1.5. Сиквенс-стратиграфический анализ

Сиквенс-стратиграфический анализ зародился в недрах сейсмостратиграфического метода, как некое его усовершенствование, приспособленное для более детального описания внутренней структуры слоевых ассоциаций. На начальных этапах он использовался исключительно в прикладных целях для прогнозной оценки распределения в разрезе коллекторов и покрышек. В настоящее время он приобрел статус нового научного направления, за которым закрепилось название «сиквенс-стратиграфия».

Целью этого метода является создание модели седиментации. Объектом изучения служат циклически построенные слоевые ассоциации, структурные связи которых обусловлены относительными изменениями уровня моря. Основные задачи, решаемые с помощью сиквенс-стратиграфии, включают / 9 /: 1) прогнозирование распределения коллекторов и покрышек внутри седиментационных тел; 2) установление факторов, которые влияют на ход осадконакопления, и выяснение их роли в формировании системных подразделений осадочного чехла; 3) определение абсолютной величины скорости подъема (понижения) уровня седиментационного равновесия в осадочном бассейне и эвстатических колебаний уровня Мирового океана; 4) определение абсолютной величины скорости и направления вектора тектонических движений в областях осадконакопления и питания; 5) определение путей переноса терригенного материала и скорости седиментации.

В основе сиквенс-стратиграфии изначально лежало представление о том, что цикличность осадочных толщ напрямую связана с эвстатическими колебаниями. Концепция эвстазии в осадочной геологии является одной из наиболее популярных при объяснении механизма формирования несогласных поверхностей в стратиграфических разрезах. Интерес к эвстазии особенно возрос с момента публикации специалистами компании Экссон концепции сиквенс-стратиграфии и эвстатической кривой для мезо-кайнозойского интервала / 65, 81 /. Эта кривая, построенная на материалах по пассивной окраине Северной Атлантики, в полной мере отражает эвстатический эффект. Однако практическое использование этой кривой в других регионах выявило довольно частые случаи расхождения при корреляции хорошо документированных последовательностей, что вызвало существенную критику эвстатического механизма как универсального инструмента для глобальной корреляции. В настоящее время считается, что основным фактором, определяющим развитие бассейна, является изменение относительного уровня моря, которое контролируется эвстатикой, тектоникой и количеством привносимого осадочного материала.

Благодаря многочисленным исследованиям эвстатическая природа колебаний уровня моря уже доказана, по крайней мере, для неогена и квартера / 60, 74 /. Для этого временного интервала в качестве основных механизмов рассматриваются гляциоэвстатика и орбитальные факторы (циклы Миланковича). В мезозое же эвстатические изменения уровня моря установлены только на отдельных коротких интервалах / 78, 84 /.

Сейчас сиквенс-стратиграфическая методика нашла широчайшее применение при изучении осадочных бассейнов во всех регионах мира. Прослеживание сиквенсов по данным сейсморазведки, каротажа и изучения керна скважин, а также по наблюдениям в обнажениях позволяет создать детальную корреляционную схему, определить последовательную смену латеральных рядов фаций и воссоздать эволюцию осадочного бассейна или его крупных частей с достоверностью, превосходящей возможности других методов внутрибассейновой корреляции. Т.е. сиквенс-стратиграфия стала основой бассейнового анализа.

Схему процедур бассейнового анализа для интегрированной интерпретации палеогеографии и геологической истории на основе концепции сиквенс-стратиграфии предложил П.Вейл с соавторами / 91 /. Эта схема включает пять основных пунктов: 1) построение физического хроностратиграфического каркаса с интерпретацией сиквенсов, системных интервалов по обнажениям, скважинам и сейсмическим данным с биостратиграфическим датированием высокого разрешения; 2) конструирование кривых общего и тектонического погружения по границам сиквенсов; 3) полный тектоно-стратиграфический анализ, который включает: а) установление связи между главными трансгрессивно-регрессивными фациальными циклами и тектоническими событиями, б) то же между изменениями скорости тектонического погружения и плейт-тектоническими событиями, в) выявление причин несогласий, связанных с тектоникой, г) установление связи между магматизмом и кривой тектонического погружения, д) построение карты тектоно-стратиграфических единиц, е) выявление стиля и ориентации текстур в тектоно-стратиграфических единицах, ж) восстановление геологической истории осадочного бассейна; 4) определение осадочных систем и литофациальных рядов в системных интервалах, парасиквенсах и простых сиквенсах; 5) интерпретация палеогеографии, геологической истории и стратиграфической летописи по опорным разрезам, картам и хроностратиграфическим схемам.

