貴州仁懷吳家寨地區(qū)晚二疊世龍?zhí)督M層序地層與聚煤作用分析

劉志臣 汪 洋 李隆富 陳 登1, 龍宣霖 陳云明 張建忠 時中越

(1. 中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院, 湖北省武漢市, 430074；2. 貴州省地礦局一O二地質(zhì)大隊, 貴州省遵義市, 563003)

貴州是我國煤炭資源蘊藏極為豐富的省份，素有“江南煤?！敝u，是中國重要的煤炭生產(chǎn)基地，貴州仁懷—習(xí)水—桐梓地區(qū)煤炭資源豐富，是貴州煤炭重要產(chǎn)區(qū)之一。研究區(qū)位于仁懷—桐梓—習(xí)水交界部位，為貴州省地質(zhì)勘查基金第三批整裝勘查區(qū)，前人對該區(qū)含煤巖系的研究主要集中在地層特征、古生物特征和沉積相方面來開展聚煤規(guī)律的研究，而利用層序地層學(xué)理論方法，對研究區(qū)晚二疊世龍?zhí)督M含煤地層的劃分、層序構(gòu)成、沉積體系開展聚煤規(guī)律研究較少。本文利用鉆孔巖心資料、測井?dāng)?shù)據(jù)對研究區(qū)龍?zhí)督M開展地層格架基準(zhǔn)面旋回的識別、劃分和對比，開展研究區(qū)聚煤作用的分析，指導(dǎo)該區(qū)煤炭整裝勘查工作，特別是優(yōu)質(zhì)厚煤的攻深找盲，以便實現(xiàn)整裝勘查區(qū)重大的找礦突破。

研究區(qū)含煤巖系為二疊紀(jì)上統(tǒng)龍?zhí)督M(P3l)，地層厚55～85 m，平均厚74 m，巖性主要為粉砂巖、細(xì)砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥巖、粘土巖、煤、灰?guī)r等，可見植物類、腕足類化石，含星散狀、團塊狀黃鐵礦，為一套海陸交互相的沉積巖?？傮w含煤層、煤線8～12 層，其中，可采煤層為4層(C5、C8、C11、C12煤層)，煤層平均厚10 m，含煤率13%。研究區(qū)地質(zhì)概況如圖1所示。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

研究區(qū)大地構(gòu)造位置位于揚子準(zhǔn)地臺黔北臺隆遵義斷拱畢節(jié)北東向構(gòu)造變形區(qū)。區(qū)域上出露奧陶系、志留系、二疊系、三疊系、侏羅系地層，石炭系、泥盆系和志留系地層缺失，均為沉積巖。褶皺主要為北東向的背、向斜構(gòu)造，斷層主要為北東向高角度的正斷層、逆斷層。

1-侏羅系；2-三疊系；3-二疊系龍?zhí)督M與長興組；4-二疊系茅口組與棲霞組； 5-斷層；6-背向斜軸線；7-志留系；8-奧陶系；9-寒武系；10-震旦系；11-研究區(qū)范圍 圖1 研究區(qū)地質(zhì)簡圖

2 關(guān)鍵層序界面的識別

本次含煤巖系的層序、體系域劃分主要采用Exxon公司“Vail”學(xué)派的觀點，依據(jù)巖心和測井曲線所反映出來的地層旋回特點和地層突變面標(biāo)志特征來識別各關(guān)鍵界面，層序級別采用三級層序劃分方案。

2.1 層序界面識別

(1)區(qū)域不整合面。古構(gòu)造運動形成的區(qū)域性不整合面是地層劃分的重要界面。由于研究區(qū)晚二疊世的東吳運動抬升、剝蝕作用，茅口組與龍?zhí)督M不整合面為上二疊統(tǒng)層序的底界，識別為sb1層序界面，全區(qū)普遍發(fā)育，易于識別對比。研究區(qū)ZK2103測井曲線圖顯示上二疊統(tǒng)下界與上界的巖性明顯不同，在該處GR和NR測井曲線突然增大。

(2)沉積體系轉(zhuǎn)換面。由于構(gòu)造運動或其他因素引起的海平面快速、大幅下降，造成盆地內(nèi)海水退出，沉積體系由海陸交互相轉(zhuǎn)換為陸相沉積，形成沉積體系轉(zhuǎn)換面。研究區(qū)C11煤層頂板砂巖界面下為瀉湖—潮坪沉積體系，界面上為三角洲平原沉積體系，該砂巖為一沉積體系轉(zhuǎn)換面，識別為sb2層序界面。

