陜北佳縣石炭-二疊系層序地層研究

張文軒，權(quán)新昌，王永軍，崔遼遼，鐘紅利，王曉靜，何文龍，張志沛

(1.陜西省一三九煤田地質(zhì)水文地質(zhì)有限公司，陜西 渭南 714000； 2.西安科技大學(xué)，西安 710054)

層序地層學(xué)是研究以不整合面或與之相對應(yīng)的整合面為邊界的年代地層格架中具有成因聯(lián)系的地層的科學(xué)，其研究成果在煤田、油氣勘查中得到了廣泛的應(yīng)用。到目前為止，雖然前人對鄂爾多斯盆地的石炭—二疊紀(jì)煤系層序地層學(xué)研究比較多，但對佳縣地區(qū)的石炭—二疊紀(jì)煤系層序地層學(xué)研究較少，因此有必要對該區(qū)域石炭—二疊紀(jì)煤系層序地層學(xué)進(jìn)行研究和探討。本文通過對佳縣區(qū)內(nèi)SY04、SP05、SP07、SY07、3404、3006等六個深孔巖心沉積相以及高分辨層序地層特征的研究，對其沉積環(huán)境的演化及相變特征進(jìn)行分析，在石炭-二疊系層中劃分出了21個四級層序，組合為21個層序組、6個復(fù)合層序，并論述該地區(qū)石炭-二疊系層序地層的特征。

1 深部石炭-二疊系沉積環(huán)境

該地區(qū)石炭-二疊系以及沉積環(huán)境特征[1-3]如下：

(1)上二疊統(tǒng)石千峰組(P3s)：為棕紅、紫紅及紫灰色較厚砂質(zhì)泥巖與泥質(zhì)砂巖互層。最薄處195m，最厚處276m，平均厚度有217m。石千峰組沉積時氣候全面轉(zhuǎn)變?yōu)檠谉岣稍锾攸c(diǎn)，沉積物除砂質(zhì)泥巖顏色略淺外，其余均以紫紅、磚紅或雜紅色為主調(diào)，沉積物整體為粗-細(xì)的組合。

(2)中二疊統(tǒng)上石盒子組(P2sh)：以灰綠、紫棕、灰褐、棕褐色泥巖和粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖為主。局部含有少量暗色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖。最薄處厚度為147m，最厚處為239m，平均厚度為182m。上石盒子組沉積為三角洲前緣、濱湖環(huán)境-三角洲平原環(huán)境。這一階段氣候逐漸干燥，上石盒子組泥巖多半呈現(xiàn)紫褐-紫棕色，灰綠-黃綠色巖層自下而上明顯減少。沉積物粒度由2-3個粗-細(xì)的正旋回層序組成。

(3)中二疊統(tǒng)下石盒子組(P2sh)：為灰綠色、棕紅色厚層砂巖與薄層泥巖互層為主，且互層以不等厚為特點(diǎn)。最薄處為75m，最厚處厚度達(dá)到107m。下石盒子組沉積為三角洲前緣砂體-分流間灣沼澤泥炭-河漫灘環(huán)境。氣候溫濕程度明顯降低，表現(xiàn)在泥質(zhì)沉積物中顏色普遍變淺，大多以灰綠、灰黃為主，并夾有少量顯示短暫干燥氣候的棕色泥質(zhì)巖。下石盒子組沉積物整體呈粗-細(xì)多個反旋回組成。

(4)下二疊統(tǒng)山西組(P1s)：以灰黑色炭質(zhì)泥巖為主，厚層狀砂巖與煤層、煤線互層。最薄處70m，最厚處可達(dá)94m，平均厚度為79m。上段不含煤，以灰黑色炭質(zhì)泥巖及厚層狀砂巖為主；下段含煤，含1#—3#煤；以灰黑色炭質(zhì)泥巖及厚層狀砂巖與煤層、煤線互層為主。山西組下部為二疊世早期三角洲平原—沼澤及三角洲前緣間灣沼澤環(huán)境為主，因而煤巖沉積較普遍，而山西組上部沉積時已進(jìn)入三角洲前緣—湖泊沉積環(huán)境，氣候略轉(zhuǎn)干燥，煤層薄，分布范圍小。

