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沉积相的概念及综合分类 1 沉积相的概念 一、沉积相的概念及相序定律 1．沉积相的概念 1）沉积相概念的由来 ◆ 人类自古以来就对大自然产生浓厚兴趣，其中包括构成地表美丽景观的裸露岩石（照片），它是怎样形成的呢 有的学者观察到了岩石中的岩熔流纹、严重的热烘烤等现象→皆火成说 贝壳等→认为岩石都是水中沉积下来的→水成说 并展开了两大学说的激烈争辩。当然争论的结果是目前公认的事实 地壳岩石既不都是火成的、也不都是水成的，而是既有火成的岩浆岩、又有水成的沉积岩、还有热变质的的变质岩。 ◆ 那末，水成的沉积岩又是怎样形成的呢为此，提出了相的概念 ● 相这一概念最早在1669年由丹麦地质学家斯丹诺（N.Steno）引入地质文献，并认为是在一定地质时期内 地表某一部分的 全貌。 强调了3个含义①某一地质历史中；┘ └② └ ③ 表示“时期“ 和阶段 ● 真正在沉积学领域赋予沉积相概念的是瑞士地质学家格列斯利Gressly,1838,他认为相是沉积物变化的总和，它表现为这种或那种岩性的、地质的、或古生物的差异。其强调的是沉积物特征的变化。 ● 自此之后，相的概念逐渐被地质界所接受，并开始流行，分歧也随之产生19’末叶，分歧渐深，出现不同的派别 一派认为相是地层的概念，甚至简单的把相看作‘地层单位的横向变化’ 另一派认为相即环境； 还有一派认为相是岩石特征或古生物特征的总和。 ● 塞利（Selly,1970）提出应从沉积岩体几何形态、岩石学特征、古生物特征、沉积物构造特征和古流向特征5个方面来限定相或沉积相。 由上可见，目前世界上大多数学者都趋向于把“相”理解为“沉积环境的古代产物”（Selley R.C. 1976）, 也即专指 环境的“物质表现”，这样比较接近它的原始涵义。 原苏联一些学者对于相的理解和术语的使用与上述不同。如任竹日尼科夫（1957）定义相乃是一定岩层（层）的生成和沉积环境，这个环境是根据岩性特征、生物化石、地球化学差异和其它特征推断出来的”。显然把相与沉积环境等同起来了。 鲁欣（1953）定义“相就是能表明沉积条件的岩性特征和古生物特征的有规律综合。因此，相是沉积物形成条件的物质表现”。 综上所述，存在2种观点 a. 相 即 沉积环境。 b. 多数学者认为相 是 沉积环境的“物质表现”。 2）沉积相的概念 ◆ 目前，被广泛接受的相定义为 不是2者之一，而是2者的综合 ↑ 相是沉积环境 及 在该环境中形成的沉积岩（物）特征的综合。 ↓ ↓ 由下述一系列环境条件（要素）所组成 包括 a. 自然地理条件包括海、陆、河、湖、沼泽、 a. 岩性特征（如岩石的颜色、 冰川、沙漠等的分布及地势的高低； 物质成分、结构、构造、岩 b. 气候条件包括气候的冷、热、干旱、潮湿； 石类型及其 组合） c. 构造条件包括大地构造背景及沉积盆地的 b. 古生物特征（如生物的种属、 隆起与拗陷； 数量 和 生态） d. 沉积介质的物理条件包括介质的性质 c. 地球化学特征。 如水、风、冰川、清水、浑水、浊流、运动方式 上述特征是相应各种环境条件 和 能量大小 以及 水介质的温度 和 深度； 的物质记录，即相标志。 e. 介质的地球化学条件包括介质的氧化还原 电位（Eh）、酸碱度（pH）以及 盐度。 应指出这些相指标在前面课 以上条件的综合即为沉积环境。 程都详细学过，在本课程重点 ↓怎么理解 是应用，即 冷、热、干旱、潮湿湖 a. 某沉积环境形成的沉积岩特征 湖环境 拗陷湖、断陷湖 具体是什么 水温、水深 b. 