梅冥相. (2010)从正常海退与强迫型海退的辨别进行层序界面对比:层序地层学进展之一* [J]. 古地理学报, 12(5): 549-564
Mei Mingxiang. (2010)Correlation of sequence boundaries according to discerning between normal and forced regressions: The first advance in sequence stratigraphy[J]. Journal Of Palaeogeography, 12(5): 549-564. DOI:  
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从正常海退与强迫型海退的辨别进行层序界面对比:层序地层学进展之一*
梅冥相
中国地质大学(北京)地质过程与矿产资源国家重点实验室,北京 100083

作者简介 梅冥相,男,1965年生,教授,博士生导师,主要从事沉积学和地层学研究工作.E-mail: meimingxiang@263.net.

收稿日期:2010-03-25
基金:*国家自然科学基金项目(编号:40472065)和中国石油化工股份有限公司海相前瞻性项目(编号:C0800-07-ZS-164)联合资助
摘要

针对类型 1和类型 2层序定义过程之中所存在的概念体系的不协调, 1988年以后的层序地层学发生了较多的变化,这些变化代表了层序地层学的重要进展之一.这些变化包括:( 1)成因地层层序的提出,表明了一个"水下不整合面"----最大海泛面也可以作为层序界面;( 2)将强迫型海退沉积的顶面作为层序界面,是为了始终将层序界面置于海平面变化的最低点,从而与全球海平面变化曲线保持一致;( 3)海侵--海退层序模式,似乎代表了层序地层学的简单化;( 4)淹没不整合型层序,代表了快速海侵事件的产物.这些变化的基础是将强迫型海退与正常海退区分开,以便能更准确地将暴露不整合面( subaerial unconformity,也有学者译为陆上不整合面)所形成的层序界面与"可以对比的整合面"进行对比.也就是说,层序内部地层的叠加形式是对沉积作用速率变化与基准面变化相互作用的响应,而且每一种叠加形式还代表了独特沉积的成因类型(即"海侵的","正常海退的"以及"强迫型海退的沉积"),对这些过程的研究即为层序地层学研究的核心内容.因此,从正常海退与强迫型海退的区别去追索不整合面所构成的层序界面的水下整合部分----"可以对比的整合面",产生了不同的认识及其所代表的不同的层序地层模式,最终代表了层序地层学从 1988年以来的重要进展之一.追索这个重要进展,对于深入理解层序地层学的发展具有重要意义.

关键词: 正常海退; 强迫型海退; 层序地层模式; 层序地层学
中图分类号:P534 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2010)05-0549-16
Correlation of sequence boundaries according to discerning between normal and forced regressions: The first advance in sequence stratigraphy
Mei Mingxiang
State Key Laboratory of Geological Processes and Mineral Resources,China University of Geosciences(Beijing),Beijing 100083
Abstract

The cognition on the inconsistence of conceptual system between type 1 and type 2 sequences results in many advances in sequence stratigraphy after 1988.These advances include: (1)the establishment of the generic stratigraphic sequence,which demonstrates that a subaqueous unconformity that is a maximum flooding surface can be used as a sequence boundary;(2)the using of the top boundary of the forced regressive deposit as a sequence boundary,which makes a sequence boundary always be positional at the lowest point on the curve of sea-level changes and becomes consistent with the establishment of sea-level curves;(3)the transgressive-regressive sequence model is useful to make sequence stratigraphy towards simplification;(4)sequence of the drowning unconformity type represents the product of the rapid transgressive event.Thus,the discerning between the normal and the forced regressions is the basis to correlate the subaerial unconformity that makes up a sequence boundary with the correlative conformity. Further,stratal stacking patterns within a sequence are the respond to the interplay of changes in rates of sedimentation and base level,and each stratal stacking pattern defines a particular genetic type of deposit( i.e.,"transgressive","normal regressive" and "forced regressive"),which are the key in the study of sequence stratigraphy.Therefore,studies from the discerning between the normal and the forced regressions to tracing the subaqueous conformity part(the correlative conformity)of a sequence boundary that is made of the unconformity lead to different cognitions and several sequence stratigraphic models,which reflect one of the advances in sequence stratigraphy since 1988.Seeking this important advancement will be very meaningful to further understand the progresses of sequence stratigraphy.

Key words: normal regression; forced regression; sequence stratigraphic model; sequence stratigraphy
1 概述

在早期被赋予构造旋回含义的, 只由不整合面所限定的"层序"(Sloss et al., 1949; Wheeler, 1958, 1959, 1964; Sloss, 1962, 1963)研究的基础上, 一个分水岭式的出版物, 即1977年出版的《AAPG地震地层学26号专辑》(Payton, 1977), 将层序地层学带入了地层学实践的主流; 在这个出版物之中, Peter Vail和他来自Exxon公司的同事们, 通过地震剖面的使用, 展示了由一系列部分被不整合面所限定的单位所构成的沉积记录(Vail et al., 1977); 他们遵循Sloss的工作, 将这种单位定义为"沉积层序", 并进一步定义为"由不整合面及其可以对比的整合面所限定"的单位(Mitchum et al., 1977), 从而代表了一个具有较为完整的概念体系和可操作的工作方法体系的"层序地层学"分支的诞生.另一个分水岭式的出版物, 即《SEPM Special Publication 42》(Wilgus et al., 1988)的出版, 意味着层序地层学的概念体系和方法学进入了一个更加成熟的阶段.在该出版物之中, Exxon公司的科学家以及相关学者充分展示了更加广泛的层序地层学研究成果, 如修正了暴露不整合面与最大海泛面的错误对比并完整叙述了类型1和类型2层序地层模式(Posamentier et al., 1988; Posamentier and Vail, 1988; Van Wagoner et al., 1988), 对海平面形成过程的海平面变化响应进行了模拟和解释(Jervey, 1988)等等.因此, 可以将1977年至1988年称为层序地层学的Exxon时代.

