邵龙义, 王学天, 李雅楠, 刘炳强. (2019)深时源-汇系统古地理重建方法评述* [J]. 古地理学报, 21(1): 67-81
Shao Long-Yi, Wang Xue-Tian, Li Ya-Nan, Liu Bing-Qiang. (2019)Review on palaeogeographic reconstruction of deep-time source-to-sink systems[J]. Journal Of Palaeogeography, 21(1): 67-81.   
Doi: 10.7605/gdlxb.2019.01.004
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深时源-汇系统古地理重建方法评述*
邵龙义, 王学天, 李雅楠, 刘炳强
中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院,北京 100083

第一作者简介 邵龙义,1964年生,男,1989年博士毕业于中国矿业大学,现为教授,主要从事沉积学与煤田地质学方面的研究与教学工作。E-mail: shaol@cumtb.edu.cn。

收稿日期:2018-12-25
基金资助:国家自然科学基金项目(编号: 41572090)和国家科技重大专项(编号:2017ZX05009-002)联合资助
摘要

源-汇系统根据侵蚀、搬运及沉积作用的显著程度可划分为物源区、过渡区和沉积区,根据研究的时间尺度可划分为现代系统、第四纪系统和深时系统。洋陆边缘源-汇系统根据地貌单元的空间配置可划分为“陡—短—深”、“宽—深”及“宽—浅”3种空间分布类型,这3种类型在沉积体积分布及沉积记录保存潜力上存在差异。完整的源-汇系统古地理重建包括沉积区古地理重建和物源区古地理重建。深时尺度下沉积区古地理重建方法随着岩相古地理、构造古地理、生物古地理及层序地层学的发展已趋完善,而物源区古地理重建则更具挑战性,尤其是在物源区遭受侵蚀而不复存在的情况下更具难度。在源-汇分析方法体系中,物源区古流域水系形态、面积范围、地貌地势等古地理要素可通过构造要素分析、碎屑矿物分析、沉积体积回填、地貌学参数比例关系、古水力学参数比例关系和河流沉积通量模型等方法获得。总之,深时源-汇系统古地理重建能够通过盆地沉积记录揭示出物源区古地理演化特征,为沉积盆地充填过程提供沉积供给的信息,对能源矿产勘探和深时古环境研究具有重要意义。

关键词: 源-汇系统; 深时; 古地理重建; 物源区; 沉积通量
中图分类号:P512.2 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2019)01-0067-15
Review on palaeogeographic reconstruction of deep-time source-to-sink systems
Shao Long-Yi, Wang Xue-Tian, Li Ya-Nan, Liu Bing-Qiang
College of Geoscience and Surveying Engineering,China University of Mining & Technology(Beijing),Beijing 100083,China

About the first author Shao Long-Yi,born in 1964,is a professor of geology at China University of Mining and Technology,Beijing(CUMTB). He obtained his Ph.D. degree from Beijing Graduate School of CUMTB in 1989. He is currently leading an active group working on sedimentology and sequence stratigraphy of coal and oil basins in China. E-mail: shaol@cumtb.edu.cn.

Fund:Co-funded by the National Natural Science Foundation of China(No.41572090)and National Science and Technology Major Project(No.2017ZX05009-002)
Abstract

The source-to-sink(S2S)system can be partitioned into the sediment source,the transition zone,and the sediment sink according to the significance of erosion,transportation or sedimentation in each zone. In terms of the time scale of the research,the S2S systems can be classified into modern systems,Quaternary systems,and deep-time systems. Based on spatial configuration of geomorphological units,the S2S systems can be subdivided into three end-member types,“steep-short-deep”,“wide-deep”,and “wide-shallow”,each of which has differences in sediment volume partition and preservation of sedimentary signals. The complete palaeogeography reconstruction in a S2S system includes reconstruction of the sink palaeogeography and the source palaeogeography. Methods for the sink palaeogeography reconstruction in deep-time scale are approaching their perfection with the development of lithofacies palaeogeography,tectono-palaeogeography,biological palaeogeography and sequence stratigraphy,while the understanding of the source palaeogeography remains challenged,especially when the sediments in the source areas are no longer preserved due to either later tectonic destruction or no deposition. In the S2S approach system,palaeogeography parameters like drainage patterns,areas,and relief in the source area can be acquired through analysis of tectonic elements,analysis of detrital minerals,sediment-volume backfilling,geomorphological scaling relationships,palaeohydraulic scaling relationships,and river sediment flux model. In conclusion,palaeogeography reconstruction of source-to-sink systems in deep-time can reveal the evolution of source palaeogeography from the sedimentary record in the sink,provide the information of sediment supply for basin fill processes,and is of great significance for the prospecting of energy resources and the understanding of palaeoenvironmental evolution in deep-time.

