浅海和海岸平原地层的叠加样式、沉积物体积分配和相分异

可容纳空间与沉积物的体积分配~

一、沉积物体积分配的概念
在基准面变化过程中发生的沉积物体积分配作用最先由Barrel（1912）和Cotton（1918）识别出来。沉积物体积分配是基准面旋回内不同沉积环境可容纳空间动态变化的结果。它指的是基准面旋回过程中可容纳空间大小随地理位置变化，由此，堆积在可比较的沉积环境中的沉积物体积发生时空变化（Cross，1988）。基准面上升期，地表和基准面的交点向上坡方向移动，扩大了可容纳空间的范围，增加了向盆地边缘部位沉积物储存的能力，及至引起堆积在盆地边缘相域内的沉积物体积的增加。盆地边缘相域内沉积物储存空间的增加必然减少了向下坡方向搬运的有效沉积物体积，由此堆积在靠近盆地中心位置相域内的沉积物体积相应减少。基准面下降期，盆地边缘相域的可容纳空间比该旋回基准面上升期的可容纳空间小，被搬运到盆地中心位置的沉积物体积增加。因此，在盆地从陆相到海相环境的广泛区域内，与基准面上升期相比，基准面下降期沉积物在冲积平原和海岸平原环境中多发生路过冲刷作用，更多的沉积物堆积在下坡临滨和陆架相域中。而基准面上升期间，在盆地边缘上坡位置储存能力增加，较少的沉积物被搬运到下坡相域。这种在基准面旋回期间，在相域内保存不同沉积物体积的过程称之为“沉积物体积分配”。
图1-6说明了海岸平原—滨海相域可容纳空间位置的迁移（图1-6A）及导致的沉积物的体积分配和地层堆积样式的变化（图1-6B）。在二维剖面上，沉积物的体积分配作用直

图1-6 基准面穿越旋回期间不同相域的沉积物体积分配

接表现为同一沉积体系的地层在相同时间单元内、不同地理位置沉积地层厚度的变化。由此可以看出，沉积物的体积分配作用是基准面旋回变化过程中，相同相域不同沉积环境中可容纳空间的四维（空间+时间）动力学变化的结果。
基准面旋回及其伴随的可容纳空间的变化过程中的沉积物的体积分配作用表明地层过程-响应系统遵循能量守恒定律。Barrell（1917）早就认识到：“一个不整合标志着一个时间域，该时间域在其他区域表现为地层沉积”。也就是说，如果某一地区存在一个不整合面，在不整合面的下坡终点位置必然存在着在时间上与其相当的由该不整合面剥蚀搬运而来的沉积物堆积的地层。由此，可以联想到湖盆或海盆边缘发育的三角洲或扇三角洲顶超现象向盆地方向必然存在着沉积物的前积作用；向上变浅的“准层序”仅发育在临滨或三角洲前缘部位，沿斜坡向上的海岸平原或冲积平原位置必然存在着与海（湖）泛期对应的沉积物的堆积作用；低水位的下切河谷的存在意味着沿斜坡向下在盆地中心部位会发生盆底扇或类似的沉积体。正是由于沉积物的体积分配作用，某一地区地层记录所具有的信息（地层保存程度、几何形态、内部结构等）必然包含着在时间上与其相同的另一个地区的地层（或不整合）属性的信息。也正因为如此，地层记录才具有时空分布的有序性和三维空间分布的可预测性。
沉积物体积分配作用导致或影响相域诸多的几何特征和岩性特征，这些特征包括成因层序叠置样式、作为地层和地理位置函数的地层旋回的对称性、地层不连续面出现的频率、相分异、原始地貌要素的保存程度和地层构架特征等。沉积物体积分配还决定了哪些岩石和哪些地层不连续面在时间上是相等的。如果用严格的、独立的操作认识这些在基准面旋回期间增加和减少可容纳空间的沉积学和地层学响应，那么准确的、高分辨率的地层对比和预测是可能的（Cross，1991）。
二、沉积物体积分配的地层学和沉积学响应
沉积物体积分配是一个重要的概念，因为沉积物的体积变化反映了A/S值在时间域和空间域的变化。其结果直接伴随着：①地层旋回的对称性随时间和空间的变化；②进积/加积地层单元的叠加样式；③反映原始地貌要素保存程度的相分异作用，具体包括原始地貌的几何形态、沉积物的保存程度、沉积厚度、地层不连续界面出现的频率、沉积物的内部结构、流体流动单元的连通性、岩石非均质性等一系列地层学和沉积学响应。T.A.Cross（1998）指出：“地层和相的所有其他属性都由沉积物的体积分配作用控制，或与沉积物体积分配作用有关。”只有从基准面旋回和可容纳空间变化产生的沉积物体积分配的过程-响应动力学观点出发，才有可能理解其导致的诸多的地层学和沉积学性质，并根据这些性质反演基准面旋回，开展正确的时间地层单元对比，建立时间地层对比格架，并解释与预测地层性质时空分布的变化。
1.旋回对称性的变化
旋回对称性是基准面变化过程中上升半旋回时间和下降半旋回时间形成的岩石记录的一种特征。所谓对称性旋回指的是基准面半周期内包含大致相等的岩石厚度，相序表现出ABCDCBA或CDWXWDC形式，这里的ABCD和WXYZ分别代表海相和陆相相域内的相序特征。不对称旋回则以基准面下降时期堆积的沉积物为主或基准面上升时期堆积的沉积物为主。不对称基准面下降旋回具有ABCDABCD或CDWXCDWX形式的相序特征，不对称基准面上升旋回相序以ZYXWZYXW或XWDCXWDC形式出现（图1-7）。
旋回对称性随地理和地层位置的改变是沉积物体积分配的地层学响应，旋回对称性的变化是地层对比的重要辅助信息。图1-6 表示了一个成因层序（加积/进积地层单元）在基准面旋回变化过程中由于沉积物的体积分配作用导致的地层旋回对称性的变化。沿着原始倾斜剖面，由斜坡向盆地方向地层发生由基准面上升非对称旋回到对称旋回再到基准面下降非对称旋回的变化。斜坡上部，在冲积平原或海岸平原上坡位置，由于基准面下降期间在该处大量沉积物剥蚀或路过被搬运到下坡位置，因而地层旋回由基准面下降不整合（或沉积间断）和上覆的基准面上升期间堆积的沉积物组成，形成由基准面上升期沉积构成的不对称旋回。在海岸平原向下坡的位置，由于基准面上升和下降期间均有足够的可容纳空间使沉积物得以保存，形成对称的地层旋回；继续向海方向，由于海泛作用的增强，地层旋回逐渐失去了基准面上升部分，最后完全由以洪泛面为界的临滨砂岩构成的基准面下降旋回组成，即“向上变浅的旋回”或“准层序”（Wagoner，1990）；向盆地中心位置，地层旋回的对称性又逐渐增加。

