華北石炭—二疊紀(jì)層序-古地理及聚煤規(guī)律

邵龍義,董大嘯,李明培,3,王海生,王東東,魯 靜,鄭明泉,程愛國

(1．中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院,北京 100083;2．中國礦業(yè)大學(xué)(北京)煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100083;3．陜西省煤田地質(zhì)局勘察研究院,陜西西安 710054;4．山西省煤炭地質(zhì)勘查研究院,山西太原 030006;5．中國煤炭地質(zhì)總局,北京100039)

華北石炭—二疊紀(jì)層序-古地理及聚煤規(guī)律

邵龍義1,2,董大嘯1,2,李明培1,2,3,王海生4,王東東1,2,魯 靜1,2,鄭明泉1,2,程愛國5

(1．中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院,北京 100083;2．中國礦業(yè)大學(xué)(北京)煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100083;3．陜西省煤田地質(zhì)局勘察研究院,陜西西安 710054;4．山西省煤炭地質(zhì)勘查研究院,山西太原 030006;5．中國煤炭地質(zhì)總局,北京100039)

在對(duì)露頭及鉆孔剖面沉積特征研究的基礎(chǔ)上,建立了華北地臺(tái)石炭—二疊紀(jì)近海型含煤巖系層序地層格架,恢復(fù)了基于三級(jí)層序的巖相古地理,并分析了聚煤規(guī)律。根據(jù)區(qū)域不整合面、河流下切谷沖刷面、沉積體系轉(zhuǎn)換面、古土壤及根土巖、地層顏色突變面、煤層等層序地層關(guān)鍵界面特征,將華北石炭—二疊系劃分為7個(gè)三級(jí)層序。通過繪制各三級(jí)層序地層厚度、砂泥比、石灰?guī)r含量等單因素等值線,恢復(fù)出各三級(jí)層序的巖相古地理。利用煤層厚度與巖相古地理平面展布規(guī)律可知,最有利成煤環(huán)境為三角洲沉積體系,其次為河流、潮坪-潟湖沉積體系,聚煤作用以SQ2(太原組中上部)和SQ3(山西組)最強(qiáng),聚煤中心位于準(zhǔn)格爾、大同、朔州、烏海、峰峰等煤田和京津唐地區(qū),SQ4(下石盒子組)和SQ5(上石盒子組第1段)聚煤作用僅限于華北盆地南緣,聚煤中心位于兩淮地區(qū)。

層序地層;巖相古地理;聚煤中心;海陸過渡相;華北盆地

近年來,層序地層學(xué)原理與含煤巖系沉積學(xué)研究相結(jié)合,為聚煤規(guī)律分析提供了一個(gè)全新的思路和方法。等時(shí)層序地層格架下厚煤層的分布模式引起了眾多地質(zhì)學(xué)者的興趣[1-4],尤其是可容空間增加速率與泥炭堆積速率的比率被用來解釋在一個(gè)可容空間周期內(nèi)泥炭/煤的厚度變化特征[3,5-6]。目前已認(rèn)識(shí)到當(dāng)可容空間增加速率平衡或者稍微超過有機(jī)物的產(chǎn)出速率時(shí)能形成厚而孤立的泥炭,這種平衡的時(shí)間選擇和厚煤層的位置將進(jìn)一步依賴于沉積場(chǎng)所的沉降速率和沉積物供給的變化[3]。華北地區(qū)石炭—二疊系蘊(yùn)藏著豐富的煤炭資源和煤層氣資源,并伴生有豐富的油氣資源,其中的沁水盆地及鄂爾多斯盆地東緣地區(qū)是近幾年以來煤層氣勘探開發(fā)取得重大突破的熱點(diǎn)地區(qū)[7]。研究該區(qū)煤層(煤層氣儲(chǔ)層)厚度分布規(guī)律及控制因素引起許多學(xué)者的興趣,前人研究表明,該區(qū)含煤巖系是在河流-三角洲及潟湖-潮坪沉積體系中形成[8-13],但是針對(duì)華北全區(qū)石炭—二疊紀(jì)含煤巖系的層序地層及聚煤古地理研究則比較少見[11]。研究表明,厚煤層的分布受區(qū)域古地理背景及海平面變化規(guī)律的控制,而等時(shí)性的層序地層格架的建立則有助于預(yù)測(cè)厚煤層的分布規(guī)律[14]。筆者在進(jìn)行全國煤炭資源預(yù)測(cè)研究期間,利用鉆孔、露頭等資料,建立華北石炭—二疊系層序地層格架,繪制等時(shí)層序地層格架下巖相古地理,分析有利聚煤的古地理單元及其分布,在此基礎(chǔ)上對(duì)聚煤規(guī)律進(jìn)行總結(jié)。

1 華北石炭—二疊紀(jì)聚煤盆地的形成背景

石炭—二疊紀(jì)含煤巖系在華北廣泛發(fā)育,自晚石炭世始形成廣闊的聚煤坳陷,其北界為陰山、燕山及長(zhǎng)白山東段;南界為秦嶺、伏牛山、大別山及張八嶺;西界為賀蘭山、六盤山;東臨黃海、渤海。大地構(gòu)造上,華北盆地位于塔里木—中朝板塊的東北部,塔里木—中朝板塊北與西伯利亞板塊接壤,東與太平洋板塊毗鄰,南與華南板塊相連,它們?cè)诘刭|(zhì)歷史演化的不同階段相互作用、相互影響,尤其是北部的西伯利亞板塊與塔里木—中朝板塊作用形成的南北向擠壓應(yīng)力場(chǎng)及東部的太平洋板塊與塔里木—中朝板塊作用形成的北西—南東向擠壓應(yīng)力場(chǎng),控制了本區(qū)的地層展布、沉積建造,形成了本區(qū)北部以東西向構(gòu)造為主,南部以北東向構(gòu)造占主導(dǎo)的構(gòu)造格局,是本區(qū)構(gòu)造演化的主要?jiǎng)恿碓碵15-16]。

