章丘煤田含煤區(qū)石炭-二疊煤系層序地層學(xué)研究

呂育林,梁吉坡

(1.山東科技大學(xué),山東 青島 266590；2.山東省地質(zhì)科學(xué)研究院,山東 濟(jì)南 250013)

隨著煤炭資源的不斷開采，人們開始將層序地層學(xué)應(yīng)用于含煤巖系的研究，經(jīng)過大量的研究和探索國內(nèi)學(xué)者已經(jīng)獲得了巨大的研究成果[1-6]。該文結(jié)合國內(nèi)外含煤巖系層序地層學(xué)成果進(jìn)行分析，對章丘煤田含煤巖系層序地層學(xué)進(jìn)行分析和研究，從而為研究區(qū)找煤預(yù)測提供理論依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

章丘煤田位于山東省北部章丘市境一帶(圖1)，西部跨濟(jì)南市歷城區(qū)，因其位于濟(jì)南市以東，20世紀(jì)70年代以來稱濟(jì)東煤田，西起濟(jì)南市東郊，以大致沿著黃河臥牛山斷層與黃河北煤田分界，東到禹王山斷層與淄博煤田毗鄰，南至石炭紀(jì)本溪組底部露頭，東西走向長約70km，南北寬約14.5km，含煤面積1101.7km2。其中已探明面積273.4km2，預(yù)測含煤面積828.3km2。在中、新生代又發(fā)生了多次構(gòu)造運(yùn)動，形成了現(xiàn)今的構(gòu)造格局。區(qū)內(nèi)石炭-二疊系主要由海陸過渡相的陸源碎屑含煤巖系組成，其中，主要含煤地層為太原組和山西組，煤層分布廣泛[7,8]。

圖1 章丘市區(qū)域位置圖

2 沉積體系

在研究章丘煤田石炭-二疊系沉積體系時，共識別出:障壁—瀉湖沉積體系、潮坪沉積體系、濱外陸棚沉積體系和河控淺水三角洲沉積體系4種沉積體系。

(1)障壁-瀉湖沉積體系。主要發(fā)育在石炭紀(jì)太原組，本溪組也有分布。發(fā)育障壁島相、瀉湖相等沉積相類型，在章丘煤田地層中該沉積體系中障壁島具有發(fā)育規(guī)模較小、分布范圍有限的特點(diǎn)。障壁島相巖性以細(xì)粒石英砂巖為主，瀉湖相巖性以深灰—灰黑色泥巖為主(圖2)。

(2)潮坪沉積體系。潮坪相廣泛分布于障壁島島后地帶以及瀉湖周圍地帶。其中潮坪相巖性以泥巖、砂質(zhì)泥巖與粉砂巖互層為主，砂巖分選性較好，泥炭坪巖性主要以黑色炭質(zhì)泥巖夾薄煤層為主(圖3)。

圖2 章丘嶺子礦區(qū)14號井瀉湖沉積特征

圖3 章丘嶺子礦區(qū)14號井潮坪沉積特征

(3)淺水三角洲沉積體系。主要發(fā)育于早二疊世山西組中，巖性組合主要為砂泥巖夾多層薄煤層及炭質(zhì)泥巖(圖4)。三角洲平原的大面積發(fā)育造就了廣泛的成煤環(huán)境。該區(qū)主要發(fā)育三角洲平原亞相分流河道、泥炭沼澤、分流間灣和天然堤微相。分流河道微相巖性以中粗粒砂巖、含礫粗砂巖為主，垂向上呈正粒序。泥炭沼澤微相主要發(fā)育暗色泥巖、炭質(zhì)泥巖、塊狀層理。分流間灣微相主要發(fā)育灰色、灰黑色泥巖和泥質(zhì)砂巖。天然堤微相在該區(qū)不甚發(fā)育，主要發(fā)育砂泥巖互層，見微波狀層理。

