琿春盆地古近紀(jì)含煤地層層序–古地理與聚煤規(guī)律

侯海海，李強(qiáng)強(qiáng)，邵龍義，范雪潔，梁國棟，李雅楠

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，遼寧 阜新 123000；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京 100083)

煤不僅是一種重要的固體可燃有機(jī)巖[1]，而且作為泥炭地產(chǎn)物和重要沉積載體，同時記錄著地質(zhì)歷史時期地球表層系統(tǒng)變化和各類地質(zhì)事件的“深時”古氣候信息[2-4]。近年來隨著煤地質(zhì)學(xué)的發(fā)展，巨厚煤層成因[5-6]、煤系共伴生礦產(chǎn)資源[7-8]、煤的清潔高效利用[9]、煤層氣勘探開發(fā)新理論和新技術(shù)[10-12]、深部煤層CO2地質(zhì)封存[13-14]、基于煤巖學(xué)的“深時”古氣候信息挖掘[15-16]和大數(shù)據(jù)驅(qū)動下的含煤巖系定量古地理[17]等方面成為了新的研究熱點(diǎn)。煤層展布特征及其控制因素分析是這些研究熱點(diǎn)的基礎(chǔ)，因此，含煤巖系古地理及其控制下的煤聚集規(guī)律仍需重視。隨著層序地層學(xué)在含煤巖系沉積學(xué)中的廣泛應(yīng)用，層序格架下的巖相古地理分析和煤層聚集模式還存在一定爭議[18-19]，特別是針對不同構(gòu)造背景(如前陸盆地、裂谷盆地和斷陷盆地)和不同沉積背景(如近海型、海陸過渡型及陸相地層)下的層序地層模式及聚煤規(guī)律還需深入研究。

琿春盆地是吉林省重要的陸相聚煤盆地，含有豐富的古近紀(jì)煤炭與煤層氣資源，盆地內(nèi)煤層較多，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，沉積旋回及巖相變化較快[20]。前人對盆地內(nèi)古近紀(jì)含煤地層沉積環(huán)境、孢粉組合、層序地層和煤層分布進(jìn)行了研究[21-24]，認(rèn)為琿春組下含煤段沉積環(huán)境以沖積扇、河流、小型湖泊沉積為主，上含煤段則以三角洲沉積環(huán)境為主；盆地西部含煤性優(yōu)于東部，板石中北部與八連城地區(qū)為盆地的富煤中心；盆地的沉積環(huán)境與同沉積構(gòu)造關(guān)系密切，而聚煤作用直接受控于沉積環(huán)境的演化。近年來隨著琿春盆地西部富煤區(qū)煤層氣勘探開發(fā)的深入[25-27]，層序地層格架下的煤層對比、深部煤層分布及其預(yù)測、聚煤作用的控制因素等研究已成為新的工作重點(diǎn)。筆者依據(jù)琿春盆地古近紀(jì)鉆孔巖心、煤層展布和測井等資料，分析琿春組含煤地層沉積相，建立煤系三級層序地層格架，在此基礎(chǔ)上分析層序-古地理背景下的聚煤規(guī)律，相關(guān)研究可為研究區(qū)煤層氣勘探開發(fā)提供指導(dǎo)[28-30]，為后期煤地質(zhì)學(xué)研究奠定理論基礎(chǔ)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

琿春盆地位于吉林省東部，南部鄰近朝鮮，東部接壤俄羅斯，東西長為23 km，南北寬為20 km，面積約460 km2，區(qū)內(nèi)有大面積的新近紀(jì)沖積平原，盆地北、東、南三面是由二疊系古老巖層組成的低山丘陵，西側(cè)臨近圖們江。區(qū)內(nèi)地形東高西低，高程20～450 m，琿春河由東北流向西南橫穿盆地的中部最終注入圖們江。根據(jù)煤田勘查和煤礦開采情況，琿春盆地由西至東依次可以劃分為煤礦區(qū)、駱駝河子普查區(qū)、五家子普查區(qū)和廟嶺找礦區(qū)(圖1)。

圖1 琿春盆地區(qū)域構(gòu)造及鉆孔分布Fig.1 Regional structure and borehole location of the Hunchun Basin

琿春盆地在大地構(gòu)造單元上屬于興蒙華力西褶皺帶，盆地內(nèi)由老至新分別發(fā)育上古生界解放村組和關(guān)門咀子組，中生界大興溝群和泉水村組，新生界琿春組[24]?，q春組為一套古近系含煤碎屑巖沉積，主要發(fā)育礫巖、砂巖、粉砂巖、泥巖以及煤層等。自下而上，琿春組分為礫巖段、下含煤段、下褐色層段、中含煤段、中褐色層段以及上含煤段。構(gòu)造上，盆地可劃分為東部斷陷、中部隆起、西部坳陷3 個一級構(gòu)造單元和哈達(dá)門凸起、太陽凸起、五家子凸起、松樹嘴子凹陷、新地方凸起、三家子凹陷、英安凹陷等7 個二級構(gòu)造單元[24]，由北向南呈現(xiàn)出兩凹夾一凸的構(gòu)造形態(tài)。