(3)下切谷砂巖體。區(qū)域性砂巖代表低位期的河流下切滯留沉積，底面為一種侵蝕不整合面，可作為層序界面劃分的標(biāo)志。研究區(qū)龍?zhí)督MC6煤層頂板砂巖可識別為sb3層序界面，底界面經(jīng)歷了河道強烈下切作用，其碎屑成分、沉積環(huán)境和古生物組合等有明顯的差異。

(4)古土壤及根土巖。煤層底板發(fā)育植物根的泥巖相當(dāng)于現(xiàn)代潮濕氣候下的淋濾土、潛育土，是地表暴露的一個主要標(biāo)志，代表了一段時間的沉積間斷。研究區(qū)龍?zhí)督M發(fā)育有潛育土，可用煤層的底面，即根土巖的頂面作為層序劃分的界面。

2.2 體系域界面的識別

(1)初始海泛面(fs)的識別標(biāo)志。一般將砂巖之上覆蓋的泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖等細(xì)粒巖石的底面定為初始海泛面。在沒有低位體系域的地帶, 初始海泛面直接覆蓋于古土壤層之上與層序界面重合, 此時的古土壤可能比較發(fā)育。

(2)最大海泛面(mfs)的識別標(biāo)志。最大海泛面在一套向上變細(xì)、變深的沉積序列中，以相對較大的厚度出現(xiàn)時，頂面作為最大海泛面的位置。另外，區(qū)域分布的厚煤層多是最大海泛期的沉積，常發(fā)育大型三角洲間灣沼澤、河道間沼澤，從而發(fā)育了分布范圍廣泛、厚度較大的煤層，這樣的煤層出現(xiàn)可確定為最大海泛位置，如圖2所示。

圖2 最大海泛面及初始海泛面

3 層序地層格架的建立

研究區(qū)的龍?zhí)督M可識別出3個三級層序界面，即SQ1、SQ2、SQ3，根據(jù)識別出的初始海泛面(fs)和最大海泛面(mfs)進一步將層序劃分出體系域。選取研究區(qū)地層較全的鉆孔作了層序地層精細(xì)分析，如圖3所示，選取了北西—南東向的剖面進行聯(lián)井層序地層學(xué)對比分析，對各層序的體系域類型、特征進行空間和時間的對比，如圖4所示。

(1)三級層序SQ1。由層序邊界sb1和sb2界定，sb1為龍?zhí)督M與茅口組之間的區(qū)域不整合面，界面之下為淺灰色厚層狀微晶灰?guī)r，界面之上為淺灰色含黃鐵礦粘土巖。SQ1厚9～11 m，被最大海泛面(mfs)劃分為海侵體系域和高位體系域，低位體系域不發(fā)育。海侵體系域(TST)位于區(qū)域不整合面(sb1)和最大海泛面(mfs)之間，沉積期間隨著水體加深，沉積一套退積的淺灰色含黃鐵礦粘土巖、深灰色泥巖及粉砂質(zhì)泥巖，發(fā)育C12高硫煤層，為瀉湖相環(huán)境。最大海泛面(mfs)之上為高位體系域，巖性主要為細(xì)砂巖、粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、泥巖及C11煤層，巖性自北西向南東逐漸變細(xì)，C11煤層中含較多粉晶狀、結(jié)核狀黃鐵礦，為潮汐沙壩及潮坪沼澤環(huán)境；高位體系域分布廣泛，全區(qū)鉆孔均有揭露，平均厚度14.5 m，厚度有從北西向南東先變厚再變薄的趨勢。

1-細(xì)砂巖；2-粉砂巖；3-泥質(zhì)粉砂巖；4-粉砂質(zhì)泥巖；5-泥巖；6-煤層；7-粘土巖；8-水平紋理；9-互層層理； 10-交錯層理；11-小型槽狀交錯層理；12-波狀層理；13-小型水流波痕；14-正粒序；15-倒粒序；16-煤層及編號 圖3 二郎ZK303龍?zhí)督M層序地層綜合柱狀圖

