al.，1999； Guex，1991；白俊峰等，1995），OEA法（Appearance Event Ordination）（Alroy，1992，1994，2000）等。Sadler（2004）对于目前主流的定量地层学原理及方法作了总结。我国 在定量地层学研究方面跟随全球步伐，自1986年10月在中国湖北江陵召开国际地科联定 量地层委员会和我国有关单位共同举办的第六届国际定量地层学学术讨论会以来，标志着 中国开始引入定量地层学理论。

相对于传统的生物地层学，定量地层学有许多优势。Gradstein（2004）对定量地层学 的优点归纳为以下9点：

1）对化石资料数字化的同时，也对其进行了标准化，同时对于客观（半客观）地层 方法的执行提供简单的方式来获得所有的数据及对其进行解释。

2）数据集和结果很容易进行交流，并且能够加入新的信息来升级系统。

3）能够将所有化石和物理（比如同位素，测井曲线等）事件应用到一个地层方案来 增加其分辨率和实际应用能力。

4）方法和结果（分带＋对比）比手工方法应该更加的客观。

5）生物带、事件及它们的对比可能附加误差条线（error bars），以此来改善实际地 层分辨率和事件对比可信度的洞察力。

6）在剖面上对于丢失的事件可以进行插值来增加对比的细节。

7）不像主观地层学，新方法提供了不止一种的可能性来解决数据，这主要依靠运行 条件（多重工作方式假设）。

8）层序地层的基准面及趋势可能被发现及定义。

9）新方法可以解决大型的和复杂的数据集，并能迅速地计算出可靠的解决方案。

在此，应该强调其中的第3条：定量地层学所应用的资料，不仅仅包括各种生物资 料，还包括各种可以识别和对比的物理和化学资料，包括磁性地层界面，层序地层界面，火山凝灰层，同位素峰值，等等。可以说，只要是有对比意义，可以用来进行对比和识别 的因素都可以运用到定量地层对比，使得定量地层学成为一门综合地层学。

当然，定量地层学也有它的局限性。例如，其结果不能推理和演绎化石的时间和空间 的分布；由于地层质量的问题，它很难直接权衡某一化石的重要性；大规模地收集和整理 数据是一个十分费时的工作。然而，定量地层学在实际应用中已经越来越显示出它相对于 传统地层对比的优越性，因此，运用它是利远远大于弊的，这也是它为什么会被广大的石 油公司和科研机构所采用的原因。

4.1.5.2 研究区定量地层学研究成果

本次研究通过西藏江孜—浪卡子地区钙质超微生物地层结果，应用目前成熟的定量地 层学方法——图形对比法（Graphic Correlation）和限制性最优化法（Constrained Optimization），对该区侏罗纪—白垩纪界线地层进行精确的定量地层对比，建立高分辨率 的地层单元格架。同时，利用获得的复合剖面的数据与国外已知的钙质超微化石年龄进行 对比，以求得该地区生物地层的年龄值。

鉴于上述定量地层学的诸多优势，本次工作基于新发现的钙质超微化石的分布，对西 藏江孜—浪卡子地区晚侏罗世—早白垩世地层进行了定量研究。在目前研究的剖面中，江 孜地区早白垩世地层中化石相对丰富，有利于开展定量地层学研究。

江孜地区的钙质超微化石保存完好，分布连续。其中，甲不拉剖面（图4.6）和甲不 拉沟口剖面（图4.7）的年龄值可以通过其化石和其他剖面具有年龄值的化石对比插值获 得。其目标就是确定江孜剖面上哪些生物事件发生的时代与全球其他剖面基本一致，如果 一致，就可以将这些生物事件的年龄值插入江孜地区的剖面。

上述过程可以通过两个不同的数据库来检验这种假设。第一，一些钙质超微化石的年龄 值已经通过与早白垩世的磁性年代地层综合获得（Bralower et al.，1995；Hardenbol et al.，1998；Ogg et al.，2004）。第二，可以利用图形对比法将23条已经发表的早白垩世地层剖面 中钙质超微化石、菊石、丁丁虫类和磁性年代地层综合在一起，然后把这些数据与 MIDK45CS数据库（MIDK45CS数据库包含了150多条剖面和3200多个生物事件及其他事件 层，时代跨度为Aptian—Maastrichtian期）（Scott，2009）进行复合（表4.5）。于是，就形 成了包含白垩纪各个时代的综合数据库CRET1。江孜剖面的化石通过图形对比法与CRET1数 据库进行对比，就可以获得其年龄值。图形对比的方法和参考文献可以查阅Scott（2009）。

