華北晚古生代陸表海盆地海侵事件微觀沉積特征及成煤探討①

呂大煒 李增學(xué) 王東東 劉海燕 賈 強 王平麗 于得明 吳曉燕

(山東省沉積成礦作用與沉積礦產(chǎn)重點實驗室山東科技大學(xué) 山東青島 266590)

自 Diessel［1］提出“海侵過程成煤”理論以來，海侵成煤觀點已經(jīng)逐漸為人所接受。海侵過程成煤強調(diào)的是濱海地帶相對海平面上升能夠使泥炭聚積并被保存成煤［2-3］，因此，海侵過程所成煤層一般被劃分到海侵體系域［1，4］。海侵過程成煤理論的提出，動搖了傳統(tǒng)煤地質(zhì)學(xué)關(guān)于聚煤環(huán)境的某些基本觀點，使人們不得不重新認(rèn)識煤的聚積過程和機制，使水(海)進過程中聚煤作用發(fā)生及其機制等問題成為熱點，為此，Diessel［1］在其 Coal Bearing Depositional Systems著作中都做了精辟的論述。但海侵過程成煤理論與模式也有其針對性和局限性［5］，因為海侵過程成煤是指在具有一定斜坡的濱海平原地帶，相對海平面變化比較緩慢，而對于陸表海盆地中的海侵成煤沒有做詳細(xì)的闡述，因此，本文將以華北板塊為主要實例對陸表海盆地海侵成煤機制進行探討。

華北陸表海盆地晚古生代含煤巖系沉積學(xué)研究已經(jīng)半個多世紀(jì)，也取得了很多成果。目前，對于華北晚古生代陸表海盆地存在著海侵事件沉積［6-10］，宏觀巖石表現(xiàn)以煤層與灰?guī)r的沉積組合最為常見，其形成是華北板塊突發(fā)性海侵事件造成的［5-6］等觀點已經(jīng)為眾多學(xué)者所共識。然而，華北板塊陸表海盆地的含煤碎屑沉積并不都是海侵事件沉積［11］，部分煤層與灰?guī)r的組合是在海侵過程中形成，煤層為海侵過程成煤［1］，即華北陸表海盆地充填沉積過程中存在著兩種類型的海侵，即漸進型海侵［11］和事件型海侵［5-6，12-13］。這就引出一個問題:在進行地層劃分對比時，對于不同煤層與灰?guī)r組合往往無法確定其成因，從而造成了地層對比或海平面分析的錯位。因此，在進行海平面變化旋回分析時，應(yīng)該區(qū)別對待海侵類型，而漸進型海侵研究比較深入，但目前對于海侵事件沉積的鑒別僅限于沉積巖巖石學(xué)、沉積序列及沉積相分析等方面，而關(guān)于其他微觀特征(如古生物演化、地球化學(xué)特征)等方面尚沒有歸納和總結(jié)，同時，在實際工作中，部分學(xué)者對于海侵事件成煤與海侵過程成煤的識別與區(qū)分仍然不清，因此，本課題組在多年工作積累上，綜合分析海侵事件微觀沉積特點，并從新的視角來識別與區(qū)分海侵事件成煤和海侵過程成煤，對陸表海盆地海侵事件沉積的研究具有一定的基礎(chǔ)性意義。

1 華北突發(fā)性(事件型)海侵特點

“事件”概念是一個古老的概念，傳統(tǒng)的沉積事件是指在相對緩慢背景下的沉積物堆積體系中短暫的(幾小時至幾天)、通常罕見的快速沉積層段［14-15］。海侵事件則屬于以周期性規(guī)模較大的觸發(fā)機制為典型特點的事件類型，這個觸發(fā)機制可以是由冰川融化、構(gòu)造抬升等造成的相對海平面上升［9］。這與傳統(tǒng)的事件沉積有著本質(zhì)不同。海侵事件沉積來源于突發(fā)性海侵概念，華北晚古生代的突發(fā)性海侵發(fā)生于島嶼環(huán)境的受限陸表海［6］，由于海平面的升降導(dǎo)致峽口的啟閉，往往形成海陸交互相沉積序列。從板塊構(gòu)造學(xué)的觀點來看，活動板塊的邊緣由于板塊俯沖形成的島弧構(gòu)造是造成受限陸表海的天然屏障。從以上定義和形成背景來看，事件型海侵強調(diào)的是海侵的突進，帶有“災(zāi)變”現(xiàn)象，是快速倒灌式的。因此，華北陸表海盆地海侵事件的發(fā)生有其特色，與風(fēng)暴事件、重力流事件及洪泛事件沉積有一定區(qū)別，主要體現(xiàn)以下幾點:①海侵范圍極其廣泛，海侵事件沉積對比性強;②觸發(fā)機制為突發(fā)性海侵，即較短事件內(nèi)的相對海平面上升，主要以牛頓流體的內(nèi)源沉積為主;③海侵事件發(fā)生于陸表海盆地的靠陸一側(cè)。由此可知，海侵事件沉積具有可識別性、空間延展性和等時性特點。

