層序地層學四分模型的非周期性與層序邊界調整

李紹虎 賈麗春

(1.中國地質大學(武漢)資源學院 武漢 430074;2.中國地質大學(武漢)構造與油氣資源教育部重點實驗室 武漢 430074; 3.山西省第三地質工程勘察院 山西榆次 030600)

層序地層學四分模型的非周期性與層序邊界調整

李紹虎1,2賈麗春3

(1.中國地質大學(武漢)資源學院 武漢 430074;2.中國地質大學(武漢)構造與油氣資源教育部重點實驗室 武漢 430074; 3.山西省第三地質工程勘察院 山西榆次 030600)

通過圖解證明現行四分層序地層模式存在的岸線跡線非周期性問題,表現為垂向升降1周期對應側向遷移1+1/6周期,是由于高位正常海退設定不合理所致,建議廢除高位正常海退及其形成的高位體系域,重新解釋高位體系域。沉積層序邊界調整為殘留最大水泛面RMFS及其相對應的地面不整合面CSU,由此構成沉積層序自下而上包括下降期體系域、低位體系域、海侵體系域,亦即FSST-LST-TST疊置。此外,此研究基于廢除高位正常海退對沉積層序、成因層序、R-T層序邊界進行統一,避免成因層序和T-R層序跨越兩個沉積層序。

層序地層學 殘留最大水泛面 對應的不整合面 廢除高位正常海退 R-T層序

0 引言

2009年《Earth-Science Reviews》發表了Catuneanu等28位國際知名層序地層學家共同撰寫的“Towards the standardization of sequence stratigraphy”一文,該篇論文為Catuneanu等(1998)、Catuneanu和Eriksson(1999)、Catuneanu和Biddulph(2001)、Catuneanu(2002)、Catuneanu等(2005)、Catuneanu等(2006)等序列文章的綜合[1～6]。該文傾向于“求同存異”推薦層序地層學標準化,其中重點匯總了五大層序流派及其流派之間界面關系的比較,包括沉積層序Ⅱ[7,8]、沉積層序Ⅲ[9～11]、沉積層序Ⅳ[12～14]、成因層序[15,16]、T-R層序[17]。

總體看來,從Catuneanu等[18]及其系列文章可以得知,層序發育匹配的基準面曲線部分基本可以達成共識,即下降期體系域(FSST)、低位體系域(LST)、海侵體系域(TST)、高位體系域(HST),分別對應于強迫海退(FR)、低位正常海退(LNR)、海侵(T)、高位正常海退(HNR)(圖1)。然而,沉積層序各個流派之間以及它們與成因層序、T-R層序之間,在疊置概念模型方面至今依然存較大的差異。例如成因層序跨沉積層序問題[14](圖2;Catuneanu等(2005)的圖15;Catuneanu等(2009)的圖4)、T-R層序合并三個體系域(下伏層序HST+本層序FSST+LST)為RST等[17],都是禁錮于地震層序地層學早期“一套以不整合面及其相對應的整合界面為界的成因相關的地層序列”的層序定義[19]。沉積層序流派之間可否統一,關鍵在于現行層序內部疊置構型表現出的非周期性(即岸線跡線垂向(分量)周期性——基準面變化通過垂向累加可以表現為正弦曲線,但是岸線跡線側向(分量)周期性卻是非周期性的,因此岸線跡線本身不具備周期性)的解決,以及修正層序定義從而改變層序邊界不定論的局面,本文針對這兩點提出相應的解決方案。

現行層序的岸線跡線非周期性源自海侵之后所設定的高位正常海退(HNR),即海侵之后的第二次朝海岸線遷移。表現在岸線跡線垂向分量(基準面曲線)“U”字型、側向分量“S”字型,至今未能引起學術界重視。

圖1 四分層序地層學模型基準面變化曲線(岸線跡線垂向周期性)[18]Fig.1 Base level curve(vertical periodicity of shoreline trajectory)of four-divided model of sequence stratigraphy.Abbreviations:LST-lowstand systems tract;HST-highstand systems tract;TST-transgressive systems tract;FSST-falling stage systems tract;HNR-highstand normal regression;T-transgression; LNR-lowstand normal regression;FR-forced regression

1 沉積層序模式演變及其非周期性

1.1 三分到四分模式的演變概述

自從1992年開始,由于層序地層學在海陸應用差異,國際上開始由原有經典三分方案向四分方案演變.unt和Tucker[12]將經典三分模式中的低位扇盆底部分和斜坡扇(注:分別相當于低位扇面河道+扇朵葉、決口河道復合體(Haq等[7](1987),其圖1, p。1157)),分別稱為強迫海退楔體系域(FRWST)盆底成分和斜坡成分,將其原有經典的低位楔體系域稱為低位前積楔體系域(LPWST);模型的核心變化在于:將經典層序地層學中盆底扇和斜坡扇從原低位體系域中分離開來,而且將朝陸退積疊置的先盆底扇后斜坡扇的時序關系,改變為盆底成分屬于斜坡成分的同期相變(Hunt和Tucker,1992[12];圖2,p。4),由此提出“不整合面最大延伸”作為層序邊界識別的診斷原則。

