陸表海背景下障壁海岸體系沉積層序及聚煤模式——以渤海灣地區(qū)晚古生代太原組為例

常 嘉，陳世悅，王 瓊，蒲秀剛，楊懷宇

陸表海背景下障壁海岸體系沉積層序及聚煤模式——以渤海灣地區(qū)晚古生代太原組為例

常 嘉1，陳世悅1，王 瓊2，蒲秀剛3，楊懷宇4

(1. 中國(guó)石油大學(xué)(華東) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266580；2.山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局第三地質(zhì)大隊(duì)，山東 煙臺(tái) 264003；3. 中國(guó)石油大港油田公司，天津 300280；4.中國(guó)石化勝利油田勘探開(kāi)發(fā)研究院，山東 東營(yíng) 257015)

渤海灣地區(qū)位于華北板塊東部，是我國(guó)重要的煤炭產(chǎn)區(qū)，晚古生代發(fā)育多套可供工業(yè)開(kāi)采的煤層，其中以陸表海背景下發(fā)育的海相煤層分布范圍最廣。為研究陸表海背景下障壁海岸體系沉積層序及聚煤模式，本文以渤海灣地區(qū)晚古生代太原組為研究對(duì)象，結(jié)合鉆井及野外剖面資料，對(duì)該地區(qū)展開(kāi)沉積學(xué)及層序地層學(xué)研究。在識(shí)別巖性及沉積相基礎(chǔ)上，開(kāi)展層序地層研究，在層序地層格架內(nèi)揭示障壁海岸體系聚煤模式。太原組巖性以黃褐色、灰黑色泥巖及黃綠色、灰白色砂巖為主，夾數(shù)層海相灰?guī)r及煤層。沉積相類型主要為潮坪相、潟湖相、障壁島相及臺(tái)地相。在障壁海岸體系背景下，基準(zhǔn)面與沉積界面基本一致，層序界面多為沉積界面。根據(jù)沉積相轉(zhuǎn)換面與下切谷沖刷面兩類不整合面(SU)以及海侵方向轉(zhuǎn)換面(TDS)可將太原組劃分為3個(gè)三級(jí)層序Sq1、Sq2及Sq3。通過(guò)最大海泛面(MFS)與最大海退面(MRS)將三級(jí)層序劃分為低位體系域、海侵體系域及高位體系域 3個(gè)體系域，代表8個(gè)四級(jí)層序。Sq1時(shí)期，盆地內(nèi)部地區(qū)未能提供穩(wěn)定聚煤環(huán)境，煤層發(fā)育厚度較薄。Sq2時(shí)期，海平面升降對(duì)盆地內(nèi)部影響增大，聚煤作用達(dá)到頂峰，煤層整體厚度增加并連接成片。Sq3時(shí)期，聚煤作用相對(duì)減弱，聚煤中心分布范圍收縮，且孤立發(fā)育。統(tǒng)計(jì)鉆井資料中煤層累積厚度可知，厚煤層發(fā)育主要集中在冀中坳陷東部、黃驊坳陷及濟(jì)陽(yáng)坳陷等地區(qū)。將研究區(qū)太原組聚煤模式劃分為L(zhǎng)ST、TST早期、TST中期、TST晚期及HST五期演化過(guò)程。受可容空間增長(zhǎng)速率及泥炭堆積速率的控制，泥炭坪及潟湖為有利聚煤中心。

障壁海岸體系；層序地層；聚煤模式；渤海灣地區(qū)；晚古生代

晚古生代時(shí)期華北板塊屬于大型陸表?？死ㄅ璧豙1]，具有基底平坦、構(gòu)造活動(dòng)微弱、沉降速率緩慢、物源供給穩(wěn)定等特點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者從不同角度對(duì)障壁海岸體系的沉積特征體系[2-3]及巖相古地理[4-5]等方面進(jìn)行過(guò)詳細(xì)研究。該盆地類型與內(nèi)部煤層之間的潛在聯(lián)系受到學(xué)者關(guān)注，指出在障壁海岸體系中，聚煤作用受基準(zhǔn)面影響[6-8]，煤層主要發(fā)育在潮坪及潟湖地區(qū)[9-11]，并認(rèn)識(shí)到聚煤作用與層序地層格架間的內(nèi)在聯(lián)系，但對(duì)該體系中可容空間變化對(duì)聚煤的控制作用研究較少見(jiàn)。從構(gòu)造背景看，作為華北板塊的重要組成部分，渤海灣地區(qū)在晚古生代處于板塊陸–陸碰撞階段，受南北兩側(cè)大洋盆地開(kāi)合旋回控制[12-14]，形成了渤海灣地區(qū)獨(dú)特的克拉通盆地演化過(guò)程。晚古生代時(shí)期經(jīng)歷由海相–海陸過(guò)渡相–陸相的變遷過(guò)程，太原組主要發(fā)育障壁海岸體系，是陸表海背景下的特殊沉積組合，可作為研究華北地區(qū)古地理環(huán)境及聚煤模式的重要場(chǎng)所。筆者以渤海灣地區(qū)晚古生代太原組為研究對(duì)象，在研究地層特征及沉積相類型的基礎(chǔ)上，開(kāi)展層序地層研究，識(shí)別層序界面，建立層序地層格架，研究煤層的發(fā)育特征以及聚煤模式，豐富聚煤理論體系。

1 研究區(qū)地質(zhì)背景

1.1 研究區(qū)地理位置

渤海灣盆地是在早白堊世被動(dòng)裂陷盆地基礎(chǔ)上發(fā)育起來(lái)的新生代主動(dòng)裂陷盆地[15]，是華北克拉通東部的重要構(gòu)造單元與油氣富集盆地。西、北兩側(cè)分別以太行山脈與燕山褶皺帶為界，東、南兩側(cè)分別與膠東隆起、遼東隆起以及魯西隆起接壤[16](圖1)。內(nèi)部主要發(fā)育黃驊坳陷、冀中坳陷、濟(jì)陽(yáng)坳陷、東濮坳陷與臨清坳陷等。