2 海侵事件沉積序列及沉積環(huán)境

關(guān)于海侵事件沉積序列及沉積環(huán)境分析已有相關(guān)的成果［7-8］。其宏觀表現(xiàn)為根土巖—煤層—灰?guī)r組合(圖1A，C)。呂大煒［13］發(fā)現(xiàn)部分海侵事件層中的灰?guī)r也可以是海相泥巖。海侵事件沉積組合存在著沉積時間連續(xù)性和沉積相序間斷性的特點［7］。所謂的時間連續(xù)性是指煤層及上覆灰?guī)r為連續(xù)性沉積，煤層和灰?guī)r之間不存在著暴露，這種特點在盆地內(nèi)部廣泛發(fā)育(圖2)，在盆緣地區(qū)則該組合消失。所謂的相序的間斷性在地層垂向序列上表現(xiàn)淺水沉積物與深水沉積物直接接觸，從沉積相較多上來看，暴露沉積、煤層與灰?guī)r沉積相解釋差異性很大，其中暴露沉積為典型的土壤化泥炭沼澤，煤層則為潮坪泥炭沼澤環(huán)境形成，兩種沼澤環(huán)境差異性很大，另外，石灰?guī)r往往解釋為海侵的臺地相沉積，可以看出，土壤化沼澤—潮坪泥炭沼澤—臺地相一個短暫的快速的沉積相演化，潮坪泥炭沼澤環(huán)境與臺地相之間缺失了過渡相沉積，即深水相(一般是海相)與淺水相(陸相)的直接疊加。需要說明一點是，很多學(xué)者過多注重煤與灰?guī)r組合，而往往錯把灰?guī)r和煤層組合就認(rèn)為是海侵事件沉積，這個觀點是錯誤的，海侵事件沉積的識別在巖性上應(yīng)該體現(xiàn)在三個方面，煤層底板根土巖(暴露沉積)，煤層和灰?guī)r，很多煤層和灰?guī)r沉積底板是呈現(xiàn)淺灰色的含有黃色透鏡體的泥巖，為水體萎縮變淺所沉積形成，不屬于暴露沉積，為連續(xù)性的過渡相序沉積(圖1B，D)，因此，不屬于海侵事件沉積。煤層之上的石灰?guī)r沉積為典型的生物碎屑沉積，局部含砂量較高，灰?guī)r中含有較多的海百合莖、蜓和珊瑚化石，局部出現(xiàn)碳酸鹽巖硅質(zhì)結(jié)核(圖1A)，為典型的最大海泛凝縮層沉積［16］。

海侵事件成煤與水退成煤的層序地層學(xué)意義有一定的差異。海侵事件形成的煤層為海侵體系域成煤，煤層分布廣泛而穩(wěn)定，具有等時性，可以作為層序劃分的重要界面，是識別海侵體系域的重要標(biāo)志，可以進行全區(qū)的對比。煤層頂界為最大海泛沉積面，煤層底板為一個暴露土壤化沉積間斷面，一般作為準(zhǔn)層序界面［8］，而水退形成的對比性相對較強且大規(guī)模分布煤層為水退成煤，煤層頂板往往為層序界面，這種煤層往往是廢棄碎屑體系泥炭沼澤化形成，煤層頂部易發(fā)現(xiàn)下一次碎屑體系復(fù)活造成的沖刷作用(圖2B，D)。