Очевидно, что предложенная схема представляет программу-максимум, которая рассчитана для объектов, где возможен детальный биостратиграфический анализ и обоснованная корреляция разрезов. Во многих регионах неполнота стратиграфических разрезов и отсутствие данных для детальной хроностратиграфической корреляции не позволяют в полном объеме реализовать данную схему.

Исходя из представлений, развиваемых П.Вейлом и его соавторами, на примере бассейнов пассивных окраин континентов были разработаны основные принципы выделения сиквенсов, критерии определения их внешних и внутренних границ, а также предложена детально проработанная технология сиквенс-стратиграфического анализа и терминология.

Главным критерием выделения сиквенсов служит специфический рисунок соотношения поверхностей напластования, который позволяет установить генетическую природу элементарной осадочной системы (непрерывной последовательности) и на этом основании доказать ее принадлежность к комплексу низкого стояния уровня моря, трансгрессии и высокого стояния. При этом подчеркивается, что для выделения сиквенсов разрезы отдельных обнажений и скважин мало пригодны. Необходимо иметь, как минимум, протяженные сейсмические разрезы, а лучше сеть региональных сейсмостратиграфических разрезов. Кроме того, необходимо чтобы сейсмические профили располагались в пределах бассейнов некомпенсированного осадконакопления и пересекали морфологически выраженные в рельефе его дна зоны: бровку аккумулятивного шельфа либо бровку уступа конуса дельты. Не менее важно, чтобы анализируемая часть разреза не была нарушена постседиментационными деформациями и размывами, либо эти нарушения были слабыми, что позволяет провести реконструкцию разреза.

Сиквенс – это элементарная осадочная система, целостная их совокупность, генетически связанная цикличностью колебаний уровня моря. Она формируется в течение интервала времени, необходимого для восстановления профиля эрозионно-денудационного равновесия, нарушенного тектоническими либо эвстатическими процессами. Сиквенсы как осадочные системы ограничены перерывами в осадконакоплении, поверхностями эрозионных несогласий и коррелятными им согласными границами. В краевой части бассейна эти поверхности несогласий отвечают перерывам, связанным с эрозией и размывом подстилающих толщ, а в центральных частях – с недостатком седиментационного материала / 9 /.

Каждый сиквенс состоит из элементарных осадочных систем, именуемых трактами. Это трехмерные геологические тела, представляющие собой стратиграфически непрерывную последовательность напластований, генетически связанные единством времени и места образования. Тракты определяются своим положением внутри сиквенса, типом ограничивающих их поверхностей и внутренним строением слагающих их более дробных единиц – парасиквенсов. Выделяются тракты низкого уровня моря, трансгрессии, высокого уровня моря. Процесс формирования трактов происходит непрерывно, но неравномерно, поэтому тракт дискретен и состоит из парасиквенсов - определенного набора фаций, сменяющих друг друга по простиранию и в разрезе.

Обобщенная модель осадочных процессов, которые формируют смену последовательности трактов на краю бассейна, представляется следующим образом / 76 /.

Отложения тракта низкого уровня моря в общем случае могут быть представлены тремя отдельными фациальными единицами: конусами выноса, накопившимися на дне бассейна, на его склоне и/или осадочным клином, сформировавшимся за бровкой шельфа (рис. 8). Этот этап может сопровождаться образованием каньонов и аллювиальных русел на шельфе. Формирование конусов выноса на склоне и дне бассейна может происходить одновременно и совпадать с началом накопления осадочного клина. В кровле конуса слои залегают по типу подошвенного прилегания. Кровля конуса склона является поверхностью подошвенного прилегания для отложений средней и верхней частей клина низкого уровня моря.

Канал и намывной вал

Подводный каньон

Подводный конус выноса

Оползень

Лопасть конуса

Дельта

Барьерный бар

Переработанные прибрежные пески

Болото

ПС Сопротив-

ГК ление

Сейсмические модели

Сейсмические разрезы

Седиментационные разрезы

Рис. 8. Модель формирования составных частей сиквенсов, их каротажные и сейсмические характеристики / 76 /.