我國分布于中朝準(zhǔn)地臺(tái)范圍的石炭—二疊紀(jì)煤田形成于同一聚煤盆地,聚煤期后的中生代構(gòu)造運(yùn)動(dòng)才使其逐漸分開[16]。華北石炭—二疊系聚煤盆地即為這個(gè)巨型的克拉通盆地的一部分,盆地面積約120×104km2。在現(xiàn)代板塊格局中,該盆地位于華北古板塊內(nèi),盆地北面為陰山古陸,南面為秦嶺—大別古陸。晚石炭世早期,烏蘭格爾古隆起為古陸,將華北聚煤盆地分為東西兩個(gè)亞盆地,海水由東西兩個(gè)方向入侵;晚石炭世晚期烏蘭格爾古陸下沉,兩股海水匯合在一起形成了統(tǒng)一的華北聚煤盆地。

華北石炭—二疊紀(jì)盆地沉積地層包括本溪組、太原組、山西組、下石盒子組、上石盒子組及石千峰組,其中太原組、山西組是主要含煤巖系。太原組以石灰?guī)r、泥巖、粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖及砂巖為主,含多層可采煤層;山西組以砂巖、粉砂巖、泥巖為主,石灰?guī)r僅在局部地區(qū)見到,亦含多層可采煤層。下石盒子組和上石盒子組的可采煤層主要分布于華北南部河南及兩淮地區(qū)。華北石炭—二疊紀(jì)聚煤盆地主要發(fā)育海陸交互相的古地理背景[16-20],在華北地區(qū)石炭—二疊系發(fā)育沖積扇、河流、湖泊、三角洲、潟湖-潮坪、碳酸鹽臺(tái)地等沉積體系,其中,陸相的沉積體系多分布在北華北地區(qū),海陸過渡相沉積體系主要分布在中華北和南華北地區(qū),碳酸鹽臺(tái)地沉積主要在中華北和南華北的本溪組-太原組。

2 華北石炭—二疊紀(jì)聚煤盆地的層序地層格架

2.1 關(guān)鍵層序界面識(shí)別

層序地層的關(guān)鍵界面是指層序界面、海侵面和最大海泛面等,這些關(guān)鍵界面的識(shí)別對(duì)于層序劃分有著極其重要的意義[21-22]。

2.1.1 層序界面的識(shí)別標(biāo)志

(1)區(qū)域不整合面。古構(gòu)造運(yùn)動(dòng)形成的不整合面是一等時(shí)面。如中奧陶世石灰?guī)r頂面作為一區(qū)域不整合面在全區(qū)普遍發(fā)育且易于識(shí)別對(duì)比,是很好的層序界面。

(2)下切谷沖刷面。區(qū)內(nèi)一些大規(guī)模分布的砂巖體一般為低位期的下切谷充填沉積,其底面是一種侵蝕不整合面,可作為三級(jí)層序界面。如太原組底部的晉祠砂巖K1、山西組底部的北岔溝砂巖K7、下石盒子組底部的駱駝脖子砂巖、上石盒子組下段底部砂巖、上石盒子組中段底部砂巖以及石千峰組底部砂巖等。這些砂巖底界面常為河道強(qiáng)烈下切作用形成的區(qū)域性沖刷面,其上下沉積環(huán)境、古生物組合、陸源碎屑成分及微量元素組成等一般都有明顯變化[14]。

(3)海侵方向的轉(zhuǎn)換面。研究區(qū)在太原組下部煤層(沁水盆地的15號(hào)煤)沉積時(shí),在同生構(gòu)造控制下,華北地臺(tái)由“南升北降”變?yōu)椤氨鄙辖怠?南部地勢(shì)變低,海侵方向由原來的北東方向變?yōu)槟蠔|方向,這一界面已經(jīng)通過區(qū)域古地理分析被識(shí)別出來,它代表著新的沉積事件的開始[11]。

(4)古土壤及根土巖。煤層底板的發(fā)育植物根的泥巖相當(dāng)于現(xiàn)代的潮濕氣候下的淋溶土(leached soil)和潛育土(gley),是地表暴露的一個(gè)主要標(biāo)志,代表了一段時(shí)間的沉積間斷,其中與下切谷河道共生的河道間的古土壤層可作為缺少下切谷砂體的情況下的河道間層序界面[23]。

2.1.2 海侵面和最大海泛面的識(shí)別標(biāo)志

海侵面主要發(fā)育于下切谷充填沉積的砂體之上的第1個(gè)海泛面,經(jīng)常是薄煤層、灰色泥巖等,這些薄煤層和泥巖常常共生有古土壤層。在沒有河道發(fā)育的地帶,海侵面與層序界面重合,海侵面直接覆蓋在河道間層序界面處的古土壤層上。

最大海泛面是一個(gè)層序中代表海侵范圍最大的一個(gè)界面,也是反映當(dāng)時(shí)水體最深的巖石單元的底面。在河流體系中可以是向上變厚的最厚的一層煤層的底面[24],在多個(gè)向上變粗的序列(準(zhǔn)層序)中泥巖最為發(fā)育的序列(準(zhǔn)層序)的底面,有時(shí)直接為含菱鐵礦結(jié)核的泥巖底面。

