湘東北地區(qū)安源煤系三角洲沉積與演化特征

劉海波，劉石磊，武志偉

(湖南理工職業(yè)技術(shù)學(xué)院風(fēng)能工程系 湖南 湘潭 411200)

0 地質(zhì)背景

受拉丁大海退影響，中國(guó)南方的華南板塊與北方大陸連成了一片陸地[1]，終于改變了我國(guó)長(zhǎng)期存在的“南海北陸”古地理格局。但位于華南板塊內(nèi)部的楊子、華夏板塊碰撞拼接縫合帶[2]仍因地勢(shì)低洼而成為窄長(zhǎng)的海灣。海水從湘粵淺海[3]，經(jīng)北北東向的湘東海灣[4-5]，在湘東北一帶轉(zhuǎn)向北東東向的萍(鄉(xiāng))-樂(lè)(平)坳陷帶[6-7]，形成了晚三疊世的湘贛海灣，發(fā)育以安源煤系為典型代表的海陸交互相含煤沉積。

湘東北地區(qū)的醴陵-瀏陽(yáng)一帶在晚三疊世處于湘贛海灣西北部的轉(zhuǎn)折端，更西北則是湖南山地[8]或更大范圍的湘黔桂高地。湖南山地或湘黔桂高地的地表水不斷地向東南匯入湘贛海灣，在海灣濱岸地帶形成了一系列的三角洲，其中以瀏陽(yáng)澄潭江礦區(qū)的澄潭江三角洲最為典型，其發(fā)展演化歷史可為代表。

湘東瀏陽(yáng)市澄潭江礦區(qū)位于羅霄山脈西麓。地質(zhì)構(gòu)造體系屬于湘東多字型構(gòu)造體系東端的上山嶺復(fù)式向斜主體。區(qū)域地層屬華南地層區(qū)湘中-湘南區(qū)邵陽(yáng)-瀏陽(yáng)小區(qū)，出露地層主要有上元古界板溪群、泥盆系、石炭系、二疊系、上三疊統(tǒng)、白堊系及第四系。上三疊統(tǒng)安源煤系厚達(dá)2 000m以上。據(jù)巖性組合特征，可將其劃分四個(gè)巖組，自下而上依次為紫家沖組、三家沖組、三丘田組、造上組[9-11]。

造上組(T3zs)：底部為灰白色石英礫巖夾灰色粉砂巖、細(xì)砂巖；下部為石英粉砂巖夾粉砂質(zhì)泥巖；上部為粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖互層。

——三都運(yùn)動(dòng)

三丘田組(T3sq)：底部由灰色燧石石英細(xì)礫巖、砂礫巖和含礫粗砂巖組成；中、下部以灰黑色泥巖、深灰色粉砂質(zhì)泥巖為主，夾粉砂巖、煤線；上部以灰色砂巖為主，夾灰黑色粉砂巖、泥巖及煤層、煤線多層。

——三灣運(yùn)動(dòng)

三家沖組(T3sj)：底部為灰色燧石石英細(xì)礫巖或相變?yōu)楹[砂巖、粗砂巖；下部為灰色薄層狀石英粉砂巖夾細(xì)砂巖、粉砂質(zhì)泥巖；中、上部以灰黑色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖夾粉砂巖、少量細(xì)砂巖，富含菱鐵礦結(jié)核。

紫家沖組(T3zj)：底部為雜色至灰色燧石石英礫巖；下部以灰黑色粉砂巖、灰色細(xì)砂巖為主，夾粉砂質(zhì)泥巖及煤層、煤線多層；中、上部以韻律性強(qiáng)的灰黑色粉砂巖、黑色泥巖互層為主，偶夾灰白色石英砂巖和煤線。該組巖性的樅、橫向變化大，相變嚴(yán)重。