2 琿春組巖相及沉積相類型

2.1 巖相類型特征

巖相是在一定沉積環(huán)境下形成的巖石或巖石組合，是沉積體系中重要的組成部分[31]。根據(jù)野外剖面和鉆孔巖心分析，琿春組主要發(fā)育礫巖、中-粗粒砂巖、細(xì)砂巖、粉砂巖、泥巖、煤層、輝綠巖及凝灰?guī)r，由于輝綠巖和凝灰?guī)r不具備指示沉積區(qū)古環(huán)境意義，因此，并未對其巖相類別進(jìn)行歸納。在此基礎(chǔ)上，歸納出琿春組5 種巖石類型和12 種巖相類型(表1)。這5 種巖石類型和對應(yīng)的12 種巖相類型見表1。

表1 古近系琿春組含煤巖系主要巖相類型及特征Table 1 Main lithotypes and their characteristics in the Paleogene Hunchun Formation

2.2 沉積體系劃分及特征

根據(jù)所識別出的巖相類型，可知琿春組含煤地層主要發(fā)育有沖積扇、辮狀河、辮狀河三角洲和湖泊4類沉積體系。其中，琿春組底部主要發(fā)育沖積扇沉積體系，中下部地層以辮狀河和辮狀河三角洲沉積體系占主導(dǎo)，而中上部主要發(fā)育湖泊沉積體系。整體上琿春組由下至上可容空間逐漸增大，水動力條件逐漸減弱，沖積環(huán)境不斷萎縮，湖泊范圍不斷擴(kuò)張。研究區(qū)內(nèi)琿春組主要的沉積相(體系)、沉積亞相和沉積微相劃分詳見表2。

表2 古近紀(jì)琿春組含煤巖系沉積體系劃分Table 2 Division of sedimentary systems of the Paleogene Hunchun Formation

1) 沖積扇

沖積扇沉積相包括泥石流沉積、河道沉積、漫流沉積3 類，沖積扇的垂向沉積序列常是正旋回粒度向上變細(xì)的單個序列或多個序列的疊置組合(圖2)，其中扇根-扇中主要呈現(xiàn)泥石流沉積和河道沉積，粒度較粗，巖性多為礫巖和中粗粒砂巖；而扇端位于沖積扇的末端，扇面上的河流沉積速度大大超過侵蝕速度，導(dǎo)致經(jīng)常性越岸泛濫[32]，漫流沉積極為發(fā)育，由于水動力強(qiáng)度大大減弱，氣候也相對濕潤，因此，漫流沉積是沖積扇沉積體系中最主要的成煤環(huán)境(圖2)。

圖2 琿春組底部沖積扇沉積序列及成煤特征(八連城煤礦1012 鉆孔)Fig.2 Sedimentary sequence and coal-forming characteristics of alluvial fan at the bottom of the Hunchun Formation (1012 borehole in Baliancheng Coal Mine)

2) 辮狀河

辮狀河中河道沉積多為灰色、灰白色含礫砂巖，充填粗碎屑巖，礫石中等磨圓度，以次圓狀-棱角狀為主，分選性差，粒徑多為幾毫米至幾十毫米，主要成分為石英砂巖，多為鈣質(zhì)膠結(jié)，塊狀構(gòu)造，大型槽狀、板狀交錯層理發(fā)育。沖刷面常在底部發(fā)育，呈疊瓦狀排列，在剖面中以透鏡狀產(chǎn)出，指示有明顯的河道遷移作用，這一現(xiàn)象常見于琿春組中下部。在該沉積體系中，煤層主要發(fā)育于河漫亞相中的河漫灘，常處于整個辮狀河沉積體系的中上部位置，煤層較厚，是研究區(qū)重要的成煤環(huán)境(圖3)。

圖3 琿春組中上部辮狀河沉積序列及成煤特征(八連城煤礦1012 鉆孔)Fig.3 Sedimentary sequence and coal-forming characteristics of braided river in the middle and Upper Hunchun Formation (1012 borehole in Baliancheng Coal Mine)

3) 辮狀河三角洲

辮狀河三角洲處于辮狀河和湖泊的過渡地帶，沉積亞相包括三角洲平原、三角洲前緣和前三角洲，其典型沉積序列呈“下細(xì)上粗”的逆粒序特征，識別出來的沉積微相包括遠(yuǎn)砂壩、河口壩、分流間灣和分流河道，煤層和炭質(zhì)泥巖主要發(fā)育在三角洲平原的分流間灣中(圖4)。

