碎屑岩层序地层形成演化模拟

岩石学的发展简史和研究现状~

1.发展简史
世界上最早记述矿物岩石的书籍是中国的《山海经》，它是公元前约400年战国初期的著作，书中记载了多种矿物和岩石。
18世纪末期，是岩石学成为一门独立学科的起始期。初期，主要研究的是岩浆岩，到19世纪中叶才开始系统地研究变质岩，而沉积岩直到20世纪初才引起人们的注意，但它的研究发展十分迅速，到20世纪30年代就已发展成了一门独具风格、内容丰富的学科了。
18世纪末到19世纪初期，对岩石的研究途径主要是野外观察和肉眼鉴定。至1828年，由于偏光显微镜的出现和使用，对岩石学的深入发展起了极大的推动作用，使岩石学的研究进入了新阶段，并为后来岩石学的全面发展奠定了基础。直到目前利用偏光显微镜观察与鉴定岩石仍是岩石学研究中一种最基本的方法。
19世纪晚期，费德洛夫旋转台的发明和使用，随后X射线晶体衍射实验的成功，为研究岩石的矿物成分、晶体结构开辟了新天地。
20世纪中期到末期，由于多种近代测试分析方法的完善和应用，使矿物的研究向微量、微区，高速度、高精度的新阶段迅猛发展。矿物有序－无序的研究、矿物地质温压计的探讨、矿物稳定同位素的测定，都直接或间接地为地壳中和壳下物质存在的状态、岩浆的形成和演化提供了有力的证据。目前岩石学的研究，正沿着与矿物学、岩石化学、地球化学、区域岩石学、岩类学、岩理学、实验岩石学和工艺岩石学等多方面彼此联系、相互推进的方向发展。
对于岩石化学，早期和近期都进行了大量的分析，特别是20世纪50年代后，有了较大的发展，创立了各种岩石化学计算方法、岩石化学指数和岩石化学图解，提出了岩石的化学成分分类，从不同的方面揭示了岩石的特征、成因联系、成矿专属性和岩浆岩的共生组合规律。地球化学研究，也为不同火成岩系间主要元素和微量元素的分布和组合的差异、找矿勘探和岩石成因与矿产的形成等方面提供了线索。同位素和稀土元素地球化学的应用，在确定各类岩石的物质来源、生成年代与形成温度上也有了很大的突破。
近20年来，各种新的快速大型集成测试方法的使用、多种边缘学科的相互渗透、计算机的迅猛发展和应用，使海量的区域岩石学、岩类学、岩石地球化学资料的积累和综合整理成为现实，为日益深入研究岩石拓展了新方向，与此同时还产生了许多崭新的理论，因此岩石学正进入一个蓬勃发展的新时期。
2.研究进展
近年岩石学研究重要的进展主要表现在:
大陆岩石圈研究 地震学、地球化学、岩石学等的最新研究成果表明，岩石圈在热状态、化学成分和力学行为等方面具有高度非均匀性。不仅表现为岩石圈性质和结构随深度的变化，而且还反映在不同时代、大陆与海洋以及克拉通和造山带岩石圈结构特征的显著差异上。性质和结构的差异体现了岩石圈形成和长期演化过程的复杂性。不同岩石圈块体之间、岩石圈与深部对流地幔之间普遍存在着相互作用，是稳定克拉通岩石圈遭受改造甚至破坏的深部机制，同时还是地球深、浅部物质交换的重要方式，显著影响着地球深部的对流和地表的构造过程。值得注意的是，由于岩石圈本身定义的模糊性及其厚度的不确定性，地震活动与岩石圈强度之间的关系以及大陆岩石圈演化的规律性等问题仍有待于进一步的研究和探索。
花岗岩成因研究 花岗岩是大陆地壳的重要组成，当前花岗岩研究中的几个重要问题主要集中在:①花岗岩的成因分类;②花岗岩浆起源的温度与压力条件;③结晶分异作用与花岗岩成分变化;④花岗岩成因与壳幔演化;⑤花岗岩形成的构造环境等。总体认为，高分异花岗岩成因类型的确定是比较困难的，在有些情况下甚至不可能准确分类。花岗岩的锆饱和温度和锆石钛温度计可对花岗岩浆形成的温度提供重要信息，但对花岗岩浆起源的压力条件的确定相对困难。花岗岩主要形成于俯冲带或碰撞造山带后造山的拉张构造背景中，在这两种情况下，挥发分和热的加入可使地壳发生部分熔融而形成花岗岩岩浆。
岩浆碳酸岩的研究 通过岩石学，矿物学，岩石分类，C、O、Sr同位素，碳酸岩与矿化的关系，以及实验岩石学、流体包裹体、CO2－H2O－NaCl流体体系性质的研究，对(碱性)碳酸岩的特征、碳酸岩岩浆的来源及成因、岩浆－热液的演化进行了分析和探讨。认为碳酸岩形成至少经历了三个阶段，即岩浆阶段、岩浆期后阶段(气相碳酸岩/岩浆热液阶段)、交代碳酸岩阶段。而作为与碳酸岩在空间和成因上有密切联系的基性岩、超基性岩、碱性杂岩体，则经历了碳酸岩成岩阶段以前的岩浆不混熔作用、结晶分异作用、岩浆结晶作用以及碳酸岩形成之后的围岩蚀变(霓长岩化)作用。
