基于沉积模拟的总可容空间定量分析

Quantitative analysis of total accommodation space based on sedimentary simulation

摘要

为了解决可容空间控制因素多、定量分析难的问题,在沉积过程中为沉积物提供可容空间的因素总结归纳为总可容空间,将影响总可容空间的多种因素总结为初始地形、全球(绝对)海平面变化和总沉降3种主控因素。基于总可容空间的提供量和充填量相符原则,建立了初始地形、全球海平面变化和总沉降与沉积厚度、水深的定量关系;分析了可容空间主控因素对地层结构的影响,提出了总可容空间定量分析方法。总可容空间定量分析不仅可以计算总沉降,降低了三维沉积参数的恢复和表征难度,保障了沉积正、反演过程中提供的总可容空间量符合预期,还可以建立主控因素之间的定量关系,快速恢复合理的地层沉积参数,有利于沉积模型的建立。该研究不仅对可容空间主控因素之间的定量关系有着更直观的认识,还为定量研究有效可容空间奠定了基础。

关键词

初始地形 / 全球海平面变化 / 总沉降 / 可容空间 / 沉积过程模拟

Key words

initial topography / eustatic change / total subsidence / accommodation space / sedimentary process simulation

0 引言

可容空间不仅为沉积物提供了沉积场所,还决定了沉积体的几何分布形态,其变化控制着沉积体的形成和演化,是定量沉积学的核心理论基础^[1-2];建立可容空间主控因素间的定量关系有利于合理恢复地层沉积时的环境,有助于地层沉积过程的研究^[3-4]。

可容空间具有主控因素多、因素间关系复杂和定量分析难等特点。传统的可容空间分析方法主要有两种。一是定性描述法,主要通过分析地层记录,描述可容空间的变化及其对应的层序地层响应和沉积演化过程^[5]。定性描述方法易受主观影响而产生多解性,且无法应用到定量分析中。二是间接定量分析方法,主要是利用数理方法将基准面旋回信息从地层中提取出来,用基准面变化信息间接反映可容空间变化,如小波变换技术、Fischer方法和古地史恢复相对海平面变化^[6]。由于地层存在不完整性,地层记录的可容空间与实际的会有差异^[7]。实际的沉积参数是随时间连续的,但地层中保存的沉积参数并不一定连续^[8-9]。这就导致常规方法恢复的可容空间及其主控制因素(古地貌、构造沉降等)容易判断其合理性,但很难判断其定量的准确性,尤其是在沉积模拟中,常规方法恢复出的可容空间主控因素模拟出的结果往往不符合预期^[10]。

地层形成过程受到沉积时的初始地形、沉积物供给速率、海平面变化、水动力条件、气候、构造作用、沉积作用和搬运作用等多种复杂因素控制,尤其是碳酸盐岩形成过程还受生物-化学作用的影响。为了便于合理定量研究地层形成过程,按照便于定量、易求取、能全面概括各种因素且因素间相互独立的原则,将地层形成过程的因素归纳为总可容空间、总供给速率和搬运-沉积3部分。再将总可容空间的控制因素归纳总结为初始地形、全球海平面变化和总沉降3种主控因素。依据总可容空间的提供量和充填量相符原则,建立总可容空间主控因素与沉积厚度、水深的定量关系,从而达到合理定量分析总可容空间的目的。

1 可容空间分类及主控因素

1.1 可容空间分类

可容空间(Accommodation)的概念由Jervey(1988)在美国SEPM组织的“海平面变化——综合研究方法”研讨会上首次提出,指的是“位于基准面之下可供沉积物堆积的潜在空间”^[11]。可容空间按照形成时期可分为老(基础)可容空间和新增可容空间。老可容空间是指古地貌限制下未被沉积物充填的空间;新增可容空间是指在沉积的过程中新形成的空间。按照生物影响程度,可以分为物理可容空间和生态可容空间。物理可容空间主要是指受水动力条件主导和基准面控制下的潜在可容空间;而生态可容空间是指除了水动力条件外,还有生物-化学作用的影响,多用于碳酸盐岩相体系中^[12]。按照有无水体,可以分为水下可容空间和陆上可容空间^[13]。按照沉积过程,可以分为总可容空间和有效(瞬时)可容空间。总可容空间是在一段时间内提供给沉积物潜在充填的总空间,甚至在这段时间内沉积物可以不用充填满;有效可容空间是以一个相对于地表波状起伏、连续、略向盆地下倾的抽象连续势能面(非物理面)为基准面^[14],在沉积过程的某一时刻被沉积物优先充填的空间。