這一看似合理的原則卻在FRWST與LPWST之間劃分出層序邊界SB出來(Hunt和Tucker,1992;圖2,p。4;Hunt和Tucker,1995,圖1,p。150),實質上是將“層序一分為二”。對此Kolla等(1995)提出強烈質疑,并且以maximum hiatal break(最大超級坡折)為界堅持經典三分模式。實際上Kolla等[20]誤解了Hunt和Tucker的意思(Hunt和Tucker等,1995,p。148).unt和Tucker[12]為了避免誤解將FRWST、LPWST分別改為FRST、LST,再后來FRST改成了FSST(Plint和Nummedal[21];演變過程見下段)。此外Helland-Hansen和Gjelberg[14]的四分方案更趨直接,自下而上分別為低位楔體系域(LWST)、海侵體系域(TST)、高位體系域(HST)、強迫海退楔體系域(FRST),分別編號為①、②、③、④,顯而易見他們主張將強迫海退楔體系域(FRWST)放在沉積層序頂部,嚴格遵循層序關于不整合面及其相對應的整合界面為界的概念。在Catuneanu系列論文推進下,現行FSST、LST、TST、HST方案逐步形成,其中值得一提的是2002年以前Catuneanu將LST和HST歸因于正常海退,后來分為低位正常海退和高位正常海退。

關于下降期體系域(FSST),著實是一個具有戲劇性變化的術語.lint等[22～24]基于加拿大西部內陸Alberta省和British Columbia省交界的洛基山地區白堊系地下和露頭研究工作,強調底界侵蝕的近濱相沉積的出現及其意義,并且將其解釋為相對海平面下降期的緩坡型陸架上的沉積,這一過程被Plint[24]命名為“強迫海退(forced regression-FR)”過程,而他們則將此體系域命名為 falling sea level systems tract[25]——國內翻譯為海退體系域(王劍等,1996; Nummedal(1993)成都的層序地層學講座),隨后被命名為falling stage systems tract[26]。遺憾的是他們都是以摘要的形式發表,直到2000年Plint和Nummedal才在國際層序地層學界普遍接受FSST之后,對FSST進行系統的定義和正式術語命名.lint[24]的強迫海退術語影響了層序地層學四分模式的演變過程,在此期間出現了較多的同義術語,正如Plint和Nummedal[21]指出的“盡管術語變化(強迫海退楔體系域[12]、強迫海退體系域[13,14])、下降海平面體系域[25]或者下降期體系域(Plint和Mummedal,2000),這些研究都強調一個類似的問題,而且達到類似的結果[21](Plint和Nummedal,2000;p。3)”.atuneanu[4]更為直接地稱“強迫海退體系域也就是下降期體系域(p。21)”。由此可見,比較Hunt和Tucker[12,13]、Helland-Hansen和 Gjelberg[14]和 Plint和 Nummedal[21]模型,現行四分模式的FSST是個廣為接受的術語,但是其地層疊置構型至今依然沒有統一。

簡而言之,從1992年之后經典三分模式中的LST分解出新的LST(低位楔)和FSST,開始時FSST曾經設定在層序頂部[14],直到2005年Catuneanu開始將FSST與Haq等(1987)和Posamentier等(1988)的早期LST(扇)對應(Catuneanu等,2005;圖15,p。80),放在層序下部作為沉積層序最底部的體系域,從而完整地構成FSST-LST-TST-HST四分模式。

1.2 四分模式的非周期性——垂向1周期:側向1 +?6周期

在目前四分模式中FSST疊置構型仍未達成一致的狀況下,加之FSST-LST-TST-HST方案本身存在致命的非周期性問題,因此本文作者認為Catuneanu等[18]推薦層序地層學標準化有待深入。正如Helland-Hansen[27]指出的那樣“還處于活躍期,不易'冰封'……”;現在看來,Helland-Hansen應該是對的。

層序地層學研究中各個流派均匹配有基準面變化或海平面升降變化、相對海平面變化曲線,指的都是海平面垂向變化;而在層序分析中涉及到按照相組合的側向遷移區分疊置樣式,從而劃分體系域,因此這些最終都體現在岸線跡線變化上面。岸線跡線定義為沿著沉積傾向的剖面岸線遷移軌跡(比較Swift[28];Davis和 Clifton[29];Larue和 Martinez[30]; Cant[31]),是相對海平面變化、沉積物補給和盆地地形的函數[14],或者是沉積盆地充填時岸線或淺水陸架邊緣相的位置變化之路徑(Helland-Hansen和Martinsen,1996)。遺憾的是截至目前為止,所有層序地層學流派在其模型建立過程中并沒有將基準面變化(垂向)、相遷移(側向)統一到岸線跡線變化基礎上進行綜合考量,也就是強調岸線跡線垂線變化(基準面變化)的周期性,而忽略了岸線跡線側向變化有無符合周期性問題。對于一個建立在全球海平面周期性變化基礎上的地層學理論而言,層序地層學各個流派模式成立的勿庸置疑的公理應該是岸線跡線垂向、側向均具有周期性變化,而非僅僅是岸線跡線垂向(基準面)變化具有周期性。

以下選擇Helland-Hansen和Gjelberg[14]模型證實四分模式的岸線跡線垂向、側向變化的周期性問題。需要指出的是,在所有四分模式中他們的模型最為完整,易于表達;一定程度上,他們最為注重模型的整體性和重復性(圖2).unt和Tucker[12,13]模型只強調層序下部,而Plint和Nummedal(2000)模型過于復雜,兩者模型均沒有與成因層序、T-R層序進行對比。