图1-7 地层旋回对称性示意图

地层旋回的对称性变化表明，在沉积地层单元沉积的范围内，由于沉积物的体积分配作用，沉积物的堆积作用是不连续的。因而，正如上一节所述，在不同的地理位置，地层有时由岩石+岩石组成，有时由岩石+不连续界面组成。其时间对比关系是：冲积平原环境基准面下降期间形成的地层不连续面在时间上相当于沿斜坡向下临滨或三角洲环境中基准面下降期形成的地层。临滨位置的“准层序”上覆的洪泛面（海侵冲刷不整合）在时间上相当于海岸平原和冲积平原位置基准面上升期沉积的地层。
图1-8为犹他州中部白垩系海岸平原—滨面相Ferron砂岩中沉积物体积分配和旋回对称性变化的实例，临滨位置地层旋回为非对称性的基准面下降半旋回，其上发育厚度很薄的海侵滞留沉积物；向岸线方向，代表基准面上升的海侵沉积厚度逐渐增厚；在海岸平原和浅海交互的沉积环境，旋回对称而且厚度比临滨旋回大；沿斜坡向上坡至海岸平原位置，旋回对称性又变差，并逐渐变为不对称、以基准面上升为主的旋回（Gardner，1993）。
2.成因地层单元的叠加样式
在较长期的地层旋回内，沉积物体积分配决定了连续沉积的进积/加积地层单元的叠加样式。以海岸平原—临滨—浅海陆架沉积剖面为例，长期基准面旋回下降期间，构成长期地层旋回的成因层序呈进积叠加样式（seaward-stepping），由于沉积物向盆地搬运能力的增加，海岸平原相域沉积物储存能力的逐渐减小，冲积平原或海岸平原成因层序的厚度自下而上逐渐变薄，旋回的对称性逐渐变差直至仅由基准面上升半旋回组成，其顶部可能出现陆上不整合。在临滨相域内，随着自海岸平原搬运来的沉积物逐渐增加，成因层序厚度

图1-8 一个成因层序内不同地理位置的旋回对称性变化

向上增大，旋回的对称性逐渐变差直至仅由基准面下降半旋回组成（图1-9）。长期基准面

图1-9 长期基准面下降期沉积的向海进积的成因层序

上升期间，构成长期地层旋回的成因层序呈退积叠加样式（landward-stepping），海岸平原相域内成因层序厚度向上厚度逐渐变厚，旋回的对称性变好，由非对称的基准面上升旋回向更对称的旋回变化，反映了海岸平原相域储存能力随时间的增加。由于冲积平原沉积作用增强，沉积厚度增大，在临滨和陆架相域成因地层旋回厚度向上逐渐变薄，但旋回的对称性变好，从非对称的基准面下降旋回渐变为对称旋回。海岸平原相域旋回厚度向上的增加同临滨和陆架相域旋回厚度向上变薄有关（图 1-10）。成因地层单元的垂向加积样式（vertical-stepping）则形成于基准面上升的末期或下降的早期，可容纳空间没有明显的变化。

