基于不同成煤理論的含煤地層層序劃分

呂大煒,李增學(xué),魏久傳,劉海燕,吳立榮

(1.山東科技大學(xué)山東省高校沉積成礦作用與沉積礦產(chǎn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東青島 266510; 2.山東科技大學(xué)地質(zhì)科學(xué)與工程學(xué)院,山東青島 266510;3.山東科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,山東青島 266510)

基于不同成煤理論的含煤地層層序劃分

呂大煒1,2,李增學(xué)1,2,魏久傳2,劉海燕1,2,吳立榮3

(1.山東科技大學(xué)山東省高校沉積成礦作用與沉積礦產(chǎn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東青島 266510; 2.山東科技大學(xué)地質(zhì)科學(xué)與工程學(xué)院,山東青島 266510;3.山東科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,山東青島 266510)

為明確煤層在含煤地層層序劃分中的作用,在分析陸相成煤模式、海侵過程成煤理論、海侵事件成煤理論、幕式成煤理論以及不同體系域成煤理論共 5種成煤模式原理的基礎(chǔ)上,采用沉積學(xué)、煤地質(zhì)學(xué)、古生物學(xué)以及地球化學(xué)等方法,分析提煉出不同成煤理論的立論基礎(chǔ)、成煤特點(diǎn)、煤層成因以及發(fā)生背景等多方面的特征,總結(jié)出不同成煤理論下煤層層序劃分的原理。結(jié)果表明,不同成煤理論的分析應(yīng)該綜合起來進(jìn)行研究;可以將華北地區(qū)太原西山含煤層沉積劃分為 8個(gè) 3級(jí)層序,其中陸表海沉積序列可以劃分出 5個(gè)二元結(jié)構(gòu)的三級(jí)層序。

地層學(xué);地層層序;陸相成煤;海侵過程成煤;海侵事件成煤;幕式成煤

有關(guān)成煤理論的研究當(dāng)前主要存在兩大主流,其一是基于均變論思想的陸相成煤理論和海侵過程成煤理論[1],其次是基于突變論思想的事件成煤或風(fēng)暴異地煤[2]。在層序地層學(xué)作為主要勘探理論提出以來,以上兩種成煤理論可以在層序地層中進(jìn)行解釋,出現(xiàn)了低水位體系域成煤[3]、海侵體系域成煤[1-4]、高水位體系域成煤[1-3]3種成煤理論,然而相互理解這 3種成煤理論的本質(zhì)可以發(fā)現(xiàn),高水位體系域成煤實(shí)際上是陸相成煤,低水位體系域成煤則表現(xiàn)為河流下切沉積期由于下切谷可能發(fā)育泥炭沼澤而經(jīng)歷煤化作用成煤,以上兩種體系域成煤都是建立在“均變論”基礎(chǔ)上提出來的,而海侵體系域成煤則仍然存在一定的爭(zhēng)議[2-3,4-6]。不同成煤理論下控制的煤層在層序地層劃分的作用是截然不同的,因此正確認(rèn)識(shí)不同的成煤理論下煤層的成因及其在層序地層學(xué)中的作用具有重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)意義。筆者在詳細(xì)分析不同成煤理論立論基礎(chǔ)上探討不同成煤理論關(guān)系,進(jìn)而從煤層成因來分析華北地區(qū)體系域劃分,分析不同煤層的形成原因與分布,厘清煤在層序地層中的地位,進(jìn)而將煤層劃分到不同級(jí)別的層序之中,為煤田和石油工作者提供一定理論指導(dǎo)。

1 不同成煤模式特征及其產(chǎn)生背景

不同的成煤模式研究其立論背景不同,現(xiàn)今關(guān)于成煤模式探討主要是針對(duì)于某一地區(qū)成煤特征而提出的,而在實(shí)際工作中,某一地區(qū)同一層位 (組)含煤地層中的不同煤層其成因機(jī)制是不同的,在進(jìn)行層序地層劃分時(shí)不能統(tǒng)一而論,分析不同的成煤模式、厘清不同煤層的成因機(jī)制成為層序地層劃分的關(guān)鍵。因此,了解成煤模式首先研究不同成煤理論產(chǎn)生背景,進(jìn)而分析其成煤模式的特征。

