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富有机质页岩沉积环境与成岩作用的体系域划分

时间:2023-08-19 理论教育 版权反馈
【摘要】:根据体系域在层序内的位置,可进一步划分为低水位体系域、陆棚边缘体系域、海侵体系域及高水位体系域等。体系域是进行有利地层预测的基本作图单元。3)陆相沉积环境体系域特征对于陆相盆地一个旋回层序发育过程中体系域的划分,国内不同层序地层学研究者所持观点各异,且使用的术语体系混杂。从泌阳断陷湖盆陆相层序的研究中发现,陆相层序的体系域具四分性:低水位体系域、水进体系域、高水位体系域及水退体系域。

富有机质页岩沉积环境与成岩作用的体系域划分

沉积层序的不同部位发育不同的体系域,体系域的不同部位又发育不同的岩性组合。根据体系域在层序内的位置,可进一步划分为低水位体系域、陆棚边缘体系域、海侵体系域及高水位体系域等。体系域与地层的沉积环境密切相关,海相沉积环境中与页岩发育密切相关的体系域为海侵体系域和高位体系域;陆相沉积环境中与页岩发育密切相关的体系域为水进体系域和高位体系域。

1.体系域类型

1)体系域

体系域是指一系列同期沉积体系的集合体(Fisher和Brown,1977),沉积体系是指具有成因联系的、相的三维空间组合(Fisher,1967)。因此,体系域是一个三维沉积单元,体系域的边界可以是层序的边界面、最大海泛面或首次海泛面。可以通过地震反射终止关系,如削蚀、顶超、上超、下超,以及沉积相的组合序列、体系域内部几何形态来识别体系域类型。体系域是进行有利地层预测的基本作图单元。在一个海平面升降旋回中,在旋回的不同阶段发育了不同的体系域(图4—10),即不同的体系域类型发育于某一沉积层序的特定部位。

图4—10 沉积体系域与海平面升降旋回的关系(Posamentier等,1938)

2)海相沉积环境体系域特征

Exxon公司的研究人员利用全球不同地区沉积盆地反映的海平面变化周期,将层序进一步划分为具三分性的体系域,且每一个体系域都与特定的海平面升降曲线有关。在Ⅰ型层序中自下而上划分出低水位体系域(LST)、海侵体系域(TST)和高水位体系域(HST);在Ⅱ型层序中自下而上划分出陆棚边缘体系域(SMST)、海侵体系域(TST)和高水位体系域(HST)。

(1)低位体系域

低位体系域(Lowstand Systems Tract,LST)是指Ⅰ型层序中位置最低、沉积最老的体系域,是在相对海平面快速下降到最低点并且开始缓慢上升时期形成的(图4—10)。在具有陆棚坡折和深水盆地的沉积背景中,低位体系域是由海平面相对下降时形成的盆底扇、斜坡扇和海平面开始相对上升时形成的低位前积楔状体以及河流深切谷充填物组成的(图4—11)。盆底扇的形成与海底峡谷进入陆坡的侵蚀作用和河谷进入陆架的下切作用密切相关。盆底扇底面是Ⅰ型层序界面,其顶面是下超面。陆坡扇以陆坡中底部浊流沉积为特征,其沉积作用可与盆底扇或低水位楔早期部分同期。低位前积楔状体常上超在层序界面之上或下超于盆底扇或陆坡扇之上,其顶面也是低位体系域的顶界面—初次海泛面。在斜坡构造背景中,低位体系域由海底滑塌浊积扇组成。在生长断层背景中,低位体系域由盆底扇、斜坡扇、互层砂泥岩加厚层和深切谷(滑塌浊积扇)组成。

图4—11 具陆架边缘坡折带的Ⅰ型层序体系域(Myers,1996)

(2)海侵体系域

海侵体系域(Transgressive Systems Tract,TST)是Ⅰ型和Ⅱ型层序中部的体系域,它是在全球海平面迅速上升与构造沉降共同产生的海平面相对上升时期形成的(图4—10),以沉积作用缓慢的、低砂泥比值的、一个或多个退积型准层序组为特征。主要沉积体系类型是陆架沉积、三角洲沉积,海岸平原沉积以及障壁岛、潟湖,受潮汐影响的沉积(图4—11)。其顶部是一个分布较广的下超面,顶部沉积物以沉积慢、分布广、富含有机质、沉积物细为特征。海侵体系域测井曲线特征如图4—12所示。