图1-10 长期基准面上升期沉积的向陆退积的成因层序

一、基准面旋回结构类型和表达方式
1.基准面旋回表达方式
在高分辨率层序地层分析中，不同级次的基准面旋回通常都采用粒度的粗细变化代表基准面的上升或下降(图5-1)，如粒度自下而上由粗到细代表了基准面上升(或水进扩展作用，可容纳空间增大)，在图形上用正三角形表达，而由细到粗代表了基准面下降(或水退收缩作用，可容纳空间缩小)，在图形上用倒三角形表达，但在部分学者的研究成果中，对相当于层序或体系域的低频高级别旋回分别采用正三角形和倒三角形表达基准面(或湖平面、海平面)的上升和下降，而在相当于准层序的高频低级别旋回的表达方式中，无论基准面处于上升或下降状态，都采用倒三角形表达，甚至连河流相二元结构中的河道正粒序及上覆河漫滩沉积序列也用倒三角形表达，虽然这一序列具有无可非议地由粗到细的粒度变化过程，但在沉积微相的组合上则被认为是代表了由深变浅的基准面下降(或可容纳空间减小)过程，并认为河流相沉积旋回总是表现为以堆积基准面下降期的向上变浅的半旋回沉积记录为主，而基准面上升半旋回表现为水进侵蚀或无沉积间断面。事实上，在河流相地层的自旋回沉积过程中，当河水面处于低水平面的位置时(旱季)，仅发生河道底部的滞留砾岩、心滩和河道侧翼的边滩砂体沉积，只有当河水位上涨到洪水位或高出洪水位时(雨季)，即相当于基准面上升到高水位的泛滥期位置时，才依次发生沉积物溢岸形成的天然堤、泛滥平原和决口扇等漫滩期的广泛泥、粉砂质沉积，形成向上变“深”和变细的剖面结构。一旦洪水位回复到低水平面状态，河道依然恢复到以发育底部滞留、心滩和侧翼边滩沉积为主，而泛滥平原被回落的洪水面(也可视为基准面或河流侵蚀面)穿越后随即进入暴露侵蚀状态，仅在河道间的低洼处，如河间洼地、河间湖、河间沼泽，才保存有洪水回落时发生的决口扇沉积。因此，在垂向剖面上，自下而上虽然由河道滞留→边滩→天然堤→泛滥平原等微相类型组成了由深变浅的微地貌变化顺序，而沉积记录却是对应于基准面上升半旋回的由粗变细和河水位逐渐上升及水体加深的过程(图5-2)。类似的情况也出现在三角洲分流河道沉积区、滨岸的潮坪沉积区、障壁滩的潮道沉积区和水下扇的内扇-中扇沉积区。由此可见，用正三角形表达由粗到细的基准面上升半旋回过程，和用倒三角形表达由细到粗的基准面下降半旋回过程是合理的，更便于进行层序分析和实际操作。
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2.基准面旋回基本结构类型
不同级别的基准面旋回结构虽然都可划分成三个基本类型及更多的亚类型，但此特征在较短周期的(或高频的)旋回层序中更为典型，按基准面升、降过程的沉积旋回演化序列，通常可将三个基本类型进一步划分为七个亚类型(图5-3)。有意义的是，相同结构的基本类型和亚类型可出现在不同的沉积亚相或微相组合中，往往具有相似的岩性组合和粒序变化特征，而同一亚相或微相中，在不同的部位可出现不同类型的旋回结构，以及相关的岩性组合和粒序变化，此特征表明基准面旋回的结构类型并不完全受特定的沉积环境控制，而是受控于可容纳空间的大小与沉积物供给量之间的关系(即A/S比值)。在一般情况下，具有较低可容纳空间和较高沉积物供给量的沉积环境(A/S比值小于1，如河流和三角洲)，其水动力条件往往也很强，以发育向上变“深”非对称型中的A1和A2亚类型，以及向上变浅非对称型中的B1亚类型旋回结构为主，而具有较高可容纳空间和较低沉积物供给量的沉积环境(A/S比值大于1)，其水动力条件相对较弱，以发育对称型中的C1，C2，C3亚类型和向上变浅非对称型中的B2亚类型旋回结构为主。由此可见，较长周期基准面旋回过程中的A/S比值和相关沉积环境的能量条件变化机制，即可容纳空间机制是控制较短期基准面旋回结构类型和叠加样式的主要因素。各类型和亚类型基准面旋回特征于本章第二节中有详细描述和系统归纳。

图5-2曲流河中由粗变细的基准面上升半旋回对应由深变浅的微地貌单元关系图解(底图据高志勇2007年资料，图面和表达含意有较大的修改)


图5-3基准面旋回的基本结构类型

二、基准面旋回结构的对称性和叠加样式
1.基准面旋回结构的对称性变化
旋回的对称性是基准面变化过程中上升半旋回时期和下降半旋回时期形成的岩石记录的一种特征(图5-4)。所谓的对称性旋回指的是基准面半周期内包含大致相等的岩石厚度，相序表现出ABCDCBA或CDWXWDC形式，这里的ABCD和WXYZ分别代表海相和陆相相域内的相序特征。不对称旋回则以基准面下降时期堆积的沉积物为主或基准面上升时期堆积的沉积物为主。不对称基准面下降旋回具有ABCDABCD或CDWXCDWX形式的重复相序特征，不对称基准面上升旋回相序以ZYXWZYX或XWDCXWDC形式出现(图5-4)。

图5-4地层旋回的对称性变化示意图(据邓宏文等，2002)

地层旋回的对称性是随地理位置和沉积作用方式的改变而发生沉积物体积分配的地层学响应，因此，地层旋回的对称性变化是成因分析和区域(或区块)内地层对比的重要辅助信息。以三角洲沉积体系为例，图5-5表示了一个成因层序(加积/进积地层单元)在基准面旋回变化过程中，沿着原始倾斜剖面，由斜坡向盆地方向由于沉积物的体积分配作用而导致的地层旋回对称性变化过程。从此图中可以看出在不同的地理位置，旋回的对称性变化有如下四个特点:

图5-5三角洲-湖泊体系基准面旋回结构的对称性变化(据邓宏文，1995，略有修改)

