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层序地层学基础

教学内容提要

层序地层学(Sequence Stratigraphy,Van Wagonar et. Al, 1988)代表了地质学领域里的
一场革命,是一种划分、对比和分析沉积岩层系的新方法,是油气、煤、铀等矿产勘查与盆
地地质研究的重要工具和手段。

层序地层学来源于地震地层学,但这并不意味可以不加任何改动地将其标准模式搬入地
震解释中,必须注意地震剖面和地质剖面的差异。

地震地层学(Seismic Stratigraphy)是1975年在美国石油地质家协会(AAPG)召开的一
次研讨会上确定的(P. R. Vail, 1977)。

一.现代地层学的启示

地质学已经诞生近200年。它的诞生起源于人们对成层沉积岩的观察,并从而产生地质
学的核心——地层学。古生物学、构造地质学、岩石学、矿物学、地球化学、地球物理学、
矿床学以及种种为找寻矿产资源或者为解决国计民生中重大课题的应用科学(如测井、勘探
地球物理学等),就是在这个古老的地层学的基础上派生出来的。20世纪以来,地球科学发
生了翻天覆地的变化。然而早年毕业的大学生们还会记得,地层学是相当乏味的。它的中心
任务是按照业已成文的地层术语规范,机械地对地层进行描述、对比、划分、作图。无数的
地区性命名,大量的地方性运动,把长于记忆的学生搞得疲惫不堪,甚至一些地层的命名人,
在经过一段的闲置后,对自己的命名也感到生疏。地层学实际上处于停滞状态。少数地层学
家甚至宁愿说自己是沉积学家。然而,在过去的20多年间,地层学发生了根本性的变革。
部分地层学家会同沉积学家,开始冲破了单纯的文牍式地描述地层的旧习,致力于研究地层
的成因。结果发现,现今看到的基本地层单位,都是由一些三角洲、扇体、河道、碳酸盐岩
台地、礁、滩、沼泽、潮坪等沉积体组成的。它们在空间上,组合成有一定规律的沉积体系,
这些沉积体系又组合成有一定分布规律的体系域。地层层序就是由一定类型的体系域构成
的。而在纵向上,地层层序又以某种周期性的方式重复叠置着,像框架与砖石一样,构筑成
完整的地层记录。这些最新研究成果不但把地层学从描述阶段推向成因地层学的新高度,而
且为深入探索油气以及其它与沉积现象有关的金属非金属矿产的分布规律开辟了新的途径。

二.海面变化的启示——地震地层学诞生

现代的地层学,已经从岩性的描述,进入对其成因的追溯与分析,而沉积模式的研究以
及沉积体的成因解释,则导致层序地层学的发展,特别是与全球海平面变化有关的沉积体系
的建立。

近三十年来,反射地震勘探的仪器设备,从光点记录,经过

模拟磁带记录,发展到数字
磁带记录,并利用瞬时浮点增益,可以无畸变地将反射纵波记录下来。野外观测方法中,广
泛使用共深点(common depth point)技术采集,使有效信号得到极大的加强。利用电子计算机
对反射地震资料的处理,使用包括反褶积(deconvolution)在内的各种数字滤波,可以将未畸
变的反射地震信息显示出来。从而,反射地震勘探的发展已经跨进了一个新的阶段,即用来
进行地质解释的信息,不再单纯是研究构造的运动地震学参数,同时还应利用与地层或岩性


有关的动力地震学参数。

长期以来,反射地震勘探只能使用运动学参数(时间)研究地下岩层的结构形态,尽管这
样已经为油气勘探作出了许多贡献。现在的技术进步能够提供弹性波传播的频率、振幅、相
位等多种动力学参数,而这些地震信息都是与地层的物理性质或岩性紧密相关的。例如,瞬
时浮点数字地震仪记录下来的反射地震波波形的变化,显示出地下沉积相的不同,从而可以
用来判断沉积环境。再如,反射地震波的振幅异常,表示地下反射界面具有巨大的波阻抗差
异,其中包括物质相态的不同,甚至可能反映出烃类的存在。此外,反射地震资料与各种测
井曲线的相互补充,相互印证,可能给出岩石的某些物理性质,甚至算出其孔隙度和渗透率。

