三塘湖盆地條湖凹陷中侏羅統(tǒng)西山窯組層序地層及聚煤規(guī)律

張利偉，嚴(yán)德天，劉文慧，楊向榮，魏小松，徐翰文，張 寶，Hassan

(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 構(gòu)造與油氣資源教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074)

層序地層學(xué)作為一種新的盆地分析方法，被認(rèn)為是沉積地質(zhì)學(xué)的第3次概念革命，受到廣大地質(zhì)學(xué)家的重視。盡管層序地層學(xué)最初是在研究近海大陸架沉積物時(shí)所提出的，但其控制機(jī)理，例如水平面的升降、盆地沉降、沉積物供給以及氣候變化等同樣適用于煤系地層的研究中[1]。層序地層學(xué)不僅僅是為了解釋某種巖性序列，更多是以不整合界面為界搭建一個(gè)等時(shí)的地層格架。其中“可容空間”概念的提出對(duì)深入理解聚煤作用具有重要意義[2-5]。之后關(guān)于不同沉積背景下層序格架聚煤規(guī)律研究愈發(fā)深入，建立多種背景下的聚煤模式[6-9]。煤層分布特征也隨著沉積背景不同存在不同的模式變化[10]。

三塘湖盆地是新疆北部重要的煤炭和石油勘探區(qū)域。前人針對(duì)三塘湖盆地在盆地結(jié)構(gòu)、構(gòu)造演化、沉積相、油氣藏成因等方面進(jìn)行過許多研究[11-17]。但針對(duì)盆地內(nèi)含煤巖系的層序地層和古地理細(xì)致分析還較為薄弱。筆者以三塘湖盆地條湖凹陷為對(duì)象，圍繞條湖凹陷西山窯組地層的層序地層細(xì)分與聚煤規(guī)律研究這一關(guān)鍵問題，充分運(yùn)用含煤巖系層序地層學(xué)等理論方法，探討三塘湖盆地條湖凹陷內(nèi)西山窯組含煤巖系的聚煤規(guī)律。系統(tǒng)開展該地區(qū)層序古地理與聚煤作用研究，不但對(duì)進(jìn)一步了解西山窯期凹陷及全盆地古地理環(huán)境有重要的意義，還可為該地區(qū)煤炭資源評(píng)價(jià)和勘探開發(fā)提供充實(shí)理論依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

三塘湖盆地位于新疆東北部哈密地區(qū)巴里坤縣和伊吾縣境內(nèi)，北部鄰近蒙古國的中低山區(qū)，南與巴里坤含煤盆地之間隔著巴里坤山，盆地以北—南東向條帶狀發(fā)育于莫?dú)J烏拉山與蘇海圖山之間[12-13]。盆地夾在兩條古生代縫合帶之間，是存在于阿爾泰褶皺系與北天山褶皺系之間的疊合盆地[18]。三塘湖盆地受到南北方向的強(qiáng)烈擠壓作用，形成了南北分帶的構(gòu)造格局，發(fā)育了3個(gè)一級(jí)構(gòu)造單元東北沖斷隆起帶、西南逆沖推覆帶、盆地中央坳陷帶。本文主要研究區(qū)位于中央凹陷帶條湖凹陷(圖1)。在早二疊紀(jì)，三塘湖盆地條湖凹陷以陸相河流-湖泊沉積為主。此后一直保持陸相盆地沉積[19-21]。凹陷內(nèi)二疊系地層與下伏的石炭系之間為角度不整合關(guān)系，隨后在三疊-白堊紀(jì)連續(xù)沉積。三塘湖盆地內(nèi)主要的含煤地層時(shí)代為中侏羅統(tǒng)西山窯組(J2x)和下侏羅統(tǒng)八道灣組(J1b)，其中侏羅統(tǒng)西山窯組(J2x)為全區(qū)主要含煤地層。

本文研究層位為中侏羅統(tǒng)西山窯組。西山窯期沉積廣泛，在三塘湖全盆地都有發(fā)育，厚度變化較大。在條湖凹陷內(nèi)西山窯組地層厚度為170～340 m。凹陷西山窯期地層總體巖性為灰色，灰綠色、灰黃色、灰白色中細(xì)砂巖，粉砂巖、灰黑色泥巖、炭質(zhì)泥巖夾煤層。在靠近兩側(cè)隆起區(qū)可見厚層狀的黃綠色中-粗粒砂巖、礫巖發(fā)育。西山窯組與上覆頭屯河組呈微角度不整合接觸，與下伏三工河組為整合接觸。該組地層以一套含煤的碎屑巖沉積為特征而區(qū)別于上下地層。整體沉積環(huán)境為辮狀河三角洲-濱淺湖沉積。陸相湖泊三角洲環(huán)境形成了多層厚層狀煤層，為本文提供良好的地質(zhì)背景。