(1)在冲积平原、海岸平原或斜坡上部的上坡位置，由于基准面下降期间在该处大量沉积物剥蚀或过路被搬运到下坡位置，因而地层旋回由基淮面下降不整合面(或沉积间断)和上覆基准面上升期间堆积的沉积物组成，形成由基准面上升期沉积构成的、以冲刷面为层序底界面的向上变“深”的非对称型地层旋回或“准层序”(Van Wangoner，1990);
(2)在海岸平原向下坡的位置，由于基准面上升和下降期间均有足够的可容纳空间使沉积物得以保存，形成以弱冲刷面或整合界面为层序底界面的对称型地层旋回或“准层序”;
(3)继续向海方向，由于海泛和水进冲刷作用的增强，地层旋回逐渐失去了基准面上升部分，最后完全由以洪泛面为界的临滨砂岩构成的基准面下降旋回组成，即向上变浅的非对称型地层旋回或“准层序”(Van Wangoner，1990);
(4)在盆地的中心位置，由于基准面上升期处在缺乏沉积物补给的饥饿状态而形成无沉积间断面，于下降期才接受沉积，因此，仅发育以无沉积间断面为层序底界面的向上变浅的非对称型旋回或“准层序”为主。
如上所述，从陆地向蓄水盆地方向，或伴随自上游向下游方向的搬运和沉积作用过程，当基准面处于上升期时，发育向上变“深”的非对称型旋回，由此再逐渐过渡到对称型旋回，地层旋回对称性的演化特点为向盆地方向的非对称性逐渐增强;当基准面处于下降期时，地层旋回的变化由对称性旋回逐渐演化为以向上变浅的非对称型旋回为主，向盆地方向地层旋回的非对称性逐渐减弱。
地层旋回的对称性变化在区域上的分布具有很强的规律性，也同样发育在同一个基准面旋回的沉积地层单元范围内，由于沉积物的体积分配作用，沉积物的堆积作用是不连续的，因而在不同的地理位置或地层，有时由岩石-岩石组成对称型旋回，有时由岩石-不连续界面组成非对称型旋回。其时间与岩层的对比关系是:冲积平原环境基准面下降期间形成的地层不连续面在时间上相当于沿斜坡向下临滨或三角洲环境中基准面下降期形成的地层。临滨位置的“准层序”上覆的洪泛面(或海侵冲刷不整合面)在时间上相当于海岸平原和冲积平原位置基准面上升期沉积的地层。
图5-6为犹他州中部白垩系海岸平原—滨面相Ferron砂岩中沉积物体积分配和旋回对称性变化的实例(邓宏文，2004)，临滨位置地层旋回为非对称性的基准面下降半旋回，其上发育厚度很薄的海侵滞留沉积物;向岸线方向，代表基准面上升的海侵沉积厚度逐渐增厚;在海岸平原和浅海交互的沉积环境，旋回对称而且厚度比临滨旋回大;沿斜坡向上坡至海岸平原位置，旋回对称性又变差，并逐渐变为不对称、发育以基准面上升为主的旋回(Gardner，1993)。

图5-6同一个基准面旋回(或成因层序)内不同地理位置的对称性变化(据邓宏文等，2002)

注:1mile=1609.344m。
2.成因地层单元的叠加样式
在较长期的地层旋回内，沉积物体积分配决定了连续沉积的进积/加积地层单元的叠加样式，以海岸平原—近滨—浅海陆架沉积剖面为例，长期基准面旋回下降期间，构成长期地层旋回的成因层序呈进积叠加样式(seaward-step-ping)，由于沉积物向盆地搬运能力的增加，海岸平原相域沉积物储存能力的逐渐减小，冲积平原或海岸平原成因层序的厚度自下而上逐渐变薄，旋回的对称性逐渐变差直至仅由基准面上升半旋回组成，其顶部可能出现陆上暴露侵蚀成因的不整合。在近滨相域内，随着由沿岸流从三角洲搬运来的自岸向海方向迁移的沉积物逐渐增加，成因层序厚度向下坡方向增大，旋回的对称性逐渐变差直至仅由基准面下降半旋回组成(图5-7)。长期基准面上升期间，构成长期地层旋回的成因层序呈退积叠加样式(landward-stepping)，海岸平原相域内成因层序厚度向上厚度逐渐变厚，旋回的对称性变好，由非对称的基准面上升旋回向更对称的旋回变化，反映了海岸平原相域储存能力随基准面上升时间的推移而增加。由于冲积平原沉积作用增强，沉积厚度增大，在近滨和陆架相域成因地层旋回因沉积物供给量的减少而厚度向上逐渐变薄，但旋回的对称性变好，从非对称的基准面下降旋回渐变为对称旋回。海岸平原相域旋回厚度向上的增加与近滨和陆架相域旋回厚度向上变薄有关(图5-8)。成因地层单元的垂向加积样式(vertical-stepping)则形成于基准面上升的末期或下降的早期，可容纳空间没有明显的变化。

图5-7长期基准面下降期间沉积的向陆退积的成因层序(据邓宏文等，2002)


图5-8长期基准面上升期间沉积的向陆退积的成因层序(据邓宏文等，2002)

该项研究说明了地层过程-响应系统的有序性，并指出了产生有序性的原因。作者观察到了从硅质碎屑海岸平原到陆架地层中与地层旋回叠加样式一致的地层学和沉积学的许多性质的系统变化，可以根据保存原理和地层基准面的观点分析这些地层学和沉积学性质的变化。地层基准面描述了可容纳空间变化所需要的能量与用于侵蚀、搬运和堆积沉积物的地表过程能量之间的平衡状态。可容纳空间与沉积物供给比值（A/S）的变化引起基准面的变化，A/S条件的变化和物质的保存决定了不同环境堆积的沉积物的体积和类型。

在时间域内，沉积物被分配到海岸平原和滨面相域。两种相域内总的沉积物体积比的变化伴随着非海相与海相砂岩体积比的变化。沉积物体积分配反映了沉积物搬运、改造与自生自源作用（Cannibalization）、净堆积速率之间的平衡，它可以由伴随地层基准面旋回的A/S条件的变化来解释。

沉积物体积分配控制或影响着各种规模的沉积学和地层学属性，包括相构成、相组合和相序、原始地貌要素保存程度、岩石物性、地层结构、不同成因间断面的出现频率等。可以识别出两种类型的相分异，一种是相同环境、不同A/S条件下原始地貌要素的变化；另一种是地层记录中原始地貌因素保存程度和比例的变化。相分异导致了相同环境沉积的相的多样性和岩石的非均质性。与向陆退积旋回中均质的砂质滨面地层相比，向海进积旋回的非均质滨面地层形成于相对较低的A/S条件。同样，与向海进积旋回的均质河道砂岩相比，向陆退积旋回的非均质分流河道形成于相对较高的A/S条件。在均质地层中，不连续的地层面所代表的时间比岩石代表的时间要多；在非均质地层中，大部分时间是由岩石而不是间断面来代表的。