(4)濱外碳酸鹽臺地沉積體系。該類沉積相主要分布于早石炭世地層中，石灰?guī)r層和泥灰?guī)r層發(fā)育(圖5)，主要是一些生物碎屑顆粒質(zhì)泥巖和泥質(zhì)顆粒巖，生物顆粒比較發(fā)育，生物化石常見有：有孔蟲、介形蟲、腕足等原地生物組合，以及一些異地搬運(yùn)的生物化石碎片組合。

圖4 章丘平陵礦區(qū)6號井河控三角洲沉積

圖5 章丘嶺子礦區(qū)14號井濱外碳酸鹽臺地沉積特征

前人研究表明[9]，下部本溪組、太原組代表了穩(wěn)定臺地背景下的陸表海含煤盆地充填沉積序列，為一個原型盆地的充填層序，在本溪組沉積期，研究區(qū)上部主要發(fā)育泥巖和鋁土質(zhì)泥巖等瀉湖、風(fēng)化殼沉積，下部為砂巖沉積；在太原組沉積期，研究區(qū)主要發(fā)育有濱外碳酸鹽巖陸棚相灰?guī)r，瀉湖相泥巖及沖越扇相、潮坪相砂巖沉積，而煤層則主要分布于瀉湖和沼澤環(huán)境相中。在陸表海充填序列中以潮坪沉積體系的多次疊覆為特色。而在上部山西組沉積期為大型陸相盆地充填層序，研究區(qū)以發(fā)育三角洲平原分流河道砂巖及分流間區(qū)泥巖沉積為主，局部見河口壩砂巖，煤層主要形成于分流間灣沼澤環(huán)境。

3 層序劃分

根據(jù)層序界面識別原則，在研究區(qū)石炭-二疊紀(jì)含煤巖系自下而上的本溪組、太原組、山西組中共識別出4個層序界面[10-12]，并將其劃分為3個三級層序(圖6)。層序主要特征分述如下：

圖6 山東省章丘煤田石炭-二疊紀(jì)含煤巖系沉積相及層序地層柱狀圖

(1)層序Ⅰ。大致對應(yīng)于晚石炭世本溪組及早二疊世太原組下部，地層厚約100m，層序底界面為一區(qū)域不整合面，即奧陶系與石炭系之間的界面。界面之下為奧陶紀(jì)巨厚層狀灰?guī)r，界面之上為本溪組古風(fēng)化殼及鋁土巖等標(biāo)志層。發(fā)育煤層17，18。層序Ⅰ主要發(fā)育海侵體系域和高位體系域。海侵體系域在全區(qū)均有發(fā)育，主要由瀉湖及沼澤相泥巖、碳質(zhì)泥巖、鋁土巖，碳酸鹽臺地相石灰?guī)r、潮坪相砂巖等組成。風(fēng)化殼標(biāo)志著初始海泛面，代表海侵的開始。海侵面與層序界面基本一致，位于代表風(fēng)化殼的鋁土質(zhì)粘土巖及泥巖的底面，代表基準(zhǔn)面開始上升。高位體系域也全區(qū)發(fā)育，主要由濱外碳酸鹽臺地相石灰?guī)r、潮坪、沼澤及瀉湖相粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖和碳質(zhì)泥巖組成。最大海泛面位于13號石灰?guī)r的底部。

(2)層序Ⅱ。大致對應(yīng)于早二疊世太原組中上部，地層厚約150m，層序底界面主要為瀉湖、沼澤環(huán)境下形成的16號煤層的底面。發(fā)育煤層8，14，16上，16下。層序Ⅱ主要發(fā)育海侵體系域和高位體系域。海侵體系域主要由碳酸鹽臺地相石灰?guī)r，瀉湖與沼澤相砂巖、砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖以及煤層組成。16號煤層的底面標(biāo)志著初始海泛面，代表海侵的開始。海侵面與層序界面重疊，為該區(qū)典型的海侵方向轉(zhuǎn)換面，以16號煤層底面為界，海侵方向由原來的北東向變?yōu)槟蠔|向[13]。高位體系域全區(qū)發(fā)育，主要由碳酸鹽臺地相石灰?guī)r、障壁砂壩、潮坪和沼澤相砂巖、砂質(zhì)泥巖、碳質(zhì)泥巖及煤層等組成。