圖4 琿春組中下部辮狀河三角洲沉積序列及成煤特征(八連城煤礦1012 鉆孔)Fig.4 Sedimentary sequence and coal-forming characteristics of braided river delta in the middle and lower Hunchun Formation (1012 borehole in Baliancheng Coal Mine)

4) 湖泊

琿春組中晚期，整個湖盆范圍開始擴(kuò)張，沖積扇和辮狀河體系開始逐漸消亡。湖泊沉積水動力較弱，多為粉砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖等顆粒細(xì)小的沉積物，較弱的水動力條件使得水平層理和波狀層理最為發(fā)育；下粗上細(xì)的垂向沉積序列表征濱湖環(huán)境向淺湖和半深湖環(huán)境過渡。結(jié)合本次研究區(qū)各垂向序列的具體沉積特征，識別出琿春組湖泊體系中的濱湖、淺湖和半深湖等亞相(圖5)。

圖5 琿春組中上部湖泊沉積序列及成煤特征(八連城煤礦1012 鉆孔)Fig.5 Sedimentary sequence and coal-forming characteristics of lacustrine in the middle and Upper Hunchun Formation (1012 borehole in Baliancheng Coal Mine)

3 琿春組層序地層格架

3.1 關(guān)鍵性層序地層界面

本次研究層序定義和體系域的劃分采用Exxon 公司經(jīng)典“Vail”學(xué)派的觀點(diǎn)[33-34]，即每個3 級層序可具體劃分為低位體系域、湖侵體系域和高位體系域。

1) 層序界面識別

在湖盆邊緣處，層序界面常常表現(xiàn)為區(qū)域性的不整合面或河流下切谷沖刷面；而在湖盆內(nèi)部，層序界面是連續(xù)沉積可對比的相對整合面。在研究區(qū)古近系琿春組內(nèi)共識別出3 類層序界面。(1) 區(qū)域不整合面：該界面代表一定的沉積間斷[35]，琿春組與下伏上侏羅統(tǒng)屯田營組和上覆第四系呈不整合接觸。(2) 河流下切谷沖刷面：由于基準(zhǔn)面的相對下沉，典型的層序界面是河流回春作用所造成的下切谷，多個層序的低位體系域沉積由研究區(qū)內(nèi)發(fā)育普遍的河流下切谷砂體構(gòu)成[36]。(3) 沉積體系轉(zhuǎn)換面：上下地層的巖性和顏色突變?yōu)閷有蚪缑鎇37]。

2) 初始湖泛面識別

初始湖泛面是指湖水首次漫過坡折帶或河流下切谷形成的沉積面，是低位體系域和湖侵體系域的物理界面[38]。初始湖泛面被界定為河道的砂礫巖以上且在細(xì)粒沉積物以下的界面，表現(xiàn)為測井曲線上快速增長的自然伽馬和快速降低的電阻率。有的地區(qū)若河道發(fā)育較差，古土壤較為發(fā)育，此時初始湖泛面與層序界面一致[38]。

一個基準(zhǔn)面旋回內(nèi)，基準(zhǔn)面變化速率最快、水體最深時形成的界面為最大湖泛面，是湖侵體系域和高位體系域的物理界面[38]。表現(xiàn)為自下而上由粗到細(xì)的沉積序列，水深較大的泥巖、粉砂質(zhì)泥巖出現(xiàn)時，一般將最大湖泛面劃分在厚層泥巖底界，此時測井特征表現(xiàn)為低電阻率、高密度、高自然伽馬的特征[39]。

3.2 典型鉆孔-剖面沉積相及層序地層特征

根據(jù)識別出的關(guān)鍵層序地層界面，考慮到琿春組大致處于古近紀(jì)始新世，延伸時限為21.9 Ma[40]，將琿春組劃分為3 個三級層序，每個層序代表的時限為7.3 Ma，符合三級海平面變化周期的持續(xù)時間間隔[38]。為了建立琿春盆地古近紀(jì)琿春組的層序地層格架，在分析具有較強(qiáng)代表性的單個鉆孔層序地層及沉積相基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究近南北向和近東西向琿春組沉積相-層序?qū)Ρ忍卣鳌１敬嗡x取具有較強(qiáng)代表性的鉆孔及位置如圖1 所示。

3.2.1 代表性鉆孔沉積與層序地層特征

八連城地區(qū)1017 號井位于琿春盆地西南部，該鉆孔較為齊全地揭露了琿春組中下部地層，顯示琿春組底界埋深為584.5 m，是琿春盆地內(nèi)很好的地層觀察點(diǎn)。該鉆孔琿春組內(nèi)主要發(fā)育粉砂巖、細(xì)砂巖、煤層和泥巖，礫巖和粗砂巖含量較少，以沖積扇-河流-三角洲-湖泊相沉積為主(圖6)。根據(jù)基準(zhǔn)面升降、剩余可容空間變化以及沉積相演化，可將琿春組中下部地層劃分為2 個三級層序，層序Ⅰ底界面為琿春組和下伏屯田營組的分界，頂界面為河道砂巖的底界面；層序Ⅱ底界面對應(yīng)辮狀河道沖刷面，頂界面為湖泊砂巖的頂界面(圖6)。