1988年以后至今, 以最大海泛面为层序界面的成因地层层序模式的提出(Galloway, 1989), 展示了海侵过程中水下不整合面的形成, 为后来关于地层凝缩作用的研究奠定了重要基础.更为重要的是, 针对Exxon层序地层模式中类型1和类型2层序的定义所存在的概念体系不协调, 产生了一些新概念如强迫型海退楔体系域(Foeced regressive wedge system tract, FRST; Hunt and Tucker, 1992), 下降阶段体系域(Falling stage system tract, FSST; Plint and Nummedal, 2000), 海退体系域(Regressive system tract, RST; Embry and Johannessen, 1992; Embry, 2001, 2002)等; 这些关于层序构成单元新定义的体系域, 来源于两个方面认识的深入:第1个是区分出了沉积物供应速率大于沉积物容纳空间的增长速率产生的海退----"正常海退", 将其区别于由基准面下降或海平面下降产生的强迫型海退过程(Hunt and Tucker, 1992; Posamentier and Allen, 1999; Hunt and Gawthorpe, 2000; 梅冥相和杨欣德, 2000; Plint and Nummedal, 2000; Posamentier and Morris, 2000); 第2个方面是对层序内部地层的叠加形式所代表的独特沉积的成因类型(即"海侵的", "正常海退的"以及"强迫型海退的沉积")取得了更加系统的认识.针对陆相地层的特点, 还提出了"低和高容纳空间体系域"的概念(Dahle et al., 1997; Catuneanu, 2006; Catuneanu et al., 2009; 吴因业等, 2010)来描述陆相层序地层.因此, 追索"强迫型海退"的研究以及由此而产生的各种层序地层模式, 可以较为深入地了解近年来, 即后Exxon时代层序地层学的主要进展.

2 强迫型海退和正常海退

层序地层学是一个在沉积地质学的宽广领域中翻新了地层分析方法学的, 最晚的一次概念革命(Miall, 1995).层序地层学的应用很广泛, 从解释古地理学的局部和全球性变化以及沉积过程控制因素的地质记录, 到提高油气勘探和开发的成功率.层序地层学主要分析地层的几何形态和沉积相的变化以及关键界面的识别, 目的是为了确定盆地充填和剥蚀事件的年代级别, 因此, 层序地层学本身既具有地层学属性也具有沉积学属性.地层叠加形式是与沉积作用速率的变化和基准面速率的变化相互作用相响应的结果, 而且反映了包括进积作用, 退积作用, 加积作用和下切侵蚀作用的各种综合作用(Catuneanu, 2006; Catuneanu et al., 2009).每一种叠加形式定义了一个独特沉积的成因类型(即"海侵的", "正常海退的"以及"强迫型海退的"; Hunt and Tucker, 1992; Posamentier and Morris, 2000), 这些成因类型具有清晰的几何形态和沉积相的保存样式(图 1).

图1 在一个基准面升降旋回之中所发育的沉积成因类型(据Catuneanu et al., 2009, 有修改)("之"字形线表示了相在同一个沉积体内的横向变化即相变面.该图表示了海平面(或基准面)变化过程中(上升或下降)滨线轨迹的类型)Fig.1 Genetic types of deposits which are developed within a base-level rising and falling cycle (modified from Catuneanu et al., 2009)

这些独特沉积可以在不同的沉积背景中加以识别, 而且包括几个时代相当的沉积体系的"域"(即体系域).从Hunt和Tucker(1992)对"强迫型海退"的关注与研究, 到后来对滨线和陆架坡折"轨迹迁移"(Helland-Hansen and Gjelberg, 1994; Helland-Hansen and Martinsen, 1996; Helland-Hansen and Hampsonw, 2009; Henriksen et al., 2009)的描述和研究, 可以较为清楚地区分出一个层序形成过程之中的正常海退, 强迫型海退和海侵作用过程的沉积(Hunt and Tucker, 1992; Posamentier and Morris, 2000; Catuneanu, 2006; Catuneanu et al., 2009; Helland-Hansen and Hampsonw, 2009; Henriksen et al., 2009).

如图1所示, 在一个基准面上升和下降旋回过程之中, 总体上产生3种类型的沉积:(1)正常海退沉积, 被定义为滨线沉积作用速率超过了基准面上升速率情况下, 由沉积物供应驱动形成的进积作用过程(图 1-A), 具有加积作用特点的进积作用过程是该类型沉积的基本特点; (2)强迫型海退沉积, 由基准面下降所驱动的进积作用过程(图 1-B), 在这种情况下, 不管沉积物供应如何变化, 滨线地区均被迫产生海退, 阶梯式下降的进积作用是该类型沉积的基本特点; (3)海侵作用沉积, 这是由基准面上升所产生的退积作用过程(图 1-C), 基准面上升造成了岸线处基准面上升速率超过了沉积作用速率, 该类型沉积的基本特点是一个持续性的退积作用过程.

"基准面"的概念描绘了一个在剥蚀作用和沉积作用之间的动态平衡.等同的定义把这个平衡面置于大陆剥蚀作用的最低点, 即河流平衡剖面的最低点, 或者放在沉积序列能够建造的最高点(Twenhofel, 1939; Sloss, 1962).适合于沉积物充填到基准面的空间的量则被定义为"可容纳空间"的概念(Jervey, 1988).基准面上升将使可容纳空间增大, 基准面下降则造成可容纳空间的减小.基准面大致相当于海平面(Jervey, 1988; Schumm, 1993; Posamentier and Allen, 1999), 尽管由于波浪的剥蚀作用以及其他的水下事件, 基准面还可能位于海平面之下.当基准面大致相当于海平面时, "基准面变化"的概念则等同于"相对海平面变化"的概念(Posamentier et al., 1988).