1.1 陸相成煤

傳統(tǒng)陸相成煤理論認(rèn)為煤層是產(chǎn)生于水進(jìn)、水退旋回的水退期,陸相湖盆中,煤層則是產(chǎn)生于因植物生長(zhǎng)而導(dǎo)致的湖體萎縮階段,邊緣海盆地煤層則是產(chǎn)生于海退發(fā)生后的地下潛水位與地層基準(zhǔn)面相同的過程。從層序地層學(xué)角度來分析,陸相成煤理論實(shí)際上就是認(rèn)為由于地層基準(zhǔn)面降低導(dǎo)致了地下潛水位下降,因此煤層形成于一個(gè)三級(jí)層序發(fā)展的末期,通常將煤層劃分到高水位體系域(圖 1),并將此機(jī)制成煤歸位高位體系域成煤[2-3],也有部分研究者在低位體系域發(fā)現(xiàn)陸相成煤[3-7],稱為低位體系域成煤。從煤層的成因機(jī)制上分析,在海平面下降期間可容納空間增加率A與泥炭沼澤堆積速率S泥炭比值A(chǔ)/S泥炭≈1(沉積物供給量 Q≈A)為泥炭沼澤最適宜堆積期[1],該期所形成煤層煤巖以鏡質(zhì)組為主,煤的硫分低,有機(jī)硫?yàn)榱虻闹饕x存形態(tài)。無機(jī)地球化學(xué)特征為富 Al,V,Cr,Y,Cu,Pb,Ba,Th,La, Ce等親陸元素。煤層反映了因水 (海平面)退導(dǎo)致了地層基準(zhǔn)面由上升轉(zhuǎn)到下降。

1.2 海侵過程成煤

圖 1 層序地層環(huán)境中成煤模式圖解(據(jù) Diessel,1991,有修改)[1]Fig.1 Coal form i ng schematic drwing of sequence strata environment

海侵過程成煤理論是 Diessel(1991)[1]提出的,針對(duì)陸相成煤模式提出的水 (海)退成煤,許多地質(zhì)學(xué)家們研究發(fā)現(xiàn)海侵也能夠成煤,海侵過程成煤由一種基本觀點(diǎn)逐漸形成了一種理論和成煤模式,這一理論認(rèn)為,隨海侵進(jìn)程,成煤作用逐漸向陸上遷移,成煤作用與海侵過程密切相關(guān),先形成的泥炭被海水淹沒(圖 1),成煤作用在已經(jīng)土壤化的濱岸地帶發(fā)生,并逐漸向陸上遷移。濱岸地帶暴露土壤化被侵進(jìn)的水體滋潤(rùn)成為沼澤,進(jìn)而泥炭沼澤化,早期已經(jīng)形成的泥炭被逐漸加深的水體覆蓋而保存。因此,成煤作用與海侵過程密切相關(guān),這樣所形成的煤層具有穿時(shí)性。海侵過程成煤的顯微組分以鏡質(zhì)組為主,而且以無結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體為多。海侵煤的煤巖類型多是光亮型、半亮型的,因此內(nèi)生節(jié)理發(fā)育。這一成煤理論和模式來源于邊緣海盆地聚煤作用分析成果,對(duì)煤地質(zhì)學(xué)理論是一貢獻(xiàn),也為聚煤盆地的成煤作用分析提供了新的思路。然而,該理論在對(duì)評(píng)價(jià)煤層作為一種特殊沉積成因體在層序地層分析中的作用提出了新的問題,海侵過程成煤作用形成的煤層具穿時(shí)性,無論煤層頂面還是底面能否成為一種層序單元界面,需要重新厘定和研究。由于邊緣海盆地的濱岸地帶具有很明顯的坡度,成煤作用在這一斜坡地帶發(fā)生并逐漸向岸帶移動(dòng),從層序地層學(xué)角度來分析,海侵過程所成煤層應(yīng)該劃分到海侵體系域,同樣,在海侵發(fā)生后的海退所形成煤層也是高水位體系域煤層。