Key words: source-to-sink system; deep time; palaeogeography reconstruction; sediment flux

“ 源-汇系统” (Source-to-Sink, S2S)研究与“ 深时” (Deep-time)研究是当前地球科学领域的两大研究热点, 其中源-汇系统是为了从地貌演化角度认识地质历史、破译沉积记录中的地貌演化与地史变迁信息(MARGINS Office, 2003; Allen, 2008), 而“ 深时” 研究是为了分析前第四纪沉积记录中的古气候信息及重大地质事件、深入理解地球表层系统与气候系统(Soreghan et al., 2004; 孙枢和王成善, 2009)。“ 源-汇” 概念早期在地貌学等研究领域中被提出来, 近年来的源-汇系统综合研究则兴起于“ 洋陆边缘科学计划” 中的“ 源-汇” 子课题, 该课题的研究内容包括: (1)构造活动、气候变化、海平面升降和其他驱动因素是如何调节沉积物从物源区到沉积区的产生、搬运与沉积过程; (2)哪些因素控制着侵蚀作用与搬运作用, 如何通过反馈机制相互联系; (3)构造活动、海平面升降等长周期变化与沉积过程、沉积通量的时空变化如何在地层记录中保存下来(MARGINS Office, 2003)。

地质学家很早就认识到沉积物是在构造活动、气候变化等因素影响下由侵蚀作用产生, 经搬运作用从物源区到沉积盆地发生沉积。“ 源” 、“ 汇” 术语由Meade(1972, 1982)首先应用于沉积学, 他对美国东海岸全新统的研究结果表明, 人类活动、地形坡度、河流作用及土壤类型等因素, 影响着沉积物的产生以及搬运至海岸及大陆架地区的沉积过程, 大部分陆源沉积物保存在滨岸地区河口和沼泽环境中, 只有不到5%的沉积物被搬运到大陆架与深海区(Meade, 1982)。

Allen(2008)提出用“ 沉积路径系统” 来概括沉积物从物源区到最终沉积区所经历的多元化搬运轨迹, 从沉积学角度提出“ 一沙见世界” 的观点, 强调不同时间尺度下沉积路径系统与地貌特征的联系。沉积路径系统的动力机制、沉积信号的调节能力和沉积物的空间分布受到构造和气候因素的控制(Allen et al., 2013), 地形、地貌在其中也起到了重要的作用(Burt and Allison, 2010; Romans et al., 2016)。

近年来沉积盆地源-汇系统研究在国内亦受到广泛关注, 祝彦贺等(2011)通过南海北部被动大陆边缘盆地的地震资料分析, 认为相对海平面变化、陆架坡折演化、沉积物供给和海洋水动力共同作用于陆架— 陆坡的源-汇系统, 综合分析了源-汇系统各要素之间的沉积响应。徐长贵(2013)在“ 山— 沟— 坡— 面” 控砂理论的基础上, 提出了陆相断陷盆地“ 源-汇” 时空耦合控砂原理。林畅松等(2015)在新生代珠江口盆地识别出3种具有特定物源背景、搬运通道及相应沉积体系的源-汇类型, 分别为河流或辫状河流平原— 陆架边缘三角洲— 前三角洲斜坡或陆架斜坡扇、陆架边缘上斜坡密集的直流状沟谷— 滑塌— 下斜坡扇、大型下切沟道— 伸长状盆底扇等源-汇系统。刘强虎等(2016)基于钻井岩心、三维地震及锆石测年等资料, 分析了渤海湾盆地沙垒田凸起前古近纪基岩组成及分布, 并探讨了对应源-汇体系的配置关系。

作为源-汇系统分析的重要内容, 源-汇系统古地理重建包括沉积区古地理重建和物源区古地理重建。沉积区古地理重建方法随着层序地层学的发展日臻完善, 其中沉积物供给往往会被抽象为与海平面变化及构造活动相关的恒定参数。源-汇分析方法则能够有效地获取物源区古地理、古地貌和沉积供给的信息, 有助于更好地理解物源供给、地貌演化、海平面变化和构造活动的相互联系, 而这些相互联系会为定量预测沉积单元岩石类型、物性特征及其空间分布特征提供依据, 因此源-汇系统方法不仅在沉积盆地分析(解习农等, 2017; 朱红涛等, 2017; 操应长等, 2018)与深时沉积学研究中受到广泛关注(孙枢和王成善, 2009; Carvajal and Steel, 2012; Romans and Graham, 2013), 在能源矿产勘探研究中亦得到迅速发展和应用(徐长贵, 2013; 朱红涛等, 2013; Walsh et al., 2016; Bhattacharya et al., 2016)。

根据近年来源-汇系统理论的发展, 笔者对源-汇系统的时间尺度类型及空间尺度类型进行介绍, 同时对深时源-汇系统古地理重建方法进行评述, 并对深时源-汇系统古地理重建的下一步研究方向进行展望。

1 源-汇系统组成及类型划分

源-汇系统是沉积物从物源区经地表风化侵蚀形成到最终沉积在相邻的冲积平原、大陆架和深海平原所经过的一组相互联系的地貌单元, 包括沉积物从造山带物源区经冲积平原及浅海大陆架最终到达深海盆地的全部过程(MARGINS Office, 2003)。

1.1 源-汇系统的地貌单元组成

源-汇系统在不同的构造及气候背景中, 其大小、形状、坡度等地貌特征均存在差异(Sø mme et al., 2009b; Nyberg et al., 2018), 可视为一个从物源区到沉积区的“ 天然沙漏” , 该“ 沙漏” 具有明显的不对称性, 以侵蚀作用为主的上半部与以沉积作用为主的下半部的比例范围通常为30︰1到 10︰1(Helland-Hansen et al., 2016)。在典型源-汇系统中, 上游流域多表现为树枝状支流水系(Fielding et al., 2012), 沉积物及水通过这些支流体系汇入干流, 然后或者通过这些干流直接进入汇水盆地, 或者通过三角洲分流河道进入汇水盆地(Weissmann et al., 2010), 这里的汇水盆地可以是湖泊也可以是开阔海盆地。从河流进入汇水盆地的位置起, 水体及其携带的沉积物即从限制性河道扩散到非限制性的浅水区域(Schumm, 1977)。