基于沉积过程的分类更有利于定量分析地层形成过程,在一段时间内的总可容空间主要来源于初始地形(古地貌)提供的基础可容空间,以及构造沉降和海平面变化等在这段时间内提供的新增可容空间。而有效可容空间因为强调某个时刻优先充填的空间,因此还受到沉积类型和搬运等因素影响。如在被动大陆边缘,碎屑岩一般优先充填地形低凹处,而碳酸盐岩的生物礁滩一般优先生长在地形高凸处^[15-16]。在斜坡或强水动力区域原本存在的可容空间,由于水动力、重力等搬运介质的存在,沉积物无法大量原地沉积,有效可容空间小于无搬运介质下的可容空间,甚至不存在有效可容空间。总可容空间主要概括了提供可容空间的因素,同样可以将控制沉积物产率的因素归纳为总供给速率(或总产率,用于表示碳酸盐工厂相关产率),影响沉积物搬运和沉积的因素可以总结为搬运-沉积。这样就可以地层形成过程的因素总结归纳为总可容空间、沉积物供给速率和搬运3部分,不仅能全面概括地层形成过程中的各种因素,而且因素之间相互独立,有利于沉积过程的定量分析。

1.2 总可容空间主控因素

总可容空间的影响因素主要有初始地形(古地貌)、全球(绝对)海平面变化、构造作用、压实作用、沉积物负荷引起的岩石圈均衡补偿作用和热力作用导致的岩石圈热胀冷缩作用等。而有效可容空间的主控因素除了上述总可容空间的主控因素外,还有沉积类型、沉积物供给速率、波浪和流体(水)动力的侵蚀、搬运作用等不易量化的因素^[17],导致有效可容空间在实际应用中很难直接量化,需要先定量分析总可容空间。为了便于定量分析总可容空间的主控因素,将影响地形升降的多种因素的结果作为一个因素:总沉降,这样总可容空间的主控因素可以分为初始地形、全球海平面变化和总沉降3部分。

初始地形是指某个沉积阶段的沉积界面,是下一个沉积阶段开始的界面,也是上一个沉积阶段结束的界面。初始地形和基础(老)可容空间密切相关,其地貌分布决定了早期可容空间的形态^[18]。

全球海平面变化是指海平面在全球规模上相对于一个固定基准面(例如地心)的高程变化,其变化的主要原始驱动力可能来自天文旋回^[19-20],具有和天文旋回类似的规律性,可以用函数定量表示^[21]。相对海平面变化是全球海平面变化、区域构造作用、沉积物供给速率等多种因素共同作用的结果。在基础地质分析中,相对海平面变化和沉积旋回具有较好的直接对应关系而应用较多,但其不是一个相对独立的主控因素,所以在定量分析沉积过程中会有诸多麻烦。如全球海平面下降、区域构造抬升和沉积物供给速率加大,都会造成相对海平面下降,分析其主控因素较难;同时也会影响区域构造的恢复精度^[22];相对海平面变化没有全球海平变化规律性强,定量恢复和表征难度大。因此全球海平面变化受到的影响因素少,相对独立,便于定量化表示,更有利于地层形成过程的主控因素分析^[23-24]。