在碳酸鹽臺(tái)地沉積背景下,最大海泛面可以是向陸地延伸最遠(yuǎn)的一層石灰?guī)r的底面。在山西省境內(nèi)太原組沉積期的海侵記錄以含Pseudoschwagerina蜓帶的灰?guī)r為代表,在太原西山,該蜓帶又被劃分為4個(gè)亞帶,分別以廟溝灰?guī)r、毛兒溝灰?guī)r、斜道灰?guī)r和東大窯灰?guī)r標(biāo)志層為標(biāo)志。就海侵規(guī)模來看,廟溝灰?guī)r向西北方向尖滅于河?xùn)|煤田的橋頭鎮(zhèn),毛兒溝灰?guī)r分布范圍擴(kuò)大而最終尖滅于準(zhǔn)格爾煤田南部巨厚的6號(hào)煤層中,斜道灰?guī)r分布變小,其北界位于原平—寧武附近,東大窯灰?guī)r在太原以北相變?yōu)槟嗷規(guī)r或海相泥巖,至寧武附近尖滅。上述4期海侵,以毛兒溝灰?guī)r所代表的海侵范圍最大[9-11,25]。

在華北地區(qū)上石盒子組發(fā)育3～4層硅質(zhì)海綿巖,含有豐富的海綿骨針,在研究區(qū)內(nèi)分布穩(wěn)定,特別是兩淮、冀魯豫及太原等地都有發(fā)育[11]。硅質(zhì)海綿巖的形成于海侵關(guān)系密切,表明晚二疊世也發(fā)生過多次海侵事件,可作為最大海泛面。

2.2 華北地區(qū)石炭—二疊紀(jì)層序地層格架

根據(jù)華北地臺(tái)石炭—二疊系層序地層界面的識(shí)別,并結(jié)合前人對(duì)該區(qū)層序地層的認(rèn)識(shí)[26-31],同時(shí)參考華北各省區(qū)域地質(zhì)志以及中國地層典相關(guān)資料,可將石炭—二疊系劃分為一個(gè)盆地級(jí)層序,早期主要為陸表海障壁海岸體系,晚期為近海河流、三角洲、湖泊沉積體系,總體表現(xiàn)為海平面下降、盆地進(jìn)積的沉積層序。根據(jù)區(qū)域不整合面和區(qū)域的構(gòu)造應(yīng)力轉(zhuǎn)換面將研究區(qū)劃分為2個(gè)二級(jí)構(gòu)造層序：第1個(gè)二級(jí)層序時(shí)間為晚石炭世至早二疊世早期(相當(dāng)于太原組頂界),該層序?yàn)榕璧剞D(zhuǎn)換層序,即陸表海沉積轉(zhuǎn)換為河流、三角洲、湖泊沉積;第2個(gè)二級(jí)層序?yàn)樵缍B世(相當(dāng)于山西組底界)至晚二疊世。二級(jí)構(gòu)造層序可進(jìn)一步劃分為7個(gè)三級(jí)層序(圖1)。

構(gòu)造層序Ⅰ包含SQ1,SQ2：三級(jí)層序SQ1的底界面為奧陶系頂部的風(fēng)化面之底,頂界面為太原西山的9煤底、南華北的一1煤之底、山東地區(qū)為17煤之底等,時(shí)間范圍為晚石炭世巴什基爾期至阿瑟爾期;SQ2為SQ1的頂界面至山西組北岔溝砂巖之底界,時(shí)間為阿瑟爾期至亞丁斯克期早期。構(gòu)造層序Ⅱ包含SQ3～SQ7：SQ3的底界面為北岔溝砂巖之底,頂界面為駱駝脖子砂巖底界,時(shí)限為亞丁斯克期中期至空谷期中期;SQ4底界面為駱駝脖子砂巖之底,其頂界為桃花泥巖之頂,相當(dāng)于中二疊世早期下石盒子組沉積地層;SQ5的頂界面為上石盒子組中部的下切谷砂體(太原西山為K7砂巖),時(shí)間相當(dāng)于中二疊世晚期;SQ6頂界為石千峰組底部砂巖之底,時(shí)間為255．0～253．5 Ma,即吳家坪期,為二疊系上部沉積;SQ7相當(dāng)于石千峰組(孫家溝組),頂界為三疊系之底,為二疊系頂部沉積,時(shí)間與長(zhǎng)興期對(duì)應(yīng)。

3 層序地層格架下的巖相古地理

圖1 華北地區(qū)石炭—二疊紀(jì)三級(jí)層序劃分Fig．1 Subdivision of the third-order sequences of the Carboniferous and Permian in the North China Basin

在上述層序地層格架建立的基礎(chǔ)上,筆者以三級(jí)層序?yàn)樽鲌D單元,繪制了各層序的巖相古地理圖(圖2)。巖相古地理研究主要是在詳細(xì)分析鉆孔和露頭剖面沉積環(huán)境分析的基礎(chǔ)上,統(tǒng)計(jì)出各種能反映沉積環(huán)境的參數(shù),作出能獨(dú)立反映沉積環(huán)境特征的單因素圖,再通過各單因素圖的疊加和綜合判斷,最終編制出巖相古地理圖[32-33]。本次研究篩選、統(tǒng)計(jì)了百余個(gè)鉆孔和露頭剖面,繪制出地層厚度、砂泥巖比、石灰?guī)r厚度、煤層總厚度等參數(shù)的等值線圖,作圖單元為三級(jí)層序。古地理單元邊界的確定需要綜合考慮沉積相、古生物、單因素特征等。

