沁水盆地東北部太原組巖相古地理演化特征分析

張 野，高 迪

（河南理工大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，河南 焦作 454003）

沁水盆地位于山西省東南部，為中生代末形成的構(gòu)造盆地，主要的含煤地層有太原組、山西組和本溪組等。前人曾對沁水盆地不同區(qū)域的沉積環(huán)境進(jìn)行研究，并有部分學(xué)者在含煤巖系沉積環(huán)境研究的基礎(chǔ)上，分析了其對煤層氣儲層特征的影響。然而，因沁水盆地西北及東南方向煤炭勘探開發(fā)程度高，以往的研究大多集中在這兩個區(qū)域，而對其東北部所做工作不多，對該區(qū)域的巖相古地理演化研究較少[1-4]。

本研究主要基于沁水盆地東北部部分鉆孔巖心數(shù)據(jù)，識別出主要的沉積體系及多種沉積亞環(huán)境類型，對含煤地層沉積相的垂向和平面展布特征進(jìn)行分析，重建了沁水盆地在晚古生代石炭——二疊紀(jì)主要含煤地層太原組的巖相古地理格局，歸納出區(qū)域沉積環(huán)境的演化過程，指出了有利于聚煤作用發(fā)生的場所，對尋找和開發(fā)煤炭等沉積礦產(chǎn)資源具有重要的指導(dǎo)意義。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

沁水盆地位于山西省東南部，自古元古代山西陸臺形成，該盆地東西長約120.0 km，南北長約330.0 km，面積約 30 000.0 km2。研究區(qū)地處沁水盆地東北部，在陽泉——昔陽一帶，東西長約9.4 km，南北長約18.0 km，面積約169.2 km2，海拔約1.1 km，屬太行山系。沁水盆地構(gòu)造綱要及鉆孔分布如圖1所示。

圖1 沁水盆地構(gòu)造綱要及鉆孔分布

沁水盆地位于華北克生拉通中部的東南側(cè)，構(gòu)造形態(tài)總體上呈NNE延伸的復(fù)式向斜構(gòu)造，軸線大致位于陽泉——沁縣——沁水一線，主要受晚古生代成煤期之后近水平擠壓作用形成，盆地東臨太行山隆起，南接秦嶺——大別造山帶，西為呂梁山隆起，北依五臺山隆起。在華北板塊構(gòu)造運(yùn)動的控制作用下，沁水盆地構(gòu)造演化先后經(jīng)歷了華力西期、印支期、燕山期和喜山期。沁水盆地主要發(fā)育的含煤地層為本溪組、太原組和山西組。從太原組底部向上到山西組頂部K8砂巖，主要包括以下標(biāo)志層：晉祠砂巖（K1）、廟溝灰?guī)r（K2）、毛兒溝灰?guī)r（K3）、斜道灰?guī)r（K4）、東大窯灰?guī)r（K5）、砂巖（K6）、北岔溝砂巖（K7）、1#～15#煤層等。

2 含煤地層沉積學(xué)特征

基于西山煤田鉆孔巖心數(shù)據(jù)，識別出該區(qū)石炭——二疊系太原組的巖石類型。根據(jù)巖性組合、沉積構(gòu)造和古生物化石等特征，解釋沉積環(huán)境，劃分沉積體系。

2.1 巖石類型

主要巖相類型為砂巖、粉砂巖、泥巖、灰?guī)r、鐵礦和煤。

2.2 沉積體系

以野外踏勘的數(shù)據(jù)采集、鉆孔的數(shù)據(jù)分析、巖石類型的統(tǒng)計描述和沉積環(huán)境初步分析為基礎(chǔ)，結(jié)合研究區(qū)巖性在垂向上的組合關(guān)系，識別出的主要沉積體系如下。

