海相碎屑岩层序地层学

9．2　海相碎屑岩层序地层学

层序地层学理论最初起源于被动大陆边缘和克拉通盆地的研究，尤其是碎屑岩陆架沉积的研究。一个层序由上下层序界面限定，内部由不同的沉积体系域构成，而体系域则由不同的副层序以不同的叠置方式组成。

9.2.1　层序界面与层序类型

层序界面是以不整合面以及与之侧向对应的整合面为标志的。不整合面是由海平面下降造成的剥蚀面，是具有明显时间间断的面，它形成于海平面下降速度最大和相对海平面最低时。

依据海平面与陆架边缘的相对位置关系可以将不整合面分为两类(图9－3)。Ⅰ类不整合面是指相对海平面低于陆架边缘时形成的不整合面。其特点是在陆架上出现陆上不整合和侵蚀面，在陆坡外侧出现海底剥蚀面，它们与向盆地方向移动的、局部向陆架边缘外侧移动的海岸进积(下超)密切有关，常伴有陆架上的回春河流及河谷侵蚀和海底峡谷的侵蚀作用，在不整合面的上下常伴有沉积相带的大幅度迁移。Ⅱ类不整合面是指相对海平面高于陆架边缘时形成的不整合面。其特点是在陆架上部出露不整合，而在陆架外侧过渡为整合面。它虽然也与向盆地方向移动的海岸进积沉积有关，但它仅限于陆架范围内。

图9－3　不整合面类型与海平面升降关系示意图
(据Vail，1987)
①外陆架重新露出水面;②河谷切蚀作用;③海底峡谷切蚀作用;④低海平面沉积棱柱体，陆架边缘沉积段;⑤海平面快速下降，大于陆架边缘沉降速度;⑥陆架边缘沉积棱柱体;⑦内陆架重新露出水面;⑧外陆架上的海底面;⑨海平面缓慢下降，小于陆架边缘沉降速度

层序类型依据层序底部的不整合面(底部界面)类型来划定。若底部界面为I类不整合，便形成I类层序类型(图9－4)，自下而上由3个体系域构成，即低水位体系域、海侵体系域和高水位体系域;若底部界面为Ⅱ类不整合，则形成Ⅱ类层序类型(图9－5)，自下而上由陆架边缘体系域、海侵体系域和高水位体系域构成。I类层序和Ⅱ类层序的顶面可以是I类不整合，也可以是Ⅱ类不整合。

图9－4　Ⅰ型层序的地层型式
(据Wagoner et al．，1988)
①老层序的高水位体系域;②沉积岸线坡折;③低水位体系域海底扇;④低水位体系域斜坡扇;⑤陆架坡折;⑥低水位体系域的低水位楔，进积型副层序组;⑦海侵体系域，退积型副层序组;⑧高水位体系域，加积－进积型副层序组;⑨峡谷及其冲填。1．下切河谷内的河流相砂岩;2．滨海平原砂岩和泥岩;3．浅海砂岩;4．陆架和陆坡泥岩夹薄层砂岩;5．深海扇和具天然堤的峡谷砂岩;6．凝缩段沉积;7．Ⅰ型层序边界;8．副层序

图9－5　Ⅱ型层序的地层型式
(据Wagoner et al．，1988)
①老层序的高水位体系域;②沉积岸线坡折;③陆架坡折;④陆架边缘体系域，进积－加积型副层序组;⑤海侵体系域，退积型副层序组;⑥高水位体系域，加积－进积型副层序组。1．滨海平原砂岩，泥岩;2．浅海砂岩;3．陆架、陆坡泥岩;4．凝缩段沉积;5．Ⅱ型层序界面;6．副层序

9.2.2　副层序及副层序组的叠置方式

副层序是由一系列成因上有联系的岩相在旋回沉积作用下规律组合而成的连续整一的沉积序列，它由海泛面或者可与之对比的地层界面所限定(Wagoner et al．，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。副层序组的边界多以较大的海泛面或可与之对比的界面为界，界面的特点是能够区分具有不同特征的副层序叠加型式。其界面也可与层序界面、下超面相一致。在副层序组内，副层序有3种叠加型式:进积型、退积型和加积型(图9－6)。它们与该沉积区域沉积物的堆积速率(V)和容纳空间(A)之比有关。当V/A＞1时，为进积型的副层序组;当V/A＜1时，为退积型副层序组;当V/A=1时，为加积型副层序组。在一个层序内可以预测叠加型式的类型。副层序和副层序组是体系域和层序的基本构成部分，也是进行对比、作图和沉积环境解释的基本单元。一般来说，低水位体系域由进积型的副层序组构成，海侵体系域由退积型副层序组构成，高水位体系域由加积－进积型的副层序组构成，陆架边缘体系域由进积－加积型的副层序组构成。

