梁吉坡,王薇,李楊,金彪
(1.山東省地質(zhì)科學(xué)研究院,國土資源部金礦成礦過程與資源利用重點實驗室,山東省金屬礦產(chǎn)成礦地質(zhì)過程與資源利用重點實驗室,山東 濟南 250013;2.江蘇煤炭地質(zhì)物測隊,江蘇 南京 210046;3.臨沂市國土資源局蘭山分局,山東 臨沂 276000)
高分辨率層序地層學(xué)是近年來新興起的一門學(xué)科,其理論與研究方法在海相地層研究中取得了較好的成果,并得到國內(nèi)外地質(zhì)學(xué)家認可[1- 3]。其在陸表海背景下的海陸交互型含煤沉積地層的應(yīng)用[4- 19],為研究含煤盆地充填史和成煤史奠定了科學(xué)理論基礎(chǔ)?,F(xiàn)今,魯西南地區(qū)尤其是菏澤地區(qū),已成為我國重要的后備煤炭資源基地,研究該地區(qū)的成煤作用,摸清煤炭資源聚積和賦存情況,對今后在該地區(qū)開展找煤工作意義重大[19- 21]。
該文運用高分辨率層序地層學(xué)的一些基本原理和分析方法,利用菏澤地區(qū)多個煤田的鉆井和測井資料,通過對石炭—二疊紀(jì)煤系研究分析,建立高分辨率層序地層格架,確立基準(zhǔn)面旋回及其變化對煤系盆地演化、地層結(jié)構(gòu)、旋回疊加、沉積體系類型的控制作用,論述該地區(qū)含煤地層基準(zhǔn)面旋回理論與成煤作用之間的關(guān)系。
研究區(qū)行政區(qū)劃屬于菏澤市,其位于山東省西南部,與江蘇、河南、安徽三省接壤。大地構(gòu)造位置位于華北板塊(Ⅰ)魯西南隆起區(qū)(Ⅱ),部分位于臨清坳陷(Ⅱ)[7]。菏澤地區(qū)地層區(qū)劃屬華北地層區(qū)魯西地層分區(qū)菏澤- 濟寧地層小區(qū)。地層自老到新有太古界泰山巖群;古生界震旦系、寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系;中生界侏羅系;新生界古近系、新近系、第四系。
研究區(qū)前期開展了大量的煤炭勘查和研究工作,物探、鉆井資料豐富。該文主要選取了菏澤地區(qū)單縣煤田、曹縣煤田多個鉆井的巖心及測井資料,來研究分析該區(qū)的高分辨率層序界面和劃分方法。
該界面規(guī)模大,可與全盆地區(qū)域海退事件相對比。以此界面為區(qū)分,其上、下兩套沉積組合性質(zhì)完全不同,沉積體系(體系域)形成的控制機制有著本質(zhì)的不同,盆地體制也發(fā)生了根本改變。其主要表現(xiàn)即界面以上不再是陸表海盆地沉積。原因即受構(gòu)造活動影響,導(dǎo)致華北陸表海的相對海平面短時間周期內(nèi)大幅度下降,華北聚煤盆地南、北升降差異加大,海水南退直至全部退出盆地,最終使聚煤盆地環(huán)境及地理景觀發(fā)生改觀。區(qū)域性海退事件界面在華北聚煤盆地內(nèi)部實質(zhì)上是一種沉積上的間斷面,其上部出現(xiàn)了以陸相沉積為主的沉積組合,海平面變化不再直接控制和影響華北盆地沉積[4- 6]。