在图1之中, 在基准面的停滞期, 滨线可能经历了沉积物驱动的进积作用(正常海退, 顶积层被顶超替代), 剥蚀性的海侵作用或者没有变化.但是, 由于相互关联的变化控制了基准面变化, 在任何延长的时期内不可能维持一个停滞状态, 所以没有表示出基准面的停滞期.

由沉积物供应驱动的进积作用过程所造成的正常海退, 在基准面变化旋回(上升和下降)过程之中还进一步划分为低水位正常海退和高水位正常海退(图 2, Catuneanu, 2006).不管是在高水位还是在低水位情况下, 进积作用均由沉积物供给所驱动, 在滨线地区的沉积作用速率超过了基准面上升速率.低水位正常海退记录了一个沉积趋势的变化, 即从主要的进积作用到主要的加积作用的变化(向上凹的滨线轨迹; 图2-A)该过程发生在基准面上升加速的情况下.相反, 高水位正常海退记录了从加积作用到进积作用的变化(向上凸的滨线轨迹; 图2-B), 该过程则发生在基准面上升减速的情况下.

图2 "低水位"(A)和"高水位"(B)正常海退作用的地层叠置型态(据Catuneanu, 2006, 有修改)Fig.2 Diagrams showing stratal stacking patterns of "lowstand"(A) and "highstand"(B) normal regressions (modified from Catuneanu, 2006)

一个完整的基准面旋回将包括沉积物驱动的"正常"海退的两个阶段(高水位和低水位), 中间插入了一个海侵作用阶段, 以及由基准面下降所驱动的"强迫"海退作用阶段.正常海退, 强迫型海退和海侵沉积, 以及它们的层序地层界面, 是独立于所选择的层序地层模式的核心概念.这些核心概念被所有学派接受, 即使它们的重要程度不同, 却要比体系域的命名体系或者层序界面的位置重要得多, 因为它们是独立于模型的(Catuneanu, 2006; Catuneanu et al., 2009).层序内部体系域的命名体系发生冲突的例子是强迫型海退沉积(Hunt and Tucker, 1992), 曾经被推断为"早期低水位", "晚期高水位"或"下降阶段(falling-stage)"体系域; 争论的焦点问题是对不整合面所构成的层序界面在深水的整合部分----即可以对比的整合面是放在强迫型海退沉积的底界面(Posamentier and Allen, 1999)还是置于强迫型海退沉积的顶界面(Hunt and Tucker, 1992; Helland-Hansen and Gjelberg, 1994; Helland-Hansen and Martinsen, 1996; Plint and Nummedal, 2000), 或者被置于高水位正常海退的顶面(Embry and Johannessen, 1992; Embry, 2001, 2002).因为"可以对比的整合面"在与层序界面的不整合部分对比时所解释的位置不同, 就造成体系域命名体系的不同, 由此产生了不同的层序地层模式.

3 强迫型海退楔体系域(FRST)与下降阶段体系域(FSST)

1988年Exxon层序地层学模式中的类型1界面中存在一些概念体系的不协调(Posamentier and Vail, 1988; Van Wagoner et al., 1988): (1)实际上把基准面下降期间的沉积在盆地侧翼放在层序界面之下, 而在更靠近盆地方向的地点则放在层序界面之上; (2)类型1层序界面被定义在海平面(或基准面)下降的拐点, 即认为是下降速率最大之处, 而类型2层序界面被定义在海平面(或基准面)变化的最低点; (3)在运用时间为纵坐标建立海平面变化曲线时又将层序界面不自觉地置于海平面变化的最低点.

图3 Hunt和Tucker(1992)所建议的层序模式(层序界面在基准面变化中的位置与Posamentier 等(1988)的"类型2"界面相同, 即暴露不整合面构成的层序界面的水下整合部分(可以对比的整合面)等于基准面上升开始的时间面(CC).4个体系域:即LST, TST, HST和FRST构成一个层序, 这个层序形成在一个基准面上升和下降的旋回过程之中)Fig.3 Sequence model as proposed by Hunt and Tucker(1992)

为了校正这些明显的缺陷, Hunt和Tucker(1992)建议所有类型层序的层序界面的整合部分应该置于代表基准面上升开始的时间面上, 即海平面变化的最低点.Hunt和Tucker(1992)还进一步论述到, Exxon层序地层模式中的类型2层序界面(Van Wagoner et al., 1988; Posamentier and Vail, 1988)才是一个有效的层序界面; 从而将Exxon层序地层学模式中的类型1层序增加了一个体系域----"强迫型海退楔体系域(FRST)"(图 3所示), 使原来类型1层序的"低水位体系域(LST)+海侵体系域(TST)+高水位体系域(HST)"序列变为一个"低水位体系域(LST)+海侵体系域(TST)+高水位体系域(HST)+强迫型海退楔体系域(FRST)"序列.

这个"强迫型海退楔体系域" 被定义为下部由"强迫型海退的底面"(对等于基准面下降开始的时间面)而上部由层序界面(部分对等于基准面上升开始的时间面)所限定的体系域.这个新的体系域包含了所有沉积在基准面下降期间的地层.在这个新模式中, Hunt和Tucker(1992)的LST是被限制在基准面上升开始的时间面以及海侵面之间的地层, 因此对等于1988年Exxon层序地层学模式中类型2层序的SMST.层序的4个体系域模式(图 3)由Helland-Hansen和Gjelberg(1994)进行了详细说明, 他们精巧地表明了这样一个方案理论逻辑的合理性; 梅冥相和杨欣德(2000)也认为这种修正是必要的, 这主要考虑到在以时间为纵坐标的海平面变化曲线的建立过程中, 绝大多数学者均不自觉地将层序界面置于海平面变化的最低点.但是, 理论上, 所谓的基准面下降开始的时间面, 没有在基准面下降开始的时间面上也没有靠近这个时间面, 实际上应该与盆地方向的不整合面终止融合在一起, 而且也缺乏一个客观的标志来识别基准面上升开始的时间面, 最终造成了"强迫型海退楔体系域"的底界面和顶界面难于识别.