图9－6　副层序的3种叠加型式
(据Wagoner et al．，1988)
1．滨海平原砂岩和泥岩;2．浅海砂岩;3．陆架泥岩。Ⅰ．进积型副层序组;Ⅱ．退积型副层序组;Ⅲ．加积型副层序组。V．沉积速率;A．沉积容纳空间增长速度。①～④代表单个副层序

9.2.3　沉积体系域和层序构成

体系域是指海水进退的一定时期内所形成的同期沉积体系的组合，它是层序的组成部分。一个体系域一般由一个副层序组以不同的叠置型式构成。每一个体系域都与特定的海平面升降曲线段有关，是海平面升降、构造沉降和沉积物供应三者相互作用的函数(表9－1)。体系域模式主要是指不同体系域各自的沉积背景条件及其沉积作用和沉积类型。从层序地层的两种型式可以看出，Ⅰ型层序下部为低水位体系域，Ⅱ型层序下部为陆架边缘体系域，两类层序的中部均为海侵体系域，上部均为高水位体系域。

9．2．3．1　低水位体系域

低水位体系域是海平面处于相对低水位期所形成的同期沉积体系的组合。低水位期海平面下降幅度比较大，且海平面下降到低于陆架边缘(即陆架坡折)的位置。如果在具有陆架坡折的盆地中发生沉积，一般可分出3个独立的沉积单元;盆底扇(basin floor fan)、斜坡扇(slope fan)和低水位进积楔状体(lowstand prograding wedge)。

盆底扇:海平面下降速度大于陆架边缘的沉降速度，岸线位置降低到老的沉积陆架坡折以下，这时陆架上河流的侵蚀和下切作用显著，沉积物在斜坡下部或盆底堆积而形成扇形体。物源主要来自海岸平原或斜坡侵蚀水道所携带的碎屑物质。主要沉积类型有滑塌浊积岩相、水道相和席状舌体相(图9－7)。盆底扇的底面是I类层序界面，顶面为一下超面。

图9－7　低水位体系域的盆底扇沉积特征
(据Vail＆Posamantier，1988)
①河流剖面部位的一、二阶段;②溯源侵蚀;③前高水位体系域结束时的沉积剖面;④形成浊积岩的滑塌沉积物;⑤相对海平面位置(a，b)

斜坡扇:海平面由快速下降转变为缓慢下降，或者在快速下降后又开始缓慢上升。这一时期，向陆侧依然是河流侵蚀为特征，陆架坡折带形成早期低水位三角洲沉积。在斜坡底部或中部发生堆积形成扇形体——斜坡扇(图9－8)。典型斜坡扇呈开阔裙状，具有较薄的漫滩浊积砂，夹深海(水)或半深海(水)页岩。分散的海底水道砂一般为层状粗颗粒砂，砂岩向上变细。斜坡扇的顶部或中部是低水位进积楔状体的下超面。斜坡扇与盆底扇或部分早期低水位楔(低水位三角洲)可能为同期沉积。

图9－8　低水位体系域的斜坡扇沉积特征
(据Vail＆Posamantier，1988)
①河流剖面位置二、三阶段;②峡谷充填沉积物或滑塌块体;③远漫滩泥岩;④早期低水位三角洲;⑤水道砂;⑥漫滩浊积砂;⑦盆底薄层浊积砂;⑧相对海平面位置(c，d)

低水位进积楔状体:亦称低水位楔，是海平面开始缓慢上升或岸线位置沿斜坡面上移，在陆架尚未淹没之时形成低水位楔沉积。海岸平原地带以下切河谷的充填为特征，并发育有低水位期的三角洲相和滑塌浊积岩相(图9－9)。向海盆方向，下超到斜坡扇或者盆底扇之上，向陆侧上超到层序的边界上。

图9－9　低水位体系域的低水位进积楔状体沉积特征
(据Vail＆Posamantier，1988)
①河流剖面部位二、三阶段;②网状河;③土壤;④叠瓦状盆底浊积岩;⑤低水位进积楔;⑥三角洲前缘;⑦三角洲平原;⑧相对海平面位置(e，f)