(5)下二疊統(tǒng)太原組(P1t)：為灰白、淺灰塊狀含礫石英砂巖，灰黑、深灰色泥巖，炭質(zhì)泥巖，煤層的不等厚互層，中上部常夾微晶灰?guī)r，常見黃鐵礦結(jié)核及菱鐵礦薄層，層理特征以水平層理和平行層理為主。太原組最厚處厚度達(dá)到54m，一般為82m。根據(jù)巖性特征，太原組可分為二段，上段以灰黑色炭質(zhì)泥巖為主，厚層狀砂巖與煤層、煤線互層為主，含4#—7#煤；下段以灰黑色炭質(zhì)泥巖為主，厚層狀砂巖與煤層、煤線互層為主，含8#—10#、11#煤。太原組沉積以溫暖潮濕氣候?yàn)橹?，因而沉積物中除煤巖較發(fā)育外，其泥質(zhì)巖也多以有機(jī)質(zhì)含量豐富的暗色炭質(zhì)泥巖或黑色泥巖為主。沉積物呈現(xiàn)粗-細(xì)交替。煤系及主煤層是石炭—二疊系的重要標(biāo)志性沉積物，為溫暖潮濕氣候的見證。

(6)上石炭統(tǒng)本溪組(C2b)：以鋁土質(zhì)泥巖、灰?guī)r、中粗粒砂巖為主?？傮w來看自東向西慢慢變薄，研究區(qū)除了3006孔外，其余各孔并未鉆穿本溪組，一般只鉆進(jìn)本溪組20多米。3006孔處，本溪組厚度為44.6m。本溪組沉積時，早期為淺海陸棚環(huán)境，后期轉(zhuǎn)變?yōu)槌鄙蠋?、陸上環(huán)境。鉆遇的本溪組整體呈反旋回，下部泥晶灰?guī)r，上部為粉砂巖、鋁土質(zhì)巖。

2 層序關(guān)鍵界面的識別與層序劃分

層序的關(guān)鍵界面是控制層序劃分的依據(jù)，主要包括層序界面、海侵面、最大海泛面等，而海泛面也是層序地層學(xué)研究中十分重要的成因地層界面，從各種巖層所形成的沉積環(huán)境看，主要灰?guī)r、區(qū)域分布的厚煤層、沉積旋回結(jié)構(gòu)的反轉(zhuǎn)等幾種類型的特征巖層或巖層組合代表了所在地層序列沉積時達(dá)到了最大洪泛。

本文從沉積環(huán)境的演化及相變特征分析，在石炭-二疊系中劃分出了21個四級層序，組合為21個層序組、6個復(fù)合層序[4-7]。

3 石炭-二疊系層序地層的特征

通過前述六個鉆孔的層序地層分析，其石炭-二疊系層序地層特征如下：

(1)晚石炭世層序地層(復(fù)合層序Ⅰ)特征。主要包括本溪組，為一海平面逐漸上升到最大的沉積過程。研究區(qū)晚石炭世為陸表海沉積，地形極為平坦，河流不發(fā)育。復(fù)合層序Ⅰ的底界為中奧陶統(tǒng)頂?shù)钠叫胁徽厦?，底部普遍發(fā)育一層紫紅色褐鐵礦(“山西式鐵礦”)，一層鋁土巖(“G層鋁土”)。鋁土巖層位穩(wěn)定，但厚度變化較大。向上為灰-深灰色粉砂巖、砂巖、泥巖及灰?guī)r1～2層。復(fù)合層序Ⅰ由海侵層序組和高位層序組組成，其中海侵層序組為海平面逐漸升高過程的沉積(見圖1)。

復(fù)合層序Ⅰ沉積期間，華北地臺在經(jīng)歷了長達(dá)近1億年的風(fēng)化剝蝕后，進(jìn)入沉降階段。海侵層序組為澙湖相的粉砂巖、鋁土質(zhì)泥巖。高位層序組發(fā)育澙湖潮坪相的泥巖、鋁土質(zhì)泥巖和砂巖、碳酸鹽陸棚相灰?guī)r。其中灰?guī)r及其相當(dāng)層位代表了本層序的最大海泛面沉積。