1.3 幕式成煤

幕式成煤理論是邵龍義教授于 1992年在研究中國(guó)南方石炭、二疊系時(shí)提出的[8-9],他注意到海陸交互相環(huán)境中的一些厚煤層橫跨不同相區(qū)呈大面積分布(數(shù)百至數(shù)千平方公里),同時(shí)也注意到有些大面積連續(xù)展布的煤層的形成環(huán)境與煤層下伏沉積物的沉積環(huán)境并沒有必然的聯(lián)系,提出了“幕式聚煤作用”概念,用以表示這種橫跨不同相區(qū)的大面積的聚煤作用。這種大范圍的聚煤作用是由區(qū)域性的甚至全球性的海平面(基準(zhǔn)面)變化引起的,它可以跨越不同的亞環(huán)境、不同的沉積相帶甚至不同的盆地。這一理論強(qiáng)調(diào)海平面幕式上升期間濱岸平原環(huán)境的聚煤作用和幕式聚煤作用的同期性。幕式聚煤理論與海平面變化密切相關(guān) (圖 2),在幕式聚煤作用發(fā)生期間,一次沉積事件和其中所包含的若干個(gè)次一級(jí)的沉積事件都可能形成具有一定分布規(guī)模的煤層。大規(guī)模的海侵事件 (如三級(jí)或二級(jí)海侵事件)所形成的煤層常常具有大區(qū)域的或盆地范圍的分布規(guī)模,而在次一級(jí)海侵過程 (如四級(jí)或四級(jí)以下的海侵事件)中形成的煤層則具有較小區(qū)域的分布規(guī)模。前者相當(dāng)于層序地層學(xué)和成因地層學(xué)中的最大海泛期沉積,后者則相當(dāng)于一個(gè)正常的海泛面沉積。因此,大范圍分布的厚煤層多是主要幕式聚煤期的產(chǎn)物,代表最大海泛面沉積,而較小范圍展布的煤層則是次一級(jí)幕式聚煤作用期的產(chǎn)物,代表正常海泛面沉積。在兩次大規(guī)模海侵事件之間,可能會(huì)發(fā)生多次的次級(jí)海侵事件,形成多個(gè)次級(jí)的聚煤作用幕,而多個(gè)次級(jí)聚煤作用幕的疊加則形成了更高級(jí)別的聚煤作用幕。幕式聚煤作用與層序地層學(xué)原理相結(jié)合,可以劃分出對(duì)應(yīng)于不同級(jí)別海平面變化的聚煤作用幕,并在層序地層格架中預(yù)測(cè)一次海平面變化旋回中聚煤中心的遷移規(guī)律及煤層的展布規(guī)模等。因此,在進(jìn)行幕式成煤理論的層序地層學(xué)研究時(shí),應(yīng)該將煤層劃分到海平面的上升半旋回,從四級(jí)海平面角度來分析,應(yīng)該將煤層劃分到海侵體系域,而海侵體系域內(nèi)的不同煤層可以按照不同級(jí)別海平面變化或者基準(zhǔn)面變化來進(jìn)行區(qū)分,不同級(jí)別煤層所形成規(guī)律不同。

圖 2 典型海陸交互相含煤準(zhǔn)層序的形成與海平面變化關(guān)系示意圖(據(jù)邵龍義等,1999)[9]Fig.2 Schematic drawing of controls of sea level changes over typical paralic coal-bearing parasequence

1.4 海侵事件成煤

圖 3 海侵事件成煤發(fā)生過程Fig.3 Form ing process of coal accumulation by trangressive event

李增學(xué)等 (1995)根據(jù)何起祥等 (1991)[10]突發(fā)性海侵觀點(diǎn)提出了海侵事件成煤模式[3,11-12],產(chǎn)生背景是在華北陸表海盆地,存在廣泛的海侵層 (灰?guī)r)與煤層組合,且煤層與其底板呈現(xiàn)無沉積的間斷,說明煤層在短時(shí)間內(nèi)覆于水下。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合陸表海盆地特點(diǎn) (盆地基底平坦,坡度小于0.001°)[11-14],總結(jié)出該理論模式主要內(nèi)容:海相沉積與煤層的組合受海平面變化周期的控制,海侵開始之初,可能導(dǎo)致在原有暴露的土壤基礎(chǔ)上發(fā)育泥炭沼澤(圖 3);這種泥炭沼澤是在陸表海盆地海水退出一個(gè)時(shí)期后,由于暴露土壤化,或者海水退出不是十分徹底,而是使盆地處于一個(gè)淺水但不是一種典型水域的環(huán)境,這實(shí)際上是一種沼澤環(huán)境;由于這種環(huán)境持續(xù)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間,植物茁生蔓延,泥炭沼澤進(jìn)一步發(fā)展;泥炭沼澤不同于大陸上的泥炭沼澤,時(shí)常受到海水的侵?jǐn)_;后來發(fā)生突發(fā)型大規(guī)模海侵,終止了泥炭沼澤堆積,并使泥炭沼澤處于水下還原環(huán)境被保存。在層序地層格架中,海侵體系域的煤層位于體系域的底部,而海退成因的煤層則位于高水位體系域的頂部?？梢哉f,煤層的發(fā)育都與海平面升降變化中的轉(zhuǎn)折期有關(guān),而海侵成煤成為陸表海盆地成煤的重要特色。在低級(jí)別海平面變化周期內(nèi),適合泥炭沼澤發(fā)育的持續(xù)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng),盡管海平面波動(dòng)對(duì)泥炭堆積產(chǎn)生重要影響,但泥炭堆積得以較穩(wěn)定進(jìn)行且最終成煤。