1.2 太原組地層發(fā)育特征

太原組整體以黃褐色、灰黑色泥巖及黃綠色、灰白色砂巖為主，夾有數(shù)層海相灰?guī)r及煤層(圖2)。以古坡度突變?yōu)榉纸琰c(diǎn)，將太原組劃分為上、下兩段。下段底部巖性以厚層中–細(xì)砂巖(圖3a)為主，全區(qū)穩(wěn)定分布，發(fā)育板狀交錯(cuò)層理及槽狀交錯(cuò)層理；向上過(guò)渡為灰黑色泥巖夾煤層。上段底部以粉砂質(zhì)泥巖夾數(shù)層薄層海相灰?guī)r(圖3b)為主，向上過(guò)渡為灰黑色泥巖夾煤層(圖3c)；中部以數(shù)層厚層中砂巖及灰黑色泥巖為主，灰?guī)r層數(shù)的增多反映海侵次數(shù)的增加，但灰?guī)r厚度較薄、延伸性較差。砂巖中可見(jiàn)植物莖稈化石(圖3d)，發(fā)育板狀交錯(cuò)層理，泥巖中串珠狀菱鐵礦結(jié)核成層分布(圖3e)。上部發(fā)育厚層泥巖(圖3f)，頂部為暗色泥巖夾煤層(圖3g)。

沉積相類型主要為潮坪相、潟湖相、障壁島相以及臺(tái)地相。潮坪相為太原組時(shí)期發(fā)育最普遍的沉積相。包括泥坪、混合坪、砂坪、泥炭坪以及潮汐水道等亞相，泥坪發(fā)育厚層黃褐色泥巖，層理類型以水平層理及緩波狀層理(圖3h)為主，夾薄層透鏡狀砂質(zhì)條帶，屬于小型潮溝沖刷所致?；旌掀阂员由澳鄮r互層為主，發(fā)育波狀層理。砂坪規(guī)模較小，沉積物受潮汐水流的影響，一般由較純凈的砂組成，發(fā)育有代表水動(dòng)力增強(qiáng)的脈狀層理以及低角度楔狀交錯(cuò)層理等。泥炭坪為潮坪相中發(fā)育煤的場(chǎng)所。潮汐水道砂體為正粒序結(jié)構(gòu)，底部巖性以中—粗砂巖為主，向上逐漸過(guò)渡為細(xì)砂巖，形態(tài)上呈“頂平底凸”的透鏡體(圖3i)，常以復(fù)數(shù)砂體疊置出現(xiàn)，層理類型以不明顯的羽狀交錯(cuò)層理(圖3j)及板狀交錯(cuò)層理為主，底部發(fā)育沖刷面。潟湖相發(fā)育在較深水體覆蓋的地區(qū)，以厚層暗色泥巖為主，可見(jiàn)指示還原環(huán)境的菱鐵礦結(jié)核。障壁島相為太原組中砂質(zhì)沉積最為集中的地區(qū)，形態(tài)上呈“底平頂凸”的大型透鏡體(圖3k)，砂巖成分成熟度和結(jié)構(gòu)成熟度均較高。太原組中海相沉積主要為局限臺(tái)地亞相，巖性以薄層泥晶灰?guī)r為主(圖3l)。整體上太原組表現(xiàn)為長(zhǎng)期受海水影響的陸表海沉積，沉積相間的過(guò)渡變化受控于海平面的周期性升降。

圖1 渤海灣地區(qū)區(qū)域構(gòu)造

2 聚煤環(huán)境類型

根據(jù)煤層發(fā)育位置以及上下相鄰地層的組合關(guān)系，將聚煤環(huán)境劃分為泥炭坪與潟湖2種類型。

2.1 泥炭坪

泥炭坪是渤海灣地區(qū)晚古生代重要成煤環(huán)境，屬海相成煤環(huán)境。因含煤地層序列的差異性，可將泥炭坪細(xì)分為潮坪泥炭坪與島后泥炭坪。

潮坪泥炭坪發(fā)育在潮坪的潮上部分，水介質(zhì)條件屬于弱氧化–弱還原的咸水–半咸水。泥炭坪中生長(zhǎng)的植物主要為紅樹(shù)或類似紅樹(shù)生態(tài)的潮汐適鹽植物[17]，由于植被繁盛，陸源碎屑物質(zhì)供應(yīng)能力減弱，有機(jī)質(zhì)大量堆積，最終可形成大面積的泥炭淤積，為聚煤作用提供物質(zhì)基礎(chǔ)。島后泥炭坪位于障壁島后側(cè)，與障壁島呈伴生狀態(tài)，巖性序列上常發(fā)育在障壁島砂體上部，其形成過(guò)程為潟湖向障壁島方向水深逐漸變淺，緊鄰障壁島位置水體覆蓋最淺，成煤植物發(fā)育(圖4a)。植物死后遺體轉(zhuǎn)化為泥炭，形成數(shù)個(gè)小型泥炭坪(圖4b)。泥炭坪發(fā)育規(guī)模逐漸擴(kuò)大，最終連為一片(圖4c)。期間泥炭持續(xù)轉(zhuǎn)化為煤層，隨著海平面的不斷上升，以及細(xì)–粉砂級(jí)陸源碎屑的注入，煤層逐漸被埋藏，最終形成島后泥炭坪(圖4d)。由于障壁島砂體分布相對(duì)狹長(zhǎng)，因此島后泥炭坪發(fā)育的煤層厚度一般較小，且混有一定程度的砂質(zhì)沉積。

圖2 渤海灣地區(qū)晚古生代太原組巖性特征

2.2 潟湖

潟湖與外海隔離后，水介質(zhì)運(yùn)動(dòng)微弱，可形成穩(wěn)定沉積環(huán)境，以沉積厚層暗色泥巖為主。潟湖泥炭坪發(fā)育于潟湖靠陸一側(cè)的潮坪區(qū)，厚度差異較大，當(dāng)潮汐水動(dòng)力較弱時(shí)，潟湖水體邊緣過(guò)渡為潟湖泥炭坪，可發(fā)育一定厚度的煤層，當(dāng)潮汐水動(dòng)力增強(qiáng)時(shí)，潟湖水體深度增大，潟湖泥炭坪消失，并沉積厚層暗色泥巖。垂向序列上常顯示為厚層暗色泥巖中夾有厚度不等的煤層。

