準(zhǔn)噶爾盆地南緣中下侏羅統(tǒng)含煤層系層序地層及聚煤控制因素①

陳彬滔 于興河 王天奇 潘樹新 楊麗莎 譚程鵬 李順利

(1.中國石油勘探開發(fā)研究院西北分院 蘭州 730020;2.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)能源學(xué)院 北京 100083)

準(zhǔn)噶爾盆地是一個(gè)大型疊合盆地［1］，中下侏羅統(tǒng)煤炭和油氣資源豐富，成為眾多學(xué)者關(guān)注的重點(diǎn)層位［2～6］，但是關(guān)于層序地層發(fā)育特征與聚煤控制因素相關(guān)關(guān)系的研究相對較為薄弱［5，7］。層序地層學(xué)在近海盆地含煤層系已得到了廣泛應(yīng)用，部分學(xué)者已通過分析相對海平面變化速率和泥炭沉積、保存條件之間的相關(guān)關(guān)系，預(yù)測主力煤層在層序地層格架中的優(yōu)勢發(fā)育位置［8］。但是，陸相盆地的相對湖平面變化主要受構(gòu)造控制，具有其特殊性，海相盆地中層序地層與聚煤作用之間的關(guān)系并不一定完全適用于陸相湖盆［9～11］。準(zhǔn)噶爾盆地南緣中下侏羅統(tǒng)發(fā)育厚約3 000 m的煤系地層，并且出露條件良好。因此，本文通過對中下侏羅統(tǒng)出露完整的5條野外露頭剖面進(jìn)行詳細(xì)的實(shí)測和層序地層分析，結(jié)合少量鉆、測井資料和前人研究成果，分析準(zhǔn)噶爾盆地南緣的層序地層劃分方案，進(jìn)而探討陸相湖盆的聚煤控制因素，為陸相湖盆含煤層系開展基于層序地層學(xué)的煤炭資源勘探提供依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

準(zhǔn)噶爾盆地南緣位于準(zhǔn)噶爾盆地與天山造山帶的結(jié)合部位，西至四棵樹，東鄰準(zhǔn)噶爾盆地東部隆起(圖1)，總體呈東西向展布，長約300 km，由4個(gè)二級構(gòu)造單元組成，分別為四棵樹凹陷、山前斷褶帶、昌吉凹陷和富康斷裂帶［12］。自晚古生代以來(二疊紀(jì)至第四紀(jì))，準(zhǔn)噶爾盆地南緣總體經(jīng)歷了4個(gè)演化階段，分別為早二疊世(前陸型海相—?dú)埩艉Ｏ嗯璧?、中—晚二疊世(坳陷型陸相盆地)、侏羅紀(jì)—古近紀(jì)(振蕩型陸相盆地)以及新近紀(jì)—第四紀(jì)(前陸型陸相盆地)［1］。早中侏羅世，準(zhǔn)噶爾盆地南緣處于弱伸展構(gòu)造背景，主要發(fā)育扇三角洲、辮狀河三角洲、湖泊等沉積體系［4，5，13～15］。

準(zhǔn)噶爾盆地南緣中下侏羅統(tǒng)含煤層系為一套沉積于溫暖潮濕環(huán)境下的河流沼澤—湖泊三角洲相含煤碎屑巖建造，標(biāo)準(zhǔn)剖面實(shí)測總厚度近3 000 m。其中八道灣組和西山窯組是北疆的主要產(chǎn)煤層系。八道灣組由灰綠色、灰白色厚層砂礫巖夾薄層塊狀粉細(xì)砂巖組成，局部夾不規(guī)則菱鐵礦，含多層可采煤層，主要形成于扇三角洲和三角洲環(huán)境;三工河組主要由灰綠色、灰色中細(xì)砂巖夾灰色、灰綠色泥巖組成，局部發(fā)育煤線，但在盆地南緣不發(fā)育工業(yè)煤層，主要形成于湖泊和三角洲環(huán)境;西山窯組以灰綠色砂礫巖、砂巖與灰色泥巖、黑色炭質(zhì)泥巖互層產(chǎn)出為特征，含多層可采煤層，并且煤層多、厚度大，為準(zhǔn)噶爾盆地南緣最著名的工業(yè)煤層，主要形成于湖泊、三角洲環(huán)境。