总沉降是指除了初始地形、全球海平面变化以外,影响总可容空间的其他因素的综合,主要有构造作用、压实作用、沉积物负荷引起的岩石圈均衡补偿作用和热力作用导致的岩石圈热胀冷缩作用等。计算这些因素需要观测的数据较多,难度较大,但这些因素都可以使地形发生升降变化,因此将他们共同作用的结果作为一个综合因素,这样既全面考虑了他们的作用效果,也减少了因分别估算带来的误差累计。其中总沉降中的构造作用主要是指同沉积断裂及长期的裂陷作用,能使地形相对稳定沉降的构造作用可以视为差异沉降;而在短时间内,产生较大断距的断层,改变了沉积界面的形态,影响了此后的沉积地形,因此视为在那一时刻改变的初始地形。总沉降和全球海平面变化相互独立,可以单独控制总可容空间的变化^[25-26]。

2 可容空间主控因素定量分析

2.1 沉积充填理论

初始地形、全球海平面变化和总沉降均可为沉积物提供沉积空间,沉积物在沉积一段时间后,总可容空间的一部分被沉积物充填,剩余部分仍由水体占据,因此总可容空间在纵向上与沉积物的厚度和水体的深度有关。通过总可容空间的提供与充填情况,将三维问题转化为一维问题来阐述总可容空间的提供量和充填量之间的关系,其中井A、B为两个观测点。

(1)当只有初始地形提供总可容空间时,初始地形上的总可容空间在没有沉积物填充前是由水体占据,水越深则总可容空间越大(图1a)。经过一段时间(t),随着沉积物的逐渐充填,由初始地形提供的总可容空间一部分被沉积物占据,剩余部分仍被水体充填(图1b),这种关系可以表示为

(1) L₀-W₀=H+W_t

式中:L₀为初始全球海平面值;W₀为初始地形(海平面以下为负值,海平面以上为正值);L₀-W₀为初始相对水深;H为沉积物厚度;W_t为t时刻沉积界面的水深。

(2)当初始地形和全球海平面变化提供总可容空间时,全球海平面初始时刻为L₀(蓝色虚线),经过一段时间(t),全球海平面上升到L_t(蓝色实线),在总可容空间上部增加了空间量,且具有全局统一性。由初始地形和全球海平面变化提供的总可容空间一部分被沉积物占据,剩余部分仍被水体充填(图1c),这种关系可以表示为

(2) (L₀-W₀)+(L_t-L₀)=H+W_t

式中: L_t为t时刻的全球海平面值; L_t-L₀为t时间段内的全球海平面变化量。

(3)当初始地形、全球海平面变化和总沉降三者提供总可容空间时,地形向下沉降,在总可容空间下部增加了空间量。经过一段时间(t),初始地形在总沉降的作用下,由灰色虚线位置沉降到灰色实线位置,即总沉降量为灰色虚线到灰色实线的距离。总沉降采用了差异沉降,靠陆一侧的井A处沉降量小,靠盆地一侧的井B处沉降量大。由初始地形、海平面变化和总沉降提供的总可容空间一部分被沉积物占据,剩余部分被水体充填(图1d),这种关系可以表示为

(3) ( L_0 - W_0)+(L_t-L₀)-S=H+W_t

式中S为总沉降(向下沉降为负值,向上抬升为正值)。由初始地形、全球海平面变化和总沉降提供的总可容空间,在这段时间内除了被沉积物充填外,剩余部分还会被水体占据。

沉积物厚度和水深反映了总可容空间在一段时间内的充填量,在实际应用时可以从地质信息中获取,因此可以通过沉积充填量得到总可容空间,同时沉积厚度及其水深也被称为观测数据。而初始地形、全球海平面变化和总沉降为总可容空间的提供量,是地质工作中需要恢复的地质参数。当恢复出的总可容空间提供量等于沉积物和水体的充填量时,我们称提供的总可容空间量符合预期。

2.2 总可容空间主控因素对地层结构的影响

初始地形、总沉降和全球海平面变化均可为沉积物提供可容空间,在提供相同的总可容空间量时,其提供的方式不同,对地层结构的影响也不同。通过沉积模拟来反映不同主控因素在提供相同可容空间量时,对地层结构的影响方式及影响程度;反之,依据这些信息可以指导总可容空间主控因素的恢复。