國際上趨于認為:一個完整海相層序包含下降期體系域、低位體系域、海侵體系域和高位體系域;其與成因層序、T-R層序之間有著顯著差異(圖2)[14,4,18];不僅如此,層序地層學本身的各個流派之間也存在明顯差異[8,9,12,16,17],這些直接影響了“引發地層學革命的”層序地層學的發展。李紹虎2007年夏天在新疆準東觀察到岌岌湖現代水下加積扇疊置構型,從開始懷疑經典層序地層學發育順序,發展到現今直指高位體系域的設定(無論是經典三分還是現行四分模式),經歷了一個不斷反復否定調整的思考過程。受岌岌湖現代水下加積扇(Jijihu subaqueous aggradational fan,Jijiju SAF)疊置構型啟示,采用不同于Wheeler相圖[32]的作圖方法,按照等時性原理劃分并擬定向前侵蝕、河流后退侵蝕、沿岸淹沒侵蝕三種類型及其相應的等時圖解規則[33]。

本文采用上述圖解規則,并且基于圖2格架概念模型,構建等時地層格架(chronostratigraphy)或年代層序格架(chrono-sequence framework)(圖3),旨在建立并且直觀地檢驗岸線跡線垂向、側向變化的周期性。分述如下:

(1)岸線跡線垂向周期性,即為傳統的基準面曲線,由圖3中的系列B點所構成。這里采用相對于海平面下降最低點為參考點,t時期對應的岸線升降幅度采用相對時間段與升降速率之積vi。Δti表示。結果表明B01-B05、B05-B11、B11-B17、B17-B23分別對應于FSST、LST、TST、HST;如果沉積層序發育足夠完整,圖3中岸線跡線完全可以用正弦曲線表達(注:圖中表達的是Δti,沒有考慮vi),因此B系列點構成的岸線跡線垂向變化可以滿足周期性要求。(2)岸線跡線側向周期性,由圖3中的系列C點構成,為了便于表述坐標圓點依然選擇海平面下降最低點。結果顯示,C01-C05、C05-C11、C11-C17分別對應于FSST、LST、TST,一個周期已經形成;而C17-C23顯然已經在數學上進入下一個周期。如果按照FSST與LST-TST-HST各占半個周期計算,LST-TSTHST中多出的HST就近于1/6周期,那么C系列點構成的岸線跡線側向變化就可以理解為1+1/6周期。

換而言之,圖3中顯示的岸線跡線垂向變化為1周期,但是卻要對應于岸線跡線側向變化1+1/6周期,顯然是不合理的。如果去掉三分和四分模式中設定的高位正常海退及其形成的高位體系域,那么岸線跡線(A點系列)自A01到A17即可以構成一個周期,因此,本文作者建議廢除HRN及其形成的HST。值得強調的是,圖3中岸線跡線側向變化為A點系列曲線“寬度”壓縮而成,旨在方便對比垂向變化和側向變化在B17點和C17點出現的周期性差異(詳見圖4),也就是突出岸線跡線側向表現的1+1/6周期。

為了進一步闡述層序地層學現行四分模式中岸線跡線非周期性,特此將圖3中的B、C系列點所代表的垂向和側向變化單獨提取得到圖4。圖4(a)為岸線跡線垂向變化,縱橫坐標分別為幅度H、年代t,其中振幅H=vi。Δti(升降幅度X時間段),此處采用常量q代替v(注:年代地層格架中信息量太多,只能等時間隔替代 time-interval);該圖顯示與 FSSTLST-TST-HST層序地層疊置對應的FR-LNRT-HNR為1周期。圖4(b)為岸線跡線側向變化,縱橫坐標分別為水平距離S(相對于海平面最低點朝陸朝海水平遷移距離)、年代t,該圖顯示:與FSSTLST-TST層序地層疊置對應的FR-LNR-T為1周期,與HST對應的HNR為1/6周期,也就是FSSTLST-TST-HST層序地層疊置對應的FR-LNRT-HNR為1+1/6周期。

圖2 單元地層關系及關鍵界面和沉積作用旋回α、β、γ(Helland-Hansen和Gjelberg,1994)α、β、γ分別代表成因層序(Galloway,1989)、T-R層序(Johnson等,1985)、沉積層序(Vail等,1984)Fig.2 Stratigraphic relationships between units,key surfaces and cycles of deposition(α,βandγ).Symbolsα,βandγare genetic sequence(Galloway,1989),T-R sequence(Johnson,et al.,1985)and depositional sequence(Vail,et al.,1984)

圖3 基于圖2(陰影部分)地層疊置構型的年代層序格架圖.為了便于顯示不整合面發育過程,下降期體系域岸線跡線點采用旋轉方式表示(以A05點為圓心逆時針旋轉,亦可理解為關于橫坐標軸對稱,即可恢復原始理想岸線跡線點(Aˊ系列點).A系列點為側向遷移周期性岸線跡線點,B系列點為垂向升降周期性跡線點;Area1、2分別代表剝蝕區、等時虛擬區(上下等時線等時)Fig.3 Chrono-sequence framework based on the shadow part of stacking patterns in Fig.2.The points of shoreline trajectory of FSST are expressed by rotating some degreed,ex.,points A05 and A'05 are symmetrical again horizontal axis.Points of A and B series are respectively the lateral and vertical points on shoreline trajectory.Area 1 is the eroded area,whereas Area 2 represents isochronous time area that upper and lower time line are isochronous

圖4 (a)岸線跡線垂向變化(年代t-幅度H)顯示1周期;(b)岸線跡線側向變化(年代t-水平距離S)顯示1+1/6周期.縮寫:FR-強迫海退;LNR-低位正常海退;T-海侵;HNR-高位正常海退;FSST-下降期體系域;LST-低位體系域;TST海侵體系域;HST-高位體系域Fig.4 (a)the vertical change of shoreline trajectory(time-amplitude)based on Fig.3 directs one periodicity,(b)the lateral change of shoreline trajectory(t-S)based on Fig.3 shows one and one-sixth periodicities.Abbreviation:FR-forced regression; LNR-lowstand normal regression;T-transgression;HNR-highstand normal regression;FSST-falling stage systems tract;LST-lowstand systems tract;TST-transgressive systems tract;HST-highstand systems tract