受喜馬拉雅運(yùn)動的影響，侏羅系在準(zhǔn)噶爾盆地南緣山前地帶廣泛出露，出露地層總體呈條帶狀沿天山山脈分布(圖1)。東西方向上，侏羅系的出露范圍從四棵樹附近一直延伸至博格達(dá)山前地帶，而在南部巴音布魯克盆地周緣仍可見到部分中下侏羅統(tǒng)的殘余地層［4］。由于河流的下切侵蝕作用，侏羅系在南緣主要河流兩側(cè)均出露良好。因此，本次研究根據(jù)地理位置和交通狀況，選取四棵樹河、安集海河、呼圖壁河、頭屯河、郝家溝5條露頭剖面，對中下侏羅統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)實(shí)測和層序地層分析，并結(jié)合少量實(shí)際鉆、測井資料和前人研究成果，綜合分析其層序發(fā)育特征和聚煤控制因素。

2 層序劃分原則

2.1 層序界面識別標(biāo)志

準(zhǔn)噶爾盆地南緣露頭剖面和鉆井剖面的層序界面典型標(biāo)志包括:①露頭層序界面附近因相對湖平面快速下降，導(dǎo)致沉積作用減弱，侵蝕作用增強(qiáng)，河道下切現(xiàn)象明顯(圖2Ⅰ-A)，發(fā)育大套河道滯留沉積，河道下切谷為相對湖平面快速下降期，因河流回春作用而形成，其內(nèi)部通常沉積充填多層疊置狀厚層砂礫巖、中粗砂巖水道砂體(圖2Ⅰ-B)，是典型的層序界面標(biāo)志;②古土壤(或古風(fēng)化殼)標(biāo)志著沉積間斷，是層序界面的標(biāo)志之一;③測井曲線突變或?qū)崪y柱狀圖巖性突變(圖2Ⅰ-C);④因沉積環(huán)境突變而導(dǎo)致層序界面上下的微量元素分布特征突變。

2.2 初始洪泛面識別標(biāo)志

初始洪泛面(ifs)是低位體系域和湖侵體系域之間的界面，實(shí)際操作過程中較難識別。其具體識別標(biāo)志如下:①露頭剖面上單一層序內(nèi)部、垂向上首次出現(xiàn)橫向穩(wěn)定的灰綠色或灰色湖相泥巖(圖2Ⅱ-A);②實(shí)測巖芯柱和鉆井剖面中初始湖泛面上下垂向疊置樣式存在差異，初始湖泛面之下通常發(fā)育低位體系域的(扇)三角洲相沉積，以加積或進(jìn)積式疊置為主，而初始湖泛面之上，相對湖平面快速上升，垂向疊置樣式多表現(xiàn)為退積式(圖2Ⅱ-B，C)。

2.3 最大洪泛面識別標(biāo)志

最大洪泛面(mfs)形成的密集段是單一層序中最容易識別的標(biāo)志層，因此，與初始洪泛面相比，最大洪泛面的識別標(biāo)志更為明顯:①露頭剖面上表現(xiàn)為區(qū)域穩(wěn)定分布的大套厚層暗色泥巖(圖2Ⅲ-A);②實(shí)測巖芯柱和鉆井剖面中最大湖泛面通常對應(yīng)于厚層泥巖，高GR值，退積疊置樣式與加積(進(jìn)積)疊置樣式的轉(zhuǎn)換點(diǎn)(圖2Ⅲ-B，C)。