3 層序地層格架

3.1 準(zhǔn)層序界面的識(shí)別

根據(jù)基準(zhǔn)面與沉積界面間關(guān)系及層序邊界不整合類型，將層序劃分為Ⅰ型和Ⅱ型準(zhǔn)層序2種類型[18-19]。當(dāng)基準(zhǔn)面略高于沉積界面時(shí)，準(zhǔn)層序界面為海泛面，代表潟湖—潮坪相沉積，形成Ⅰ型準(zhǔn)層序。準(zhǔn)層序底界面多以海相灰?guī)r底板為主，向上至暗色泥巖或煤層頂面，代表基準(zhǔn)面變化幅度較小、海平面處于較穩(wěn)定階段。當(dāng)基準(zhǔn)面與沉積界面基本一致時(shí)，準(zhǔn)層序界面為暴露沉積間斷面或暴露侵蝕面，代表障壁島—潮坪相沉積，形成Ⅱ型準(zhǔn)層序。準(zhǔn)層序底界面多以沖刷面等不整合面為主，由于海平面持續(xù)上升，盆地被海水覆蓋，聚煤作用逐漸減弱至終止，海相灰?guī)r發(fā)育，形成臺(tái)地沉積。本次研究共識(shí)別出不整合面、最大海泛面、最大海退面以及海侵方向轉(zhuǎn)換面4種層序界面。

a.厚層中–細(xì)砂巖，北京潭柘寺剖面；b.薄層海相灰?guī)r，淄博博山剖面；c.灰黑色泥巖夾煤層，秦皇島石門寨剖面；d. 植物莖干化石，淄博博山剖面；e. 菱鐵礦結(jié)核成層分布，淄博博山剖面；f. 厚層暗色泥巖，表面因長(zhǎng)期風(fēng)化淋濾呈灰綠色，秦皇島石門寨剖面；g. 暗色泥巖夾煤層，淄博博山剖面；h. 黃褐色泥巖，發(fā)育緩波狀層理，秦皇島石門寨剖面；i. 潮汐水道，砂體形態(tài)為“頂平底凸”透鏡體，底部發(fā)育沖刷面，淄博博山剖面；j. 潮汐水道，發(fā)育不明顯的羽狀交錯(cuò)層理，淄博博山剖面；k. 障壁島，砂體形態(tài)為“底平頂凸”透鏡體，淄博博山剖面；l. 局限臺(tái)地，薄層泥晶灰?guī)r，淄博博山剖面

3.1.1 不整合面(SU)

研究區(qū)共識(shí)別出2種不整合面，包括下切谷沖刷面與沉積體系轉(zhuǎn)換面。

下切谷沖刷面形成于基準(zhǔn)面下降期，引起強(qiáng)制海退。盆地內(nèi)古地形坡度較緩，極小幅度的海平面變化均可引起區(qū)域性海岸線變化[20]。盆地邊緣河流下切作用顯著加強(qiáng)，河道沖刷下覆地層，沉積記錄表現(xiàn)為地層缺失，僅保留不整合面，不整合面之上沉積河道砂體。太原組底部發(fā)育潮汐水道砂體，砂體沖刷本溪組地層，該界面可作為三級(jí)層序界面Sb1，中部發(fā)育厚層砂體，該界面可作為三級(jí)層序界面Sb3。

不同沉積體系轉(zhuǎn)換界面也可作為層序界面，多表現(xiàn)為巖性與顏色突變。在研究區(qū)內(nèi)，太原組發(fā)育堡島—臺(tái)地沉積體系，頂部為潟湖相暗色泥巖。山西組發(fā)育淺水三角洲沉積體系，底部發(fā)育灰黃色砂巖，該界面可作為層序界面Sb4。

3.1.2 最大海泛面(MFS)

即一個(gè)基準(zhǔn)面旋回內(nèi)基準(zhǔn)面抬升速率與可容空間增加速率達(dá)到最大，水體最深時(shí)形成的沉積面，代表海侵范圍最大時(shí)形成的界面，也反映水體最深時(shí)巖石單元底面[21]。由陸源沉積場(chǎng)所向陸遷移時(shí)海進(jìn)過(guò)程中海侵達(dá)到最大時(shí)形成，并被海退期間上覆進(jìn)積傾斜沉積體所掩埋[22]，形成于海侵末期，代表一定時(shí)間內(nèi)相對(duì)海平面的最高位置。本次研究將灰?guī)r底面定為最大海泛面。

圖4 島后泥炭坪發(fā)育過(guò)程(據(jù)文獻(xiàn)[18]，修改)

3.1.3 最大海退面(MRS)

海平面由下降至上升的轉(zhuǎn)換面，形成于正常海退末期，表示基準(zhǔn)面上升期沉積濱線坡折帶附近基準(zhǔn)面上升速率與沉積物供給速率一致時(shí)的等時(shí)面[23]，代表一定時(shí)間內(nèi)相對(duì)海平面的最低位置，由于基準(zhǔn)面相對(duì)開(kāi)始下降，不管沉積物供給速率如何，均造成海岸線向海方向遷移[24]，即大量碎屑物質(zhì)進(jìn)入盆地沉降，因此將厚層砂巖頂面定為最大海退面，多為與細(xì)粒沉積接觸的突變面。

3.1.4 海侵方向轉(zhuǎn)換面(TDS)

晚石炭世末期，華北板塊北部與西伯利亞板塊碰撞，發(fā)生“翹板式”運(yùn)動(dòng)[25]，地勢(shì)由“南隆北傾”轉(zhuǎn)變?yōu)椤氨甭∧蟽A”[26-29]，北部地勢(shì)抬升，南部地勢(shì)相對(duì)變低，海侵由北東向轉(zhuǎn)變?yōu)槟蠔|向，該界面可作為三級(jí)層序界面Sb2。