該界面是陸表海盆地背景下的三級海退事件界面,其海平面頻繁遷移,海陸不斷交替。該界面上、下的沉積組合具有較大的相似性,界面往上可能不是全盆地的終止面。實際上,這類界面也代表了一種短暫的沉積間斷,界面附近往往發(fā)育具潛力或有區(qū)域?qū)Ρ纫饬x的沉積礦床層位(煤層或其他沉積礦產(chǎn))。該類界面一般是廣泛的沼澤泥炭化事件終止標(biāo)志,其后新的海侵開始。這種三級海退事件界面既是高水位體系域和海進體系域的轉(zhuǎn)換界面,表征為一個高水位體系域的頂界面,也是層序劃分的一個標(biāo)志性界面[9,12]。
該界面在盆地沉積上表現(xiàn)為沉積體系(體系域)的轉(zhuǎn)換面,是由于構(gòu)造運動發(fā)生改變,導(dǎo)致構(gòu)造應(yīng)力場出現(xiàn)轉(zhuǎn)換而產(chǎn)生的界面。該界面在盆地較大范圍尤其盆地內(nèi)部主要表現(xiàn)為整合面,而在盆緣則表現(xiàn)為侵蝕或沖刷面[9,12]。
該界面是劃分層序地層的典型界面,一般伴隨區(qū)域性構(gòu)造活動事件出現(xiàn),有時與構(gòu)造層序界面一致[9,12]。該界面一般表現(xiàn)為全盆地范圍發(fā)育的不整合面和假整合面,而在華北地區(qū),普遍存在于石炭—二疊系與奧陶系之間的假整合面,是地史上一個長期間斷面。這一界面在魯西地區(qū)也十分清楚。
根據(jù)上述資料分析,現(xiàn)將菏澤地區(qū)石炭—二疊系沉積劃分為超長期、長期、中期和短期4個級別的地層旋回(表1):2個超長期旋回層序SLSC1,SLSC2(相當(dāng)于陸表海盆地構(gòu)造旋回和穩(wěn)定背景下近海內(nèi)陸河湖盆地構(gòu)造旋回),5個長期基準(zhǔn)面旋回(LSC1,LSC2,LSC3,LSC4,LSC5),12個中期基準(zhǔn)面旋回(MSC1,MSC2,MSC3,……,MSC12),30多個短期基準(zhǔn)面旋回。先將各級基準(zhǔn)面旋回分析如下。
表1 菏澤地區(qū)石炭—二疊系高分辨率層序劃分與巖石地層對比關(guān)系
通過選取菏澤地區(qū)多個鉆井資料對比分析,短期基準(zhǔn)面旋回表現(xiàn)形式包括對稱型和非對稱型。對稱型(C型)旋回主要發(fā)育于淺湖、潮汐三角洲和瀉湖等三類沉積環(huán)境中(圖1)。此類旋回中,地層層序即保有較完整的基準(zhǔn)面上升半旋回的沉積記錄,同時也保有下降半旋回的沉積記錄。C型旋回一般以洪泛面為界,其上下兩側(cè)的沉積模式有對位相似性又有所差異。如圖1所示,鉆井巖心資料揭示沉積序列對稱型結(jié)構(gòu),其變化特征為先變深后變淺,粒序由粗變細復(fù)變粗[8]。此類層序都形成于可容空間增長速率與沉積物供給通量比值A(chǔ)/S≥1→A/S>1的高可容納空間沉積條件下。
非對稱型(A型)旋回主要發(fā)育在物源供給比較充沛的沉積環(huán)境中。此類型旋回中,地層層序中僅保有基準(zhǔn)面上升半旋回,下降半旋回遭受侵蝕沖刷[8]。A型旋回其沉積序列具有向上變深的非對稱旋回結(jié)構(gòu),層序的頂、底界面都以沖刷面為顯著特征。在菏澤地區(qū)陸表海沉積萎縮階段的山西組沉積期,以發(fā)育河控淺海三角洲為主,該沉積環(huán)境中物緣供給充沛,多發(fā)育此型旋回(圖2)。