3 含煤層系層序地層劃分方案

根據(jù)上述層序地層劃分界面的識別原則，在研究層段(下侏羅統(tǒng)八道灣組—中侏羅統(tǒng)西山窯組)共識別出5期大型河道下切谷。結(jié)合前人的研究成果［13，16，17］，研究區(qū)中下侏羅統(tǒng)含煤層系可被劃分為 1個(gè)完整的二級構(gòu)造層序，共發(fā)育4個(gè)三級層序(圖3)，由下至上依次命名為 SQ1、SQ2、SQ3和 SQ4。根據(jù)初始洪泛面和最大洪泛面，進(jìn)一步細(xì)分為低位、湖侵、高位體系域。由于本次露頭研究所選取的剖面均為地層出露完整的標(biāo)準(zhǔn)剖面，因此各層序的體系域發(fā)育十分完整。

SQ1:層序底界面為三疊系與侏羅系之間的大型不整合，其形成的絕對年齡約為距今203 Ma，在準(zhǔn)噶爾南緣四棵樹河剖面表現(xiàn)為大型角度不整合，河道下切現(xiàn)象明顯(圖2Ⅰ-A)，不整合面上發(fā)育古土壤，并且存在 Ce、Co、Cs等微量元素異常［18］，測井曲線表現(xiàn)出明顯突變，GR值突然減小，錄井圖為砂礫巖與泥巖的巖性突變面(圖3)。該底界面同時(shí)也是中下侏羅統(tǒng)二級構(gòu)造層序的底界面。SQ1層序完整發(fā)育低位、湖侵和高位體系域。低位體系域發(fā)育大套砂礫巖體，泥巖相對較薄，水道底部局部發(fā)育薄層煤線，厚度約為20 cm(圖4E)，代表相對湖平面上升初期的扇三角洲沉積，局部發(fā)育沼澤，成煤。湖侵體系域?yàn)樯澳鄮r互層沉積，主要砂體為扇三角洲前緣水下分流河道、漫溢砂和席狀砂，不發(fā)育煤層。高位體系域相對湖平面(基準(zhǔn)面)緩慢上升，再次發(fā)育扇三角洲平原沉積，沼澤范圍增大，煤層發(fā)育，為準(zhǔn)噶爾盆地南緣中下侏羅統(tǒng)的主要成煤層段，露頭出露的單煤層厚度大于1 m(圖4F)，為工業(yè)可采煤層。

圖2 準(zhǔn)噶爾盆地南緣層序地層劃分界面識別標(biāo)準(zhǔn)Fig.2 Identification standards of boundaries for the sequence stratigrapy division in south margin of Junggar Basin

圖3 準(zhǔn)噶爾盆地南緣QI 6井中下侏羅統(tǒng)含煤層系層序劃分方案Fig.3 Sequence stratigrapy division of Well QI 6 for Lower-Middle Jurassic coal-bearing series，south margin of Junggar Basin

SQ2:層序底界面為局部不整合，在準(zhǔn)噶爾南緣郝家溝剖面為三角洲前緣水下分流河道底部沖刷面(圖4A)。SQ2層序的低位體系域發(fā)育大套中粗砂巖透鏡狀砂體，垂向和側(cè)向連通性較好，為相對湖平面上升初期，多期三角洲前緣水下分流河道疊置。湖侵體系域?yàn)闉I淺湖相，薄層席狀砂與濱淺湖泥互層，局部發(fā)育湖沼，形成薄煤層(圖4G)。受二級構(gòu)造層序相對湖平面快速上升背景的控制，高位體系域逐步過渡為三角洲外前緣沉積，整體砂泥間互，主要發(fā)育具浪成沉積構(gòu)造的席狀砂。

SQ3:層序底界面為三工河組中部的局部不整合，在準(zhǔn)噶爾南緣郝家溝剖面中部為河道底部大型沖刷面(圖4B)。低位體系域發(fā)育4套垂向疊置的大型三角洲前緣水下分流河道砂體，總厚度約50 m。湖侵體系域過渡為半深湖—深湖沉積，發(fā)育厚層暗色泥巖(圖4G)，為早中侏羅世的最大洪泛期。高位體系域隨著相對湖平面上升速率減緩并緩慢下降，再次過渡為三角洲沉積，高位體系域上部沼澤相廣泛發(fā)育，為早中侏羅世又一主要成煤層段，露頭出露的煤層側(cè)向延伸距離遠(yuǎn)，單層厚度大(圖4K)，為重要的工業(yè)可采煤層。