2 西山窯組層序地層格架及分析

層序地層學(xué)是研究由不整合面或與其相對(duì)應(yīng)的整合面所限定的一套相對(duì)整一的、成因上具有成生聯(lián)系的等時(shí)地層單元[22-24]。在沉積盆地內(nèi)部通過地震資料、露頭資料、測(cè)井資料、巖性和沉積環(huán)境解釋等資料綜合分析，建立一套等時(shí)的地層格架，并進(jìn)一步確定在地層格架下體系域中沉積物的充填序列和空間展布。在三塘湖盆地條湖凹陷為內(nèi)陸相湖泊落差小無明顯坡折帶發(fā)育，研究中采用經(jīng)典層序地層劃分方法，將3級(jí)層序劃分為高位體系域(HST)、湖擴(kuò)體系域(EST)和低位體系域(LST)。

圖1 三塘湖盆地條湖凹陷地理位置及構(gòu)造分區(qū)Fig.1 Location and geological map of Tiaohu sag in Santanghu basin

2.1 關(guān)鍵層序地層界面識(shí)別

2.1.1 層序界面識(shí)別標(biāo)志

層序即為一套由陸上不整合及其相對(duì)應(yīng)的盆內(nèi)整合所限定的一套沉積體。層序界面在盆地邊緣往往表現(xiàn)為區(qū)域不整合面或河道下切沖刷面，而在湖盆內(nèi)部常為連續(xù)沉積的整合面[25]。研究區(qū)層序界面的具體表現(xiàn)形式如下:① 沉積體系轉(zhuǎn)換面，層序界面上下地層顏色、巖性發(fā)生突變，代表沉積體系的轉(zhuǎn)換。② 下切谷砂礫巖體的發(fā)育，伴隨沉積基準(zhǔn)面(湖平面)的下降，由河流回春作用形成的下切谷是層序界面的典型標(biāo)志。③ 古土壤:古土壤層一般是基底暴露經(jīng)成土作用形成，古土壤在沖積平原河道間地區(qū)是識(shí)別層序界面的極好標(biāo)志。④ 界面上下電相特征發(fā)生突變，如GR曲線及視電阻率曲線在界面上下有顯著差異，GR值快速減小、視電阻率快速增大部位一般可能發(fā)育層序界面(圖2(a))。

圖2 條湖凹陷內(nèi)西山窯組層序體系域界面標(biāo)志Fig.2 Sign of the systems tract interface of the Xishanyao formation in Tiaohu sag

2.1.2 初始湖泛面(FS)的識(shí)別標(biāo)志

理論上初始湖泛面為湖水體首次漫過坡折帶或漫過低位下切谷所形成的湖泛面。研究區(qū)一般將河道砂礫巖之上覆蓋的泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖等細(xì)粒巖石的底面定為初始湖泛面。

在沒有河道發(fā)育的地帶，初始湖泛面與層序界面重合，此時(shí)古土壤可能比較發(fā)育(圖2(b))。

2.1.3 最大湖泛面(MFS)的識(shí)別標(biāo)志

該界面為一個(gè)基準(zhǔn)面旋回內(nèi)物源供給速率超過可容空間速率、總體水體很深時(shí)形成的沉積面，識(shí)別特征如下:在一套向上變細(xì)、變深的沉積序列中，代表最深的巖相一般為濱淺湖相泥巖、分流間灣粉砂質(zhì)泥巖等，這樣的巖性一般以相對(duì)較大的厚度出現(xiàn)時(shí)，可將其底面作為最大湖泛面的位置。向上巖性逐漸變粗，最大湖泛面即一套退積疊置樣式的地層轉(zhuǎn)化為進(jìn)積疊置樣式的轉(zhuǎn)化面(圖2(c))。