3 海侵事件古生物特征

海侵事件導(dǎo)致古生物種類、大小、排列及變異程度等都發(fā)生了一定的改變，驅(qū)使海洋生物多樣性增加［17］和古植物發(fā)生一定的變化［17］。在華北石炭二疊紀(jì)含煤地層中的海相沉積以灰?guī)r為主，發(fā)育了多種類型古生物，如腕足、棘皮、有孔蟲、海綿骨針、苔蘚、珊瑚、牙形刺、蜓等化石(圖1A)。而直接伏于海相灰?guī)r之下的煤層則不含任何海相動物化石。分析發(fā)現(xiàn)，海侵事件對于古生物種類、個體大小及分布產(chǎn)生了很大影響，與過程型的海侵形成的生物分類有一定差別。海侵事件組合中的微體古生物化石分布廣泛，富含 Quasifusulina longissima［18］、海百合莖和有孔蟲，化石較非海侵事件沉積類型中的個體小且破碎強烈，蜓化石的內(nèi)切面呈長柱形，隔壁褶皺強烈旋壁厚并具旋背或軸積。有孔蟲化石完整性較差(圖3)，保存較差多呈碎片，是高能的近濱環(huán)境海浪沖刷所致［19-21］。另外野外考察發(fā)現(xiàn)，靠近煤層附近海百合化石增多，反應(yīng)了靠近煤層附近的水體震蕩不是很強烈。湯代義等［22］研究山西七里溝廟溝灰?guī)r發(fā)現(xiàn)，海侵沉積中的灰?guī)r中的生物類別差不多，但是部分灰?guī)r層段則呈現(xiàn)分帶現(xiàn)象，由下至上依次富集，即雙殼綱—蜓和有孔蟲—雙殼綱等生物碎片，反應(yīng)出當(dāng)時水動力條件較強，這為典型的海侵事件沉積的結(jié)果。海侵事件沉積內(nèi)的孢粉也呈現(xiàn)一定的突變(圖3)，單縫孢和裸子植物化石降到最低值，而三縫孢含量上升，說明海侵發(fā)生時以三縫孢為生殖器的植物適宜濱海潮濕氣候，因此其廣泛發(fā)育，而單縫孢的植物和裸子植物則不適宜海侵環(huán)境，相對不發(fā)育。

圖1 含煤地層中有暴露沉積(A)和無暴露沉積(B)的剖面結(jié)構(gòu)特征(淄博露頭煤田)Fig.1 The profile structure characteristics for exposure deposit(A)and inexposure deposit(B)

圖2 華北海侵事件沉積層等時對比(南北向)Fig.2 The isochronal surface correlation of trangressive event deposit in North China(N-S direction)

4 海侵事件沉積地球化學(xué)特征

海侵事件沉積在地球化學(xué)特征上與其他組合有一定差異。通?？焖俚暮Ｇ?，能夠造成煤層、暴露與灰?guī)r具有獨特的地球化學(xué)特點。本次以魯西地區(qū)的11灰與17煤為海侵事件沉積組合為例(圖4A，B)，通過對其密集采樣，可以發(fā)現(xiàn)，17煤層底部的根土巖B 含量為35～48 mg/kg，Sr/Ba≤1，古鹽度小于 12‰，含淡水雙殼綱化石。11灰B為69～223 mg/kg，Sr/Ba=1.3～1.5，古鹽度為19～29‰，含小個體腕足類化石。前者反映出淡水的沉積環(huán)境，而后者則反映出咸水或半咸水沉積環(huán)境，可以發(fā)現(xiàn)Sr/Ba在灰?guī)r底部煤層頂部呈現(xiàn)出突變，比值由小于1突變至大于1。Rb含量能夠反映海水古鹽度，其中，Rb含量越高古鹽度越高，淡水中的Rb含量小于139 mg/kg，咸水的Rb含量都大于139 mg/kg，煤層及暴露沉積的古鹽度都低于139 mg/kg，灰?guī)rRb含量最高達到290 mg/kg，可以看出灰?guī)r與煤層及暴露沉積的古鹽度差別很大。沉積磷酸鹽也能反應(yīng)出海陸變化特征(圖4B)，在海侵事件沉積組合特征中可以看出曲線特征呈現(xiàn)突變特點，底部的暴露沉積磷酸鹽含量一般＜3.0(圖4B)，而頂部灰?guī)r沉積一般大于22‰，反應(yīng)出暴露沉積與海相深水沉積地球化學(xué)特征的組合。需要說明的是，無論是海侵事件中的煤層還是海侵過程中的煤層，都受到了海水的影響，唯一區(qū)別的是，海侵事件中的煤層是在海侵發(fā)生后終止發(fā)育并在深水(海水)保存下來，因此，通過相關(guān)的實驗測試可以發(fā)現(xiàn)靠近頂板灰?guī)r處的煤層Sr/Ba比值變高，B含量變高，S含量增高，古鹽度增加。而海侵過程形成的煤層則是在泥炭沼澤發(fā)育期都有海水參與，因此，整個煤層的微量元素都顯示出與頂板相似的海相特征。