圖4 準(zhǔn)噶爾盆地南緣中上侏羅統(tǒng)含煤層系典型露頭照片F(xiàn)ig.4 Typical outcrop photos of Lower-Middle Jurassic coal-bearing series in south margin of Junggar Basin

SQ4:層序底界面為西山窯組下部的局部不整合，在準(zhǔn)噶爾南緣安集海河剖面表現(xiàn)為大型沖刷面(圖4C)。整體發(fā)育于三角洲環(huán)境，低位體系域和高位體系域均發(fā)育大套厚層三角洲平原分流河道砂體，而湖侵體系域主要以三角洲前緣席狀砂與湖相泥巖互層產(chǎn)出為特征。SQ4的頂界面為準(zhǔn)噶爾盆地南緣西山窯組與上覆頭屯河組之間的大型區(qū)域角度不整合(圖4D)，其形成時(shí)間約為距今170 Ma，為中下侏羅統(tǒng)二級構(gòu)造層序的頂界面。該不整合底部同樣發(fā)育古土壤，地球化學(xué)測試顯示其微量元素(Ce、Co、Cs、Dy)和主量元素氧化物(Al2O3、CaO、MnO)含量異常［18］。

4 聚煤控制因素討論

煤層發(fā)育是眾多地質(zhì)條件共同控制的結(jié)果，泥炭的堆積和保存需要足夠高的水位以覆蓋正在腐爛的植物并防止其氧化，同時(shí)水位又要足夠低以確?；钪闹参锊槐谎退溃?］。因此，相對湖平面的變化速率必須適中，與泥炭的沉積速率保持平衡關(guān)系，才有利于泥炭的堆積和保存［10，11，19］。

4.1 古構(gòu)造和古氣候背景

距今約203 Ma(晚三疊世瑞替期和早侏羅世辛涅繆爾期之間)以前，準(zhǔn)噶爾盆地南緣受印之運(yùn)動的影響，表現(xiàn)為垂直升降運(yùn)動。約203 Ma以來受早期燕山運(yùn)動的影響，研究區(qū)以區(qū)域性的弱伸展構(gòu)造為主，為克拉通內(nèi)盆地，南緣的基底沉降速率為40 m/Ma，沉積速率約為73.7～28.0 m/Ma，平均值接近50 m/Ma［20］;中下侏羅統(tǒng)發(fā)育深灰色泥巖，泥巖微量元素Mn、Fe和Cr值偏高［18］，反映了其古氣候?yàn)橛欣诔擅旱臏貪襁€原環(huán)境。西山窯組沉積末(約170 Ma)，燕山運(yùn)動造成盆地整體抬升，形成大范圍平行不整合，表現(xiàn)為強(qiáng)烈的沖斷構(gòu)造特征［20］。中上侏羅統(tǒng)的泥巖顏色逐漸過渡為雜色和紅褐色，表明其古氣候環(huán)境轉(zhuǎn)變干旱氧化環(huán)境。因此，弱伸展、緩慢沉降的古構(gòu)造背景和溫濕還原的古氣候條件為中下侏羅統(tǒng)成煤提供了的基本條件(圖5)。

4.2 沉積環(huán)境

本次露頭研究結(jié)果表明，扇三角洲、三角洲、湖泊環(huán)境均能成煤(圖3，5)。此外，前人所建立的大量成煤模式也表明沖積扇、河流、三角洲、湖泊以及碳酸鹽巖臺地等沉積環(huán)境中均可以形成具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的煤層［11，21，22］。因此，沉積環(huán)境并非成煤的主控因素，而屬于基本條件。

圖5 準(zhǔn)噶爾盆地南緣中下侏羅統(tǒng)含煤層系聚煤控制因素分析Fig.5 Analysis of coal accumulation controlling factors for Lower-Middle Jurassic coal-bearing series in south margin of Junggar Basin