火山射气岩浆喷发研究 射气岩浆喷发是一种特殊类型的火山活动，水在这类火山活动中起着至关重要的作用，其喷发产物———低平火山口和基浪堆积物在中国乃至全世界都很常见(孙谦等，2007)。我国南方北部湾周边第四纪火山区存在大量射气岩浆喷发成因的低平火山口和基浪堆积物。国际上对射气岩浆喷发的研究始于1921年，近几年的研究成果主要集中于基浪堆积物的地质特征、射气岩浆喷发形成的基本条件、喷发过程的动力学机制，以及基浪流的搬运过程等重要问题研究，有待解决的难点是火山区射气岩浆喷发的机制与喷发物搬运运动学。
沉积学研究 当代沉积学研究的最新进展与发展趋势(刘宝珺，王剑等，2002)主要包括:①碎屑岩、碳酸盐岩及混合沉积的环境变化及其演变;②沉积盆地分析与大地构造沉积学;③层序地层学;④冰川事件沉积学;⑤全球变化沉积学;⑥环境沉积学;⑦资源沉积学;⑧生物礁及白云岩成因;⑨碳酸盐岩成岩作用等。上述学科分支研究方向的发展表明，现代沉积学研究具多学科交叉渗透、多种高新技术引用和多领域应用的发展取向。未来沉积学研究将以人类的生存与发展所依托的环境、气候和资源为服务对象。
沉积学的概念发展大致经历了沉积岩岩石学、沉积学、沉积地质学三个阶段。目前，沉积学研究已延伸出层序地层学、事件沉积学、矿床沉积学、实验沉积学、大地构造沉积学、储层沉积学、全球旋回地层学等。将来，沉积学除在大陆动力学、全球变化方面进一步深入发展外，还将与资源和环境密切结合，形成新的学科领域，主要包括资源沉积学、环境沉积学、大陆动力沉积学、全球变化沉积学等，进而为人类生存与发展作出重大的贡献。
碳酸盐岩的分类学研究 Wright(1992)提出了一个更完整的灰岩成因－结构分类体系，把灰岩分为生物作用类、沉积作用类及成岩作用类三大类，即Folk和Dunham所描述的分类均属于沉积作用类。需特别指出的是，在从松散沉积物到已石化为坚硬岩石的成岩过程中，不但灰岩的组构会发生变化，而且组分也会发生变化，从而使灰岩的成因－结构分类变得更加复杂。这方面还存在许多有待进一步研究的问题。梅冥相(2001)提出在应用Wright的分类体系时，有必要在沉积作用类中增加“非正常沉积作用亚类灰岩”;针对许多非礁相地层中发育的由生物礁岩石构成的生物层及生物丘，有必要对生物作用类灰岩进行更进一步的分类。
火山岩中下地壳麻粒岩包体研究 是窥视深部地壳的一个窗口，已成为探索大陆下地壳物质组成和演化最直接的研究对象;下地壳岩石包体一般具有麻粒岩相矿物组合，主体由镁铁质麻粒岩组成，以出现紫苏辉石矿物为标志，下地壳包体的平衡温度为700～1040℃，平衡压力在0.8～1.4GPa之间。在绝大多数地区，基性下地壳包体占优势，其共同特征是低SiO2、高CaO和MgO，过渡族元素和不相容元素含量变化很大，不同构造背景和不同岩石类型的包体同位素成分也有差异，全球各大陆下地壳包体Nd、Pb同位素组成分布具有“块体效应”特征。利用出露于地表的下地壳麻粒岩包体可以探讨下地壳物质组成和成分，建立下地壳物性剖面和岩石圈模型，并可作为幔源岩浆底侵作用的重要判据之一。世界范围内下地壳麻粒岩包体研究也表明，在探讨下地壳的组成特点上，由火山岩中麻粒岩包体和出露的麻粒岩地体两类岩石样品所获得的下地壳组成特点存在比较大的差异，前者较后者反映的下地壳组成更偏基性。下地壳包体的类型与成因对揭示大陆地壳的增生、演化方式以及壳－幔交换作用具有重要的指示意义。
糜棱岩的研究 糜棱岩是一种具有丰富地质信息的载体，在理论和实践上都有着重要的研究意义。近20年来糜棱岩岩石学的研究，主要在显微超微构造、岩石固态流变、动力变质成矿、成岩模拟实验、构造地球化学、造山带运动学和同位素年代学等7个方面，并发现了层次糜棱岩，进行了人工糜棱岩的成岩实验和获得了一批同位素测年新数据。糜棱岩的微观研究，可进一步拓展到壳幔流变学、构造年代学和造山带比较学等新的学科研讨。