圖3 魯西地區(qū)孢粉變化趨勢及海侵層有孔蟲特征Fig.3 The sporopollen trend and Foraminifera characteristics in Luxi area

5 對“海侵事件成煤與海侵過程成煤”的區(qū)分與理解

李增學(xué)等［5］發(fā)現(xiàn)華北地區(qū)存在著事件性海侵層，并于2001年提出了海侵事件成煤模式［9］，內(nèi)容是: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;這種泥炭沼澤是在陸表海盆地海水退出一個時期后，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淺水但不是一種典型水域的環(huán)境(或者受到海水侵?jǐn)_作用)，這實際上是一種廢棄碎屑體系的沼澤環(huán)境;由于這種環(huán)境持續(xù)相當(dāng)長的時間，植物茁生蔓延，泥炭沼澤進一步發(fā)展;泥炭沼澤不同于大陸上的泥炭沼澤，時常受到海水的侵?jǐn)_;后來發(fā)生突發(fā)型大規(guī)模海侵使泥炭沼澤在較短時間內(nèi)處于水下還原環(huán)境而終止發(fā)育被保存?？梢钥闯?，所謂的海侵事件成煤并不是因為海侵作用使泥炭沼澤發(fā)育，而是因為海侵的突發(fā)性造成了先前的泥炭沼澤的發(fā)育終止而被保存。這與海侵過程成煤模式理解是有一定的區(qū)別，海侵過程成煤理論強調(diào)的是因緩慢的海侵造成了濱海的泥炭沼澤發(fā)育，同時也因持續(xù)的海侵使先前的泥炭沼澤終止發(fā)育而保存。在實際工作過程中，區(qū)別海侵事件成煤與海侵過程成煤時要掌握一個重要的關(guān)鍵點—煤層底板是否有暴露痕跡(表1)，即是否出現(xiàn)過沉積間斷。海侵過程成煤層底板沒有出現(xiàn)暴露，其沉積環(huán)境經(jīng)歷了一個持續(xù)的陸—過渡—海相的演化。而海侵事件成煤層底板則出現(xiàn)暴露—海相變化，在劃分沉積相時可以把煤層劃分到暴露泥炭沼澤環(huán)境之中。

圖4 海侵事件組合沉積地球化學(xué)特征Fig.4 The chemical characteristics of trangressive event assemblage