非對稱型(B型)旋回主要發(fā)育在海陸交互型沉積環(huán)境中。此類旋回正好與A型旋回相反,地層層序中僅保有基準(zhǔn)面下降半旋回,上升半旋回則遭受侵蝕沖刷[8]。B型旋回一般以突發(fā)性海侵面和沖刷界面為界,主要特征為其沉積序列始于淺海碳酸鹽沉積末期,到潮坪泥炭沼澤沉積結(jié)束為止,其間海相、陸相沉積交替出現(xiàn),構(gòu)成多個旋回,旋回有一定差異但差別不大[8],該區(qū)此類旋回多為向上變淺的非對稱型旋回(圖3)。
圖1 淺湖相對稱型(C型)旋回(ZK1- 1、WZK6孔)
圖2 河道充填—泛濫平原非對稱型(A型)旋回(CZK9- 2,QZK15孔)
圖3 臺地—砂坪不對稱型(B型)旋回(ZK5- 3,QZK1孔)
研究區(qū)中期基準(zhǔn)面旋回時間跨度大,一般0.5~1.0Ma;厚度范圍變化明顯,一般數(shù)十米至上百米。中期旋回大多數(shù)為長期旋回的次一級產(chǎn)物,通常具有比較完整的水(海、湖)進—水(海、湖)退結(jié)構(gòu),一般由數(shù)個在巖性、巖相和旋回結(jié)構(gòu)上相似的短期旋回層序疊加而成。中期旋回層序等時對比特征明顯,在沉積演化序列中,一次較大幅度的水進—水退過程形成的中期旋回層序,也是一次由加積到退積作用形成的較完整地層旋回過程。
在對研究區(qū)短期基準(zhǔn)面旋回對比分析的基礎(chǔ)上,確定了弱退積- 加積型、弱進積- 加積型、進積型等3類中期基準(zhǔn)面旋回[9]。
3.2.1 弱退積- 加積型基準(zhǔn)面旋回
根據(jù)區(qū)內(nèi)鉆井資料,該類型旋回多位于研究區(qū)太原組的頂部,其垂向數(shù)個短期旋回有弱退積、加積樣式但以加積為主,但總體疊加后表征出退積樣式(圖4)。根據(jù)圖示該中期旋回的巖性特征,砂巖層數(shù)多泥巖相對少,砂巖厚度不一但個別厚度較大,粒度較粗,總體呈現(xiàn)砂巖向上厚度變小、粒度變細態(tài)勢。此類旋回主要發(fā)育于三角洲、潮坪、障壁- 瀉湖交互沉積體系中,以障壁- 瀉湖沉積體系為主,該類中期旋回可容空間增長速率與沉積物供給通量比值(A/S)略小于1[18],在總體變化不大的情況下,比值向上有增大的趨勢。
圖4 ZK5- 3孔弱退積- 加積型中期基準(zhǔn)面旋回
3.2.2 弱進積- 加積型基準(zhǔn)面旋回
該類型旋回多位于研究區(qū)的太原組中,其垂向短期旋回有弱進積、加積樣式也以加積為主,但總體疊加后表征出進積樣式(圖5)。根據(jù)圖示該中期旋回的巖性特征,單層砂巖厚度大泥巖較薄,砂巖粒度總體較細但呈現(xiàn)向上變粗現(xiàn)象,單層泥巖厚度薄,上部顯示出現(xiàn)泥炭沼澤化。此類旋回主要發(fā)育于三角洲、潮坪、障壁—瀉湖、潮汐三角洲交互沉積體系中。該類中期旋回A/S比值則呈現(xiàn)總體向上減少趨勢,揭示當(dāng)時海水平面出現(xiàn)間歇性下降。
圖5 CZK13- 1孔弱進積- 加積型中期基準(zhǔn)面旋回
3.2.3 進積型基準(zhǔn)面旋回