如果選擇FSST-LST-TST-HST層序地層疊置對應FR-LNR-T-HNR,就等同于選擇岸線跡線1周期的垂向變化對應于1+1/6周期的側向變化,顯然是不合理的;如果廢除HRN及其形成的HST而選擇FSST-LST-TST層序地層疊置對應FR-LNRT,就等同于選擇岸線跡線1周期的垂向變化對應于1周期的側向變化(圖4下部)。

由此可見,廢除HRN之后,岸線跡線垂向、側向變化就會對應1周期,即圖4(a)中岸線跡線垂向變化(基準面)構成FR-LNR-T的1/2+1/4+1/4=1周期;圖4(b)中岸線跡線側向變化構成FR-LNRT的1/4+1/4+1/2=1周期。值得強調的是,LNR特征表現為物源補給超過海平面上升[18],其本身就具有FR與T之間的過渡特征。無論中間過程如何,從FR到LNR再到T,可以在垂向、側向均實現1周期;較之原有岸線跡線垂向變化(基準面)FRLNR-T-HNR的1周期對應于同期岸線跡線側向變化1+1/6周期,要合理得多。

究其原因,正如前面所述的那樣,現行四分模式中基準面曲線(岸線跡線垂向變化)顯示的FRLNR-T-HNR的1周期,恰好掩蓋了岸線跡線側向變化的1+1/6周期。既然現行四分模式是由經典三分模式演變而來,繼承了HNR及其形成的HST的這一設定,那么三分亦是如此,因此本文建議廢除高位正常海退(HNR)及其形成的高位體系域(HST)。

廢除高位正常海退及其形成的高位體系域,潛在的學術價值還在于可以解決層序地層學至今沒有回答的構造控制問題(Miall,1991)。至少海相盆地之盆山耦合研究中,可以將FSST-LST-TST層序地層疊置頂部的最大水泛面MFS作為時間關聯點。

另外,限于篇幅的影響,僅對圖3中Area 1(剝蝕區)包含的不整合時空體所具有的不整合面關聯屬性進行強調:Area 1(剝蝕區)底界含地面不整合、水下不整合,頂界為溝谷面(RS-ravinement surface,亦稱溝谷侵蝕面RES-ravinement erosion surface)。

2 廢除高位正常海退及年代層序格架中岸線跡線周期性檢驗

高位正常海退廢除與否,還需要從理論上檢驗新模型的等時地層格架是否具有垂向、側向周期性,同時也有利于解決沉積層序與成因層序、T-R層序之間的邊界差異問題,進一步實現沉積層序邊界調整。根據上述思路,本文在假設廢除高位正常海退(形成原高位體系域)的前提下,對Helland-Hansen和Gjelberg(1994)模型(圖2)進行重新構建,如圖5所示。其中,原模型相應的關鍵界面中最大海退面繼續保留,原模型中相應的成因層序、T-R層序、沉積層序依次相應保留,其相互關系詳見后面的第四部分。

圖5 基于圖2的廢除高位正常海退后的地層疊置模型FSST-LST-TST.海侵體系域朝盆超覆陡陸架坡折一側添加盆底扇或斜坡扇(高位扇,Helland-Hansen和Gjelberg,1994),同屬海侵體系域但早于陸架上的退積疊置地層Fig.5 Based on Fig.2 ,strata stackingmodel FSST-LST-TST that highstand normal regression is abolished.Slope fan/basin fan has been added to the basinward side of shelf break of transgressive systems tract,i.e.,highstand fan(Helland-Hansen and Gjelberg,1994).Both highstand fan and retrogradational strata on shelf are attributed to transgressive systems tract,but the former is earlier than the latter.This is different from Helland-Hansen and Gjelberg(1994)'s opinion that both are isochronous

圖6 基于圖5(陰影部分)地層疊置構型的年代層序格架圖.A系列點為側向遷移周期性岸線跡線點, B系列點為垂向升降周期性跡線點;Area1、2分別代表剝蝕區、等時虛擬區(上下等時線等時)Fig.6 Chrono-sequence framework based on the shadow part of stacking patterns in Fig.4.Points of A and B series are respectively the lateral and vertical points on shoreline trajectory.Area 1 is the eroded area,whereas Area 2 represents isochronous time area that upper and lower time line are isochronous

圖6的年代層序格架圖解結果表明,去掉高位正常海退(高位體系域)之后,既能保證岸線跡線垂向升降(基準面曲線)具有周期性,也能保持側向遷移周期性,即圖6中的B系列點、C系列點構成的曲線均為1周期。與圖3和4類似,按照圖中的曲線樣式,根據岸線處海平面垂向升降速率vi和時間間隔ti可以繪制海平面垂向升降曲線(基準面曲線);根據側向距離,也可以繪制其側向遷移變化曲線。

岸線跡線是由Helland-Hansen和Gjelberg[14]較早引入層序地層學研究當中;Catuneanu等[18]將其用于說明體系域疊置發育過程,在其層序地層學標準化論文圖19中(Catuneanu等,2009;p。14)呈現典型的“S”型岸線跡線,如本文所圖解證明的那樣(圖3),應該屬于高位正常海退不合理設置造成的非周期性。針對現行四分模式中岸線跡線非周期性,可能需要廢除高位正常海退及其形成的高位體系域,保留FSST-LST-TST地層疊置,因此本文嘗試在FSSTLST-TST的基礎上對層序邊界進行調整。