(2)早二疊世早期層序地層(復(fù)合層序Ⅱ)特征。主要包括太原組，由煤層、灰?guī)r、粉砂巖和砂泥巖組成。其沉積相旋回結(jié)構(gòu)主要為泥炭沼澤相向上演化為碳酸鹽巖陸棚相、障壁砂壩相及澙湖沼澤相，構(gòu)成了多個完整的次級海進(jìn)-海退沉積序列，其底界位于11#煤層的底部(見圖1)。

復(fù)合層序Ⅱ表現(xiàn)為向上為多個煤層-灰?guī)r-砂泥巖旋回，表明海水的多次進(jìn)退，形成多個煤層-石灰?guī)r-砂泥巖的旋回，而每一個這樣的旋回組成了一個四級層序。由于海侵時海水到達(dá)的次數(shù)較少，淹沒時間比較短，因此所形成的灰?guī)r層數(shù)較少，厚度較薄。南部地區(qū)灰?guī)r厚度較大，發(fā)育范圍也較廣泛，代表整體海退過程中的一次規(guī)模較大的海侵，北部地區(qū)灰?guī)r厚度較小，發(fā)育范圍也較小，代表了規(guī)模較小的海泛。

復(fù)合層序Ⅱ包括海侵層序組和高位層序組，海侵層序組位于研究區(qū)煤層和灰?guī)r發(fā)育的層段，底界為海侵方向的轉(zhuǎn)換面，為該三級層序底界面。向上為多個煤層-灰?guī)r-砂泥巖旋回結(jié)構(gòu)，巖性有煤層、炭質(zhì)泥巖、灰?guī)r、粉砂巖和砂巖。沉積環(huán)境從泥炭沼澤相向上演化為碳酸鹽巖陸棚、障壁砂壩相及澙湖相，從而構(gòu)成了若干個完整的海進(jìn)-海退沉積序列。煤層和灰?guī)r的厚度不等，平面分布也不穩(wěn)定，在垂向上表現(xiàn)為退積到弱的加積。高位層序組主要由泥巖、粉砂巖和薄煤層組成，在垂向上表現(xiàn)為加積至弱的進(jìn)積，是在整體海退的過程中形成的。

(3)早二疊世晚期層序地層(復(fù)合層序Ⅲ)特征。主要包括山西組，從底部北岔溝砂巖底界到下石盒子組底部駱駝脖子砂巖底界，本層序發(fā)育低位層序組、海侵層序組、高位層序組。下部主要為三角洲沉積，為一套向上變細(xì)的砂巖組成；中部主要為分流間灣沉積的泥巖、薄層細(xì)砂巖和煤層組成；上部主要為三角洲間灣沉積，高位體系域?yàn)榉至鏖g灣的含砂泥巖。北岔溝砂巖為河道下切充填可作為低位沉積，該區(qū)4#煤層為該層序中相對最厚、分布最廣的煤層，可作為最大海泛階段的產(chǎn)物(圖2)。

(4)中二疊世早期層序地層(復(fù)合層序Ⅳ)特征。主要包括下石盒子組的層位，層序Ⅳ界面為下石盒子組底部駱駝脖子砂巖，該層砂巖在華北地臺上穩(wěn)定發(fā)育，巖性為中粗粒含礫砂巖，底部有沖刷面發(fā)育，將其作為本層序低位層序組的下切谷沉積。海侵層序組以泥巖、粉砂質(zhì)泥巖等細(xì)粒沉積為主。高位層序組以中細(xì)粒砂巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖等為主，整體表現(xiàn)為向上變粗的沉積序列，反映該地區(qū)地殼抬升速率明顯降低，在末期開始下降，演變?yōu)槿侵奁皆h(huán)境，分流河道與間灣，以及泛濫盆地并存。該層序的頂界則為其頂部的“桃花泥巖”的頂面(圖3)。