(2)三級層序SQ2。剖面線上各井都控制，地層厚度變化不明顯，為龍?zhí)督M煤層最發(fā)育的層序。根據(jù)識別的初始海泛面(fs)和最大海泛面(mfs)進一步細(xì)分低位體系域、海侵體系域和高位體系域。低位體系域位于sb2和初始海泛面(fs)之間，分布于研究區(qū)北東部及中部，東南部缺失，巖性主要為細(xì)砂巖、粉砂巖及泥質(zhì)粉砂巖，沉積環(huán)境以三角洲平原分流河道為主，低位體系域期間未發(fā)育煤層，只在少數(shù)鉆孔中見薄煤線。海侵體系域位于初始海泛面(fs)和最大海泛面(mfs)之間，巖性主要為泥巖、煤層、粘土巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖及炭質(zhì)泥巖組成，泥巖及炭質(zhì)泥巖中見大量植物葉片化石，見水平層理、波狀層理，煤層較發(fā)育，發(fā)育C8優(yōu)質(zhì)煤層、C9煤層和若干薄煤層、煤線，該體系域由下至上由分流間灣和泥炭沼澤兩個微相組成。高位體系域位于最大海泛面(mfs)和sb3之間，主要為三角洲平原環(huán)境，發(fā)育C6、C7煤層，由多個發(fā)育并不完全的向上變細(xì)的亞層序組成，說明在該體系域內(nèi)基準(zhǔn)面的波動是頻繁的，在海陸過渡相的沉積環(huán)境中，頻繁的海陸交鋒有利于煤層的形成。

1-細(xì)砂巖；2-粉砂巖；3-泥質(zhì)粉砂巖；4-粉砂質(zhì)泥巖；5-泥巖；6-煤層；7-粘土巖；8-自然伽馬 圖4 研究區(qū)晚二疊世龍?zhí)督M層序地層對比圖

(3)三級層序SQ3。剖面線上各井均控制，厚度較穩(wěn)定，發(fā)育完整。由低位、海侵、高位體系域組成(ZK3703不發(fā)育低位體系域)，高位體系域?qū)儆陂L興期沉積，在龍?zhí)督M內(nèi)由初始海泛面分為低位體系域和海侵體系域。低位體系域位于sb3和初始海泛面之間，主要巖性為細(xì)砂巖、泥質(zhì)粉砂巖夾少量泥巖，為三角洲平原決口扇壞境。海侵體系域從初始海泛面一直到龍?zhí)督M結(jié)束，主要沉積深灰色泥巖、煤層及灰?guī)r，發(fā)育水平層理、波狀層理，沉積相主要為瀉湖、碳酸巖鹽潮坪沉積環(huán)境。高位體系域為碳酸巖鹽陸棚沉積，巖性為中厚層狀含燧石結(jié)核灰?guī)r夾灰黑色泥質(zhì)條帶。

4 聚煤作用分析

研究區(qū)晚二疊世的沉積環(huán)境主要為三角洲平原、瀉湖-潮坪環(huán)境，水深適宜，物源供給足，三角洲平原上沼澤發(fā)育廣泛，為煤層的形成提供了良好的保存條件，加之氣候溫暖潮濕，植物大量繁盛，利于煤層形成，主要發(fā)育了C5、C8、C12等煤層，具有全區(qū)的連續(xù)性。

4.1 聚煤作用控制因素分析

4.1.1 古植物和古氣候

古植物和古氣候是控制聚煤作用的主導(dǎo)因素之一，據(jù)古生物及古地質(zhì)資料，晚二疊世揚子板塊位于赤道附近，研究區(qū)當(dāng)時為溫暖潮濕的熱帶雨林氣候，高等造煤植物群十分繁盛，為大規(guī)模聚煤作用提供了豐富的物質(zhì)基礎(chǔ)。

4.1.2 古構(gòu)造因素

區(qū)域性地殼升降運動是聚煤作用的宏觀控制因素，貴州晚二疊世聚煤盆地屬構(gòu)造聚煤盆地，斷陷和坳陷兼而有之，研究區(qū)整體屬斷坳形聚煤盆地。聚煤盆地發(fā)育初期，西部斷裂活動強烈，導(dǎo)致大量玄武巖漿噴溢，對聚煤盆地基底起了填平補齊作用。