2.2.1 潟湖——潮坪——障壁島

潟湖是以障壁砂壩為屏障，與濱海隔絕或半隔絕的水流不暢通淺水環(huán)境，分布多變，以細(xì)粒陸源物質(zhì)和化學(xué)沉積物質(zhì)為主，環(huán)境比較安靜，水動力能量較弱。本研究區(qū)內(nèi)以泥巖和砂質(zhì)泥巖為主，水平層理發(fā)育。研究區(qū)障壁島巖性以細(xì)粒砂巖、粉砂巖和中粒砂巖為主，分選磨圓較高，可見平行層理。潮坪相主要發(fā)育在具有明顯潮汐周期且波浪能量低的平緩傾斜的海岸地區(qū)，沉積物粒度偏細(xì)，分選較好。巖性以砂質(zhì)泥巖、細(xì)粒砂巖及煤為主，砂質(zhì)泥巖為灰黑色，含塊狀黃鐵礦，分選磨圓中等；細(xì)粒砂巖為灰色，成分以長石為主，石英次之，分選磨圓差，部分地層含菱鐵礦、黃鐵礦結(jié)核；煤層為半亮型黑色塊狀煤，似金屬光澤。

2.2.2 濱外陸棚

濱外陸棚的淺海環(huán)境有利于灰?guī)r的形成，封閉的地理環(huán)境加上干燥的氣候，水的蒸發(fā)量超過補(bǔ)給量，所以在太原組發(fā)育多層灰?guī)r，其中巖性以灰色石灰?guī)r為主，質(zhì)純，含大量方解石，富含黃鐵礦星點及動物化石碎片。障壁砂壩、潟湖及其周圍的潮坪等沉積相組成障壁海岸沉積，含煤巖系中除發(fā)育潮坪、潟湖、障壁砂壩外，還發(fā)育了濱外泥質(zhì)陸棚和濱外碳酸鹽巖陸棚等沉積相類型，共同構(gòu)成了障壁——潟湖沉積體系。

2.2.3 三角洲平原分流間灣和分流河道

太原組三角洲相主要由分流間灣組成，分流間灣巖性以粉砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖及煤層為主，含少量植物碎屑，可見水平層理。分流河道巖性以細(xì)粒砂巖為主。

2.2.4 沼澤

研究區(qū)內(nèi)多為間灣半咸水閉流的泥炭沼澤，巖性以砂質(zhì)泥巖和煤層為主，部分含菱鐵礦、黃鐵礦結(jié)核；煤層為黑色塊狀煤，裂隙發(fā)育，似金屬光澤。

2.3 沉積相的垂向疊置

結(jié)合圖1所示的鉆孔位置分布，選取166號鉆孔作為標(biāo)準(zhǔn)井，繪制西山煤田石炭——二疊紀(jì)含煤地層沉積相柱狀圖（見圖2）。

圖2 沁水盆地東北部太原組166號鉆井地層沉積柱狀圖

2.4 沉積相的水平展布

從沁水盆地東北部太原組南北向連井對比圖（見圖3）上看，太原組從北向南整體先變薄，后逐漸增厚，下段從北向南障壁島砂體逐漸變薄。潮坪——澙湖相地層逐漸增厚，全區(qū)發(fā)育可采的15#煤，中部灰?guī)r段發(fā)育全區(qū)穩(wěn)定的濱外陸棚相K2、K3、K4灰?guī)r，自北向南灰?guī)r厚度呈現(xiàn)先增厚后減薄的趨勢，與太原組整體厚度規(guī)律一致；從垂相上看，自下而上3層灰?guī)r逐漸減薄，表明海水進(jìn)退速率加快，3層穩(wěn)定連續(xù)的灰?guī)r也說明了太原組更接近濱海的沉積環(huán)境；上部碎屑巖段自北向南煤層逐漸尖滅合并，障壁——澙湖相逐漸增強(qiáng)。

圖3 沁水盆地東北部太原組南北向連井對比

3 太原組巖相古地理格局重建

本次巖相古地理作圖采用單因素分析多因素綜合作圖法，該方法由馮增昭[5]先生提出并得到了廣泛應(yīng)用。沁水盆地東北部太原組參數(shù)等值線及巖相古地理如圖4所示。