(5)中二疊世晚期層序地層(復(fù)合層序Ⅴ)特征。主要包括上石盒子組， 以三角洲相的層序?yàn)樘卣?，由低位層序組、海侵層序組和高位層序組構(gòu)成。低位層序組以泥巖和粉砂巖為主，屬于下切谷充填沉積非常發(fā)育的低位體系域。在低位層序組中每個旋回都由發(fā)育交錯層理且底部具有沖刷面的河道砂巖和其上部的紫紅色泥巖和粉砂巖組成；海侵層序組主要由紫紅色泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、細(xì)砂巖組成；高位層序組以典型的向上變細(xì)的旋回為特征，每個旋回的下部為發(fā)育沖刷面及交錯層理的河道砂巖。該層序在全區(qū)以多個向上變細(xì)的河流沉積旋回為特征(圖4)。

圖1 佳縣地區(qū)本溪組和太原組層序?qū)Ρ葓DFigure 1 Correlation of Benxi and Taiyuan formations stratigraphic sequences in Jiaxian area

圖2 佳縣地區(qū)山西組層序?qū)Ρ葓DFigure 2 Correlation of Shanxi Formation stratigraphic sequences in Jiaxian area

圖3 佳縣地區(qū)下石盒子組層序?qū)Ρ葓DFigure 3 Correlation of Xiashihezi Formation stratigraphic sequences in Jiaxian area

圖4 佳縣地區(qū)上石盒子組層序?qū)Ρ葓DFigure 4 Correlation of Shangshihezi Formation stratigraphic sequences in Jiaxian area

(6)晚二疊世層序地層(復(fù)合層序Ⅵ)特征。主要包括石千峰組，由低位層序組和湖侵層序組和高位層序組成。層序底部穩(wěn)定發(fā)育一套中、細(xì)砂巖，為K8砂巖，屬于低位期的下切谷沉積。從研究區(qū)鉆孔沉積相及層序地層對比的結(jié)果看，巖性主要為紫紅色、暗紫色中細(xì)粒砂巖、泥質(zhì)粉砂巖及泥巖。底部以疊置的厚層含礫砂巖為特征，代表低水位期的沉積，向上屬于三角洲前緣砂體-分流間灣-河漫灘相，代表著河流泛濫盆地基準(zhǔn)面抬升期的沉積，屬于湖侵層序組沉積(圖4)。

圖5 佳縣地區(qū)石千峰組層序?qū)Ρ葓DFigure 5 Correlation of Shiqianfeng Formation stratigraphic sequences in Jiaxian area

4 結(jié)論

(1)從沉積環(huán)境的演化及相變特征分析，對佳縣石炭-二疊系地層中劃分出了21個四級層序，組合為21個層序組、6個復(fù)合層序。

(2)佳縣地區(qū)石炭系包括復(fù)合層序Ⅰ，主要包括本溪組，為一海平面逐漸上升到最大的沉積過程。華北地臺在經(jīng)歷了長時間的風(fēng)化剝蝕后，進(jìn)入整體沉降階段，海侵層序組為澙湖相的粉砂巖、鋁土質(zhì)泥巖。高位層序組發(fā)育澙湖潮坪相的泥巖、鋁土質(zhì)泥巖和砂巖、碳酸鹽陸棚相灰?guī)r?；?guī)r及其相當(dāng)層位代表了本層序的最大海泛面沉積。

(3)佳縣地區(qū)二疊系層包括復(fù)合層序Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ，其中：復(fù)合層序Ⅱ主要包括太原組層，由海侵層序組和高位層序組組成，表現(xiàn)為向上為多個煤層-石灰?guī)r-砂泥巖旋回。復(fù)合層序Ⅲ主要包括山西組層，由低位層序組、海侵層序組、高位層序組組成，為三角洲平原沉積環(huán)境，發(fā)育分流河道及分流間灣沼澤等。復(fù)合層序Ⅳ主要包括下石盒子組，由低位層序組、海侵層序組和高位層序組組成，為三角洲前緣沉積環(huán)境，

轉(zhuǎn)化為三角洲平原環(huán)境，分流河道與泛濫盆地并存。復(fù)合層序Ⅴ主要包括上石盒子組，由低位層序組、湖侵層序組和高位層序組組成，以多個向上變細(xì)的河流沉積旋回為特征。復(fù)合層序Ⅵ主要包括石千峰組層，由低位層序組、湖侵層序組和高位層序組組成，以多個向上變細(xì)的河流沉積旋回為特征。

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