4.1.3 古地理因素

聚煤作用可發(fā)生在有常年積水的洼地環(huán)境，但聚煤作用強度由上三角洲平原、下三角洲平原、潮坪、瀉湖、障壁壩、碳酸鹽巖臺地依次具有減弱趨勢。根據(jù)巖相古地理分析，本區(qū)晚二疊世主要發(fā)育三角洲，瀉湖-潮坪以及碳酸鹽臺地沉積體系。其中，三角洲型聚煤最好，研究區(qū)龍?zhí)督M中期屬三角洲平原聚煤類型，含煤性好，可采率高，為富煤地帶，且煤層灰分、硫分均較低，C6、C7、C8優(yōu)質(zhì)煤層是三角洲平原成煤環(huán)境形成的主要煤層。瀉湖-潮坪型聚煤次之，研究區(qū)龍?zhí)督M早期屬該類型，以C11、C12煤層較為典型。碳酸鹽臺地型聚煤較差，研究區(qū)C5煤層為該類型，煤層發(fā)育差，層數(shù)少，煤層薄，硫分高，延伸不連續(xù)。

4.2 層序地層格架中的聚煤作用

控制煤層形成最關(guān)鍵的因素是可容納空間變化速率和泥炭生產(chǎn)速率相平衡。厚煤層往往形成于適宜條件下的可容空間增加速率和泥炭生產(chǎn)速率相間保持長時間的平衡。

4.2.1 各層序沉積期聚煤作用特征

研究區(qū)龍?zhí)督M層序SQ1、SQ2、SQ3聚煤規(guī)律如圖5所示。研究區(qū)SQ1的煤層厚度變化在0.3～5.0 m之間，平均1.8 m，將煤層厚度等值線與SQ1巖相古地理圖相結(jié)合可以看出煤層在瀉湖—潮坪環(huán)境下較發(fā)育，隨著水體加深，煤層有變薄的趨勢。此時研究區(qū)聚煤中心在容光一帶，煤層最厚大于5.0 m，為瀉湖環(huán)境成煤，煤層多為高硫煤，以C12煤層為代表。

SQ2的煤層厚度變化在3.5～11 m之間，平均厚6.5 m，與SQ2巖相古地理圖相結(jié)合可以看出煤層主要形成于三角洲平原環(huán)境。此時研究區(qū)聚煤中心位于吳家寨、火石崗一帶，平面上煤層厚度表現(xiàn)為研究區(qū)南厚北薄，三角洲平原煤層最厚。物源自南西向由河流帶來，海進方向由東向西。

SQ3的煤層厚度變化在0.25～6.0 m之間，平均11.5 m，與SQ3巖相古地理圖相結(jié)合可以看出研究區(qū)此時正處于瀉湖及碳酸巖巖臺地環(huán)境，煤層主要形成于瀉湖環(huán)境，碳酸巖鹽臺地相煤層最薄，海侵為南東向，物源來自于西北康滇古陸。

綜上所述，研究區(qū)晚二疊世龍?zhí)督M聚煤作用特點如下：聚煤作用好的地帶均為古三角洲平原，發(fā)育在SQ2期間，分布于火石崗、吳家寨及以南地區(qū)；其次為潮坪-瀉湖環(huán)境，此時形成的煤層厚度較大，全區(qū)連續(xù)；聚煤作用差的地帶為碳酸鹽臺地相。

1-下三角洲平原；2-上三角洲平原；3-潮坪；4-障壁沙壩；5-瀉湖；6-碳酸鹽巖臺地； 7-物源方向；8-海侵方向；9-煤層厚度等值線/m；10-城鎮(zhèn)；11-研究區(qū) 圖5 研究區(qū)龍?zhí)督M層序SQ1、SQ2、SQ3聚煤規(guī)律圖

4.2.2 聚煤作用與沉積環(huán)境的關(guān)系

研究區(qū)龍?zhí)督MSQ1海侵體系域及高位體系域各沉積了一層局部可采煤層C12和C11煤層，煤層厚0.36～1.33 m，均為高硫煤，這是由于較深的水體不利于植物的大量發(fā)育，泥炭堆積速率遠(yuǎn)小于水體變化。SQ2為研究區(qū)煤層最為發(fā)育的層序，隨著SQ1晚期的大規(guī)模海退，研究區(qū)海平面向東后退幾十公里，此時研究區(qū)中南部三角洲相廣泛發(fā)育，分流間灣相互疊置，環(huán)境比較穩(wěn)定，沼澤條件可以較持續(xù)存在，且淡水條件占優(yōu)勢，為較厚煤層的形成提供了條件，水體深度適中，發(fā)育多套煤層，且厚度較大，其中就包括C7、C8、C9等煤層，形成低硫、特低硫煤，且以有機硫為主；SQ3海侵體系域早期為瀉湖環(huán)境，半咸水、咸水環(huán)境形成高硫煤，以黃鐵礦硫為主，此時沉積了一層局部可采的高硫C5煤層，之后隨著海侵的持續(xù)進行，進入碳酸鹽巖相的長興期。