中国油田在巩固和扩大碳酸盐岩油气藏勘探成果的同时，不断加大碎屑岩勘探力度，特别是在塔北隆起志留系获得突破后，碎屑岩勘探已成为油田的重点勘探目标。从1992年早期深层碎屑岩开发至今，16年来，油田对碎屑岩的认识和圈闭落实已经形成从无到精的发展，建立了从当初的零起点到现在海相碎屑岩勘探的丰硕成果，形成了东河塘、塔中4、塔中16、哈得逊、吉拉克、英买34－35井区等主力油田。2007年，在油田30%的探明石油地质储量中，碎屑岩储层原油产量就占到了60%。近几年，在有序推进塔中、塔北区域碎屑岩的勘探中虽未取得突破，但地质认识得到提升，勘探主攻领和目标更加明确。随着油田“三大阵地战”的展开，油田在塔北地区石炭系、志留系及中新生界碎屑岩有了新发现。英买34、35井区新增探明石油地质储量1104万吨，哈6新增预测石油地质储量2256.97万吨。同时，通过对中古31井区的塔中6、塔中103、塔中101、中古31、塔中243等井在石炭系含砾砂岩段精细对比图研究分析，拓展不同期次东河砂岩的分布与叠置关系研究，细化海相碎屑盐岩研究，勾画出石炭系、志留系、奥陶系几个不同类型圈闭寻找方向。找到与断裂相关的“凹中隆”是台盆区碎屑岩勘探最有利的突破点后，坚定了油田科研人员加大勘探力度，寻找战略接替区的信心。科研人员从加强层序地层学的研究与应用、加强高分辨率地震采集处理解释攻关、加强储层预测与圈闭描述技术的应用三个方面对台盆区碎屑岩展开主攻。在对东河砂岩古地貌进行分析后认为，构造演化研究和古地貌形态的精细刻画，为沉积相的研究和有利砂体分布范围的预测提供了指导。确定草湖凹陷周缘为相对独立沉积区，与满加尔凹陷有古梁分割，推测古梁区存在东河砂岩，向南进入海盆，相变为下泥岩段。同时，围绕富油气凹陷确定了3个前陆区碎屑盐岩有利区带：焉耆盆地侏罗系、塔西南山前中新统、古近系、白垩系和塔东南若羌构造带侏罗系。中国油田在今年勘探部署中，确定积极发展塔北，并针对碎屑岩勘探专门进行了安排，主要是通过开展精细勘探研究，加强评价，积极探索，力争获得油气勘探持续突破。油田力争在三至五年内，台盆区碎屑岩和新区新领域油气勘探目标要发现1至2个战略性接替领域，为实现2020年油气产量当量突破5000万吨奠定坚实的资源基础。

6.1.1　层序地层学动态模拟的信息系统思想

模拟作为一种仿真技术，它既可形象地描述过去地质时期的石油地质作用，亦可对其结果随参数的变化得到不断调整与修正，使之与实际逼近，提供新的信息，逐步提高油气勘探、油藏预测的效率和精度。

模拟工作要有三个基本步骤，即定义模型、建立模型、用模型模拟系统的性能（J.W.Harbaugh,1980）。用信息论思想描述模拟可用图6—1表示

图6—1　层序地层动态模拟方法概念模型

我国著名科学家钱学森在1978年写的《组织管理的技术——系统工程》—文中指出：“把极其复杂的研制对象称为系统，即由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合成具有特定功能的有机整体，而且这个系统本身又是它所从属的一个更大系统的组成部分”。

由此可见，人们所论的系统的观点，即统观全局的观点，其主要内容是从系统的整体效果出发来分析、观察以解决问题，把系统内部各元素或子系统之间，以及与外界环境之间看成是相互联系、相互制约的，并使整个系统效果达到最优程度。