为什么能形成这些特征（机理） 淡水湖、盐湖 c. 怎样由这些沉积岩特征推出其 湖 → 拗陷型、潮湿气候、深水、淡水湖 沉积环境（医生看病、侦探破案） 断陷型、干旱气候、浅水、盐湖 ◆ 由此看出相概念中 沉积环境 和 沉积岩特征 这2大要素间的 辨证关系 是形成后者（沉积岩特征）的基本原因 乃是前者（沉积环境）发展变化的必然结果 是形成的决定因素 → ← 是物质表现 ↑ ↑ 沉积环境 沉积岩特征 ↓ ↓ 沉积环境中的 古地理条件 称为 古地理 沉积岩特征中的 岩性特征 称为 岩相 ◆ 与相的概念同时存在的还有 沉积相、岩相 等流行的术语。 在沉积学中，相 就是 沉积相，两者是同义语。 岩相 是 一定沉积环境中形成的岩石或岩石组合，它是沉积相的主要组成部分。 关系岩相 和 沉积相 是 从属关系，而不是 同义关系。为突出 把“岩相”和“古地理”联系起来，以表示沉积相中最重要和最本质的内容。 2．相序定律 ◆ 由普通地质学我们知道地质历史时期中，沉积环境不是一成不变的，而是变化的，甚至沧桑剧变，如约6000万年前老第三系始新世晚期因印度板块向北俯冲于亚洲大陆板块之下而发生喜马拉雅运动，使喜马拉雅海槽褶皱成山，并形成今天高达8848m的世界屋脊。 那么，在地质历史时期，沉积环境的演变会造成相在空间分布上有何规律呢 ● 相序是指从 一种相 逐渐过渡到 另外一种相的一系列相的关系或 相的有序组合。 大量事实证实沉积相在时间上和空间上发展变化是有序的，并遵从 相序定律（或沃尔索相律Walther,1894、相序连续性原理、相序递变规律）是指 只有那些没有间断的，现在能看到的相互邻接的相和相区，才能重叠在一起。 └→ 横向上连续、垂向上连续 └→垂向叠加 换句话说只有在横向上成因相近且紧密相邻而发育的相，才能在垂向上依次叠覆出现而没有间断（p230 图16－1） 。 ● 相序定律具有重要的实际意义 反向考虑相序定律得到 在整个 垂向 沉积层序中产生的 相，是在 横向相邻 的 沉积环境 中 形成 的。 同时，垂向接触的相必须是地理上相邻环境的产物，且垂向序列中没有明显的间断。 └→即横向上（同一时期的平面上） ┌→地层不整合；断层 即在没有地层缺失的情况下，同点不同时间形成的垂向相序反映了该区同一时间的平面相序。 意义油气勘探与开发大多在覆盖盆地，钻井是了解地下地质体的最重要手段，但钻井成本昂贵（2000m井400～500万，塔里木4000～5000m井要2000～3000万），如何用最少的井获取最多的地质信息与规律是地质工作者的责任和永远的研究课题，这也是沉积相要解决的主要问题之一。 用相序定律，可由少量几口井 甚至 1口井（多媒体），初步 推断或确定 a. 该区沉积相的 垂向演化 及 规律； b. 某时期的 沉积相平面格架； c. 相序定律为人们利用 现代沉积环境特征 去研究 古代沉积物垂向序列 提供了良好的比较沉积学基本原理。 └→ 多为平面（同时横向） ◆ 相模式以相序递变规律为基础，以现代沉积环境和沉积物特征的研究为依据，从大量的研究实例中，对沉积相的发育和演化加以高度的概括，归纳出带有普遍意义的沉积相的空间组合形式，称为“相模式”。 是 恢复 和 再现 古代沉积环境的 两个重要手段 和 钥匙 。 相模式 相标志 通过 相的成因标志 和 时空分布 恢复沉积物的形成环境，即为“相分析”或环境分析。 沉积模式或相模式 就是根据现代沉积环境及古代沉积相研究，对古代沉积作用机理所做出的一种成因解释模式。 沃克（Walker,1976）认为，沉积模式 就是“删去其地方性的细节，而保留其纯粹本质的东西”。 