2.2 層序劃分

前人對(duì)三塘湖盆地層序地層做了一定的研究工作，但當(dāng)時(shí)勘探程度較低，基礎(chǔ)資料比較薄弱，導(dǎo)致對(duì)于盆地內(nèi)部的層序格架精度不夠[12,16-17,26-27]。本文基于盆地條湖凹陷內(nèi)已有的研究為基礎(chǔ)，通過綜合分析三塘湖盆地條湖凹陷內(nèi)已有鉆井，依據(jù)以上的層序界面的識(shí)別標(biāo)志，將西山窯組地層一共分為了3個(gè)三級(jí)層序(圖3)。西山窯組屬于中侏羅地層，延伸年限約5.9 Ma[28]，按照VAIL等[29]對(duì)三級(jí)層序的時(shí)限劃分。將該段地層劃分為3個(gè)三級(jí)層序是合理的，平均每個(gè)層序大致2 Ma。

SQ1的底為西山窯組與三工河組的分界線。三工河期間整個(gè)凹陷內(nèi)都處于水平面大幅升高時(shí)期，總體以發(fā)育一套細(xì)粒的泥巖，粉砂巖的湖相沉積為主。而進(jìn)入西山窯期之后湖平面降低導(dǎo)致在靠近山前地區(qū)發(fā)育了一套沉積粒度相對(duì)較粗的辮狀河三角洲沉積砂體，在西山窯組底部多見一套河道沖刷沉積的厚層狀的礫巖層，自然伽馬測(cè)井曲線在界面處表現(xiàn)突變特征，將其作為SQ1底界(圖3)。SQ1與SQ2以巖性劇烈變化面作為其分界。分界面處可見粗粒碎屑巖直接覆蓋于細(xì)粒碎屑巖之上，巖性變化劇烈，自然伽馬測(cè)井曲線在界面處表現(xiàn)突變特征。SQ2頂部沉積以一套三角洲前緣、濱湖沉積相為主的細(xì)砂巖和粉砂巖為特征，SQ3頂部則可見辮狀河河道，辮狀河三角洲平原所形成的灰白色粗砂巖，礫巖沉積(圖2(a))。這種大的巖性變化及沉積體系的轉(zhuǎn)變將其作為SQ2及SQ3的分界面。SQ3頂界為西山窯組與上覆地層頭屯河組的分界線。西山窯組與頭屯河組間呈現(xiàn)一個(gè)整個(gè)盆地范圍內(nèi)的微角度不整合。

圖3 條湖凹陷綜合柱狀Fig.3 Synthetic stratum historgram of Xishanyao formation in Tiaohu sag

在3個(gè)層序內(nèi)部又依據(jù)前文中提到的識(shí)別標(biāo)志識(shí)別出初始湖泛面(FS)和最大湖泛面(MFS)，并將層序內(nèi)部劃分為LST，EST，HST。在條湖凹陷內(nèi)靠近東北沖斷隆起帶山前低位體系域主要以辮狀河，辮狀河三角洲砂體沉積為主，特點(diǎn)是發(fā)育有多層灰白色中粗砂巖，雜色礫巖發(fā)育，少見煤層，在靠近下柳樹泉區(qū)依然有湖泊發(fā)育，但湖泊中心通常以厚層狀的細(xì)砂、粉砂巖為主。低位體系域是由于相對(duì)水平面的下降下部巖層暴露于地表受到侵蝕，在湖平面上升初期形成了一套進(jìn)積的地層如三角洲平原分流河道所形成的河道底礫巖，巖性粒度也較粗，呈現(xiàn)向上變粗的粒序;在低位體系域之上巖性過渡為一套相對(duì)較細(xì)的巖層，其底界即初始湖泛面(FS)，代表著水平面開始上升的起點(diǎn)，在測(cè)井曲線上表現(xiàn)為自然伽馬曲線的升高。湖擴(kuò)體系域內(nèi)部相對(duì)于水平上升時(shí)期凹陷內(nèi)部所沉積的地層。整體以低的砂泥比多個(gè)退積型的準(zhǔn)層序組為特點(diǎn)。體系域以三角洲前緣，前三角洲，濱淺湖沉積為主。總體巖性以灰黑色，灰綠色的粉砂巖和泥巖為主，夾多層炭質(zhì)泥巖和煤層。最大湖泛面(MFS)代表了此時(shí)湖泊體積達(dá)到了最大值。在一套向上變深變細(xì)的沉積地層中，將最厚層細(xì)粒沉積物的底面定位為最大湖泛面。在測(cè)井曲線上可以觀察到為自然伽馬曲線由此逐漸降低，這代表著由退積樣式變?yōu)檫M(jìn)積樣式。高位體系域是海平面由相對(duì)上升轉(zhuǎn)為相對(duì)下降時(shí)形成的，此時(shí)沉積物供給速率大于可容納空間增加速率。因此在凹陷內(nèi)部形成了一套向沉積中心進(jìn)積的一個(gè)或多個(gè)準(zhǔn)層序地層?？傮w巖性以灰白色細(xì)砂巖、粉砂巖為主夾薄層炭質(zhì)泥巖和煤層，靠近物緣區(qū)還可見到灰白色中砂巖、粗砂巖發(fā)育，多呈加積狀。值得注意在SQ3層序中標(biāo)準(zhǔn)井位于辮狀河三角洲近源處物源較為充足，在湖擴(kuò)體系域和高位體系域交界處未有明顯的退積型樣式轉(zhuǎn)變?yōu)檫M(jìn)積型，而是由多層加積型砂體為特點(diǎn)。正如邵龍義等[30]提到的，在其他很多情況下，尤其是在純陸相背景中，向上變淺的準(zhǔn)層序一般發(fā)育不好或難于辨認(rèn)，沉積作用多以垂向或側(cè)向加積為主，沒有明顯的進(jìn)積和退積，這時(shí)可通過地層序列的堆疊置樣式的變化加以判斷。在層序SQ3期巖層疊置可見由淺到深再由深到淺的變化，其中這樣的轉(zhuǎn)化面即為最大湖泛面。在這一轉(zhuǎn)化過程中沉積亞相未發(fā)生大的變化但其沉積微相還是表現(xiàn)出了轉(zhuǎn)變。從底部的由粗變細(xì)河道砂體轉(zhuǎn)變?yōu)槎啻味唐诘奶烊坏碳昂拥赖寞B置沉積。