从保存原理和地层基准面的观点来看，多种类型、各种规模的地层学和沉积学性质都表现为连续、系统的变化样式。这种有序性在相同沉积环境保存下来的产物序列中产生了过渡的相构成、相序和相组合。通常描述为“相模式”的相域的沉积学性质是基准面旋回期间分别存在的地貌要素的产物的混合体。未来的相模式应该从地层学的观点来构建，在这种相模式中存在以过渡形式出现的相序和相组合的连续序列，它们是相同沉积环境的不同产物。

一、地层背景和叠加样式

上白垩统Ferron砂岩是沉积在犹他州中东部前陆盆地大型三角洲位置的一个海退—海进楔状体（Gander和Cross，1994）。该时期海平面接近最高位，可容纳空间和沉积物供给都较大。因此，Ferron砂岩沉积时期更多地表现为岩石而不是侵蚀面和非沉积作用面，缺乏区域性不整合面。

Ferron砂岩由8 个前积/加积地层单元（短期地层旋回）形成，以向海进积、垂向加积和向陆退积的几何形态排列（图 3-8）。每个前积/加积单元包括海岸平原、河口湾/海湾/潟湖、滨面和陆架相域几个部分。连续的三维露头和地球物理测井为进行跨相域的短期旋回对比提供了资料基础。

图3-8 Ferron砂岩上部短期地层旋回的进积、退积、加积叠加样式

在Ferron砂岩中可识别出三种时空规模的地层旋回（Gander，1993；Gander和Cross，1994）。每种规模的地层旋回均记录了完整的地层基准面旋回或能量旋回（Wheeler，1960）。在一个能量旋回期间，可容纳空间与沉积物供给比值（A/S）单向减小到一个极限（基准面下降到最大值），然后再单向增加到另一个极限（基准面上升到最大值）。A/S值单向增加或减小的极限或“转换点”，在每个地层旋回的空间展布范围内是可以对比的。每种规模的地层旋回均是以时间界面为界的岩石单元，这些单元由一个基准面旋回期间形成的所有地层和小型沉积间断组成。在对比中，不管规模大小，所有地层旋回的起始点必须选择同样的转换位置。该项研究中，起始点选在基准面上升到下降的转换位置，因它最实用，其位置最容易识别，易于追踪，且常被文献引用。

进积/加积地层单元的叠加样式是中期基准面旋回A/S条件变化的产物。向海进积单元（图3-8中1～3）沉积在A/S值减小期，垂向加积单元（图3-8中4）沉积在中期基准面下降到上升的转换位置，向陆退积单元（图3-8中5～8）沉积在中期基准面旋回上升期。

二、沉积物体积分配

海岸平原和滨面相域沉积物体积的相对比例随短期地层旋回在叠加样式中的位置而变化，这是短期和中期基准面旋回A/S条件变化的几个重要响应之一。当地层基准面上升、与地表相交的位置逐渐出现在地形剖面相对较高的部位时，A/S值增加，上坡位置沉积物贮存能力增加，因此，更多的沉积物贮存在上坡的陆相环境，而可供搬运到下坡滨面和陆架环境中的沉积物则较少。相反，当A/S值减少时，更多的沉积物进入滨面和陆架环境，而上坡陆相环境中贮存则相对较少。短期地层旋回中沉积物体积分配的程度，正如用保存于不同相域的沉积物的比例来测算的一样，随中期基准面旋回A/S条件的变化而变化。

在Ferron砂岩上部的4个进积/加积地层单元中进行沉积物体积分配的测量。根据取自露头、测井和校正的照片镶嵌图、分布面积超过68平方英里的97个数据点作图。用经过标准化了的沉积物体积测量值解释相域的古地理位置和宽度的变化，以及研究区到逆冲前缘沉积体系保存的不完整性。客观的、统一的标准化程序是测量每个短期地层旋回滨面（三角洲前缘）相域向海、向陆沉积边界之间的陆相和海相相域的沉积物体积（图3-8）。

在这些古地理界线之间，分别测量浅海和海岸平原地层中沉积物总体积和砂、泥岩的总体积，这样可以比较进积、加积、退积单元中浅海与海岸平原地层沉积物总体积和各种岩性所占的比例。

测量结果可用滨面相域海、陆沉积边界间海岸平原和滨面地层的岩性分布厚度-距离交汇图表示（图3-9）。根据相域边界方向和古水流分析可以确定图示方向平行于沉积走向，作图原点设在距滨面相域向陆沉积边界的某一固定的距离。这些图显示了每一加积/进积单元的海相和非海相砂岩体积、总的砂岩和泥岩体积以及沉积物总体积。沉积物体积可表述为：①浅海对海岸平原地层的砂岩体积比；②地层旋回总的砂/泥岩体积比；③每个地层旋回总的沉积物体积。计算出每个位置的沉积物体积和岩性比例，与厚度-距离图上的平均值进行比较。

图3-9 Ferron砂岩上部厚度-距离关系图

从进积到退积的地层单元，总沉积物体积和总砂岩体积减小（图3-9）。进积地层单元2和3非海相与海相砂岩体积比分别是1∶12和1∶32，加积单元4是1∶6，退积单元5是1∶7。进积旋回记录了浅海地层沉积物体积的增加和海岸平原地层沉积物体积的减少以及可容纳空间向盆地方向的迁移，滨面前积作用大于海岸平原加积作用。垂向加积旋回在旋回边界附近没有或很少发生相的迁移，连续的地层旋回中沉积边界的迁移也不明显，几乎相等的沉积物分布在这两个相域。与此相反，退积地层旋回记录了海岸平原沉积物体积的增加、浅海沉积物体积的减少以及可容纳空间向陆的迁移，海岸平原加积作用大于滨面进积作用。

退积旋回中总沉积物体积和总砂岩体积的减少，反映了滨面相域宽度的减小。与进积旋回相比，加积与退积旋回由于海进引起海岸平原的可容纳空间和贮存能力增加，从而减少了输送到浅海环境的沉积物体积。加积和退积旋回中海岸平原相域砂岩贮存位置的迁移也反映了这些旋回沉积过程中A/S值的增加。