(3)層序Ⅲ。 大致對應(yīng)于二疊紀(jì)山西組，地層厚約120m，層序底界面為下三角洲平原分流河道下切谷砂巖底面。發(fā)育3上、3下煤層，但厚度較小。層序Ⅲ發(fā)育低位體系域、海侵體系域及高位體系域。低位體系域全區(qū)發(fā)育，主要由下三角洲平原分流河道下切谷砂巖組成。海侵體系域在其余區(qū)域均發(fā)育，主要由分流河道相粗砂巖及中砂巖、分流間灣相細(xì)砂巖及粉砂巖、沼澤相泥巖及煤層等組成[14-18]。初始海泛面主要為代表著分流間灣沉積環(huán)境的一套粉砂巖的底面，有時直接為3號煤層底板。高位體系域全區(qū)發(fā)育，主要由粒度總體向上變細(xì)的分流間灣、分流河道砂體組成。最大海泛面位于3號煤層的頂面，其主要原因仍然是受中部的河道所影響。

4 基于層序格架下的古地理演化

章丘煤田三級層序Ⅰ包括本溪組和太原組下部地層，在沉積時代上相當(dāng)于晚石炭世早期到晚石炭世晚期初。中奧陶世末期的加里東運(yùn)動，使章丘煤田西部上升，遭受長期風(fēng)化剝蝕，地形起伏不平，在這種古地理背景中，早期沉積物就起到了填平補(bǔ)齊的作用。隨著地殼的下沉，海水逐漸侵入，形成廣闊的陸表海，發(fā)育了一套碳酸鹽臺地-瀉湖相為主的沉積，大部分地區(qū)不具備成煤或僅發(fā)育有煤線[19]，總之，本溪期的泥炭沼澤相很不發(fā)育，造成泥炭堆積的時間短，有利于成煤的環(huán)境也很局限，因此，這一時期無重要的煤層發(fā)育。層序Ⅰ沉積的總厚度較小，一般為40～60m，古地理景觀分布較均勻，古地理單元呈NW—SE方向展布，自SW向NE發(fā)育濱外泥質(zhì)地臺和濱外碳酸鹽臺地古地理單元(圖7)，說明當(dāng)時海水來自研究區(qū)的東北方向。

圖7 三級層序Ⅰ巖相古地理圖

章丘煤田三級層序Ⅱ括包括太原組中上部，在沉積時代上相當(dāng)于晚石炭世晚期和早二疊世早期，具體為太原組16號煤層底板到太原組頂部。早二疊世初始，由于海侵的擴(kuò)大，沉積了臺地相的徐灰，覆蓋于本溪組煤層之上。由于地殼頻繁的振蕩運(yùn)動，又出現(xiàn)了短暫的海退，在碳酸鹽臺地之上形成了泥炭坪，發(fā)育了不穩(wěn)定的煤層，繼而被海侵沉積物覆蓋[20-22]。從16煤成煤前巖相古地理看，僅局部有障壁島相，反映了成煤前古地形比較平坦，相帶不夠明顯的特征，同時也反映了此期泥炭沼澤形成于廣闊的潮坪之上。此期構(gòu)造運(yùn)動相對穩(wěn)定，沉積了比較穩(wěn)定的16，17煤層。從章丘煤田的古環(huán)境看，海進(jìn)較晚，海退較早，聚煤時間長，發(fā)育了比較穩(wěn)定的煤層，而南部聚煤時間相對較短，成煤效果差。層序Ⅱ總厚度相對較大，一般為90～120m。該層序為陸表海有障壁海岸沉積，再經(jīng)過層序Ⅰ沉積期的填平補(bǔ)齊作用，層序Ⅱ沉積時基底平坦，總體來看厚度由中間向四周增大。層序Ⅱ地層巖性主要為泥巖、粉砂巖夾砂巖、石灰?guī)r及煤層。層序Ⅱ沉積期海侵主要來自南和東南方向，章丘煤田當(dāng)時主要為潮坪和瀉湖沉積，南部發(fā)育障壁島古地理單元(圖8)，層序Ⅱ(太原組主體)沉積期海侵主要來自南和東南方向，這與同時期華北盆地海侵方向一致。

