梁山煤田高分辨率層序地層與聚煤規(guī)律研究

賈強(qiáng)，趙坤，牛金，陳東，蘭君

(1.山東省第五地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 泰安 271000;2.萊蕪市國土資源局，山東 萊蕪 271100)

魯西南地區(qū)是山東省重要的煤炭基地，梁山煤田作為該區(qū)重要的組成部分，煤炭資源儲(chǔ)量豐富，其經(jīng)濟(jì)地位不言而喻，前人在對(duì)魯西南地區(qū)的沉積環(huán)境以及高分辨率層序做過大量的研究，但對(duì)該區(qū)研究則較少，隨著能源問題以及勘探的進(jìn)行，該區(qū)的成煤環(huán)境以及層序劃分成為一個(gè)亟待解決的問題，因而該區(qū)成煤環(huán)境的分析研究就有重要的意義。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

梁山煤田位于魯西斷塊魯西南塊陷的北部，就EW向構(gòu)造帶而言，位于昆侖-秦嶺緯向構(gòu)造帶的東延北支部分，并處于新華夏系第二沉降帶南端復(fù)合部位。晚石炭世本溪組沉積物平行不整合于中奧陶世灰?guī)r之上，主要發(fā)育鐵質(zhì)泥巖及鋁土巖，屬淺海沉積環(huán)境；晚石炭—早二疊世太原組連續(xù)沉積于本溪組之上，多期次海進(jìn)、海退的交互出現(xiàn)以及古氣候、古植物及古構(gòu)造等有利條件的影響，使該期成為一個(gè)重要聚煤時(shí)期。同時(shí)，隨后期海平面下降，山西組時(shí)期形成的河控淺水三角洲的泥炭沼澤部位同樣有利于煤的形成，形成該區(qū)又一個(gè)重要的聚煤時(shí)期。

2 高分辨率層序地層劃分

運(yùn)用高分辨率層序地層學(xué)的基本原理和分析方法[1]，結(jié)合聚煤盆地構(gòu)造、氣候和物源供應(yīng)等特點(diǎn)，利用測(cè)井曲線、露頭和巖相對(duì)比資料，對(duì)地層沉積相進(jìn)行識(shí)別，通過地層基準(zhǔn)面旋回分析和對(duì)比，識(shí)別各級(jí)成因?qū)有虻貙咏缑?，?duì)該區(qū)含煤地層進(jìn)行了高分辨率層序地層劃分，進(jìn)而分析基準(zhǔn)面變化與該區(qū)成煤作用的關(guān)系。

對(duì)鉆孔資料進(jìn)行識(shí)別對(duì)比，發(fā)現(xiàn)該區(qū)含煤地層屬陸表海盆地充填體系[2]，存在瀉湖-臺(tái)地、障壁-瀉湖、臺(tái)地-潮坪、障壁-潮坪、潮坪、河控淺水三角洲6大沉積體系，依據(jù)沉積相組合特征，海平面變化及水進(jìn)水退周期，將該區(qū)含煤地層劃分為30個(gè)準(zhǔn)層序、3個(gè)層序(圖1)，每個(gè)層序又分為2個(gè)體系域。

從圖2中可以看出，在梁山煤田含煤地層構(gòu)造層序內(nèi)可以劃分為6個(gè)長周期基準(zhǔn)面旋回、10個(gè)中期基準(zhǔn)面旋回和30個(gè)短期基準(zhǔn)面旋回，長周期基準(zhǔn)面旋回代表3級(jí)海平面的變化規(guī)律，中期基準(zhǔn)面旋回代表體系域的變化，短期基準(zhǔn)面的變化代表短時(shí)間海進(jìn)海退的沉積序列[3]，整個(gè)含煤地層總體上代表短時(shí)間的海侵和長時(shí)間的海退組合，從而反映出該區(qū)沉積環(huán)境與海水基準(zhǔn)面的下降相關(guān)[4]。

