内蒙古平庄盆地层序地层与聚煤规律.pdf

文章编号10012198620080120009205 内蒙古平庄盆地层序地层与聚煤规律 闫剑飞 1 ,王宇林 2 ,谭钦银 1 ,余 谦 1 1. 中国地质调查局成都地质矿产研究所,四川 成都 610081 ; 2.辽宁工程技术大学资源与环境工程学院,辽宁 阜新 123000 摘要利用平庄盆地钻孔和矿井地质资料,结合野外地质调查等工作,运用沉积学、 层序地层学及煤 田地质学的基本理论和方法,根据古构造运动面和大面积侵蚀面,将平庄盆地含煤岩系 杏园组 和元宝山组划分为1个超层序和2个层序,并把层序划分为低水位体系域LST、 湖泊扩展体系域 LTST、 湖泊萎缩体系域LCST和非湖泊体系域NLST。总结出层序地层与聚煤规律的关系是 LST和LTST基本无聚煤作用发生;LCST局部有利地段可发育薄煤层,但无工业利用价值;NLST聚 煤条件最有利,常形成厚煤层。 关 键 词陆相断陷盆地;煤系;层序地层;聚煤规律;平庄盆地 中图分类号P539. 2 ;P618. 1102 文献标识码A Sequence stratigraphy and coal - ing laws in Pingzhuang basin of Inner Mongolia Y AN Jian2fei 1 ,WANG Yu2lin 2 ,TAN Qin2yin 1 ,Y U Qian 1 1. Chengdu Institute of Geology and Mineral Resources,Chengdu610081 ,China; 2.College of Resource and Environment Engineering,Liaoning Technical University,Fuxin123000 ,China Abstract The sequence stratigraphy of coal measures in the Pingzhuang basin has been studied by drilling core data andfield geo2 logic survey. Applied theoretics and s of sedimentology , sequence stratigraphy and coal geology , judged by the surface of palaeotectonics and large scale erosion surface , Xingyuan ation and Yuanbaoshan ation which are coal measures of Ping2 zhuang basin , were divided into one supersequence and two sequences; and then the sequence was subdivided into LST, LTST, LCST and NLST; the sequence of stratigraphic characteristics were expounded; at last , the relationship of sequence stratigraphy and coal - ing law were summed up. It is indicated that in the LST and LTST there is basically no coal2ing action;in the LCST locally has thin coal seams without industrial development value;the NLST has favorable coal2ing conditions ,ed thick coal seams. Key wordscontinental rift - subsidence basins;coal measures;sequence stratigraphy;coal2ing law;Pingzhuang basin 层序地层学能提供一种更准确的年代地层对比 框架,有助于正确恢复古地理面貌和相关沉积矿产 预测 [1 - 3] 。