該類型旋回多位于研究區(qū)山西組,其垂向短期旋回退積較少以加積為主,所以總體疊加呈現(xiàn)出進積樣式(圖6)。根據(jù)圖示該中期旋回的巖性特征,砂巖層數(shù)多,砂巖厚度較厚,巖石粒度較粗,泥巖較少。該類型旋回沉積環(huán)境由三角洲沉積向陸相沉積過渡,由海陸交互相沉積晚期海水退出成煤盆地轉(zhuǎn)變?yōu)殛懴喑练e。該類中期旋回A/S比值同樣總體向上減少。
圖6 CZK13- 1孔進積型中期基準(zhǔn)面旋回
在短期基準(zhǔn)面旋回的識別以及疊加中期旋回的基礎(chǔ)上,進一步識別和劃分長期基準(zhǔn)面旋回。通過分析對比,區(qū)內(nèi)共確定了12個中期旋回和超過30個短期旋回,根據(jù)中、短期旋回相似相近性特征,劃分出5個長期基準(zhǔn)面旋回,單個長期旋回一般由2~4個中期旋回組成,并將這5個長期旋回歸并入2個超長期基準(zhǔn)面旋回(表1)。長期基準(zhǔn)面旋回變化周期更長,其基準(zhǔn)面變化與A/S比值變化和盆地成煤作用關(guān)系密切,這種長周期的基準(zhǔn)面變化預(yù)示著盆地演化時間久遠,有利于較強的成煤作用發(fā)生。研究區(qū)2個超長期基準(zhǔn)面旋回,代表了2種不同的沉積環(huán)境,一種是陸表海沉積環(huán)境(LSC1,LSC2,LSC3),也是成煤作用有利階段;另一種是陸相河湖沉積環(huán)境(LSC4,LSC5),是成煤作用不利階段。
(1)LSC1旋回:研究區(qū)石炭—二疊系的底部旋回,旋回底界上覆于奧陶系,呈平行不整合(假整合)接觸;旋回頂界為十一灰的底和17煤層的頂接觸層位,LSC1旋回頂界就是一種最大海退事件界面(圖7)。該旋回沉積體系為晚古生代陸表海盆地形成早期時的充填沉積,由對稱型的中期基準(zhǔn)面旋回MSC1和MSC2組成,該長期旋回為上升半旋回厚度大于下降半旋回的C1型長期旋回結(jié)構(gòu)。由MSC1旋回開始,研究區(qū)進入陸表海盆地海陸交互型沉積旋回的重要形成期,魯西陸表海盆地發(fā)生沉降,形成淺海碳酸鹽臺地—濱岸碎屑沉積,其后開始了長期的含煤沉積期。該長期旋回垂向疊加以加積為主,沉積環(huán)境為瀉湖、潮坪沉積體系[16]。該階段沉積環(huán)境相對穩(wěn)定,但沉積厚度較薄,聚煤作用也較弱,只在MSC2旋回后期,研究區(qū)大型潮坪沉積體系出現(xiàn)沼澤化,進而形成煤層(17煤層、18煤層),煤層分布范圍廣,層位穩(wěn)定但厚度薄。
圖7 LSC1長期基準(zhǔn)面旋回沉積響應(yīng)(QZK4孔)
(2)LSC2旋回:為研究區(qū)陸表海海陸交互型煤系的中部旋回,其底界面即為LSC1旋回的頂界面,上部以三灰的底板為頂界面(圖8)。該長期旋回由非對稱型的中期基準(zhǔn)面旋回MSC3和MSC4組成,MSC3的上升半旋回為海侵體系域,最大海泛面出現(xiàn)在十上灰的底界,MSC3的下降半旋回和中期旋回MSC4為高水位體系域。該長期旋回反映出當(dāng)時大型潮坪沉積體系沼澤化的同時,突發(fā)性的海侵事件使泥炭沼澤的發(fā)育出現(xiàn)中斷,大范圍的海侵最終導(dǎo)致厚層灰?guī)r直接覆蓋于煤層之上,使得煤層得以保存下來,如十下灰直接覆蓋在16煤層之上,九灰在15上煤層之上,七灰在12上煤層之上,六灰在11上煤層之上。