3.2 層序格架的建立

太原組時(shí)期共識(shí)別3次區(qū)域性強(qiáng)制海退。第1次形成于太原組初期，海平面周期性下降導(dǎo)致海水由盆地北東部退出，碎屑物質(zhì)供應(yīng)能力加強(qiáng)，潮汐水道發(fā)育，砂體沖刷下覆地層，形成下切谷沖刷面，該界面為三級(jí)層序界面Sb1。晚石炭世末期，在構(gòu)造作用影響下，盆地地勢(shì)發(fā)生改變，被海水覆蓋的北部地區(qū)迅速暴露，該界面為三級(jí)層序界面Sb2。隨后第2次區(qū)域性強(qiáng)制海退形成的下切谷沖刷面為三級(jí)層序界面Sb3。太原組末期，構(gòu)造作用加劇導(dǎo)致海水由盆地東南部迅速退去，沉積環(huán)境由以障壁海岸體系為主的陸表海環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)橐詼\水三角洲體系為主的海陸過(guò)渡環(huán)境，河道沖刷太原組頂部的暗色泥巖形成沉積體系轉(zhuǎn)換面，該界面為三級(jí)層序界面Sb4。因此對(duì)研究區(qū)建立兩個(gè)方向的層序地層格架(NE—SW向、W—E向)(圖5、圖6)，總體上將太原組劃分為3個(gè)三級(jí)層序，由低位體系域(LST)、海侵體系域(TST)及高位體系域(HST)組成，每個(gè)體系域代表一個(gè)準(zhǔn)層序，共劃分為8個(gè)準(zhǔn)層序。研究區(qū)處于陸表海背景下，基準(zhǔn)面與沉積界面基本一致，層序界面多為沉積界面。

太原組時(shí)期為渤海灣地區(qū)晚古生代海侵作用最頻繁的階段，盆地長(zhǎng)期被海水覆蓋，因此太原組以海侵體系域及高位體系域?yàn)橹?。低位體系域主要為潮汐水道砂體沖刷下覆地層，形成下切谷沖刷面，以充填砂體為主，煤層不發(fā)育。海侵體系域主要發(fā)育障壁島、潮坪沉積，海平面持續(xù)穩(wěn)定上升，因此地層發(fā)育厚度較大，煤層發(fā)育層數(shù)多，厚度大。高位體系域主要發(fā)育臺(tái)地、潟湖沉積，較高的海平面導(dǎo)致煤層發(fā)育環(huán)境受限，以發(fā)育厚層暗色泥巖為主，煤層層數(shù)減少。Sq1時(shí)期，海侵方向位于盆地東北部，海平面升降使盆地北部地區(qū)覆水較深，煤層不發(fā)育，盆地南部地區(qū)影響極小，不能形成穩(wěn)定聚煤環(huán)境，煤層幾乎不發(fā)育，僅在盆地中部地區(qū)形成適合煤層發(fā)育的弱覆水環(huán)境，但煤層層數(shù)較少。Sq2時(shí)期，海侵方向轉(zhuǎn)為盆地南東部，海侵強(qiáng)度有所增加，頻繁的海平面升降使煤層發(fā)育規(guī)模增加，海侵體系域時(shí)期多與暗色泥巖互層發(fā)育，高位體系域時(shí)期海平面較高，聚煤作用減弱。盆地南部地區(qū)覆水較深，聚煤環(huán)境發(fā)育規(guī)模相對(duì)較小，煤層僅在海侵體系域發(fā)育，且層數(shù)極少，發(fā)育位置較為孤立，高位體系域幾乎不發(fā)育。Sq3時(shí)期，海侵體系域中煤層厚度增加，高位體系域中煤層厚度變化不大，但暗色泥巖厚度明顯增加。因此煤層只發(fā)育在Sq2與Sq3時(shí)期，Sq1時(shí)期煤層不甚發(fā)育。其中海侵體系域中發(fā)育煤層層數(shù)較多，且厚度最大，高位體系域中煤層發(fā)育層數(shù)及厚度相對(duì)較小，低位體系域中不發(fā)育煤層。

圖5 障壁海岸體系層序界面及準(zhǔn)層序特征(NE—SW向)

圖6 障壁海岸體系層序界面及準(zhǔn)層序特征(W—E向)

3.3 層序格架內(nèi)厚煤層分布特征

利用研究區(qū)內(nèi)近70口鉆井資料，統(tǒng)計(jì)渤海灣地區(qū)太原組煤厚，得到煤層厚度等值線，包括Sq1中的8、9號(hào)煤(圖7a)，Sq2中的6、7號(hào)煤(圖7b)及Sq3中的4、5號(hào)煤(圖7c)。

圖7 渤海灣地區(qū)不同時(shí)期太原組煤層厚度等值線

Sq1時(shí)期，8、9煤層厚度為1～3 m，最大厚度可達(dá)3 m以上，并發(fā)育有2個(gè)聚煤中心，位于黃驊坳陷北部地區(qū)及濟(jì)陽(yáng)坳陷東北部地區(qū)。Sq2時(shí)期，6、7號(hào)煤層厚度增大，厚度為2～8 m，發(fā)育有2個(gè)聚煤中心，主要聚煤中心位于冀中坳陷東部及黃驊坳陷中北部地區(qū)，最大厚度可達(dá)8 m以上，次級(jí)聚煤中心位于濟(jì)陽(yáng)坳陷地區(qū)，最大厚度在4 m左右，臨清坳陷發(fā)育有小型聚煤中心，分布范圍較狹窄，厚度在4 m左右。Sq3時(shí)期，4、5號(hào)煤層厚度在2～6 m之間，聚煤中心發(fā)育數(shù)量增加，但多為孤立發(fā)育，發(fā)育范圍較小，主要聚煤中心煤層最大厚度在6 m以上，分布在冀中坳陷東部、黃驊坳陷西南部及東濮凹陷地區(qū)，次級(jí)聚煤中心分布在黃驊坳陷東北部、濟(jì)陽(yáng)坳陷及臨清坳陷內(nèi)部地區(qū)，煤層最大厚度在4 m以上。