基于沉积模拟软件建立了总可容空间主控因素对地层结构影响的理论测试模型(图2a,3b相同),总沉降设置为0.4 m/10 ka的均衡沉降,即530万年沉降212 m。全球海平面变化的旋回个数设置为2.25个(图3a)。在测试模型中提供的总可容空间量比所需的总可容空间量少50 m,缺少的总可容空间量分别由总可容空间的各主控因素提供,即观测点A、B处缺少的可容空间差异量均为50 m(观测柱高出海平面50 m)。

2.2.1 初始地形

总可容空间差异量由初始地形提供时,将初始地形整体下降50 m(图2b),沉积结束后,观测柱顶端到达海平面位置,此时提供的总可容空间量符合预期,但地层结构出现较大变化(图2b)。将初始地形下降50 m后,沉积初始时的相对水深也增加了50 m,导致初始地形上的沉积物供给速率降低,较低的沉积物供给速率和持续的总沉降最终导致整个台地被淹没。沉积物厚度大幅减小,水体占据大量可容空间(图2b)。

初始地形提供的可容空间和初始地貌的形态相关,在沉积过程中,初始地形对地层结构具有明显的控制作用,尤其是与其接触的上覆沉积层的控制作用更明显。因此在利用沉积厚度恢复古地貌时,除了需要考虑这段时间内的差异沉降,还需要考虑其上部的水深,尤其是深水沉积环境。在传统的古地貌恢复方法上配合沉积学方法,利用对水深敏感的相标志进一步限定其水深范围,降低其不确定性。

2.2.2 全球海平面变化

总可容空间差异量由全球海平面变化周期提供时,微调海平面变化周期,旋回个数由2.25变为2.5,这样海平面变化的L_t值由0 m(图3a)增加到50 m(图3c),在保持形态变化较小的基础上增加了海平面变化量。沉积结束后,观测柱的顶端到达海平面位置,此时提供的总可容空间量符合预期(图3d),但台地上部地层结构发生了变化;从地层结构看,由于海平面变化末期增加了0.25个上升半旋回(图3c),台地区上部沉积厚度对应增加了50 m(图3d),并且由陆向海方向,随着沉积物供给速率降低,沉积物厚度增加量也逐渐减少。除了海平面上升50 m导致新增加沉积厚度、地层结构外,原始地层结构基本未发生变化(图3d)。

总可容空间差异量由全球海平面变化幅度提供时,将海平面变化波动幅度由50 m增加到100 m,使海平面变化量增加50 m来提供总可容空间差异量(图3e)。沉积结束后,观测柱的顶端到达海平面位置,此时提供的总可容空间量符合预期。随着海平面变化波动幅度的增大,对应的沉积旋回波动幅度也会相应增大,对地层结构的影响较大(图3f)。

总可容空间差异量由海平面变化的基准值提供时,海平面变化曲线整体上移50 m,这样相对水深也增加了50 m,等效于将初始地形整体下降50 m对地层结构的影响(图2b)。

海平面变化和地层结构的变化具有很好的对应性,地层结构的影响程度取决于海平面变化程度。上述全球海平面变化既引起了总可容空间的变化,也引起了不同程度的地层结构的变化;若不影响总可容空间变化,只影响地层结构,则需要固定全球海平面变化的初始值与结束值,通过调节全球海平变化旋回数来实现(图4)。

在海平面波动幅度不变的情况下,随着海平面旋回个数的增加(图4a,c,e),沉积旋回个数也相应增加(图4b,d,f),总可容空间不变,沉积体的整体厚度和几何分布形态也基本不变。因此,在构造作用相对稳定区恢复全球海平面变化时,其旋回个数可以参考同级别沉积旋回个数。全球海平面变化和地层结构关系密切,一段时间内的海平面变化量主要影响总可容空间,而海平面变化的旋回性主要影响这段时间内的沉积旋回。