4.3 相對湖平面變化速率

就準(zhǔn)噶爾盆地南緣主要煤層在層序內(nèi)的分布位置而言，低位體系域(SQ1)、湖侵體系域(SQ2)和高位體系域(SQ1和SQ3)均發(fā)育煤層，但是無論露頭出露情況還是井下對比情況都表明，厚度大、橫向分布穩(wěn)定的工業(yè)可采煤層均分布于高位體系域(圖5，6)。究其本質(zhì)原因，還是受二級構(gòu)造層序相對湖平面和三級層序相對湖平面變化速率的影響。

SQ1沉積時(shí)期，二級構(gòu)造層序的相對湖平面下降，古潛水面較低，因此，煤層主要發(fā)育于三級層序相對湖平面上升速率適中的低位體系域上部和高位體系域下部(圖5)。

SQ2沉積時(shí)期，二級構(gòu)造層序的相對湖平面處于下降與上升轉(zhuǎn)換點(diǎn)附近，相對湖平面處于整個(gè)早中侏羅世的最低點(diǎn)附近，快速的三級層序相對湖平面上升速率才能使?jié)撍娓采w腐爛的泥炭并防止其氧化，因此成煤段位于湖侵體系域(圖5)。但是，由于相對湖平面上升速率過快，泥炭供給不足或因湖浪改造而大范圍分布，SQ2湖侵體系域的煤層厚度較薄、不足以形成工業(yè)可采煤層。

SQ3沉積時(shí)期，為早中侏羅世最大洪泛期，二級構(gòu)造層序的相對湖平面上升至最高點(diǎn)。煤層主要發(fā)育于三級層序相對湖平面緩慢下降且下降速率適中的高位體系域中上部(圖5)。此時(shí)，相對湖平面整體較高，具備適于泥炭保存的還原環(huán)境和可容納空間，同時(shí)，相對湖平面已開始下降并且下降的幅度適中，為成煤植物的正常生長創(chuàng)造了有利條件，不至于因相對湖平面過高而導(dǎo)致植物死亡，因此，成為有利的聚煤層段。

5 結(jié)論

(1)準(zhǔn)噶爾盆地南緣中下侏羅統(tǒng)含煤層系為1個(gè)完整的二級構(gòu)造層序，內(nèi)部發(fā)育4個(gè)三級層序，根據(jù)初始洪泛面和最大洪泛面發(fā)育位置，進(jìn)一步細(xì)分為12個(gè)體系域。

(2)準(zhǔn)噶爾盆地南緣中下侏羅統(tǒng)含煤層系的煤層主要發(fā)育于湖泊、三角洲環(huán)境，低位、湖侵和高位體系域均有分布，但主力產(chǎn)煤層均分布于高位體系域。

(3)弱伸展、緩慢沉降的古構(gòu)造背景和溫濕還原的古氣候條件是中下侏羅統(tǒng)成煤的基本條件，二級構(gòu)造層序相對湖平面變化和三級層序相對湖平面變化速率是聚煤的主控因素。SQ1沉積時(shí)期，二級構(gòu)造層序的相對湖平面下降，古潛水面整體偏低，煤層主要發(fā)育于三級層序相對湖平面上升速率適中的高位體系域下部;SQ3沉積時(shí)期為早中侏羅世的最大洪泛期，二級構(gòu)造層序的相對湖平面上升至最高點(diǎn)，煤層主要發(fā)育于三級層序相對湖平面下降且下降速率適中的高位體系域中上部。

致謝 感謝審稿專家提出的寶貴修改意見;感謝中國地質(zhì)大學(xué)(北京)能源學(xué)院李勝利副教授、高峰、謝京、許磊等研究生、中國石油勘探開發(fā)研究院楊帆博士、以及中國石油新疆油田分公司研究院的同仁在野外露頭實(shí)測與論文撰寫過程中給予的大量幫助。

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