依据基准面旋回原理的正演模型

科罗拉多矿物学院成因地层组设计了一个二维地层正演模型，该模型可以模拟沉积物体积分配作用和海岸平原硅质碎屑岩陆架地层旋回对称性的变化。模型使用的所有过程参数值的范围都是真实的。模型由科罗拉多矿物学院成因地层组开发，并经该组的野外研究成果所证实。

该正演模型是依据地层基准面和可容纳空间概念以及经验观察结果的一个几何模型，可以模拟裂谷盆地、被动边缘盆地、内克拉通和前陆盆地内观察到的地层几何形态和相域分布。本文出示的模型是前陆盆地背景中的地层层序。该模型输出的地层与观察到的地层匹配很好，模拟的地层在空间上穿越几十公里至几百公里，时间上跨越1～16 Ma。

输入的过程参数包括海平面升降、构造运动、沉积物供给、盆地地形、压实、地面负载的抗挠补偿。沉积物的剥蚀、搬运和沉积作用被计算的地层基准面经验近似值性控制。几何形态来源于所了解的关于地层、沉积和地貌过程的综合作用在各种沉积环境中的响应。事实上，几何形态是在特定的环境中剥蚀、产生、搬运或堆积沉积物的能量和被运移到某一沉积环境的沉积物类型和体积的函数。该模型计算在海岸平原、临滨和浅陆架相域基准面旋回期间进积/加积单元堆积的沉积物的几何形态和体积（二维的面积）。该模型也计算作为进积/加积单元界面的侵蚀面和非沉积作用面的分布。

一、模型的假设

该模型假设沉积物的堆积和保存受构造和海平面升降过程控制，这一控制作用通过可容纳空间以不同速率增加和减少来表现。全球海平面升降变化、盆地沉降和由于地表负载的抗挠补偿同模型时间步长（在1～30 ka之间）区间呈瞬时关系。这一假设意味着在等于模型时间步长的时间范围内地面与形成可容纳空间的过程平衡。

该模型在有效可容纳空间内假设，地面以向地层基准面移动的方法来分配有效的沉积物，模型的每一时间步长均计算该地层基准面。当地面位于计算的地层基准面之上时，沉积物被侵蚀到用户定义的速率最大值，总沉积物预算量（剥蚀的体积加上每一时间步长加入到模型中去的增加的沉积物体积）向斜坡下搬运，直到沉积物能够在地层基准面之下堆积的地面位置为止。当在模型时间步长内沉积物供应量被耗尽的时候，因为沉积物总量供给不充足，可能存在潜在的可容纳空间仍能保留的地方（即在某一时间步长内的地面在地层基准面之下）。在等于模型时间步长的时间内，假设地面与地层基准面平衡，地层基准面足以描述剥蚀作用、沉积物搬运和堆积作用，沉积物搬运过程是足以迅速和有效的（1 ka时间规模）。除了因为沉积物供应不足，以及剥蚀速率不足以侵蚀地面而使可容纳空间得以保存的地方，这一假设适合于地形剖面的所有部分。在分配沉积物方面，该模型保存体积（二维的面积），所有被加入到模型的沉积物和所有被剥蚀的沉积物在模型边界内分布。

图8-1 正演模型的逻辑流程和计算步骤

二、模型算法

这一节和图8-1总结了该正演模型的逻辑流程和计算步骤。模型接受用户定义的输入曲线，如海平面、构造沉降、沉积物供应、最大剥蚀速率、原始盆地地形和列于表8-1的其他参数。模型首先通过构造运动、全球海平面变化、水深以及沉积物负载的岩石圈补偿增加或移去可容纳空间。然后该空间被该时间步长内增加的沉积物的体积和该时间段剥蚀的沉积物充填。在时间步长内堆积沉积物的空间分布和厚度被沉积物补给和穿越整个环境延伸的动态地层基准面所限制。对每一个时间步长，计算海岸平原和陆架的地形剖面，以确定地层基准面的近似值。在地层基准面位于地表之下的地方，沉积物以用户定义的最大速率被剥蚀，剥蚀的沉积物体积增加到沉积物预算中去。然后，预算的沉积物（新的体积加上被剥蚀沉积物体积）被分配到地层基准面位于地面之上的地方，而且向上堆积到基准面。充填作用之后，对海相斜坡进行持续监测，如果斜坡坡度比用户定义的要陡，沉积物则发生滑塌和再分配作用。对模型的每一步长，重复这一计算流程。

表8-1 本文模型模拟使用的正演模型参数值

在每一时间步长沉积物堆积的有效可容纳空间体积（二维中的面积）是在该时间步长内增加或移去可容纳空间的体积加上前一个时间步长中保留的未被充填的可容纳空间体积的函数。对每一个时间步长，随全球海平面变化、构造沉降和沉积物和水负载的抗挠补偿的变化，可容纳空间增加或减少。沉积物堆积作用和海平面上升增加水与沉积物负载，沉积物剥蚀和海平面下降减少水和沉积物负载。根据Turcotte和Schubert（1982）讨论，模型使用弹性弯曲方程（flexture equation）去计算由负载L（x）引起的挠曲w（x）：