Schumm(1977)将河流体系划分为物源区(源)、搬运区(过渡区)和沉积区(汇)(图1), 虽然3个区域均发生侵蚀、搬运与沉积作用, 但通常每个区域会以一种作用占主导地位。现代源-汇系统的过渡区可能邻近滨岸线或者深入内陆, 由于其中往往同时存在侵蚀与沉积作用, 所以难以明确划分出其与物源区或沉积区的边界。对于地史时期中的源-汇系统, 物源区与沉积区则可根据长期侵蚀和长期沉积来分别界定(Romans and Graham, 2013), 当构造沉降带走向与沉积路径正交时, 过渡区会垂直于沉积路径而平行于盆地边缘展布。对于前陆盆地背景中持续强烈沉降的冲积平原环境, 尽管其作为过渡区在发生沉积作用时位于物源区流域范围, 但沉积物仍然可以在这里长期持续堆积并保存下来(Decelles and Giles, 1996)。在被动大陆边缘背景中, 当海平面处于高位时期, 过渡区可在较短时间内向陆扩展到以侵蚀作用为主的非海相地区, 但当海平面低位期占主导时, 随着沉积物被再次侵蚀并冲刷到沉降幅度较大的下游地区, 上游沉积物的保存潜力会逐渐降低(Hinderer, 2012)。此外, 受过渡区位置往复迁移的影响, 长期沉积区中的短期局部物源要素可通过区域不整合面的形式保存在地层记录中(Zecchin and Catuneanu, 2013; 林畅松等, 2015)。

图1 源-汇系统组成要素(据Helland-Hansen等, 2016, 有修改)Fig.1 Elements of the source-to-sink system(modified from Helland-Hansen et al., 2016)

1.2 源-汇系统时间尺度类型

源-汇系统根据研究时间尺度可划分为现代系统(100~103年)、第四纪系统(103~2.5× 106年)及深时系统(2.5× 106~108年)(Helland-Hansen et al., 2016), 不同时间尺度下的源-汇系统在主控因素、研究领域及预测精度等方面均存在差异。

在现代系统中, 地形地貌、基岩地质和流域面积等因素保存相对稳定, 沉积通量主要受到气候条件、洪水、人类活动及植被类型短期变化的影响(Syvitski and Milliman, 2007), 物源区、过渡区及沉积区的各种参数相对比较直观, 可建立多种地貌学参数比例关系及水力学参数比例关系模型。对现代源-汇系统各要素及其内在联系的研究, 是理解第四纪和深时系统的关键。但是由于现代源-汇系统处于间冰期高位海平面的独特性, 应用于第四纪和深时系统可能存在一定差异。在第四纪系统中, 上游流域范围、形态和坡度可认为是相对固定的(Sø mme et al., 2009b), 而下游流域和陆架的范围则随着海平面升降和滨岸线迁移而变化(Blum et al., 2013), 沉积通量主要受到米兰科维奇周期、高频高幅海平面升降的影响。第四纪的源-汇系统由于大部分沉积记录得到保存, 仅少量地貌要素由于冰川活动、海平面升降和区域剥蚀作用存在一定缺失, 因此可以用来验证基于现代源-汇系统建立的各项比例关系, 为深时源-汇系统研究提供更可靠的依据。在深时源-汇系统中, 各区域的边界通常难以准确限定或者只能粗略估计, 物源区地貌要素往往遭受剥蚀而不复存在, 而沉积区也可经历构造作用成为后期物源区而遭受剥蚀, 故持续时间通常是有限的(Romans and Graham, 2013), 其研究内容主要包括盆地分析、源-汇系统古地理重建以及沉积通量收支平衡。深时古地理重建深时古地理重建的关键是利用源-汇系统各要素之间的内在联系恢复未保存下来的源-汇系统要素, 这有助于定量预测沉积单元岩石类型、物性特征及其空间分布特征, 从而在能源矿产勘探研究中具有广阔应用前景(Bhattacharya et al., 2016)。

深时系统中沉积供给的长期变化主要受到构造作用和大规模气候变迁的控制, 而短期变化则受叠加到长期变化之上的短周期高频海平面升降、气候变化及沉积路径系统的内动力机制的影响(Romans et al., 2016)。构造沉降作用是沉积物长期保存的前提条件, 包括构造沉降、地壳均衡沉降和地层压实沉降等(Allen, 2008)。与冰室期— 温室期气候条件变化有关的全球海平面变化, 对大陆架宽度有明显控制, 同时也进一步控制沉积物通过海底峡谷搬运到深海盆地的效率(Blum and Womak, 2009; Gong et al., 2016a)。Gong等(2016a)分析了全球127个河流作用为主的陆架三角洲, 认为温室期中海平面变化幅度小, 化学风化作用强, 河口或三角洲难以达到陆架边缘, 不易形成深水扇; 而冰室期中海平面变化幅度大, 物理风化作用强, 河口或三角洲更有可能到达陆架边缘, 产生体积较大的深水扇。尽管如此, Sø mme等(2009a)认为, 温室期在浅水大陆架中的三角洲可较冰室期更为频繁地抵达大陆架边缘。

