0 引言

　　層序地層學(xué)作為一種新的盆地分析方法，受到廣大地質(zhì)學(xué)家的重視。陸相湖盆層序地層學(xué)在國內(nèi)外的研究也取得一系列成果與進展，尤其是關(guān)于陸相層序構(gòu)型及陸相層序數(shù)值模擬的研究，成為沉積學(xué)關(guān)注的焦點，并廣泛應(yīng)用于國內(nèi)多個陸相盆地的沉積學(xué)研究中。層序地層學(xué)是一種根據(jù)沉積巖的層序疊置樣式來描述、解釋、分類和命名的地層學(xué)。層序疊置樣式是層序地層學(xué)方法的核心，它為層序地層學(xué)所有單元和界面的定義提供了標準，層序地層界面是一種地層接觸面，其間地層疊置樣式會發(fā)生變化。層序地層單元是由其層序疊置樣式和層序地層界面限定和表征的沉積物或沉積體。同一類型的疊置樣式可以在不同的尺度上觀察到，在每個具體的觀察尺度上，疊置樣式?jīng)Q定了該尺度上的體系域，并指示了層序地層界面的位置。

　　將絕對海平面變化看作是層序幾何形態(tài)主要控制因素的構(gòu)想，在后來的許多研究中遭到質(zhì)疑和批評。首先，人們已經(jīng)認識到構(gòu)造沉降和絕對海平面變化相互作用產(chǎn)生的相對海平面變化在控制層序模式中的重要性;其次，層序地層學(xué)最初模式未能充分重視沉積物供給這一因素，尤其在遠離濱岸線的陸地環(huán)境，許多研究已經(jīng)證明，沉積物供給的變化在決定陸相層序幾何形態(tài)方面起著十分重要的作用;此外，由于缺乏足夠的生物地層分辨率，層序邊界的全球等時性也受到質(zhì)疑。

　　計算機科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展使得各學(xué)科的研究都趨于數(shù)據(jù)化、數(shù)值化及智能化，計算機技術(shù)成為廣大學(xué)者研究的有力工具，層序地層學(xué)也不例外，定量化的層序數(shù)值模擬研究已經(jīng)有了較快的發(fā)展和廣泛應(yīng)用。層序數(shù)值模擬的優(yōu)點在于它可以依其控制要素的定義而進行較嚴格的限定，并可以進行更嚴密的驗證，這類模擬研究可定量描述自然界中的沉積機理與沉積過程，有助于解釋地層記錄的控制因素。定量模型通過對侵蝕作用面、搬運作用面、沉積作用面的演化過程的模擬，可為層序構(gòu)型形成過程提供解釋基礎(chǔ)。

　　鑒于此，作者對陸相層序構(gòu)型及數(shù)值模擬的研究現(xiàn)狀進行綜述，并對其在盆地分析、油氣勘探等方面的應(yīng)用進行總結(jié)，最后對其存在的問題及發(fā)展趨勢作簡要分析。

　　1 國內(nèi)外層序地層構(gòu)型研究現(xiàn)狀

　　隨著層序地層學(xué)概念的引入，中國學(xué)者分別對國內(nèi)各大陸相盆地進行大量層序地層學(xué)相關(guān)的研究。關(guān)于 “層序構(gòu)型” 這一術(shù)語，最初國內(nèi)學(xué)者叫法并不統(tǒng)一，除了體系域構(gòu)型一詞外，分別還用層序樣式、層序結(jié)構(gòu)、層序構(gòu)成、層序模式等術(shù)語，但無論用哪種術(shù)語，均是對 Vail 經(jīng)典層序地層構(gòu)型的表征，也是將層序地層學(xué)理論 “中國化” 的體現(xiàn)，即將國外經(jīng)典層序地層學(xué)理論具體應(yīng)用到中國的各大陸相湖盆的研究中。因此，總結(jié)陸相層序地層構(gòu)型的研究現(xiàn)狀，就需要厘清海相層序地層構(gòu)型和陸相層序地層之間的區(qū)別與聯(lián)系。

　　國外針對層序構(gòu)型控制因素已經(jīng)有較多的討論，普遍認為沉積記錄的地層構(gòu)型是多種異旋回成因和自旋回成因機制相互作用的結(jié)果。盡管層序地層構(gòu)型的控制因素比較復(fù)雜，但是所有對地層構(gòu)型有影響的控制因素最終都可歸結(jié)為 2 個基本變量：即可容空間和沉積作用，利用這 2 個變量即可解釋地層疊置樣式的成因，因此可容空間和沉積作用的概念對層序地層學(xué)方法以及相關(guān)的術(shù)語命名來說至關(guān)重要。