3.1 層序SQ1巖相古地理

SQ1的底界面為奧陶系頂部的風(fēng)化面、本溪組之底,頂界面為太原西山的9煤底、南華北的一1煤之底、山東地區(qū)為17煤之底等,時(shí)間范圍為晚石炭世巴什基爾期至阿瑟爾期。SQ1總厚度較小,一般不超過100 m,僅在遼東半島復(fù)州灣剖面附近最厚超過130 m。總體表現(xiàn)為北部較厚,北緣和南緣相對(duì)變薄,遼東復(fù)州灣、鄂爾多斯盆地西北部、北京、山西離石北部、豫東皖西等地為主要的沉積中心。SQ1主要沉積中心為遼東復(fù)州灣,沉積厚度達(dá)到130 m以上,次要沉積中心位于鄂爾多斯盆地西北部杭錦旗—鄂托克旗之間、北京、離石北部、豫東—淮北一帶,地層厚度為60～70 m。SQ1砂巖不甚發(fā)育,主要有兩個(gè)高值區(qū)：鄂爾多斯盆部西北部一般37～70 m,幾乎全部為砂巖和少量礫巖、京西為10～33 m,其他地區(qū)砂巖總厚度均較小,多在20 m以內(nèi)。泥巖厚度普遍較高,一般在125 m以內(nèi),全區(qū)平均厚度25 m,豫西平頂山、洛陽、三門峽和鄂爾多斯盆地南部渭北煤田的泥巖厚度明顯低于平均水平。

晚石炭世SQ1時(shí)期,華北盆地北部以河流三角洲沉積體系為主,發(fā)育三角洲平原相和三角洲前緣相,向南過渡為潟湖、潮坪沉積體系,發(fā)育若干砂質(zhì)潮汐淺灘,在潮坪與碳酸鹽臺(tái)地之間起到一定的障壁作用(圖2(a))。北部承德一帶發(fā)育沖積扇沉積體系。西部石嘴山、銀川等地以碳酸鹽臺(tái)地沉積體系為主,由于鄂爾多斯盆地中央隆起的影響,烏審旗以南的碳酸鹽臺(tái)地與西緣碳酸鹽臺(tái)地被潮坪分開。華北東北部的遼東半島以碳酸鹽臺(tái)地沉積體系為主,向北過渡為潮坪與河流、三角洲沉積體系。南部豫東、皖南亦以碳酸鹽臺(tái)地沉積體系為主,向西北方向過渡為潟湖、潮坪沉積體系。

3.2 層序SQ2巖相古地理

SQ2為SQ1的頂界面至山西組北岔溝砂巖之底界之間的地層,時(shí)間為阿瑟爾期至亞丁斯克期早期。SQ2總厚度較SQ1厚,一般在10～200 m,平均厚度約為80 m,天津附近新葛4井厚度超過200 m?？傮w趨勢(shì)表現(xiàn)為東部地層總厚度大于西部,北京、天津、唐山、滄州、石家莊一帶和臨沂、濟(jì)寧、菏澤一帶厚度較大,平均厚度129 m,西部鄂爾多斯盆地由于海侵作用不斷加強(qiáng),中部中央隆起對(duì)海水的阻礙作用不再明顯,兩側(cè)的沉積建造趨于一致,兩側(cè)地層厚度也趨于一致且較鄂爾多斯盆地中部厚,厚度一般在20～100 m,平均為50 m。另外盆地中部的山西、河北西部地層厚度也較為均勻,一般為25～115 m,平均79 m。由此可見SQ2時(shí)期華北盆地兩個(gè)沉積中心,一個(gè)即為京津唐、滄州、石家莊一帶,另一個(gè)為魯西南、皖北一帶。SQ2時(shí)期砂巖不甚發(fā)育,主要有兩個(gè)高值區(qū)：鄂爾多斯盆部北部杭錦旗、準(zhǔn)格爾旗等地一般為30～40 m,承德、京西等地砂巖厚度為20～95 m,其他地區(qū)砂巖總厚度均較小。泥巖厚度普遍較高,一般在130 m以內(nèi),主要有河北德州(泥巖總厚度為130 m),魯西南(平均厚度101 m)兩個(gè)沉積中心。

圖2 華北盆地SQ1～SQ7巖相古地理Fig．2 Lithofacies paleogeograpy map of SQ1-SQ7 in the North China Basin

早二疊世早期SQ2時(shí)期,華北盆地北部以河流三角洲沉積體系為主,向南過渡為潟湖、潮坪沉積體系,發(fā)育若干砂質(zhì)潮汐淺灘。中部石嘴山—榆林—離石—陽泉—衡水—濱州—東營一線以南至慶陽—侯馬一線和豫東、安徽等地廣泛發(fā)育碳酸鹽臺(tái)地沉積體系。西部石嘴山、銀川等地仍以碳酸鹽臺(tái)地沉積體系為主。華北東北部的遼東半島以碳酸鹽臺(tái)地沉積體系為主,向北過渡為潟湖-潮坪與河流、三角洲沉積體系。秦嶺中條古陸此時(shí)已開始提供少量物源,西南鄂爾多斯盆地南部平?jīng)?、銅川與豫西三門峽等地發(fā)育河流三角洲沉積體系(圖2(b))。

3.3 層序SQ3巖相古地理

SQ3的底界面為北岔溝砂巖之底,頂界面為駱駝脖子砂巖底界,時(shí)限為亞丁斯克期中期至空谷期。SQ3總厚度較SQ2厚,一般在25～220 m,平均厚度約為82 m,地層厚度等值線圖上反映為3個(gè)沉積中心：第1個(gè)為天津?qū)氎?、滄州以及渤海灣一帶至鶴壁、安陽、濮陽一帶地層總厚度達(dá)到110～160 m;第2個(gè)為泰安、濟(jì)寧、臨沂、徐州一帶,地層總厚度為110～150 m;第3個(gè)為鄂爾多斯盆地榆林、定邊、志丹、延安、大寧、柳林一帶,為100～150 m?？傮w趨勢(shì)表現(xiàn)為東部和西部地層較厚,中部以山西大部(河?xùn)|煤田除外)相對(duì)較薄為特征。SQ3砂巖較發(fā)育,全區(qū)砂巖總厚度厚度值為10～217 m,除豫西、大寧—延安—志丹—定邊—吉縣—慶陽以北砂巖較薄以外,全區(qū)均較厚。泥巖厚度普遍較高,為5～160 m,平均厚度43 m,沉積中心的分布于地層厚度沉積中心的分布基本一致。