2.1 短期基準(zhǔn)面旋回

依據(jù)該區(qū)露頭和鉆井資料分析，對(duì)短期基準(zhǔn)面旋回進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)其主要表現(xiàn)為對(duì)稱型和不對(duì)稱型，其中不對(duì)稱旋回又包括進(jìn)積結(jié)構(gòu)不對(duì)稱旋回和退積結(jié)構(gòu)不對(duì)稱旋回。由代表基準(zhǔn)面上升的退積半旋回和代表基準(zhǔn)面下降的進(jìn)積半旋回組合形成的對(duì)稱型結(jié)構(gòu)主要發(fā)育于瀉湖-潮坪沉積環(huán)境中，主要表現(xiàn)在層序2中(圖2-a)。進(jìn)積結(jié)構(gòu)不對(duì)稱旋回主要發(fā)育于層序3中(圖2-b)，代表了海水基準(zhǔn)面的不同期次的持續(xù)下降，同時(shí)，退積結(jié)構(gòu)不對(duì)稱旋回主要發(fā)育于層序1中(圖2-c)，主要表現(xiàn)在瀉湖-臺(tái)地沉積環(huán)境中。

圖1 梁山煤田含煤地層沉積序列層序劃分

圖2 短期基準(zhǔn)面旋回

2.2 中期基準(zhǔn)面旋回

對(duì)短期基準(zhǔn)面旋回樣式進(jìn)行綜合分析，根據(jù)其巖相組合特征，識(shí)別出2類中期基準(zhǔn)面旋回：退積型、進(jìn)積型。

2.2.1 退積型

垂向總體表現(xiàn)為退積型，主要出現(xiàn)在瀉湖-臺(tái)地沉積體系和臺(tái)地-潮坪沉積體系。瀉湖-臺(tái)地沉積體系中表現(xiàn)為：巖性上泥巖厚度向上增厚，灰?guī)r厚度向上也變厚，巖性逐漸向陸相轉(zhuǎn)變，主要發(fā)育在層序1海侵體系域中(圖3-a)；臺(tái)地-潮坪沉積體系中表現(xiàn)為：巖性上砂巖厚度向上增厚，灰?guī)r厚度向上也變厚，巖性逐漸向陸相轉(zhuǎn)變，主要發(fā)育在層序2海侵體系域中。

2.2.2 進(jìn)積型

垂向上表現(xiàn)為進(jìn)積疊加樣式為主，主要出現(xiàn)在障壁-瀉湖沉積體系和淺水三角洲沉積體系中[5]。障壁-瀉湖沉積體系中主要表現(xiàn)為下部砂巖厚度大，砂巖層數(shù)少，向上砂巖層數(shù)增大、厚度變小，泥質(zhì)含量向上減少，主要發(fā)育在層序1高位體系域中；淺水三角洲沉積體系中巖性從下往上表現(xiàn)為砂巖厚度增加，粒度變粗，泥質(zhì)減少。巖性由淺水三角洲沉積體系向陸相沉積體系轉(zhuǎn)變，海陸交互相沉積逐漸退出該區(qū)，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)殛懴喑练e。主要發(fā)育在層序3高位體系域中(圖3-b)。

圖3 中期基準(zhǔn)面旋回

2.3 長期基準(zhǔn)面旋回

確定中期基準(zhǔn)面旋回之后，對(duì)中期基準(zhǔn)面旋回進(jìn)行對(duì)比分析，確定長期基準(zhǔn)面旋回，依據(jù)區(qū)域性海侵海退以及沉積相巖性組合特征，對(duì)基準(zhǔn)面界面進(jìn)行識(shí)別。經(jīng)綜合分析，分析出6個(gè)長期基準(zhǔn)面旋回。每個(gè)長期基準(zhǔn)面旋回都由1～3個(gè)中期基準(zhǔn)面旋回組合而成。長期基準(zhǔn)面旋回反映的是三級(jí)海平面變化，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，含煤地層沉積環(huán)境中長期基準(zhǔn)面旋回均以下降半旋回為主，表明較長周期內(nèi)海水基準(zhǔn)面的變化以下降為主[6,7]。