從發(fā)育時(shí)期來(lái)看，Sq1時(shí)期，盆地內(nèi)部地區(qū)未能提供穩(wěn)定聚煤環(huán)境，煤層發(fā)育厚度較薄，未能連接成片。Sq2時(shí)期，受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，海平面升降對(duì)盆地內(nèi)部影響增大，聚煤作用達(dá)到頂峰，煤層整體厚度增加并連接成片，并發(fā)育有大型聚煤中心。Sq3時(shí)期，聚煤作用相對(duì)減弱，聚煤中心分布范圍收縮，且孤立發(fā)育。從分布范圍來(lái)看，煤層主要集中發(fā)育在冀中坳陷東部地區(qū)，煤層總厚度15 m約以上，其次為黃驊坳陷地區(qū)，以東北部(最大厚度8 m)及西南部(最大厚度大于11 m)2個(gè)聚煤中心為主，濟(jì)陽(yáng)坳陷地區(qū)也發(fā)育有聚煤中心，煤層最大厚度8 m以上。

4 層序地層格架內(nèi)的可容空間變化規(guī)律及聚煤模式

成煤植物死后遺體埋藏于淺水環(huán)境中，并逐漸轉(zhuǎn)化為泥炭。煤層持續(xù)穩(wěn)定發(fā)育，可容空間必須保持穩(wěn)定增長(zhǎng)，且不能超過(guò)泥炭堆積速率[30-32]。若可容空間增長(zhǎng)過(guò)快，海平面上升導(dǎo)致聚煤環(huán)境遭到破壞，聚煤作用終止。若可容空間減小，海平面下降導(dǎo)致地表暴露，成煤植物無(wú)法存活，泥炭無(wú)法堆積。

不同沉積體系可容空間大小并不一致，障壁海岸體系中潟湖–潮坪沉積基準(zhǔn)面總體位于沉積界面之上，存在一定可容空間，適合煤炭發(fā)育。障壁島–潮坪沉積基準(zhǔn)面基本與沉積界面基本一致，未能提供足夠可容空間?？傮w上聚煤作用可分為以下6個(gè)過(guò)程(圖8)。

本溪組末期沉積頂面近似平整，隨后基準(zhǔn)面下降引起強(qiáng)制海退，潮汐水道砂體沖刷并侵蝕下覆地層，在地勢(shì)較低的下切谷中沉積，形成下切谷沖刷面，在地勢(shì)相對(duì)較高、沖刷程度較低的地區(qū)砂質(zhì)沉積較少。該時(shí)期沉積體系較為活躍，砂體沉積幾乎占據(jù)全部可容空間，基底處于暴露環(huán)境，成煤植物無(wú)法正常生長(zhǎng)，因此低位體系域時(shí)期無(wú)聚煤作用發(fā)生(T1)。在海侵體系域早期，基準(zhǔn)面處于上升狀態(tài)，可容空間增長(zhǎng)速率略大于基底沉降速率，受海侵作用影響，盆地內(nèi)部水深小幅度增加，并處于較淺水體覆蓋狀態(tài)，成煤植物在地勢(shì)低洼地區(qū)發(fā)育，形成煤層(T2)。在海侵體系域中期，基準(zhǔn)面上升速率達(dá)到最大，盆地覆水繼續(xù)變深，沉積體系逐漸萎縮，陸源碎屑無(wú)法進(jìn)入盆地，沉積體系廢棄，盆地內(nèi)部被厚層泥巖覆蓋。至海侵體系域中后期，基準(zhǔn)面上升速率略有下降，盆地內(nèi)水體深度保持相對(duì)穩(wěn)定，在低洼地區(qū)發(fā)育暗色泥巖(T3)。至海侵體系域晚期，基準(zhǔn)面上升速率趨于平穩(wěn)，盆地內(nèi)部大范圍區(qū)域被海水覆蓋，水體環(huán)境穩(wěn)定，加之溫暖濕潤(rùn)的古氣候以及穩(wěn)定的構(gòu)造環(huán)境，盆內(nèi)廣泛發(fā)育海相灰?guī)r(T4)。在高位體系域時(shí)期，由于較高的海平面及較大的可容空間，盆地內(nèi)部仍以沉積厚層泥巖為主。隨著海平面逐漸下降，陸源碎屑沉積體系逐步恢復(fù)，碎屑物質(zhì)以薄層砂巖透鏡體的形式沉積，仍處于較深水體覆蓋的地區(qū)發(fā)育有灰?guī)r透鏡體。在高位體系域晚期，海平面下降至弱覆水狀態(tài)，成煤植物存活，并發(fā)育煤層(T5)。隨后，基準(zhǔn)面繼續(xù)下降引起強(qiáng)制海退，潮汐水道砂體對(duì)底層泥巖與煤層進(jìn)行沖刷，形成新不整合面(新T1)。

圖8 障壁海岸體系可容空間變化與聚煤模式關(guān)系

在障壁海岸體系背景下，成煤植物首先發(fā)育在潟湖及泥炭坪等地區(qū)，該地區(qū)海平面上升速率與基底沉積速率基本一致，具備一定剩余可容空間以保證泥炭轉(zhuǎn)化為煤層。障壁島地區(qū)由于砂體堆積導(dǎo)致水體深度過(guò)淺，成煤植物發(fā)育規(guī)模較小，泥炭堆積速率明顯低于潟湖以及泥炭坪等地區(qū)。因此，在渤海灣地區(qū)太原組時(shí)期發(fā)育的障壁海岸體系中，受可容空間增長(zhǎng)速率及泥炭堆積速率的控制，泥炭坪與潟湖為有利聚煤中心。