低水位进积楔状体和盆底扇不是同期沉积的，它是由进积型的副层序组构成，其顶与低水位体系域的顶面重合。该面是初始海侵面，也是低水位体系域顶界面的一个重要标志。

以上是具明显陆架坡折的陆架边缘地带的低水位体系域沉积特征。如果在一个缓坡型的陆架边缘盆地中发生沉积，那么低水位体系域则是由相对薄的低水位楔组成。这种楔状体分为两部分:第一部分(早期)，是在海平面下降期间发育的，以河流下切和沉积物越过沿岸平原为特征，发育有向盆地方向进积的、向上变浅的低水位三角洲，在向陆地方向的沉积岸线坡折处之前尖灭。在此期间海平面逐渐相对快速地向盆地方向下降，直到相对稳定为止;第二部分(晚期)，发生于海平面相对缓慢上升期间，以下切河谷的充填和海岸线持续向陆侧推进为特征。其结果是在低水位楔状体中形成上倾的下切沟谷充填沉积和下倾的一个至若干个进积型副层序组。其顶面是海侵面，底面是层序的下部边界面。

由上述可知，在第I类层序中，一个完整的低水位体系域包括盆底扇、斜坡扇和低水位楔。或者说，低水位体系域是由3个副层序组构成的。每个副层序组分别与盆底扇、斜坡扇和低水位楔相对应。

9．2．3．2　海侵体系域

低水位期之后，海平面开始迅速上升及盆地沉降，使海岸线的位置向陆地推移。这段海侵期间形成的沉积称为海侵体系域(图9－10)。海侵体系域的沉积发育在经海侵侵蚀和改造了的先前的古老陆架表面，新的沉积物推移至海侵岸线附近，形成一系列阶梯状后退的退积型副层序。海侵体系域底部主要以富有机质的暗色泥岩为主，在老的陆架上可发育经海侵改造过的滞留沉积，在岸线附近则发育海岸带砂岩，河口湾或潟湖沉积。

图9－10　海侵体系域沉积特征
(据Vail＆Posamantier，1988)
①深切谷充填(海侵体系域期);②近海陆架沉积;③冲沟侵蚀面;④沼泽或风成沉积;⑤海岸带砂和/或河口湾、潟湖沉积;⑥湖泊

海侵体系域是Ⅰ类或Ⅱ类层序中间的一个体系域，其底是低水位体系域或者陆架边缘体系域顶部的界面。海侵体系域的副层序沿此面向陆地方向上超，向盆地方向变为整一的顶面，从而与上覆的高水位体系域分开，这一界面标志着从进积型副层序组开始转变为加积型和退积型副层序组。海侵体系域的顶面是最大海侵面，其最显著的标志是凝缩段的广泛发育，反映了海平面上升速度的加快。

9．2．3．3　高水位体系域

海平面相对上升到最高时，速度减缓，并开始保持相对静止或海退状态，这时陆源提供的沉积物开始越过陆架进积，形成高水位体系域。高水位体系域是第Ⅰ类或第Ⅱ类层序最上部的一个体系域(图9－11)，一般广泛分布于陆架上，由一个或多个加积副层序组与进积副层序组构成。在高水位体系域内，副层序向陆方向上超至层序边界上，向盆地方向则下超至海侵体系域的顶部。其顶面为Ⅰ型或Ⅱ型层序界面，底面为一下超面。岩相类型主要为河流、冲积平原和三角洲相，向盆地方向为近海粉砂岩和泥质沉积。

图9－11　第Ⅰ类层序的高水位体系域沉积特征
(据Vail＆Posamantier，1988简化)
TST．海侵体系域;LST．低水位体系域;HST．高水位体系域

9．2．3．4　陆架边缘体系域

在海平面下降速度小于陆架边缘沉降速度的情况下，岸线只向外陆架迁移，这时便形成与第Ⅱ类层序边界相联系的低水位期陆架边缘体系域。它由一个或多个弱进积型的副层序组构成。这些副层序朝陆地方向上超在层序的边界上，向盆地方向也下超在层序的边界上。其顶面是海侵面，底面是Ⅱ类层序界面。该体系域常常发育有三角洲复合体(图9－12)。

图9－12　陆架边缘体系域沉积特征
(据Vail＆Posamantier，1988简化)
SMST．陆架边缘体系域;HST．高水位体系域

海平面的升降变化是引起盆地内沉积体对盆地边缘发生旋回性位移的主要原因，高海平面期，沉积体朝陆地方向位移，陆架上形成高水位期沉积，即海侵体系域和高水位体系域;低海平面期，沉积体朝盆地方向迁移，在陆架边缘形成低水位期沉积，即低水位体系域，或者陆架边缘体系域。