盆地的形成过程是一个极其复杂的多因素控制、相互影响、相互制约、相互联系的有机整体。沉积盆地的地层反映了两个最基本的进程之间敏锐的相互作用，它们控制着一个盆地空间的产生和消亡、沉积物的沉积和搬运。在盆地里，由于基底的构造沉降、沉积物的压实、沉积物和水载的均衡响应，以及海平面变化的速率等不同均可导致盆地的沉积层序空间形态的不同。层序地层模拟的基本问题即是揭示在一个盆地内，层序地层的构成要素在整个地质演化过程中所服从的系统规律，并用合适的数学模型即确定性模型（不排除随机性或经验模型）再造层序地层的形成过程，动态地研究其形成机制。因此，层序地层的动态过程包含两重含义，即与层序形成过程密切相关的各要素或事件之间的联系，以及诸要素或事件在整个地质历史中的演化发展过程。

将层序形成过程中各种相互制约、动态联系的因素作为一个整体来综合考虑与研究，从解剖一个系统，逐步研究其各个组成要素，上升到从整体上把握系统，这充分反映了系统论的整体性、综合性、最佳性特点，这也是层序地层学动态模拟的主要理论思想。

作为理论思想的具体体现，图6—2给出层序地层形成演化模拟的基本实施流程图。

图6—2　碎屑岩层序地层形成演化模拟流程图

6.1.2　层序地层模拟系统的主要地质与数学模型

6.1.2.1　沉积作用

1.模型的物理假设、

当泥沙被河流搬运入湖或入海时可形成巨大的堆积体。根据C.C.Betes等人（1953）的假设，在河流入口处可以被看作水力学上的喷嘴，河流流入静止的蓄水体时形成自由射流。在本模型中，通过河口外水流流速的计算，追踪泥沙的运动轨迹和沉积位置是沉积模型的主要目的。因此，该模块的主要内容是：①建立河口地区的水动力场；②计算泥沙颗粒的沉降速度；③计算泥沙在河口断面上的分布；④追踪泥沙颗粒的运动轨迹和确定其沉积位置。

一条河流由假定其横剖面为矩形的河道流入一个蓄水体中，当离开河床口时，河流中的淡水被假定为穿过浓度较大的盐水向外散布，如同一个平面射流，于是形成两个介质不同的层。这个模型采用直角坐标系，其坐标原点选在河口处河床底面的中心，取河流的主要流动方向为X轴，Y轴是水平的，并垂直于X轴，而Z轴是竖直方向的，其正值方向向上（图6—3）。

图6—3　定义矩形河床流入盐水盆地的示意图

2.河流水流运动的数学描述

根据G.F.Bonham—Carter和A.J.Sutherland等人所建立的模型，假设河流速度剖面满足如下方程：

新疆塔里木盆地层序地层特征

式中：

V（Z）——河床底面之上高程为Z处的河流速度分量；

V_p——河床内河流流向上的平均速度分量；

U——剪切速度，河床底面摩擦特性的度量；

k——Von Karman常数，即随悬浮沉积物的数量而变化的一个数值因子，假定k=0.4;