早二疊世SQ3時(shí)期,華北盆地主要以河流三角洲沉積體系為主,鄂爾多盆地志丹—延安—大寧—吉縣一帶存在大規(guī)模的湖泊沉積體系,東南部淄博、濟(jì)南、鶴壁、晉城一帶向南過渡為潟湖、潮坪沉積體系。南部秦嶺中條古陸繼續(xù)提供物源,渭北煤田、豫東三門峽等地依然為河流-三角洲沉積體系(圖2(c))。

3.4 層序SQ4巖相古地理

SQ4底界面為駱駝脖子砂巖之底,其頂界為桃花泥巖之頂,相當(dāng)于中二疊世早期下石盒子組沉積地層。SQ4地層總厚度較厚,一般為11～370 m,平均厚度約為118 m,地層厚度等值線圖上反映為3個(gè)沉積中心：第1個(gè)為唐山—天津?qū)氎嬷g,厚度為180～230 m,第2個(gè)為德州—邯鄲—鶴壁—焦作—周口等一個(gè)狹長(zhǎng)地帶,地層厚度變化小,為180～370 m,平均約為237 m;第3個(gè)為鄂爾多斯盆地大寧—吉縣—延安—定邊—志丹—慶陽一帶,沉積厚度為90～200 m,與前兩個(gè)沉積中心相比較薄。另外魯西南、臨沂、徐州、兩淮一帶和銅川、韓城、臨汾、長(zhǎng)治一帶地層厚度較薄,一般不超過80 m。砂巖總厚度分布規(guī)律與第1和第2個(gè)地層沉積中心分布基本一致,為70～170 m,西部鄂爾多斯盆地砂巖厚度較為均勻,平均為37 m。東部魯西南、兩淮由于地層較薄,砂巖總厚度亦較薄,與其他地區(qū)對(duì)比性不強(qiáng)。泥巖總厚度為3～246 m,平均值為73 m,泥巖沉積中心與地層的沉積中心一致,唐山—天津?qū)氎嬉粠鄮r總厚度為80～120 m,部分鉆井中可見深色泥質(zhì)灰?guī)r;德州—邯鄲—鶴壁—焦作—周口一帶為62～246 m,平均厚度為149．5 m,為全區(qū)泥巖沉積厚度最大處;鄂爾多斯盆地大寧—吉縣—延安—定邊—志丹—慶陽一帶泥巖厚度為38～207 m,平均厚度為84 m。

中二疊世SQ4時(shí)期,華北盆地主要以河流沉積體系為主,河道及沖積平原、泛濫盆地十分發(fā)育,其次為湖泊沉積體系、三角洲沉積體系。鄂爾多斯盆地中部定邊、延安、志丹、大寧、吉縣以及榆林南部和天津—滄州一帶以湖泊沉積體系,湖泊向外漸變?yōu)楹慈侵奁皆颓熬壪?一般少有泥炭堆積;華北盆地南部濟(jì)寧、鶴壁、焦作、鄭州、漯河、駐馬店一帶以南地區(qū)發(fā)育河流三角洲沉積體系,形成具有工業(yè)價(jià)值的煤層;華北盆地大部分地區(qū)則為河流沉積體系,發(fā)育河道、沖積平原、泛濫盆地等沉積相單元(圖2(d))。

3.5 層序SQ5巖相古地理

SQ5的頂界面以上石盒子組中部的下切谷砂體(太原西山為K7砂巖)為界,底界為下石盒子組之頂,時(shí)間相當(dāng)于中二疊世晚期。SQ5地層總厚度南北不均一,全區(qū)地層厚度變化范圍為46～450 m,平均為126 m,地層沉積中心位于東南方向徐州—兩淮地區(qū)。北部地層一般偏薄,一般為100 m以內(nèi),東南方向較厚,為140～450 m,淮南淮北地區(qū)平均厚度為302 m,西部鄂爾多斯盆地厚度較均一,一般為62～207 m,平均值為105 m。全區(qū)砂巖分布比較均一,厚度變化不大,一般為5～152 m,平均厚度41 m。砂巖最厚區(qū)域位于山西保德扒樓溝剖面,為152 m,其次為東南部徐州兩淮鉆孔顯示為151 m,河北邯鄲南部沙壩溝剖面為122 m,大寧、吉縣附近砂巖總厚度為110 m,其他地區(qū)明顯偏薄,平均值約為50 m。泥巖總厚度為3～246 m,平均值為73 m,泥巖沉積中心位于徐州、兩淮地區(qū),一般為110～354 m,平均值為212 m,另外河北邯鄲南部沙壩溝剖面、大寧—吉縣一帶泥巖總厚度也較大,總體上與地層總厚度和砂巖總厚度的沉積中心趨于一致,其他地區(qū)泥巖厚度一般在20～80 m。

中晚二疊世SQ5時(shí)期,華北盆地主要以河流沉積體系為主,河道、沖積平原、泛濫盆地異常發(fā)育,其次為湖泊沉積體系、三角洲沉積體系。鄂爾多斯盆地中部定邊、延安、志丹以及榆林南部和遼東半島南部發(fā)育湖泊沉積體系,湖泊四周漸變?yōu)榉簽E盆地相及河道相,華北東部東營—濱州—濟(jì)南—濟(jì)寧—臨沂一帶以東地區(qū)亦發(fā)育湖泊沉積體系,伴有湖泊三角洲,但一般不成煤,華北東南部豫東和徐州及兩淮等地以南則發(fā)育河流三角洲沉積體系,三角洲平原和三角洲前緣發(fā)育,泥炭堆積形成具有工業(yè)價(jià)值的煤層。華北其他大部分地區(qū)則以河流沉積體系為主,河道、沖積平原、泛濫盆地相發(fā)育,杭錦旗—鄂爾多斯一帶有大規(guī)模的泛濫盆地相發(fā)育(圖2(e))。