地震地层学这个名称是1975年在美国召开的石油地质家协会(AAPG)召开的地震地层

学研讨会上定下来的。它和生物地层学、古地磁地层学、同位索地层学、事件地层学等
一样,属于地层学的一个分支。依1972年国际地层划分、术语和用法报告汇编(H.D.Hedberg,
1972)所下定义:“地层学源于拉丁文Stratum和希腊文graphia,是地层的描述科学,涉及在
正常顺序下,岩层(和其它共生者体)的形状、排列、分布、年代顺序、划分以及有关岩石可
以具有的任一成全部特征,成分和性质的关系。包括成因、组成、环境、年代、历史、与生
物进化的关系以及不可胜数的其它岩层特征。所有的岩石类型——岩浆岩、变质岩以及沉积
岩都属于地层学和地层划分的总范畴。某些非层状的岩体,因为与岩层伴生或关系密切,也
置于地层学下考察。”因此,地震地层学也就是通过地震资料,在它的能力范围内、独立的
或者与其它学科结合,解决上述问题。然而,正如前面所讲的那样,尽管1972年的“地层
划分、术语和用法指南”较过去的“指南”有了很大进步,但是在摆脱描述性、强调成因单
位方面,还有商榷的余地。

关于地震地层学的研究范围和命名,国内外有着不同的意见。有人提出来用“石油
地震地质学

”这一命名(石油地震地质,1985,No.1),把地震地层学的研究范围缩小到“石
油和天然气的资源勘探”,而研究的广度又扩大到构造、生油、资源评价等等方面.国内广
为流行的不成文叫法是把区域性地震地层学研究称之为“区域地震地层学”,也有个别人称
之为“地层地震学”,以强调地震的重要性。近年来,地震地层学的创始入之一Vail,致力
于研究中显生宙以来全球统一的地层划分,提出“层序地层学“(sequence stratigraphy)一词,
它是区域地震地层学的一个组成部分。在利用地震资料研究地下地层细节方面,国外曾出现
两种不同叫法,即“地震岩性学”(seismic lithology)和‘开采地震学”(production seismology)。
国内也有岩性地震学、局部地震地层学等不同叫法。作者在本书的命名上沿用“地震地层学”
这一旧称,并把区域性的地层划分、沉积体系研究与局部地区的岩性研究包容在内,其目的
是避免内容过于庞大和尊重原创始人的命名。但是作者确信,随着科学的发展,一定会有新
的学科分支发展起来。

三.从地震地层学到层序地层

尽管L. L. Sloss(1988)把层序地层学的发展历史向前推了40年,但是真正的现代意义的
层序地层学是1987年由B. U. Haq、J. Harderbol和P. R. Vail在一篇题为“三叠纪以来的海
平面变化”的文章中公开提出来的。系统的层序地层学论著是一本名叫“Sea-Level Changes—An Integrated Approach”(1988,中译本名为“层序地层学原理(海平面综合分析)”,1992)


的文集,这是国际沉积学会(SEPM)第42集特刊。它系统全面地讨论了层序地层学的理论、
方法,厘定了名词和术语的定义。从此掀起了全球性的层序地层学热潮。从1988年至今,
它一直是全世界地学界的一个研究热点,而且是越来越热,同时也是争论的焦点。当然,这
一学科的争论也被带到了中国。

层序地层学理论的产生有两个基础:一是地层普遍具有旋回性;这是地质家就认识到的。
二是高精度地震反射资料揭示了过去各种方法所不能认识到的现象。特别是地震反射基本上
是地质上的等时面,提供给地质家一个多年来梦寐以求的前所未有的年代地层解释工具。注
意,这后一点是计算机技术带来的数字地震资料所揭示的。在此之前,人们一直认为,地层
像千层饼一样彼此平行地分布着。然而,数字地震资料揭示出上超、下超和顶超等现象,而
且在众多的平行地层中间,发现了众多的斜列地层,证明了过去的许多地层对比可能是错误
的。地层之间除了彼此平行之外,还有许多地层是一团一块的局部分布的,而且许多油田和
它们有关。地震反射界面