圖6 琿春盆地1017 號鉆孔沉積相及層序地層綜合柱狀圖Fig.6 Comprehensive histogram of sedimentary facies and sequence stratigraphy of 1017 drilling borehole in Hunchun Basin

3.2.2 層序地層格架下對比剖面的沉積特征

為了進(jìn)一步分析琿春組層序地層格架內(nèi)沉積相的展布特征，選取近SN 向(沉積傾向)和近EW 向(沉積走向)2 個鉆孔剖面進(jìn)行詳細(xì)分析，結(jié)果表明琿春盆地古近紀(jì)成煤時期存在3 個沉積厚度較大的地區(qū)，分別位于八連城、板石和五家子?xùn)|側(cè)一帶。

1) 近SN 向剖面層序地層及沉積特征

而且，預(yù)約中心根據(jù)患者的需求、醫(yī)技科室的能力、檢查的需要，會替患者選擇最佳時間。宣姝姝介紹，“早晚時段，傾向住院患者”；“常規(guī)時段，傾向門診患者”；“預(yù)置若干緩沖檢查號，供急診患者、重癥患者、特需患者使用”；“多項檢查患者，合理安排檢查項目先后順序”。

該剖面琿春組地層表現(xiàn)為北部地區(qū)厚度較薄，南部次之，中部地層較厚的特點(diǎn)，沉積中心位于八連城地區(qū)，次級凹陷則位于板石地區(qū)(圖7)。層序Ⅰ沉積期，該地區(qū)主要發(fā)育沖積扇和辮狀河沉積體系等沖積環(huán)境，研究區(qū)北側(cè)靠近物源區(qū)，巖性多為低位體系域的扇根礫巖和粗粒砂巖，而在盆地中心部位，湖侵體系域和高位體系域占絕對優(yōu)勢，沉積物巖性粒度由盆地物源區(qū)向盆地沉降中心變細(xì)，煤層主要發(fā)育在沖積扇沉積體系中的扇端亞相和辮狀河沉積體系中的河漫灘亞相中。層序Ⅱ沉積期，該地區(qū)基準(zhǔn)面再次由低點(diǎn)向高點(diǎn)變化，沉積體系演化整體上仍然表現(xiàn)為：從盆地邊緣向盆地中心依次由沖積扇向辮狀河三角洲過渡。層序Ⅲ時期除鉆孔5-1 以外，絕大部分地區(qū)湖泊沉積體系占絕對優(yōu)勢，但巖性中并未見到如油頁巖和指示深湖-半深湖的動物化石，因此層序Ⅲ時期該研究區(qū)湖盆范圍擴(kuò)大，且以濱淺湖沉積為主，沉積(地層堆積)中心位于八連城附近。

圖7 琿春組近SN 向鉆孔剖面層序地層及沉積相對比Fig.7 Correlation profile for sequence stratigraphy and sedimentary facies across north-south drilling section of Hunchun Formation

2) 近EW 向剖面層序地層及沉積特征

該剖面由西向東整體上地層厚度表現(xiàn)為兩端厚、中間薄的趨勢，其中鉆孔714 和鉆孔645 的地層厚度明顯低于其他鉆孔，推測在研究區(qū)中部存在一個同沉積隆起，使得該區(qū)域的整體沉積厚度減薄。該剖面存在2 個沉積中心，即西部地區(qū)的八連城地區(qū)和東部地區(qū)的五家子地區(qū)，最大厚度可超600 m(圖8)。層序Ⅰ沉積期，該剖面主要發(fā)育沖積扇和辮狀河沉積體系，其中，低位體系域以河道滯留沉積、扇根含礫粗砂巖和塊狀礫巖等巖相為主，而湖侵體系域和高位體系域中則以辮狀河沉積體系為主導(dǎo)；在層序Ⅱ沉積期，研究區(qū)基準(zhǔn)面再次下降，但巖性粒度相較于層序Ⅰ時期明顯變細(xì)，主要發(fā)育辮狀河三角洲沉積體系，由盆地邊緣和河流環(huán)境向盆地中心的湖泊環(huán)境進(jìn)積；層序Ⅲ時期除鉆孔1017 外，絕大部分均以湖泊沉積體系占絕對優(yōu)勢，且以濱淺湖沉積為主(圖8)。需要說明的是，由于煤層主要位于琿春組的中下部，且鉆孔1017 服務(wù)于煤層氣勘探開發(fā)，埋深280 m 以淺巖心和巖性描述無記錄，因此，該鉆孔層序Ⅰ沉積期的層序劃分界線僅為推測結(jié)果。