Posamentier和Allen(1999)也认识到1988年的层序地层模式中类型1界面在理论上是不可能的, 但是采取了与Hunt和Tucker(1992)不同的途径来解决这个问题.他们建议使用基准面下降开始的时间面作为可以对比的整合面(图 4), 这种修订来源于Jervey(1992)的认识.却又没有像1988年的类型1层序模式那样将这个可以对比的整合面与暴露不整合面的结束相连, 尽管他们进一步论述了基准面下降开始的时间面与向陆方向的不整合面或盆地方向的终止均得到了较好的联接, 而且这样的时间面由海蚀作用的海退面所抵消, 后者在一个短距离内还包括了层序界面的一部分(图 4).这样的一个层序被划分为3个体系域(LST, TST, HST; 图4).该模式所建议的"可以对比的整合面", 也就是图3所示的被Hunt和Tucker(1992)命名为强迫型海退的底面, 这样一个层序界面的使用将产生一些问题:(1)暴露不整合面的大部分位于层序内部而不是在界面上, 从而违反了层序的定义; (2)与Hunt和Tucker(1992)所建议的"可以对比的整合面"相似, 缺乏可靠的识别标志; (3)如果说图3所示的Hunt和Tucker(1992)的层序模式主要是为了将层序界面协调为海平面变化的最低点, 就像Haq等(1988)所推出的中新生代全球海平面变化曲线, Hallam(1998)的侏罗纪全球海平面变化曲线以及Embry和Myers(1997)的三叠纪全球海平面变化曲线那样, 那么, 图4所示的Posamentier 和Allen(1999)对以前Exxon层序地层模式中类型1层序的修订反而将层序界面置于海平面变化的最高点(他们所称的基准面开始下降的时间面), 这更加明显地造成了概念体系的不协调.

图4 Posamentier和Allen(1999)所修订的类型1层序模式(为了更正1988年类型1层序模式的"不可能界面", Posamentier and Allen(1999)建议用一个面, 即基准面下降开始的时间面来作为"可以对比的整合面", 这个面以前被Hunt 和 Tucker(1992)命名为强迫型海退的底面(BSFR, 图3))Fig.4 Revised Type 1 sequence model proposed by Posamentier and Allen(1999)

与图3所示的Hunt和Tucker(1992)的模式相似, 强迫型海退楔体系域(FRWST)又被称为下降阶段体系域(falling stage systems tract, FSST; Nummedal et al., 1993; Plint and Nummedal, 2000).这个体系域被Naish和Kamp(1997)称为海退体系域.Naish和Kamp(1997)的建议是一个无思想命名的好例子, 这是因为, 同样的单元已经具有两个不同的名字, 而且海退体系域的术语也已经被使用在完全不同类型的层序单元之中(Embry and Johannessen, 1992).幸运的是, Naish和Kamp(1997)对其模棱两可的命名已经被大多数工作者忽视了.Coe(2003)也使用了FSST这个术语, 但是, 又采用了图4所示的将层序界面置于海平面变化的最高点的概念, 所以FSST独立出来作为一个层序的底部单元, 从而也将一个类型1层序划分为4个体系域即FSST+LST+TST+HST.

基于相对海平面大致对等于基准面的概念, 对于暴露不整合面所构成的层序界面的水下整合部分, 可以对比的整合面至少存在两种处理方式:一种是与基准面上升开始的时间面对比(Hunt and Tucker, 1992; Helland-Hansen and Gjelberg, 1994; Helland-Hansen and Martinsen, 1996; Plint and Nummedal, 2000); 第2种是置于强迫型海退沉积的底界面, 将层序界面放在海平面变化的最高点, 与基准面开始下降的时间面进行对比(Posamentier and Allen, 1999; Coe, 2003).不同的处理方法和模式造成了较多的混乱, 因为层序内部体系域的界面会因此而出现多种划分方案.

4 层序形成的基准面变化旋回事件

经过数十年的探索和研究, 层序地层学的方法学可以概括为4个步骤(Catuneanu, 2006; Catuneanu et al., 2009):(1)观察叠置趋势和地层终止方式; (2)应用叠置型态和/或地层终止型态去解释层序地层界面; (3)应用界面, 叠置型态以及地层几何形态去识别体系域; (4)应用界面和体系域去定义层序.层序地层界面和体系域的解释不是基于与局部的或全球的旋回表的推测性对比, 更多的是依靠露头, 测井和地震资料中地层叠置型态和相关关系的观察(Van Wagoner et al., 1990; Van Wagoner, 1995; Posamentier and Allen, 1999; Catuneanu, 2006).一旦完成了基于这些资料的识别, 层序界面和体系域形成的相对时间过程就可以根据基准面旋回的阶段或特殊事件来加以解释.

沉积趋势在任何地点沿着岸线的变化均标定了事件, 这种事件对于层序地层格架内的年代学研究是很重要的.在一个完整的基准面旋回中记录了4种这样的事件(即最高和最低的基准面, 滨线最向海和最向陆的位置; Helland-Hansen and Martinsen, 1996), 这些事件是在滨线的沉积物堆积作用和可用的沉积物容纳空间之间相互作用的结果(图 5).沿着每一个沉积倾向线, 这些事件的时间标定可能是唯一的, 但是沿着沉积走向, 这些事件的形成时间是变化的, 这些变化可归因于沉降速率和/或沉积物供给的变化, 这4个主要的事件(图 5)是:(1)强迫型海退作用的开始(滨线基准面下降的开始); (2)强迫型海退作用的结束(滨线基准面下降的结束); (3)海退作用的结束(在基准面上升期间, 当基准面上升的速率产生了超过滨岸线的沉积作用速率的可容纳空间时; (4)海侵作用的结束(在基准面上升期间, 滨岸线的沉积作用速率再一次超过了在该地点基准面上升产生的可容纳空间时).