所以，沉积模式 就是对沉积环境 及其沉积产物、沉积过程的高度概括，它应具有广泛的概括性 和 代表性。 ● 沃克（Walker,1976）认为，标准相模式应起到以下四个方面的作用 1） 从比较的目的来说，它必须起到一个标准的作用； └→这段地层是不是河流相看是否符合标准河流相模式。 2） 对于进一步观察来说，它必须起到 提纲 和 指南的作用； └→确定为河流相，a. 应存在河床、堤岸、河漫亚相； b. 其空间组合关系为 c. 应具有沉积特征 3） 对于新的研究区来说，它必须起到 预测 的作用； └→仅少量井确定是河流相，可预测河道呈条带状、方向、宽度、厚度等。 4） 对于所代表的环境或系统的水力学解释来说，它必须起一个基础的作用。 └→但都，其曲流环背景及水力学基本特征相似，其皆形成向上变细序列，尽管不同曲流河点坝的参数（宽、深、曲率、水动力）不同。 ● 沉积相模式表示方法（Reading，H.G，1978） 1）直接模式（visual models） 直观地表示出 沉积环境 以简化的图式 沉积作用 之间的复杂关系。 最终沉积产物 （p244曲流河模式） 2）实际模式（actual models） 以 现代具有代表性的地区 或 古代沉积岩层的相序 为基础 而建立的模式。 （密西西比河沉积模式） 。 3）动态模式（dynamic models） 能表示形成特征沉积体的沉积作用全过程的沉积模式，如曲流河点坝向上变细序列模式。 4）静态模式（static models） 表示在一个特定时间的沉积层内沉积环境特征和 沉积物的相变规律，该模式能 预测物源区位置和古沉积环境。松南 5）比拟试验模式（scaled experimental models）以 模拟实验获得的沉积特征 为基础而 制作的沉积模式。水槽实验模式 。 6）数学模式（mathematical models） 以 数学方法 模拟 复杂的地质作用过程 的模式。 二、沉积相序的研究方法 将 复杂地层序列 简化为 能够反映沉积物沉积规律的简单形式，即沉积相模式，对 沉积环境 和 古地理恢复 均是 十分有意义的。 即极复杂的岩性序列→ 沉积相序→ 多种相演化序列→ 主要相演化序列 （逐级简化）（配图） 河流→三角洲→深湖 河流→三角洲→深湖 河流→三角洲→深湖 1．沉积相序列分析法 即对地层剖面中的各种沉积相标志及其组合进行归纳总结，逻辑性确定出一种简化的沉积序列。 是最常用的方法。而不同学者思维方式和观察侧重点的差异，有时对同一地层剖面会归纳出不同的沉积序列，应用科学方法确定相序。统计学为此开辟了一条新路，并特别适于建立具丰富沉积标志的韵律性地层剖面的沉积相序. 2. 马尔柯夫链法在建立沉积相序中的应用 1）定相、建‘相变关系图’ 仔细分析所观察的地层（或岩心）剖面→据各种相标志，确定具不同沉积特征的相及其相互关系→建立相变关系图（图16-2）→说明相变规律。 └→SS,A,B,C,D,E,F,G └→SS→A,SS→B,SS→C, └→突变→；渐变→ 2）求观察相变概率Pij 统计出相变总数及某种相变为另一种相的次数（相变数）→建立相变数矩阵（表16-1（一））→据马尔柯夫链矩阵定义，i相转变为j相的概率Pij为 Pij＝ （16－1） 式中N 相变总数； i相转变为j相的次数； M i相转变为j，j1，j2，相的总次数。（i相转变为1，2，，M 相的相数。） →据式（16－1），求出实际观察的相变概率（表16-1（二））。 3）求随机序列的相变概率rij 据所有相变均是随机的假设，求出随机序列的相变概率rij （表16-1（三）），即 rij＝ （16－2） 式中， i,j相出现的次数； N 相变总次数。 