　　1.1 國外層序構(gòu)型研究現(xiàn)狀

　　沉積層序是由陸上不整合面或其相對整合面為界的地層層序。隨著層序地層學(xué)的興起和發(fā)展，形成了不同層序地層學(xué)學(xué)派，主要包括 Vail 沉積層序模式、Galloway 的成因地層層序、Embry 和 Johannessen 主張的 “海侵 — 海退” 層序以及北美地層學(xué)術(shù)語委員會的異旋回地層學(xué)，但是目前比較流行的仍然是 Posamentier 和 Vail 提出的 LST-TST-HST 層序地層模式。不同學(xué)派所主張的層序地層構(gòu)型模式雖不相同，但所有類型的沉積層序都假定了可容空間的完整變化周期，并將層序邊界與負可容空間階段聯(lián)系起來。然而，在相對海(湖)平面上升和海(湖)侵階段，也可能形成陸上不整合面。沉積層序的概念適用于可能形成暴露不整合面的下游控制區(qū)，同樣也適用于形成暴露不整合面的上游控制區(qū)，只是下游控制區(qū)層序結(jié)構(gòu)與濱線移動軌跡密切相關(guān)，而上游控制區(qū)層序結(jié)構(gòu)則與濱線移動軌跡無關(guān)聯(lián)。根據(jù)觀察到的疊置樣式和地層關(guān)系，Catuneanu 區(qū)分出下游控制區(qū)和上游控制區(qū)，重新定義體系域特征及層序構(gòu)型。

　　1.1.1 下游控制區(qū)層序構(gòu)型

　　在下游控制區(qū)，地層疊置樣式與濱岸線軌跡相關(guān)聯(lián)，包括步進(Forestepping)和步升(Upstepping)(即正常海(湖)退)、步退(Backstepping)和步升(即海(湖)侵)以及步進和步降(Downstepping)(即強制海(湖)退)的組合，相應(yīng)的地層關(guān)系限定了層序內(nèi)部的低位、海(湖)侵、高位、下降階段等 4 個體系域類型。

　　在海洋(或湖泊)環(huán)境中，可容空間的變化通過相對海(湖)平面的變化來測量，相對海平面變化解釋了絕對海平面上升和盆地沉降對可容空間的聯(lián)合控制。相對海(湖)平面上升產(chǎn)生了可容空間，沉積消耗了可容空間。濱岸環(huán)境中的可容空間和沉積供給作用之間的相互作用控制著岸線的軌跡，同時也限定了與 “傳統(tǒng)” 體系域相關(guān)的地層疊置樣式。

　　相對海(湖)平面變化影響海(湖)相沉積盆地下游控制區(qū)海(湖)岸線兩側(cè)的沉積。根據(jù)地形坡度和河流尺度，下游控制區(qū)可從海(湖)岸線向上延伸至大陸上百千米，也可能從海(湖)岸線向下延伸上千千米至深水環(huán)境。下游控制區(qū)在層序地層學(xué)理論體系的發(fā)展歷程中起著重要作用，“傳統(tǒng)的” 層序地層模型，包括 “低位”“海(湖)侵”“高位” 和 “下降階段” 體系域，都是與相對海(湖)平面變化相關(guān)的地層構(gòu)型。

　　1.1.2 上游控制區(qū)層序構(gòu)型

　　上游控制區(qū)的地層疊置樣式屬于 “非傳統(tǒng)的” 層序地層學(xué)的范疇，即層序地層格架在相對海(湖)平面變化的影響區(qū)域之外形成。在這種情況下，層序地層單元和邊界面的命名不再與海岸線軌跡或相對海(湖)平面變化相聯(lián)系。

　　在上游控制區(qū)，地層疊置樣式的定義是在地層層序中的主導(dǎo)沉積元素來確定的。在河流體系中，河道合并的程度(即合并河道沉積與以泛濫平原為主的沉積交替出現(xiàn))是定義上游控制區(qū)層序構(gòu)型的關(guān)鍵。河道和泛濫平原要素之比由泛濫平原加積速率、河道限制程度和決口頻率決定。這些過程反映了河流沉積的所有控制因素的相互作用，包括可容空間、氣候、源區(qū)構(gòu)造作用以及影響沉積物分布的自旋回成因過程。

　　早期關(guān)于河流體系疊置樣式的研究，假定可容空間與河道合并程度之間存在直接聯(lián)系，即合并河道被解釋為 “低可容空間” 條件的產(chǎn)物，而以泛濫平原為主的河流沉積被解釋為 “高可容空間” 條件的產(chǎn)物，體系域的術(shù)語只涉及可容空間條件，即 “低可容空間體系域” 與 “高可容空間體系域”。這種命名現(xiàn)在看來可能過于簡化，雖然可容空間很重要，但它不是形成地層疊置樣式的唯一控制因素?？紤]到多種可能控制因素，Catuneanu 建議使用高合并(河道沉積為主)體系域和低合并(泛濫平原沉積為主)體系域。

　　高合并體系域及疊置樣式形成條件包括低沉積速率的泛濫平原加積作用、高能量的不受限的河流、高頻率河道決口。在不同級別的地層旋回中，可以觀察到不同尺度的高合并疊置樣式。有利于河道合并的因素包括：(1)低沉積速率的泛濫平原加積作用;(2)高沉積物供給、波動流量和傾向方向的幕式變化(均有利于決口);(3)陡峭的地形梯度也會促進不受限河道的發(fā)育。

　　低合并體系域及疊置樣式形成條件包括高沉積速率的泛濫平原加積作用、決口頻率低、地形梯度低，這些因素都使得低能量受限河道的橫向移動能力降低。在高的泛濫平原加積速率和低的決口頻率的條件下，河流體系則發(fā)育側(cè)向移動能力有限的受限制河道，常見于河流沉積層序的上部。

　　在不同級別的地層旋回中，可以觀察到不同尺度的低合并疊置樣式。較低等級層序中高低合并疊置樣式之間的比率定義了較高等級的體系域。例如，以高河道合并為主的一組四級層序限定了三級 “高合并” 體系域，而以泛濫平原沉積為主的一組四級層序限定了三級 “低合并” 體系域。值得注意的是，2 個尺度的層序都以高合并開始，然后是低合并疊置樣式，這反映了在 2 個尺度上觀測到的河流能量向上呈降低趨勢。