深时源-汇系统的持续时间受所处的构造背景影响, 可从海沟斜坡的数十万年到超大陆旋回的数亿年(Woodcock, 2004; Nance et al., 2014), 当洋陆边缘或陆相盆地从一个构造阶段演化到另一个阶段时, 源-汇系统各组成部分的构造、地形、气候等条件均会发生变化, 使得其中沉积物分布、沉积路径系统、古地貌和古水力学比例关系均会发生变化以适应新的源-汇配置关系(Helland-Hansen et al., 2016), 包括河流系统搬运方向的变化、沉积中心的迁移或新沉积盆地的形成等方面(Galloway et al., 2011; Blum and Pecha, 2014)。

深时尺度中不仅存在区域物源背景的长期源-汇系统, 还可能存在局部物源背景的短期小型源-汇系统。局部物源区一般表现为次级正向地貌单元, 在基准面下降期间遭受暴露侵蚀, 可与沟谷坡折、近源沉积扇体构成局部源-汇体系, 同沉积构造及古地貌对沉积物分散路径和沉积体系的发育特征具有显著的控制作用(林畅松等, 2015; 刘强虎等, 2016; 徐长贵等, 2017a)。

1.3 源-汇系统空间尺度类型

不同构造背景、气候条件和盆地类型的源-汇系统具有不同的空间尺度、地貌特征及控制因素, 根据地形地貌、搬运距离和沉积区水深的空间差异性可将洋陆边缘源-汇系统划分为“ 陡— 短— 深” 、“ 宽— 浅” 和“ 宽— 深” 3类(Helland-Hansen et al., 2016)(图2), 该分类方案可与Ingersoll和Busby(1995)的沉积盆地构造分类方案进行对应(表1)。

表1 洋陆边缘源-汇系统空间分类与沉积盆地构造分类方案对比 Table 1 Spatial classification of S2S systems and tectonics of sedimentarty basins

图2 洋陆边缘源-汇系统驱动因素及空间类型示意图(据Sø mme等, 2009b; Helland-Hansen 等, 2012; Walsh等, 2016; 综合)Fig.2 Diagram showing main drivers and spatial types of S2S systems along ocean margins (revised after Sø mme et al., 2009b; Helland-Hansen et al., 2012; Walsh et al., 2016)

“ 陡— 短— 深” 系统中流域长度通常小于100 km, 陆架边缘外水深可超过500 m, 物源区地势较高, 陆架较窄, 陆坡较陡, 通常邻近发生构造变形的主动板块边界, 系统持续时间较短暂, 多小于15 ma。陆架、陆坡及深水盆地的宽度及地貌一般受到构造控制并具有相对固定的边界, 窄而陡的陆架限制了高频海平面变化引起的滨岸线迁移, 沉积区地貌一般不受沉积物堆积样式的影响(Covault et al., 2011)。该类系统中沉积物输送能力强、保存潜力低, 多数沉积物一般由小型陡坡河流快速冲刷到陆架、陆坡及深水盆地中, 沉积路径系统对物源区气候变化及构造活动的响应更有可能在地层中记录保存下来(Dadson et al., 2005; Jorry et al., 2011)。

“ 宽— 深” 系统中流域长度通常为1000~7000 km, 陆架边缘外水深可超过千米, 流域及陆架广阔平缓, 通常位于拉张盆地或被动大陆边缘地壳变薄处(Ingersoll and Busby, 1995)。在高频海平面变化周期中, 高海平面时期洪水泛滥并形成宽阔的陆架, 低海平面时期滨岸线确定了陆架沉积坡折带的位置(Muto and Steel, 2002; Helland-Hansen et al., 2012)。“ 宽— 深” 系统源-汇剖面在被动大陆边缘通常以物源区抬升、沉积区沉降的铰链式旋转为特征(Watts, 2012), 使得沉积物的保存潜力在长时间尺度中向下游逐渐增加。

“ 宽— 浅” 系统中流域长度通常为100~1000 km, 水深数十米至数百米, 多位于较厚的大陆板块中。前陆盆地中的陆架— 陆坡地貌与缓坡陆架地貌的演化取决于构造沉降与沉积物供应的长期平衡(Varban and Plint, 2008; Helland-Hansen et al., 2012), 过充填阶段水深较浅时海平面的高频波动可导致滨岸线大幅迁移, 沉积物保存潜力一般受山前构造沉降作用的控制, 可在地层记录中长期保存环境信号(Allen et al., 2013; Romans et al., 2016)。内克拉通盆地通常水深较浅, 滨岸地区地形平缓, 滨岸线可随着海平面变化而大范围往复迁移, 滨岸线在沿岸方向上的差异性迁移受到物源供给与河流— 三角洲内动力机制的显著影响(Madof et al., 2016), 缓慢的区域沉降使其能够保存长期的地层记录。

2 源-汇系统古地理重建方法

源-汇系统古地理要素主要包括完整源-汇系统的分布范围、沉积环境、地貌地势、流域水系形态及其演化特征。沉积区古地理重建方法随着层序地层学的发展已逐步完善(Catuneanu et al., 2009), 物源区古地理面貌的恢复则存在诸多不确定性, 而源-汇分析方法可为物源区古地理重建提供更丰富的信息(Helland-Hansen et al., 2016; Snedden et al., 2018)。