d——河床深度；

以无量纲表示上式，有：

新疆塔里木盆地层序地层特征

当水流以平面射流形式远离河道口运动时，水流速度的分布可分为无扩散带、流动建设带、既定流动区图6—4。

图6—4　流动场的平视图和立视图

a.描述具有三个不同流动范围的平面射流速度场的平视图b。（中心线剖面）立视图表示速度与时间的指数衰减关系，并且说明淡水漂浮在盐水上面的两层体系的假设

在无扩散带，速度保持不变。所以：

新疆塔里木盆地层序地层特征

即河流流向上的速度分量等于河口处那个高度的初始速度；

在流动建设带，在河床中心部位的速度曲线是平直的，但在y方向上速度分布曲线类似高斯曲线

新疆塔里木盆地层序地层特征

在既定流动区，沿平行于y轴的直线测量的速度值的分布图类似于规则的高斯频率分布曲线，每一个这样的曲线都有一个随着距河口距离增加而线性增加的标准离差。

新疆塔里木盆地层序地层特征

所以统一写成：

新疆塔里木盆地层序地层特征

3.沉积物流量

在该模型中，河流被划分成若干个河管，在开放河道内某一深度处沉积物的浓度用下列方程来计算：

新疆塔里木盆地层序地层特征

C_z——河道上方高度为z处的沉积物浓度；

d——河道深度；

C_a——高度为a处的参考浓度；

a——参考高度；

p——Uω/k；

ω——静水中沉积物下落的速度；

为计算泥沙在河口整个断面上的流量，沿垂线将河口断面分为几个相等的区间对上式积分并乘以出河口流速U₀，即可计算出第i区间的沉积物的流量；

为了计算沿着单独一个河管搬运的沉积物的全部负载量，需计算这个河管上方边界Z_j和下方边界Z_i之间每单位宽度s上的沉积物的流量

新疆塔里木盆地层序地层特征

令河道每单位宽度上的全部沉积物流量为S（ε，d），则在高度Z_i和Z_j之间沿着某一管道搬运的沉积物的负载量除以总负载量为：

新疆塔里木盆地层序地层特征

ε——由于速度系数f₁（Z）不能应用于非常接近河底的流动而引入的一个很小的高度值，它等于沉积物颗粒直径的4倍。

给定总的沉积物通量（gs＝质量/单位时间），则单位宽度的河管沉积物通量可计算为

新疆塔里木盆地层序地层特征

n——横切河道宽度的河管数目；

从高度看，颗粒的实际沉降轨道是通过考虑作用在该颗粒上的力求得的。

假设在颗粒沉降轨道上任一点处的斜率dz/dx为－ω/u（x,y,z）

新疆塔里木盆地层序地层特征

新疆塔里木盆地层序地层特征

将上方程对x求通解即可。

G.F.Bohham—Carter和A.J.Sutherland（1968）对于考虑了横向扩展和垂向沉降的任何颗粒导出了求终点坐标（X_t,Y_t）的通解。如果仅考虑河流流向上的沉积物颗粒降落位置，可用下式表示：

新疆塔里木盆地层序地层特征

新疆塔里木盆地层序地层特征

式中：

新疆塔里木盆地层序地层特征

河道内水流平均速度求取：

新疆塔里木盆地层序地层特征

式中：U——剪切速度；

D——深度；

B——河道宽度；

S——斜率；

f——河底粗糙的摩擦系数；

v＝u^＊（g/f）^1/2；

实现步骤：

（1）把总的沉积物通量（质量/时间）分配在各个河管中，因此，通过每个单位宽度河管中的沉积物的质量是已知的。

（2）由方程（6.13）和（6.14）计算每个颗粒的终点坐标。

（3）由一个数组记录每个单位宽度河管的沉积物在河口前沉积的位置和数量，计算网格如图6—5所示。根据计算单位的大小以及所得到的沉积物的体积密度，在不考虑压实作用的条件下，把每一个单位宽度河管的沉积物的质量转换成某一地层的厚度，河道轴仅在一个很小时间内是平直的，流动的主轴方向很可能来回摆动，因此，对于每一个扇状体位置的转动角度都是利用具有均值为零和指定标准方差的高斯随机数产生的。

图6—5　河口区沉降模型使用登记网格

6.1.2.2　构造沉降

构造沉降是指由于地球动力作用，即在某种构造驱动力（例如岩石圈伸展变薄，热冷却，由于构造负载发生的扰曲响应等）作用下主动发生的沉降，我们运用地壳均衡原理来计算基底下降的幅度。这个原理的正确性得到各派构造地质学家的承认。如图6—6所示，地槽区接受了大量的沉积物，其基底下沉，下伏的地幔也受到压缩，水深变浅，而没有接受沉积的正常区仍保持原有的基底深度。但根据均衡原理，在地幔中，受压缩界面以上的各点所承受的压力是相等的，所以有：

新疆塔里木盆地层序地层特征

新疆塔里木盆地层序地层特征

新疆塔里木盆地层序地层特征

式中γ_w、γc、γ_s、γ_m、γ_q均为图6—12中各部分物质的比重。

负载沉降量用d_m表示，则有：

新疆塔里木盆地层序地层特征

若考虑到海（湖）平面的升降变化（R），则实际沉降可表示为

新疆塔里木盆地层序地层特征

图6—6　基底沉降模型

6.1.2.3　压实作用

由疏松的沉积物到岩石是一个成岩作用过程，在这一过程中，连续的沉积作用使下伏的沉积物受压实、成岩，使其孔隙度减小和厚度变小。因此，可用孔隙度的变化来反映沉积物受压实的情况。

压实作用的数学模型是基于沉积物机械压实原理，具有以下几点假设：

（1）地层在压实过程中，岩石骨架体积始终保持不变，且横向面积保持不变，纵向厚度随着地层体积变小而变薄。

（2）地层压实程度是由埋深决定的，具有不可逆性，即由于后期抬升使现在埋深不超过古埋深时，地层压实程度保持不变。

根椐以上几点假设可得出如下数学表达式：

新疆塔里木盆地层序地层特征

新疆塔里木盆地层序地层特征

新疆塔里木盆地层序地层特征

式中：Φ（H）——地层在埋深H处所对应的综合孔隙度；

Φ_sh（H）、Φ_sd（H）、Φ_ca（H）——分别为泥岩、砂岩、碳酸盐岩在埋深H处所对应的孔隙度；

P_sh、P_sd、P_ca——分别为泥岩、砂岩、碳酸盐岩百分含量；

H、H₃、H₁、H₂——分别为某套地层在两个不同深度所对应的顶界、底界埋藏深度（m）。

地层压实方程（即孔隙度与埋深的关系式Φ（H））可以根据地层压实特征采用不同的表达式。正常压实情况下，Φ（H）可采用指数函数形式（Φ（H）＝Φ₀e^-CH）或多项式函数形式（Φ（H）＝C_nHⁿ+C_n-1H^n-1＋…＋CH+C₀，其中C_n、C_n-1、…C,C₀为待定系数，H为埋深）；欠压实情况下，Φ（H）可以采用分段函数形式