3.6 層序SQ6巖相古地理

SQ6頂界為石千峰組底部砂巖之底,時(shí)間為255～260．5 Ma,即吳家坪期,為二疊系上部沉積。地層總厚度較大,全區(qū)地層厚度為47～417 m,平均為159 m,總體趨勢(shì)為北薄南厚,地層沉積中心主要有2個(gè)：第1個(gè)為淄博—濟(jì)寧—商丘—淮南以東一帶,地層沉積厚度為300～417 m,平均厚度367 m,為主要沉積中心;第2個(gè)沉積中心位于大寧—吉縣—運(yùn)城—晉城—長(zhǎng)治—邯鄲—太原—離石一帶,地層厚度為148～337 m,平均為264 m,為次要沉積中心。全區(qū)砂巖分布比較均一,一般為5～195 m,平均厚度50 m。僅在大寧—吉縣、邯鄲等地有較厚的砂巖沉積,前者最厚達(dá)195 m,后者為115 m。全區(qū)其他地區(qū)厚度差別不大,一般為5～90 m,平均為45 m。全區(qū)泥巖較厚,平均為109 m,表現(xiàn)為3個(gè)沉積中心,第1個(gè)位于遼東半島本溪附近的螞蟻村剖面,泥巖總厚度達(dá)到872．3 m,為全區(qū)最厚處,以泥巖為主間或夾雜細(xì)粒砂巖,第2個(gè)位于東南方向臨沂、濟(jì)寧、徐州、兩淮一帶,平均值為304 m,第3個(gè)沉積中心位于離石—柳林一帶,平均厚度150 m。

晚二疊世SQ6時(shí)期,華北盆地主要以河流沉積為主,河道、沖積平原、泛濫盆地發(fā)育,其次為湖泊沉積(圖2(f))。華北東北部遼東半島本溪以南地區(qū)、東部及南部的滄州—德州—菏澤—漯河—阜陽以東的地區(qū)、西部鄂托克旗—石嘴山—定邊—志丹—延安—離石等地發(fā)育大規(guī)模的湖泊沉積,晉城—焦作—洛陽一帶發(fā)育小型湖泊沉積,湖泊四周漸變?yōu)榉簽E盆地相及河道相,華北其他地區(qū)則為河流沉積,河道、沖積平原、泛濫盆地十分發(fā)育,華北北部鄂爾多斯—準(zhǔn)格爾旗—朔州—保德一帶、銅川以西部分地區(qū)均發(fā)育不同規(guī)模的泛濫盆地相。SQ6沉積期物源來自于北緣陰山古陸和南部秦嶺中條古陸,湖侵方向以南部?jī)苫从蓶|南向西北方向。

3.7 層序SQ7巖相古地理

SQ7相當(dāng)于石千峰組(孫家溝組),頂界為三疊系之底,為二疊系頂部沉積,時(shí)間與長(zhǎng)興期對(duì)應(yīng)。華北晚二疊世地層為一套陸相紅色沉積,氣候溫暖濕潤(rùn),全區(qū)處于氧化環(huán)境,地層總厚度較大,全區(qū)地層厚度變化范圍為85～367 m,平均為226 m。西部鄂爾多斯盆地地層厚度變化較為均一,變化范圍為137～346 m,平均厚度為249 m。華北南部豫西洛陽—鄭州一帶地層較厚,其中瑤玲剖面地層厚度達(dá)到367 m,為1個(gè)沉積中心。全區(qū)砂巖分布東西不均一,西部地區(qū)一般較厚,特別是鄂爾多斯盆地,變化范圍為51～247 m,平均厚度110 m,東部地區(qū)變化范圍為10～175 m,平均值為66 m,明顯低于西部,南部?jī)H豫西洛陽一帶砂巖較厚,平均為113 m。全區(qū)泥巖較厚,平均為127 m,沉積中心分布不明顯,主要位于鄂爾多斯盆地和豫西洛陽一帶,鄂爾多斯盆地內(nèi)部泥巖厚度為30～230 m,平均厚度為138 m;另外豫西洛陽一帶瑤玲剖面泥巖厚度也較大為216 m,其他地區(qū)泥巖厚度均低于上述兩地。

晚二疊世SQ7時(shí)期,華北盆地主要以河流沉積、湖泊沉積環(huán)境為主,河道、沖積平原、泛濫盆地發(fā)育(圖2(g))。華北東北部遼東半島本溪—丹東以南地區(qū)、東部及南部淄博—德州—邯鄲—長(zhǎng)治—晉城—焦作—商丘—阜陽—合肥以東地區(qū)、西部鄂爾多斯盆地中部定邊—志丹—榆林—延安一帶等地發(fā)育大規(guī)模的湖泊沉積,湖泊向外逐漸過渡為泛濫盆地及河流,其他地區(qū)則發(fā)育河流沉積,河道、沖積平原、泛濫盆地相十分發(fā)育,華北杭錦旗、鄂爾多斯、鄂托克以南、大同以東的地區(qū)均發(fā)育不同規(guī)模的泛濫盆地相。SQ7沉積期物源來自于北緣陰山古陸、南部秦嶺中條古陸、伏牛古陸以及西南部平?jīng)觥獞c陽一帶,湖侵方向以南部?jī)苫从蓶|南向西北方向。

該時(shí)期華北盆地完全轉(zhuǎn)變?yōu)殛懴嗪恿骱闯练e體系,氣候溫暖潮濕,但是與此前SQ1～SQ6時(shí)期相比,氧化環(huán)境占絕對(duì)優(yōu)勢(shì),不利于成煤植物死亡后的保存,沉積物以紅色為主,聚煤作用結(jié)束。