圖8 琿春組近EW 向鉆孔剖面層序地層及沉積相對比Fig.8 Correlation profile for sequence stratigraphy and sedimentary facies across east-west drilling section of Hunchun Formation

4 琿春組層序–古地理及聚煤特征

在層序地層格架內(nèi)分析煤層展布及其影響因素是研究古地理背景下聚煤規(guī)律的基礎(chǔ)?；诂q春組層序地層劃分結(jié)果，將作圖單元劃分為3 個三級層序，利用單因素分析多因素綜合作圖法[41]，其中單因素包括各層序砂巖厚度、砂泥比和煤層厚度，參考鉆孔剖面和對比剖面沉積相分析，恢復(fù)了琿春盆地不同沉積期的巖相古地理格局及演化特征，結(jié)合各層序內(nèi)煤層厚度的展布特征，探討層序-古地理背景下的煤層分布以及遷移規(guī)律。

4.1 層序Ⅰ巖相古地理特征

琿春盆地層序Ⅰ時期，整體上地形為南北高中間低，南部和北部地區(qū)的高地雖然有充足的物源供給，但總體上沉降幅度較小，由南北向中間方向的沉降幅度逐漸增大，對應(yīng)的地層厚度也向中部地區(qū)逐漸變厚，特別是西部的八連城地區(qū)和東部54-9 鉆孔附近，為主要的沉積中心；在五家子附近，地層厚度為50～80 m，為琿春盆地層序Ⅰ時期的次級沉積中心；砂巖厚度整體

上由東向西增大，在北部和西部地區(qū)存在高值區(qū)，但北部地區(qū)以礫巖和粗砂巖為主，而西部地區(qū)以中砂巖和細(xì)砂巖為主(圖9a)，反映出其沉積環(huán)境的差異變化。

沉積期內(nèi)砂巖厚度和泥巖(含粉砂巖)厚度的比值(砂泥比)，是劃分沉積相帶的主要依據(jù)[35,39]。砂泥比高、砂巖厚度大的區(qū)域，一般是沖積扇、古河道發(fā)育的位置；砂泥比低，泥巖厚度較大的區(qū)域，一般是湖泊或河漫湖泊等水體相對較深的位置[36,41]。該時期砂泥比較高的區(qū)域位于北部11-2 鉆孔附近和東南部的51-1鉆孔附近(圖9b)。綜合考慮研究區(qū)古近紀(jì)琿春組的地層總厚度、砂巖厚度、煤層厚度和沉積構(gòu)造等單因素特征[41]，將砂泥比大于5 作為沖積扇的沉積范圍，將砂泥比處于2～5 作為辮狀河發(fā)育區(qū)域，將砂泥比為0.5～2.0 作為辮狀河三角洲的沉積范圍，基于上述劃分標(biāo)準(zhǔn)，琿春組層序Ⅰ時期總體上發(fā)育沖積扇、辮狀河和辮狀河三角洲等3 類沉積體系(圖9c)。

圖9 琿春組層序Ⅰ砂巖厚度、砂泥比、古地理及煤層厚度等值線Fig.9 Sandstone thickness,sand/mud ratio,paleogeographic map and coal distribution in sequence Ⅰ of Hunchun Formation

具體而言，在層序Ⅰ時期，研究區(qū)北部和東南部2 個區(qū)域為物源區(qū)，沉積物粒度較大，以礫巖和粗粒砂巖為主，分選性差、磨圓度低且砂泥比值非常高，為沖積扇沉積，該沉積期沖積扇沉積范圍最大。由盆源向盆地中心過渡，在沖積扇沉積體系內(nèi)出現(xiàn)了多條辮狀河道，隨著地形坡度的降低，辮狀河逐漸過渡為砂泥比較低和水動力較弱的三角洲沉積，較厚的煤層往往發(fā)育在辮狀河河漫沼澤和三角洲平原分流間灣中。整體上，在該沉積時期，東北部和東南部以沖積扇為主，隨著向盆地中心不斷進(jìn)積，沉積體系依次過渡為辮狀河和三角洲沉積。

4.2 層序Ⅱ巖相古地理特征

層序Ⅱ時期琿春組含煤地層延續(xù)層序Ⅰ的沉積特征，地層厚度依然表現(xiàn)為北部地區(qū)和東南部地區(qū)沉積厚度薄、東西兩側(cè)地區(qū)沉積厚度大的特征，地層厚度總體在50～200 m，其中，八連城地區(qū)沉積厚度最大，其次位于東部鉆孔54-9 附近。值得注意的是，在這2 個沉積中心的東西連線上沉積厚度普遍偏低，有的地方甚至低于70 m，分析認(rèn)為應(yīng)該存在同沉積隆起構(gòu)造(圖8)，導(dǎo)致該地區(qū)的砂巖厚度明顯偏低(圖10a)。該層序時期砂巖厚度最大值位于研究區(qū)的西南部，應(yīng)該為河流和三角洲的沉積范圍。