5 結(jié)論

a. 渤海灣地區(qū)晚古生代太原組中發(fā)育的障壁海岸沉積體系中，共識(shí)別出下切谷沖刷面與沉積體系轉(zhuǎn)換面2類不整合面(SU)以及海侵方向轉(zhuǎn)換面(TDS)，并將太原組劃分為3個(gè)三級(jí)層序Sq1、Sq2及Sq3。最大海泛面(MFS)與最大海退面(MRS)將3級(jí)層序劃分為L(zhǎng)ST、TST及HST 3個(gè)體系域，代表8個(gè)4級(jí)層序。研究區(qū)處于陸表海背景下，基準(zhǔn)面與沉積界面基本一致，層序界面多為沉積界面。

b. Sq1時(shí)期，盆地內(nèi)部地區(qū)未能提供穩(wěn)定聚煤環(huán)境，煤層發(fā)育厚度較薄，未能連接成片。Sq2時(shí)期，受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，海平面升降對(duì)盆地內(nèi)部影響增大，聚煤作用達(dá)到頂峰，煤層整體厚度增加并連接成片，并發(fā)育有大型聚煤中心。Sq3時(shí)期，聚煤作用相對(duì)減弱，聚煤中心分布范圍收縮，且孤立發(fā)育。煤層主要集中發(fā)育在冀中坳陷東部、黃驊坳陷以及濟(jì)陽(yáng)坳陷等地區(qū)。

c. 在障壁海岸體系背景下，成煤植物首先發(fā)育在潟湖以及泥炭坪等地區(qū)，該地區(qū)海平面上升速率與基底沉積速率基本一致，具備一定剩余可容空間以保證泥炭轉(zhuǎn)化為煤層。障壁島地區(qū)由于砂體堆積導(dǎo)致水體深度過(guò)淺，成煤植物發(fā)育規(guī)模較小，泥炭堆積速率明顯低于潟湖及泥炭坪等地區(qū)?？扇菘臻g增長(zhǎng)速率及泥炭堆積速率為泥炭沉積的關(guān)鍵因素，聚煤中心位于可容空間相對(duì)較大的泥炭坪與潟湖環(huán)境。障壁海岸沉積背景下，聚煤模式可劃分為L(zhǎng)ST、TST早期、TST中期、TST晚期以及HST 5期演化過(guò)程。

[1] 韓德馨，楊起. 中國(guó)煤田地質(zhì)學(xué)：下冊(cè)[M]. 北京：煤炭工業(yè)出版社，1980.

HAN Dexin，YANG Qi. Coalfield geology of China(Volume 2) [M]. Beijing：China Coal Industry Publishing House，1980.

[2] 侯中帥，陳世悅，郭宇鑫，等. 華北中南部博山地區(qū)上古生界沉積相與沉積演化特征[J]. 沉積學(xué)報(bào)，2018，36(4)：731–742.

HOU Zhongshuai，CHEN Shiyue，GUO Yuxin，et al. Sedimentary facies and their evolution characteristics of Upper Paleozoic in Zibo Boshan area，central and southern region of north China[J]. Acta Sedimentologica Sinica，2018，36(4)：731–742.

[3] 鄢繼華，常嘉，陳世悅，等. 秦皇島地區(qū)上古生界沉積特征與沉積演化[J]. 古地理學(xué)報(bào)，2019，21(5)：743–756.

YAN Jihua，CHANG Jia，CHEN Shiyue，et al. Sedimentary characteristics and evolution of the Upper Paleozoic strata in Qinhuangdao area[J]. Journal of Palaeogeography，2019，21(5)：743–756.

[4] 魯靜，邵龍義，李文燦，等. 層序格架內(nèi)障壁海岸沉積體系古地理背景下聚煤作用[J]. 煤炭學(xué)報(bào)，2012，37(1)：78–85.

LU Jing，SHAO Longyi，LI Wencan，et al. Paleogeographic evolution and coal accumulation under sequence stratigraphic framework of a barrier coast[J]. Journal of China Coal Society，2012，37(1)：78–85.

[5] 朱利華. 古交楊莊勘探區(qū)晉祠組–太原組層序格架古地理演化及聚煤規(guī)律[D]. 徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2016.

ZHU Lihua. Palaoeogeographic evolution and coal accumulation pattern under a sequence stratigraphy framework study on Jinci-Taiyuan Formation in Yangzhuang，Gujiao[D]. Xuzhou：China University of Mining and Technology，2016.

[6] 李寶芳，溫顯端，李貴東. 華北石炭、二疊系高分辨層序地層分析[J]. 地學(xué)前緣，1999，6(S)：81–94.

LI Baofang，WEN Xianduan，LI Guidong. High resolution sequence stratigraphy analysis on the Permo-Carboniferous in north China platform[J]. Earth Science Frontiers，1999，6(S)：81–94.

[7] 李增學(xué)，魏久傳，韓美蓮. 魯西陸表海盆地高分辨率層序劃分與海侵過(guò)程成煤特點(diǎn)[J]. 沉積學(xué)報(bào)，2000，18(3)：362–368.

LI Zengxue，WEI Jiuchuan，HAN Meilian. The division of high-resolution sequences and the transgressive coal formation in the epicontinental basin of the western Shandong Province[J]. Acta Sedimentologica Sinica，2000，18(3)：362–368.

[8] 邵龍義，何志平，魯靜. 環(huán)渤海灣西部石炭系–二疊系層序地層及聚煤作用研究[M]. 北京：地質(zhì)出版社，2008.

SHAO Longyi，HE Zhiping，LU Jing. Sequence stratigraphy and coal accumulation of Carboniferous-Permian in the western Bohai bay basin[M]. Beijing：Geological Publishing House，2008.

[9] 桑樹(shù)勛，陳世悅，劉煥杰. 華北晚古生代成煤環(huán)境與成煤模式多樣性研究[J]. 地質(zhì)科學(xué)，2001，36(2)：212–221.

SANG Shuxun，CHEN Shiyue，LIU Huanjie. Study on diversity of Late Paleozoic coal-forming environments and models in north China[J]. Chinese Journal of Geology，2001，36(2)：212–221.

[10] 呂大煒，李增學(xué)，王東東，等. 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[J]. 沉積學(xué)報(bào)，2015，33(4)：633–640.

LYU Dawei，LI Zengxue，WANG Dongdong，et al. Discussion on micro-characteristics of transgressive event deposition and its coal-forming mechanism in the Late Paleozoic epicontinental sea basin of north China[J]. Acta Sedimentologica Sinica，2015，33(4)：633–640.

[11] 常嘉，陳世悅，鄢繼華. 淄博博山地區(qū)晚古生代煤系層序地層與聚煤作用[J]. 沉積學(xué)報(bào)，2019，37(5)：968-980.

