层序地层学的基本原理

9．1　层序地层学的基本原理

9.1.1　层序地层学的基本概念

层序地层学(sequence stratigraphy):是研究年代地层格架内岩层关系的学科。在这个格架中层序具有旋回性，并由在成因上有联系的地层单元组成。

层序(sequence):为一以不整合面及其与之相对应的整合面为顶、底界的，在成因上有联系的、相对整合的地层序列(Vail et al．，1977)，它由一系列体系域所组成。一般地认为它是在全球海平面曲线下降的拐点之间沉积的。

副层序(parasequence)和副层序组(parasequence set):副层序是指在成因上有联系的、连续整一的地层(尤指层或层组)序列，它由海泛面或者可与之对比的地层界面所限定(Wagoner，1985)。副层序组是由成因相关的一套副层序构成的、具有特征叠置方式的一组地层序列。副层序组的边界为一个重要的海泛面和与之可比的面，或层序界面。

不整合(unconformity):为一将新老地层分开的面，沿该面有指示重要间断的陆上剥蚀截切，且在某些地区有相应的水下剥蚀，或者见有地表暴露的证据，其间存在沉积的中断和地层的缺失。不整合面和与之相当的整合界面一般作为层序的界面。

沉积体系(depositional system):在实际的(现代的)和推断的(古代的)作用与环境(三角洲、河流、障壁岛等)方面有成因联系的岩相的三维组合(Brown＆Fisher，1977)。

沉积体系域(depositional systems tract):指海水进退的一定时期所形成的同期沉积体系的组合，每一个体系域都与特定的海平面升降曲线段有关。

层序地层学中共有4种体系域，即:低水位体系域、海侵体系域、高水位体系域和陆架边缘体系域。

海泛面(marine flooding surface)、初次海泛面(first flooding surface)和最大海泛面(maximum flooding surface):海泛面是指海水水深突然增加的新老地层间的界面，该界面通常是平整的，仅有米级的地形起伏。初次海泛面是指层序内部初次跨越陆架的海泛面，即响应于首次越过陆棚的第一个滨岸上超对应的界面。最大海泛面是指一个层序内最大海侵时形成的界面，是海侵体系域的顶界面，并被高水位体系域下超。最大海泛面通常以凝缩段为典型沉积或与凝缩段共生。

凝缩段(condensed section):亦称密集层，即以沉积速率极低为特征的、非常薄的海相或湖相层段。以黑色薄层页岩、硅质岩、灰岩为主，其沉积速率一般为(1～10)mm/ 1000a。

可容空间(accommodation):可供潜在沉积物堆积的空间，也称作容纳空间，同沉积期形成的空间也称新容纳空间。

平衡点(equilibrium point):沉积剖面上的一个全球海平面变化速率与基底下降/上升速率相等的点，它是相对海平面上升和下降的分界点。

平衡剖面(equilibrium profile):为均衡河流的剖面或一个仅能使河流搬运其沉积物负载的坡度平缓的纵向剖面。通常被认为是一个平缓的、凹面向上的抛物线，近河口处较平缓而源头变陡。

沉积岸线坡折(depositional coastal break):它位于海岸或滨海平原与盆地斜坡过渡的地方。在该处，朝陆方向的沉积面位于或接近基准面(即海平面)，向海方向的沉积低于基准面，该位置与三角洲河口沙坝的向海端或海滩的上部滨面近于一致。

陆架坡折(shelf break):陆架坡折为陆架坡度改变的标志。从该处向陆侧倾角平缓，其坡度通常小于1∶1000，向海侧坡度较陡，一般为1∶40。

9.1.2　层序地层学的理论基础

层序地层学属于成因地层学的范畴，层序地层学强调海平面的升降变化具全球性，并且以海平面升降变化产生的不整合面和年代关系为基础建立沉积层序，从而揭示全球海平面周期性变化的规律。Haq＆Vail(1977，1987)建立了显生宙海平面变化1～2级旋回和中、新生代海平面变化年表。他们认为由于全球海平面变化，层序地层学可以成为建立全球性地层对比的手段，重建全球性地层系统。

层序是由不整合及与之对应的整合面限定的并在一个海平面升降旋回内形成的各种沉积体的组合。一个层序在三维空间和时间的变化受到4个因素(变量)的控制，即构造沉降、海平面升降、沉积物供应和气候。构造沉降控制可供沉积物沉积的容纳空间;全球海平面升降控制地层和岩相的分布型式;沉积物供应则控制沉积物充填过程和盆地古水深变化;气候主要控制沉积物类型和沉积物供给量。在这里构造沉降、海平面升降、沉积物供应3项因素共同控制着沉积盆地的几何形态，三者的相互影响最终导致该地区海平面相对于陆架边缘的相对升降变化速度。构造沉降和海平面升降控制了沉积物可容空间的变化。Vail(1987)认为，全球海平面变化是控制地层叠置样式的最基本因素，沉积层序及其顶底界线的形成直接受全球海平面变化影响。以上因素(尤其是全球海平面变化和盆地基底的构造沉降)综合表现为周期性的相对海平面升降变化对层序边界、层序内部构成和空间展布的控制作用。