3 聚煤規(guī)律

梁山煤田延伸至整個(gè)華北地區(qū)在盆地充填過程中，受古構(gòu)造、古氣候、古植被等各方面影響，均處于陸表海盆地充填層序，聚煤作用主要發(fā)生在海侵作用減弱三角洲作用增強(qiáng)階段[8]，主要有2個(gè)時(shí)期的聚煤作用，第一期為早期太原組聚煤階段，第二期為山西組聚煤階段。太原組聚煤階段主要形成因海侵作用形成的海相煤層，主要發(fā)生于障壁-瀉湖，潮坪沉積體系；山西組聚煤階段主要發(fā)生于構(gòu)造較穩(wěn)定的潛水三角洲沉積體系，主采3煤層，煤層主要產(chǎn)生于淺水三角洲的泥炭沼澤部位。

3.1 太原組聚煤階段

研究區(qū)太原組聚煤作用主要位于層序1、層序2，該組含煤22層，其中。8下，12下，15上，15-2，16上，16下，17下煤5層可采或局部可采；18下煤層為零星可采煤層；其他煤層均不可采。該階段為陸表海沉積階段，海平面的上下震蕩，多期次的海進(jìn)海退，從而該區(qū)形成潮坪、瀉湖、障壁等沉積環(huán)境，潮坪、瀉湖等沉積環(huán)境有利于煤的形成，從而形成多層海相煤層，是該時(shí)期成煤的主要原因[9]。該時(shí)期煤層特點(diǎn)是大部分呈現(xiàn)出“灰?guī)r壓煤”現(xiàn)象，煤層多出現(xiàn)于短期基準(zhǔn)面上升半旋回的底部[10]。

3.2 山西組聚煤作用

3.3 聚煤作用演化

梁山煤田聚煤作用沉積環(huán)境隨海平面的變化由原來的陸表海環(huán)境向海陸過渡相環(huán)境轉(zhuǎn)化[11]，即臺(tái)地-瀉湖沉積環(huán)境向河控淺水三角洲沉積環(huán)境轉(zhuǎn)換，太原組主要以瀉湖、潮坪沉積環(huán)境成煤，山西組主要以泥炭沼澤相成煤，太原組成煤特點(diǎn)為“灰?guī)r壓煤”現(xiàn)象，煤層出現(xiàn)于海侵體系域，山西組煤層則出現(xiàn)于高位體系域[12]。

4 結(jié)論

在分析梁山煤田含煤地層沉積環(huán)境、煤巖層組合的基礎(chǔ)上，對(duì)該區(qū)基準(zhǔn)面旋回以及層序地層進(jìn)行劃分，同時(shí)分析海平面變化對(duì)該區(qū)成煤的影響，得出以下結(jié)論：

(1)對(duì)該區(qū)煤巖層組合特征進(jìn)行對(duì)比，依據(jù)高分辨率層序地層，將梁山煤田含煤地層構(gòu)造層序內(nèi)可以劃分為6個(gè)長周期基準(zhǔn)面旋回、10個(gè)中期基準(zhǔn)面旋回和30個(gè)短期基準(zhǔn)面旋回，同時(shí)將含煤地層劃分為30個(gè)準(zhǔn)層序、3個(gè)層序，每個(gè)層序又分為2個(gè)體系域，建立本煤田層序格架。

(2)研究區(qū)太原組時(shí)期多期次的海進(jìn)海退出現(xiàn)了有利于聚煤的古地理環(huán)境，同時(shí)受有利的古構(gòu)造、古地理、古植被影響形成該區(qū)晚古生代太原組有利聚煤期，煤層主要出現(xiàn)于短期基準(zhǔn)面上升半旋回。

(3)山西組時(shí)期隨著陸地抬升，海水逐漸退出本區(qū)，該煤田形成又一個(gè)重要的聚煤時(shí)期，該期主采煤層3上煤層發(fā)育于淺水三角洲沉積環(huán)境下的泥炭沼澤部位。煤層主要出現(xiàn)于短期基準(zhǔn)面下降半旋回。

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