基本上是等时面,加上地震界面的各种结构特征,构成了地震地层
学的形成基础。层序地层学则是在地震资料的大量地层学解释的基础上发展起来的。但是,
地震地层学实际上可以分成两部分(图1),一部分是利用上超和下超等结构上的特征,研究
沉积体系,研究基准面的升降变化,以及进行地层的划分;在此基础上发展成层序地层学。
它的另一部分是研究地震波的基本波形,即子波的特征,以及反映某一地层的复合波形的振
幅、频率、极性和相位的变化,从中找出它们与油层的厚度、岩性、物性及含油性之间的关
系,这一部分发展成开发地震地层学,或者叫做油藏描述。这也是近年来与油气勘探开发密
切相关的新兴学科。



地震地层学



层序地层学 油藏描述

理论依据

1 地层客观存在的旋回性

2 地震反射界面基本上是等时面

3 数字地震剖面中客观存在的上超、下
超与顶超、削截现象反映了地下地层和沉
积体的纵向周期性 变化及三维展布特征

4 据此可以划分层序。在与油藏描述技
术相结合的 情况下,可以预测油藏的质
量和数量,即油藏的好坏和储量大小

1 子波的理论

2 地震反射是众多子波合成的

3 不同厚度、岩性、物性和含油性的薄
互层复合波在振幅、频率、极性、相位上
有不同的响应

4 与测井资料分析相结合,可以研究油
藏的质量和数量





图1 地震地层学的发展及其与层序地层学和油藏描述的关系



四.层序地层学是地震地层学的最新发展及其理论的更新

层序地层学的发展可以追溯到40多年前,但是成为独立的一门学科形成于80年代后期。
地震地层学问世以后,在地学界引起了一场激烈的争论,众说纷法,毁誉参半。其中以A.D.
Maill(1986)反对的最为强烈。矛盾的焦点是缺乏支持性资料,因为这些资料私人公司不



允许公开发表,详细程度更高的白垩纪海平面升降曲线也未出版。

对P.R.Vail的海平面升降曲线的批评集中在:(l)局部和区域性沉降缺乏适当的校
正;(2)某些重大事件发生的时间是否具有同时性;(3)没有采用最新的地质年表。在借鉴
他人建设性意见的基础上,P. R. Vail与B. U. Haq、J. Hardenbol、M. T. Jervey、H. W.
Posamentier、R. J. Weimer及Van Wagoner等学者致力于露头、测井、岩心、海洋地质及地
震资料的综合研究,力求使原有的理论更为完善。

早在 70年代后期, Mac. Jervey就在数学上模拟了和定量表示了产生全球旅回曲线的
海平面升降、构造沉降和沉积物供应速度之间的关系。EXXON公司的科研人员吸收了这项
成果并给予很高的评

价,同时发表了以前的成果,弥补了1977年出版物的不足,地震地层
学的理论逐渐被接受。

1987年,Vail等在美国AAPG和Science刊物上推出了第2代海平面升降曲线,特点是
曲线呈圆滑的波状,每个周期顶底标明了不整合的性质,层序界面位于海平面升降曲线每个
周期的下降(F)拐点上,上升(R)拐点稍后的某个位置处为最大海泛面,划分了海平面
升降周期的级次,引起了更多的古生物地层学、年代地层学和磁性地层学的资料,并且提出
了新的地层学科,即层序地层学。

另一方面,反射地震勘探的仪器设备,已经由光点记录(20dB)、模拟磁带记录(45dB)、
二进制数字磁带记录(90dB)发展到瞬时浮点数字磁带记录(120dB),极大地提高了数据
采集的动态范围。利用电子计算机技术对反射地震信息的处理,包括反褶积在内的各种数字
滤波,可以无畸变地显示地下地层的反射波信息,从而以类似于医学上X光透射和CT切片
技术那样,能够直接观察地下几千米的地层、构造和岩性变化。同时地震波的研究也从运动
学跨入动力学范畴,除了波速以外,还可以利用弹性波传播的频率、振幅、相位、连续性、
波形等多种动力学参数综合分析地震相,进而认识沉积相,判断沉积环境。在结合露头、测
井和岩心资料的基础上.建立年代地层格架、海平面升降曲线和油气成藏模型。在这种背景
下,层序地层学脱颖而出(刘光鼎,1992)。