(3)高位体系域

高位体系域(Highstand Systems Tract,HST)是Ⅰ型和Ⅱ型层序上部的体系域,是在海平面由相对上升转变为相对下降时期形成的(图4—10),此时沉积物供给速率常大于可容空间增加的速率,因而形成了向盆内进积的一个或多个准层序组。主要沉积体系类型相似于海侵体系域,但河流作用更明显,河道砂发育,潮汐影响变小,潟湖和煤系地层不太发育(图4—11)。高位体系域顶部以Ⅰ型或Ⅱ型层序界面为界,底部以下超面为界。在许多硅质碎屑岩层序中,高水位体系域明显地被上覆层序边界所削蚀,如果被保存下来,其厚度较薄且富含页岩。高水位体系域的测井曲线特征如图4—12所示。

(4)其他体系域

其他体系域如陆架边缘体系域(Shelf Margin Systems Tract,SMST)、中位体系域(midstand systems tract)和海退体系域(regressive systems tract)等在本文内不再进行详细介绍。

3)陆相沉积环境体系域特征

对于陆相盆地一个旋回层序发育过程中体系域的划分,国内不同层序地层学研究者所持观点各异,且使用的术语体系混杂。从泌阳断陷湖盆陆相层序的研究中发现(胡受权,1998),陆相层序的体系域具四分性(图4—13):低水位体系域(LST)、水进体系域(TST)、高水位体系域(HST)及水退体系域(RST)。

图4—12 海侵体系域、高位体系域的测井曲线特征

(1)低水位体系域

低水位体系域(LST)以不整合面或沉积间断面(陆上暴露面)与下伏沉积层序的水退体系域分开,发育一套冲积扇或扇三角洲平原沉积,几乎无湖相沉积夹层,陆上暴露标志明显,地层形式以加积为主(称低位加积)。

(2)水进体系域

图4—13 一个湖平面变化旋回曲线与陆相层序的体系域四分性(胡受权,1998)

(a)湖平面变化曲线;(b)盆地构造沉降曲线;(c)湖平面变化速率曲线[(a)求导];(d)盆地构造沉降速率曲线[(b)求导];(e)可容空间变化速率曲线[(c)与(d)相减];(f)体系域四分性及其界面(U.C.—不整合面;f.f.s.—初始湖泛面;C.S.—凝缩段;m.f.s.—最大湖泛面);(g)陆相层序二元结构(粗→细→粗)(www.xing528.com)

水进体系域(TST)以初次湖泛面为界与LST分开,这一界面亦为沉积相转换面,即扇三角洲平原相转换为扇三角洲水下部分,且湖相成分垂向上逐渐向上增加,直至凝缩段出现,地层型式以退积为主。

(3)高水位体系域

高水位体系域(HST)以凝缩段底界与TST分开,地层形式以加积为主(称高位加积),湖相成分鼎盛。

(4)水退体系域

水退体系域(RST)以进积地层形式为其显著特征,底界以最大湖泛面(亦为沉积相转换面)与HST 相邻;顶界以不整合面或沉积间断面与上覆沉积层序的低水位体系域相隔,有时以沉积相不连续面与上覆沉积层序的水进体系域相接,RST地层中湖相成分向上逐渐减少。

由此可见,陆相体系域之间的界面大多为相转换面。就全盆而言,水进和水退效应在盆地中央区和边缘带不一定同时产生,时常可见的是一个相迁移过程。因此这类界面等时性较差,属准等时性地层界面。

2.层序内部的体系域组合特征

1)Ⅰ型层序内部的体系域组合特征

Ⅰ型层序内部的体系域组合由低水位体系域、海侵体系域和高水位体系域组成。

Ⅰ型层序的形成被认为是在沉积岸线坡折处,当海平面下降的速率超过沉降速率,并在那个区域产生了相对海平面下降的时期形成的。沉积岸线坡折是陆棚上的这样一个位置,该位置的向陆一侧(方向),沉积表面处于或接近基准面,通常是海平面;而该位置的向海一侧(方向),沉积表面在海平面以下。这个位置大体上与三角洲河口砂坝的向海一端或与滨岸环境的上临滨一致。

层序内的体系域分布在某种程度上取决于沉积岸线坡折和大陆架坡折之间的关系。大陆架坡折定义为由大陆架向大陆斜坡过渡的一个过渡带。陆架坡折的向陆一侧,坡度小于1/1 000,陆架坡折的向海一侧,坡度大于1/40。