3 層序邊界調整及對沉積層序與成因層序、T-R層序的一致性改進

岸線跡線垂向升降周期性、側向遷移周期性比較(圖4),連同新的地層疊置構型模型及其匹配的年代層序格架中岸線跡線周期性檢驗(圖5和6),表明存在廢除高位正常海退及其型的高位體系域的可能性。

如此以來,層序邊界就變成最大水泛面(ABC)與不整合面(CDEF)相交而成(圖5、6、7、8),最終分割形成三類界面:①殘留最大水泛面RMFS(remnant maximum flooding surface,BC)及其對應的地面不整合面CSU(correlative subaerial unconformity,BD)構成層序邊界;②不整合面最大延伸ESU(extension of subaerial unconformity,BE)和海侵面t.s。構成FSST與LST之間的體系域邊界(注:該界面被Hunt和Tucker(1992,1995)定義為層序邊界,受到Kolla等(1995)的強烈質疑);③剝蝕最大水泛面EMFS(eroded maximum flooding surface,AB),已經不復存在(圖7、8)。對于FSST-LST-TST地層疊置內部, LST與TST之間的界面繼續采用廣為接受的最大海退面MRS(maximum regressive surface)為界。

通過上述調整和繼承,一個理想沉積層序(FSST-LST-TST地層疊置)的關鍵界面包括:殘留最大水泛面RMFS及其對應的地面不整合面CSU構成的層序邊界、地面不整合面最大延伸ESU和海侵面t.s。構成的LST/FSST體系域界面、最大海退面MRS構成的TST/LST體系域界面(圖7和8)。

圖7 層序邊界調整及沉積層序γ與成因層序α、T-R層序β(或R-T層序δ)之間的對應關系.縮寫:RMFS-殘留最大水泛面(BC),CSU-殘留最大水泛面對應的地面不整合面(BD),EMFS-剝蝕最大水泛面(AB),ESU-地面不整合面最大延伸(BE),t.s.-海侵面(EF),MRS-最大海退面(MN).Fig.7 Adjustment on sequence boundary and relationships between depositional sequenceγ,genetic sequenceαand T-R sequence β(or R-T sequenceδ).Abbreviations:RMFS-remnantmaximum flooding surface(line BC);EMFS-eroded maximum flooding surface(line AB);CSU-correlative subaerial unconformity of remnantmaximum flooding surface(line BD);ESU-extension of subaerial unconformity(line BE);t.s.-transgressive surface(line EF);MRS-maximum regressive surface(line MN).

選擇殘留最大水泛面及其對應的地面不整合面為層序邊界,有望解決不整合面位置的多方長期爭論(Hunt和Tucker,1992,1995;Kolla等,1995;Helland-Hansen和Gjelberg,1994;Helland-Hansen,1995;Catuneanu,2002).mbry(2002)認為最大水泛面可以通過客觀科學分析確定;較之不整合面對應的整合面c.c。(correlative conformity)更易于識別。

圖8 沉積層序(γ)、成因層序(α)、R-T層序(δ)(改T-R層序(β))之間的年代格架關系.縮寫:RMFS-殘留最大水泛面(BC),CSU-殘留最大水泛面對應的地面不整合面(BD),EMFS-剝蝕最大水泛面(AB),ESU-地面不整合面最大延伸(BE),t.s.-海侵面(EF),MRS-最大海退面(MN).Fig.8 Chrono-framework relationships between depositional sequenceγ,genetic sequenceαand R-T sequenceδ.T-R sequenceβhas been recommended to be revamped as R-T sequenceδ.Abbreviations:RMFS-remnantmaximum flooding surface(line BC);EMFS-eroded maximumflooding surface(line AB);CSU-correlative subaerial unconformity of remnantmaximum flooding surface(line BD);ESU-extension of subaerial unconformity (line BE);t.s.-transgressive surface(line EF);MRS-maximum regressive surface(line MN).

層序邊界調整之后,本文擬將沉積層序與成因層序、T-R層序一致性對應關系一并改進:

3.1 沉積層序γ(FSST-LST-TST)與成因層序α一致性比較

按照Galloway(1989)提出采用最大海泛(Maximum Marine Flooding,相當于最大水泛面Maximum Flooding Surface;見其圖6,P。133)為層序邊界,并且命名為成因層序[16],自下而上依次為HST、LST、TST,其中HST屬于下伏沉積層序,而LST和TST屬于上覆沉積層序,也就是成因層序是跨沉積層序的,詳見Catuneanu等(2009)的圖4和23.mbry(2002)指出成因層序由于地面不整合面位于層序內部,而使得其在盆地邊緣缺乏成因一致性[34]。本文作者不完全認同這一點,詳見討論部分。

層序發育真正的起始時間點當屬邊緣構造抬升,理想的完整層序當為最大水泛面結束即為下一新的層序開始,這是本文核心出發點;但是不同于Galloway(1989)將最大海泛面為界的成因地層學,其套用對比到經典三分模式而構建,并未觸及成層序邊界為不整合面及其相對應的不整合面這一經典定義。實際上Galloway(1989)以最大海泛面為界化分的層序自下而上依次為HST-LST-TST,其中HST屬于下伏層序,LST*-TST歸屬上覆層序(Galloway,1989;圖6, p。133);本文建議廢除HST之后,即變為同一層序的LST*-TST,其中的LST*現在細分為FSST-LST,也就形成本文的FSST-LST-TST層序地層疊置。