2.1 沉积区古地理重建

沉积区古地理重建包括地质历史时期自然地理环境特征及其演化, 涉及古构造、古气候和古生物等方面。古地理图是这些研究成果的集中表现, 其要素包括海陆分布、盆地形状、地形地貌、河流方向、沉积环境和水体深度等(王鸿祯, 1985; 冯增昭, 2004)。古地理重建需要综合多种方法对不同类型的数据进行综合分析, 古地磁数据能够恢复沉积盆地的板块构造配置(Seton et al., 2012), 露头剖面、钻孔岩心、测井曲线与地震资料的结合能够获得沉积相带分布、地层叠置样式与层序地层格架(Van Wagoner et al., 1990; Posamentier, 2004), 生物地层学、旋回地层学及同位素定年等方法可为古地理重建的目标地层单元提供年代约束(Yuan et al., 2019)。古地理重建的完善性与可信度不仅取决于研究的时间框架, 还受到数据的类型、分辨率和分布密度的影响, 在钻井密度和三维地震覆盖度较高的盆地中, 勘探区沉积环境及古地貌可在更精细的时空分辨率中进行重建, 但在缺少钻井和地震数据的盆地中, 重建的完整性则必然有所欠缺(冯增昭, 2004; Posamentier, 2004)。此外, 重建沉积区古地理时还需要考虑物源区特征、继承性构造、同沉积构造和地貌要素尺度关系的影响(Sø mme et al., 2009b; 林畅松等, 2015; 徐长贵等, 2017a; Snedden et al., 2018)。

2.2 物源区古地理重建

2.2.1 构造要素分析

拗陷区和构造薄弱带通常受到断裂拉张或地壳均衡等长期构造作用的控制, 在局部构造薄弱带或岩性边界处通常会发育河流系统, 从而成为沉积物从“ 源” 到“ 汇” 的搬运通道(Sø mme and Jackson, 2013)。地史时期构造薄弱带可能会多次活动, 从而反复影响流域的水系形态(Holdsworth et al., 1997)。同沉积构造影响下的古地貌控制着沉积物的分布及沉积体系的发育, 同沉积断裂、陆架坡折带及构造坡折带可控制三角洲、沟谷和海底扇等沉积体系的发育(冯有良和徐秀生, 2006; 徐长贵, 2013; 朱红涛等, 2013)。徐长贵等(2017b)提出在走滑断裂带的沉积盆地中, 走滑断裂的压扭作用控制局部物源体系的形成, 张扭作用控制沟谷低地的形成, 水平运动控制源-汇体系的横向迁移。反之, 构造活动期所发生的沉积作用也可能反过来影响褶皱— 冲断带等构造要素的发育(Fillon et al., 2013)。

2.2.2 碎屑矿物分析

通过砂岩矿物的Dickinson 图解及其改进方法能够对物源区基岩类型以及板块构造背景进行划分(Dickinson et al., 1980; Garzanti et al., 2016)。重矿物组成特征可用来约束物源区范围(Morton and Hallsworth, 1999), 特殊重矿物地球化学特征还能够作为物源区指纹被用来恢复物源区的母岩特征(Morton et al., 2005)。锆石U-Pb测年等碎屑矿物年代学方法可用来恢复物源区(Xu et al., 2017)、重建盆地古地理及古水系演化史(Dickinson and Gehrels, 2010; Blum and Pecha, 2014)、约束地层年代(Zhong et al., 2014)、揭示侵蚀区构造演化及剥露特征(Bernet and Spiegel, 2004; Whitchurch et al., 2011; 李忠和彭守涛, 2013)。

2.2.3 沉积体积回填

通过计算年代约束的沉积体积及其对应侵蚀体积, 并将该侵蚀体积回填至推测物源区, 能够重建物源区的古地貌以及构造活动特征, 该方法在普遍缺失古流域地貌要素的深时研究中具有重要意义(Walford et al., 2005; Guillocheau et al., 2012)。深时尺度中沉积体积计算的挑战包括地层记录的低分辨率、盆地充填趋势的变化、年代约束性的降低、压实作用的差异化以及侵蚀作用导致的沉积间断(Sadler and Jerolmack, 2015), 此外还包括沉积盆地的完整性、多流域或多边缘物源供给的不确定性(Helland-Hansen et al., 2016), 因此需要综合物源区侵蚀特征、沉积供给强度与盆地充填体积获得更完善的物源区模型(鲜本忠等, 2017)。

2.2.4 源-汇系统地貌要素比例关系

现代源-汇系统中地貌要素之间的比例关系不仅能够用于重建深时物源区地貌要素, 还可用来直接预测沉积区中未保存的地貌要素, 包括河流长度与流域面积的关系(Hack, 1957)、扇面积与陆坡长度的关系(Wetzel, 1993; Snedden et al., 2018)、流域河流出口间隔与河流长度的关系等(Hovius, 1996; Walcott and Summerfield, 2009)。对不同空间尺度、构造机制、气候特征下源-汇系统中流域、陆架、陆坡地貌要素的研究表明(Sø mme et al., 2009b), 流域面积、河流长度分别与陆架面积、陆架宽度相关联, 盆底扇面积与陆坡长度存在联系, 陆架宽度与陆坡长度的比例关系相对稳定(图3)。

图3 流域、陆架、盆底地貌要素相对陆坡长度的比例关系(据Sø mme等, 2009b)Fig.3 Scaling relationship between the catchment, shelf and basin floor morphological segment parameters relative to the slope length(after Sø mme et al., 2009b)