由于可容纳空间是可供沉积物聚集的潜在空间，沉积物的搬运方向并不影响反映沉积体积和可容纳空间的厚度-距离交汇图。厚度-距离交汇图中的外源沉积物（如沿岸搬运的沉积物）可能影响纵横比，但不会影响相关相域的沉积物体积分布。

三、滨面相域的相分异

由于沉积物体积分配作用，使保存在特定相域、但处于基准面旋回不同位置的地层结构、相组合和相序、岩石多样性、层理类型、岩石体的连续性和连通性、岩石物性等都发生变化。“相分异”（Cross et al.，1993）就是指基准面旋回期间这些沉积学和地层学性质的变化。如前所述，相分异反映了原始地貌要素的保存程度及不同时期、同一沉积环境地貌要素类型的变化。地貌要素保存程度受沉积物增加、减少和净聚集之间的相对平衡所控制。这些过程的速率受基准面旋回期间伴随A/S值条件变化的沉积物体积分配的强烈影响。

进积、退积单元中滨面相域的地层在岩石非均质性、相序与相组合、斜面角度、几何形态和纵横比，以及浪成和水流地貌要素的相对主次等方面有很大差异。高A/S值条件下沉积的退积滨面砂岩较均匀、颗粒较粗，以浪成和波浪改造的相组合为主，相域宽度较窄；低A/S值条件下沉积的进积滨面非均匀性明显，波浪和水流成因的混合导致相分异性明显，包含很多完全保存下来的底形和其他古地貌要素。前人曾注意到墨西哥湾海岸三角洲（Curtis，1970）、西部内陆海道滨面（Mackenzie，1972）相域不同叠加样式的地层学和沉积学性质的差异性，但未作解释。

进积和退积地层旋回的下三角洲前缘相记录了相同水深从风暴到好天气的浪基面，但其地层学和岩石学性质有很大区别（图3-10）。退积旋回的下三角洲前缘序列厚度较薄（＜1～4 m），由于前积于下伏进积/加积单元形成的平坦的浅水台地之上而具有突变的底界面。它们由相对单一的相互切割叠置的丘状交错层组成，顶部为对称纹层和/或水流非对称层纹层。该相组合表明沉积物以沉积改造作用为主，堆积作用和生物潜穴作用为辅，海底底形和其他古地貌要素的保存作用有限。

图3-10 Ferron砂岩上部向海进积和向陆退积的地层旋回陆架、浅海、海岸平原相域和相组合示意图

进积旋回的下三角洲前缘是由浅水沉积物重力流、波状到丘状交错层砂岩、对称和非对称波状纹层砂岩和诸多的泥岩夹层组成的混合物，砂、泥岩比例大致相当，富含炭屑和塑性沉积变形构造，且生物潜穴较少。沉积层的几何形态从相互叠置状到板状均有发生，并以透镜状广泛发育、原始地貌要素保存程度高为特征。这些现象记录了大量的洪水衰退流和风暴衰退流事件。

退积旋回的上三角洲前缘相由1～20 m厚、分选好、中到细粒、发育相互叠置的丘状到槽状交错层理砂岩的向上变粗的序列构成。下三角洲前缘向上三角洲前缘的过渡是明显的，砂泥比从大约5∶1变为大于10∶1。向海倾斜的层面更加陡峭，但因岩性的均质而显得模糊。遗迹化石分异度高，按丰度顺序依次为：Skolithos、Dphiomorpha、Thalas sinoides、Planolites、Diplocraterion、Aremcolites、Rosselia及Chondrites。

进积旋回中，上三角洲前缘相非均匀砂、泥岩的向上变粗序列表明河流影响增加。沉积相和地貌要素具多样性，包括叠置的分流河口坝、生长断层、旋转滑动体和分流间湾地层以及上滨面风暴成因的丘状层和滩槽。延伸较长的、连续分布的泥质披盖和泥岩层分隔衰退洪水流和风暴事件沉积的砂岩。相互叠置的大、小规模的底形全部保存下来。生物潜穴往往局限于砂岩上部。斜面清晰，但较退积单元的滨面要缓。

响应基准面旋回的沉积物体积分配作用可以解释滨面相域的相分异特征。进积地层旋回中，海岸平原保存的沉积物较少，大部分沉积物被河流搬运到海岸、三角洲前缘、滨面和陆架环境，使岸线更不规则，表现为朵状、伸长的三角洲岬角和港湾。三角洲前缘以河流作用为主，进积迅速，沉积速率较高，构建了一个开阔的低角度三角洲平台，由此增加了波浪的摩擦阻力，分散了波浪的能量。较高的沉积速率和波浪能量的分散，减少了波浪和水流对搬运到滨面和三角洲前缘沉积物的改造时间和效率。因此，形成的地层由在多种浅海环境中洪水流和风暴事件形成的保存好、分异性明显、非均质强的富泥组合构成。

退积地层旋回以海岸平原堆积的沉积物多，泥/砂比例增加为特征。正因为如此，较少的砂质沉积物被搬运到三角洲前缘。砂质三角洲前缘的前积作用和沉积速率减小，波浪和水流有相对更多的时间去改造和分选滨面沉积物，因此，三角洲前缘相均质、富砂，沉积物的波浪改造作用和再分配作用明显，相的多样性减少。

在进积到退积的短期旋回中，从河流为主到波浪为主的变化反映了三角洲前缘剖面对海浪、水流、分流河道沉积卸载相互间平衡的敏感性。远滨台地斜坡和三角洲前缘剖面的改变反映了沉积物流量的变化。Wright和Coleman（1973）提出，高流量、以河流作用为主的三角洲具有低梯度斜坡，而低流量、以波浪作用为主的三角洲则具有较陡的斜坡。三角洲形态的变化伴随着保存在三角洲内的小规模地貌要素的变化。这些变化导致不同短期地层旋回、相似水深的相组合内相的构成及各相所占比例的差异性。