圖8 LSC2長期基準(zhǔn)面旋回沉積響應(yīng)(QZK4孔)
(3)LSC3旋回:該旋回以下降半旋回為主,LSC3的底界面為三灰的底界面,頂界面為山西組和石盒子群的分界面。最大海泛面出現(xiàn)在中期基準(zhǔn)面旋回MSC5上升半旋回的頂部,即一灰的底部。該旋回是由內(nèi)陸表海盆地鼎盛發(fā)展階段轉(zhuǎn)換為內(nèi)陸表海萎縮發(fā)展階段,伴隨著陸表海盆地的萎縮,陸表海淺水三角洲不斷進積。煤層主要發(fā)育在該長期基準(zhǔn)面下降旋回的中部,尤其在盆地的濕潤低洼地區(qū)、分流間洼地,是形成厚煤層甚至巨厚煤層的有利地段,同時由于受河流作用影響,一些分流河道遷移擺動造成該地區(qū)的厚煤層在局部區(qū)域出現(xiàn)沖刷、變薄或者分叉現(xiàn)象,如單縣煤田張集井田、曹縣煤田張灣、萬樓集等地區(qū)的3煤層(3上煤層、3下煤層)[21](圖9)。
圖9 LSC3長期基準(zhǔn)面旋回沉積響應(yīng)(QZK1孔)
(4)LSC4,LSC5旋回:LSC4旋回和LSC5旋回主要發(fā)育在內(nèi)陸河湖盆地構(gòu)造演化階段,與其下的LSC1,2,3旋回構(gòu)造演化階段有明顯的不同,旋回的結(jié)構(gòu)屬對稱型,由于廣泛的河流沖擊作用,基本上不發(fā)育煤層(圖10)。
在綜合分析研究區(qū)鉆井巖心、測井資料的基礎(chǔ)上,通過對研究區(qū)鉆井高分辨率層序地層開展的基準(zhǔn)面旋回的劃分,做出了菏澤地區(qū)煤系層序地層格架基準(zhǔn)面旋回對比圖(圖11)??梢钥闯鲅芯繀^(qū)的中短期旋回結(jié)構(gòu)類似,反映出該地區(qū)古地形比較平坦,構(gòu)造沉降較穩(wěn)定。聚煤作用發(fā)生在長期旋回中下降旋回的中晚期,聚煤作用較強,形成大面積分布的厚煤層。
通過分析對比區(qū)內(nèi)的超長期、長期、中期和短期基準(zhǔn)面旋回特征,結(jié)合沉積動力學(xué)方法,研究探討了基準(zhǔn)面旋回與成煤作用的關(guān)系。該區(qū)泥炭沼澤發(fā)育以及煤層在多期構(gòu)造運動后殘存保留的層位和分布范圍,多發(fā)生在不同期次基準(zhǔn)面旋回發(fā)生轉(zhuǎn)換或者有利成煤的短期旋回疊加部位[6]。
LSC1是由2個中期基準(zhǔn)面旋回組成,內(nèi)部含兩層煤,即17煤層與18煤層。17煤層分布較穩(wěn)定,全區(qū)有含煤地層賦存的絕大部范圍存在,僅局部缺失,17煤層位于LSC1旋回頂界(圖12);18煤層同樣分布較穩(wěn)定,并且18煤層局部地區(qū)存在分叉。結(jié)合不同煤層的形成環(huán)境及其在基準(zhǔn)面位置可以得出,17煤層與18煤層主要形成于障壁海岸環(huán)境之中,即瀉湖環(huán)境之中,主要發(fā)育于基準(zhǔn)面由快速上升轉(zhuǎn)變?yōu)榫徛陆?,為典型的水退成煤?/p>
圖11 菏澤地區(qū)地層格架中長期旋回對比
圖12 菏澤地區(qū)17煤層對比圖
圖13 障壁壩環(huán)境聚煤模型