4 華北石炭—二疊紀(jì)聚煤規(guī)律分析

SQ1時(shí)期,華北盆地聚煤作用較差,全區(qū)形成5個(gè)聚煤中心：渭北煤田銅川—韓城礦區(qū),保德扒樓溝—山西七里溝—朔州原平軒一帶,豫東周口—兩淮以西,鄂爾多斯盆地子洲,鄂爾多斯盆地鄂托克旗以南伊25-蘇118井一帶(圖3(a)),以上5個(gè)聚煤中心在橫向及縱向上連續(xù)性差。除渭北煤田以外,其他地區(qū)煤層賦存條件均較差。

圖3 華北盆地SQ1～SQ5煤層厚度等值線Fig．3 Contour of total coal thickness of SQ1-SQ5 in the North China Basin

SQ2時(shí)期,華北盆地北部發(fā)育河流三角洲體系,中南部發(fā)育潟湖-潮坪體系,該時(shí)期聚煤作用較強(qiáng),全區(qū)形成大規(guī)模的可采煤層,全區(qū)煤層總厚度為0～38 m,平均厚度為7．6 m(圖3(b))。總體分布趨勢(shì)為北厚南薄,北部煤層平均厚度為10 m,煤層最厚處位于內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾煤田,其次為大同、平朔礦區(qū)、京西煤田、天津—滄州一帶。南部煤層平均厚度為4．6 m,薄于北部聚煤區(qū)。該時(shí)期聚煤中心主要有內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾煤田、大同、平朔、京西、天津—滄州5個(gè)聚煤中心,另外還有烏達(dá)、邯鄲、渭北等多個(gè)次要聚煤中心。煤層在橫向及縱向上連續(xù)性較好,多層煤層可以進(jìn)行全區(qū)對(duì)比。SQ2時(shí)期華北盆地煤層發(fā)育較好,總體表現(xiàn)為北部煤層厚度和賦存條件均優(yōu)于南部。

SQ3時(shí)期,華北盆地大部分地區(qū)發(fā)育河流三角洲沉積體系,聚煤作用依然較強(qiáng),全區(qū)除北緣和南緣以外基本都有煤層賦存,但是規(guī)模和厚度比SQ2時(shí)期略差。全區(qū)煤層總厚度為0～31 m,平均厚度為4．7 m(圖3(c))?？傮w分布趨勢(shì)為北厚南薄,北部煤層平均厚度為4．9 m,煤層最厚處位于天津—滄州中間地帶的石油鉆井莊古1井處,為31 m,其次為滄州西南方向石油鉆井泊古1井處,為18．5 m,鄂爾多斯盆地東緣府谷—保德一帶和西部桌子山—鄂托克旗一帶煤層也較厚,前者平均厚度為8．5 m,后者平均厚度為7．7 m。其他地區(qū)煤層厚度較為均一,一般為0～10 m。此時(shí),兩淮地區(qū)亦有較大規(guī)模的煤層富集。

SQ4時(shí)期華北盆地以河流沉積體系、湖泊沉積體系為主,三角洲沉積體系為輔,盆地南部河南、山東、江蘇、安徽部分地區(qū)發(fā)育三角洲沉積體系。受潮濕氣候帶南移的影響,聚煤區(qū)域進(jìn)一步縮小,僅在德州—石家莊—陽泉—離石—延安—三門峽—平頂山一線以南有聚煤作用,厚煤層主要集中于徐州—商丘—鄭州—洛陽—平頂山—駐馬店以南的區(qū)域,聚煤中心位于淮南以南的區(qū)域,煤層總厚度達(dá)17 m以上(圖3(d))。煤層主要形成于三角洲平原相和三角洲前緣相,研究區(qū)中北部的河流相、沖積平原相、泛濫盆地相、湖泊相的聚煤作用十分微弱,不足以形成大規(guī)模的厚煤層。

SQ5時(shí)期,華北盆地主要以河流沉積體系為主,河道、沖積平原、泛濫盆地異常發(fā)育,其次為湖泊沉積體系、三角洲沉積體系。聚煤作用僅發(fā)生在臨沂—菏澤—焦作—三門峽—平頂山一線以南地區(qū)。聚煤中心位于阜陽—淮南一帶,煤層向四周逐漸變薄,淮南礦區(qū)丁集、顧橋、謝家集等礦區(qū)煤層總厚度可達(dá)25 m以上(圖3(e))。SQ5時(shí)期華北盆地以河流沉積體系和湖泊沉積體系為主,三角洲沉積體系為輔,僅在盆地南部河南、江蘇、安徽部分地區(qū)發(fā)育三角洲沉積體系,煤層主要形成于三角洲平原相和三角洲前緣相,河流相、沖積平原相、泛濫盆地相、湖泊相的聚煤作用十分微弱,不足以形成大規(guī)模的厚煤層。

晚二疊世SQ6和SQ7時(shí)期,華北盆地主要以河流沉積為主,河道、沖積平原、泛濫盆地發(fā)育,其次為湖泊沉積。因?yàn)闅夂蜃兊酶稍?基本沒有聚煤作用發(fā)生。

綜上所述,華北盆地SQ1時(shí)期聚煤環(huán)境以潮坪-潟湖為主,聚煤作用強(qiáng)度相對(duì)較弱,除渭北煤田以外,其他地區(qū)煤層發(fā)育均較差;SQ2時(shí)期聚煤環(huán)境以三角洲及潮坪-潟湖為主,煤層最好,厚或巨厚煤層主要分布于華北北部;SQ3時(shí)期聚煤環(huán)境以三角洲為主,煤層發(fā)育較好,總體表現(xiàn)為華北中部煤層發(fā)育優(yōu)于北部和南部;SQ4和SQ5時(shí)期隨著海水大規(guī)模的向南退卻,三角洲聚煤環(huán)境向南推進(jìn),厚煤層主要發(fā)育于華北南部地區(qū);SQ6和SQ7時(shí)期雖然盆地內(nèi)部沉積環(huán)境依然以河流沉積體系和湖泊沉積體系為主,但因華北盆地逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楦珊禋夂?聚煤作用就此終止。