近年来,很多学者尝试将其引入陆相盆 地的地层研究 [4 - 8] ,尤其是在我国陆相断陷湖盆的 煤田地质领域,层序地层学不仅为地层对比提供了 更精确的界面,还提高了对煤层赋存规律及找煤远 景评价的精确度。 平庄盆地是我国东北 内蒙古地区重要的煤炭 生产基地之一 [9 - 10] 。随着开采时间的延续和开采量 的不断增加,矿区煤炭探明储量逐渐减少。为了矿 区的可持续发展,有必要对该区的含煤地层和聚煤 规律进行深入研究。 1 地质概况 1. 1 地质构造 平庄盆地位于华北地台北缘内蒙隆起带的喀喇 沁断隆内,北以赤峰-开原断裂为界,与天山-兴蒙 褶皱系内蒙地槽的东西向敖汉旗复向斜毗邻,东、 西 两侧为NNE向的大青山隆起和松树梁隆起。该盆 地是晚中生代地堑式断陷盆地,其受控于盆地东、 西 两缘NNE向的美丽河-八里罕断裂和黑水-汐子 断裂,且前者为主要控盆断裂 [11] 。平庄盆地内部, 褶皱、 断裂均较发育图 1 。 1. 2 地层 根据钻孔资料及野外地质调查,平庄盆地及其 外围出露的地层由老到新为太古宇建平群,奥陶系 -志留系,侏罗系、 白垩系、 新近系、 第四系 [11] 图 1 。 白垩系自下而上分为义县组、 杏园组、 元宝山组 和孙家湾组,其中,义县组为平庄盆地的直接基底, 杏园组和元宝山组为含煤地层,元宝山组是主要工 业煤层所在层位。 收稿日期2007204229 基金项目国家重点基础研究发展计划 973 计划项目2005CB221501 作者简介闫剑飞1979 , 男,河南永城人,硕士,从事含能源盆地沉积与层序地层研究 1 第36卷 第1期 2008年2月 煤田地质与勘探 COAL GEOLOGY 中段以灰绿-绿灰色砾岩和砂 岩为主,局部含煤线;上段以黑灰-灰绿色泥岩和粉 砂岩为主,边缘相则表现为砾岩、 砂质砾岩,某些地 段含多层薄煤,且部分可采。该组与下伏地层呈角 度不整合接触,全组厚约1 500 m。 c. 元宝山组 K 1 yu 元宝山组为平庄盆地内 主要的含煤地层。下段主要为深灰色粉砂岩和泥 岩、 灰白-浅灰3色砂岩、 砂质砾岩,并夹3～7组煤 层;上段以灰-灰褐色砂岩、 砾岩夹绿色杂砂岩、 粉 砂岩及紫红色砂质泥岩为主,上部局部地段为绿灰 夹紫红色泥岩、 砂岩。该组与杏园组呈整合接触,厚 约1 000 m。 d. 孙家湾组 K 2 s 该地层主要发育于邻近 美丽河-八里罕断裂和赤峰-开原断裂盆地内侧, 以杂色砾岩为主。该组与下伏地层呈角度不整合接 触,厚度 250 m。 2 层序地层分析 2. 1 层序界面特征及层序划分 2. 1. 1 层序界面特征 层序界面的识别是层序地层分析中的关键和重 点。据魏魁生等的研究 [6] ,层序边界部位的沉积学 标志包括各种滞留沉积、 煤层沉积、 相突变、 沉积旋 回变化、 古土壤及根土岩等16种识别标志。此外, 古构造运动面及大面积超覆界面等也是层序界面识 别的重要标志 [7 - 8] 。经过对大量钻孔资料的分析, 平庄盆地煤系的层序边界识别标志主要包括古构造 运动面和大面积侵蚀界面。 a. 层序 Ⅰ 底界面SB1 该界面为杏园组与义 县组分界面,属古构造运动面。界面之上为杏园组 下段砂岩和砾岩等粗碎屑沉积物,界面之下为盆地 直接基底义县组火山岩。二者呈角度不整合接 触。 b. 层序 Ⅱ 底界面SB2 该界面分为两部分 第1部分靠近美丽河-八里罕盆缘断裂的盆地基底 低洼部位,SB2表现为大面积侵蚀界面,界面上下沉 积相差异较大,界面之上为冲积扇-扇三角洲相,界 面之下为滨浅湖泊相;第2部分为远离西侧盆缘断 裂的盆地基底地势较高部位,SB2界面表现为杏园 组中段与义县组之间的角度不整合面图2 ,即与 SB1重合。 