圖14 菏澤地區(qū)16煤層與十下灰等時對比圖
圖15 潮坪環(huán)境聚煤模式圖
圖16 菏澤地區(qū)3煤層對比圖
LSC2旋回是陸表海海陸交互型煤系旋回,以17煤層的頂界作為底界面,以三灰的底界面作為頂界面。該旋回的一個明顯特征,就是多層煤層直接為灰?guī)r(海侵層)所覆蓋,如16煤層頂板為十下灰(圖13),類似的還有九灰與15上煤層、七灰與12上煤層、六灰與11上煤層等。根據(jù)李增學(xué)等[12]研究有關(guān)魯西太原組煤層形成機制成果,16煤層的形成是由于當(dāng)時突發(fā)性海侵導(dǎo)致巨大的潮坪沉積體系迅速為海水傾覆且形成深水環(huán)境,原先在潮坪體系下的沼澤泥炭堆積得以保存,最終成煤,也就是“海侵事件成煤”(圖14、圖15)。
不同于LSC1、LSC2旋回,LSC3旋回海侵作用減弱,影響距離和范圍逐漸減小,形成對比的是淺水三角洲的進積作用增強,成煤作用受河流作用的影響也開始明顯。區(qū)內(nèi)大型復(fù)合型三角洲沉積體系大范圍發(fā)育,通過成煤作用,形成了厚度大、分布較穩(wěn)定的煤層,這也是菏澤地區(qū)最具工業(yè)價值的煤層賦存層位[20]。LSC3旋回中煤層形成時,海平面由快速上升到減緩上升,再轉(zhuǎn)為緩慢下降,隨著海岸線的遷移加上進積作用影響,菏澤地區(qū)暴露范圍大,泥炭沼澤化范圍廣。陸域面積的擴大,成煤作用逐漸增強,沉積體系的頂部單元則成為厚煤層(3煤層)聚集的有利部位(圖16)。
(1)通過對菏澤地區(qū)石炭—二疊系高分辨率層序地層研究,將含煤地層劃分為2個超長期基準(zhǔn)面旋回(SLSC1,SLSC2),5個長期基準(zhǔn)面旋回(LSC1,LSC2,LSC3,LSC4,LSC5),12個中期基準(zhǔn)面旋回(MSC1,MSC2,MSC3,……,MSC12),以及30多個短期基準(zhǔn)面旋回。
(2)根據(jù)基準(zhǔn)面變化特征,將短期基準(zhǔn)面旋回劃分成非對稱型(A型、B型)旋回和對稱型旋回(C型)。將中期基準(zhǔn)面旋回劃分成弱退積- 加積型、弱進積- 加積型、進積型3種類型,基于此進一步完成長期和超長期基準(zhǔn)面旋回劃分。
(3)成煤作用與基準(zhǔn)面旋回的變化有著密切的關(guān)系,LSC1旋回形成于障壁環(huán)境中,煤層位于長期旋回的頂部,是典型的水退成煤,LSC2旋回形成于潮坪環(huán)境中,是典型的內(nèi)陸表海海陸交互型旋回,突發(fā)性的海侵使泥炭沼澤的發(fā)育中斷,大范圍的海侵最終導(dǎo)致厚層灰?guī)r直接覆蓋于煤層之上,使得煤層得以保存,為海侵事件成煤;LSC3旋回形成于陸表海淺水三角洲沉積環(huán)境中,煤層主要發(fā)育在長期基準(zhǔn)面下降旋回的中部,尤其在盆地的濕潤低洼地區(qū)、分流間洼地,易形成厚煤層甚至巨厚煤層,而在受分流河道遷移擺動作用的地區(qū),厚煤層會出現(xiàn)分叉現(xiàn)象。LSC4旋回、LSC5旋回由于廣泛的河流沖擊作用,基本上不發(fā)育煤層。
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