新疆塔里木盆地层序地层特征

其中a₁,a₂，…a_n+1为各分段点所对应的埋深，且Φ₁（H）、Φ₂（H）、…Φ_n（H）在各拐点处连续或超压函数形式。

（6.22）、（6.23）、（6.24）三个表达式为压实作用模拟的数学模型.

求解以上方程可用牛顿迭代法，在迭代过程中设置一个误差值，直到满足误差要求，即可结束迭代。这样，便可求出不同深度的岩层在压实过程中，其顶、底深度的变化。

6.1.2.4　侵蚀作用

在沉积盆地的发育过程中，连续沉积是各类地质事件中最主要的一种。但其它的地质事件，如沉积间断、大面积的剥蚀也是常常发生的。它们对于沉积岩系的埋藏史有着不可忽视的影响。在沉积间断，特别是剥蚀期内，已埋藏的沉积物的成岩演化、已形成的地温场特征、沉积物的机械压实作用和排水作用等都将改变原有的进程，或停止或改变方向。因此，在层序形成过程的模拟中建立剥蚀作用模型是不可缺少的。

然而，侵蚀作用的成因极其复杂，目前还没有一个十分合适、较为恰当的数学模型来描述。而且剥蚀量的计算和剥蚀期的确定至今没有成熟的方法，通常是采用多种方法，对它们的结果作比较，择最合理的选用之。

我们采用W.C.，Ⅲ，Pitman等人的侵蚀作用的数学模型。

假定区域高程的降低速率dy_d/dt与平均高程y成正比：

新疆塔里木盆地层序地层特征

区域高程降低后，则引起均衡抬升，抬升量为：

新疆塔里木盆地层序地层特征

用R_sl代表海平面的变化速率，则有：

新疆塔里木盆地层序地层特征

由此导出平均高程随时间的变化关系为：

新疆塔里木盆地层序地层特征

其中：y——为地表平均高程，y₀——起始高度；

k——比例因子；

t——为时间；

ρ_c，ρ_m——分别代表地表及软流层物质密度；

R_sl——代表由各种因素造成的沉积基准面的变化。

6.1.3　系统的结构、功能及实现

《层序地层模拟系统——SSBM》是用于模拟层序形成的一个大型、综合动态系统。系统采用结构化程序设计的方式，各模块间均以数据流来传递数据，数据和图形均能动态显示，并且整个系统由菜单控制。

6.1.3.1　图形用户界面程序设计及系统的使用方法

随着计算机技术的飞速发展，硬件产品的性能/价格比在不断提高，计算机的图形、图像实时处理已成为现实。对于当今的应用程序来说，交互式开发的图形用户界面已是推广应用必不可少的组成部分，甚至是至关重要的组成部分。借助于友好的用户界面，可使那些对计算机几乎不了解的专业研究人员也能通过使用应用程序完成所需的任务。

根据层序地层模拟系统采用模块化设计的原理，设计模块调用总控界面时采用了一个基本窗口，它全部由控制区组成，是层序地层模拟的主菜单，是用户对系统功能选择的总控制模块。该模块是用户使用本程序的入口，进入此模块即可进入主菜单，用户可根据各自的需要及使用权限进入到各个子模块中去，由功能不同的子模块完成各自的特定处理，由动态数据库来传递各模块的数据，动态数据区中的数据随着系统的运行而不断改变，同时它又是各模块相互进行数据交流的纽带。为了向用户提供友善的用户界面，整个系统全部采用下拉式菜单和弹出式窗口。在界面的设计中采用了通用界面的设计思想，界面基本上是一个独立的模块，只是稍作一些修改，就可以用于其它系统上，以缩短用户界面的开发周期。各模块之间是相互独立的，能按照需要任意继续扩展、更新和修改子模块，而不会影响系统的其余部分的功能。

6.1.3.2　系统的结构、功能及实现

1.系统自检及初始化模块

系统自检及初始化模块是系统启动时执行的第一个例程，它的主要功能是：

（1）检测硬件的配制及其状况，本系统可以在任何PC及兼容机上运行，但要求VGA显示卡，显示模块使用16色640×480显示模式，对计算机的内存没有特殊要求；

（2）检测系统运行所需的各种配制文件；

（3）检测系统运行所需的各种数据文件；

（4）设置系统运行的初始化环境。

2.错误处理模块

错误处理模块是系统容错能力的体现，输入纠错可及时给出数据超界，数据类型错误，字符串超长等错误的警告信息，并提示用户重新输入，以消除隐患，保证了系统的可靠运行；输出设备错误可防止磁盘错误，打印机错误，避免造成对系统失去控制和死机等严重错误的发生。

