低可容空間淺水三角洲沉積層序及聚煤模式：以渤海灣地區(qū)下二疊統(tǒng)山西組為例*

常 嘉 陳世悅 王 瓊 蒲秀剛 楊懷宇

1 中國石油大學(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)勘查開發(fā)局第三地質(zhì)大隊，山東煙臺264003

3 中國石油大港油田公司，天津300280

4 中國石化勝利油田勘探開發(fā)研究院，山東東營257015

在經(jīng)典層序地層學(xué)理論中，可容空間含義為“在某一時刻、任意一點上可用來堆積沉積物的有效空間”（Jervey，1988），受全球海平面變化及沉降速率控制，盆地接受沉積必須在基準(zhǔn)面之下存在可供碎屑物質(zhì)沉積的空間（Bertram et al.，1996）。在不同沉積背景下，盆地可容空間大小與增長速率存在差異，晚古生代華北板塊屬于大型陸表?？死ㄅ璧兀n德馨和楊起，1980），具有基底平坦、構(gòu)造活動微弱、沉降速率緩慢、物源供給穩(wěn)定的特點，盆地內(nèi)基準(zhǔn)面與沉積界面基本一致或略高于沉積界面，屬于低可容空間盆地（魯靜等，2012a）。目前該類型盆地與內(nèi)部廣泛發(fā)育的煤層之間的潛在聯(lián)系受到學(xué)者的關(guān)注，當(dāng)前國內(nèi)外學(xué)者針對該方面進(jìn)行過一系列研究，主要包括巖性特征（Joeckel et al.，2007；Antia et al.，2011）、古生物學(xué)（Fielding，et al.，2009）、層序地層（Antia and Fielding，2011；Feng et al.，2015）、沉積相類型（Aschoff and Steel，2011）以及對煤層分布的影響（Chalmers et al.，2013）等方面。對于華北板塊，大多數(shù)學(xué)者從不同角度對陸表海盆地的沉積體系（郭英海和劉煥杰，2000；鄢繼華等，2019）、關(guān)鍵層序界面的識別（李增學(xué)等，1995，2000a；李寶芳等，1999）、層序格架的建立（陳世悅和劉煥杰，1999；邵龍義等，2008a，2009；常嘉等，2019）以及煤層在層序格架內(nèi)的發(fā)育特征（李增學(xué)等，2000b；桑樹勛等，2001）進(jìn)行過詳細(xì)研究。盡管多個研究機(jī)構(gòu)及地質(zhì)學(xué)家開展大量研究項目，但對于含煤地層的沉積學(xué)及層序地層學(xué)仍有許多問題需要解答，特別是可容空間變化對聚煤作用的控制作用研究未能形成統(tǒng)一認(rèn)識。

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，并受南北兩側(cè)大洋盆地開合旋回控制（徐備和陳斌，1997；李益龍等，2009；孟慶鵬等，2013），形成了渤海灣地區(qū)獨特的克拉通盆地演化過程。在晚古生代經(jīng)歷了由海相—海陸過渡相—陸相變遷的過程，山西組沉積時期主要發(fā)育淺水三角洲沉積，是研究區(qū)海陸過渡環(huán)境中的特殊沉積組合，是研究低可容空間淺水三角洲沉積體系層序地層及聚煤模式的重要場所。以渤海灣地區(qū)下二疊統(tǒng)山西組為研究對象，開展層序地層、沉積特征、古地理演化及聚煤研究分析，試圖解決上述問題。該項工作不僅能夠提供渤海灣地區(qū)層序地層模型，更有助于預(yù)測渤海灣地區(qū)具有重要經(jīng)濟(jì)意義的煤炭資源，進(jìn)一步豐富聚煤理論體系。

1 地質(zhì)背景

渤海灣地區(qū)是華北克拉通東部重要構(gòu)造單元和油氣富集區(qū)，總面積約19.5×104km2。西側(cè)以太行山山脈為界，東側(cè)被魯東隆起區(qū)與遼東隆起區(qū)所限，北部毗鄰燕山褶皺隆起區(qū)，南部與魯西隆起區(qū)接壤（徐守余和嚴(yán)科，2005）（圖1）。內(nèi)部發(fā)育近10條基底大斷裂，分割出大小不一、高低不同、形狀各異的斷塊體，最終造成坳陷與隆起相間的格局，主要發(fā)育的坳陷有黃驊坳陷、冀中坳陷、濟(jì)陽坳陷、東濮坳陷、臨清坳陷與渤中坳陷。地層總體上發(fā)育一套以碎屑巖為主的含煤建造沉積，并夾有數(shù)層碳酸鹽巖及厚度不等的煤層。