地史时期海平面相对于陆架边缘的周期性升降变化是频繁的，这种周期性变化必然导致沉积物类型、沉积体系、沉积体系域及其所处位置在三度空间(尤指陆架边缘)的有规律的变化。层序地层学也正是要揭示它们在三度空间中的展布形式。相对海平面变化调节着沉积物的堆积空间。如果沉积物供应充分，则在一个海平面相对上升和相对下降的周期中可以沉积一个沉积层序。如果只包含一个或多个含海平面的一次连续上升到静止或下降，那么该周期内可能只沉积一个沉积层序。若该周期末海平面突然下降，便可能产生一个不整合面，或无沉积作用面，它将把已经形成的沉积层序和上覆下降期的前积沉积层序分隔开。层序之间的边界常见上覆层的下超现象。一般海平面下降幅度越大，沉积层序的边界越容易被识别。

相对海平面升降周期对沉积物分布形式有重要影响。一个陆架盆地以匀速缓慢下沉，使陆源碎屑物供应能及时充填由于海平面变化所腾空的空间。当海平面上升时，开始沉积物以海岸上超(海侵)的形式逐渐超覆到海岸坡折上，这段时间称为海侵期。随着海平面上升速度的减缓到停滞，这时沉积物及海岸坡折转为向海方向推进，这段时间称为高水位期。随着海平面变为快速下降，当下降到陆架坡折以下时，陆架或海岸平原暴露出水面，陆源碎屑物仅以下超方式沉积在陆架坡折以外的盆地内，这段时期为低水位期。

相对海平面变化是海平面与局部基准面之间的测量值。一个地区的相对海平面变化是全球海平面变化与当地盆地基底沉降速率的函数(图9－1)，相对海平面变化与沉积物供给决定盆地的水深，即海平面变化的幅度减去沉积物堆积厚度为水深。而水深直接影响沉积物类型和沉积体系及沉积体系域的类型和展布。图9－1中可以看出全球海平面变化和地壳下降的速率直接影响相对海平面变化速度和所腾可容空间的速率，从而影响到不同体系域的形成。

从全球海平面变化曲线要素图(图9－2)中可以看到有两个拐点，即下降翼的F拐点和上升翼的R拐点。在全球海平面变化过程中有许多这样的拐点，这些拐点位于该曲线的绝对坡度或者变化速率最大处。图9－2表示出全球海平面变化对容纳空间变化速率的影响。可以看出，新的陆架空间增加率在F拐点处最小，在R拐点处最大。所以在F拐点处新增陆架空间很小或无，能容纳的新沉积物亦相对减少。相应地，F拐点处加积速率最小，而进积速率最大，海岸上超向盆地方向移动;R拐点处的情况正好与之相反，该点处盆地出现最大新空间增加速率，常常引起海侵并形成凝缩段，海岸上超向陆地方向移动。

沉积体系域的形成正是由于全球海平面变化而引起相对海平面变化的结果。一个全球海平面变化旋回中可形成3个体系域，在一个海平面低于陆架边缘的变化旋回中，可形成低水位体系域(LST)、海侵体系域(TST)、高水位体系域(HST);在一个海平面下降不低于陆架边缘的旋回中，可形成陆架边缘体系域(SMST)、海侵体系域和高水位体系域(图9－1)。

图9－1　作为全球海平面变化和盆地基底沉降函数的海平面相对变化及其对可容空间的影响
(据Loutit et al．，1988)
LST．低水位体系域;HST．高水位体系域;TST．海侵体系域;SMST．陆架边缘体系域;CS．凝缩段

图9－2　全球海平面变化曲线要素
(据Posamantier et al．，1988)

海平面升降变化具有明显的周期性，一般从海平面的迅速上升开始，随后相继经历缓慢上升→缓慢下降→迅速下降→缓慢下降，又转变为缓慢上升。这样一个完整的过程规定为海平面升降变化的一个周期。一个海平面升降周期形成相应的沉积物特征和分布模式(表9－1)。

表9－1　海平面升降变化周期对沉积物的影响

注:1～23+表示1个海平面升降周期中的顺序，1为一个海平面变化周期的起始时间，23+为结束时间。

全球海平面变化周期是指全球海平面相对上升和相对下降过程所占有的时间段。一个典型的周期一般包括海平面逐渐上升期、静止期和海平面相对下降期。海平面的变化可以通过层序研究在全球、区域、局域不同尺度上识别。根据Vail(1977)和Maill(1992)等研究结果，海平面变化可以分出不同的级次(表9－2)。每个级次的周期具有不同的时段和成因。一个高级别的周期可以包含几个低级别的周期。

沉积层序是海平面变化周期的产物，因此，海平面变化周期控制沉积层序。1～3级海平面变化周期分别控制巨层序、超层序和层序的形成和分布。4～5级周期分别控制层序内部体系域和副层序(表9－2)。

表9－2　海平面变化周期、成因及其与层序的关系(据Vail，1977;Maill，1992)