　　1.2 國內(nèi)層序構(gòu)型研究現(xiàn)狀

　　1.2.1 層序構(gòu)型研究概況

　　在不同類型的陸相湖盆層序地層學(xué)研究過程中，國內(nèi)學(xué)者為了表征 Vail 經(jīng)典層序地層模式以及其他層序地層學(xué)模式，需要總結(jié)出層序內(nèi)部的體系域構(gòu)成特征，因此經(jīng)常應(yīng)用到 “層序構(gòu)型” 這一概念。胡受權(quán)在泌陽斷陷湖盆層序構(gòu)型研究時，用到 “體系域構(gòu)型” 一詞，后來有學(xué)者研究沾化凹陷湖泊沉積層序的成因和構(gòu)型特征時，劃分出 5 種層序構(gòu)型，包括沖積 — 河湖型、(半)鹽湖 — 淡水湖泊過渡型、海泛 — 深湖型、半深湖 — 緩坡型、河流 — 沖積平原型。濟陽坳陷新近系層序構(gòu)型以發(fā)育沖積河流相沉積為特征，其中河流相地層的體系域構(gòu)型包括低位體系域、擴張體系域、高位體系域和收縮體系域。松遼盆地下白堊統(tǒng)層序構(gòu)型受裂谷盆地構(gòu)造控制，發(fā)育斷陷型、斷拗轉(zhuǎn)換型和拗陷型 3 種類型層序構(gòu)型。渤海灣盆地霸縣凹陷古近系陸相層序亦受裂谷背景影響，發(fā)育斷層坡折型、斷層臺階坡折型、斷層陡坡 — 緩坡型和斜坡 — 彎曲型 4 種層序構(gòu)型。對于前陸湖盆地層構(gòu)型，紀友亮和周勇總結(jié)出在前陸湖盆山前帶層序疊置呈加積或退積結(jié)構(gòu)，發(fā)育進積準層序組，而在前陸湖盆斜坡帶層序則疊置成退積結(jié)構(gòu)，早期發(fā)育退積式準層序組，后期發(fā)育進積式準層序組。

　　1.2.2 典型 “層序構(gòu)型” 模式

　　盡管在不同的文獻里，不同學(xué)者都在使用 “層序構(gòu)型” 這個概念，但均沒有給出具體的涵義，為了更好地指導(dǎo)儲集層和烴源巖預(yù)測，朱紅濤等提出了層序構(gòu)型的明確概念、類型及其意義。層序構(gòu)型是指三級層序內(nèi)不同體系域地層單元時間 — 空間組成配置關(guān)系，可分為 L 型、T 型、TH 型、H 型(E-H 型和 L-H 型)4 種類型，其中 H 型又可細分為早期高位體系域為主的 E-H 型和晚期高位體系域為主的 L-H 型。層序構(gòu)型可以從地層厚度和層序地層單元空間遷移、疊置特征 2 個方面來表征體系域的時空配置關(guān)系，L 型層序以 LST(低位體系域)地層厚度為主，TST(水進體系域)和 HST(高位體系域)厚度相對比較薄甚至不發(fā)育;T 型層序以 TST 為主，LST 和 HST 厚度相對比較薄甚至不發(fā)育;TH 型層序 TST 和 HST 厚度相當，LST 相對不發(fā)育;H 型層序以 HST 為主，LST 和 TST 厚度相對比較薄甚至不發(fā)育;對于表征體系域地層單元的空間配置而言，從 L-H 型層序構(gòu)型則表示出體系域單元在疊置關(guān)系、空間分布及其遷移性特征。一般情況下，L 型層序分布范圍局限，呈進積或加積疊置;T 型層序分布范圍增大，呈退積疊置;H 型層序分布范圍再次減小，呈進積疊置。在未來的研究中，可以區(qū)分出依賴海平面變化的下游控制區(qū)和不依賴海平面變化的上游控制區(qū)，進行層序構(gòu)型的進一步劃分。

　　2 陸相層序模擬研究進展及現(xiàn)狀

　　對于層序模擬，其先經(jīng)歷了以 “水槽實驗” 為支撐的物理模擬階段，隨著數(shù)學(xué)理論及計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，計算機數(shù)值模擬逐漸興起。數(shù)值模擬已經(jīng)成為當今地球科學(xué)研究的重要手段，相比較傳統(tǒng)的方法，它在克服地學(xué)研究中大尺度、長時間復(fù)雜問題上有顯著的優(yōu)勢。同時，數(shù)值模擬是定量研究層序地層幾何形態(tài)和層序組成單元的疊置模式、了解沉積過程和盆地充填史、直觀預(yù)測沉積相時空分布的有力工具。對于層序的數(shù)值模擬，已經(jīng)趨向于成熟，尤其是正演模擬。正演模擬涉及一系列關(guān)于泥沙搬運模式的假設(shè)(例如，幾何模式、擴散模式或基于過程模式)，以及測試控制對層序發(fā)展的影響(例如，浮升、下沉、泥沙供應(yīng))等已經(jīng)逐步成熟。近年來，不少國內(nèi)外學(xué)者在陸相湖盆層序的研究中也應(yīng)用了數(shù)值模擬方法。