圖1 渤海灣地區(qū)區(qū)域構(gòu)造和構(gòu)造單元Fig.1 Regional tectonic and structural units of the Bohai Bay region

在遭受140Ma的剝蝕后（尚冠雄，1995），華北板塊于晚石炭世再次沉降，海水由朝鮮—遼寧地區(qū)沿北東方向侵入，盆內(nèi)處于陸表海環(huán)境（邵濟(jì)安等，1994）；晚石炭世末期，華北板塊發(fā)生“翹板式”運動（王東方，1992），使之改變?yōu)楸备吣系偷墓诺匦危ǚ秶澹?991；武法東等，1994；尚冠雄，1995；王東方，1995）；早二疊世初期，海侵方向改為西南向，盆內(nèi)仍以陸表海環(huán)境為主，受區(qū)域構(gòu)造抬升影響，海水由東南部逐漸退出盆地（武法東等，1995），過渡為陸相環(huán)境；中二疊世—晚二疊世，北部基底構(gòu)造活動進(jìn)一步加劇，形成以河流—湖泊為主的陸相環(huán)境。

根據(jù)國際地層年代表，山西組形成于294.6～275.6Ma之間（任紀(jì)舜等，1997；章森桂和嚴(yán)慧君，2005），對應(yīng)于國際地層的Sakmarian與Artinskian（Gradstein et al.，2004），即早二疊世時期。在古植物組合方面，華北板塊中具有代表性的古植物組合主要包括Emplectopteris triangularis-Taeniopteris mucronate-Lobatannuiaria sinenaia（程保洲，1992）與 Emplectopteris triangularis-Lobatannularia sinensis-Emplectopteridium alatum（孟祥化和葛銘，2004），同樣表明山西組形成于早二疊世早期。因此山西組沉積時期，渤海灣地區(qū)位于北高南低的古地形，并處于向陸相環(huán)境過渡的沉積背景。

2 地層發(fā)育與沉積特征

晚石炭世末期，華北板塊北部造山帶邊緣地區(qū)發(fā)育較小規(guī)模的粗粒碎屑沉積（陳世悅和劉煥杰，1994），伴隨北部造山帶的逐漸形成而向南延伸。此時華北板塊已形成北高南低的古地形格局，隨著北部西伯利亞板塊俯沖加劇，導(dǎo)致北部陰山—燕山造山帶持續(xù)隆升。而在華北板塊南部，隨著秦嶺造山帶擠壓作用的加劇，秦嶺—大別地塊沿商丹—北淮陽帶由點接觸轉(zhuǎn)入面接觸碰撞階段（陳世悅，2000a），導(dǎo)致北秦嶺與北淮陽構(gòu)造帶全面隆升，南部地區(qū)受擠壓作用，盆地類型由陸表海盆地逐漸轉(zhuǎn)化為拗陷盆地（胡斌等，2012a），華北板塊長期處于北部隆升、南部沉降的格局，海岸線已退至兩淮—確山一帶（陳世悅，1998），三角洲沉積體系不斷向南推進(jìn)，因此板塊內(nèi)部處于北陸南海的近海內(nèi)陸環(huán)境（張鵬飛等，2001），陸表海盆地的特殊性消失，并持續(xù)向陸相轉(zhuǎn)變。

山西組沉積時期渤海灣地區(qū)處于緩慢構(gòu)造抬升階段，構(gòu)造活動保持相對穩(wěn)定，盆地基底古地形坡度極緩（小于0.001°）（李增學(xué)和魏久傳，1998），加之水體深度較淺（幾十米之內(nèi)）（陳世悅，2000b），陸源碎屑物質(zhì)可進(jìn)行較長距離的搬運，且造山帶提供的陸源碎屑粒度僅為細(xì)砂巖、粉砂巖，中砂巖多出現(xiàn)于山西組沉積晚期，與正常三角洲沉積相比，整體粒度偏小。因此平緩的古地形以及粒度相對較細(xì)的物源供給，造就了研究區(qū)獨特的近海內(nèi)陸背景下的淺水三角洲沉積。淺水三角洲平原極為發(fā)育，三角洲前緣及前三角洲發(fā)育范圍較小。