2.2.3 总沉降

总可容空间差异量由总沉降提供时,采用均衡沉降方式再沉降50 m,沉积结束后,观测柱的顶端到达海平面位置(图2c),此时提供的总可容空间量符合预期,且地层结构变化不大(图2c)。主要是由于总沉降发生在整个沉积过程中,在530万年内多增加50 m的总沉降量,每万年多沉降约0.1 m,则每万年多增加约0.1 m的可容空间,在过补偿沉积状态下,相当于每万年仅仅多增加了约0.1 m的沉积厚度,对地层结构的影响较小。

总沉降是总可容空间的主要提供者,在过补偿沉积状态下,一般与沉积厚度成正相关;在提供相同量的总可容空间时,对地层结构的影响较小。因此估算总沉降时,可以优先确定对地层结构敏感的总可容空间主控因素,再根据式(3)来计算总沉降量。

2.3 总供给速率对地层结构的影响

在总可容空间不变的情况下,将沉积物总供给速率减少至原来的0.5,小于可容空间的增加速率时,与原始模型(图5b)相比,整个台地被淹没(图5a),形成海侵退积型沉积序列。沉积物厚度减小,减小的部分被水体充填。将总供给速率增加至原来的1.5倍,大于可容空间的增加速率时,整个台地向海方向推进(图5c),形成海退进积型沉积序列。由于受到总可容空间的限制,台地处(A点)的沉积结构发生变化,但厚度并没有发生变化,而斜坡处(B点)向海方向推进明显。沉积物充填的空间增加,留给水体充填的空间减少,但总可容空间量保持不变。由此可以看出总供给速率决定着沉积物和水体的充填比例,而不影响总可容空间。同样地,沉积类型(碳酸盐岩和碎屑岩)也不影响总可容空间,不管是碎屑岩优先沉积低洼处,还是碳酸盐岩礁滩优先生长在正地貌处,优先沉积处沉积物厚度大,留给水体占据的空间就小,都只是影响了沉积处的沉积物和水体比例。同时也可以看出总供给速率并不是简单的沉积厚度和沉积时间的比值,还与总可容空间量和水深有关。

随着总供给速率的不断增加,沉积序列由海侵退积型变为海退进积型,对应的相对海平面变化也由上升变为下降。再次说明了总供给速率影响相对海平面变化和地层结构,但不影响总可容空间。因此在总可容空间先符合预期的情况下,再赋值合适的总供给速率,沉积体的厚度和几何形态才能符合预期。反之,先确定总可容空间,再依据沉积物厚度和其上部水深,可以更快速确定总供给速率。

综上所述,在总可容空间中将沉积物和其上部水体都作为总可容空间充填量后,可以建立总可容空间提供量与充填量之间的关系,总可容空间不受沉积类型、总供给速率和搬运等因素的影响,有利于建立总可容空间的定量关系。初始地形对其上覆地层结构影响最明显,因此在古地貌恢复的基础上结合沉积学方法,利用其上覆沉积物所反映的水深信息,可以降低初始地形恢复的不确定性。全球海平面在一段时间内的变化量主要影响总可容空间,其旋回个数与沉积旋回有较好的对应关系,可以用来指导全球海平面变化的恢复。总沉降是可容空间的主要提供者,且对地层结构的影响较小。总供给速率不影响可容空间,但决定着沉积物和水体的充填比例,因此这样归纳总结总可容空间及其主控因素,不仅避开了总供给速率的影响,还使总可容空间估算更加精确。

2.4 建立总可容空间主控因素间定量关系

在总可容空间的主控因素中,初始地形和全球海平面变化比较容易恢复,而总沉降量主要由构造作用、负荷作用和压实作用等组成,单独计算难度较大,且存在误差累计。在总可容空间主控因素中,提供总可容空间量相同的情况下,总沉降对地层结构影响最小。因此可以通过总可容空间提供量等于充填量的定量关系来计算总沉降量,由式(3)可得