图4.6 江孜地区甲不拉剖面早白垩世钙质超微化石地层分布

表4.5 CRET1数据库所收集的剖面信息（LOK.n表示GraphCor数据库里的文件名）

续表

图4.7 江孜地区甲不拉沟口剖面早白垩世钙质超微化石地层分布

CRET1数据库中早白垩世最底部阶（Berriasian阶）的首现面（FO）和末现面（LO）由推荐的GSSP剖面或著名的参考剖面确定。而早白垩世各个阶的底界则根据Ogg et al. （2004）和Reboulet et al.（2008）中推荐的生物事件作为标志。

Berriasian阶的底界，也即侏罗系/白垩系的界线通常是由Berreiasella jacobi的首现面来 定义的。许多其他超微化石也可以作为确定该界线的辅助标准（Bralower et al.，1989；de Kaenel et al. ，1996；Bown，1998）。例如，Manivitella pemmatoidea，Nannoconus wintereri，Cruciellipsis cuvillieri，Speetonia colligata和Polycostella senaria的首现面发生在Tithonian阶的 最晚期，Nannoconus kampteri，Nannoconus steinmannii minor，Cretarhabdus octofenestrata和 Markalius circumradiatus及其他一些化石的首现面则出现在Berriasian阶的最早期。

西班牙Barranco de Canada Luenga剖面被推荐为Valanginian阶底界的标准界线层型剖 面，由Calpionellites darderi的首现面，也即是Calpionellid生物E带的底界作为其标志。该 生物事件发生的时间被确定为140.2±3.0 Ma（Ogg et al.，2004），而在CRET1数据库中 Luenga剖面上Calpionellites darderi的首现面被确定为142.01Ma。在CRET1数据库中与该界 线最近的生物事件包括Calcicalathina oblongata的首现面，被确定为141.15Ma；Tirnovella pertransiens的首现面，被确定为140.71Ma。法国的La Charce剖面则被推荐为Hauterivian阶 底界的标准剖面，由Acanthodiscus radiatus的首现面作为其标志，其年龄值被定为136.4± 2.0 Ma（Ogg et al.，2004），而在CRET1数据中其年龄值被确定为134.28Ma（表4.6）。

表4.6 江孜剖面微体化石通过CRET1数据库插值所获得的年龄值及其 与Hardenbol et al.（1998）年龄值的对比

单位为Ma；NA为无年龄值。

在此利用图形对比法（Graphic Correlation）把江孜地区甲不拉和甲不拉沟口两条剖面 的生物事件和CRET1数据库的复合剖面进行对比，对比线（LOC）由已知的最知名的生 物事件确定。利用对比线可以把江孜地区的两条剖面复合到CRET1数据库中，同时把 CRET1数据库中的年龄值投射到这两条剖面上。对比线分为两段，由Nannoconus steinmannii minor的末现面和Calcicalathina oblongata，Nannoconus steinmannii ss. 的首现面 对其进行限制。C. oblongata的首现面在Valanginian阶的底界附近，N. steinmannii的首现 面在Berriasian阶的底界附近，但两者都比界线位置稍高。通过这种投射，Tithonian阶最 晚期的菊石的年龄值被确定为144. 68Ma，这比由Berriasiella jacobi的首现面定义的 Berriasian阶底界（144.50Ma）稍早（图4.8）。

图4.8 江孜地区钙质超微化石分布与CRET1数据库中相同种对比结果 （方形符号为首现种（FO）；十字符号为末现种（LO）；对比线由生物事件确定）Fig.4.8 Graphic crossplot of the nannofossil ranges in the Jiabula section of Gyangze with ranges of the same species in the CRET1 dataset （Species first occurrences are indicated by a square symbol and last occurrences by a plus symbol. The line of correlation（LOC）is controlled by bioevents）

通过对比线（LOC）的投射，甲不拉剖面Berriasian阶的底界被确定在剖面的44m 处，Valanginian阶的底界被确定在剖面的100m处，Hauterivian阶的底界由Acanthodiscus radiatus（Reboulet et al.，2008）的首现面确定，被确定在剖面的314m处，其年龄值为 134. 28Ma。由卡东村剖面的火山凝灰岩层获得的同位素年龄值，通过计算与其接触的维 美组和桑秀组的厚度，被投射在甲不拉剖面的220m处，其年龄值通过对比线（LOC）投 射被确定为137. 61Ma，这与桑秀组锆石测得136±3Ma符合得非常好。在图表中，同位素 年龄误差框（errorbox）跨度为6Ma，误差框上部与对比线（LOC）接触点位于136Ma，该误差框显示了卡东村剖面的火山凝灰岩层投射在江孜剖面的可能的区域。同时，卡东村 剖面Inoceramus everesti Oppel的首现面被投射在江孜剖面白垩纪超微化石的首现面和侏罗 纪菊石之间。据计算，沉积物的堆积速率在江孜剖面的下部大约为22.6m/Ma，在剖面的 上部大约为28.2m/Ma。

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