Hovius(1996)提出可根据线性山脉流域出口间距S估算出山脉半宽W(主山脉分水岭到山前流域出口的距离), 比例系数 β =W/S 范围为 1.9~2.23, 平均值为2.07(图4):

S=0.46W+0.798(1)

图4 山地流域地貌要素(a)及山地流域出口间距与造山带半宽地貌比例关系(b)(据Hovius, 1996)Fig.4 Diagram showing the geomorphological parameters in mountain drainage(a)and geomorphology relationship of the distance between drainage outlets and half-width of the mountain belt (b)(after Hovius, 1996)

山地流域面积 Am 可通过流域出口间距 S 与山脉半宽 W 相乘获得的矩形面积估计, 实际流域面积与该矩形面积存在比值 p, 其范围为 0.75~1:

Am=pSW(2)

该比例关系普遍存在于不同空间尺度、气候条件的山地流域之中, 但构造活跃的小型山地流域中(流域长度小于30 km), 流域出口间距大致等于山脉半宽(S=0.96W)(Walcott and Summerfield, 2009)。

2.2.5 古水力学参数比例关系

河道深度往往受到径流量的影响, 而径流量与流域面积大小存在密切的线性关系, 即流域面积广阔的河道往往具有较大的径流量和较深的河道(Syvitski and Milliman, 2007), 但对于深时源-汇系统而言, 河道深度无法直接获得, 只能够通过单期点沙坝厚度恢复当时的河道深度, 进而反推当时的古流域面积大小, 因此古水力学参数间的比例关系可作为通过地层记录恢复深时古河流系统的重要工具(Blum et al., 2013)(图5)。这种比例关系还可进一步扩展到碎屑粒径(Davidson and Hartley, 2010)、河道宽— 深比(Bridge and Tye, 2000)、河床坡度(Bhattacharya et al., 2016)及河流沙坝厚度(Leclair and Bridge, 2001)等古水力学参数。特别需要注意的是, 这些古水力学参数之间并非简单的对应关系, 在深时研究应用时不仅要考虑这些比例关系的应用条件, 例如需要排除叠置河道砂体对单层砂体厚度统计的影响(Xu et al., 2017), 还要考虑古气候、基岩类型和水文过程的差异, 为此研究者提出利用区域水力几何曲线估计径流量与流域面积(Davidson and North, 2009)。

图5 现代河流系统中各种参数的比例关系(据Blum 等, 2013)
a— 满岸流量与流域面积比例; b— 点砂坝厚度与满岸流量比例; c— 点砂坝厚度与流域面积比例; d— 点砂坝宽度与点砂坝厚度比例Fig.5 Scaling relationships about the parameters in modern fluvial systems(after Blum et al., 2013)。

Liu等(2019)以柴北缘赛什腾地区中侏罗统为例, 阐述河道比例关系在深时源-汇系统分析中的应用。研究区河道沉积主要包括上游河道、下游河道、废弃河道充填和多层叠置河道4种典型模式(图6)。一个完整的河道沉积序列通常展现正粒序的特征, 下部河道以发育交错层理的中— 粗粒砂岩为主, 上部河道岩性则主要为细砂岩、粉砂岩及泥岩的互层沉积。上游河道主要形成于侧向加积, 砂质含量相对较高, 下部单元相对较厚(图6-a), 而下游河道泥质含量有所增加, 其上部砂泥互层段相对较厚(图6-b)。废弃河道充填的泥质沉积厚度较大, GR测井曲线在下部表现为箱型或钟型, 在上部突变并整体处于泥质岩高值区(图6-c)。在多层叠置河道中, 在其内部经常发育多个冲刷面(图6-d), 上覆的河道沉积经常会对下伏的沉积物造成侵蚀, 因此多层叠置河道并不能代表完整的河道沉积, 在实际筛选测量中应予以剔除。

图6 柴北缘赛什腾地区中侏罗世河道沉积的典型GR测井曲线模式(据Liu 等, 2019; 有修改)
a— 上游河道; b— 下游河道; c— 废弃河道充填; d— 多层叠置河道Fig.6 Typical gamma ray well log patterns of the Middle Jurassic channel-belt deposits in the Saishiteng area, northern margin of Qaidam Basin(modified from Liu et al., 2019)

在单层河道厚度测量的实际工作中, 下部河道以其相对较高的砂质含量而易于通过测井曲线形态进行识别, 上部河道的顶界可以定为测井曲线向泥质岩高值区的最大偏转处(图6)。柴北缘赛什腾地区在中侏罗世发育数层煤, 煤层的出现也可以作为河道顶界的标志。选取了81个河道沉积序列的GR测井曲线进行河道厚度测量, 基本覆盖了在研究区岩相古地理分析中识别的3条河道发育的位置(Li et al., 2016)(图7)。测量结果显示河道A、B、C在大煤沟组沉积期的平均河道厚度分别为9.8 m、8.9 m、7.9 m, 在其后的石门沟组沉积时期的平均河道厚度则变为7.4 m、6.2 m、5.4 m。通过Blum等(2013)建立的河道厚度与流域面积间的比例关系, 计算出河道A、B、C在大煤沟组沉积时期的流域面积分别为63.0× 103km2、50.1× 103km2、37.7× 103km2, 在石门沟组沉积时期的流域面积分别为32.3× 103km2、21.2× 103km2、15.3× 103km2。研究区中侏罗世3条河道在同一时期的河道厚度、流域面积由河道A到河道C依次减小, 经过分析这一变化主要由沉积期祁连山的走向所决定。从大煤沟组至石门沟组沉积期, 同一河流的河道厚度、流域面积也展现了明显减小的趋势, 结合柴北缘中侏罗世沉积-构造演化分析, 可以认为河道参数的变化是源-汇系统对柴北缘伸展型坳陷向挤压型坳陷转变的响应。