(4) S=L_t-W₀-H-W_t

由式(4)可以看出,基于沉积厚度及其水深得到的总可容空间,减去初始地形和海平面变化提供的总可容空间,就是总沉降在这段时间内提供的可容空间,即这段时间内的总沉降量。其中沉积物厚度及其上部水深作为观测数据是已知量,这样就建立了总可容空间主控因素间的定量关系。利用总可容空间定量关系计算总沉降,使构造作用、负荷作用和压实作用等让地形发生升降变化的多种因素归纳为总沉降具有了可操作性,同时也确保了总可容空间的提供量符合充填所需量。总沉降计算的是一段时间内总的沉降量,因此这段时间内的沉降特征要尽可能相同,然后依据所需精度,合理选择时间跨度,分段计算总沉降量。

只有提供的总可容空间量符合预期,才能得到合理的地质模型,使沉积体整体厚度和几何分布形态符合实际地质特征。而通过式(4)计算的总沉降量可以确保提供的总可容空间符合预期。对于沉积体内部结构,可以通过微调可容空间主控因素来实现。在优化沉积体内部结构过程中,微调初始地形、全球海平变化等总可容空间主控因素,就可能造成总可容空间提供量与期望值不符。当其中一个主控因素多提供了总可容空间时,产生的总可容空间差异,可以通过减少等量的其他主控因素提供的总可容空间的方式,来维持总可容空间不变,这样既可以保障沉积体几何分布形态和厚度不变,又可以调整沉积体内部结构使其符合地质认识。基于提供相同量的总可容空间,总沉降对地层结构影响最小的认识,用总沉降来调整总可容空间差异量。这样总沉降对提供的总可容空间就有了“长退短补”的补偿作用,保障了提供的总可容空间符合预期,进而得到合理的地质正演模型。

建立总可容空间主控因素间定量关系,可以减少沉积参数恢复个数,初始地形和构造沉降属于三维(场)数据,恢复和表征难度较大。尤其是在沉积反演中,反演的参数个数有限,而初始地形和沉降是需要很多参数表征的沉积参数,从而限制了反演的性能和成功率。利用总可容空间主控因素间的定量关系计算总沉降,减少了总沉降的恢复。基础地质分析恢复出的古地貌和构造沉降等,一般只能通过是否符合地质认识来判断其合理性,而很难判断其精度。基于总可容空间的定量关系,评价古地貌、构造沉降和海平面变化提供的可容空间是否满足充填量。不仅可以判断初始地形和构造沉降恢复结果是否合理,在沉积正演模拟中还可以快速定量化表示,具有更高的精度。

由于过路不沉积、剥蚀等地质作用,地层只能记录部分沉积过程,基于地层恢复的沉积参数并不一定能完整反映沉积过程。因此需要利用沉积模拟反演技术,在沉积参数的不确定区间内优先找出符合沉积过程的最优参数组合。由于沉积参数共同决定了沉积过程,所以不确定的沉积参数理论上应该全部参与反演。在沉积参数不确定区间寻优过程中,通常会出现提供的总可容空间与预期不符(图6a)而影响反演效率。可以利用总可容空间主控因素间的定量关系来提高反演效率,反演过程中产生新的海平面变化、初始地形造成总可容空间发生变化时,让影响地层结构最小的总沉降不参与反演, 构建总沉降关于海平面变化量和初始地形变化量的函数。将海平面变化量和初始地形视为两个自变量,其不确定区间视为自变量的取值范围,总沉降视为因变量,沉积厚度及其上部水深作为观测数据视为常数。当海平面变化参数和初始地形参数在其不确定区间搜寻最优参数组合时,利用可容空间主控因素之间的定量关系来自动调整总沉降量,保障反演过程中总可容空间量不变。反演过程中的每一次沉积参数变化后的总可容空间都会符合预期(图6b),促进了反演参数向地质模型变好的方向取值(图6c),使反演系统带有一定的地质导向。这样,在反演参数个数有限的情况下,使需要多参数表征的总沉降既参与了反演,还保障了反演中每个模型提供的总可容空间符合预期,提高了反演效率和成功率。