Осадочный клин низкого уровня моря характеризуется обычно аградационным типом осадконакопления с подошвенным налеганием на склоне. Формирование клина происходит во время медленного относительного подъема уровня моря.

Трансгрессивный тракт формирует седиментационный комплекс, составляющий среднюю часть сиквенса. В момент формирования поверхности максимального затопления накапливаются преимущественно литологически однородные толщи, обладающие наиболее выдержанными и динамически ярко выраженными сейсмическими горизонтами. Трансгрессивный тракт образуется при подъеме уровня моря над бровкой шельфа и седиментационно-береговым перегибом, примерно совпадающим с передовым дельтовым баром.

Тракт высокого уровня моря – верхний комплекс сиквенса, наиболее широко распространен на шельфе. В его строении участвуют один или серия аградационно наслоенных парасиквенсов, которые в направлении суши налегают на границу сиквенса, а в сторону бассейна прилегают к кровле трансгрессивного тракта или тракта низкого уровня моря.

Принято выделять два типа сиквенсов и соответственно два типа их границ. Сиквенс первого типа содержит нижний, трансгрессивный и верхний системные тракты. Его нижняя граница четкая и обусловлена значительным снижением относительного уровня моря, что приводит к субаэральному размыву шельфа и сдвигу седиментации в зашельфовую часть бассейна.

Сиквенс второго типа связан с замедлением скорости подъема относительного уровня моря и его стабилизацией и не сопровождается осушением шельфа и перемещением седиментационных потоков в зашельфовую часть бассейна. В связи с этим в сиквенсе отсутствует типичный тракт низкого стояния уровня моря. Вместо него при наиболее низком положении уровня моря формируется окраинно-шельфовый тракт, представленный пакетом парасиквенсов от проградационной до аградационной последовательности. Он мало отличается от нижележащего верхнего тракта подстилающего сиквенса, и граница между ними не всегда отчетлива.

В се рассмотренные осадочные комплексы сиквенса накапливаются в ходе единого циклического процесса, который определяет непрерывность осадконакопления. Любой значимый перерыв в осадконакоплении указывает на вероятную смену одного сиквенса на другой.

Методической основой сиквенс-стратиграфического анализа является комплексный подход, требующий синтеза геолого-геофизических данных (обнажение – скважина – временной разрез). Выполняется этот анализ после завершения сейсмостратиграфического исследования региона, в ходе которого выделены возрастные сейсмостратиграфические подразделения разных порядков. При определении природы сиквенс-стратиграфических подразделений особое внимание обращают на геологическую информацию о характере изменения литологического состава пород внутри элементарных осадочных систем (трактов). По этому признаку различают тракты, сложенные регрессивной, трансгрессивной и аградационной последовательностями.

При рассмотрении результатов литофациального расчленения разреза обнажений и скважин особое внимание уделяют текстурам, составу пород и ископаемым органическим остаткам, которые несут информацию об условиях среды осадконакопления. Очень важны различного рода показатели глубины бассейна осадконакопления. Для этих целей наиболее информативными принято считать данные о распространении различных групп беспозвоночных и водорослей.

Литологическая интерпретация трактов осадочных систем предусматривает совместное рассмотрение данных керна скважин и различных видов каротажа (ВСП, АК, РК, НГК, КС, ПС и др.) с результатами сиквенс-стратиграфической интерпретации сейсмических разрезов. Каротажные диаграммы несут информацию о фациальном составе отложений и их взаимоотношениях по вертикали, что дает возможность получить вертикальный ряд генетически связанных осадочных единиц и установить тип и характер седиментации.

Сиквенс-стратиграфический анализ осадочных бассейнов показал, что при всех типах седиментации обломочные фации размещаются в трактах низкого уровня моря / 9 /. Песчаные коллекторы присутствуют в пяти типах геологических тел: в конусах выноса котловины, турбидитах и конусах выноса склонов, в тыловых частях склоновых клиноформ, в наступающих клиньях и в комплексах заполнения врезанных долин. В трактах высокого уровня моря и трансгрессий кремнисто-глинистые фации образуются только при терригенной седиментации. Породы-коллекторы в этих типах литофаций возникают в периоды резкого возрастания скорости осадконакопления. В целом тракты высокого уровня моря и трансгрессий благоприятны для формирования нефтематеринских пород и флюидоупоров.