1 三角洲體系的沉積特征

澄潭江礦區(qū)安源煤系由近源碎屑沉積巖夾煤層組成，碎屑粒徑粗，具正、反粒序沉積系列，分選差至中等，水平及交錯(cuò)層理發(fā)育，富有機(jī)質(zhì)，化石豐富，常見(jiàn)泥裂、雨痕及波痕，負(fù)載變形構(gòu)造發(fā)育，底部沖刷構(gòu)造發(fā)育。經(jīng)研究，可識(shí)別出分流河道、水下分流河道、河口砂壩、分流間灣、泥炭沼澤等沉積相。

1.1 三角洲平原

澄潭江三角洲平原主要由分流河道和泥炭沼澤組成。

分流河道的沉積物以粗碎屑沉積物為主，多為礫石、含礫砂巖，夾少量中、粗粒砂巖；槽狀交錯(cuò)層理發(fā)育，常見(jiàn)底部沖刷構(gòu)造。三角洲沉積體系下部的分流河道沉積物由石灰?guī)r、燧石和石英礫石組成，礫石的圓度、球度低，分選差、層理不清或?yàn)閴K狀層理，具紅色氧化圈，河流相的二元結(jié)構(gòu)顯著(圖1)；體系上部的分流河道沉積物主要由石英和燧石礫石組成，礫石的圓度、球度較高，分選較差，疊瓦構(gòu)造常見(jiàn)，底部沖刷明顯，底面沖刷構(gòu)造發(fā)育。

圖1 三角洲底部礫巖Figure 1 Delta bottom conglomerate

泥炭沼澤的沉積物多由富有機(jī)質(zhì)的炭質(zhì)泥巖與砂巖互層組成，夾煤線、薄煤層，發(fā)育水平或平行層理，負(fù)載構(gòu)造、雨痕、泥裂(圖2)常見(jiàn)，植物化石豐富。體系下部的煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜、甚至為復(fù)煤層，煤中夾矸向盆地中心逐漸變薄，巖性粒徑變小，夾矸層數(shù)減少并導(dǎo)致煤層合并。體系上部的煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，煤中夾矸往盆地中心增厚，導(dǎo)致煤層分叉直至變薄、尖滅。

圖2 泥裂Figure 2 Mud crack

1.2 三角洲前緣

澄潭江三角洲前緣主要由水下分流河道、河口砂壩和分流間灣組成。水下分流河道沉積物以中、細(xì)粒砂巖為主，分選性較差，槽狀交錯(cuò)層理，槽底沖刷不顯著，但下部接觸關(guān)系突變，側(cè)向遷移顯著。三角洲沉積體系下部的水下分流河道沉積發(fā)育滑塌構(gòu)造，常見(jiàn)砂質(zhì)碎屑流巖(圖3)。沉積體系上部的砂巖層厚度穩(wěn)定，但單個(gè)砂體在剖面上呈狹長(zhǎng)透鏡狀；槽狀交錯(cuò)層理發(fā)育，槽底沖刷不顯著，但槽底沉積物粒度明顯粗于兩側(cè)，側(cè)向遷移顯著(圖4)。

圖3 砂質(zhì)碎屑流巖Figure 3 Sandy clastic flow rock

圖4 側(cè)向遷移顯著的槽狀交錯(cuò)層理Figure 4 Lateral migration obvious trough cross-bedding

分流間灣沉積物以粉砂、泥巖互層為主，水平層理或交錯(cuò)層理。三角洲沉積體系下部的間灣以河床漫溢沉積為主，沉積物粒度較粗，橫向上變化大，多具大型板狀交錯(cuò)層理，泥炭沼澤沉積亦發(fā)育(圖5)。上部的間灣沉積物粒度較細(xì)，橫向上比較穩(wěn)定，水平層理，常見(jiàn)波痕，化石豐富。缺乏煤層，但泥巖多為富有機(jī)質(zhì)的炭質(zhì)泥巖。

圖5 大型板狀交錯(cuò)層理Figure 5 Large sized tabular cross-bedding

河口砂壩由中厚層狀的細(xì)、粉砂巖組成。交錯(cuò)層理或平行層理。砂體底部沖刷構(gòu)造不發(fā)育，變形構(gòu)造較發(fā)育。垂向上，砂體下部往往從砂泥巖互層開(kāi)始，往上逐漸變?yōu)楹駥訝罴?xì)砂巖層，砂粒徑逐漸變粗。