1.5 不同體系域的成煤模式

低位體系域成煤認(rèn)為低位體系域條件下煤層的形成可以出現(xiàn)在陸架邊緣三角洲或下切谷充填沉積中[4-5,7],但厚度變化大且為側(cè)向毗鄰侵蝕河流的沼澤沉積。由于陸架邊緣三角洲及其腹地沉積環(huán)境為高能不穩(wěn)定狀態(tài),盡管沉積物路過面導(dǎo)致局部煤層的出現(xiàn),但泥炭形成條件并不好。泥炭堆積似乎具有低水位體系域晚期的特征,此時(shí)高地和下切谷之間的差別因高地的地貌剝蝕和谷地河道充填共同作用而變小。不規(guī)則、不連續(xù)的煤層形成于低水位體系域的終止階段,因而下伏于隨之而來的海侵體系域的較厚且廣泛分布的煤層和煤層間沉積物是比較普遍的?？偟目磥?低位體系域成煤實(shí)際上也是陸相成煤理論的應(yīng)用。低位體系域成煤局限,且其與陸相成煤相鄰且難以區(qū)分,因此關(guān)于低位體系域是否成煤仍然存在著一定的爭(zhēng)議。

海侵體系域成煤模式[1-4]是指海侵發(fā)生是泥炭沼澤向陸地進(jìn)積,靠近陸一側(cè)地勢(shì)較低處形成了適宜植物生長(zhǎng)的泥炭沼澤,在被動(dòng)大陸邊緣坡折帶處形成了海侵過程成煤,如果發(fā)生于陸表海盆地,則由于海侵發(fā)生迅速且時(shí)間段形成的煤層為海侵事件成煤[2-3],實(shí)際上,海侵體系域成煤是海侵成煤的一個(gè)層序地層學(xué)用語(yǔ),包括了海侵過程成煤和海侵事件成煤,形成沉積序列是海侵序列覆蓋于陸相沉積,海侵過程成煤和海侵體系域成煤的區(qū)別在于其煤層底板與煤層之間是否有沉積的間斷[2-3]。

高位體系域成煤模式[1,4,7]則強(qiáng)調(diào)了水退后形成了泥炭沼澤,成煤作用實(shí)際上是水域泥炭沼澤的發(fā)育結(jié)果,煤層與其底板沉積列則表現(xiàn)為連續(xù)的沉積。泥炭沼澤發(fā)育結(jié)束 (煤層頂板底部)代表了一個(gè)沉積序列的結(jié)束,這也成為一個(gè)層序地層界面識(shí)別的重要標(biāo)志。

2 不同聚煤模式的關(guān)系及其應(yīng)用

2.1 不同聚煤模式的關(guān)系

聚煤作用的發(fā)生主要包括以下條件:①要有一定空間接受泥炭沼澤的堆積;②必須有足夠的泥炭沼澤供給;③由構(gòu)造引起的地形變化及其相對(duì)海平面能夠?yàn)槟嗵空訚商峁┮欢ㄟ€原環(huán)境,使其能夠保存下來。不同的聚煤盆地具有不同的煤沉積特點(diǎn),而成煤理論的提出正是基于某一個(gè)成煤盆地的特點(diǎn)所總結(jié)出來,因此該成煤理論在解釋同一盆地某一煤層具有良好的實(shí)用性,而在一套含煤巖系地層不同煤層進(jìn)行解釋時(shí)就不能局限某一成煤理論。

在層序形成的不同階段,可能形成泥炭沼澤的階段是成煤的首要條件,其后的沉積環(huán)境演化等將影響著煤化作用,那么從煤層形成原因來看陸相成煤理論、海侵過程成煤、海侵事件成煤、幕式成煤理論以及不同體系域成煤的成煤原理是一致的,因此不同成煤理論實(shí)際上是同一個(gè)原理的提升,只是在尋找有利成煤理論的時(shí)限和條件有所差別。本文中總結(jié)出了它們的差別,并指出煤層在不同成煤理論下的層序劃分(見表 1)。以成煤模式的立論基礎(chǔ)可劃分成均變論的成煤理論和突變論的成煤理論,從海侵與海退來看,可以分出海退成煤 (相對(duì)海 (湖)平面下降)理論和海侵成煤 (相對(duì)海平面上升)理論,從成煤理論與不同體系域?qū)?yīng)來看,可以劃分出低水位體系域成煤、海侵體系域成煤理論和高水位體系域成煤理論。