4.2.3 聚煤作用與海平面變化的關(guān)系

研究區(qū)內(nèi)煤層主要發(fā)育于海侵體系域，然后為高位體系域，在低位體系域內(nèi)煤層不發(fā)育，具有明顯的規(guī)律性。聚煤作用受到海平面變化的控制，海平面變化提供了有機質(zhì)堆積的潛在容納空間，海平面升降周期的長短決定了聚煤作用持續(xù)發(fā)育的時間，周期性的海平面變化控制了聚煤作用的時空演化。海平面的升降變化與特定的體系域相聯(lián)系，低位體系域時期，海平面相對較低，濱岸地帶因沼澤具極低的地下水位而使泥炭暴露、遭受風(fēng)化剝蝕，故低位體系域無重要聚煤產(chǎn)生。海侵體系域時期，海平面上升速率超過物源供給速率，逐漸增加的可容納空間滿足泥炭的堆積，可形成區(qū)域分布煤層，但隨海平面的持續(xù)上升，較深的水體不利于植物的持續(xù)生長，泥炭堆積終止?？傊?，研究區(qū)海侵體系域有較好煤層的發(fā)育。高位體系域時期，物源供給速率超過海平面上升速率，河流帶來的大量碎屑沉積物促使盆地變淺，為大面積泥炭沼澤發(fā)育提供了基底條件，在溫暖潮濕的氣候條件下植物群落生長繁盛，形成大面積發(fā)育的泥炭沼澤，為區(qū)域性厚煤層的形成提供了條件。

4.3 優(yōu)質(zhì)煤的分布

研究區(qū)主要可采煤層煤質(zhì)灰分、揮發(fā)份均相當(dāng)，煤中的含硫量為本區(qū)劃分優(yōu)質(zhì)煤的重要因素。研究區(qū)主采煤層自下而上硫分總體呈先減小后增大的趨勢，C12煤層為高硫煤，C8煤層以低硫煤為主，C5煤層以中高硫煤為主，可采煤層煤中硫主要以硫化鐵硫為主(C8煤層除外)，與全硫呈正相關(guān)關(guān)系。C8煤層為本區(qū)的優(yōu)質(zhì)煤層，該煤層發(fā)育于SQ2，物緣供給方向為自南向北，其三角洲相的展布范圍和C8煤層的展布范圍相當(dāng)，是找尋優(yōu)質(zhì)煤的主要環(huán)境和地段。

5 結(jié)論

(1)研究區(qū)含煤巖系形成于瀉湖、潮坪—三角洲—瀉湖、潮坪沉積體系，共識別出3個層序界面，劃分了3個三級層序：SQ1為龍?zhí)督M底部至C11煤層頂面；SQ2為C11煤層頂板砂巖至C5煤層底板砂巖；SQ3為C5煤層至龍?zhí)督M頂部。

(2)層序SQ1為瀉湖、潮坪沉積體系，高位體系域分布廣泛，產(chǎn)C12、C11高硫煤；層序SQ2為三角洲平原環(huán)境，是龍?zhí)督M煤層最發(fā)育的層序， 產(chǎn)C9、C8、C7、C6低硫煤，其中C8煤層為特低硫優(yōu)質(zhì)煤層，厚煤層形成于三角洲平原泥炭沼澤。層序SQ3海侵體系域早期為瀉湖環(huán)境，產(chǎn)C5高硫煤。

(3)研究區(qū)聚煤作用受古植物、古氣候、古構(gòu)造和古地理的控制。聚煤作用和沉積環(huán)境、海平面的變化關(guān)系密切，控制了可容納空間變化速率和泥炭生產(chǎn)速率；煤層主要發(fā)育于海侵體系域(C5、C8、C12煤層)，其次為高位體系域(C11、C7、C6煤層)，在低位體系域內(nèi)煤層不發(fā)育。

(4)三角洲平原相聚煤作用最好，在研究區(qū)中南部三角洲相廣泛發(fā)育，即火石崗、吳家寨及以南地區(qū)，其低硫、特低硫優(yōu)質(zhì)厚煤層的聚煤中心就處于該區(qū)域；其次為潮坪-瀉湖相，形成的煤層厚度較厚，含硫量均偏高，但全區(qū)連續(xù)；碳酸鹽臺地相的聚煤作用較差。

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