圖4 沁水盆地東北部太原組參數(shù)等值線及巖相古地理

沁水盆地東北部太原組為一套過渡相碎屑巖沉積，發(fā)育了典型的灰?guī)r標(biāo)志層。太原組地層最大值在研究區(qū)最南部中心和東南角附近，地層最厚達(dá)163.00 m，往研究區(qū)中心去，地層逐漸變薄，西北部分地區(qū)厚度超過115.00 m，最大超過120.00 m，而研究區(qū)北部中心位置的地層最薄，這表明盆地的沉降中心位于研究區(qū)南部。平面上灰?guī)r厚度高值區(qū)位于研究區(qū)的西北和東南位置，向研究區(qū)中心及北部逐漸變薄，灰?guī)r最厚的位置表明研究區(qū)海侵主要來自西北和東南方向。太原組砂泥比值較高，總體變化在0.03～1.63，平均為0.57，在研究區(qū)的東南部最高值達(dá)1.63，結(jié)合砂泥比和砂巖厚度可以看出物源方向為研究區(qū)東部。太原組砂巖厚度變化在3.00～70.00 m，平均值為33.00 m，砂巖厚度最大區(qū)域在研究區(qū)最南部、東部偏下和西北角，地層最厚達(dá)到70.00 m。太原組煤層厚度變化在12.49～1.13 m不等，平均值在7.34 m左右，厚度最大的區(qū)域分布在研究區(qū)的東北部和東部中心位置。

沁水盆地東北部地區(qū)發(fā)生了區(qū)域性海退，海水沿潮道逐漸向西北和西南方向退去，換句話說，來自西面的海侵程度明顯降低。以灰色-灰黑色厚層砂質(zhì)泥巖及煤層為主的相沉積和以灰白色厚層細(xì)粒砂巖為主的障壁島相沉積，均是海退作用下的產(chǎn)物，共同構(gòu)成了碳酸鹽巖臺地障壁島——澙湖——潮坪沉積體系。煤層的發(fā)育往往受到很多地質(zhì)條件的制約，最重要的是基底沉降和沉積環(huán)境。構(gòu)造活動的強(qiáng)弱、頻率以及巖相古地理條件、古地貌、古植被、古氣候、泥炭沼澤類型和沼澤中的水體深度、地球化學(xué)條件等因素共同影響了成煤作用。因此，可以用砂泥比與煤層厚度的相關(guān)性對其加以反映。聚煤中心主要位于澙湖——潮坪和三角洲分流間灣等環(huán)境，沿海侵方向聚煤作用減弱。其中，障壁島阻止了海水的進(jìn)一步入侵，導(dǎo)致水動力條件減弱，障壁島后地勢降低，水體深度增加，有利于泥炭沼澤和潮坪環(huán)境的發(fā)育，煤得以形成和保存。太原組沉積的后期，逐步由澙湖和濱淺海過渡為淺水三角洲。

4 結(jié)論

以沁水盆地東北部晚古生代含煤巖系為研究對象，結(jié)合鉆孔巖心數(shù)據(jù)，綜合分析了含煤地層沉積相的垂向疊置和平面展布特征，恢復(fù)了古地理格局，主要得到以下結(jié)論。

（1）沁水盆地東北部晚古生代含煤巖系識別出障壁——濱外陸棚和三角洲兩種沉積相，進(jìn)一步將其劃分為障壁島、澙湖、潮坪、濱外陸棚（碳酸鹽巖臺地）、分流河道、分流間灣等6種亞相（微相）。

（2）研究區(qū)石炭——二疊紀(jì)的太原組垂向上呈現(xiàn)障壁島——潟湖——潮坪——濱外陸棚到三角洲沉積體系演化特征。太原組為一套海陸交互相沉積，早期以障壁——濱外陸棚沉積環(huán)境為主，到晚期逐漸過渡到三角洲平原沉積環(huán)境。

（3）從巖相古地理來看，太原組澙湖——潮坪占優(yōu)勢古地理單元，太原組物源主要來自沁水盆地東部的古隆起高地，海侵來自盆地西北和西南方向，與該時期沁水盆地的整體海侵和物源方向不一致，這可能與盆地的次級隆起和凹陷分布有關(guān)。