由此,地震地层学发展到一个崭新阶段。同年,J. B. Sangree和P.R.Vail的“层序地
层学基础和关键性定义”推出,其中论述了该学科的基本理论、概念、术语、工作方法、解
释步骤及部分实例,层序地层学逐步推广开来。

进入80年代后,油气勘探程度迅速提高,油气开采环境日益复杂,寻找构造圈闭已成
为过去,代之而起的是开发隐蔽油气藏(地层岩性油气藏),地震地层学的另一分支—油藏
描述也越来越受到重视。

因此,就更需要提供高分辨率的地层资料,布置三维地震测网,定量评价储层特性,高
频层序已应用于油气勘探开发,可以说层序地层学的发展是能源生产的迫切需要。

五.层序地层学的研究意义

油气地质勘探现状——岩性地层油气藏在中油股份的剩余石油资源中占42%;三维地
震+层序地层学已成为国内外岩性地层油气藏的主导技术。

本世纪油气关键技术——岩性油地层油气藏勘探的主要技术环节有(贾承造院士):

①寻找岩性地层圈闭:层序地层学技术

②预测高渗储层:层序约束储层反演技术

③油气层保护:(层序约束储层下的)优质

泥浆体系与近(欠)平衡钻井技术

④低渗透油气层高产:(层序约束储层下的)特殊的压裂技术

……

应地层岩性油气藏之运而生的层序地层学

J.B.Sangree等(1990)认为:“层序地层学主要用于识别和详细研究地层圈闭的含油
气远景。在应用层序地层学以后,一些颇具特色的勘探前景已经出现。”AAPG、SEPM和


IAS均认为层序地层学是90年代石油地质学、地球物理学、沉积学和地层学发展的重大方
向。







ESGC(1988)已经将“层序地层学和全球海平面变化”正式列入“全球沉积地质计
划”(GSGP),此项国际性研究已通过联合国在各国实施。1995—2000年在美国召开的AAPG
年会上,高分辨率层序地层和储层地质研究是最重要的议题。

“层序地层学改变了分析世界地层记录的基本原则。因此,它可能是地质学中的一次
革命,它开创了了解地球历史的一个新阶段”(P.R. Vail,199)。 “地震地层学引起了地
层分析中的一场革命,其意义之深远不亚于板块构造引起的革命。结果,几乎所有涉及沉积
岩的学科都要被重新研究和重新受到重视,大量问题正在涌现。……它是把科学由定性领域
转到定量领域的推动力,……使地层学这一学科将更有预测性和定量性”(T.A.Cross和
M. A. Lessenger,1986)。

“地层学目前正在进行一场革命。一个世界范围的旋回式层序和沉积体系域的评
价……,正在大学和跨国石油公司中进行”(L.F.Brown,Jr,1990)。

六.层序地层学与相关学科的关系及其基本方法

层序地层学:来源于地震地层学,它根据可容纳空间的演变来解释层序地层单元,强调
界面对沉积单元的控制作用。适合于研究有成因联系的地层序列。

层序地层学的基本方法——地震勘探、测井等物探技术:它们是一系列的油气及其它矿
产的勘探技术与方法。根据其提供的资料,可有效地识别地层、层序的层序地层特征,进而
进行有效的层序地层学研究,它们是层序地层学的重要基础手段与工具。

相关学科1——沉积学(岩相古地理):根据搬运介质或沉积介质能量的变化,分析沉
积相、沉积构造等沉积特征的形成机制,建立相模式,主要适合于研究小规模地层单元。


相关学科2——盆地分析(构造地层学):根据盆地与地层的变动与改造特征,分析盆
地发育及其对沉积相、沉积地层的构造特征的控制作用,建立构造(地层)样式,适合于研
究比较大规模的地层单元。

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