2 三角洲演化特征

澄潭江三角洲由初期的沖積扇、扇三角洲、淺水高建設(shè)性三角洲，逐步演化而成。其建設(shè)歷程復(fù)雜，旋回層次多，可劃分為4個(gè)大型旋回、6個(gè)中型旋回(Ⅰa、Ⅰb、Ⅰc)和19個(gè)小旋回(圖6)

2.1 建設(shè)Ⅰ期

從沖積扇沉積開(kāi)始，逐漸轉(zhuǎn)化為扇三角洲[12-13]，再到淺水高建設(shè)性三角洲[14-16]。

Ⅰa1建設(shè)期為扇三角洲建設(shè)期。早期，粗碎屑直接堆積在干旱的風(fēng)化殼上，成熟度低，具紅色氧化圈，層序上具有河流相的二元結(jié)構(gòu)(圖1)，應(yīng)是季節(jié)性河流的沖積扇沉積。平面上，沖積扇體由西北向東南呈扇狀分布(圖7)，并側(cè)向東北方向緩慢遷移。Ⅰa1旋回破壞期的改造作用不強(qiáng)，但扇三角洲進(jìn)積作用減弱，三角洲平原上加積作用顯著降低，并開(kāi)始出現(xiàn)泥炭沼澤沉積。

Ⅰa2期,受河流改道的影響，三角洲建設(shè)大舉向東側(cè)遷移，使三角洲的建設(shè)規(guī)模迅速擴(kuò)大(圖8)。三角洲東部的底礫巖之下至不整合面之間普遍具有10 m以上的泥質(zhì)沉積，層序上為反粒序沉積序列，且普遍發(fā)育砂質(zhì)碎屑流巖[17-20](圖3)。這些表明此時(shí)的三角洲東部應(yīng)建設(shè)速度快且水淺，經(jīng)常發(fā)生滑塌。西部呈半廢棄狀態(tài)的三角洲體上形成了泥炭沼澤沉積。

Ⅰa3期,隨著水位的上升，盆地可容空間的擴(kuò)大，供應(yīng)碎屑物的粒度逐漸降低，三角洲的建設(shè)速度也明顯下降。三角洲東部的建設(shè)環(huán)境仍然復(fù)雜，分流河道遷移頻繁。西部環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定，地勢(shì)較高處多為泥炭沼澤地，形成了多層可采的、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的復(fù)煤層；且可能在中期出現(xiàn)過(guò)一次較大范圍的粗碎屑沉積過(guò)程。

Ⅰb期,三角洲建設(shè)規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大，其東、西部的差異性迅速縮小，但內(nèi)部地形仍有較大差異。

Ⅰc期,隨著湘贛海灣水位的上升，三角洲建設(shè)的進(jìn)積作用明顯減小，但加積作用增強(qiáng)，東、西部建設(shè)的差異性也進(jìn)一步減小。

Ⅰc2未期，整個(gè)三角洲被水淹，偶爾露出水面的三角洲即形成沼澤地。與紫家沖組下部各煤層相比，此期所形成的煤層即便層薄、但分布范圍較廣且穩(wěn)定性較高， 說(shuō)明三角洲經(jīng)過(guò)幾個(gè)旋回的建設(shè)已經(jīng)使三角洲體寬廣且地形趨于平坦。

圖6 三角洲建設(shè)旋回分析圖Figure 6 Delta constructive cycle analytical chart

圖7 三角洲Ⅰa1建設(shè)期古地理圖Figure 7 Delta Ⅰa1 constructive stage paleogeographic map

圖8 三角洲Ⅰa2建設(shè)期古地理圖Figure 8 DeltaⅠa2 constructive stage paleogeographic map

2.2 建設(shè)Ⅱ期

以破壞期的改造作用為主。此時(shí)，湘贛海灣水位維持高位，與湘粵淺?；ネ?，使得澄潭江三角洲主體大部時(shí)間處于水面之下，其建設(shè)周期短而破壞周期長(zhǎng)。