　　2.1 水槽模擬

　　對于陸相湖盆的地層沉積模擬研究，最初是從水槽實驗開始的。沉積模擬實驗的研究歷程大概可分為探索階段、快速發(fā)展階段和沉積學(xué)定量模擬階段。

　　2.1.1 探索階段

　　19 世紀末至 20 世紀 50 年代，沉積模擬處于方法探索階段，受當時的理論水平和實驗條件的限制，主要是以現(xiàn)象的觀察和描述為主。1894 年，Deacon 首次在一條玻璃水槽中觀察到泥沙運動形成波痕，并對其進行了描述。1914 年，Gilbert 第 1 次用各種粒徑的砂在不同的水流強度下進行了水槽實驗，較詳細地觀察和描述了一系列沉積構(gòu)造特征，并且其描述的 “砂丘” 后來被其他的研究者命名為不對稱波痕。在此之后，許多學(xué)者在 20 世紀 40—50 年代完成了一些開拓性的實驗，并建立實驗沉積學(xué)的一些基本方法。此階段實驗內(nèi)容總體比較簡單，主要以實驗現(xiàn)象的觀察和描述為主，缺乏理論的分析和指導(dǎo)。

　　2.1.2 快速發(fā)展階段

　　20 世紀 60 年代至 70 年代，屬于沉積模擬實驗的大發(fā)展階段，這一階段以水槽實驗為主，重視沉積構(gòu)造形成機理的定性研究。Schumm 和 Khan 用水槽實驗研究了凹凸不平的河床對流量變化的影響，Costello 和 Southaud 進行了從波紋到下部平坦床沙的實驗，研究了下部流態(tài)的沉積幾何形態(tài)、遷移規(guī)律及相應(yīng)的水動力特征，用水槽實驗?zāi)M爬升沙紋層理的沉積特征，應(yīng)用水深和平均速度來表征在松散泥沙河床的明渠均勻流中的床面形態(tài)。70 年代后的模擬實驗已不再局限于單向水動力條件的模擬和沉積構(gòu)造的解釋，開始進行大型盆地模擬和沉積學(xué)的定量研究，例如 Mosely 進行的河道交匯處的實驗研究，Scott 模擬了辮狀河葉狀沙壩的形成。這一階段還有濁流模擬實驗、風(fēng)洞模擬實驗、風(fēng)暴模擬實驗等。所有這些模擬實驗都促進了沉積學(xué)理論的發(fā)展，對油氣勘探開發(fā)具有重要的實際意義。

　　2.1.3 沉積學(xué)定量模擬階段

　　自 20 世紀 80 年代開始，沉積模擬進入了以砂體形成過程和演化規(guī)律為主要研究內(nèi)容的湖盆砂體模擬階段。該階段的沉積模擬更注重實際問題的解決，沉積模擬開始由定性轉(zhuǎn)向定量，由小水槽實驗轉(zhuǎn)向大型盆地模擬。這期間對不穩(wěn)定條件下的底形規(guī)模的變化以及底負載對均流和紊流性質(zhì)的的影響等，均有了較為深入的了解(Wijbenga and Klaassen, 1983; Carbonneau and Bergeron, 2000)。

　　隨著水槽實驗沉積模擬的不斷發(fā)展，在國內(nèi)也有許多學(xué)者相繼進行了相關(guān)的實驗?zāi)M。20 世紀 70 年代末，在長春地質(zhì)學(xué)院建立了第 1 個用于沉積研究的小型玻璃水槽，主要研究底形的形成與發(fā)展。20 世紀 80 年代，中國科學(xué)院地質(zhì)研究所開展小型水槽實驗。到 1988 年，江漢石油學(xué)院成立湖盆沉積模擬實驗室，相繼展開了許多沉積模擬，如：入湖單砂體形成機理模擬、小型曲流河入湖三角洲模擬、辮狀河三角洲模擬、辮狀河三角洲形成及演化模擬、扇三角洲及水下扇模擬、湖灘砂沉積模擬等，取得了大量的研究成果及認識(李趁義，2005)。1994 年，劉忠保和賴志云(1994)對長江中游松滋口三角洲沉積進行了實驗?zāi)M，并識別出燕尾式和先主流后分流自平衡調(diào)整式 2 種加積方式;1995 年，劉忠保等(1995)還模擬了湖泊三角洲砂體的湖退沉積過程，對實驗過程中三角洲砂體的形成、主水流和三角洲砂體的遷移作了詳細描述，并定量研究了不同湖水深度下洪水、中水和枯水對砂體的改造，最后認為湖水深度控制著三角洲砂體的形態(tài)和進積速率，洪水對三角洲砂體的控制起了決定性作用。2002 年，張春生等(2002)用實驗?zāi)M了涌流型濁流的形成和發(fā)展，對涌流型濁流及底流型濁流的動量方程進行了比較，發(fā)現(xiàn)涌流型濁流不僅從其前部卷吸水體，同時從其頂面卷吸水體。