圖10 琿春組層序Ⅱ砂巖厚度和古地理及煤層厚度等值線Fig.10 Sandstone thickness,paleogeographic map and coal distribution in sequence Ⅱ of Hunchun Formation

與層序Ⅰ沉積厚度和泥巖厚度分布不同，琿春組層序Ⅱ沉積期砂泥比值明顯偏低，且出現(xiàn)了多個低于1 的分布區(qū)域，這應(yīng)該與該時期可容空間增大有關(guān)，高可容空間和低砂泥比區(qū)域主要分布在研究區(qū)中部和東部地區(qū)。砂巖厚度大，砂泥比高的區(qū)域，推測為古河道在層序Ⅱ時期的分布位置。砂泥比較低的區(qū)域一般是覆水較深的湖泊、河漫湖泊發(fā)育的地方。綜合分析，確定該沉積時期砂泥比大于5 的區(qū)域為沖積扇沉積，處于2～5 的為辮狀河沉積，0.5～2.0 的為辮狀河三角洲沉積，小于0.5 的區(qū)域?qū)儆跒I淺湖沉積。層序Ⅱ沉積期主要發(fā)育的古環(huán)境類型包括沖積扇、辮狀河、辮狀河三角洲和濱淺湖等(圖10b)。研究區(qū)西北部和東南部仍發(fā)育沖積扇沉積，但沖積扇范圍比層序Ⅰ時期有所萎縮。沖積扇扇端出現(xiàn)多條辮狀河道向三角洲和濱淺湖沉積單元過渡，有利的成煤單元位于辮狀河河漫沼澤、三角洲平原分流間灣以及濱淺湖的淤淺沼澤處，主要在盆地的東部和西部兩側(cè)(圖10b)。

4.3 層序Ⅲ巖相古地理特征

層序Ⅲ時期，琿春組在西北部和東南部地區(qū)地層厚度依然較薄，但地層厚度在東西方向上變化很大，最厚的區(qū)域可超230 m，反映該地區(qū)層序Ⅲ時期的構(gòu)造沉降幅度大，且有充足的沉積物供給。該沉積期砂巖厚度表現(xiàn)為西北和西南兩側(cè)厚而中間相對較薄的特點(diǎn)(圖11a)，因此，西北和西南地區(qū)應(yīng)該為河流和三角洲沉積的主體范圍，砂巖厚度和砂泥比值整體上較層序Ⅱ有所減少，表明該時期湖泊范圍發(fā)生了進(jìn)一步擴(kuò)張，特別在研究區(qū)中部和東部地區(qū)，砂泥比值非常低，部分地區(qū)低于0.2。但在研究區(qū)西北和西南部同時出現(xiàn)了砂泥比值較高的區(qū)域，推測是辮狀河沉積發(fā)育的位置。層序Ⅲ時期延續(xù)了層序Ⅱ時期湖泊范圍不斷擴(kuò)張的特點(diǎn)，湖盆面積進(jìn)一步擴(kuò)張，整體上砂泥比值進(jìn)一步減小，僅在研究區(qū)西北部和西南部出現(xiàn)少數(shù)幾個砂泥比高值點(diǎn)，砂泥比值大于5 的地區(qū)明顯減少，結(jié)合巖性粒度分布，認(rèn)為該時期的沖積扇體系基本消失，而砂泥比值較低的區(qū)域應(yīng)是湖泊和河漫湖泊發(fā)育的地區(qū)。層序Ⅲ沉積期主要發(fā)育的古環(huán)境類型有濱淺湖、三角洲和辮狀河等沉積單元。湖盆范圍與層序Ⅱ時期相比進(jìn)一步擴(kuò)張，這是最主要變化特征之一，有利的成煤單元為三角洲平原以及濱淺湖的淤淺沼澤(圖11b)。

圖11 琿春組層序Ⅲ砂巖厚度和古地理及煤層厚度等值線Fig.11 Sandstone thickness,paleogeographic map and coal distribution in sequence Ⅲ of Hunchun Formation