图7 柴北缘赛什腾地区中侏罗世古地理图(据 Li等, 2016, 有修改)
a— 大煤沟组古地理; b— 石门沟组古地理Fig.7 Palaeogeography map of the Middle Jurassic in the Saishiteng area, northern margin of Qaidam Basin(modified from Li et al., 2016)

此外, 通过点砂坝的厚度还可以实现对盆底扇体面积以及扇体长度的估计。Xu等(2017)针对美国墨西哥湾早中新世的冲积平原进行研究, 注意到点砂坝厚度与盆底扇体长度、扇体面积之间也存在比例关系(图8)。

图8 墨西哥湾早中新世冲积平原中点砂坝厚度与盆底扇体长度、扇体面积之间的比例关系(据Xu等, 2017)
a— 点砂坝厚度与扇体长度关系; b— 点砂坝厚度与扇体面积关系Fig.8 Relationship between mean bankfull thickness with submarine fan run-out length and submarine fine area of the Early Miocene fluvial system, northern Gulf of Mexico(after Xu et al., 2017)

2.3 沉积通量模型恢复物源区古地势

2.3.1 沉积通量的定量约束

深时尺度中沉积通量一般可通过对相应地层体积进行等时约束获得, 但受地下沉积分辨率的降低、盆地充填趋势的变化、区域侵蚀作用、年代约束性降低和Sadler效应的影响, 使得人们难以对沉积通量进行准确估计(Sadler, 1981), 在这种情况下, 就需要充分利用已知三维盆地充填体积对后期剥蚀的沉积体积进行估计(Sadler and Jerolmack, 2015)。物源区范围相对明确时, 古流域沉积通量的计算有助于解释沉积物的空间分布, 当沉积供给量大于已知沉积区陆源沉积质量时, 缺失沉积量可能出现在数据覆盖范围之外, 还可能与区域沉积间断有关(Michael et al., 2013; Holbrook and Wanas, 2014)。如果能够估计出某时期内输送到盆地的沉积物总体积, 则可通过对比沉积物供应与陆架沉积体积来估计穿越陆架抵达深海的沉积物体积(Carvajal and Steel, 2012; Holbrook and Wanas, 2014)。如果已知沉积通量分配关系, 则可由三角洲或陆架沉积通量估算出陆坡及深水盆地的沉积通量, 当然这里还需要考虑温室期— 冰室期及冰期— 间冰期海平面与气候的周期性变化对陆架沉积通量分配的影响(Blum and Womack, 2009; Sø mme et al., 2009a; Gong et al., 2016a, 2016b)。

2.3.2 BQART沉积通量模型

Syvitski和Milliman(2007)对全球约500条河流的沉积通量进行多元回归分析, 认为地质背景、人类活动、径流量、气候条件、流域范围及地貌特征是沉积通量的主要控制因素, 并据此建立了河流沉积通量BQART模型:

Qs=ω BQ0.31A0.5RT 当T≥ 2 ℃ (3)

Qs=2ω BQ0.31A0.5R 当T< 2 ℃ (4)

式中Qs代表河口处沉积通量(Mt/a), ω 为常数0.0006, B为代表人类、岩性、冰川覆盖等影响因素的环境参数, Q代表径流量(km3/a), A代表流域面积(km2), R代表流域地势最大高度(km), T代表年平均温度(℃)。

环境参数B的计算公式为:

B=IL(1-TE)Eh(5)

式中I为冰川侵蚀参数, 其计算公式为:

I=(1+0.09Ag)(6)

其中Ag为冰川覆盖面积占整个流域面积的百分比, 故冰川侵蚀参数I取值范围为1(无冰川覆盖)到10(全部被冰川覆盖)。L为反映基岩易侵蚀程度的岩性参数, 根据流域基岩主要岩性特征及其组合可分6类: (1)坚硬岩性、酸性深成岩或者深变质岩时, L=0.5; (2)混合岩性、坚硬岩性为主, 有时包括地盾基岩, L=0.75; (3)火山岩(主要为玄武岩)、碳酸盐岩或软、硬岩性兼具时, L=1; (4)多数地区岩性较软、部分地区岩性较硬时, L=1.5; (5)沉积岩、未固结沉积物或冲积沉积物为主时, L=2; (6)破碎岩屑或黄土沉积等软弱物质时, L=3。TE为人工水库的拦沙率, Eh为人类影响下的土壤侵蚀参数, 在第四纪及深时尺度中均为常数1。

该模型能够解释全球沉积通量96%的变化, 其中65%的变化可以通过流域面积、地形、岩性和冰川侵蚀来解释。除了冰川侵蚀作用, 其他因素在百万年时间尺度中都可认为是相对稳定的, 在万年至十万年短期时间尺度中, 气候变化的影响比重为10%, 河水流量的影响比重为3%(Syvitski and Milliman, 2007)。