3 層序格架下古地理沉積相演化特征

3.1 SQ1

層序SQ1相當(dāng)于西山窯組下部地層。SQ1層序在條湖凹陷內(nèi)全區(qū)都有分布，其地層厚度最低為330-4井附近的34.55 m，最厚處為161.6 m。

層序厚度變化較大，在凹陷內(nèi)部分布不均勻。由圖4(a)可以看出層序SQ1地層厚度在靠近凹陷邊緣物緣區(qū)沉積厚度較大而在凹陷中則厚度較小，整個(gè)沉積中心位于山前地區(qū)?？梢哉f明在SQ1時(shí)期凹陷整體處于沉降期，且物緣供給不足導(dǎo)致盆地靠近物緣較厚而在離山前較遠(yuǎn)的中心地區(qū)，如塘參1井附近較薄。

在SQ1內(nèi)主要發(fā)育的沉積相有辮狀河，辮狀河三角洲，沖積扇及湖泊沉積。在層序SQ1底部厚層狀的雜色礫巖，其在334-2井、358-1井等靠近東北即山前地區(qū)礫巖層厚度都達(dá)到了60 m厚，是由山前辮狀河及沖積扇所形成的大套礫巖沉積。往南向凹陷中心過渡粒度逐漸減小，逐漸過渡為辮狀河三角洲平原，辮狀河三角洲前緣及前三角洲。前緣及前三角洲沉積相均呈帶狀分布于山前扇體外圍。在西南方向巖性過渡為厚層狀的粉砂巖及泥巖沉積?？傮w砂泥比低于0.6(圖5(a))，以湖泊沉積為主。主要物緣有2個(gè)：一為靠近石頭梅凸起區(qū)域東北沖斷隆起帶，其地勢(shì)較陡，沉積相快速由辮狀河，辮狀河三角洲過渡為濱淺湖及湖灣沉積;另一個(gè)為凹陷西部358-1井附近東北推覆帶，其延伸范圍較廣，三角洲朵體延伸到了條2井附近(圖6(a))。

3.2 SQ2

層序SQ2相當(dāng)于西山窯組的中部。層序在凹陷全區(qū)亦是都有發(fā)育(圖4(b))。層序厚度為28.05～103.91 m，總體來看層序厚度較SQ1來說相對(duì)較小。地層厚度在靠近石頭梅凸起處298-5井達(dá)到最高，其在350-4井及靠近山前處相對(duì)較薄。

在SQ2中主要發(fā)育的沉積相為湖泊相及辮狀河三角洲相。在SQ2期，三角洲朵體較SQ1有了較大的變化，由于其物緣的充足，靠近石頭梅凸起附近朵體擴(kuò)大。從298-5井發(fā)育有大套中砂巖粗砂巖的辮狀河沉積，向東南方向盆地中心塘參1井附近粒度逐漸變細(xì)過渡為湖泊相沉積。靠近凹陷東南部由此前SQ1發(fā)育的大型辮狀河三角洲多以退縮消失，在SQ2期以湖泊相沉積為主。主要物緣來自于東北沖斷隆起帶，與SQ1期相似。另外一個(gè)物緣來自石頭梅凸起方向(圖6(b))。