McCabe［23］認(rèn)為活動碎屑沉積體系的含煤巖系沉積模式僅僅能解釋分布較為局限且易分叉的煤層形成機理，但對于大面積分布且較穩(wěn)定的煤層則難解釋，因此，該模式需要做重要的修正并提出泥炭沉積并不總是與局部的陸源碎屑沉積供給同時發(fā)生的，在泥炭聚集期間，局部的陸源碎屑供應(yīng)已經(jīng)被某種機理切斷了。另外，煤層之下的古土壤(根土巖)代表著基底暴露事件，說明聚煤作用發(fā)生之前曾有過比較長時間的間斷，聚煤作用與煤層下伏巖層的沉積環(huán)境(如河流沖積平原、三角洲平原等)并沒有直接的聯(lián)系。邵龍義等［24］提出幕式成煤理論，指出煤層的聚集與特定的陸源碎屑供給無直接聯(lián)系，同時也強調(diào)一次聚煤作用幕的同時性，用以解釋貴州地區(qū)二疊系龍?zhí)督M的橫跨不同相區(qū)的大面積的聚煤作用。這種大區(qū)域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。海侵事件成煤的瞬時古地理獨具特色，陸表海盆地中海侵事件組合中的煤層分布廣泛，與下伏沉積體系呈現(xiàn)無沉積的暴露，因此，煤層大部分為廢棄碎屑體系成煤，如濱海環(huán)境的澙湖淤淺形成煤層，潮坪體系廢棄發(fā)育大量的泥炭沼澤［25］，淺水三角洲廢棄后泥炭沼澤大量發(fā)育，這種廢棄體系成煤大部分為強制性的海退造成的，即華北陸表海盆地海平面由于冰川等作用造成了相對海平面下降，原有沉積體系已經(jīng)失去水動力條件控制而廢棄，但由于海平面風(fēng)暴持續(xù)發(fā)育，或部分海水因積水洼地而部分保存，造成了暴露區(qū)潮濕并適宜植物生長發(fā)育，因此，大面積植物開始發(fā)育并越過原有的碎屑沉積體系的邊界控制，從而形成了大面積的煤層。這與海侵過程成煤有一定的區(qū)別，海侵過程成煤是邊緣海盆地的活動碎屑體系局部成煤，即濱海環(huán)境由于相對海平面上升，使濱海的植物發(fā)育隨著海平面遷移而造成成煤作用的遷移，煤層分布與緩慢的海平面上升有關(guān)，即受到了濱海環(huán)境的嚴(yán)格控制，另外，海侵事件形成煤層具有分布廣泛等時等特點，而海侵過程形成煤層則平面分布不廣泛，且穿時。因此，海侵過程成煤與海侵事件成煤有著本質(zhì)的區(qū)別(表1)。

6 結(jié)論

(1)華北陸表海盆地海侵事件沉積獨具特色具有可識別性、空間延展性和等時性。海侵事件沉積對比性強，主要以牛頓流體的內(nèi)源沉積為主。海侵事件組合為暴露沉積—煤層—灰?guī)r組合，其關(guān)鍵的沉積學(xué)特征是煤層底板存在著暴露沉積(與海侵過程成煤最大區(qū)別)，暴露沉積、煤層與灰?guī)r組合具有沉積時間連續(xù)性和沉積相序間斷性的特點，這與水退成煤明顯不同。

表1 海侵過程成煤與海侵事件成煤區(qū)別Table 1 The difference between trangressive progressive coal-forming and trangressive event coal-forming model

(2)海侵事件沉積組合中的灰?guī)r含有豐富的海相化石，但個體小且破碎強烈，內(nèi)切面等表現(xiàn)為高能量水體運動等環(huán)境。孢粉分析也發(fā)現(xiàn)海侵事件沉積組合中存在著突變，表現(xiàn)為單縫孢和裸子植物化石降低到最低值，而三縫孢含量上升。地球化學(xué)元素分析發(fā)現(xiàn)暴露沉積的地球化學(xué)元素表明其為陸相環(huán)境，煤層及灰?guī)r則表明其為海相環(huán)境，煤層中的微量元素表現(xiàn)為海相主要原因是泥炭沼澤覆于深水后受海水影響所致。

(3)海侵事件成煤與海侵過程成煤的差異性很大，海侵事件成煤是因為海侵的突發(fā)性終止了盆地內(nèi)部的泥炭發(fā)育并將其保存下來，而海侵過程成煤理論強調(diào)的是因緩慢的海侵造成了濱海平原的泥炭發(fā)育，同時也因持續(xù)的海侵使先前的泥炭沼澤終止發(fā)育而保存。海侵事件成煤強調(diào)的是成煤前海侵未發(fā)生前的碎屑體系大量廢棄泥炭沼澤廣泛發(fā)育，而后期的泥炭沼澤終止并保存于突發(fā)性海侵之后。海侵過程古地理中的泥炭沼澤發(fā)育于濱海的活動碎屑體系，并終止于后期的緩慢海平面上升。

致謝 感謝本文審稿專家及編輯對本文的意見和工作。感謝碩士研究生李建委、宗瑞芳、張燕等人在圖件清繪等方面做了大量工作。

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