山西組基本繼承了太原組北高南低的地勢，地層厚度在90～148m 之間，大致為盆內(nèi)中部厚度大、邊緣厚度小、呈由北向南逐漸減薄的趨勢。整體巖性以中—細(xì)砂巖、粉砂巖、泥巖夾煤層為主，粒度由北向南逐漸減小。渤海灣地區(qū)內(nèi)部發(fā)育有3期三角洲（圖2）。第1期三角洲底部發(fā)育有大約1m厚的灰黑色泥巖，向上過渡為灰黃色細(xì)—粉砂巖（圖3-a），橫向延伸較遠(yuǎn)；中部發(fā)育灰褐色中—細(xì)砂巖（圖3-b）；頂部發(fā)育灰白色細(xì)砂巖及薄層粉砂巖，部分地區(qū)發(fā)育煤層或碳質(zhì)泥巖（圖3-c）。第2期三角洲底部發(fā)育薄層黃褐色細(xì)砂巖與深灰色泥巖，向上過渡為厚層灰白色中—粗砂巖（圖3-d），可見泥礫（圖3-e），并沖刷下伏泥巖（圖3-f）；頂部發(fā)育灰黑色泥巖及厚煤層，可見植物葉片化石。第3期三角洲底部發(fā)育厚層灰褐色中砂巖（圖3-g），向上過渡為灰褐色粉砂巖及泥質(zhì)粉砂巖；中上部發(fā)育巨厚層雜色泥巖（圖3-h），泥巖顏色包括黃褐色、紅褐色、灰黑色、紫色等；頂部發(fā)育煤層（圖3-i）。

圖2 濟(jì)陽坳陷HG1井晚古生代含煤地層巖性特征Fig.2 Lithologic characteristics of the Late Paleozoic coal-bearing strata in Well HG1 in Jiyang depression

圖3 渤海灣地區(qū)下二疊統(tǒng)山西組巖性特征Fig.3 Lithologic characteristics of the Lower Permian Shanxi Formation in Bohai Bay region

根據(jù)地層巖性、厚度以及沉積序列，可將淺水三角洲劃分為三角洲平原與三角洲前緣亞相。三角洲平原亞相主要發(fā)育分流河道、分流間灣及泛濫平原等微相。分流河道微相巖性以中砂巖為主，靠近北部物源區(qū)的地層發(fā)育粗砂巖；分流間灣微相以灰色粉砂質(zhì)泥巖為主，夾有一定數(shù)量的薄層砂巖透鏡體，越靠近物源區(qū)透鏡體規(guī)模越大；泛濫平原屬于三角洲平原發(fā)育最廣的微相，以厚層泥巖為主，夾有厚度較大的煤層。三角洲前緣亞相可劃分為水下分流河道、水下分流間灣及泥炭沼澤微相。水下分流河道微相發(fā)育中—細(xì)砂巖，底部可見沖刷面，多以垂向加積、側(cè)向加積的疊置方式為主；水下分流間灣微相發(fā)育泥巖及粉砂巖，夾有厚度較薄的粉砂巖透鏡體；泥炭沼澤以發(fā)育灰黑色泥巖為主，并夾有煤層。前三角洲發(fā)育灰黑色泥巖，僅在部分地區(qū)可見，分布極為有限。山西組淺水三角洲沉積序列自下而上發(fā)育前三角洲，三角洲前緣河口壩、水下分流河道、分流間灣、泥炭沼澤煤層，三角洲平原分流河道、分流間灣與泛濫平原，構(gòu)成一期完整向上變粗的反韻律沉積。

3 層序地層格架

下二疊統(tǒng)山西組沉積初期，華北地區(qū)灰?guī)r北部邊界位于滄州、石家莊一線，沿該界線向北至唐山、保定附近，山西組僅發(fā)育1～2層海相泥巖（陳鐘惠等，1993），該線大致為山西組沉積時期海侵的最北界線。區(qū)域內(nèi)缺乏海侵的直接證據(jù)（陳世悅和劉煥杰，1999），僅在底部地層中發(fā)育有腕足類（Lingula、Neochonetes sabstrophomenoides）（郭熙年等，1991；胡斌等，2012b）、雙殼類（Palaeoneilo sp.、Edmondia sp.）（馬慶元，1987；楊起，1987）、舌形貝（Lingula sp.）（趙群華等，2003）等海相化石以及海綠石（陳世悅和劉煥杰，1995），表明山西組沉積時期受海水影響極弱，主要受河流以及潮汐作用的控制。