Ⅱa1初期，海灣水位下降，三角洲體系重新活躍起來(lái)，開(kāi)始了新一輪的、短暫的建設(shè)并隨后轉(zhuǎn)入破壞期的改造過(guò)程。經(jīng)過(guò)三、四次較小的建設(shè)改造旋回，至Ⅱa1中后期，整個(gè)三角洲又一次被水淹而遭受著較長(zhǎng)期的改造過(guò)程。

Ⅱa2、Ⅱa3期的建設(shè)情況和Ⅱa1期的基本相似，但破壞期可能更長(zhǎng)，改造作用更強(qiáng)烈。

經(jīng)過(guò)建設(shè)Ⅱ期數(shù)輪的改造作用，澄潭江三角洲的建設(shè)規(guī)模雖然沒(méi)有擴(kuò)大，但其地形更趨于平坦，內(nèi)部建設(shè)差異性進(jìn)一步縮小。

2.3 建設(shè)Ⅲ期

三角洲的建設(shè)更趨穩(wěn)定，且主要受海灣水位的控制。

Ⅲa1初，受三灣運(yùn)動(dòng)的影響，湘贛海灣水位迅速下降，澄潭江三角洲主體再次露出水面，并開(kāi)始新的建設(shè)。底部細(xì)礫巖具大型槽狀交錯(cuò)層，呈現(xiàn)強(qiáng)烈的側(cè)向遷移特性，表明其時(shí)三角洲地勢(shì)平坦，水位稍微下降后，側(cè)向遷移迅速的分流河道將碎屑物散布在整個(gè)三角洲體上。

Ⅲa2、Ⅲa3、Ⅲa4期的建設(shè)類似Ⅲa1期，但海灣水位仍然較高，使得三角洲露出水面的時(shí)間有限，三角洲的建設(shè)周期較短。

Ⅲb期，海灣水位較Ⅲa期更淺，破壞期的改造作用也更加弱化，特別是Ⅲb2期的改造作用更弱，該期所形成的每段砂巖向上相變?yōu)槟鄮r時(shí)都含煤層或煤線，即便是薄煤層、甚至煤線均保存較好。

Ⅲb2期的五煤層形成時(shí)，三角洲主體由水下逐漸露出水面，迅速沼澤化而形成五煤層。

五煤層形成中期，海灣水位曾一度上升，沼澤地退卻，區(qū)域性地形成了五煤層中部的夾矸。顯然，夾矸的碎屑物不是直接來(lái)自三角洲上的分流河道，而是分流河道帶入海灣水體后，由海灣水體間接供給的(圖9)。

圖9 三角洲5煤層形成期古地理圖Figure 9 Delta coal No.5 forming stage paleogeographic map

2.4 建設(shè)Ⅳ期

更大規(guī)模的一次建設(shè)期。

Ⅳa1初期，印支期的三都運(yùn)動(dòng)使得湘贛海灣的水位迅速下降，三角洲幾乎全部露出水面。分流河道在平坦的三角洲平原上呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的游蕩性，在其上留下2～3層河床粗碎屑沉積物的同時(shí)，將三角洲沉積體系迅速推向東南部的海灣，迅速擴(kuò)張了三角洲的建設(shè)規(guī)模。

Ⅳa2期，游蕩性強(qiáng)的分流河道隨著下蝕作用的不斷進(jìn)行，已經(jīng)下切原三角洲體(圖10)，并最終留下兩條相對(duì)穩(wěn)定的主河流(圖11)。東邊一條規(guī)模較大，沖刷寬度可達(dá)1 000m左右，最終下蝕深度達(dá)到了Ⅲb2期所形成的五煤層上部；西邊一條規(guī)模較小，沖刷寬度僅300m左右，下蝕較淺，僅沖刷了Ⅲb2期所形成的三煤層上覆地層，基本上沒(méi)有破壞三煤層。