3.文件编辑模块

按用户的要求，在屏幕上对指定的文件进行编辑与修改，并按用户的要求可直接调用C语言编辑器及Graphtool绘图软件进行程序编辑及图形编辑与输出。

4.数据输入模块

能按用户的要求输入数据，并对输入的数据进行屏幕编辑与修改。

5.模拟模块

这是程序的主体，其内包含有①沉积子模块；②压实子模块；③侵蚀子模块；④构造沉降子模块；⑤负载沉降子模块；⑥基底升降运动子模块；⑦测井验证子模块等共七个子模块，按用户的要求，通过调用不同的子模块来完成特定的功能。

模拟系统的输入参数如下：

①沉积物供应；②海（湖）平面变化曲线；③构造沉降曲线；④孔隙度—深度曲线；⑤盆地的初始形态。

6.数据输出模块

此模块能完成数据的动态输出，以动态显示各层序在形成过程中各数据的变化及相互关系以及有关数据量及各个变量的物理意义。在运行程序的任一时侯，均可进行显示，以便对模拟的物理过程进行连续的观察。在模拟结束前，通过调用结束函数，可对全部模拟的过程各事件进行总结，并可打印输出。

7.图形输出模块

此模块能完成图形的动态显示和输出：在屏幕上能用代表各种物理意义的特定的颜色来显示层序的形成过程。并能按照用户要求从打印机上彩色输出。我们使用的是NECP6300彩色打印机。

8.测井检测模块

按用户的要求，通过输入模拟层的测井曲线和岩性剖面来对所模拟的层位进行检测，若二者不符，则修改输入数据，进行重新试算模拟，直到二者趋于一致为止。

除此之外，还有五个模块用于菜单管理。

6.1.4　三叠系层序模拟与分析

6.1.4.1　模拟剖面选择

模拟剖面以作过精细解释的E59—NE154.4—AE1测线为背景。

6.1.4.2　模拟参数提取

1.上超点变化曲线的编制

上超点变化曲线是海（湖）平面升降曲线编制的基础，在层序地层的模拟中起着至关重要的控制作用。

我们在计算机上编制了计算上超点的软件，采用第二章的结论，计算并绘制了三叠系上超点变化曲线和整套地层的上超点变化曲线（图6—7）。

图6—7　塔里木盆地北部海（湖）平面变化曲线

2.上超点变化曲线的校正

为了客观地反映（绝对）海（湖）平面升降变化，必须对上超点变化曲线进行相应地剥蚀厚度恢复，沉降（包括构造沉降和负载沉降）校正，脱压实和古水深校正，以消除各种因素的影响。

由于本工区古水深资料缺乏，古剥蚀厚度无法确定，仅对上超点变化曲线进行了沉降校正，校正后的曲线见图6—7。

3.孔隙度—深度曲线的获得

泥质沉积物在上覆沉积负荷的作用下，颗粒之间逐渐紧密接触，发生压实作用，使沉积物颗粒之间孔隙变小。故孔隙度的大小可以作为压实作用的一种量度，而孔隙度和声波时差（Δt）又存在着一种特殊的关系，即：

新疆塔里木盆地层序地层特征

Φ——孔隙度；

Δt——地层声波时差；

Δt_ma——岩石骨架的声波时差，砂岩的岩石骨架180—200μs/m，泥岩的岩石骨架为190—205μs/m；

Δt_f——孔隙中流体的声波时差，流体声波时差值为635μs/m。

对于同一地层Δt_ma、Δt_f是一定值，即Φ和Δt的变化呈正相关的关系，这样地层密度越大，声波速度越快，Δt值越小，反之Δt值越大。Δt值的大小间接地反映了地层压实情况，这种关系可以通过一定的数学关系式定量地计算。

为此我们分析了沿模拟剖面附近的钻井，读取了沙10井的声波时差。

我们对沙10井进行了从下到上的系统分析，读取了不同深度段上纯泥岩的声波时差，而对沙30井则每隔10m读取了平均值。利用Graphtool应用程序进行了指数回归，得出回归方程为：

沙30井：　Φ＝0.613828*E（－0.000083003445D）

沙10井：　Φ＝0.678165*E（－0.00036006482D）

分别在线性坐标系上绘出其回归曲线，见图6—8、图6—9所示。从方程中可以看出沙10井所描述的压实程度明显大于沙30井。从回归曲线中可看出孔隙度随深度呈明显的指数分布，所显示的高孔隙带均对应着高压异常带，而那些向上跳动幅度剧烈的层段为灰质或一些异常岩性。