式（16－2）既适于连续相序，又适于含有断层以及被掩盖部分层段的相序。 4）求观察相变概率与随机相变概率的差矩阵（Pij－rij）（表16-1（四）） 显然，（Pij－rij）∈［－1，1 ］ ＞0 观察到的相变 比 随机相变 常见 （Pij－rij） ＜0 观察到的相变 比 随机相变 少见 5）选取“门坎值”、做简化相序图 选取观察与随机相变概率差值为正值的某数 为门坎值，舍去“差值＜门坎值”的实际观察相变，做出“差值＞门坎值”的简化相序图（图16-3）。 6）做反映地层剖面沉积规律的沉积序列 据5）简化相序图中表示的相变次序以及相之间接触关系，考虑地层厚度，即可做出反映地层剖面沉积规律的沉积序列。 意义实际得到岩相规则排列时的优选相关系，即 a. 当已知地层剖面某位置的相类型时，可据此推测出向上（或向下）最可能出现的相类型。 野外地层剖面掩覆部分 在 井点断层断失部分 的相类型预测或确定 剖面相类型难定部分 b．确定地层剖面中最主要的相变序列。 16-2 沉积相综合分类 ◆ 沉积相可据沉积岩原始物质的不同，分为 主 要 物 质 沉积介质特征 岩 性 碎屑岩沉积相 砂、粉砂、粘土等碎屑物质为主 浑水 碎屑岩为主 碳酸盐岩沉积相化学溶解物质（尤以碳酸盐物质） 清水 碳酸盐岩为主 该课程也是把两类沉积相分开，2～8为碎屑岩沉积相，9～12为碳酸盐岩沉积相。 ◆（碎屑岩）沉积相的分类原则应依据自然地理条件或地貌特征及沉积物综合特征，并遵循简单易行、便于记忆和理解的原则，对沉积相进行划分。 ◆沉积相的分类 目前，尽管不同学者对沉积相划分还存在着意见及分歧，但人们总是 ● 先将沉积相分成三个相组→即陆相组、海相组、海陆过渡相组； ● 然后据陆相、海相和海陆交互相中的 次级环境及沉积物特征，确定相类型（下表）； ● 进而，还可据各相类型中亚环境、微环境及沉积物特征，确定出相应的沉积亚相和微相。将在各章节中介绍。 据此，通常将沉积相划分为 一级相 相 组 陆 相 组 海 相 组 海陆过渡相组 二级相 相 1 残积相 2 坡积－坠积相 3 山麓－洪积相 4 河流相 5 湖泊相 6 沼泽相 7 沙漠相 8 冰川相 1 滨岸相 2 浅海陆棚相 3 半深海相 4 深海相 1 三角洲相 2 泻湖相 3 障壁岛相 4 潮坪相 5 河口湾相 三级相 亚 相 如三角洲相→三角洲分流平原、三角洲前缘、前三角洲亚相 四级相 微 相 三角洲前缘亚相→水下分支河道、水下天然堤、支流间湾、分支河口砂坝、远砂坝、三角洲前缘席状砂等微相 五级相 岩石相 （沉积构造＋岩性）大型槽状层理细砂岩相； 对沉积相的划分，目前各家尚无统一的意见。 1．有人（刘宝君，1980）将泻湖、障壁岛、潮坪相作为有障壁的海岸相归于海相组， 也有人将滨岸相和泻湖、障壁岛、潮坪相一起归于海陆过渡相组。 这里将考虑到环境的水动力状况及沉积特征上的差异，将滨岸相归于海相组，把泻湖、障壁岛、潮坪相归于海陆过渡相组。 2．在某些相内，不同学者的亚相、微相划分或名称也有些差异。这在大家阅读不同的书籍、期刊时，会遇到。 如刘宝君将三角洲相分为顶积层、前缘斜坡和前三角洲亚环境，基本不再用。 注意这门课，以本教材为准，也是较普遍接受的沉积相分类。 16-3 沉积相的应用 一、沉积相在各领域中的应用 沉积学是地学中的基础学科，其在国民经济各个领域被广泛的应用，特别是在矿产领域，尤其是在油气勘探、开发领域。 1．在石油、天然气勘探、开发中的作用 可以说，是油气勘探、开发极大地推动了沉积学的快速发展，原因很简单，需求即油气勘探、开发非常需要并依赖沉积学解决其生产、科研中遇到的大量实际问题。