圖10 分流河道的下蝕Figure 10 Distributary channel downward scouring

圖11 三角洲Ⅳa2建設(shè)期古地理圖Figure 11 Delta IV a2 constructive stage paleogeographic map

Ⅳa3期，隨著主河道向東部發(fā)展，三角洲的建設(shè)也斷續(xù)向東推進(jìn)。致使以澄潭江鎮(zhèn)造上村命名的造上組，最終采用發(fā)育更全的文家市鎮(zhèn)石康剖面作為標(biāo)準(zhǔn)剖面。

3 海灣水位升降特征

Ⅰa1初期，湘贛海灣水位很淺，本三角洲形成的河口一帶幾乎處于干旱的盆地邊緣，河流帶來(lái)的碎屑物呈沖積扇堆積。隨著水位上升，三角洲逐漸轉(zhuǎn)化為扇三角洲。至Ⅰa1期未，水位繼續(xù)上升，可能淹沒(méi)了雛形三角洲的主體。

Ⅰa2初期，水位迅速下降，主河道被Ⅰa1期所形成的雛形三角洲所封堵而被迫向東遷移，從而將三角洲的建設(shè)規(guī)模迅速擴(kuò)大。至未期，終于形成了原始三角洲。

Ⅰb期，海灣水位比Ⅰa期已有明顯的上升，并抬升了三角洲的建設(shè)高度，降低了河流碎屑物的粒度，而三角洲的建設(shè)也以加積作用為主，進(jìn)積作用明顯減弱。

Ⅰc期，海灣水位繼續(xù)上升，且上升速度逐漸超過(guò)三角洲建設(shè)速度，使三角洲由高建設(shè)期逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐云茐钠跒橹鞯倪M(jìn)程。

建設(shè)Ⅱ期初，海灣水位迅速下降，三角洲主體短暫出露水面，遭受過(guò)一定程度的風(fēng)化剝蝕；隨后水位逐漸上升，再次淹沒(méi)了整個(gè)三角洲。整個(gè)Ⅱ期中，比較大的波動(dòng)周期可分為三期，對(duì)應(yīng)著三角洲的三個(gè)(Ⅱa1、Ⅱa2、Ⅱa3)建設(shè)旋回周期。后期波動(dòng)周期的高水位期逐漸增長(zhǎng)，而淺水時(shí)期縮短。

建設(shè)Ⅲ期，盆地水位總體下降。Ⅲa期，三角洲主體在大多數(shù)的時(shí)候仍處于水面之下；Ⅲb期，海灣水位進(jìn)一步下降，三角洲平原時(shí)而露出水面、時(shí)而位于水面之下。水位上升緩慢，三角洲露出水平部分沼澤化，往往能形成煤層；但水位下降則迅速，很少發(fā)現(xiàn)煤層甚至煤線。

建設(shè)Ⅳ期的初始期，受到三都運(yùn)動(dòng)影響，盆地水位迅速下降。從造上組底礫巖對(duì)三丘田組的沖刷情況分析，這次水位下降至少在70m以上。

綜上所述，海灣水位升降的特點(diǎn)是水位上升進(jìn)程都比較緩慢，而下降進(jìn)程往往迅速。

4 結(jié)論

1)湘贛海灣西部地形平坦、坡降平緩，適合于大型三角洲的形成和發(fā)育。

2)湘贛海灣西部沉積環(huán)境穩(wěn)定，如區(qū)域性的印支期三灣運(yùn)動(dòng)對(duì)本區(qū)沉積作用的影響不顯著。

3)湘贛海灣西部的三角洲環(huán)境有利于煤層的形成，但往東南的盆地中心，顯然不利于煤層的形成。將澄潭江礦區(qū)煤層發(fā)育特征作為深部煤田預(yù)測(cè)的依據(jù)是不可靠的。

4)安源煤系的三家沖組是頁(yè)巖氣生成和貯存的有利層段。