圖4 三塘湖盆地條湖凹陷西山窯組三級(jí)層序地層厚度Fig.4 Map of the stratigraphic thickness in third-order sequence of the Xishanyao formation in Santanghu basin

圖5 三塘湖盆地條湖凹陷西山窯組三級(jí)層序地層砂泥比等值線Fig.5 Contour map of (sandstone+conglomerate)/(mudstone+siltstone) in third-order sequence of the Xishanyao formation in Santanghu basin

圖6 三塘湖盆地條湖凹陷西山窯組三級(jí)層序沉積相及煤層厚度Fig.6 Paleogeographic and contour map of total seams thickness in third-order sequences of the Xishanyao formation in Santanghu basin

圖7 西山窯組各層序總煤層厚與砂泥比對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.7 Correspondences betweenthe thickness of the coal and (sandstone+conglomerate)/(mudstone+siltstone) in third-order sequences of the Xishanyao formation

3.3 SQ3

SQ3在凹陷全區(qū)發(fā)育，頂界為西山窯組與上覆地層頭屯河組的微角度不整合面。層序厚度在318-2井附近達(dá)到最大值為177.65 m，在靠近條2井附近厚度最小為29.0 m(圖4(c))。從全區(qū)總體來看，層序在凹陷中心厚度最大，且向凹陷邊緣地層厚度逐漸減薄。SQ3主要發(fā)育的沉積相主要為湖泊相，辮狀河三角洲相及辮狀河相(圖6(c))。相較于SQ2中350-4井及條6井附近所形成的大面積三角洲沉積，SQ3時(shí)期此朵體進(jìn)一步退縮。在條6井中該時(shí)期主要沉積相轉(zhuǎn)變?yōu)樯詈喑练e，具有較低的含砂率及大套的泥巖沉積。在298-5井附近來自石頭梅方向的物緣供給充足，在石頭梅凸起前形成大規(guī)模的三角洲朵體。大的物緣方向與SQ2相似，一為350-1井附近來自三塘湖盆地東北沖斷隆起帶，二為來自石頭梅凸起方向。

4 聚煤規(guī)律分析

煤是由古代植物經(jīng)過復(fù)雜的生物化學(xué)作用、物理化學(xué)作用和地球化學(xué)作用轉(zhuǎn)變而成的固體有機(jī)可燃礦產(chǎn)。沼澤中的泥炭是成煤的原始物質(zhì)，其需要在適宜的氣候、海(湖)平面變化、沉積古地理和構(gòu)造條件下堆積、保存才能進(jìn)一步成煤[31]。

煤層形成的基本條件為:成煤植物的生長、植物死亡后的堆積、埋藏和保存等因素。不同地區(qū)聚煤時(shí)期的沉積體系展布，物源供給、基底沉降、湖平面變化等因素對(duì)成煤植物的生長、埋藏、堆積的控制作用各不相同。

在陸相盆地中構(gòu)造活動(dòng)相對(duì)穩(wěn)定，氣候變化通過影響盆地和流域徑流深度以及植被發(fā)育程度，控制著湖水面變化與沉積物供給速率進(jìn)而導(dǎo)致盆地內(nèi)成煤泥炭地與陸源碎沉積體系的交替演化，是驅(qū)動(dòng)環(huán)境演化的重要因素[10]。關(guān)于新疆北部中侏羅世時(shí)總體環(huán)境以溫暖潮濕氣候?yàn)橹?，存在間歇性的半干旱環(huán)境，適宜植被發(fā)育，這也為大規(guī)模成煤提供了物質(zhì)基礎(chǔ)[32-34]。同時(shí)本次研究區(qū)域?yàn)橹匈_世燕山期，構(gòu)造相對(duì)穩(wěn)定未有大規(guī)模的構(gòu)造活動(dòng)，總體表現(xiàn)為穩(wěn)定的沉降[10,15]。在本次研究中起到重要控制作用的即為沉積環(huán)境和基準(zhǔn)面變化。同時(shí)基準(zhǔn)面的變化控制著可容納空間的相應(yīng)變化，進(jìn)而影響了地層疊置樣式即三級(jí)層序內(nèi)部體系域的發(fā)育特征。