图2 层序 Ⅰ、 Ⅱ 及其体系域示意图平庄外围 Ⅲ 线 Fig.2 Sketch map of SequenceⅠ、 Ⅱand systems tracts OutsideⅢline of Pingzhuang c. 层序 Ⅱ 顶界面SB3 该界面为元宝山组与 孙家湾组的分界面,属古构造运动面。界面之下为 元宝山组,界面之上为孙家湾组,二者呈角度不整合 接触。 2. 1. 2 层序划分 根据以上3个层序界面,可将平庄盆地含煤岩 系划分出1个超层序和2个层序表 1 。 超层序 由杏园组和元宝山组组成,其底界面 为SB1 ,顶界面为SB3。 层序 Ⅰ 大体由杏园组下段组成,底界面为 SB1 ,顶界面为SB2。该层序在盆地中分布较局限。 层序 Ⅱ 大体由杏园组中、 上段和元宝山组组 成,底界面为SB2 ,顶界面为SB3。本层序分布于整 个平庄盆地。 2. 2 体系域界面类型与体系域特征 体系域是指一系列同期沉积体系的集合体。因 01煤田地质与勘探 第36卷 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 表1 平庄盆地层序地层简表 Table 1 Sequence stratigraphy list of Pingzhuang basin 岩石地层单位层序地层单位 系统组段代号主要沉积相沉积组合样式体系域层序超层序 白 垩 系 下 统 元 宝 山 组 杏 园 组 上段 下段 上段 中段 下段 K1yu2 K1yu1 K1x3 K1x2 K1x1 冲积扇相 河流相 沼泽相 河流相 冲积扇相被分隔 的残留浅水湖泊相不占主要地位 滨浅湖相 扇三角洲相 三角洲相 河流相 滨浅湖相 半深湖、 深湖相 冲积扇相 扇三角洲相 滨浅湖相 扇三角洲相 扇三角洲相 滨浅湖相 冲积扇相 进积 加积 进积 进积 退积 进积 进积 退积 进积 非湖泊体系域 湖泊萎缩体系域 湖泊扩展体系域 低水位体系域 湖泊萎缩体系域 湖泊扩展体系域 低水位体系域 Ⅱ Ⅰ 超 层 序 此,体系域是一个三维沉积单元,在层序分级中大体 与准层序组相当。在我国,为开拓层序地层学理论 对陆相含能源盆地的指导作用,许多学者结合自己 的科研实践,提出了不同的层序术语体系,出现了百 家争鸣的局面。其中,李思田等人的三分划分方 案 [12]反映了体系域与气候、 基准面升降、 构造沉降 及沉积物供给的相互关系。但考虑到在湖泊消亡之 后,非湖泊沉积相在盆地充填中仍占主要地位,因 此,笔者认为划出 “非湖泊体系域” 是必要的,这一点 与纪友亮等的观点 [13]一致。 2. 2. 1 体系域界面类型 层序内部体系域的正确划分关键在于它们界面 的选择。笔者在平庄盆地煤系体系域的划分中选择 了以下3种界面图 2 。 a. 首次湖泛面 首次湖泛面是指湖平面下 降到最低点后,由于受盆地构造作用和气候变化等 因素影响使湖平面又再次上升的第1个湖泛界面。 区内首次湖泛面的确定依据有两点首先,首次 湖泛面上下沉积相突变 湖泛面之下多为浊流沉 积,主要发育进积式沉积组合样式,之上多为滨湖相 或三角洲沉积,主要发育退积式沉积组合样式;其 次,首次湖泛面上下的沉积物颜色、 岩性、 结构和古 生物组合等变化较明显。 b. 最大湖泛面 最大湖泛面是在盆地基底 沉降明显、 湖平面上升达到最大位置时形成的沉积 界面。随着湖平面的快速上升,可容空间快速加大, 湖岸线不断向陆地迁移,相对于盆地可容空间的扩 大来说,沉积物供给速率较低,盆地处于欠补偿状 态,缺乏大量的粗碎屑沉积,而以机械悬浮沉积和化 学沉积为主。 区内最大湖泛面识别依据如下第一,界面之下 岩石类型单一,多为厚层质纯的暗色泥岩,常发育水 平层理图2中8405号钻孔 ; 第二,最大湖泛期沉 积物富含较深水环境的游泳动物化石,如叶肢介等; 第三,界面上下沉积序列不同 界面之下常呈退 积式沉积组合样式,多以湖泊-三角洲沉积为主,界 面之上多以进积式沉积组合样式为主。 c. 湖泊基本消亡面 湖泊基本消亡面是在 湖泊持续萎缩、 直至基本消亡所形成的沉积界面。 