從表 1可以看出,不同成煤模式成煤原理不同,形成時(shí)間差異,因此需要正確的理解與區(qū)分。陸相成煤強(qiáng)調(diào)的是湖體萎縮后或水退后產(chǎn)生了大量植物體發(fā)育,并最終形成大量泥炭沼澤的供給,形成這種條件要求必須是水體緩慢退卻,且有植物的發(fā)育。因此,在陸相的斷陷盆地與河流、冰川作用有關(guān)地帶或?yàn)I海平原地區(qū)容易發(fā)生,形成的煤層厚,且連續(xù)性好,內(nèi)陸湖盆成煤則含硫低,揮發(fā)分高,濱海平原則相反。海侵成煤是陸相成煤的發(fā)展,包括海侵過程成煤和海侵事件成煤,其形成背景不同,海侵類型不同,但二者煤層發(fā)育在海侵體系域,受海相層影響的煤層化學(xué)特征類似,海侵成煤具高的硫含量和低的硫同位素比。具有海相頂板煤層的煤巖顯微組分并非與其他煤層不同,但煤巖組分的富集程度不同,尤其是在煤層剖面的上部,其煤巖結(jié)構(gòu)中暗淡型煤巖類型較為豐富。地下水位的上升可由亞原地和異地的碎屑惰性體以及偶含腐泥煤的增長(zhǎng)表現(xiàn)出來,而植物組織被破壞的程度通常與受海水影響的泥炭的pH值增高有關(guān),因?yàn)檫@種泥炭比淡水泥炭更適合細(xì)菌的活動(dòng)。受海水影響的煤層,其組織保存程度非常低就是證據(jù),結(jié)果導(dǎo)致碎屑鏡質(zhì)組含量增長(zhǎng)。幕式成煤是在海平面呈不同周期性變化尋找有利于泥炭沼澤聚集條件的基礎(chǔ)上提出的,其理論根基也是建立在海侵過程成煤的基礎(chǔ)上,且發(fā)展了海侵過程成煤,即把煤層根據(jù)幕式海侵分成了不同級(jí)的煤層,且煤層主要是在海侵體系域早期形成,其使用范圍應(yīng)與海侵過程成煤類似。因此,在進(jìn)行含煤地層層序劃分時(shí),煤層的劃分要考慮以下因素:第一,成煤理論的發(fā)生背景,尤其是盆地基底類型對(duì)成煤作用影響很大,因此盆地內(nèi)部起伏較大或者屬于斜坡型,其成煤作用可能屬于均變論支撐的成煤理論,大型陸表海盆地容易形成以突變論為基礎(chǔ)的海侵事件成煤模式。第二,煤層所屬沉積地層背景研究,這也是判斷煤層所屬體系域的重要依據(jù)。如果煤層與下伏地層沉積呈現(xiàn)連續(xù)關(guān)系,則其成煤屬于陸相成煤,煤層被劃分到高位體系域或低位體系域,如果煤層與頂板沉積呈現(xiàn)海相沉積覆蓋于陸相沉積之上,則表明煤層可被劃分到海侵體系域,為海侵過程成煤或海侵事件成煤。第三,分析煤層的等時(shí)性。煤層等時(shí)性與成煤特征關(guān)系密切,海侵過程成煤在海侵方向上具有穿時(shí)性,煤層與其底板沉積呈現(xiàn)連續(xù)沉積,海侵事件成煤則具有等時(shí)性,煤層與其底板沉積呈現(xiàn)無沉積的間斷,陸相成煤理論成煤具有部分等時(shí)性,煤層與其底板沉積表現(xiàn)為連續(xù)性?？傊?同一個(gè)聚煤盆地中可能其成煤機(jī)理不同而劃分到不同的層序中,要綜合考慮每一煤層的形成背景、所屬地層的沉積序列及其等時(shí)性才能正確地進(jìn)行煤系地層的層序分析。