CHANG Jia，CHEN Shiyue，YAN Jihua. Sequence stratigraphy and coal accumulation in Late Paleozoic coal-bearing strata in Zibo Boshan area[J]. Acta Sedimentologica Sinica，2019，37(5)：968–980.

[12] 徐備，陳斌. 內(nèi)蒙古北部華北板塊與西伯利亞板塊之間中古生代造山帶的結(jié)構(gòu)及演化[J]. 中國(guó)科學(xué)(D輯)，1997，27(3)：227–232.

XU Bei，CHEN Bin. Structure and evolution of the Mesozoic orogenic belt between north China plate and Siberian plate in northern Inner Mongolia[J]. Science in China(Series D)，1997，27(3)：227–232.

[13] 李益龍，周漢文，鐘增球，等. 華北與西伯利亞板塊的對(duì)接過(guò)程：來(lái)自西拉木倫縫合帶變形花崗巖鋯石LA–ICP–MS U–Pb年齡證據(jù)[J]. 地球科學(xué)，2009，34(6)：931–938.

LI Yilong，ZHOU Hanwen，ZHONG Zengqiu，et al. Collision processes of north China and Siberian plates：evidence from LA-ICP-MS Zirbon U-Pb age on deformed granite in Xar Moron Suture zone[J]. Earth Science，2009，34(6)：931–938.

[14] 孟慶鵬，賀元?jiǎng)P，張文，等. 華北板塊北緣古大洋閉合時(shí)間的限定：來(lái)自四子王旗西后壕子同碰撞花崗巖的證據(jù)[J]. 地質(zhì)通報(bào)，2013，32(11)：1749–1759.

MENG Qingpeng，HE Yuankai，ZHANG Wen，et al. Time constraints on the closure of the Paleo-Asian ocean on the northern margin of north China craton：evidence from Xihouhaozisyn-collisional granites in Siziwang Qi area[J]. Geological Bulletin of China，2013，32(11)：1749–1759.

[15] 李理，趙利，劉海劍，等. 渤海灣盆地晚中生代–新生代伸展和走滑構(gòu)造及深部背景[J]. 地質(zhì)科學(xué)，2015，50(2)：446–472.

LI Li，ZHAO Li，LIU Haijian，et al. Late Mesozoic to Cenozoic extension and strike slip structures and deep background of Bohai bay basin[J]. Chinese Journal of Geology，2015，50(2)：446–472.

[16] 徐守余，嚴(yán)科. 渤海灣盆地構(gòu)造體系與油氣分布[J]. 地質(zhì)力學(xué)學(xué)報(bào)，2005，11(3)：259–265.

XU Shouyu，YAN Ke. Structural system and hydrocarbon distribution in the Bohai gulf basin[J]. Journal of Geomechanics，2005，11(3)：259–265.

[17] 劉煥杰. 潮坪成煤環(huán)境初論：三匯壩地區(qū)晚二迭世龍?zhí)督M含煤建造沉積環(huán)境模式[J]. 中國(guó)礦業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，1982(2)：61–71.

LIU Huanjie. A Preliminary study of coal-forming environment of tidal flats：models of sedimentary environment of Upper Permian coal-bearing Longtan Formation in Sanhuiba[J]. Journal of China University of Mining and Technology，1982(2)：61–71.

[18] 李增學(xué)，呂大煒，劉海燕，等. 含煤系統(tǒng)理論體系及應(yīng)用[M]. 北京：科學(xué)出版社，2016.

LI Zengxue，LYU Dawei，LIU Haiyan，et al. The theory system and application of coal containing system[M]. Beijing：Science Press，2016.

[19] VAIL P R，AUDEMARD F，BOWMAN S. The stratigraphic signatures of tectonics，eustasy and sedimentology：cycles and events in stratigraphy[J]. AAPG Bulletin，1991，11(3)：617–659.

[20] 楊仁超. 鄂爾多斯盆地東部古生界沉積相與層序地層學(xué)研究[D]. 西安：西北大學(xué)，2002.

YANG Renchao. Research on sedimentary facies and sequence stratigraphy in the Palaeozoic in the eastern part of Ordos basin[D]. Xi’an：Northwest University，2002.

[21] 邵龍義，董大嘯，李明培，等. 華北石炭–二疊紀(jì)層序–古地理及聚煤規(guī)律[J]. 煤炭學(xué)報(bào)，2014，39(8)：1725–1734.

SHAO Longyi，DONG Daxiao，LI Mingpei，et al. Sequence paleogeography and coal accumulation of the Carboniferous-Permian in the north China basin[J]. Journal of China Coal Society，2014，39(8)：1725–1734.

[22] 李增學(xué)，魏久傳. 華北陸表海盆地南部層序地層分析[M]. 北京：地質(zhì)出版社，1998.

LI Zengxue，WEI Jiuchuan. Sequence stratigraphy analysis of the

southern part of the north China epicontinental basin[M]. Beijing：Geological Publishing House，1998.

[23] 李增學(xué)，呂大煒，王東東，等. 多元聚煤理論體系及聚煤模式[J]. 地球?qū)W報(bào)，2015，36(3)：271–282.

LI Zengxue，LYU Dawei，WANG Dongdong，et al. The multiple coal-forming theoretical system and its model[J]. Acta Geoscientica Sinica，2015，36(3)：271–282.

[24] 魯靜，邵龍義，孫斌，等. 鄂爾多斯盆地東緣石炭–二疊紀(jì)煤系層序–古地理與聚煤作用[J]. 煤炭學(xué)報(bào)，2012，37(5)：747–754.

LU Jing，SHAO Longyi，SUN Bin，et al. Sequence-paleogeography and coal accumulation of Carboniferous-Permian coal measures in the eastern Ordos basin[J]. Journal of China Coal Society，2012，37(5)：747–754.

[25] 王東方. 中朝陸臺(tái)北緣大陸構(gòu)造地質(zhì)[M]. 北京：地震出版社，1992.

WANG Dongfang. Continental tectonic geology of the northern margin of the Sino Korean platform[M]. Beijing：Seismological Press，1992.