При реконструкции хода осадочного процесса и создании численных седиментационных моделей используются качественные оценки относительного изменения уровня моря и количественные кривые относительного изменения уровня моря. Процесс численного моделирования считается завершенным, если полученная модель отвечает наблюдаемому по скважинам характеру распределения литофаций в разрезе, а слоистость соответствует наблюдаемой на сейсмическом разрезе геометрии отражающих границ. Для построения кривых относительных изменений уровня моря либо глобальной кривой эвстатических колебаний уровня океана необходимо иметь сеть региональных сейсмических профилей и их сейсмостратиграфическую интерпретацию. Эти разрезы должны включать в себя край шельфа, а также содержать наиболее полную запись прибрежного налегания высокого качества при достаточном скважинном контроле. Именно для таких разрезов П.Вейлом с соавторами / 91 / была разработана технология построения кривых относительных изменений уровня моря. Ключевыми ее моментами являются определение и анализ величины береговой аградации (наращивание берега) и вертикальной составляющей прибрежного подошвенного налегания. Относительный подъем уровня моря измеряется величиной наращивания берега, а величину относительного падения уровня моря определяет смещение вниз по склону точек прибрежного налегания.

На практике разрезы, в которых сохранилась запись прибрежного налегания, встречаются достаточно редко; обычно имеют дело с разрезами, где сохранилась запись проградационного наращивания бровки аккумулятивного шельфа. В этом случае предусмотрено проведение специальных операций по выравниванию разрезов, после чего можно приступать к построению кривых относительных колебаний уровня моря по методике П.Вейла.

Следует подчеркнуть, что наиболее благоприятными объектами для построения количественных кривых изменения уровня моря являются разрезы пассивных окраин осадочных бассейнов с хорошо выраженными палеобереговыми линиями, палеошельфами, палеосклонами и палеокотловинами.

Предполагается / 15, 49 /, что развитие Западно-Сибирского бассейна в юрском и раннемеловом времени происходило при существенном влиянии эвстатических колебаний, а пространственная близость бассейна к эпиконтинентальным мезозойским морям Сибирской и Русской платформ может быть использована для проверки возможности практического применения количественной эвстатической кривой. Для выделения эвстатического сигнала на кривых относительного изменения уровня моря, построенных для юры и мела Западной Сибири, были использованы количественная эвстатическая кривая на соответствующие отрезки времени по разрезам Русской и Сибирской платформ, а также эвстатическая кривая по пассивным континентальным окраинам, отражающая кривую эвстатики Мирового океана / 65, 84 /.

Сравнительный анализ указанных кривых показал хорошую их сходимость для большей части юрского времени и всего разреза неокома. Очевидного совпадения нет только в кимеридже и волжском веке, что, по мнению авторов / 15 /, является следствием регионального тектонического погружения Западно-Сибирской плиты в конце юры и самом начале мела. Эти предварительные данные после проверки и уточнения могут быть рекомендованы как дополнительные материалы для детальной межрегиональной корреляции в пределах мезозойского разреза всей арктической области.

Пока еще немногочисленные работы по сиквенс-стратиграфическому анализу осадочных толщ Западно-Сибирского мезозойского бассейна уже дали ощутимые результаты / 15 /. Так, юрско-неокомская толща расчленена на системные тракты, что позволило преодолеть некоторые противоречия между ныне существующими стратиграфическими и седиментационными моделями; в интервале юра-неоком выделено 19 значимых трансгрессивно-регрессивных событий, к которым приурочены пространственно выдержанные песчаные и глинистые горизонты; в выделенных сиквенсах выполнены хроностратиграфические корреляции осадочных толщ иногда с пересмотром их генетической и стратиграфической приуроченности.

Накопленные в ходе сиквенс-стратиграфических исследований данные свидетельствуют о необходимости пересмотра широкого класса моделей седиментации и их корректировки, с учетом специфики процессов осадконакопления во время эвстатических колебаний уровня бассейновых вод.