　　2.2 層序數(shù)值模擬

　　2.2.1 層序數(shù)值模擬概述

　　數(shù)值模擬早期最先用于油氣藏勘探開發(fā)方面，自 1970 年將油藏數(shù)值模擬結(jié)果作為油氣田一次、二次開發(fā)必備的基礎(chǔ)資料開始(Harris, 1975)，地質(zhì)學(xué)家就對地質(zhì)建模給予了特別關(guān)注，尤其是在模型定量描述方法上。Dubrule(1986)介紹了地質(zhì)模型的重要屬性 —— 滲透率的地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)算法，有力地推動了地質(zhì)模型向油藏模型的轉(zhuǎn)換，提高了油藏數(shù)值模擬預(yù)測的準確性;Journel(1994)討論了序貫?zāi)M、誤差模擬、概率場模擬、矩陣分解、模擬退火等不同的模擬算法，從實用角度入手，綜合考慮模型和算法，將隨機模型進行了綜合分類。20 世紀 80 年代提出層序地層學(xué)概念后，很多學(xué)者都利用數(shù)值模擬研究層序演化規(guī)律(Liu et al., 1998; Burgess, 2001)。

　　2.2.2 國外層序數(shù)值模擬研究進展及現(xiàn)狀

　　層序數(shù)值模擬的萌芽始于 1966 年斯坦福大學(xué) Harbaugh 建立的首個沉積模擬系統(tǒng)，當時主要是針對地質(zhì)系統(tǒng)提出的概念模型具有非定量、靜態(tài)、概念性等特征，初步實現(xiàn)將地質(zhì)過程轉(zhuǎn)化為計算機代碼，對海岸沉積進行模擬(Harbaugh, 1966)。緊接著，隨著地震地層學(xué)理論的提出，該理論以地震資料為核心解釋地層的形成過程，為盆地尺度上的沉積正演模擬提供了依據(jù)(Vail et al., 1977)，該階段更重視參數(shù)具體化、過程 — 響應(yīng)關(guān)系公式化等，特別是借助運算功能強大的計算機系統(tǒng)，采用定量、預(yù)測或推導(dǎo)的方式建立地質(zhì)系統(tǒng)的數(shù)字響應(yīng)特征，Helland-Hansen 等(1988)建立起以地震層序界面為核心的層序模擬軟件，由此拉開層序數(shù)值模擬的序幕。1989 年，斯坦福大學(xué)沉積模擬團隊聯(lián)合多家石油公司和蘋果、IBM 等公司，共同研發(fā)了基于流體動力學(xué)的沉積模擬軟件 ——SEDSIM(Tetzlaff and Harbaugh, 1989)，標志著沉積正演數(shù)值模擬從層序地層模擬走向沉積顆粒的沉積過程模擬，具有里程碑的意義。

　　20 世紀 90 年代，地層沉積正演模擬開始進入快速發(fā)展階段，該階段研發(fā)的沉積正演數(shù)值模擬逐漸從二維到三維，更加注重沉積的三維模擬應(yīng)用(Lorenz, 1993)、沉積內(nèi)部結(jié)構(gòu)的模擬及計算方法，計算精度也取得顯著提升，其中計算方法大致分為基于擴散方程與基于水動力方程兩大類，其中擴散方程以河流、三角洲環(huán)境應(yīng)用最為普遍(Jordan and Flemings, 1991)。1999 年，Cross 和 Lessenger(1999)提出基于正演的沉積模擬方法，該方法包括地層正演模擬、觀測數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果比較及全局參數(shù)優(yōu)化算法，并實現(xiàn)了碳酸鹽沉積二維模擬，為沉積模擬走向工業(yè)化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

　　20 世紀末至 21 世紀初，層序數(shù)值模擬進入了全面深化發(fā)展時期，國外學(xué)者 Cross、Granjeon 及 Burgess 等最先進行了層序相關(guān)的數(shù)值模擬(Cross and Lessenger, 1999; Granjeon and Joseph, 1999; Burgess, 2001)，以 Burgess 為代表的一批學(xué)者先后進行了許多關(guān)于層序地層的正演模擬，通過新一代三維地層建模進行了多元層序地層的正演模擬，提出相對海平面變化、陸架寬度和沉積物搬運速率是深海地層體積時空分布的重要控制因素(Burgess et al., 2006)，注意到反向海岸線軌跡可能是區(qū)分強制性海退和非強制性海退的更可靠方法(Prince and Burgess, 2013)。后來，Burgess(2016)基于 2 個計算度量，即從垂直相序列分析得出的馬爾科夫度量 m 和從地層單元觀測厚度分析得出的運行度量 r，從而通過定量分析更好地理解有序或無序地層。Zhang 等(2019)通過采用數(shù)值地層正演模擬方法，比較了由相對海平面循環(huán)變化引起的地層幾何形狀與由輸沙量和水量變化引起的地層幾何形狀，證明了沉積物供給亦是主導(dǎo)地層層序的主要因素，從而為層序地層構(gòu)型分析提供了理論支撐。