高分辨率层序地层学

式中，D为岩石圈的弯曲刚度；g为重力加速度；ρ_m为地幔密度；ρ_r为代替物质的密度。替代物质是充填由于弯曲负载引起的沉降物质。对陆上沉积物，这些物质是空气；对海洋沉积物，这些物质是水。因为该模型已经计算了那个时间步长内的沉积物体积，并根据该模型的明确规则分配了沉积物，所以沉积物没有被用作代替物质。这同那些很少考虑盆地充填的地层和随意用沉积物代替弯曲补偿凹陷的构造模型形成对比。

对每一个时间步长，模型计算一个地层基准面的几何近似形态，以确定在什么时候、什么地方、多少量和在什么环境下沉积物沉积或剥蚀。基准面近似值是根据在地貌系统中对地形斜坡的经验观察和计算出的沉积物供应量和可容纳空间得到的。因此，基准面算法取决于全球海平面升降、构造沉降、地面负载的弯曲补偿、沉积地形、沉积物供应量和地貌剖面的几何近似值对地层的控制作用。

我们把地层基准面的几何近似形态分成三个地貌区域，分别相当于海岸平原、临滨和陆架环境（图8-2）。对于每一个相对于海滨位置的地貌区域计算一个基准面的几何近似形态，海滨的垂向位置是海拔高度，海滨的水平位置通过几何基准面函数（下面描述）、沉积物供应和可容纳空间之间的最好吻合来确定。在每一个时间步长期间，地层前积到有效的可容纳空间，直到该时间步长的沉积物预算被耗尽。对每一个时间步长，模型重新计算作为海滨新的水平位置和继承前一时间步长的盆地地形的函数的基准面剖面。所以，基准面近似值是一个动态函数，该动态函数响应所有地层过程参数随时间的变化产生连续变化的地形剖面。

图8-2 海岸平原、滨面、陆架三种环境中几何基准面

在这三种环境中，临滨的几何形态是最简单的一种，它是一个从海滨到用户定义的波基面深度之间的由用户定义的斜坡。为了计算陆地基准面，模型假设在源区（山峰）的固定位置和一个运动的海滨之间的汇水盆地剖面能够用一个近似的指数函数来表示：

高分辨率层序地层学

式中，y为基准面剖面的高度；x为在模型空间中的地形位置；m为源区（山峰）和模型空间之间的距离；a、b和c为模型计算的常量（表8-1和图8-3）。对每一个时间步长，使用用户定义的源区（山峰）的位置、模型计算的海滨位置和用户定义的海岸平原斜坡，模型计算未知常量a、b和c。

陆地基准面的地貌近似值是根据研究结果得出的，该研究结果指出一个均衡河流剖面可以用一个简单的指数函数近似表示（Snow和 Slingerland，1987）。在我们的模型中，这种近似意欲仅仅被应用在海岸平原中汇水盆地的较低达到位置。因此，应该使用海岸平原的向陆模型边界的向陆值。模型并不剥蚀初始盆地地形，也不假设初始盆地地形遵从指数函数。模型假设在向陆模型边界处供给盆地的沉积物是从海岸平原的汇水盆地向陆部分剥蚀的沉积物体积。

图8-3 陆地基准面示意图

如果计算的基准面下降地表之下，先期沉积的沉积物被剥蚀。剥蚀速率被用户定义的最大值所限制（表8-1和图8-3）。在每个地形位置，模型的剥蚀等于岩石圈表面和基准面之间差的沉积物厚度和模型时间样本比率乘以最大剥蚀比率的沉积物厚度中较小的一个沉积物厚度。被剥蚀的沉积物体积被加到那一个时间步长的沉积物预算中去，并在模型边界范围内再分布。

对于每一个时间步长，基准面剖面斜坡在山峰的某一固定位置、一个计算的海滨位置和一个固定的海岸平原斜坡之间调整。无论是哪一种，应该定义一个常量地貌剖面，当海拔高度变化时，该剖面在时间步长之间水平和垂向漂移。正像其他人（Posanmentier和Vial，1988）所倡导的，因为它要求山峰的水平和垂直运动同海平面位置的漂移是相互协同的（图8-4，也可参考Miall的讨论，1991），所以，我们不使用这种二者取一的方案。

图8-4 假设某一平衡地貌剖面就是模型中的地层基准面导致的结果示意图

为了计算海平面之下的基准面，模型假设在波基面之下沉积堆积速率呈指数减小，且深海斜坡从不超过一个临界坡度。这个算法同Lawrence等（1990）应用于陆架的算法类似。对每一个临滨角同波基面相交的向海位置，模型首先用下列关系计算沉积物厚度t_s：式中，A_s为波基面和在临滨底部开始的深海剖面之间的差；X_s为临滨向海方向的距离；α_s为用户定义的沉积速率衰减率（表8-1和图8-5）。被计算的层沉积之后，斜坡同用户定义的临界坡度进行比较，如果深海斜坡超出了这一临界坡度，那么模型向下滑动沉积物直到深海斜坡等于临界坡为止。

高分辨率层序地层学

图8-5 陆架环境基准面的近似