[26] 范國(guó)清. 華北石炭紀(jì)海侵活動(dòng)規(guī)律[J]. 中國(guó)區(qū)域地質(zhì)，1991(4)：349–355.

FAN Guoqing. Carboniferous marine transgression in north China[J]. Regional Geology of China，1991(4)：349–355.

[27] 武法東，陳鐘惠，張守良，等. 華北晚古生代含煤盆地層序地層初探[J]. 中國(guó)煤田地質(zhì)，1994，6(1)：11–18.

WU Fadong，CHEN Zhonghui，ZHANG Shouliang，et al. Sequence stratigraphy of Late Paleozoic coal bearing basins in north China[J]. Coal Geology of China，1994，6(1)：11–18.

[28] 尚冠雄. 華北晚古生代聚煤盆地造盆構(gòu)造述略[J]. 中國(guó)煤田地質(zhì)，1995，7(2)：1–6.

SHANG Guanxiong. An outline of basining structures of north China Late Palaeozoic coal accumulation basin[J]. Coal Geology of China，1995，7(2)：1–6.

[29] 王東方. 中國(guó)東部中亞構(gòu)造帶及向環(huán)太平洋構(gòu)造帶的轉(zhuǎn)化[J]. 華北地質(zhì)礦產(chǎn)雜志，1995，10(2)：135–142.

WANG Dongfang. A discussion on the tectonic zone of middle Asia and its transformation to tectonic zone of circum Pacific Ocean in eastern China[J]. Jour Geol & Min Res North China，1995，10(2)：135–142.

[30] STACH E.，MACKOWSKY M T，TEICHMULLER M，et al. Textbook of coal petrology[M]. Gebruder Borntraeget，1982.

[31] BOHACS K，SUTER J. Sequence stratigraphic distribution of coaly rocks：Fundamental controls and paralic examples[J]. AAPG Bulletin，1997，81(10)：1612–1639.

[32] GIBLING M R，SAUNDERS K I，TIBERT N E，et al. Sequence sets，high–accommodation events and the coal window in the Carboniferous Sydney Coal?eld，Atlantic Canada[J]. AAPG Studies in Geology，2004，51：169–197.

Sequence stratigraphy and coal accumulation of barrier coastal system under epicontinental-sea environment: A case study of the Late Paleozoic Taiyuan Formation in Bohai Bay Area

CHANG Jia1, CHEN Shiyue1, WANG Qiong2, PU Xiugang3, YANG Huaiyu4

(1. School of Geosciences, China University of Petroleum(East China), Qingdao 266580, China; 2. The Third Institute of Geology and Mineral Resources of Shandong Province, Yantai 264003, China; 3. PetroChina Dagang Oilfield Company, Tianjin 300280, China; 4. Research Institute of Petroleum Exploration and Development, Shengli Oilfield Company, SINOPEC, Dongying 257015, China)

The Bohai Bay Area, located in the east of North China, is an important area for coal production in China. There are many coal seams available for industrial exploitation in the Late Paleozoic, among which the marine coal seams developed in the epicontinental-sea environment are the most widely distributed. In order to study the sedimentary sequence and coal accumulation model of the barrier coastal system in the epicontinental-sea environment, this paper studies the sedimentology and sequence stratigraphy of the Late Paleozoic Taiyuan Formation in the Bohai Bay Area, combining with drilling and field profile data. Based on the identification of lithology and sedimentary facies, the study of sequence stratigraphy is carried out to reveal the coal accumulation model of the barrier coastal system in the sequence stratigraphic framework. Taiyuan Formation is mainly composed of yellowish brown, gray black mudstone and yellow green and gray white sandstone, with several layers of marine limestone and coal seams. The sedimentary facies are mainly tidal flat facies, lagoon facies, barrier island facies and platform facies. Against the background of the barrier coastal system, the base level and the sedimentary interface are basically the same, and the sequence boundary is mostly sedimentary interface. According to the two types of subaerial unconformities(SU) including sedimentary facies transition surface and incised valley scour surface and transgressive direction transition surface(TDS), Taiyuan Formation can be divided into Sq1, Sq2 and Sq3. The third order sequence is divided into LST, TST and HST system tracts by maximum flooding surface(MFS) and maximum regression surface(MRS), representing eight fourth order sequences. During the period of Sq1, the internal area of the basin fails to provide a stable coal accumulation environment, and the thickness of the coal seams is relatively thin. During the Sq2 period, the influence of sea level on the Area increases, the coal accumulation reaches the peak, and the overall thickness of the coal seams increases and connects into slices. During the period of Sq3, the coal accumulation relatively weakens, and the distribution range of coal accumulation centers contracts, developing in isolation. The statistics of cumulative thickness of the coal seams in drilling data reveal that thick coal seams are mainly developed in the eastern part of Jizhong depression area, Huanghua depression area and Jiyang depression area. The coal accumulation model of Taiyuan Formation in the study area can be divided into five stages: LST, early TST, middle TST, late TST and HST. Under the control of the growth rate of accommodation space and peat accumulation rate, peat flat and lagoon are favorable coal accumulation centers.

barrier coastal system; sequence stratigraphy; coal-accumulating model; Bohai Bay Area; Late Paleozoic

P531

A

1001-1986(2021)04-0123-11

2021-01-06；

2021-04-27

國(guó)家科技重大專項(xiàng)課題(2016ZX05006-007)

常嘉，1993年生，男，山東濟(jì)南人，博士研究生，從事沉積學(xué)及層序地層學(xué)等方面研究. E-mail：changjia0713@163.com

常嘉，陳世悅，王瓊，等. 陸表海背景下障壁海岸體系沉積層序及聚煤模式——以渤海灣地區(qū)晚古生代太原組為例[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2021，49(4)：123–133. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.04.015

CHANG Jia，CHEN Shiyue，WANG Qiong，et al. Sequence stratigraphy and coal accumulation of barrier coastal system under epicontinental-sea environment: A case study of the Late Paleozoic Taiyuan Formation in Bohai Bay Area[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(4)：123–133. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986. 2021.04.015

(責(zé)任編輯 范章群)