Ferron砂岩进积/加积单元的滨面相域提供了两种相分异作用的典型实例。第一种相分异类型，即地层控制了构成地貌环境的地貌要素的类型，其表现为：由进积到退积地层单元，逐渐由以河流作用为主的三角洲到以波浪作用为主的三角洲的明显变化。这里能分析出来的三角洲地貌变化的唯一控制因素是伴随小规模地层旋回叠加样式的A/S条件的改变。不同的三角洲类型并没有表现出受气候变化、汇流盆地的大小、卸载、距岸距离、陆架宽度、水深、构造形态或其他因素的控制。搬运到三角洲前缘的沉积物通量是A/S值变化期间海岸平原相域不同沉积物贮存能力的函数。随沉积物通量和组成的变化，河流输入与海洋改造作用间的相对平衡也发生改变，导致三角洲地貌的不同。第二种类型的相分异，即原始地貌要素保存程度的变化。该项研究表明，在进积和退积地层旋回中构成滨面相域的相的沉积学性质明显不同。相的多样性和保存程度的增加是退积旋回的典型特征，而相互叠置、相互“吞并”和低的相分异性是进积旋回的典型特点。同样，这种变化又归因于对原始地貌因素保存作用和完整性有重要控制作用的A/S条件的变化。

四、海岸平原相域的相分异

海岸平原相域的地层旋回包括：记录基准面下降的贫有机质、富砂相（分流河道和决口扇/决口河道砂岩）以及记录基准面上升的富有机质、贫砂相（沼泽和泛滥平原泥岩、炭质页岩和煤层）。不论其在叠加模式中的位置如何，海岸平原地层在所有短期地层旋回中具有相同的沉积相，但相的比例、几何形态、结构要素的大小，以及地貌要素的保存程度则随叠加样式有规律地变化。退积旋回的海岸平原相域与进积的海岸平原相域相比，砂岩较多，总沉积物体积较大，但砂/泥比例较低。这种变化趋势在整个叠加样式内是渐变的。

进积旋回的海岸平原地层向上减薄，且砂/泥比逐渐增加，相的多样性逐渐减少，河道侵蚀加深，侵蚀面横向扩展，发育有加积古土壤和煤层。加积旋回的海岸平原地层为侧向展布的多层状、多个分流河道带砂岩，并与非均质的决口扇、决口河道沉积交互。泥岩和炭质泥岩比例较高，煤层不发育，沉积物粒度粗，具有大致相当的河道带与泛滥平原体积比。退积单元的海岸平原地层具有高的河道带与泛滥平原体积比，河道带砂岩与较发育的决口扇/决口河道复合体和厚达10 m的煤层指状交互，横向展布的薄煤层通常覆盖于退积短期旋回之上。

同等规模、相同地貌形态和河岸大小的分流河道供应所有旋回的滨面沉积，分流河道砂岩的沉积学性质随旋回在叠加样式内位置的变化而明显不同。分流河道砂岩中滞留沉积物成分和厚度、砂体类型和几何形态、原始底形的保存程度、相多样性等均记录了A/S状态和伴随的沉积物体积分配作用（图1-11）。

所有旋回内的分流河道砂岩具有大致相似的横剖面形态和相似的沉积相内部变化。它们都具有“漏斗形”或“长牛角状”的横剖面形态。底部陡侧河道边缘窄（牛鼻状），顶部河道边缘扩大4到10倍，边缘梯度低（牛角状）。沉积相特征表现为从底部的连续性好、相互切割叠置改造、侧向局限、加积的砂体渐变为顶部的扩展、松散的格架、更充分保存、侧向叠置的砂体。尽管所有旋回的河道砂岩具有相同的样式，但其他沉积学性质的变化则记录了A/S值的变化和伴随短、中期基准面旋回的沉积物体积分配作用。

高可容纳空间、退积旋回的分流河道一般15～25 m厚，1～1.5 km宽，具有中等连通性、中等冲刷-充填、低弯度、高弯度、5～20 m厚的废弃充填复合底形组合构成的各种各样的组合。复合底形组合常由泥质披盖层或滞留沉积物隔开。沉积在河道和复合底形组合底面之上的泥质支撑的、泥砾内碎屑底部滞留沉积物厚度可达1 m，侧向连续可达数百米。相同长度的内部加积面和活化面记录了砂坝底形侧向和向下游的迁移。底形、侵蚀充填复合底形和生长复合底形都很好地保存下来（相互叠置和“吞并”作用不明显）。复合底形内相的多样性明显，包括厚层、薄层的槽状交错层理、板状层理、水平层理、包卷层理和指示流体状态的其他构造、完好保存的较大砂坝底形后面的平脊沙丘、厚层波状和爬升波痕层理。

相反，进积旋回、低可容纳空间的河道砂岩厚度与其相当，但宽度只有几百米。由连通性好（相互叠置）、冲刷-充填构造发育、低弯度构成的冲刷面之上，复合底形组合厚度可达5～10 m的砂岩组成，相的多样性明显降低。底形和复合底形相互叠置和自生自源作用十分明显，导致很低的相多样性（一般薄层槽状交错层理的体积大于95%）。偶见砂质支撑的、2～20 cm厚的泥质内碎屑滞留沉积物不连续地覆盖在河道和复合底形的底部冲刷面之上。

Ferron砂岩的前积/加积单元的海岸平原相域是说明A/S条件变化导致地貌要素保存程度的差异而产生相分异的一个很好的例子。高可容纳空间的退积地层旋回中，海岸平原相域具多样性，反映多种地貌因素保存下来，分流河道的许多原始底形和复合底形得到完整或近乎完整地保存。相反，低可容纳空间的进积地层旋回中，海岸平原相域的多样性很低，反映了只有那些极易保存的地貌因素才能保存下来。分流河道的原始底形和复合底形相互切割、叠置作用十分明显。