3.1 關(guān)鍵層序界面的識別

經(jīng)過層序地層學(xué)的不斷發(fā)展，層序的概念逐漸適用于非海相成因的地層（Shanley and McCabe，1993；Milligan and Chan，1998；Lin et al.，2001；Plint et al.，2001；Keighley et al.，2003；Davies and Gibling，2013）。受沉積環(huán)境影響，并非所有體系域均出現(xiàn)于所有層序中，如強(qiáng)制海退界面（BSFR）與相對應(yīng)整合面（CC）僅出現(xiàn)于湖泊環(huán)境中（Gibling et al.，2005；Catuneanu，2006；Fielding et al.，2007）。山西組中可識別的關(guān)鍵層序界面包括不整合面（SU）、最大洪泛面（MFS）以及最大水退面（MRS），不存在強(qiáng)制海退界面（BSFR）與相對應(yīng)整合面（CC）。在沉積間隔期形成不整合面（SU）作為層序界面，最大洪泛面與最大水退面用于識別層序內(nèi)的體系域。

3.1.1 不整合面（SU）

沉積層序是一個連續(xù)的、成因上相關(guān)的沉積序列，以不整合面及其相對應(yīng)的整合面為界（Mitchum et al.，1977）。與基準(zhǔn)面下降相關(guān)的不整合面具有陸上暴露的特點，代表一定時間間隔（Vail et al.，1977）。研究區(qū)內(nèi)識別出2種不整合面，包括沉積相轉(zhuǎn)換面與下切谷沖刷面。

巖性與顏色的突變代表沉積體系的轉(zhuǎn)變，該類轉(zhuǎn)換面可作為層序界面。在研究區(qū)內(nèi)，太原組發(fā)育堡島—臺地沉積體系，頂部多發(fā)育潟湖相暗色泥巖。山西組發(fā)育淺水三角洲沉積體系，底部為灰黃色砂巖，該界面可作為層序界面Sb1。山西組頂部多發(fā)育厚層泥巖，下石盒子組底部發(fā)育河流相的灰綠色含礫砂巖，該界面可作為層序界面Sb4。

下切谷沖刷面形成于基準(zhǔn)面下降期，由三角洲的持續(xù)進(jìn)積導(dǎo)致區(qū)域性河流回春作用，由單期或多期河道疊加形成，河道沖刷下伏沉積地層，沉積記錄表現(xiàn)為地層缺失，僅保留侵蝕不整合面（邵龍義等，2008b），不整合面之上沉積河道砂體。整個山西組沉積時期共發(fā)育3期三角洲沉積，第2期和第3期三角洲初期發(fā)生河流回春作用，但強(qiáng)度較小，并未對沉積體系造成大范圍影響，僅保留輕微不整合面，砂體底部沖刷面不明顯，此界面可作為三級層序界面Sb2與Sb3。

3.1.2 最大洪泛面（M FS）

即基準(zhǔn)面上升至最高點時，由洪水泛濫作用形成的弱補(bǔ)償或欠補(bǔ)償沉積界面（高志勇等，2007）。位于基準(zhǔn)面上升至下降的轉(zhuǎn)折點，分隔上部進(jìn)積地層與下部退積地層（Shanley and McCabe，1994；Plint et al.，2001）。相對水位最高、沉積速率最低，可容空間達(dá)到最大或無沉積饑餓面（Catuneanu，2006）。在研究區(qū)山西組中，最大洪泛面上部發(fā)育厚層泥巖，夾有粉砂巖層以及數(shù)量不等的煤層，即三角洲平原中分流河道與分流間灣或泛濫平原的分界面。

3.1.3 最大水退面（M RS）

形成于正常水退末期，分隔下部進(jìn)積地層與上部退積地層，是基準(zhǔn)面上升期沉積基準(zhǔn)面上升速率與沉積物供給速率相等時的等時面（李增學(xué)等，2015），代表一定時間內(nèi)相對洪泛面的最低位置（魯靜等，2012b）。該界面下部地層多以較厚層中—細(xì)砂巖或薄層細(xì)砂巖夾泥巖為主。該界面上部地層以細(xì)粒碎屑巖為主，包括泥巖、粉砂質(zhì)泥巖及粉砂巖。研究區(qū)山西組內(nèi)的最大水退面多識別于每期三角洲底部砂巖與上部細(xì)粒碎屑巖的分界面，即三角洲前緣中水下分流河道與水下分流間灣或泥炭沼澤的分界面。

