基准面旋回及其伴随的可容纳空间变化的沉积动力学系统,控制着地层的结构与沉积 特征。为了进一步理解这一地层过程与沉积响应关系,Cross(1994)提出了沉积物体积 划分原理概念(volumetric partitioning)。沉积物体积划分系指在成因地层内沉积物被划分 成不同的相域过程,它是基准面升、降过程中,不同沉积环境内可容纳空间与沉积物供给 量之间关系的四维(空间+时间)动力学变化过程的状态与产物。因此,在讨论沉积物 体积划分原理时,首先要明确可容纳空间(A)和沉积物供给量(S)和沉积通量(D)几个非常重要的基本概念。
2.1.2.1 可容纳空间
所谓可容纳空间(A),泛指可供沉积物堆积的潜在空间(Jervery,1988),大多数学 者将其界定为位于基准面之下和地表之上的,可供沉积物充填的全部空间,因此,在基准 面旋回的升、降过程中可容纳空间与基准面变化存在着直接的因果关系,即当基准面处于 上升状态时可容纳空间逐渐加大,而当基准面处于下降状态时可容纳空间则逐渐减小,直 至基准面穿越地表进入侵蚀状态。然而,无论是基准面处于上升状态还是处在下降状态,在每一个时间域内的可容纳空间体积大小都控制了该时间域内可被堆积的沉积物最大量 值,也即在每一个特定的沉积环境中,某时间域堆积的沉积物最大量值不可逾越该时间域 沉积环境的可容纳空间体积。
2.1.2.2 沉积物供给量和沉积通量
所谓的沉积物供给量(S)和沉积通量(D),前者是指物源区能够供给可容纳空间 沉积物的潜在量值,后者是指在有效可容纳空间(所谓有效可容纳空间系指可容纳空间 中可被沉积物充填的那一部分空间,作者注)内沉积并被保存下来的沉积物堆积总量。物源区的沉积物供给量受到多种因素影响,包括母岩性质、气候和植被条件,以及物源区 的风化与搬运作用类型和构造抬升强度等,这些因素影响主要通过沉积物供给方式和供给 速率的变化来体现。而沉积区域的沉积速率作用主要受沉积盆地的性质、流域面积、搬运 距离、地形条件和河流的落差等因素影响,与基准面升、降控制的可容纳空间关系密切,并通过沉积堆积速率和堆积总量的变化来加以实现的。但在某一个时间域内,物源区供给 某一个可容纳空间的沉积物未必都能全部沉积下来,它取决于如下两个主要因素:
(1)沉积物搬运过程中的赋存状态
物源区供给的沉积物在搬运过程中有化学物质、胶体物质、碎屑物质和混合物质等多 种赋存状态,一般以碎屑物质的沉积速率更接近机械搬运的沉积物供给速率;
(2)沉积环境水动力条件
沉积环境水动力条件越强,细碎屑物质的搬运和溢出作用越强,被沉积环境截留的沉 积物也越粗、分选越好,而泥质含量则越低,对储层发育越有利。
(3)A/S比值
所谓的A/S比值系指可容纳空间(A)与沉积物供给量(S)之间的比值关系,这是 一个直接控制沉积物体积划分的关键因素,以如下3种情况为典型代表:
1)A/S<1:在A/S<1的条件下,由于沉积物的最大堆积体积不可逾越所在沉积环 境的可容纳空间的体积,因此,多余的沉积物,特别是碎屑物质将通过水体的搬运作用溢 出该沉积环境,从而产生有强烈充填和沉积相分异的进积作用,被可容纳空间截留的沉积 物粒度、分选性和泥质含量视沉积环境的水动力条件而定,能量越高,沉积物粒度越粗、分选性越好和泥质含量越低,如冲积扇、河流和三角洲沉积体系中向盆地方向连续进积延 伸的河道砂体。反之亦然,如泛滥平原以接受溢出堤岸的泥、粉砂质漫滩的广泛沉积 为主;
2)A/S=1:在A/S=1的条件下,由于沉积物的供给量与可容纳空间体积平衡,理 论上,所有沉积物都将被所在的沉积环境完全接纳,由于沉积环境水深和能量条件很稳 定,因而以产生缺乏沉积环境变迁和沉积相分异的加积作用为主,被截留的沉积物粒度、分选性和泥质含量变化虽然仍取决于沉积环境的水动力条件,但沉积韵律结构的变化则取 决于非基准面升、降因素控制的地层自旋回过程;
3)A/S>1:在A/S>1的条件下,由于沉积物的供给量小于可容纳空间体积,以产 生沉积环境处于水深持续加大、能量减弱的退积作用为主,被截留的沉积物出现粒度变 细、分选性变差和泥质含量连续增多的变化。
(4)地层堆积样式
综上所述,沉积物体积划分是一个重要的概念,因为体积划分直接伴随着有效可容纳 空间位置的迁移,及其由有效可容纳空间迁移所控制的原始地貌形态保存程度、沉积物厚 度、沉积层序的内部结构,以及诸多此类的沉积学和地层学响应特征(图2-3)。在不同 相域的地层旋回中,伴随着有效可容纳空间的迁移,滨岸或以水道化砂为主的三角洲沉积 体系出现完全不同的沉积体积划分过程和地层堆积样式:如在滨岸或三角洲沉积体系的基 准面下降半旋回相域期间,伴随基准面下降和有效可容纳空间向盆地方向渐减小至沉积速 率与有效可容纳空间增加速率相等的位置为止,形成向盆地方向下超的进积序列(图2-4 中的EHST→LEHST),而向陆方向则出现基准面开始穿越地表的位置暴露区和侵蚀作用;又如在基准面上升半旋回相域期间,伴随有效可容纳空间向陆方向迁移和陆上有效可容纳 空间的逐渐增大,将大部分较粗粒的沉积物截留在陆上沉积区,从而形成滨岸或三角洲沉 积体系向陆上超向盆地迁移的进积到单一向陆上超加积→退积序列(图2-4中的LST→ TST→MFS)。由此可见,伴随基准面升、降变化的有效可容纳空间迁移和沉积体积划分与 分配的过程,控制了地层结构与堆积样式(stacking pattern)的沉积动力学系统,因此,在较长期的基准面旋回层序内,地层的堆积样式及其地理位置的迁移,与其在基准面旋回 中的位置密切相关(图2-4),其基本规律为:
图2-3 有效可容纳空间迁移导致沉积物体积划分的变化
1)向盆地方向迁移的强迫进积堆积样式(seaward-stepping),形成于较长期基准面旋 回的下降晚期至下降到最低点位置的时间段;
2)相继产生的垂向连续进积→加积的地层堆积样式(vertical-stepping),形成于基准面旋回上升的初始期至早、中期阶段;
图2-4 有效可容纳空间迁移导致成因地层堆积样式的变化
3)而向陆方向迁移的地层连续退积的堆积样式(landward-stepping),大部分出现在 基准面持续上升的晚期,并延续到最大海(或湖)泛期;
4)随之再度产生的加积地层出现在基准面上升达最高点位置后的下降早中期,也属 于最大洪泛期(或湖泛期、海泛期)发育的凝缩段范围。