表 1 不同成煤理論特點(diǎn)Table 1 Characteristics of different coal-form ing theory

2.2 不同成煤理論在太原西山剖面層序劃分中的應(yīng)用

一個(gè)聚煤盆地的含煤地層往往含多層煤層,縱向上數(shù)量不等,橫向上連續(xù)性差別較大,而在對(duì)煤層進(jìn)行地球化學(xué)研究時(shí)可以發(fā)現(xiàn)不同煤層具有不同的地球化學(xué)特征,煤層在沉積序列中所處的位置差別較大,因此單獨(dú)用某一個(gè)成煤理論是不能完全解釋的,如華北地區(qū)晚古生代含煤地層具有海陸交互相沉積特點(diǎn),在太原組底部出現(xiàn)了大量的灰?guī)r壓煤的交替出現(xiàn)現(xiàn)象,前人對(duì)之解釋為海侵過程成煤[4]或者為海侵事件成煤[2-3],也有人用幕式成煤理論來分析不同級(jí)別海平面變化的成煤特征[5],并將這樣的煤層劃分到海侵體系域?，F(xiàn)今,在低位體系域中有人也解釋出灰?guī)r壓煤現(xiàn)象[15],總之,關(guān)于灰?guī)r壓煤現(xiàn)象解釋很多,觀點(diǎn)比較復(fù)雜,然而至今有兩個(gè)問題懸而未決:第一,華北地區(qū)存在著某幾層煤層與灰?guī)r現(xiàn)象,全區(qū)分布可以對(duì)比,如山西地區(qū)晚石炭世頂部的 8#煤層與廟溝—毛兒溝灰?guī)r組合,如用海侵事件成煤理論來解釋,可以得到良好的解釋效果,但是張鵬飛等 (2000)[6]通過地球化學(xué)手段研究發(fā)現(xiàn)煤層頂部的海相灰?guī)r層屬于海侵過程類型,非海侵事件類型,如果用海侵過程成煤來解釋該現(xiàn)象,對(duì)于某幾層廣泛分布的該類組合有些牽強(qiáng)。第二,關(guān)于灰?guī)r壓煤體系域的劃分仍然存在著爭(zhēng)議,有些人將部分煤層劃分為高位體系域,也有人將其劃分到海侵體系域或低位體系域,如將晚石炭世頂部 8#煤層劃分到高位體系域,代表了海平面下降產(chǎn)生了全華北大量的泥炭沼澤發(fā)育,其后的廟溝—毛兒溝期的海侵作用開始了大規(guī)模的海平面上升,但煤層分布比較廣泛,按照高位體系域水退產(chǎn)生泥炭沼澤,很難想象如此大的泥炭沼澤在發(fā)育,而且在研究煤層與其頂板沉積之間發(fā)現(xiàn)存在著代表古土壤的鋁土質(zhì)沉積,說明煤層形成與其底板存在著間斷,這與高位體系域成煤理論有所矛盾。如用低位體系域成煤來解釋,則煤層應(yīng)該是低位體系域形成的下切谷充填后產(chǎn)生了泥炭沼澤,其后的海侵產(chǎn)生灰?guī)r直接覆蓋在泥炭沼澤之上,但一般說來低位體系域形成下切河谷充填比較局限,用其解釋分布比較局限的灰?guī)r與煤層組合尚可,而對(duì)于大規(guī)模分布且全區(qū)能夠進(jìn)行對(duì)比的煤層與灰?guī)r組合有所欠缺,且煤層形成與其下伏底板屬于直接沉積的關(guān)系,并不能產(chǎn)生代表沉積間斷的古土壤層(根土巖或鋁質(zhì)泥巖)。