4.1 沉積古地理對(duì)煤聚集的控制

西山窯期三塘湖盆地條湖凹陷沉積環(huán)境主要為沖積扇、辮狀河、辮狀河三角洲、湖泊。其中辮狀河三角洲又可分出前三角洲、三角洲前緣、下三角洲平原和上三角洲平原，湖泊分為濱淺湖和深湖-半深湖組成。在不同的層序單元中，聚煤中心隨著古地理環(huán)境的變化而發(fā)生改變。

在SQ1中聚煤中心主要位于凹陷東南部的條6井附近，最大煤層厚度達(dá)到了16 m以上。由沉積相圖可知，聚煤中心沿三角洲朵體邊緣呈條狀分布，并向盆緣和湖中心兩方逐漸變薄。主要沉積環(huán)境為三角洲前緣和平原相沉積(圖6(a))。

在SQ2中聚煤中心位于條6井附近，最大煤層厚度達(dá)到18 m。煤層分布于盆地中心三角洲大型朵體的西部。主題煤層主要發(fā)育于濱淺湖相，三角洲前緣及下三角洲平原。此外在318-2井附近也有小型的聚煤中心，這是由于三角洲朵體間湖灣沉積形成了大量的泥炭堆積(圖6(b))。

在SQ3中聚煤中心主要位于塘參1井附近，最大煤層厚度約28 m。厚煤層發(fā)育于兩個(gè)朵體的過渡部分，主要厚煤層發(fā)育于濱淺湖，前三角洲相沉積。在318-2及338-6井周圍都有較厚的煤層，這是由于湖灣環(huán)境利于泥炭沼澤的聚集(圖6(c))。

為探討沉積環(huán)境與煤的聚集關(guān)系，將各層序煤層厚度與層序砂泥比繪制散點(diǎn)圖，如圖7所示。由圖7可看出,SQ1，SQ2和SQ3期煤層厚度與砂泥比對(duì)應(yīng)關(guān)系特征相似。即在砂泥比大于2.0和小于0.4的區(qū)間，總煤層厚度較小。而在砂泥比大于0.4和小于2.0的區(qū)間，總煤層厚度較高，并在砂泥比為0.9和1.6左右時(shí)出現(xiàn)峰值。

在研究區(qū)內(nèi)沉積體系的平面展布對(duì)聚煤影響很大。當(dāng)砂泥比大于2.0時(shí)，代表了辮狀河及沖積扇沉積。期間水動(dòng)力過強(qiáng)，總體發(fā)育以粗粒沉積為主，這種環(huán)境都不利于泥炭的形成和積累，所以在砂泥比值大于0.6后，總煤層厚度較小，少量薄層煤發(fā)育。當(dāng)砂泥比值小于0.4時(shí)，地層主要為泥巖沉積，沉積環(huán)境為深湖-半深湖，水體深度過大，不利于植物的生長，無法形成大范圍的厚煤層，僅有局部產(chǎn)生薄煤層。砂泥比值在0.4～2.0主要為濱淺湖-三角洲平原相環(huán)境，水動(dòng)力條件和水體深度適宜，極有利于泥炭的富集和保存。其中砂泥比值0.8～1.2為三角前緣相沉積，砂泥比值為1.6時(shí)為上三角洲平原下三角洲交界處，在附近總煤層厚度呈現(xiàn)較高的值，可見處于盆緣和盆中心之間的濱淺湖-三角洲平原環(huán)境是煤炭發(fā)育的最佳場(chǎng)所，其中在三角洲前緣及上下三角洲平原的接觸界面處可能有范圍性的厚層煤發(fā)育。

條湖凹陷中侏羅統(tǒng)含煤巖系西山窯組主要為濱淺湖-辮狀河三角洲環(huán)境，三角洲平原上沼澤發(fā)育廣泛，盆地基底的持續(xù)沉降為煤層的形成提供了良好的保存條件[35]。

4.2 層序內(nèi)部體系域?qū)γ壕奂目刂?/h3>

在層序地層模型中，基準(zhǔn)面對(duì)地層沉積樣式有著重要控制作用，同時(shí)也影響著煤的形成。在格架內(nèi)，可以建立煤層幾何形態(tài)和厚度預(yù)測(cè)模型[3-4,36-37]。此外層序地層對(duì)煤巖煤化特征也有重要影響[38-42]。

通過統(tǒng)計(jì)各井所發(fā)育煤層的厚度及在層序內(nèi)部相對(duì)位置，在基準(zhǔn)面曲線上繪制散點(diǎn)圖(圖8)。在低位體系域內(nèi)部，基準(zhǔn)面處于強(qiáng)制性湖退期及低位水位正常湖退期，可容納空間增長率小，SQ1，SQ2，SQ3中基本沒有煤層的發(fā)育，僅有少量的薄且分布范圍小的煤層。