5 結(jié) 論

(1)通過對(duì)華北地臺(tái)石炭—二疊紀(jì)層序地層關(guān)鍵界面(層序界面、海侵面、最大海泛面等)的研究,在研究區(qū)識(shí)別出區(qū)域不整合面、河流下切沖刷面、沉積體系轉(zhuǎn)換面、古土壤及根土巖、地層顏色突變面、煤層等三級(jí)層序界面。將石炭—二疊系劃分2個(gè)二級(jí)構(gòu)造層序,和7個(gè)三級(jí)層序。三級(jí)層序SQ1以本溪組及太原組下部為主,SQ2由太原組中部和上部地層組成,SQ3以山西組為主體,SQ4為下石盒子組沉積地層,SQ5為上石盒子組下部地層,SQ6為上石盒子組中上部地層,SQ7相當(dāng)于石千峰組(孫家溝組)。

(2)利用各種單因素等值線圖的分布規(guī)律,恢復(fù)華北地區(qū)石炭—二疊紀(jì)基于三級(jí)層序的巖相古地理圖,石炭—二疊紀(jì)華北地區(qū)發(fā)育的沉積相單元包括沖積扇、河流、三角洲、潟湖-潮坪、碳酸鹽臺(tái)地等,其中SQ1和SQ2以潟湖-潮坪為主,SQ3主要以河流-三角洲為主,SQ4和SQ5主要以河流-湖泊為主,三角洲相僅限于華北南部,SQ6和SQ7主要以河流和湖泊相為主。SQ1沉積期海侵主要來自東北方向,SQ2到SQ7沉積期海侵主要來自于研究區(qū)東南部。

(3)通過層序格架內(nèi)的巖相古地理圖和煤層厚度等值線圖的分析可知,SQ1時(shí)期煤炭廣泛聚集在潮坪-潟湖沉積相中,SQ2和SQ3時(shí)期煤層主要形成于三角洲平原相、其次為潮坪相、潟湖相,SQ4和SQ5時(shí)期煤層主要形成于三角洲平原相和三角洲前緣相,河流、湖泊成煤較差。SQ1到SQ3聚煤作用在華北大部分地區(qū)都有發(fā)生,而SQ4和SQ5聚煤中心主要在河南平頂山到安徽淮南和淮北一帶。

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Sequence-paleogeography and coal accumulation of the Carboniferous-Permian in the North China Basin

SHAO Long-yi1,2,DONG Da-xiao1,2,LI Ming-pei1,2,3,WANG Hai-sheng4, WANG Dong-dong1,2,LU Jing1,2,ZHENG Ming-quan1,2,CHENG Ai-guo5

(1.College of Geoscience and Surveying Engineering,China University of Mining and Technology(Beijing),Beijing 100083,China;2.State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining,China University of Mining and Technology(Beijing),Beijing 100083,China;3.Shaanxi Coalfield Geology Bureau Investigation Research Institute,Xi’an 710054,China;4.Shanxi Coal Geology Surveys Research Institute,Taiyuan 030006,China;5.China National Administration of Coal Geology,Beijing 100039,China)

The authors studied the depositional environments,sequence stratigraphy,paleogeography and coal accumulation of the Carboniferous-Permian paralic coal measures based on data from outcrop and borehole sections．The sequence boundaries were represented by regional disconformity,transgression direction switching surface,the base of incised valley fill sandstone,facies-reversal surface and associated paleosols．According to these sequence boundaries, the coal measures were subdivided into 7 third-order sequences and related systems tracts．For the paleogeography analysis,the contours of a variety of lithofacies parameters were drawn,including strata thickness,thickness ratio of sandstone and mudstone,limestone contents,and coal thickness．Based on these contours,the lithofacies paleogeogra-phy maps of each third-order sequence were reconstructed．The comparison of the contours of coal thickness with the distribution of facies units of the lithofacies paleogeography was made,and it revealed that the favorable coal-accumulating environments were deltas,fluvial plain and lagoon-tidal flat．Coal accumulation was strong in SQ2(middle and upper Taiyuan Formation)and SQ3(Shanxi Formation)with the coal accumulating centers were distributed in the Zhungeer,Datong,Shuozhou,Wuhai,Fengfeng areas,and the Beijing-Tainjin-Tangshan area．Coal accumulation in SQ4 (Xiashihezi Formation)and SQ5(first member of the Shangshihezi Formation)was weak and the coal-accumulating centers were distributed in the southern part of the North China Basin,including Huainan and Huaibei coal fields．

sequence stratigraphy;lithofacies paleogeography;coal-accumulating center;marine-continental transitional facies;the North China Basin

P539．2

A

0253-9993(2014)08-1725-10

2014-05-16 責(zé)任編輯：韓晉平

國家科技重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2011ZX05009-002);國土資源部地質(zhì)大調(diào)查重大基金資助項(xiàng)目(1212010633901)

邵龍義(1964—),男,河南靈寶人,教授,博士生導(dǎo)師。Tel：010-62339303,E-mail：shaol@cumtb．edu．cn

邵龍義,董大嘯,李明培,等．華北石炭—二疊紀(jì)層序-古地理及聚煤規(guī)律[J]．煤炭學(xué)報(bào),2014,39(8)：1725-1734．

10．13225/j．cnki．jccs．2013．9033

Shao Longyi,Dong Daxiao,Li Mingpei,et al．Sequence-paleogeography and coal accumulation of the Carboniferous-Permian in the North China Basin[J]．Journal of China Coal Society,2014,39(8)：1725-1734．doi：10．13225/j．cnki．jccs．2013．9033