　　2.2.3 國內(nèi)層序數(shù)值模擬研究進展及現(xiàn)狀

　　隨著層序數(shù)值模擬方法在國際上的廣泛應(yīng)用，國內(nèi)學(xué)者也針對中國陸相湖盆層序展開了數(shù)值模擬研究(林承焰等，2023)。胡受權(quán)(2000)利用數(shù)值模擬分析了湖平面變化及物源供給對陸相層序的影響，鄭榮才等(2009)應(yīng)用序貫指示模擬法對鄂爾多斯盆地長北氣田山西組 2 段陸相層序地層的砂體分布進行了數(shù)值模擬研究，Zhu 等(2013)采用二維模擬軟件(SEDPAK)和三維模擬軟件(SEDSIM)模擬克拉通內(nèi)盆地沉積對層序地層構(gòu)型的控制作用，獲得了克拉通盆地沉積物供給與地層發(fā)育之間的關(guān)系，模擬結(jié)果對于解釋克拉通盆地層序地層格架和層序疊置樣式、預(yù)測潛在儲集層砂體的分布具有重要意義。吳恒(2020)通過建立起 “耦合構(gòu)造 — 層序數(shù)值模型”，展現(xiàn)了陸相層序樣式在三維空間上的多變性，突破了傳統(tǒng)的二維模擬解釋。杜威等(2020)選擇 Delft3D 和 DIONISOS 模型，對不同沉積尺度下的陸相層序進行了正演模擬，使得層序演化的動態(tài)過程得以明晰，同時可結(jié)合地震沉積學(xué)方法和地質(zhì)建模算法重建巖相古地理分布。張威等(2022)利用 DIONISOS 三維地層模擬軟件系統(tǒng)，對珠江口盆地古近系文昌組層序地層開展數(shù)值模擬，闡明了 A/S(可容空間 / 沉積物供給)對湖盆三角洲演化的控制機制。

　　國內(nèi)外學(xué)者應(yīng)用數(shù)學(xué)方程理論及計算機科學(xué)技術(shù)，使得 “層序” 的發(fā)展趨于數(shù)據(jù)化、數(shù)值化、相對標準化，使得層序地層學(xué)在陸相盆地的應(yīng)用研究中變得更加精確、動態(tài)化、可視化，可信度更高。

　　2.3 層序數(shù)值模擬方法及其應(yīng)用

　　關(guān)于層序地層的數(shù)值模擬方法，隨著 “數(shù)值模擬技術(shù)” 的發(fā)展也日趨完善、豐富，對不同地區(qū)的層序地層采用不同的模擬方法，是選擇合適數(shù)值模擬方法的關(guān)鍵，將舉以下 5 個例子介紹 5 種數(shù)值模擬方法。

　　2.3.1 SEDPAK 正演模擬

　　SEDPAK 是美國南卡羅萊納大學(xué)地層模擬小組開發(fā)的最早正演模擬軟件之一，該軟件基于控制沉積地層層序和疊置樣式的幾何規(guī)則，通過可視化層序邊界之間產(chǎn)生的地層幾何形狀，為模擬盆地的沉積充填提供了一個概念框架，主要用于證實對盆地內(nèi)油氣圈閉和聚集潛力的推斷，旨在模擬和重建碎屑和碳酸鹽沉積物的幾何形狀，這些幾何形狀是由于構(gòu)造運動及沉積速率變化等產(chǎn)生的。該軟件可以模擬盆地沉積充填體的演化過程，定義這些沉積物沉積的年代地層格架，并說明在巖心、露頭、鉆井和地震數(shù)據(jù)中看到的層序和體系域之間的關(guān)系。該軟件通過考慮沉積物供給、海平面變化、構(gòu)造沉降、盆地幾何形態(tài)等 4 個主要地質(zhì)參數(shù)來模擬泥沙沉積的 2D 幾何形狀(Strobeletal.,1989)。該軟件模擬的步驟：第 1 步是了解盆地的初始沉積條件，包括古地形、水深、氣候、基準面變化和沉積物輸入等基本條件;第 2 步是根據(jù)該軟件考慮的 4 個參數(shù)進行模擬;第 3 步是根據(jù)模擬結(jié)果與盆地初始的一些情況進行參數(shù)調(diào)整、驗證模擬結(jié)果;第 4 步是多次模擬進行最終可靠性結(jié)果的選擇。該軟件已被證明在補充定性地質(zhì)解釋和驗證地質(zhì)模型方面比較有效。此外，該軟件還能直觀地模擬盆地充填過程。

　　2.3.2 SEDSIM 正演模擬

　　SEDSIM 是一個三維地層正演模擬程序，最初于 20 世紀 80 年代由斯坦福大學(xué)開發(fā)，1997 年由澳大利亞的 CedricGriffiths 博士團隊進行了大量修改和改進(Griffiths et al., 2001)。該方法通過重建沉積、侵蝕和再沉積的物理過程，來確定沉積物在時空上的變化，其能在較大時空尺度上進行層序數(shù)值模擬。SEDSIM 項目的核心是水動力和沉積模擬。該模擬所需要考慮的因素包括沉降、基準面變化、波浪傳輸、壓實和邊坡破壞(Tetzlaff and Harbaugh, 1989; Griffiths et al., 2001)。具體模擬步驟與 SEDPAK 正演模擬相似，不同的是 SEDSIM 模擬軟件是 3D 模擬，而 SEDPAK 是 2D 模擬。該方法同樣也在補充定性地質(zhì)解釋和驗證地質(zhì)模型方面是有用的，也能更加直觀地模擬盆地充填過程。

　　應(yīng)用 SEDPAK 和 SEDSIM 這 2 種計算機程序?qū)有蜻M行模擬，可以具體得出(Zhu et al., 2013)：(1)建立高分辨率層序地層模型，以指導(dǎo)地震解釋和井間對比;(2)觀測到的旋回層序的模擬;(3)克拉通盆地內(nèi)沉積堆積對完整旋回發(fā)育過程中層序地層構(gòu)型的控制作用。