本文嘗試將成因層序(α)與沉積層序(γ)一致對應起來,上下邊界并不等時。如圖7、8所示,層序邊界為殘留最大水泛面EMFS(BC)及其對應的不整合面CSU(DB).SST-LST-TST層序地層疊置均屬于同一沉積層序,就可以解決了成因層序原來跨沉積層序的弊端。 3.2沉積層序γ(FSST-LST-TST)與T-R層序β(或R-T層序δ)一致性比較

T-R層序[17]是以包括不整合面和或海侵溝谷面(RS-ravinement surface)和它們相對應的最大海退面組成的“合成面”為界[4]。而層序邊界海相部分(最大海退面)和非海相部分(地面不整合面)潛在穿時,而且也與海侵溝谷面合并[4].elland-Hansen和Gjelberg(1994)、Catuneanu等(1998)、Catneanu和Eriksson(1999)、Catneanu(2002)先后將沉積層序與T-R層序進行邊界對比,結果一致為:T-R層序的TST、RST分別等位于沉積層序的TST(下伏層序)、HST(下伏層序)-FSST(上覆層序)-LST(上覆層序)(圖2),亦即T-R層序跨沉積層序。

基于岸線跡線非周期性問題,本文建議廢除HNR及其形成的HST,沉積層序γ與成因層序α即可實現同層序內的一致性調整(圖7),而T-R層序β以最大海退面為界,即T、R分別對應TST(下伏層序)和FSST(上覆層序)-LST(上覆層序),依然為跨層序。如果改成R-T層序δ,那么R、T就可以分別對應FSST(同一層序)-LST(同一層序)和TST(同一層序)。實際上,Galloway的成因層序有時也被當作R-T層序(Embry,2002;p。164),因此上述一致性調整結果應該是同一問題兩種角度,結論是一致的。

自此,R-T層序δ、沉積層序γ、成因層序α三種層序大類就可以有完全統一的層序界面(圖7),即以殘留最大水泛面RMFS及其對應的地面不整合面CSU為界。層序邊界在幾類重要的地層學之間的如此統一,也將有利于層序地層學吸收其它地層學方面的研究,促進層序地層學發展。此外,沉積層序、成因層序、R-T層序一致性調整模型的年代層序格架等時性檢驗如圖8所示,三者存在應有的一致性等時線分布特征,時序關系清楚,表明它們之間的邊界統一方案可行。

4 討論

4.1 等時線分布討論

鑒于目前層序地層學目前的流派紛呈,層序邊界爭議較大,諸如不整合面最大延伸[12,13]、海侵侵蝕溝谷面[21]、下切谷[7,9,10]、最大水泛面[16],以及退覆-超覆幾何形態[11]等等。所有這些表現為對等時線時序關系的認識角度差異,諸如:(ⅰ)不整合面最大延伸不只是一個面,而是朝盆內發散對應多個等時線,如圖3、6、8中的最終形成t05定型而逐步朝海對應于t01、t02、t03、t04等時線;(ⅱ)海侵侵蝕溝谷面則表現為海平面上升期(LNR和T)朝陸抬升的多個等時線的收斂,如圖3、6、8的t06、t07、t08朝陸抬升收斂;(ⅲ)下切谷形成與充填等時線分屬不同時期。這些在Wheeler圖體現較少。只有將層序發育各個階段及其伴隨的不整合體(現為一個物理界面)中的等時線,按照向前侵蝕、河流后退侵蝕、沿岸淹沒侵蝕等成因類型區分開來[33],才能真正地顯示不整合體內部等時線分布(圖3、6、8),在此基礎上圖解解釋岸線跡線非周期性問題。選擇殘留最大水泛面RMFS及其相對應的地面不整合面CSU也是基于這種等時線分布圖解中時序關系得出的。

需要說明的是,Winter和Brink[35]和Embry[36]將作為層序邊界的不整合面當作“時間障礙”,假設時間線不穿過不整合面,Posamentier等[8]圖解中也是這么設定的,Catuneanu[4]補充解釋為不整合面之下的地層早于之上的地層。嚴格意義上,應該是代表不整合面最后定型的晚期等時線在剝蝕區可以下切穿過早期等時線,如圖3、6、8中t05下切穿過了t01、t02、t03、t04,它們曾經屬于過不整合面,因此“時間線不穿過不整合面”不完全正確。也正因如此,Kolla和Posamentier等[20]在與Hunt和Tucker[13]討論層序邊界時,如果采用晚期等時線在剝蝕區可以下切穿過早期等時線的圖解方法,他們就能表達出現在看來確實正確的觀點——強迫海退沉積FRD(forced regressive depositions)底界為層序邊界(見Kolla等1995年的圖1,p。141)。