在目前及未来更是如此。 1）在油气勘探中的应用 几个事实 a. 到目前为止，世界上发现的油气，99.9储存在沉积岩中，当然，沉积岩的主要特征受控于沉积相。 b. 盆地或区域物源分析、沉积相研究，可掌握生油层、储集层、盖层的分布及其空间组合→预测有利探区。 c. 我国经50年勘探，在老区易找大中型构造油藏的基本已找到， 没有了吗有但多为难找的、复杂的隐蔽油气藏，其中很大一部分是岩性油气藏， 岩性油藏在哪里（预测）→第一口探井往哪部（部署）→第一口探井发现油藏后，第二三口探井往哪部（油藏分布）因为岩性控制的油层往往变化很快图。→都直接取决于岩性的分布、规模、特征等→受控于沉积相。 d. 用现有资料，作出相对最好的预测 如第一口探井钻遇5.6m油砂 （图） 非地质人员眼中仅仅是5.6m油砂，在没有别的了 沉积学工作者眼中① 5.6m油砂；② 是河流相－曲流河砂体；③ 油层呈条带状；④ 油层宽度约800－1500m；⑤ 砂体可能呈北东向延伸；⑥ 下口探井应在该井北东向1.5km处。 仅仅从以上4个方面就可窥视沉积相在油气勘探中的重要作用。 2）在油气田开发中的应用 a. 在开发早中期，为了解开发动态、注入剂驱油方向→井间砂体连通性及单砂体分布→沉积微相研究。 b. 在开发中期，为掌握注入剂驱油特征（面积、范围、方向、效率）及剩余油分布→油层的非均质性，其本质取决于→沉积微相。 c. 开发后期，剩余油分布极为复杂，其化学驱、三次采油更离不开沉积微相。 总之，（勘探）油气的生成、运移、聚集、成藏主要发生在沉积岩中； （开发）油气的渗流、注入剂驱油全过程、剩余油的形成与分布皆发生在储油层内，而储油层的地质特征对上述开发过程具有重要影响，绝大多数储层为沉积岩（砂岩、碳酸盐岩）。 而沉积岩的主要沉积特征（形态、规模、分布、组合、主要岩性特征等）→严格受控于沉积相，因此说，沉积相在油气勘探、开发中具重要作用，且越来越重要（隐蔽油藏勘探、油田后期开发），是其最重要的基础之一。 2．其它矿产 1） 煤炭煤层本身就是沉积岩，其形态、规模、分布、组合、主要岩性特征等主要受沉积相控制。 2）盐岩、石膏等蒸发岩矿本身就是沉积岩 3）冶金铁、锰、铝、磷、铜等金属矿许多在沉积岩中。 4）其它地热许多情况下，其热能以热水、汽等形式储存在沉积岩中，其勘探、开发，需掌握储热层的沉积相。 3．自然地理、地貌－黄河三角洲 用地质学的观点，过去－今后几十万年，只是第四纪正在经历的一个瞬间，今天的自然地理、地貌、现代沉积就是未来第四纪的古地理、古地貌、沉积相，从这个意义上讲，今天的现代沉积为我们提供了一个广泛、全面的、巨大的、天然实验室。（图） 4．旅游－大耳朵、桂林、三峡、 无论从卫星照片上的罗布泊“大耳朵”、到航空照片上的美国“大峡谷”、秀美的“桂林喀斯特地貌”景观，都是在现代沉积环境，或古代沉积环境产物（沉积岩）在近代环境下的各种地质作用下形成的。（图） 5．考古 许多人类灿烂的古代文明保存在第四纪沉积环境形成的沉积物中。 6．灾害－滑坡、江河水灾、沙漠化、 许多与现代沉积环境密切相关，许多就是典型的现代沉积环境中的现代沉积。 7．土壤与农业经济 绝大多数现代土壤的基础是 近代沉积环境下的沉积物（现代沉积区），或古代岩石的近代风化产物（近代剥蚀区）。 二、怎样学好沉积相 沉积相研究的直接目的→恢复古沉积环境、研究沉积岩形成机制→从沉积岩形成角度，认识沉积岩的本质与内在规律→从而对沉积岩进行更准确地认识、解释、预测、深层次剖析等→更好地服务于油气勘探与开发。 1．