在现今的高(海)水位期间,陆架坡折的水深变化为37~183 m。在许多海盆中,在相对海平面下降时期,沉积岸线坡折离陆架坡折的向陆侧的距离为160 km或更远一点。在另外一些海盆中,如果高水位体系域已进积到陆架坡折区,那么,在海平面相对下降时期,沉积岸线坡折可能位于陆架坡折处(图4—14)。

斜坡边缘型盆地和陆架坡折边缘型盆地的Ⅰ型层序内,海侵体系域和高水位体系域类似,但其低水位体系域不同。限于篇幅,本文不作详细讨论。

2)Ⅱ型层序内部的体系域组合特征

图4—14 沉积于具斜坡边缘盆地的Ⅰ型层序的地层格架(Wagoner,1990)

1—深切谷内河流或河口湾砂岩;2—滨岸平原砂岩和泥岩;3—浅海砂岩;4—陆棚泥岩;5—缓慢沉积段沉积物

图4—15 Ⅱ型层序的地层格架(Wagoner,1990)

1—滨岸平原砂岩和泥岩;2—浅海砂岩;3—陆棚和陆坡泥岩;4—缓慢沉积段沉积物

Ⅱ型层序中的准层序组及体系域的分布如图4—15所示。Ⅱ型层序中最低的体系域是陆棚边缘体系域。陆棚边缘体系域的底界是Ⅱ型层序边界,而其顶界是陆棚上第一个明显的海泛面。Ⅱ型和Ⅰ型的海侵体系域和高水位体系是类似的。沉积在斜坡边缘上的Ⅱ型层序(图4—15)和Ⅰ型层序(图4—14)总体上类似;两者都缺少扇和峡谷,并且两者初始的体系域(Ⅱ型层序的陆棚边缘体系域,及Ⅰ型层序的低水位体系域)均是在陆棚上沉积的。然而,Ⅱ型层序与沉积在斜坡边缘上的Ⅰ型层序不同,其在沉积岸线坡折处没有任何相对的海平面下降。因而Ⅱ型层序也就没有下切谷,并且也缺少明显的侵蚀削蚀;Ⅱ型的层序边界被认为是在现序的(当时的)沉积岸线坡折处,在海平面下降时期,海平面下降的速率略小于或等于盆地沉降速率时形成的。这意味着对Ⅱ型的层序边界来说,在沉积岸线坡折处,没有相对的海平面下降。

3)层序四分体系域的识别标志

层序四分观点认为,体系域可以分为低水位体系域(LST)、水进体系域(TST)、高水位体系域(HST)和水退体系域(RST)四种(刘招君,1994)。在湖相地层中,体系域通常以主湖泛面为界。虽然在深水盆地中,沉积环境变化较少,主体为暗色泥岩沉积,但是各个体系域有机质丰度之间存在一定的差别。

低水位体系域之下为层序界面,之上为首次主湖泛面,一般情况由于水体相对较浅,有机质供给较少,低水位泥岩有机碳含量较少,此外在陆源碎屑供给较少,水体咸度较高的情况下,湖水含氧带变浅,高咸度的水体有效地阻止沉积界面有机质的氧化分解,同时较少的河流水体供给对于湖水盐度分层起到促进作用,也有利于富有机质泥岩沉积(图4—16)。低水位体系域为小型加积或小型进积型准层序组,泥岩颜色相对较浅。

水进体系域之下为首次主湖泛面,之上为最大湖泛面,水进体系域过程中,河流携带大量的陆源营养物质,瞬间提高湖泊生产力,为有机质沉积提供大量的来源,水进体系域是可容纳空间不断增大的过程,盆地处于饥饿状态,为有机质富集和保存的良好条件。因此在水进体系域泥岩有机碳含量明显增加,泥岩颜色由底到顶逐渐加深,发育多层油页岩

高水位体系域之下为最大湖泛面,之上为湖退下超面,此时可容纳空间最大,水体较为稳定,沉积界面基本为缺氧环境,在湖泊透光带大量繁殖的浮游生物死亡后,沉积到湖底,导致泥岩中有机含量达到最高值。泥岩颜色基本为深灰色—灰黑色,准层序组呈现加积式沉积,发育多套厚层,优质油页岩。

水退体系域之下为湖退下超面,之上为层序界面,陆源碎屑供给增多,泥岩中砂质含量增大,有机质被大量的陆源碎屑稀释,保存环境变差,泥岩颜色逐渐变浅,有机碳含量达到最低,为进积式准层序组。

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