图5 与4种基准面旋回事件相关的7种层序地层界面的时间标定(据Catuneanu, 2006, 有修改)(4种基准面旋回事件的时间标定只是相对于沉积倾向而言, 因为沉积物供给和/或沉降速率沿着沉积走向的变化将造成这些事件形成时间的变化.为了表示的目的, 在这里所使用的是一个对称的参考曲线, 实际曲线可能是对称的也可能是不对称的, 这取决于基准面波动的各种机制之间的相互作用.产生海侵沟蚀面的剥蚀作用包括波浪或潮汐作用)Fig.5 Timing of seven surfaces of sequence stratigraphy relative to four events of base-level cycle(modified from Catuneanu, 2006)

如图3和图4所示的两种不同类型的层序模式那样, 基准面旋回中的4个事件在岩石记录中的表现可能是变化的, 从可以制图到隐秘的, 这将取决于沉积背景, 构造背景等适合于分析的资料类型.对滨线轨迹的研究(Steel and Olsen, 2002; Catuneanu, 2006; Catuneanu et al., 2009; Helland-Hansen and Hampsonw, 2009; Henriksen et al., 2009), 为强迫型海退沉积(Hunt and Tucker, 1992)组成的"强迫型海退楔体系域"或Nummedal 等(1993)的"下降阶段体系域"(图3)的顶和底界面的识别带来了曙光, 同时也代表了层序地层学的一个新进展.

5 海退--海侵(R-T)层序模式

在对Exxon层序地层学1988年的模式(Van Wagoner et al., 1988; Posamentier and Vail, 1988)中概念体系的不协调进行修正的过程中产生了若干争论, Galloway(1989)提出了一个由最大海泛面("下超面")所限定的层序而且命名为一个单位即成因地层层序(图 6-A).这个方法是基于Galloway关于墨西哥湾古近系的综合性研究工作以及Frazier(1974)的解释和观察.Frazier(1974)曾经将最大海泛面(称为间断面)所限定的单位命名为一个沉积复合体.

图6 两种特别的层序地层模式:R-T模式(A)和T-R模式(B)(A--Galloway(1989)的成因地层层序(可以简称为R-T层序), 将最大海泛面(MFS)作为层序界面, 要注意的是, 这样的模式把一个暴露不整合面包括在盆地侧翼的层序内部; B--Embry 和 Johannessen(1992)的T-R层序, 使用暴露不整合面作为层序界面, 以及滨线沟蚀面作为层序界面的不整合部分, 以最大海退面作为层序界面向盆地方向的整合延伸, 即"可以对比的整合面".要注意的是, 图A中的海侵面相当于图B中的最大海退面(见图5所示))Fig.6 Two particular sequence stratigraphic models: R-T model (A) and T-R model (B)

这种层序类型应用MFS不整合面作为层序界面, 与MFS的不整合部分连在一起的可以对比的地层面是指MFS的沉积小间断面和整合的部分(图 6-A).最大海泛面曾经被称作一个间断面(Frazier, 1974), 后来被定义为下超面(Vail et al., 1977; Van Wagoner et al., 1988), 最大海侵面(Helland-Hansen and Gjelberg, 1994)以及最终海侵面(Nummedal et al., 1993).最为有趣的是, 将最大海泛面作为层序界面, 由此所定义的成因地层层序也符合"不整合面及其可以对比的整合面所限定的沉积层序"的概念.由于在滨外和深海地区的测井和地震剖面中MFS面将是最容易识别而且是客观的层序界面, 这样的层序对于制图和交流将很有价值.其应用已经体现在北海(Partington et al., 1993)和中东(Sharland et al., 2003)的研究之中.

就像Embry(1993, 2001, 2002)所指出的那样, 这种类型层序的一个最严重的缺点是它通常包含一个暴露不整合面或一个不整合的滨线沟蚀面在盆地的侧翼即浅水部分(图 6-A).这种包含明显不整合面的层序, 更不要说是包含一个明显的构造不整合面, 在盆地侧翼实际上是两个不同的成因单元.如果考虑到与最大海泛面共生的盆地饥饿作用(或凝缩作用; G’ mez and Fern’ ndez-L’ pez, 1994; 梅冥相, 1996)所形成的特殊的沉积----凝缩段(Loutit et al., 1988), 图6-A所示的R-T层序模式对凝缩段的意义似乎也重视不够.

就像Mitchum等(1977)曾经将最大海泛面错误地与暴露不整合面进行对比一样, Galloway(1989)的成因地层层序模式虽然存在一些缺陷, 但是, 该模式不自觉地展示了在一个连续海侵作用过程之中由于盆地饥饿作用(或凝缩作用; G’ mez and Fern’ ndez-L’ pez, 1994; 梅冥相, 1996)所形成的"水下不整合面", 较为清楚地表现了一种特别的动态相变面穿时----"水下间断面穿时"(梅冥相和马永生, 2001).

6 海侵--海退(T-R)层序模式

一个"海侵--海退"(T-R)的层序原先被定义为一个沉积单元, 这个单元沉积在一个海侵事件的开始与下一个海侵事件的开始之间, 并假定两次海侵事件的级别相似(Johnson and Murphy, 1984; Johnson et al., 1985).这种类型的层序被特别应用到海相背景之中, 尤其是在海侵作用和海退作用能够证实的地方.