4.4 層序–古地理演化及聚煤分析

琿春盆地古近紀(jì)琿春組是沉積在上侏羅統(tǒng)火山碎屑巖之上的一套多煤層陸相含煤建造，識別出來的沉積體系包括沖積扇、辮狀河、辮狀河三角洲和湖泊等。沉積體系的演化受控于盆地古構(gòu)造[42]，琿春組由下至上總體的沉積演化過程為：巖性粒度不斷變細(xì)，對應(yīng)的沖積扇沉積體系范圍不斷萎縮，而湖泊的沉積范圍不斷擴(kuò)張(圖9-圖11)。基于各層序的古地理演化分析可知，物源由層序Ⅰ時期的東北部和東南部逐漸演變至層序Ⅲ時期的NW 部和SW 部，物源方向的改變表明物源區(qū)山脈的差異化隆升，同時這也改變了含煤地層的古流向；除物源方向發(fā)生改變外，沉積中心也在不斷變化，整體上琿春組沉積時期存在3 處厚度較大的沉積中心，即位于八連城地區(qū)鉆孔1013 附近，板石地區(qū)鉆孔74-67 附近和東部鉆孔54-9 附近。具體而言，從層序Ⅰ-Ⅲ時期，沉積中心和聚煤中心有較好的對應(yīng)關(guān)系，且兩者呈現(xiàn)由盆地西部向東部再向西部過渡的趨勢?，q春盆地古近系的主要成煤環(huán)境包括扇端漫流沼澤、河漫沼澤、分流間灣沼澤和湖灣沼澤等，其在沉積體系、煤層層數(shù)、穩(wěn)定程度、煤層厚度、宏觀煤巖類型和共生的主要巖石類型等方面存在一定的差異(表3)。

表3 古近紀(jì)琿春組4 種成煤環(huán)境的聚煤特征對比Table 3 Coal accumulation comparison of four coal-forming environments in the Hunchun Formation

在層序地層格架內(nèi)，琿春盆地煤層發(fā)育具有明顯規(guī)律性。從層序Ⅰ至層序Ⅲ，聚煤作用先增強(qiáng)后減弱。層序Ⅰ形成的沖積扇體系主要集中在研究區(qū)北部和東南部地區(qū)，依次向盆地方向過渡為辮狀河和三角洲沉積體系。盆地沉積中心位于琿春盆地中部，物源來自盆地的東北部和東南部兩處；在東西方向上，沉積中心位于中東部鉆孔54-9 附近以及中西部鉆孔1013 附近。隨著盆地基底不斷降低以及湖侵范圍不斷擴(kuò)大，沉積物向盆地邊緣逐漸退積。辮狀河和三角洲是層序Ⅰ時期最主要的成煤環(huán)境，且前者的聚煤強(qiáng)度明顯低于后者。層序Ⅱ沉積期，開始出現(xiàn)湖泊沉積體系，其范圍主要位于盆地中部五家子附近，與層序Ⅰ時期相比較，沉積中心略向東遷移。由于鉆孔位置不同，厚煤層在層序中發(fā)育的位置也不盡相同，如鉆孔916 附近，由于水體較深，煤層整體上發(fā)育較差，而在鉆孔612、鉆孔714 和鉆孔73-1 附近，由于水深較為適中，可容空間增加速率和泥炭地堆積速率持續(xù)匹配，使得在湖侵體系域和高位體系域中形成厚煤層，煤層主要發(fā)育于層序Ⅱ湖侵體系域和高位體系域的河漫沼澤中。層序Ⅲ沉積期，盆地繼續(xù)沉降，湖泊范圍達(dá)到最大，湖泊沉積體系得到了空前發(fā)展，而沖積扇和河流規(guī)模相比層序Ⅱ開始萎縮，聚煤作用相對較弱，部分地區(qū)僅發(fā)育一些炭質(zhì)泥巖和極薄煤層。值得一提的是，層序Ⅰ和層序Ⅱ中均存在辮狀河湖侵成煤，但層序Ⅰ中水動力條件強(qiáng)，相帶變化和可容空間變化速率快，易形成厚度較大但橫向連續(xù)性較差的煤層；層序Ⅱ時期則不同，由于沖積扇沉積逐漸消退，易形成厚度較薄且橫向連續(xù)性較好的煤層。以八連城鉆孔1017 為例，層序Ⅰ中單層煤厚最大為2.01 m，最薄為0.47 m，平均0.81 m；而層序Ⅱ中單層煤厚最大為0.65 m，最薄為0.2 m，平均為0.39 m，這是層序Ⅰ和層序Ⅱ辮狀河湖侵體系域成煤的主要差異之一。整體而言，在單一層序地層格架下，低水位體系域處于碎屑沉積體系活動頻繁時期，水動力較強(qiáng)，基準(zhǔn)面變化速率大多處于負(fù)增長，在凹陷孤立砂體發(fā)育的基礎(chǔ)上，僅在低位體系域末期形成部分薄層且連續(xù)性差的煤層；湖侵體系域由于基準(zhǔn)面增加速率和泥炭堆積速率長期匹配，可形成厚度大且連續(xù)性好的煤層；高位體系域中基準(zhǔn)面變化速率降低，但可容空間依然較大，泥巖和粉砂巖較為發(fā)育，可形成中厚層且連續(xù)性較好的煤層(圖12)。