含煤地層研究不能僅僅局限于某個(gè)成煤理論進(jìn)行分析,因?yàn)樵诨鶞?zhǔn)面旋回變化中泥炭沼澤發(fā)育局部背景不同,海平面 (水)上升、下降程度不同且劇烈變化不一樣,現(xiàn)實(shí)工作中,如果單獨(dú)采用某一成煤理論進(jìn)行分析,容易忽略其他煤層在層序地層中的作用,因此要綜合多方面影響因素采用多種成煤理論進(jìn)行分析才能夠進(jìn)行層序地層學(xué)研究。太原西山晚古生代露頭煤層有多層,本文中主要敘述分布較廣、煤層較厚、具有一定層序界面意義的 2#,3#,6#, 7#,8#,11#煤層。通過煤化學(xué)研究發(fā)現(xiàn)[6],2#,3#煤層為河控淺水三角洲成煤,山西組煤層主要是由于海水退出本區(qū)后,三角洲沉積體系中分流間灣泥炭沼澤化形成,因此,2#,3#煤層可以作為一個(gè)層序頂界,同時(shí)這也被劃到高位體系域,為水退成煤或陸相成煤模式。在太原組主要發(fā)育了 6#,7#,8#,11#共 4個(gè)較穩(wěn)定的煤層,根據(jù)其地球化學(xué)特征[17]可以發(fā)現(xiàn)其元素含量與盆內(nèi)形成有關(guān),也就是說這 4個(gè)煤層應(yīng)該屬于海侵范圍內(nèi),應(yīng)該屬于海侵成煤。其中,11#煤層分布局限,在整個(gè)華北地區(qū)對(duì)比性不強(qiáng),只有河北地區(qū)、山東地區(qū)能夠?qū)Ρ?張鵬飛等[6]認(rèn)為 11#煤層與其上覆灰?guī)r逐漸過渡,屬于連續(xù)沉積,這些表明了 11#煤層成煤模式為海侵過程成煤,應(yīng)該劃分到海侵體系域,煤層底板應(yīng)該作為一個(gè)三級(jí)層序界面(層序 1與層序 2),這也與當(dāng)時(shí)華北地區(qū)沉積古地理有關(guān),海水由東北地勢(shì)低洼處緩慢侵入腹地,由北向南散開,煤層與海侵逐漸向陸逐步侵入。8#煤層則在整個(gè)華北地區(qū)具有明顯的全區(qū)對(duì)比性,從 8#煤層地化特征分析來看[6],該煤層明顯受到海水影響,煤層古鹽度比其頂板灰?guī)r鹽度還要高[4],其底板與下伏沉積物之間表現(xiàn)為暴露沉積,表明在泥炭沼澤發(fā)育期,海水經(jīng)常滋擾盆地內(nèi)部,且進(jìn)入盆地后海水由于海退發(fā)生了沉積,致使 8#煤層鹽度增加,及至后期突發(fā)型海侵終止了泥炭沼澤發(fā)育,使泥炭沼澤在深水條件下發(fā)生煤化作用,因此可以認(rèn)為 8#煤層為海侵事件成煤模式,該煤層應(yīng)該劃分海侵體系域。7#煤層在華北中部地區(qū)能夠廣泛對(duì)比,向南則變薄直至尖滅,這些反映出該煤層也是海侵形成,但是關(guān)于其形成機(jī)制是事件成煤還是過程成煤則需要進(jìn)一步探討,7#煤層古鹽度分析發(fā)現(xiàn)其鹽度低于其頂板[4],表明 7#煤層應(yīng)該形成于半咸水地帶,其底板為典型的瀉湖沉積,與煤層形成環(huán)境呈現(xiàn)過渡性關(guān)系,這表明 7#煤層應(yīng)該不屬于海侵事件沉積,應(yīng)該為海侵過程沉積,推測(cè)為濱海向陸一側(cè)地勢(shì)低洼處發(fā)育泥炭沼澤,該低洼處范圍廣泛,包括華北中北的山西、河北等地,為大面積分布瀉湖沉積。6#煤層與 7#煤層類似,屬于海侵過程成煤。通過以上方法,經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn),利用多種成煤理論來解釋基準(zhǔn)面變化在煤層形成中控制,結(jié)合其他的層序分析界面,可將該區(qū)地層劃分出 8個(gè)層序,其中,陸表海充填層序 5個(gè),陸相層序 3個(gè)(圖 4)。層序 1頂界為 11#煤層底界,其海侵體系域?yàn)榘霚匣規(guī)r下的潮坪沉積及其殘積相,且 3層半溝灰?guī)r夾多層煤線,為海侵過程成煤組合,煤層成為更高級(jí)別的層序劃分邊界;層序2頂界為 8#煤層底界,其海侵體系域?yàn)閰羌矣規(guī)r與 11#煤層組合,為海侵過程成煤組合;層序 3頂界為 7#煤層底界,其海侵體系域?yàn)閺R溝灰?guī)r與 8#煤層組合,為全區(qū)最大的海侵事件沉積;層序 4頂界為6#煤層底界,其海侵體系域?yàn)樾钡阑規(guī)r與 7#煤層組合,為較大規(guī)模的海侵過程成煤;層序 5為駱駝脖子砂巖底界,其海侵體系域?yàn)闁|大窯灰?guī)r與 6#煤層組合,為海侵過程成煤。以上 5個(gè)層序均為二元結(jié)構(gòu),每個(gè)體系域內(nèi)部其他煤層分布局限,且厚度較薄,可以相應(yīng)解釋出海侵過程成煤、海侵事件成煤以及陸相成煤,而對(duì)于海侵體系域內(nèi)部解釋出的海侵煤層可以利用幕式成煤理論來分析。這樣所提出的層序劃分不但兼顧了一般層序界面的劃分,同時(shí)也考慮了煤層在層序劃分中的作用,這樣能夠解釋出基準(zhǔn)面旋回在沉積序列演化中的作用。