3.2 層序格架的建立

根據(jù)層序界面的分析，將山西組劃分為3個三級層序，每個三級層序代表1期三角洲，層序結(jié)構(gòu)為正常的三分式，均由低位體系域（LST）、水侵體系域（TST）及高位體系域（HST）組成（圖4）。其中低位體系域主要表現(xiàn)為厚層砂體，砂體橫向延伸較廣（圖5-a），屬于水下分流河道微相。水侵體系域，主要表現(xiàn)為砂泥混合沉積，砂體呈小型透鏡狀厚度較薄，延伸范圍較小，常以垂向或側(cè)向疊加的形式沉積，砂體間發(fā)育泥質(zhì)夾層（圖5-b），屬于水下分流間灣微相。高位體系域主要表現(xiàn)為泥質(zhì)沉積，泥巖中夾有大型孤立透鏡狀砂體（圖5-c），屬于三角洲平原亞相。在山西組3個層序中，低位體系域均以充填砂體為主，煤層不發(fā)育。Sq1與Sq2時期，水侵體系域及高位體系域中煤層較為發(fā)育。在Sq3時期，受古環(huán)境影響，以發(fā)育厚層泥巖為主，煤層發(fā)育規(guī)模較小。

圖5 渤海灣地區(qū)下二疊統(tǒng)山西組低可容空間淺水三角洲不同類型體系域內(nèi)砂體形態(tài)差異Fig.5 Difference of shape of sand body in different system tracts of shallow water delta under low accommodation settings of the Lower Permian Shanxi Formation in Bohai Bay region

4 層序地層格架內(nèi)沉積環(huán)境控制下的聚煤作用分析

利用研究區(qū)內(nèi)近70口鉆井資料，統(tǒng)計相關(guān)巖性數(shù)據(jù)，總結(jié)繪制相關(guān)圖件，展示山西組3個層序沉積相圖以及相應(yīng)煤層厚度等值線。山西組僅在部分地區(qū)存在剝蝕，整體上保存的相對較完整，地層厚度在90～148m之間，中部地區(qū)厚度大，向南厚度逐漸變小。

Sq1時期，地層厚度在20～41m之間，中部地區(qū)厚度在33m以上，淺水三角洲在研究區(qū)內(nèi)并未推進(jìn)較遠(yuǎn)距離，南部仍發(fā)育潮坪環(huán)境，煤層最大厚度在4m左右，并發(fā)育有2個聚煤中心，分別位于冀中坳陷東北部地區(qū)以及臨清坳陷地區(qū)。臨清坳陷地區(qū)屬潮坪環(huán)境，煤層分布相對較廣闊，與三角洲前緣發(fā)育的煤層連接成片，冀中坳陷東北部地區(qū)以發(fā)育泛濫平原為主，煤層受兩側(cè)分流河道的影響，分布較局限（圖6-a）。Sq2時期，地層厚度在27～46m之間，中部地區(qū)厚度在45m以上，淺水三角洲已推進(jìn)至盆地大部分地區(qū)，仍殘留有小范圍潮坪環(huán)境，煤層最大厚度在5m左右，主要聚煤中心位于黃驊坳陷北部地區(qū)，該地區(qū)以泛濫平原環(huán)境為主，煤層厚度在2～5m之間，次要聚煤中心位于濟(jì)陽坳陷及其周緣地區(qū)，發(fā)育三角洲前緣泥炭沼澤環(huán)境，煤層厚度在2～4m之間，分布較廣闊（圖6-b）。Sq3時期，地層厚度在40～55m之間，淺水三角洲已覆蓋整個研究區(qū)，潮坪環(huán)境消失，三角洲平原占據(jù)主體，聚煤中心最大煤層厚度在3m 以上，位于冀中坳陷東北部地區(qū)以及黃驊坳陷中部地區(qū)，三角洲前緣仍發(fā)育煤層，且分布范圍較大，但厚度僅在1～2m之間，最大厚度在3m左右，在濟(jì)陽坳陷內(nèi)部地區(qū)較為發(fā)育（圖6-c）。