圖8 三級層序Ⅱ巖相古地理圖

三級層序Ⅲ對應(yīng)于山西組，在沉積時代上相當(dāng)于早二疊世中早期。章丘煤田由開闊陸表海環(huán)境過渡為半封閉的瀉湖海灣環(huán)境，在海退過程中，海灣逐漸被充填，而形成濱海平原，山西期在廣闊的濱海平原，瀉湖、潮坪基底上發(fā)育了三角洲平原。三角洲前緣沉積層序Ⅲ的沉積厚度一般為50～100m。層序Ⅲ砂巖較發(fā)育，其值變化范圍較大，一般在40～60m之間。山西期在章丘煤田形成以三角洲環(huán)境為主體的古地理景觀(圖9)，發(fā)育了以三角洲體系為主體間夾河流體系的沉積組合。區(qū)內(nèi)沒有海相沉積物發(fā)育，說明層序Ⅲ沉積期華北發(fā)生大規(guī)模海退，章丘煤田已不再受海水作用的直接影響。章丘以西主要為三角洲平原相中的分流河道、分流河道—分流間灣、分流河道—河漫灘、泥炭沼澤的共生組合，而以東則主要為分流河道沉積，根據(jù)沉積物組合特征和發(fā)育特點(diǎn)及三角洲相的分布形態(tài)分析，章丘煤田西部則反映了三角洲前緣分流間灣的某些特點(diǎn)，而東部為河控淺水三角洲體系，從而決定了泥炭堆積的空間分布及大槽煤發(fā)育程度的差異[23,24]。存在著分流間灣—分流河道沉積，煤層發(fā)育較好，山西組煤層成為主采煤層，局部發(fā)育了河口沙壩等。

圖9 三級層序Ⅲ巖相古地理圖

5 結(jié)論

(1)在研究章丘煤田石炭-二疊系沉積體系時，共識別出以下4種沉積體系，即障壁—瀉湖沉積體系、潮坪沉積體系、濱外陸棚沉積體系和河控淺水三角洲沉積體系。整個煤田充填序列的沉積物粒度總體向上變粗，顏色向上變淺，海相沉積主要發(fā)育于陸表海層序中，含煤性自下往上變差。

(2)通過對研究區(qū)層序地層的研究認(rèn)為層序Ⅰ發(fā)育高水位體系域和海侵體系域，主要由潮坪沉積體系、障壁-瀉湖沉積體系和碳酸鹽臺地沉積體系組成，可以將其細(xì)分為2個4級層序。層序Ⅱ發(fā)育海侵體系域和高水位體系域，主要由潮坪體系、濱外陸棚體系和障壁-瀉湖沉積體系組成，可以將其繼續(xù)劃分為3個4級層序單元。層序Ⅲ低水位體系域、海侵體系域、高水位體系域都有較好發(fā)育，主要由淺水曲流河三角洲沉積體系組成，可以細(xì)分為4個4級層序單元。

(3)恢復(fù)了章丘煤田等時層序地層格架下古地理演化：三級層序Ⅰ沉積時，古地理景觀分布較均勻，古地理單元呈NW-SE方向展布，自南西向北東發(fā)育濱外碳酸鹽臺地古地理單元，當(dāng)時古地理格局是西南高、東北低，海侵主要來自東北方向。三級層序Ⅱ在沉積時代上相當(dāng)于晚石炭世晚期和早二疊世早期，章丘煤田當(dāng)時主要為潮坪和瀉湖沉積，古地理格局已變?yōu)楸辈扛?、南部低，海侵主要來自南方。三級層序Ⅲ對?yīng)于山西組沉積期受南北向的水系控制，古地理單元以三角洲平原為主，其次為曲流河等，盆地物源為NNW方向。

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