图6—8　沙10井孔隙度—深度关系曲线

图6—9　沙30井孔隙度—深度关系曲线

4.构造沉降曲线

通过分析前人对塔北地区构造沉降的研究成果，我们选择了合适的沉降因子画出了沉降曲线，如图6—10所示。

图6—10　三叠系构造沉降曲线

6.1.4.3　层序地层模拟剖面分析

通过对塔北三叠系进行仔细研究，提取了所需的各项参数，将①海（湖）平面升降变化曲线；②构造沉降曲线；③盆地的初始形态数据输入，沉积物的供应的输入是通过对地震剖面进行回剥求得的，各参数在主控模块的控制下，进行采样试算并输出了模拟结果。

图6—11动态地显示了三叠系各层序的形成过程及其体系域的展布情况。

图6—11a　塔里木盆地北部阿瓦提—满加尔地区三叠系层序地层演化模拟（1）

图6—11b　塔里木盆地北部阿瓦提—满加尔地区三叠系层序地层演化模拟（2）

通过对海平面曲线的分析可以看出塔北地区在三叠世曾经历了八次大的湖平面升降旋回，形成了八个层序（三级），每个层序由不同的体系域组成，且它们的叠置方式也不尽相同。

我们依据地震剖面上的上超点所编制的海（湖）平面变化曲线，以年龄推算每个层序在10Ma左右，按Vail层序级别的划分，它们属于三级层序，而由这些层序组成的一个更高旋回的层序——二级层序，在曲线上则表现为三级旋回的包络线。通过比较湖平面变化曲线与所模拟的剖面，可以看出，由低级旋回组成高级旋回，其叠置方式是非常有特色的。

从模拟的剖面中可以分析出：早三叠世，沉积和沉降中心位于阿瓦提断陷内，以低水位沉积为主要特征，东部满加尔地区地势总体相对较高，可能存在着规律不大的坳陷，但阿克库勒低隆起的存在很可能对湖水由西向东的涌进有很大的阻挡作用，使满加尔地区没有发生大规模的沉积作用。早三叠世晚期，由于阿瓦提地区的逐渐抬升，湖水开始大规模向东进侵，满加尔坳陷的规模也相应增大，这时期形成了第4个层序，中三叠世中期（大致相当于阿克库勒中油组砂层形成时期），湖面继续上升，湖水面积可能达到最大，第5个层序形成于这个时期，在维持一段时期的高水位后，湖面开始缓慢下降，水体逐渐向东退缩，形成向东推进的三个层序（第6—8个层序），见图6—11。

6.1.5　石炭系层序模拟及分析

石炭系模拟剖面选择以南北向地震剖面N106—N109A（图6—12）为背景，以上超点变化曲线（图6—7）和构造沉降曲线（图6—13）为输入参数，模拟输出4个层序。第一个层序为石炭系最下部的一个层序，在满加尔坳陷南北向剖面上，该层序低水位发育不明显，而海进体系域规模较大，进侵到斜坡上部，其最大海泛面以双峰灰岩为标志。随后的高水位体系域则是一个前积楔，由北向南迅速变薄，见图6—14。

图6—12　地震测线N106—N109A石炭系解释剖面

图6—13　石炭系构造沉降曲线

图6—14　塔里木盆地北部满加尔地区石炭系层序地层演化模拟

第二个层序模拟出有较小规模的低水位体系，发育于塔里木河附近及其以南，水进体系域进侵范围较第一个层序小，高水位体系以垂向加积为特征。

第三个层序相对于第二个层序为充填沉积，低水位体系与水进体系分布都向盆地方向退缩，说明第三个层序形成了一个明显的水退期，在第二个层序顶部为一个较大的不整合面。这一模拟结果与地震分析和测井分析是一致的。地震上第二个层序顶界有较明显的削蚀现象，第三个层序相对于第二个层序上超，而测井旋回分析中，卡拉沙依组中部对应于基准面变化旋回中一个大的下降翼，反映出有一较大的不整合面。

第四个层序以海进体系和高水位体系为主。

由上超点变化曲线与模拟层序的配置关系（图6—7）可以看出石炭纪塔北有两次大的海进和两次小的海进，大的海进期分别对应于双峰灰岩段和石炭纪末期，在卡拉沙依组内发育一个较明显的不整合面，并伴有一次明显的海退。

从储层发育看，在满加尔坳陷南部可有小的低水位体系域发育。与大的海进期相伴随的海岸砂体和高水位前积三角洲砂体普遍发育。

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