界面之下以进积或加积式沉积组合样式为主,界面 之上以沼泽和河流沉积为主,主要发育加积 → 进积 式沉积组合样式。 平庄盆地大面积泥炭沼泽环境下发生的聚煤作 用与全盆地碎屑体系的衰退具有同步性,少数几个 主煤层如5煤组、6 - 1煤组〔 包括6 - 1～4煤4 个分煤层〕 、6 - 2煤组〔 包括6 - 5～8煤4个分 煤层〕 等具有分布上的稳定性,使之在全盆地范围内 具有可对比性;又因形成煤层的泥炭沉积速率极为 缓慢 0. 5 ～5 mmΠ a 以及泥炭到煤层的较大压缩比, 使得工业煤层的形成需要相当长的时间,所以煤层 具有近似的等时性,将其作为界面识别标志是适宜 的。因此,结合平庄盆地实际情况和对钻孔资料的 分析,将6 - 2煤组下界面作为湖泊基本消亡面。 2. 2. 2 体系域特征 依据上述3个体系域界面类型,将平庄盆地煤 系层序划分为低水位体系域LST、 湖泊扩展体系域 LTST、 湖泊萎缩体系域LCST和非湖泊体系域 NLST 表1 ,图2 ,图 3 。各体系域特征如下。 a. 低水位体系域 该体系域形成于湖平面 快速下降时期或盆地发育初期,底界与层序底界一 致,顶界为首次湖泛面;位于层序底部,主要发育以 进积式为主的沉积组合样式。岩性组合与粒度无明 显变化,岩性较粗,以砾岩、 含砾砂岩为主;岩相组合 上,以冲积扇相为主。 11第1期 闫剑飞等内蒙古平庄盆地层序地层与聚煤规律 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 图3 层序 Ⅱ 体系域示意图西露天矿区第九勘探线 Fig.3 Sketch map of system tracts in SequenceⅡNo. 9 prospecting line of the Xilutian mine field b. 湖泊扩展体系域 该体系域形成于湖平 面下降速率小于盆地沉降速率时期,底界为首次湖 泛面,顶界为最大湖泛面;位于低水位体系域之上、 湖泊萎缩体系域之下,主要发育退积式沉积组合样 式。岩性组合上,以泥岩、 粉砂岩为主,粒度上总体 向上变细;岩相组合上,自下而上水体加深,以深湖 -半深湖相为主。 c. 湖泊萎缩体系域 形成于沉积物供给速 率大于湖平面上升速率时的相对湖泊萎缩期,底界 为最大湖泛面,顶界为湖泊基本消亡面;位于湖泊扩 展体系域之上,主要发育了反映湖盆萎缩的进积式 沉积组合样式。在岩性组合上,以粉砂岩、 砂岩为 主,粒度向上变粗;在岩相组合上,以滨浅湖相、 三角 洲相为主。 d. 非湖泊体系域 随着湖泊的持续萎缩,湖 泊消亡之后,仍有可容空间产生,沉积作用没有停 止,形成非湖泊体系域。它发育于一套层序的顶部, 底界为湖泊基本消亡面,顶界与层序顶界一致,主要 发育加积-进积式沉积组合样式图 3 。岩性组合 上,以泥岩、 砂岩为主,粒度总体向上变粗;岩相组合 上,河流沉积和沼泽的普遍发育是其基本特点。 2. 3 关于准层序问题的讨论 经典层序地层学中,准层序具等时性意义 [8] 。 但是经典层序地层学针对的是海相沉积盆地,层序 地层学应用于陆相盆地时,要结合实际情况具体分 析,有时即使在同一个沉积相带内,小层序的对比也 很困难 [14] 。 由于平庄盆地为一狭窄长条状,横向上古地貌、 坡降等变化快,对于非湖泊体系域,聚煤面积小,扇 体迁移或河流改道频繁,使得由盆地基底沉降速率 控制的它旋回中叠加了众多自旋回;在盆地湖泊扩 张过程中,由于湖岸较陡或滨岸带较窄,以及扇体频 繁摆动,而使不同地段的旋回之间常常或在大多情 况下都不能一一对比,即不具等时性。这样按沉积 旋回划分出的层序地层单位就失去了准层序的基本 含义,因而是没有意义的。 含煤盆地中,一般可以将层数较多且旋回性较 好的煤层作为划分准层序的分界面。但平庄盆地, 尤其是北部古山-六家矿区、 西露天矿区和五家矿 区,这些矿区的元宝山组仅6煤组在平行盆地长轴 的狭长地带发育在六家矿区,部分地段分为7～9 个分煤层,其他地段则为单一煤层或仅有2个分层, 且后者间隔多为数 m [15] ,5煤组仅在西露天矿区可 采,分布很不稳定。