基于加拿大极地地区Sverdrup盆地9, km厚的中生代序列的大范围的野外工作和地下分析即T-R层序模式(Embry and Johannessen, 1992; Embry, 1993).T-R层序既应用了不整合面也应用了不整合的滨线沟蚀面(shoreline ravinement)来作为盆地侧翼(浅水部分)层序界面的不整合部分(图 6-B; 图7).滨线沟蚀面, 在其他的层序模式之中没有予以考虑, 这是发育在海侵作用期间的一个地层面, 该地层面的形成改造了先前产生在基准面下降期间的暴露不整合面的大部分或全部; 更向盆地方向, 一个面, 标定了一个沉积变化, 即从向上变粗到向上变细的转变从而被解释为代表海退作用到海侵作用的变化, 作为层序界面可以对比的整合界面部分(图 6-B和图7).在Exxon层序地层模式之中, 这个面被称为海侵面; 但是, 由于海侵面可能包括了滨线沟蚀面, 所以用最大海退面来替代海侵面, 该术语最先由Helland-Hansen和Gjelberg(1994)提出, 并在现在得到了广泛应用(Embry, 2002; Catuneanu, 2006; Catuneanu et al., 2009; Helland-Hansen and Hampsonw, 2009; Henriksen et al., 2009).因为只有一个层序地层面能够经验性地被识别于T-R层序内部, 这个面就是最大海泛面, 所以, Embry和Johannessen(1992)把T-R层序划分为两个体系域:下部由层序界面, 上部由最大海泛面所限定的海侵体系域(TST), 以及下部由最大海泛面, 上部由层序界面所限定的海退体系域(RST).

图6-B和图7所定义的最大海退面, 对应于图5所示的海退沉积作用结束的时间面, 是一个标定滨线轨迹从低水位正常海退到海侵的变化的界面(Catuneanu, 2006; Catuneanu et al., 2009).它组成最年轻的, 被海侵地层上超的海相倾斜面, 一个在深水背景和非海相背景中也可以对比的面.这个曾经被称为海侵面(Posamentier and Vail, 1988)的最大海退面, 其对应的术语包括:低水位顶面(Vail et al., 1991); 初始海侵面(Posamentier and Vail, 1988); 整合海侵面(Embry, 1995); 最大海退作用面(Helland-Hansen and Gjelberg, 1994; Mellere and Steel, 1995); 最大进积作用面(Emery and Myers, 1997).最大海退面形成在基准面上升期间, 当沉积趋势从海岸进积作用变化到退积作用时.沿着沉积倾向线, 这个面与海退作用结束的事件相对应.沿着走向, 最大海退面可能是高度穿时的, 这取决于沉积物供给和沉降速率的变化.

图6-B和图7所示的海侵--海退层序模式也存在一些问题:(1)在深水体系中最大海泛面可能是隐秘的, 尤其是在那些难以区分的天然堤水道的低密度浊积岩之中(Posamentier and Kolla, 2003; Catuneanu, 2006; Posamentier and Walker, 2006), 所以给TST和RST的划分带来困难; (2)把以前的海侵面修订为最

图7 T-R层序模式的成因过程图解(在该模式之中, 海侵体系域(TST)的定义与其他层序模式相同, 一个海退体系域(RST)被定义为在最大海泛面(MFS)和最大海退面(MRS)之间的沉积, 其最大海退面(MRS)相当于图3和图4所示的层序地层模式中的海侵面(TS), 可以对比的整合面(CC)则相当于图3所示的层序模式中的层序界面, 强迫型海退的底面(BSFR)则相当于图4中的层序界面, SB1代表Exxon层序地层模式中类型1层序界面)Fig.7 Diagram showing genetic process for T-R sequence model

大海退面, 这个面的形成取决于沉积作用, 因此沿着走向它们可能是高度穿时的, 一个重要的问题是把层序界面置于基准面上升的初始阶段而不是基准面变化或海平面变化的最低点; (3)所有的"正常"和"强迫型"海退沉积(图 1; 图2; 图5)均包括在一个"海退体系域"之中, 所以被认为过分概括(图 6-B和图7), 因为最近关于滨线轨迹的研究结果(Steel and Olsen, 2002; Catuneanu, 2006; Catuneanu et al., 2009; Helland-Hansen and Hampsonw, 2009; Henriksen et al., 2009)表明, 可以将一个层序划分为低水位正常海退沉积, 海侵沉积, 高水位正常海退沉积和强迫型海退沉积(图 5; Catuneanu, 2006; Catuneanu et al., 2009).尽管T-R层序模式强调了所修订的体系域即海侵体系域(TST)和海退体系域(RST)代表了明显的沉积趋势, 即TST以向上变细为特征, HST以向上变粗为特征, 但是, 将海侵面修订为最大海退面而作为层序界面, 似乎意味着层序内部除了最大海泛面以外, 其他的层序界面如强迫型海退沉积的顶和底界面均不能识别, 而且将层序界面置于海平面上升初期又给建立海平面变化曲线带来一些困难.

7 淹没不整合型层序

上文所介绍的不同类型的层序地层模式均可以用到碳酸盐岩沉积体系之中(Sarg, 1988; Handford and Loucks, 1993; Cathro et al., 2003; Schlager, 2005).但是, 由于碳酸盐沉积所具有的特殊性, 如:(1)沉积物主要是就地来源的而且与产生碳酸盐的生物相关联; (2)碳酸盐的生产作用多数与光合作用有关, 因此直接地或间接地与深度相关; (3)碳酸盐沉积物的生产作用也与盐度, 温度, 海水中的营养物含量存在关联; (4)碳酸盐沉积物的分布受到粘结作用, 障积作用, 结壳作用以及骨架形成作用的影响; (5)碳酸盐容易与堆积作用一起准同生胶结, 这样将会把沉积物固定在海底而限制了沉积物的活动性; (6)不管是陆上还是在水下, 碳酸盐容易经受物理和化学剥蚀作用的改造.因为碳酸盐沉积的一些关键事件没有留下记录, 所以在层序地层范畴内进行关键界面的解释将会遇到许多问题.最为重要的是所有这些因素的影响均与各种各样生物群的演化历史和生态历史存在关联, 这些生物群包括微生物群, 动物群和植物群.