圖8 層序格架下可容納空間所控制的煤層分布示意Fig.8 Relationship between base level changes and coal geometry-and-thickness during the third-order sequences

在湖擴(kuò)體系域期間，通過圖8(a)中煤層厚度在層序內(nèi)部相對(duì)位置的投點(diǎn)可以看出，煤層厚度在湖擴(kuò)體系域呈現(xiàn)相對(duì)對(duì)稱的分布，在靠近初始湖泛面和最大湖泛面附近有多層厚層狀煤分布。而中間則發(fā)現(xiàn)煤層含量較薄，因此依據(jù)投點(diǎn)圖將湖擴(kuò)體系域分為了早中晚3個(gè)時(shí)期。在湖擴(kuò)體系域初期，有多煤層發(fā)育，很多煤層厚度大于5 m?；鶞?zhǔn)面上升速度加快，可容納空間的增長速率等于或略大于泥炭的堆積速率，因而利于泥炭的堆積和保存。在湖擴(kuò)體系域中期，可以發(fā)現(xiàn)煤層厚度有明顯的降低?？赡苡捎诤目焖僭鲩L導(dǎo)致泥炭層被淹沒，阻礙泥炭的長時(shí)間持續(xù)堆積，因而僅能形成多層薄煤層。在湖擴(kuò)體系域后期，在SQ1，SQ2和SQ3中煤層厚度相較湖擴(kuò)域中期煤層厚度有很大的提升?？扇菁{空間的增長速率又一次等于或略小于泥炭的堆積，因而和湖擴(kuò)體系域初期相似形成厚而廣的煤層。

在高位體系域期，各井煤層厚度總體都較薄，地層呈現(xiàn)向沉積中心進(jìn)積型疊置樣式，較高的水深和來自東北沖斷隆起帶的沉積物供給都會(huì)導(dǎo)致該時(shí)期煤層相對(duì)較薄，但總體較低位體系域還是有多層煤發(fā)育。

4.3 聚煤模型總結(jié)

基于本文所做的層序地層分析、在層序地層格架下所進(jìn)行的古地理環(huán)境分析以及對(duì)聚煤影響因素的探討，綜合總結(jié)一個(gè)層序格架下的聚煤模型(圖9)。通過可容納空間的變化對(duì)煤層幾何分布及厚度的影響，將一個(gè)三級(jí)層序分為5個(gè)聚煤階段。

圖9 條湖凹陷西山窯組層序內(nèi)部聚煤過程Fig.9 Schematic diagram showing the accumulation progress of the coal seams in the third-order sequence of the Xishanyao formation in Tiaohu sag

低位體系域時(shí)期(LST)總體可容納空間較低，以粗粒的沉積物為主。在低位體系域早期，處于基準(zhǔn)面下降階段。在陸上地區(qū)沉積通常可見河道下切谷，對(duì)下伏地層有著強(qiáng)烈的剝蝕，由于基準(zhǔn)面下降的緣故，局部盡管有泥炭沼澤的形成，但不易保存，很少有聚煤的生成。在低位體系域晚期，基準(zhǔn)面已經(jīng)開始回升，但是由于總體基準(zhǔn)面上升速率依舊小于沉積物的堆積速率，整個(gè)水下部分依舊以一套進(jìn)積的疊置為主，可容納空間很低，泥炭無法有效的保存。在整個(gè)低位體系域時(shí)期，僅有一些薄且分布范圍小的煤層發(fā)育(圖9(e))。

湖擴(kuò)體系域初期，基準(zhǔn)面上升速度開始加快，可容納空間增長速率也隨之加快，沉積物不斷向陸地方向遷移，以退積型的疊置樣式為特點(diǎn)。由于水平面的迅速上升，形成大范圍的三角洲前緣相沉積。其可容納空間的增長速率與泥炭的堆積速率相對(duì)保持平衡，在這種背景下有利于泥炭沼澤堆積和保存，容易形成厚煤層。因此在該時(shí)期三角洲前緣和平原上有益于厚層且分布范圍廣的煤層生成(圖9(d))。

湖擴(kuò)體系域中期，基準(zhǔn)面的上升速率過快。當(dāng)基準(zhǔn)面上升過快所導(dǎo)致的可容納空間的增長速率大于泥炭的堆積速率，則會(huì)導(dǎo)致泥炭沼澤被湖水淹沒，阻礙泥炭層的進(jìn)一步積累。因此通常在這種環(huán)境中形成的煤一般較薄且連續(xù)性較差(圖9(c))。