圖6 渤海灣地區(qū)下二疊統(tǒng)山西組沉積環(huán)境與煤層厚度等值線Fig.6 Sedimentary environment and isopach map of coal seams of the Lower Permian Shanxi Formation in the Bohai Bay region

綜上所述，由于渤海灣地區(qū)極為平緩的古地形以及低可容空間背景，聚煤作用僅在地勢相對低洼、并長期保持的弱覆水環(huán)境中發(fā)生，主要分布在三角洲平原的泛濫平原微相以及三角洲前緣的泥炭沼澤微相。由于淺水三角洲的持續(xù)進(jìn)積作用，泛濫平原微相發(fā)育十分廣泛，形成的煤層厚度大，但相距過遠(yuǎn)，多為孤立沉積，且聚煤中心具有隨三角洲推進(jìn)逐漸南移的趨勢；三角洲前緣發(fā)育范圍較小，水下分流間灣及泥炭沼澤受水下分流河道的阻隔，分布極為狹窄，相對于泛濫平原來說，泥炭沼澤地勢更低，水體覆蓋較深，聚煤環(huán)境相對較差，形成的煤層厚度較薄，在三角洲前緣分布較廣的地區(qū)煤層向上發(fā)育連接成片，且易被分流河道砂體沖刷。

5 層序地層格架內(nèi)的可容空間變化規(guī)律及聚煤模式

煤的形成首先需要溫暖濕潤的氣候環(huán)境，以保證成煤植物正常存活，植物死后遺體在沼澤環(huán)境中逐漸轉(zhuǎn)化為泥炭，而泥炭的堆積必須符合一定條件，即“泥炭的堆積和保存需要足夠高的水位以覆蓋正在腐爛的植物阻止其被氧化，同時水位不能過高以確保正常植物繼續(xù)存活”（Stach et al.，1982；Bohacs and Suter，1995），因此必須保證可容空間保持持續(xù)穩(wěn)定增長，且不能超過泥炭堆積速率（Gibling et al.，2004）。若可容空間呈現(xiàn)負(fù)增長，地表廣泛暴露，河流回春作用導(dǎo)致地表遭受沖刷，成煤植物無法存活，泥炭無法堆積；若可容空間增長速率超過泥炭堆積速率，泥炭沼澤因覆水過深導(dǎo)致泥炭無法堆積。

低可容空間淺水三角洲背景下每期三角洲內(nèi)煤層的形成大致分為以下5個過程（圖7）。以第1期三角洲為例，三角洲進(jìn)積作用導(dǎo)致河流沖刷太原組厚層暗色泥巖，直至基準(zhǔn)面下降至最低點，該時期沉積物無法保存，地層存在缺失，沉積記錄中僅能找到地層不整合面，整個低位體系域時期，盆地內(nèi)部沉積環(huán)境相分異度較低，僅發(fā)育水下分流河道微相，河道砂體在地勢較低的下切谷中沉積，且橫向延伸極廣，厚度較大，一定程度上起到填平補(bǔ)齊的作用；在地勢相對較高、沖刷程度較低的地區(qū)砂質(zhì)沉積較少。該時期沉積體系較為活躍，砂體沉積幾乎占據(jù)全部可容空間，基底處于廣泛暴露環(huán)境，成煤植物無法正常生長，因此低位體系域時期沒有較明顯的聚煤作用發(fā)生（T1）。在水侵體系域早期，基準(zhǔn)面處于上升狀態(tài)，可容空間增長速率略大于基底沉降速率，受河流以及潮汐作用影響，盆地內(nèi)部處于較淺水體覆蓋狀態(tài)，沉積環(huán)境相分異度增加，以發(fā)育水下分流間灣微相為主，水下分流河道砂體發(fā)育規(guī)模降低，砂體厚度減薄，橫向延伸范圍極小，成煤植物在地勢低洼、仍存在剩余可容空間的泥炭沼澤地區(qū)發(fā)育，聚煤作用發(fā)生（T2）。在水侵體系域中期，基準(zhǔn)面上升速率達(dá)到最大，盆地覆水繼續(xù)變深，在極為平緩的古地形坡度控制下，沉積體系逐漸萎縮，最終來自北部物源區(qū)的陸源碎屑無法進(jìn)入盆地，沉積體系廢棄，盆地內(nèi)部被泥巖覆蓋（T3）。在水侵體系域晚期，基準(zhǔn)面上升速率下降至略大于沉降速率，盆地內(nèi)部可保證充足的剩余可容空間堆積泥炭，該時期聚煤作用達(dá)到頂峰，煤層可發(fā)育范圍可延伸至全盆地（T4）。整個高位體系域時期，基準(zhǔn)面上升速率逐漸減緩至0，較大的可容空間導(dǎo)致盆地內(nèi)部仍以沉積厚層泥巖為主，碎屑物質(zhì)僅以大型孤立透鏡狀砂體的形式沉積于泥巖中，泛濫平原中的泥炭沼澤可形成適合泥炭堆積的有利場所，且持續(xù)時間長，發(fā)育的煤層厚度較大，但相鄰泥炭沼澤間距過遠(yuǎn)，因此煤層并未連接成片（T5）。至此，一個完整的沉積旋回結(jié)束，新一期的河流對底部的泥巖及煤層進(jìn)行沖刷，形成不整合面（新T1）。