故不能把研究区煤层作为准层 序划分的界面。因此,本文对平庄盆地煤系进行层 序划分时,没有在沉积体系域内进一步划分出准层 序。 3 聚煤规律 通过对平庄盆地各矿区钻孔和地质环境的分析 与研究发现,平庄盆地煤系层序的体系域不同,聚煤 规律也不同。 a. 低水位体系域 以冲积扇、 扇三角洲相为 主,向盆地中心进积,基本为水上沉积,因此,不利于 聚煤作用的发生。 b. 湖泊扩展体系域 以三角洲、 滨浅湖和深 湖、 半深湖沉积为主,向盆地方向退积,总体为水下 沉积,由于湖水过深不利于煤层的形成,因而基本无 聚煤作用发生。不过,在条件适宜的湖缘部位,可发 生聚煤作用,但形成的煤层薄且不稳定,很少有工业 价值。 c. 湖泊萎缩体系域 以三角洲、 扇三角洲和 河流沉积为主,总体发育进积式沉积组合样式。但 在湖泊滨岸带或沉积物充填与沉降速率大体相等的 地区,可发育加积式沉积组合样式,不过,因时间较 短,沉积物充填较快,只形成了工业利用价值不大的 薄煤层如杏4煤。 d. 非湖泊体系域 发育于盆地拉伸应力场 持续减弱、 碎屑体系全面衰退时期。该时期初,沉积 物充填速率一般与盆地沉降速率相同或相近,整个 盆地沼泽与泥炭沼泽大面积发育,由于古构造、 古气 候和古地理等条件均适宜聚煤作用,从而形成了元 宝山组含煤段的工业煤层;该时期后期,主要发育冲 积扇和河流沉积,以冲积扇前湿地和河流洪泛平原 或湿地聚煤为主,形成了元宝山组次要聚煤环境。 4 结论 a. 根据区域性不整合面把平庄盆地含煤岩系 21煤田地质与勘探 第36卷 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 划分为1个超层序,又根据层序内低级别构造事件 可将平庄盆地进一步划分为2个层序Ⅰ 和 Ⅱ。 b. 根据盆地湖泊的演化特点,在层序中选择 了首次湖泛面、 最大湖泛面和湖泊基本消亡面这3 个体系域界面,进而把层序划分为低水位体系域、 湖 泊扩展体系域、 湖泊萎缩体系域和非湖泊体系域。 c. 结合平庄盆地的特殊地形与实际沉积特 征,没有在体系域内进一步划分准层序,并说明了平 庄盆地煤系内层序划分的不可行性。 d. 层序地层与聚煤规律的关系为低水位体 系域和湖泊扩展体系域基本无聚煤作用发生;湖泊 萎缩体系域局部有利地段可发育薄煤层,但没有工 业利用价值;非湖泊体系域特别在其发育早期 , 聚 煤条件最有利,常形成具有工业利用价值的厚煤层。 参考文献 [1] VAN WJ C,MITCHUM R M, CAMPION KM, et al. Siliciclastic se2 quence stratigraphy in well , cores and outcrops concept for high reso2 lution correlation of times and facies [J ]. AAPG s in Explora2 tion Series , 19907 1 - 55. [2] VAIL P R ,ANDERMARD F , BOWAN S A ,et al. The stratigraphic signaturesof tectonics eustasy and sedimentology an overview[ C]∥ Einsele G. Cycles and events in stratigraphic. Berlin Springer Verlog , 1991617 - 659. [3] 朱筱敏.层序地层学[M].山东东营石油大学出版社,2000. [4] BRUCE T, JOHN R. Underhill. Introduction to the structure and stratigraphy of rift systems[J ]. AAPGBulletin , 2002 , 866 931 - 933. 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