这些差异表明, 应用Jervey(1988)的可容纳空间的原始定义对碳酸盐岩地层进行分析时需要作一些修订, 该原始定义是"适合于沉积物堆积的空间".碳酸盐堆积作用的空间可以进一步划分为"物理的"和"生态的"可容纳空间(Pomar and Kendall, 2007): (1)物理可容纳空间是指那种完全由水动力控制的空间, 这种水动力学将海底与"陆架平衡剖面"联系起来, 就像Swift和Thorne(1991)所定义的那样; (2)生态可容纳空间被某些吸附在其他生物上的能力所支配, 形成坚硬的骨架, 因此可以堆积在物理可容纳空间或与碎屑沉积作用相关的水动力临界面之上.不同类型的碳酸盐台地经常是两种类型的可容纳空间同时作用在不同地区的结果.

图8 淹没不整合型层序的沉积模式图(一个具有较大分布范围的深水盆地沉积构成的凝缩段(CS)意味着所发生的快速海侵作用, 构成三级层序的高水位体系域(HST), 总体上为一个向上变浅的进积作用序列.如果层序界面代表动态相变面的话, 则会产生间断面 穿时; 那些被标为之字形的相变面明显斜交时间面而产生相变面穿时)Fig.8 Diagram showing sequence model of drowning unconformity type

在碳酸盐岩地层之中, 快速的基准面上升所产生的沉积物可容纳空间增长速率超过碳酸盐的沉积作用速率时常常造成碳酸盐岩台地的淹没, 在淹没作用情况下, 碳酸盐岩与上覆的细粒远洋相之间的接触面曾经被定义为"淹没不整合面(drowning unconformity)"(Schlager, 1989, 1998), 而且被当作混合的碳酸盐--硅质碎屑岩序列中特殊类型的层序界面----类型3层序界面(梅冥相, 1996; Schlager, 1999).与上文介绍的层序地层模式不同, 不管是Exxon类型1层序和类型2层序(Posamentier and Vail, 1988; Van Wagoner et al., 1988), 还是图3(Hunt and Tucker, 1992)以及图4(Posamentier and Allen, 1999)所示的修订了的类型1层序, 乃至图6所示的R-T层序(Galloway, 1989)和T-R层序(Embry and Johannessen, 1992; Embry, 1993).淹没不整合型层序以凝缩段直接覆盖在层序界面之上的一个"凝缩段(CS)+高水位体系域(HST)"序列为特征(图 8).

实际上, 淹没不整合型层序不只是发育在碳酸盐岩地层之中, 碎屑岩地层中也同样发育.凝缩段直接覆盖在下伏的层序界面上, 意味着一个快速海侵作用所产生的凝缩作用过程(G’ mez and Fern’ ndez-L’ pez, 1994; 梅冥相, 1996), 这种快速海侵将会出现在以下情况中:(1)各种构造机制产生的盆地基底的快速沉降; (2)海平面的快速上升; (3)或者是前两种情况的叠加作用.淹没不整合面向盆地的浅水部分会变为一个突然加深的小间断面或整合面, 向盆地方向会相变为一个难以进行层序界面识别和划分的凝缩作用序列.这种类型的层序在华北寒武系中上部(Mei et al., 2005), 扬子地区的寒武系下部(Mei et al., 2007)以及华南的三叠系下部(Mei et al., 2003)均较为发育.

8 陆相层序地层学:一个有待于深入的领域

在不整合面及其可以对比的整合面所限定的地层单位被定义为层序的概念框架内, 层序概念可以应用到完全是非海相成因的地层序列中, 甚至是那些没有海相界面来进行对比的地方; 但是, 它们的内部构架还不能根据传统的体系域来予以描述, 因为陆相层序内部的体系域与海岸过程或滨线轨迹迁移不存在联系.河流沉积所需的可容纳空间将由下列过程产生和消失:(1)在盆地内河流物源区之间不同的构造运动, 将调节沉积物供应量以及河流横剖面的梯度; (2)能改变河流排泄和沉积物荷载平衡的气候旋回.这些变化在"上游控制"的河流过程之中最为典型, 而"下游控制"的河流总是与海平面变化存在较多的联系.因此, "下游控制"的河流沉积所构成的层序, 完全可以应用上述层序模式来进行划分和研究(Shanley and McCabe, 1994; Posamentier and Allen, 1999; Blum and Tö rnqvist, 2000; Catuneanu, 2006; Holbrook et al., 2006).

上游控制的河流背景之中, 不存在海侵沟蚀作用或强迫型海退作用之类的沉积过程, 但是, 暴露不整合面更为普遍, 从而可以用来定义层序界面(Gibling et al., 2005).诸如海侵作用和海退作用之类的概念不能使用, 但是在区域对比之中非常规体系域(Catuneanu, 2006; Catuneanu et al., 2009; 吴因业等, 2010), 如"低可容纳空间体系域"以及"高可容纳空间体系域"(图 9)则可以较好地应用来划分河流相地层的层序及其内部的体系域(Olsen et al., 1995; Martinsen et al., 1999; Arnott et al., 2002; Zaitlin et al., 2002; Leckie et al., 2004).这种体系域通过河流构架单元的比例来加以定义, 复合河道沉积的存在被解释为代表一个低可容纳空间的背景, 与之相反的是以泛滥平原占优势的序列则被解释为形成在高可容纳空间中.在低和高可容纳空间之间的河道聚合作用的变化程度不需要伴随着地形梯度和河流形式的变化, 它可能纯粹是在变化的可容纳空间条件下河流流程和沉积作用的表现.