五、地层背景下的相模式

相模式总结了特定环境可能的相组合及其特征，是从多个特殊实例分析、从对那些所谓标准的变异的观察，综合、简化，提取其“本质”，或特定环境中的基本相要素而建立的（Walker，1984）。对实例选择的唯一要求是实例必须是特定地貌环境的产物。相模式是建立在假设“某种环境中保存的地层记录与该环境所有地貌要素的地层记录是相似的，且是其中的一部分”的基础上。由此，一种环境中的地貌要素在地层中以同样的比率作为“相”保存下来。这一假设要求形成地表盖层的地貌要素单元原地瞬时加积，形成与地貌要素同样复杂并具有相同分布区域的地层相单元。如果代表单一沉积环境的相组合和相序是从不同的地层旋回或同一基准面旋回的不同部分得出的，那么该沉积环境最终的相模式就是那些从来不共存的、不相关要素的混合物。

每种环境都有其独特的相模式，它们并不是侧向相邻环境的沉积相的混合或合并。侧向相邻的辫状平原—湖相—冲积扇环境的相模式并不存在，但地貌上识别出的环境都有其相关的各自的相模式。不同的河流形态（如辫状河、曲流河、网状河）和不同的三角洲形态（如浪控、河控和潮控）存在多种相模式。

相模式是静止的。由多个实例得到的假定某一时刻存在单一地貌和沉积特征组合的相属性、相组合和相序是没有说服力的。相模式建立在假设“不同空间、不同时间的特定沉积环境中的地层产物是相似的”基础上。模式不能在某一特定环境下给定的地貌单元识别出来。地貌要素保存程度（体积和比例）的变化是地层记录中沉积相差异性的主要原因。

这些相模式的特征没有一个能对沉积物堆积作出四维地层学评价。相模式忽略了“沉积物堆积发生在侧向相邻环境迁移期间”的事实。地貌环境单元并不原地加积产生与地貌单元相似的地层产物。

该研究表明地层过程影响构成某一环境的地貌要素的类型，以及地层记录中地貌要素的保存程度和保存比例。基准面旋回期间A/S条件的变化控制沉积物体积分配，因此，形成两种类型的相分异作用。进一步分析表明，更精确的相模式应该从地层学的观点来建立，这种观点认为作为相同地貌单元的不同产物，存在相组合和相序的连续序列。

六、结论

在Ferron碎屑楔状体分布范围内，随时间的推移，不同古地理位置上堆积的沉积物形成一系列以进积、加积和退积叠加样式排列的地层旋回。该尺度下的沉积物体积分配与中期基准面旋回期间可容纳空间与沉积物供给的比值（A/S）的条件变化相关。

每个地层旋回内，短期基准面旋回期间，沉积物以不同的体积和比例被分配到不同的沉积环境。两种规模基准面旋回的叠置引起时间域内沉积物体积分配的系统变化。滨面相域总的沉积物体积和总的砂岩体积从进积到退积叠加样式有规律地减少，海相与非海相砂岩的比例也相应减小。这说明进积到退积叠加样式转换期间，上坡陆相环境的沉积物贮存能力增加。

A/S值和沉积物体积分配变化的产物之一是三角洲形态的变化。进积旋回的三角洲以河流作用为主，而退积旋回以波浪作用为主。三角洲形态的变化与上坡陆相环境的沉积物存储能力的变化有关。这说明了一种类型的相分异作用，即地层过程控制了某一特定沉积环境的地貌要素类型。

短期地层旋回的沉积物体积分配也影响不同环境的净沉积物堆积速率，反映了沉积物增加速率与沉积物改造和相互“吞并”速率间的平衡。短期旋回期间A/S值的变化控制或调整构成某一环境的地貌要素相互“吞并”和叠置程度。某一相域内相多样性、相组合和相序、岩石非均质性和岩石物性的变化是A/S值变化的表现形式。高可容纳空间退积旋回的滨面由均质砂岩构成，而低可容纳空间进积旋回的滨面则具岩性非均质性、相多样性和增加的原始地貌要素保存程度。退积旋回的分流河道砂岩相多样性明显、复合底形组合和底形较好保存；而进积旋回的分流河道砂岩则由强烈“吞并”、叠置和低多样性的复合底形和底形构成。这些实例说明了另一种类型的相分异作用，即地层过程控制了保存的原始地貌要素的比例。

A/S值渐变期间的沉积物体积分配和相分异作用在同一地貌环境中产生了截然不同的相组成、相组合和相序。地层记录是每一相域中A/S条件从高到低的连续性变化的过渡形式。现存的相模式假定地貌环境的产物不论时间、地点和沉积条件都是相似的。相模式对相组合和相序的地层学控制不敏感。而且，通过对不共生的沉积相要素的观察所建立的大多数相模式是不正确的。只有将相模式与引起沉积物体积分配和相分异作用的A/S值对应起来，对地层分布才有预测作用。因此需要建立对地层敏感的新一代的相模式。

大量地层学和沉积学性质的系统性变化强调了地层过程-响应系统的有序性，说明了诸多类型和不同规模的地层属性之间的系统关联性。这些属性是从简单的保存原理和地层基准面观点分析诸多的、相互依赖的地质过程的补充记录。互不相关的、各种类型的资料的有序组织是准确进行地层预测的基础。对地层某种规模的属性的认识可以用来预知其他规模的属性。

（据Michael H.Gardner，Timothy A.Cross and Mark Levorsen，“Stacking patterns，sediment volume partitioning and facies differention in shallow-marine and coastal-plain strata”编译）

（王平译，王红亮校）

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