圖 4 太原西山晚古生代含煤層序地層劃分Fig.4 Coal strata sequence division of Neopaleozoic of Xishan in Ta iyuan

3 結(jié) 論

(1)傳統(tǒng)的陸相成煤所解釋的煤層劃分到高水位體系域頂部。海侵過程成煤和海侵事件成煤理論所解釋的煤層被劃分到海侵體系域,但其成煤原理有所差別。幕式成煤理論是在層序地層學(xué)理論基礎(chǔ)上發(fā)展而來,其解釋的煤層將劃分到不同級(jí)別的海平面海侵旋回早期,低位體系域成煤理論則認(rèn)為下切河谷充填末期泥炭沼澤化,一般煤層劃分到低位體系域頂部。

(2)不同成煤理論因立論背景、盆地類型等不同所成煤層有所差異,進(jìn)行層序地層解釋也有所不同。陸相成煤為陸相盆地萎縮或?yàn)I海地區(qū)海退末期形成,所成煤層應(yīng)劃分到三級(jí)層序頂界;海侵過程成煤為濱海海侵造成泥炭沼澤向陸進(jìn)積,發(fā)生于被動(dòng)大陸盆地邊緣、陸表海盆地內(nèi)起伏較大之處,所成煤層具有穿時(shí)性;幕式成煤理論是海侵過程成煤理論的新發(fā)展,將不同煤層劃分到不同級(jí)別的層序地層單元之中,用以表示海侵過程。海侵事件成煤則是在大型陸表海盆地發(fā)生,用以表示海水突發(fā)性造成的煤層及其頂板出現(xiàn)無沉積間斷,煤層一般為三級(jí)層序界面。

(3)不同成煤理論的分析應(yīng)該綜合起來進(jìn)行研究,并且須綜合考慮煤層在層序地層劃分中的作用,在此思路上可以將華北地區(qū)太原西山含煤層沉積劃分為 8個(gè)3級(jí)層序,陸表海層序共 5個(gè),且為二元結(jié)構(gòu)。這樣所提出的層序劃分不但兼顧了一般層序界面的劃分,同時(shí)也考慮了煤層在層序劃分中的作用,這樣能夠解釋出基準(zhǔn)面旋回在沉積序列演化中的作用。

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(編輯 修榮榮)

Sequence division of coal strata based on different coal-accumulation theory

LüDa-wei1,2,L I Zeng-xue1,2,WEIJiu-chuan2,L IU Hai-yan1,2,WU Li-rong3
(1.Key Laboratory of DepositionalM ineralization&Sedim entary M ineral(SDUST),Shandong University of Science and Technology,Q ingdao266510,China; 2.College of Geo-Info rm ation Science and Engineering,Shandong University of Science and Technology, Q ingdao266510,China; 3.College of Natural Resource and Environm ent Engineering,Shandong University of Science and Technology, Q ingdao266510,China)

In order tomake clear the application of coal seam in the sequence division of coal bearing formation,five coal accumulation theories including coal accumulation of continental facies,coal accumulation of transgressive process,coal accumulation of transgressive event,episodic coal accumulation and coal accumulation of different system were analyzed.The theoretical foundation,coal accumulation characteristics,the causes of coal seam and the occurrence background of different theorieswere analyzed and the sequence division theorywas summarized by the methods of sedi mentology,coal geology,paleontology and geochemistry.The results show that different coal accumulation theories should be integrated.Considering the actions of coal seam in the sequence stratum division,the sedi mentation division with coal seam in Xishan,Taiyuan ofNorth China should be divided into eight three-grade sequences,and the sedimentation sequence of continental sea should be divided into five three-grade sequenceswith dualistic structure.

stratigraphy;stratigraphic sequence;coal accumulation of continental facies;coal accumulation of transgressive process;coal accumulation of transgressive event;episodic coal accumulation

P 62

A

10.3969/j.issn.1673-5005.2010.04.009

1673-5005(2010)04-0049-08

2009-12-15

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(40872100);山東省自然科學(xué)基金(Y2000E07);山東省高校沉積成礦作用與沉積礦產(chǎn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(山東科技大學(xué))開放基金(DMS M200801)

呂大煒(1980-),男(漢族),山東煙臺(tái)人,講師,博士,主要從事層序地層及煤地質(zhì)學(xué)研究。