圖7 低可容空間淺水三角洲可容空間變化與聚煤模式關(guān)系Fig.7 Relationship between accommodation and coal accumulation in shallow water delta under low accommodation settings

在低可容空間淺水三角洲沉積背景下，成煤植物首先發(fā)育在具有弱覆水環(huán)境的泥炭沼澤環(huán)境，且具備一定剩余可容空間以保證泥炭轉(zhuǎn)化為煤層。三角洲平原時期雖處于基準(zhǔn)面下降半周期，但過高的可容空間導(dǎo)致三角洲平原多以厚層泥巖為主，僅在少數(shù)地區(qū)發(fā)育泛濫平原泥炭沼澤，發(fā)育的煤層較厚，但受河流沖刷減薄的影響。因此，在渤海灣地區(qū)早二疊世山西組沉積時期發(fā)育的低可容空間淺水三角洲體系中，在可容空間增長速率及泥炭堆積速率的控制下，三角洲平原泛濫平原與三角洲前緣泥炭沼澤為聚煤中心。

6 結(jié)論

1）早二疊世山西組沉積時期渤海灣地區(qū)處于緩慢穩(wěn)定構(gòu)造抬升階段，構(gòu)造活動保持相對穩(wěn)定，平緩的古地形導(dǎo)致盆地沉積濱線坡折帶無法準(zhǔn)確確認(rèn)，甚至無法找到沉積濱線坡折帶，基準(zhǔn)面與沉積界面變化保持大致同步，導(dǎo)致山西組沉積時期長期處于低可容空間狀態(tài)，陸源碎屑物質(zhì)可進(jìn)行較長距離搬運，與正常三角洲沉積相比，造山帶提供的陸源碎屑整體粒度偏細(xì)，造就了研究區(qū)獨特的近海內(nèi)陸背景下的低可容空間淺水三角洲沉積體系。

2）根據(jù)沉積相轉(zhuǎn)換面以及下切谷沖刷面兩類不整合面（SU）可將山西組劃分為3個三級層序Sq1、Sq2及Sq3，每個三級層序代表1期三角洲沉積。通過最大洪泛面（MFS）與最大水退面（MRS）將每個三級層序劃分為LST、TST及HST 3個體系域，代表9個四級層序。煤層主要聚集在Sq1與Sq2的TST以及HST時期。受海水影響較大的潮坪—潟湖沉積體系隨海水一同向南退縮，構(gòu)造活動及物源供給對沉積體系的影響逐漸增強(qiáng)，淺水三角洲沉積體系發(fā)育規(guī)模迅速擴(kuò)大。

3）由于淺水三角洲的持續(xù)進(jìn)積作用，泛濫平原微相發(fā)育十分廣泛，形成的煤層厚度大，且聚煤中心具有隨三角洲推進(jìn)逐漸南移的趨勢；三角洲前緣發(fā)育范圍較小，泥炭沼澤地勢更低，水體覆蓋較深，煤層厚度較薄，僅在三角洲前緣分布較廣的地區(qū)向上發(fā)育連接成片。受可容空間增長速率及泥炭堆積速率的控制，低可容空間淺水三角洲背景下，每個層序內(nèi)的聚煤模式劃分為LST、TST早期、TST中期、TST晚期以及HST 5期演化過程。