3 实例应用

巴哈马滩是现代碳酸盐岩台地研究的圣地,经历巴哈马钻探、大洋钻探和深海钻探等钻探计划;具有丰富的研究资料,是探索、检验、验证地质科学及沉积模拟相关技术的理想之地。始新世至今的5.3 Ma是巴哈马滩碳酸盐岩台地形成的主要时期,也是本次模拟的时间段。在巴哈马大浅滩西侧斜坡处有一排垂直岸线的钻探井(图7),优选位于台地内的Unda井、台地边缘的Clino井、斜坡的1005井和盆地的1007井来控制台地垂直岸线分布的形态,通过沉积模拟该连井剖面来阐述可容空间的定量分析。以现在海平面为基准恢复全球海平面变化,其变化幅度参考了Haq曲线的变化幅度^[23],旋回个数参考了沉积旋回^[27],恢复出全球海平面变化初始值为-40 m,结束值为现今海平面值0 m(图8),则海平面变化量为40 m(表1)。

初始地形的恢复:由于巴哈马滩为构造相对稳定的现代碳酸盐岩台地,受到构造、压实等作用相对较弱,时间较短,因此以地震数据解释出来的构造面作为古地貌,利用现今的沉积相和对应的水深来标定模拟沉积相分类和恢复初始地形的水深。在现今沉积中,Unda井和Clino井的现今相对水深分别为6.7和7.6 m,处于台地区;1005井现今水深为352 m,处于斜坡底部斜坡相和盆地相过渡区;1007井相对水深为650 m,处于盆地区(表1)。因此,将盆地相和斜坡相的相对水深界限设置为350 m,斜坡和台地的界线为100 m。目的层古地貌的沉积相中,Unda井处于台地相,Clino井处于斜坡相,1005井和1007井处于盆地相,将二维连井剖面扩展为三维初始地形,在沉积模拟过程中校正初始地形,使其4口井都符合沉积相指示的深度(图9)。

由于始新世至今的构造运动相对较弱,可以认为这段时期的总沉降相对稳定,采用式(4)计算总沉降量S(表1),其中R为总沉降速率,是总沉降量和时间的比值,得到4口井的总沉降速率,通过这4点插值形成总沉降速率分布图(图10)。

通过计算总沉降量,使总可容空间提供量符合观测数据(表1);然后依据观测数据中的沉积厚度及其水深,调整总供给速率,使模拟的沉积体厚度符合井上资料。经过多次调整总供给速率, 4口井模拟的沉积厚度误差均低于0.5%(表2)。在总可容空间和总供给速率决定了沉积体的整体厚度和分布形态后,微调全球海平面变化和初始地形等影响沉积体内部结构的参数,由此产生的总可容空间变化可以用总可容空间主控因素间的定量关系量来调整,使沉积体的内部旋回和结构也符合观测数据。从沉积模拟结果和4口井资料对比来看,沉积物厚度和沉积旋回与井资料相符(图11)。

4 结论

(1)按照便于定量、易求取、概括全面、因素间相互独立的原则,将地层形成的因素归纳为总可容空间、总供给速率和搬运-沉积3部分。将一段时间内地形升降的结果作为一个综合因素——总沉降,这样不仅较全面地考虑了多种因素的作用效果,减少了因分别估算带来的累计误差,还可以将总可容空间的影响因素归纳为初始地形、全球海平面变化和总沉降3种主控因素。这样总可容空间不受沉积类型、总供给速率和搬运等因素影响,有利于总可容空间的定量分析。

(2)基于总可容空间的提供量和充填量相符的原则,建立了海平面变化量、水深变化量、总沉降量与沉积厚度及其上部水深之间的定量关系,分析了不同主控因素对地层结构的影响。在提供相同总可容空间时,总沉降对地层结构的影响最小,提出了利用总空间空间定量关系计算总沉降量的方法。降低了三维沉积参数的恢复和表征难度,提高了沉积反演效率和成功率,可以快速得到合理的地质模型。

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基金资助

中国科学院战略先导A项目子课题“深层碳酸盐岩油气储层地质建模”;(XDA14010204)

中国石化西北油田分公司科技部项目“塔北地区寒武系沉积结构模拟”(KJ202333)