问题古代沉积环境、沉积过程不可能看到，甚至连其产物（沉积岩）看到的也仅是沧海一粟（几～上百km2面积仅直径十几cm的岩心，即使300m井网的开发井井井取心，其仅是3.14*0.22/30021.410－6，因此，其面积比为10－6～10－9）。怎么研究 方法需用“将今论古”的现实主义原则和比较沉积学方法 即以现代自然地理面貌等环境条件和沉积特征作借鉴，进行比较和推断。诚然，古今地理、环境不尽相同，“将今论古”不能生搬硬套，但其总轮廓、总特征有许多共同之处，故该方法在一定条件下仍不失为一较有效方法。 2. 问题掌握各相、亚相、微相的沉积特征是沉积相的基本要求之一，但这么多相难记，且很易混淆，怎么记 方法但应避免死记硬背，而应由该相形成机制去理解沉积特征，即掌握了其本质，又易记住其特征。 └→且几方面是固定的 3. 应学会综合确定沉积相没有哪一沉积特征能唯一地确定某种沉积相；某些相的某些沉积特征具有相似性，对初学者造成“学完后，每个相具有什么特征很清楚；但把岩心摆在面前，就是定不出相来”，为此，学习时应 1） 清楚而准确地知道各相－微相的沉积特征，特别是典型沉积特征； 2） 学会区分不同相的差异、及相似处； 3） 学会综合各类沉积特征、区域沉积背景、垂向相序等综合定相。 4．除此之外，还应 1）浓厚的兴趣； 2 活跃的思维、丰富的想象力； 3 良好的岩石学基础 4）学时少情况下充分利用好课上时间 ◆ 本课应掌握 1. 每一种沉积相的相级次、类型、沉积特征、形成机制； 2. 相关系空间相组合、成因联系、区别； 3. 相分析的思路、方法最终会综合相识别与分析； 4. 应用主要在油气； 三、主要参考文献 一）教材 赵澄林，朱筱敏主编.沉积岩石学（第三版，16～27）.北京石油工业出版社，2001 二）参考书 1*. 冯增昭主编.沉积岩石学（第二版、下册20～25）.北京石油工业出版社，1993 （22 碎屑岩岩相古地理研究 25 沉积作用的控制因素） 2. 华东石油学院岩矿教研室. 沉积岩石学（下册19～24）.北京石油工业出版社，1982 3*．孙永传，李惠生编.碎屑岩沉积相和沉积环境. 北京地质出版社，1986 4．刘宝 君主编.沉积岩石学12～16.北京地质出版社，1980 13 沉积环境的识别标志 5. 何起祥编.沉积岩和沉积矿床10～13.北京地质出版社，1980 10 物源分析 11 古水流分析 12 恢复沉积环境的环境参数法 6. 吴崇筠，薛叔浩等著. 中国含油气盆地沉积学. 北京石油工业出版社，1992 （中国各沉积盆地沉积相） 7．［美］W.E.盖洛韦，D.K.霍布德著.陆源碎屑沉积体系在石油、煤和铀勘探中的应用. 北京石油工业出版社，1989 8.［西德］H.E.赖内克，［印度］I.B.辛格著.陆源碎屑沉积环境. 北京石油工业出版社，1979 9. H.G.Reading.Sedimentary EnvironmentsProcesses,Facies and Stratigraphy Third edition.Blackwell Scientific Publications,1996 三）国内期刊 1. 沉积学报 2. 地质学报 3. 石油学报 4. 石油勘探与开发 5．其它 四）国外期刊 1． Journal of Sedimentary Research 2． Sedimentology 3． Sedimentary Geology 4． The American Association of Petroleum GeologistsAAPG 5． Earth Science Review 思考题 1．沉积相的概念