圖12 層序格架下基準(zhǔn)面變化與聚煤強(qiáng)度模式Fig.12 Response model of basin level changes on coal accumulation under a sequence stratigraphic framework

根據(jù)琿春組層序-古地理演化及聚煤分析可知，即使處于有利成煤相帶，低位體系域中也很難形成厚度大且連續(xù)的煤層，這是因為低位體系域大多處于活動碎屑沉積體系時期，而湖侵體系域和高位體系域則是碎屑沉積體系減弱甚至廢棄時期，可容空間大，水動力條件弱，在有利的成煤相帶中可以形成厚度大且連續(xù)分布的煤層，因此，碎屑沉積體系減弱/廢棄和有利成煤相帶分布綜合控制著煤層的形成和分布。實(shí)際上，陸相含煤盆地的形成過程就是多期陸源碎屑沉積體系活動與廢棄的交替演化史，研究區(qū)碎屑沉積體系活動的強(qiáng)弱應(yīng)該與物源區(qū)構(gòu)造隆升關(guān)系密切。具體而言，層序Ⅰ沉積期聚煤中心出現(xiàn)在琿春盆地西部的八連城地區(qū)，最大厚度可超10 m(圖9c)，這是由于該區(qū)域遠(yuǎn)離物源供給區(qū)，水動力條件相對較弱，且辮狀河和三角洲過渡地帶的泥炭堆積速率與可容空間增加速率長時間相匹配，形成了厚度較大的煤層。層序Ⅱ時期，聚煤中心分別位于東部鉆孔54-9 附近和西部八連城等2 個區(qū)域，其中，東部聚煤中心煤層厚度可達(dá)8 m 以上(圖10b)，這是由于物源供給區(qū)方向的改變，使得琿春盆地東部成為該時期第二個聚煤中心。層序Ⅲ時期碎屑沉積體系明顯減弱，湖盆面積繼續(xù)擴(kuò)大，東部鉆孔54-9 附近湖平面過高導(dǎo)致聚煤強(qiáng)度有所減弱，該時期聚煤中心有向西部八連城和南部板石地區(qū)遷移的趨勢(圖11b)。另外，位于盆地中心地帶的琿春市附近煤層厚度發(fā)育一般，這應(yīng)該與同沉積隆起有關(guān)，隆升導(dǎo)致可容空間降低，減少了泥炭持續(xù)堆積的時間[43]?；诿簩雍穸鹊姆植继卣?，結(jié)合古地理劃分結(jié)果，后期琿春盆地煤炭勘探可以在研究區(qū)東部鉆孔54-9 以東的廟嶺找礦區(qū)以及八連城地區(qū)西側(cè)繼續(xù)勘探，有望獲得新的煤炭儲量。

5 結(jié)論

a.基于區(qū)域地質(zhì)和鉆孔巖心資料，共識別出琿春盆地古近紀(jì)琿春組礫巖、砂巖、粉砂巖、泥巖和可燃有機(jī)巖5 類巖石類型和對應(yīng)的12 種巖相類型，琿春組含煤巖系發(fā)育沖積扇、辮狀河、辮狀河三角洲和湖泊等4 類沉積體系，具體包括12 類沉積亞相和13 類沉積微相。

b.在琿春組內(nèi)識別出區(qū)域不整合面、河流下切谷沖刷面和沉積體系轉(zhuǎn)換面等3 類層序界面，將琿春組劃分為3 個三級層序，并以此建立了琿春組等時地層格架。整體上，層序Ⅰ、層序Ⅱ和層序Ⅲ沉積期的優(yōu)勢沉積體系分別是沖積扇、辮狀河三角洲和湖泊。

c.在層序地層格架內(nèi)，琿春組煤層發(fā)育具有明顯規(guī)律性。從層序Ⅰ至層序Ⅲ，聚煤作用先增強(qiáng)后減弱，厚煤層主要發(fā)育在湖侵體系域和高位體系域中碎屑沉積體系明顯減弱時期。湖侵體系域由于基準(zhǔn)面增加速率和泥炭堆積速率長期匹配，可形成厚度大且連續(xù)性好的煤層；高位體系域中基準(zhǔn)面變化速率降低，可形成中厚層且連續(xù)性較好的煤層。

d.琿春盆地地層沉積中心和聚煤中心有較好的對應(yīng)關(guān)系，且兩者呈現(xiàn)由盆地西部向東部再向西部過渡的趨勢，成煤古地理單元主要包括扇端漫流沉積、辮狀河河漫灘、三角洲平原分流間灣和濱淺湖等。研究區(qū)東部鉆孔54-9 以東廟嶺找礦區(qū)以及八連城西側(cè)地區(qū)有望獲得新的煤炭儲量。