在湖擴(kuò)體系域晚期，總體基準(zhǔn)面仍然持續(xù)上升，但是基準(zhǔn)面上升所形成的可容納空間增長速率等于或略小于泥炭的堆積速率，兩者保持相對(duì)平衡。濱岸線向陸地方向進(jìn)一步延伸，多發(fā)育三角洲前緣相。在三角洲平原相由于地下水位的增長，大量成煤植物生長，為成煤提供原始物質(zhì)基礎(chǔ)。在這種背景下有利于泥炭的富集，而形成厚而廣的煤層(圖9(b))。

在高位體系域時(shí)期，基準(zhǔn)面上升速率小于沉積物堆積速率，總體地層疊置樣式為加積和前積。高水位導(dǎo)致其沉積以三角洲前緣相和前三角洲相為主。在高位體系域時(shí)期，三角洲平原和前緣相仍然可能有很好的泥炭沼澤沉積，但是高沉積物的注入可能導(dǎo)致泥炭積累被間歇性的破壞，從而僅有一些薄層的煤層發(fā)育而無法形成較厚層狀的煤層(圖9(a))。

前人對(duì)煤層發(fā)育規(guī)律進(jìn)行了大量的總結(jié)和歸納，但在山間陸相盆地背景下的分析較少，相較于海相盆地中高位體系域發(fā)育的大規(guī)模聚煤[5-6]，在此次研究中高位體系域所形成煤層多較薄。這可能是由于在陸相盆地中靠近物源近短期聚煤環(huán)境易被打斷。

5 結(jié) 論

(1)通過對(duì)三塘湖盆地條湖凹陷西山窯組層序地層的研究，識(shí)別出重要層序界面及初始湖泛面和最大湖泛面。將中侏羅西山窯組地層分為3個(gè)三級(jí)層序，分別為SQ1，SQ2，SQ3，并在層序內(nèi)部識(shí)別出低位體系域，湖擴(kuò)體系域及高位體系域。

(2)統(tǒng)計(jì)條湖凹陷巖性，繪制砂泥比等值線，層序地層厚度圖等，綜合恢復(fù)三塘湖盆地中侏羅統(tǒng)西山窯期在三級(jí)層序格架下的巖相古地理。在西山窯期，盆地內(nèi)發(fā)育的沉積相單元有辮狀河、沖積扇、辮狀河三角洲和湖泊沉積。在3個(gè)層序中沉積相都會(huì)發(fā)生不同的遷移，三角洲朵體也發(fā)生變化。

(3)通過分析條湖凹陷內(nèi)巖相古地理和煤層厚度等值線疊合圖以及各層序煤層厚度與砂泥比值的散點(diǎn)圖可知，凹陷聚煤主要的形成環(huán)境為濱淺湖到三角洲平原相沉積。在各個(gè)層序中聚煤環(huán)境略有不同，SQ1層序聚煤主要形成于三角洲前緣和平原相沉積，SQ2層序中聚煤主要形成于濱淺湖相，三角洲前緣及下三角洲平原，而SQ3沉積則主要為濱淺湖，前三角洲及湖灣沉積。

(4)可容納空間增加速率與泥炭的堆積速率之間的相對(duì)關(guān)系對(duì)泥炭的聚集和保存有著重要的控制作用。在已建立好的西山窯組層序格架下分析煤的形成位置，將煤層厚度與層序內(nèi)部體系域和基準(zhǔn)面升降曲線相結(jié)合，可以發(fā)現(xiàn)在湖擴(kuò)體系域早期和湖擴(kuò)體系域晚期，可容納空間增長與泥炭堆積速率保持平衡，在三角洲平原和三角洲前緣處有厚且廣的煤層。而在湖擴(kuò)體系域中期由于基準(zhǔn)面的增長速度過快造成泥炭層被淹沒無法形成厚的煤層。在高位體系域期則由于總體地層為進(jìn)積的特點(diǎn)，受物緣沉積物的影響所形成的煤層也總體較薄。在低位體系域期則由于總體處于剝蝕狀態(tài)很少有聚煤產(chǎn)生。通過分析總結(jié)出三塘湖聚煤模式，將層序內(nèi)部劃分為5個(gè)不同部分，并系統(tǒng)分析了各階段的聚煤特征?？傮w上工業(yè)性的煤層多發(fā)生于湖擴(kuò)體系域早期和晚期。