2.3.3 深时古地势重建

在深时尺度中, 古流域最大地势高度R可通过BQART模型进行估计(Syvitski and Milliman, 2007)。沉积通量Qs可通过对沉积体积进行等时约束获得(Whitchurch et al., 2011; Guillocheau et al., 2012)。河水流量Q可通过水力学方法获得(Schumm, 1972; 窦国仁, 1999; Davidson and Hartley, 2010; Bhattacharya et al., 2016), 也可根据地貌学经验公式由流域面积A直接计算(Syvitski and Milliman, 2007)。流域面积A可通过古地理重建(Galloway et al., 2011)、流域地貌比例关系(Hovius, 1996)、古水力学参数比例关系(Davidson and North, 2009; Blum et al., 2013)等方法获得, 古温度T可通过古生物或氧同位素等方法获得(Chen et al., 2013)。

BQART模型重建流域古地势的可靠性受到源-汇系统类型和气候条件等因素的影响。需要注意的是, BQART模型未考虑到低频高强度流量事件及河床底部推移、跃移作用的影响, 流量事件期间流域易于受到火山喷发、地震和山体滑坡等幕式地质作用所产生、搬运的大量沉积物显著提高了长期沉积速率(Korup, 2012)。深时尺度中BQART模型的不确定性在陆架宽度较窄的小型短— 陡— 深系统中最为显著, 但在被动大陆边缘与内克拉通盆地等宽— 浅系统中, 较长的沉积路径系统能够削弱缓冲短期高强度的沉积信号, 因而不确定性相对较小(Castelltort and Wagoner, 2003; Romans et al., 2016)。

3 讨论及展望

1)源-汇系统研究使研究者有机会了解物源区与沉积区之间沉积物从侵蚀、搬运到沉积完整过程中的动力机制、空间分布以及气候变化、构造活动、海平面升降所生成环境信号的传播与保存。源-汇系统分析可为盆地充填演化及储层评价提供物源供给信息, 对物源区、搬运通道体系及沉积供给的研究有助于认识砂体的沉积机制和分布规律, 提高有利储集层预测的成功率。当沉积区地层结构与岩性变化能够反映沉积路径系统中环境信号变化时, 源-汇分析方法在盆山构造演化与深时古气候变化研究中具有重要意义。

2)源-汇系统分析和层序地层学的共同目标是更好地理解盆地充填历史, 故而2个方法在很多方面是相互补充、相互促进的。海泛面和不整合面的识别及大范围对比是层序地层学的重要研究内容, 层序地层结构除了受相对海平面变化及其三维可容空间的影响, 还受到沉积物供给、地形地貌和沉积内动力机制的共同影响, 源-汇系统分析有助于理解相关地貌单元的相互联系与空间差异, 从而能有效地约束这些关键界面的对比。在难以获得沉积供给的情况下, 对物源区的认识成为理解沉积物供给特征的关键, 例如沉积物是否来自单三角洲朵体、单流域盆地、单边缘多流域供给、区域隆起或是多个大陆边缘。深时沉积学中, 层序地层划分通常作为完整源-汇系统古地理重建方法的一个步骤, 以提供源-汇系统分析所需要的等时性表面或等时地层单元。能源矿产勘探实践中, 源-汇系统分析已发展为继沉积相分析、地震地层学、层序地层学之后的新一代盆地分析方法。

3)根据地球科学中的“ 将今论古” 的思想, 可认为源-汇系统中各地貌要素、古水力学参数及沉积物分配等比例关系在不同时空尺度具有普遍适用性, 从而能够根据保存下来的地层记录重建古代的流域面貌。但在深时研究中须谨慎应用这些方法, 并考虑到各种误差因素的影响, 原因在于建立比例关系的经验模型大多来自现代间冰期气候背景及其对应的高海平面大陆边缘, 将其应用于深时尺度中需要谨慎分析其在冰期、间冰期及温室期气候背景中的适用性, 此外还需要考虑大气环境、生物演化及重大地质事件的影响, 即深时地质研究中“ 昔非今比” 的情况。

4)源-汇系统古地貌参数比例关系及古水力学参数比例关系是推测物源区古地理、预测沉积区扇体分布的有力工具, 早期研究中这些比例关系多是基于现代全球洋陆边缘流域数据库建立的, 随后这些比例关系在不同空间尺度、构造背景及地貌条件的洋陆边缘源-汇系统中得到进一步细化, 促进了该方法在深时沉积学中的应用。但目前针对陆相湖泊的地貌参数比例关系及古水力学参数比例关系的研究仍较为缺乏, 其挑战主要来自于陆相盆地构造背景、物源供给及沉积体系的复杂性。

5)深时源-汇系统古地理重建在下一步研究中需要加强以下几个方面: (1)综合多种方法进行物源分析及物源区古地理恢复, 探索物源区不同气候— 构造背景、不同基岩类型对于搬运及沉积过程的影响; (2)加强深时源-汇系统中地貌要素与古水力学参数的统计工作, 建立不同构造及气候背景下源-汇系统地貌要素及古水力学参数之间的关系模型, 尤其是不同构造背景下的陆相盆地; (3)加强源-汇系统古地理重建中多种源-汇分析方法的交叉验证, 包括BQART模型、地貌学参数及古水力学参数比例关系等方法, 提高深时源-汇系统古地理重建的可信度与准确度; (4)加强源-汇系统分析在沉积盆地演化模拟中的应用, 结合沉积过程正演模拟与反演模拟方法, 建立物源区— 过渡区— 沉积区的动态响应模型, 进一步促进能源矿产的勘探与开发。

作者声明没有竞争性利益冲突.

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