4.2 岸線跡線周期性

層序地層學各個流派在建立自己的模式時,均匹配有海平面升降曲線或相對海平面變化曲線或基準面變化曲線,實際上指的是岸線處海平面垂向升降變化,對岸線跡線側向海陸遷移并未考慮在內,以至于經典三分模式和在其基礎上改進的四分模式出現“S”型岸線跡線。有兩點需要解釋:(1)基準面變化曲線(岸線跡線垂向分量)可以采用正弦曲線表示,是由于LNR-T-HNR區間內設定海平面上升,如果不考慮岸線跡線側向海陸遷移,那么在LNR-THNR還可以根據海平面上升設定新的體系域,依然可以包括在正弦曲線上升半區間內,因為只要累加上升幅度自然可以繪制這部分垂向上升曲線,所不同的是在HNR之后需要標定新的體系域而已。例如, LNR-T-HNR之后重復一次或多個LNR-T-HNR (不同于次級旋回疊加),均能與FSST一起構成正弦曲線。這就是經典層序地層學和現行層序地層學在設定基準面曲線與體系域匹配之間不周之處。(2)岸線跡線側向海陸遷移,盡管與垂向升降(基準面)變化方向正交,但是反映在岸線跡線整體周期性上應該是一致的,也就是岸線跡線垂向與側向變化一周期,在起點和終點位置上是一致的,并且最終合成為岸線跡線一周期。因此,在層序設定時,不能僅僅考慮岸線跡線垂向升降周期性而忽略岸線跡線側向海陸遷移周期性,兩者屬于基線總量的垂向、側向分量,密不可分。正是基于此項考慮,本文從岸線跡線側向海陸遷移非周期性,推導出現有基準面曲線實際上也表現為非周期性。一定程度上講,現有的基準面曲線通過垂向幅度累加的方法顯示的周期性正弦曲線,掩蓋了側向海陸遷移的非周期性。

4.3 層序邊界調整――殘留最大水泛面作為層序邊界一部分與不整合面可以出現在層序內部

Galloway[16]提出用最大海泛面為界定義成因層序,Embry[34]認為層序內部出現不整合面,似乎違背了經典層序定義。本文也涉及到這個問題,需要作如下說明:盡管Galloway最早提出最大海泛面作為層序邊界,受到經典層序地層學關于不整合面為界的層序定義禁錮,他當時沒有辦法解決這一問題。類似地, Hunt和Tucker[12,13]首次正式提出將經典層序地層學三分模式的低位體系域分解出強迫海退楔體系域(FRWST),也不得不遵照不整合面為界的限制,而將層序邊界SB設定在FRWST與LPWST(低位楔體系域――相當于新的LST)之間,他們匹配的相對海平面變化曲線上赫然在最低海平面處設置層序邊界,用SB將“層序一分為二”;如出一轍地,Helland-Hansen和Gjelberg[14]也將下降期體系域(FSST――FRWST同義,前述)放在不整合面之下;Plint和Nummedal[21]正式定義FSST也是如此。所有這些都說明,與LST “成因相關”的FSST或FRWST(FRST),由于其頂部具有不整合面,而受經典定義限制卻不能與LST歸為同一層序,只能放在下一個層序的頂部進行“成因相關”,實屬無奈之舉。

到了2005年,Catuneanu對比層序地層學各個流派時,將FSST對比為早期低位體系域(扇)(early LST(fan)),意為層序最下部體系域.atuneanu等[18]正式推出Catuneanu[5]的觀點推薦層序地層學標準化,已經既定不整合面位于四分模式層序內部的事實,沒有明確指出,而是采用c.c。(相對應的整合面)表述位于層序內部。直到這時,FSST們才“找到”自己的位置。

從1992年四分模式盛行而回避不整合面不能在層序內部,到2005年綜合對比權衡既定不整合面可以出現在層序內部這一事實,國際層序地層學界實際上已經對層序的定義有所松動,即不再堅守不整合面不能出現在層序內部的禁錮。客觀上,Mitchum等(1977)的經典層序定義中“成因相關”就已經提供這方面的理論依據,可以理解為:層序雖然以不整合面為界,但是其上下地層不一定就絕對不“成因相關”。實踐證明,上述FSST相關術語在建模分析過程中,都與上覆低位體系域“成因相關”。本文第二、第三部分圖解過程中,充分證明了這一點。而且在去掉HST之后,層序邊界很明顯可以以殘留最大水泛面RMFS及其相對應的地面不整合面CSU為界。

某種程度上講,至少如果不廢除HNR這一設定,現行四分模式內部出現不整合面(即便含蓄地表達為c.c。)這種局面,只能永遠是似是而非——強調不整合面為界而又在層序內部出現不整合面,卻又給不出充分的理由。本文認為:不整合面既可以作為層序邊界又可以出現在層序內部,應該理解為不整合面CSU部分——殘留最大水泛面對應的不整合面才有資格作為層序邊界,而不整合面的ESU部分——FSST之上的最大不整合面延伸可以存在于層序內部。換而言之,(a)層序內部出現不整合面應該理解為不整合面最大延伸ESU出現在層序內部;(b)而層序內部不能出現不整合面指的是殘留最大水泛面對應的不整合面CSU部分,這部分絕對不能出現在層序內部.SU為體系域邊界,CSU為層序邊界,兩者屬于同一不整合面,但是由于上下地層“成因相關”不同而具有不同的屬性,即 ESU上下為 LST和FSST,而CSU之上為上覆層序的LST(或TST)而之下為下伏層序TST(或更下部層位)。

上述是對國際上經典層序定義而又既定不整合面出現在層序內部現狀的一種詮釋,前提是:(a)糾正四分模式中岸線跡線的非周期性,建議廢除高位正常海退及其形成的高位體系域或重新解釋高位體系域;(b)重新定義沉積層序為“一套成因相關的以殘留最大水泛面RMFS及其相對應的不整合界面CSU為界的相對整合的地層序列”[33]。由此看來,對于層序邊界的理解,既要尊重原有層序定義中不整合面的作用,更要尊重不整合面ESU上下地層“成因相關”這一事實。轉換層序分析過程中層序邊界識別追蹤的方向,不難看出:盆緣朝盆內追蹤,邊緣不整合面(層序邊界)對應盆內無數個整合面(c.c。);而本文主張從盆內向盆緣追蹤,殘留最大水泛面只能對應一個邊緣不整合面(能夠區分時序關系的)。前者恰似“干線”朝“支線”追蹤,“發散”易于出錯;后者則是既定“支線”朝“干線”前行,“收斂”而不出錯。