　　2.3.3 基于 Delft3D 模型的三維正演模擬

　　Delft3D 模型以 Navier-Stokes 方程為基礎(chǔ)，依據(jù)質(zhì)量守恒原理和沉積物 “搬運 — 沉積 — 侵蝕” 方程，從而實現(xiàn)重建沉積物搬運和沉積過程的三維模擬，該模擬采用逐步迭代的計算方式進行，步驟包括：①輸入 / 更新邊界條件￫②輸入 / 更新沉積底形￫③流動方程求解￫④沉積物搬運、沉積及剝蝕量計算￫⑤底形高程變化計算(馮文杰等，2017)。該模型能夠較準確地模擬出河道內(nèi)部沙壩的形成和改造、河流的決口和洪泛平原的形成、河流 — 波浪 — 潮汐作用控制下的河口系統(tǒng)。模擬結(jié)果可為陸相層序內(nèi)的各沉積單元提供較為準確及清晰的形態(tài)，并恢復(fù)其形成過程(杜威等，2020)。

　　2.3.4 基于 DIONISOS 模型的三維正演模擬

　　DIONISOS 模型利用 Fick 第二定律，即沉積物搬運的擴散方程(Harbaugh and Bonham-Carter, 1970)描述每一種沉積物組分分布和主控因素隨時間變化的規(guī)律，需考慮的因素有：流體能量、驅(qū)動機制、時間尺度、氣候變化和地形坡度等。該模型可模擬盆地每個時空節(jié)點的沉積和剝蝕作用，從而實現(xiàn)陸相盆地層序充填樣式和沉積體系形態(tài)的三維定量表征(徐偉等，2019)。

　　2.3.5 基于 N-S 方程的層序數(shù)值模擬

　　N-S 方程是描述液體和空氣等流體物質(zhì)的一組方程。這些方程建立了粒子動量(力)的變化率、流體中的壓力與耗散的黏性力(類似于摩擦)之間的相互作用以及重力之間的關(guān)系。N-S 方程包含了流體運動的所有信息，但該方程沒有解析解。在大空間和時間尺度下，即使數(shù)值解很難得到，也需要對方程進行簡化(Burgess and Allen, 2014)。

　　在 N-S 方程的基礎(chǔ)上，利用物質(zhì)守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程來模擬水動力隨時間的變化，以研究相對海平面變化下層序地層的沉積特征。該方法利用沉積物搬運、沉積以及剝蝕方程來求解，從而實現(xiàn)沉積過程的數(shù)值模擬(Kaufman, 1994)。運用該方法進行模擬的具體步驟為：(1)收集并整理 “泥沙流量、流速” 等資料;(2)采用單因素方法設(shè)計模擬實驗，設(shè)置仿真條件;(3)建立水位上升、水位下降、水位先上升后下降、水位先下降后上升 4 種模型;(4)對上述 4 種模型進行數(shù)值模擬分析，得出模擬結(jié)果;(5)將模擬結(jié)果與前人研究等進行對比評估，得出結(jié)論(Song et al., 2020)。

　　2.3.6 各數(shù)值模擬方法及其應(yīng)用

　　主要以上述 5 種層序數(shù)值模擬方法為例，介紹了各數(shù)值模擬方法在層序地層序領(lǐng)域的應(yīng)用情況，并對上述 5 種層序數(shù)值模擬方法的原理、模擬步驟、優(yōu)缺點及應(yīng)用實例作了總結(jié)(表 1)。

　　3 陸相層序構(gòu)型與數(shù)值模擬應(yīng)用

　　近年來，隨著層序地層學(xué)不斷發(fā)展，陸相湖盆層序構(gòu)型及數(shù)值模擬應(yīng)用越來越廣泛，尤其是對陸相盆地的砂體分布(鄭榮才等，2009)、層序疊置樣式(Zhu et al., 2013)、不同尺度下的層序演化(杜威等，2020)等方面的數(shù)值模擬應(yīng)用研究，為油氣勘探開發(fā)提供理論基礎(chǔ)，在油氣勘探開發(fā)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

　　沉積層序數(shù)值模擬最早應(yīng)用于油氣田的砂巖儲集層預(yù)測，隨著陸相沉積層序的不斷發(fā)展和計算機技術(shù)的不斷進步，數(shù)值模擬在油氣勘探開發(fā)領(lǐng)域應(yīng)用更加廣泛，同時也使得油氣田的儲集層預(yù)測更加精準、與生產(chǎn)結(jié)合更加緊密。