图9 在一个过度填充的前陆盆地中发育的完整的河流沉积序列示意图(据Catuneanu et al., 2009, 有修改)(河流序列由那些暴露不整合面所限定的沉积层序所组成.LAST--低可容纳空间体系域; HAST--高可容纳空间体系域, 它们组成一个沉积层序.以印度Assam盆地中新世地层为例)Fig.9 Sketch map showing full fluvial sedimentary succession in an overfilled foreland basin(modified from Catuneanu et al., 2009)

在上游控制的河流背景之中, 暴露不整合面的形成可以归因于河流能量的阶段性增强, 而且由构造活动或气候效应所加强.在这种背景下, 河流剥蚀作用和沉积作用的时间可能与海相基准面变化所驱动的旋回不同步.例如, 冰川消融作用可以驱动河流剥蚀上游, 这起因于排泄量的增加, 在这个时候反而是海平面上升以及河流加积作用发生在下游.要去识别"常规"体系域, 即识别基准面旋回, 显然是不合适的, 除非河流序列的组成单元能够与下游的海相序列进行对比(Kerr et al., 1999).河流体系对异成因效应的响应是复杂的, 意味着还有许多问题需要更深入的研究才能得到合理的阐释.

低可容纳空间和高可容纳空间体系域是对那些非海相地层而言的, 这种非海相地层不知道是否与海相盆地相连接, 从而被Dahle等(1997)抽象地提出.因为随着基准面上升, 可容纳空间在非海相盆地中逐渐增加, 没有沉积趋势的变化能够支持一个新的层序地层界面的建立, 也就没有可建立的新的层序地层界面, 来定义诸如低可容纳空间和高可容纳空间体系域之类的单元.Catuneanu(2006)回避了讨论怎样才能在这两个体系域之间画一个连续的面, 而且注意到在低和高可容纳空间体系域中的变化是过渡性的.这种在可容纳空间增加的相同趋势下的均夷作用是可以预见的, 而且在试图建立一个在低和高可容纳空间体系域之间有效的层序地层接触这似乎强调了无效性.与图8所示的河流相沉积类似, Zhang等(1997)提出了用一个河流形式的变化来识别沉积层序的模式, 即从下向上为一个"辫状河(LST)--网状河(TST)--曲流河(HST)"的变化序列; 广泛分布在中国中上扬子地区的下三叠统须家河组及其相关地层中, 从其所划分的6个段(四川省地质矿产局, 1991; 辜学达和刘啸虎, 1997)的基本岩性特征, 即第1段, 第3段和第5段含较多的煤线和煤层而反映出曲流河的特点, 第2段, 第4段与第6段则以较多较厚的高能河道相砂岩为主而反映出网状河和辫状河特征, 由它们组成的3个层序正好是向上变粗的序列而与图8所示的向上变细的序列相反, 由此所代表的一个层序内河流形式的变化与Zhang等(1997)的模式也正好相反.因此, 河流沉积在一个沉积物可容纳空间增加的过程之中, 对于不同的构造背景存在不同的响应形式.河流形式的垂向变化非常复杂, 尤其是对网状河的认识还存在较多争议, 所以河流相层序地层模式的建立还需要进一步研究.

Cross和Lessenger(1997)认为, 尽管在非海相背景中缺乏海退作用和海侵作用, 还是可以运用低水位体系域(LST), 海侵体系域(TST)和高水位体系域(HST)的术语来描述河流相层序.Zhang 等(1997)的研究也说明了这一点.

尽管对河流沉积的研究相对较为深入, 但是也存在较多的争论; 把层序地层学的概念和方法应用到陆相背景之中, 也是后Exxon时代层序地层学的进展之一.更为重要的是, 在陆相背景中, 除了河流沉积外, 还发育湖泊沉积体系, 沙漠沉积体系等.在河流与湖泊沉积体系相互作用的背景中, 一个层序的下部可能是更多的河流沉积, 而上部则可能发育较多的湖泊沉积.新疆库车盆地下白垩统可能是进行沙漠沉积体系层序地层划分的良好实例(Mei et al., 2004), 其层序的底部以间歇性河流沉积为主, 上部以沙漠湖沉积为主, 二者之间常常发育沙漠沉积.总的说来, 把层序地层学的概念和方法应用到陆相背景之中, 也是后Exxon时代层序地层学的重要进展之一.

9 结语

如果把1977年至1988年称为层序地层学的Exxon时代的话, 围绕层序界面的水下整合部分----"可以对比的整合面"的探索和对比是了解后Exxon时代层序地层学进展的主要线索.直到今天, 针对Exxon层序地层模式概念体系的不协调, 基于滨线轨迹迁移的研究, 层序地层学发生了较多的变化, 把层序地层学研究的核心集中在分析地层的几何形态和沉积相的变化以及关键界面的识别就充分表明了这些变化.这些变化还包括:(1)对强迫型海退过程的关注与研究; (2)将正常海退区分为低水位和高水位正常海退; (3)出现了更多的层序地层模式, 包括不同的层序和体系域划分与识别的许多方案.同时, 将层序地层学概念应用到陆相地层之中, 尽管还存在很多的争论, 但是已经取得了很多进展.然而, 对更长周期的一级层序和二级层序的形成机制的探索, 对"准层序"概念的欠完整性而与旋回地层学中与轨道效应旋回相关的"旋回"的交融, 将是近年来"层序地层学进展之二"的主要内容.

致谢 沉积学家冯增昭教授在成文和资料整理方面给予了悉心指导, 地层学家陈旭院士为论文的撰写提供了许多指导性意见并给予大力帮助; 在成文过程之中作者参考了Ashton Embry, Erik Johannessen, Donald Owen, Benoit Beauchamp, Piero Gianolla所著的"Sequence Stratigraphy as a 'Concept’ Stratigraphic Discipline Report of the ISSC Task Group on Sequence Stratigraphy", 需要特别说明的是文中的一些图件修改自该报告.论文得到了管守锐教授和吴因业教授的仔细审阅, 并提出了许多建设性的修改意见, 在此一并致以衷心的感谢!

作者声明没有竞争性利益冲突.

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