由此可見,如果以最大水泛面與不整合面交點(文中所有圖件中ABC線與DBE線交點B)為界,典層序定義僅能規范交點朝陸一側,新的層序定義均能定義交點朝海、朝陸兩側。后者內涵包括前者內涵,也就是“一套成因相關的以殘留最大水泛面RMFS及其相對應的不整合界面CSU為界的相對整合的地層序列[33]”包含“一套成因相關的以不整合面及其相對應的整合面為界的相對整合的地層序列[19]”。如前所述,其前提是必須解決岸線跡線非周期性,且廢除高位正常海退及其形成的高位體系域這一經典設定或重新解釋高位體系域。

4.4 沉積層序與成因層序、R-T(或T-R)層序邊界統一

在目前層序地層學各個流派劃分方案基礎上,成因層序只能按照最大水泛面將下伏層序的HST+上覆層序的FSST-LST-TST跨沉積層序而劃分,T-R層序則按照海侵海退旋回將TST(下伏沉積層序)和HST(下伏沉積層序)-FSST(上覆層序)-LST(上覆層序)分別歸為T、R部分,也只能跨沉積層序。沉積層序與成因層序、T-R層序之間的邊界差異,如果維持現狀,顯得層序地層學與眾不同。本文研究表明,去掉HNR及其形成的HST這一設定之后,成因層序可以按照最大水泛面將一個層序的FSST-LST-TST全部歸為一個成因層序(所不同的是以殘留最大水泛面RMFS及其相對應的地面不整合面CSU為界);改T-R層序為R-T層序,同一層序的FSST-LST和TST分別對應R、T半旋回。從而使得沉積層序、成因層序、R-T(或T-R)層序具有統一的層序邊界,在同一層序內部進行三類層序對比借鑒研究,有利于層序地層學進一步發展。

可以預見的將來,層序地層學仍然有很大的拓展空間。本文作者相信 Helland-Hansen[27]不易過早“冰封”層序地層學術語的預言。

5 結論

(1)證明現行四分層序地層模式存在岸線跡線非周期性,具體表現為岸線處側向海陸遷移不具有周期性,是由于高位正常海退設定不合理造成的。具體表現為岸線基線垂向升降(基準面變化)1周期對應岸線跡線側向遷移1+1/6周期,因此建議廢除高位正常海退其形成的高位體系域或重新解釋高位體系域,以便解決岸線跡線非周期性問題。

(2)廢除高位正常海退之后,沉積層序自下而上包括下降期體系域(FSST)、低位體系域(LST)、海侵體系域(TST)。

(3)調整后的沉積層序與成因層序、R-T層序具有統一的層序邊界——以殘留最大水泛面RMFS及其相對應的地面不整合面CSU為界,它們的單元對應關系實現在同一沉積層序內部達到一致,而非原先的跨越兩個沉積層序。

說明:這句話也是為進一步研究留下余地。

致謝 本文作者真誠地感謝外審專家及其提出的寶貴意見;特別感謝《Sedimentary Geology》前主編C.R.Fielding教授、《Earth-Science Reviews》主編A.D.Miall教授、《Sedimentary Geology》現主編 G.J.Weltje教授在論文觀點形成過程中給予的討論和幫助;感謝鄧宏文、吳沖龍、解習農、吳因業、梅廉夫、莊新國、王華、焦養泉等教授和張夏林博士給予的幫助和關照。

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Adjustment to Non-Periodicity and Sequence Boundary in Four-Divided M odel of Sequence Stratigraphy

LIShao-hu1,2JIA Li-chun3
(1.Faculty of Earth Resources,China University of Geosciences,W uhan 430074; 2.Key Laboratory of Tectonics and Petroleum Resources(China University of GeosciencesW uhan),M inistry of Education,W uhan 430074; 3.Shanxi Third Geology Engineering Investigation Institute,Yuci,Shanxi030600)

Based on illustrating chrono-sequence framework,this article has proved the existence of non-periodicity of shoreline trajectory within four-dividedmodel in current sequence stratigraphy,presenting one vertical periodicity corresponding to one and one-sixth of lateral periodicities due to the unreasonably assigned highstand normal regression.Authors of this article suggest that the terms of highstand normal regression(HNR)and previous highstand systems tract HST formed during HNR should be abolished or re-interpreted.Depositional sequence has been adjusted as bounded by remnantmaximum flooding surfaces(RMFS)and their correlative subaerial unconformities(CSU),and is composed of falling stage,lowstand,transgressive systems tracts upwards,i.e。,FSST-LST-TST superposition.At the same time,this paper has united the boundaries between depositional sequence,genetic sequence and R-T sequence on the basis of abolishing highstand normal regression and previously assigned highstand systems tract to avoid that genetic sequence and T-R sequence span two depositional sequences.

sequence stratigraphy;remnantmaximum flooding surface;correlative subaerial unconformity;abolishing the previous highstand normal regression;R-T sequence

李紹虎 男 1964年出生 博士 副教授 沉積學 三維可視化 E-mail:ShaoHuLi@cug.edu.cn

P539.2

A

1000-0550(2011)01-0105-13

2009-12-10;收修改稿日期:2010-01-12