　　胡受權(quán)(2000)基于 Waltham(1992)提出的層序地層模擬方程，綜合考慮了陸源碎屑物供給、內(nèi)源碳酸鹽沉積、沉積物侵蝕與再沉積、重力流沉積、構(gòu)造升降以及水平位移等多種因素，對泌陽斷陷雙河 — 趙凹地區(qū)進行層序數(shù)值模擬，對研究區(qū)的儲集層發(fā)育做相對準確預(yù)測。紀友亮等(2008)在對斷陷盆地油氣聚集與陸相層序構(gòu)型之間的關(guān)系研究時，通過層序數(shù)值模擬提出各級層序的油氣匯聚規(guī)模以及勘探對策，成功指導(dǎo)沾化凹陷油氣勘探。朱紅濤等(2012)建立了陸相湖盆 “L 型、T 型、TH 型、H 型(E-H 型和 L-H 型)” 層序構(gòu)型及其與巖性關(guān)系，預(yù)測珠江口盆地惠州凹陷的砂體儲集層分布，提出惠州凹陷南緣主要為 T 型層序，烴源巖相對發(fā)育，北緣主要為 H 型層序，儲集層相對發(fā)育。Zhu 等(2013)對 “鄂爾多斯盆地二疊系山西組下段” 進行層序數(shù)值模擬，模擬出 280~270Ma 的高分辨率層序地層格架內(nèi)各三級層序的疊置樣式及演化過程(加積 — 前積 — 退積 — 前積 — 退積 — 進積)，為該盆地的油氣進一步勘探開發(fā)奠定了理論基礎(chǔ)。賀婷婷等(2018)應(yīng)用沉積正演數(shù)值模擬技術(shù)對塔河油田 T 區(qū)三角洲沉積過程進行了模擬，對三角洲砂體展布規(guī)律進行了預(yù)測。熊天鶴(2018)應(yīng)用 DIONISOS 軟件對海拉爾盆地貝爾 — 烏爾遜凹陷大磨拐河組泥質(zhì)三角洲的沉積過程進行沉積數(shù)值模擬，提出沉積供給物源泥質(zhì)含量越高，三角洲泥質(zhì)前積體越發(fā)育，前積體范圍越廣泛，三角洲泥質(zhì)沉積物可能是重要的烴源巖。杜威等(2020)在對不同沉積過程尺度下正演模擬的研究時，應(yīng)用相關(guān)沉積數(shù)值模型對陸相不同次級湖平面變化對淺水湖盆砂體的控制進行了模擬，并利用相關(guān)模型的正演模擬成功對陸相湖盆進行了三維地質(zhì)建模。

　　如今隨著現(xiàn)代油藏管理水平的逐步提升，越來越多的含油氣盆地正應(yīng)用三維層序數(shù)值模擬進行相關(guān)應(yīng)用分析，數(shù)值模擬亦需建立起更加精準、時效性高的三維地質(zhì)模型。未來陸相層序數(shù)值模擬在油田的應(yīng)用也會越來越廣泛，也是未來智能油田實現(xiàn)必不可缺的核心技術(shù)之一。

　　4 陸相層序構(gòu)型及沉積模擬研究展望

　　層序地層學(xué)理論起源于被動大陸邊緣盆地，在發(fā)展和推廣應(yīng)用過程中，產(chǎn)生了不同學(xué)派和不同層序構(gòu)型，層序地層學(xué)在中國多種類型陸相盆地得到了廣泛應(yīng)用，有效地指導(dǎo)了能源礦產(chǎn)勘探和開發(fā)。陸相湖盆層序地層學(xué)未來研究應(yīng)重點關(guān)注不同類型陸相盆地層序地層構(gòu)型、層序沉積過程與數(shù)值模擬、層序構(gòu)型與礦產(chǎn)資源預(yù)測等發(fā)展方向。

　　層序構(gòu)型在上游控制區(qū)明顯不同于下游控制區(qū)，所以在未來的物理模擬及數(shù)值模擬的參數(shù)選擇中，需要區(qū)別對待。在下游控制區(qū)依賴于相對海(湖)平面變化的背景下，可容空間變化可能起到關(guān)鍵作用，但是在上游控制區(qū)不依賴于相對海(湖)平面變化的背景下，受古構(gòu)造和古氣候雙重控制的沉積物供給可能是需要重點考慮的參數(shù)。

　　隨著層序數(shù)值模擬方法的發(fā)展，針對陸相層序，未來應(yīng)在更大尺度上對沉積盆地進行建模研究，特別是在 “源 - 匯系統(tǒng)” 框架下，將數(shù)值模擬的范圍擴大到更大的尺度，通過調(diào)節(jié)泥沙產(chǎn)生量與連接源區(qū)和沉積中心的輸送系統(tǒng)等，在不同尺度范圍模擬沉積物供給對陸相湖盆層序構(gòu)型的控制。

　　對于高精度定量層序建模方法的開發(fā)將會成為一種趨勢，在保證研究結(jié)果精確可靠的前提下，應(yīng)將數(shù)值模擬方法應(yīng)用于更多類型盆地，如克拉通盆地、裂谷盆地、前陸盆地等，分析不同類型盆地沉積供給變化特征及其與可容空間的匹配關(guān)系，分析各類模擬方法的優(yōu)點及局限性，提出有針對性的模擬方法。

　　沉積正演模擬與多點地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)相結(jié)合，即綜合沉積正演模擬以及地質(zhì)學(xué)統(tǒng)計學(xué)各自的優(yōu)勢，通過算法融合或者采用分級建模的思路進行技術(shù)融合，也是陸相層序數(shù)值模擬未來發(fā)展的方向之一。

　　隨著數(shù)據(jù)時代的到來，露頭、巖心、地球物理、地球化學(xué)、古生物等多維度的資料應(yīng)與層序地層建模密切聯(lián)系，基于大數(shù)據(jù)和人工智能的深度學(xué)習(xí)和強化學(xué)習(xí)模型，是層序數(shù)值模擬的發(fā)展趨勢。

邵龍義;王浪浪;連豪杰;朱紅濤;朱筱敏,中國礦業(yè)大學(xué) (北京) 地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院;貴州省自然資源勘測規(guī)劃研究院;中國地質(zhì)大學(xué) (武漢) 資源學(xué)院;中國石油大學(xué) (北京) 地球科學(xué)學(xué)院,202501