鄂爾多斯盆地東南部晚古生代陸表海層序演化過程與其控制下的聚煤模式

摘 要 鄂爾多斯盆地東南部作為我國重要的煤炭和煤層氣產(chǎn)地，其較為復雜的沉積環(huán)境演化過程為陸表海背景下聚煤環(huán)境研究提供了良好的研究對象。以鄂爾多斯東部晚古生代沉積為例，建立統(tǒng)一標準的層序地層格架，并且提出對應的層序疊置樣式；在此基礎上結合陸表海聚煤規(guī)律，揭示不同層系間聚煤范圍的差異，厘清垂向上的層序疊加樣式和平面含煤沉積體展布規(guī)律之間的關系。從井—震精細解釋出發(fā)，定量刻畫出不同平面范圍內沉積物供給量（S）與可容納空間變化量（A）。最終歸納出三種短期層序的疊加演化樣式：持續(xù)進積型層序，持續(xù)暴露型層序，沉積轉化型層序。其中，持續(xù)進積型層序主要發(fā)育中厚煤層，受地形影響較大；持續(xù)暴露型層序發(fā)育煤層較薄，分布范圍有限；沉積轉化型層序，沉積供給方向不斷變化，導致泥炭局部聚集為厚煤層，但是平面發(fā)育范圍有限。針對上述三種層序樣式，結合成煤環(huán)境確定對應主控因素，提出持續(xù)進積型層序與持續(xù)暴露型層序主要受控于可容納空間變化，而沉積轉化型層序受控于沉積供給速率影響。

關鍵詞 鄂爾多斯盆地；晚古生代；可容納空間；沉積物供給；聚煤響應

第一作者簡介 付超，男，1992年出生，博士后，層序地層學與沉積學，E-mail： fuchao5@cnooc.com.cn

通信作者 于興河，男，教授，E-mail： billyu@cugb.edu.cn

中圖分類號 P512.2 文獻標志碼 A

0 引言

陸表海沉積的研究起源于Witzke[1]，其層序以發(fā)育海侵域和高位域為主，低位域缺失的特點，通常較高的海平面可以為泥炭保存提供封閉的環(huán)境。同時，陸表海主要發(fā)育淺水三角洲或濱—淺海障壁沉積，局部洼地可以為泥炭沼澤提供較為理想的聚集空間[2?5]。但是，陸表海沉積不同于河流主控的沉積體系，其受到波浪和潮汐改造更加頻繁[6?8]，造成沉積物難以有效保存，進而使其研究存在一定的難度。近些年陸表海沉積環(huán)境中主控因素、動力學背景、聚煤作用和砂體形態(tài)等方面已經(jīng)成為研究的熱點。

本次研究區(qū)域為鄂爾多斯盆地東南部，位于華北地臺西部，在晚古生代期間經(jīng)歷了劇烈的海退和氣候逐漸干旱過程[9]，為陸表海含煤層系的層序地層學研究提供了較好的研究對象。對于含煤層系層序地層學的研究，最早開始于Jones[10]和Collinson et al.[11]，主要關注海平面變化對聚煤規(guī)律的影響，即正常海侵和海退與聚煤間的相互作用。但該模式無法解決濱—淺海區(qū)域快速海退背景下區(qū)域聚煤成因復雜的問題。同時，在研究含煤層系層序地層發(fā)育的影響因素方面[12?13]，目前研究更多從定性角度刻畫海平面變化和物源供給等因素，缺少定量刻畫方法，即無法為陸表海聚煤背景下層序劃分提供可操作性的方案[9]。

此外，華北地臺晚古生代處于冰期和間冰期轉化的階段[14?16]。早期研究主要探討該區(qū)域體系域的識別和其沉積演化過程[17?21]，而最近研究則多關注不同含煤層系層序樣式的建立與定量表征其演化過程[22]。本次研究采用為Catuneanu et al.[23?24]提出的層序標準化之后的格架劃分方案，結合Vail et al.[25]提出的可容納空間、基準面等概念[25]，將沉積物供給和海平面變化兩者結合進行綜合分析。針對晚石炭世—早二疊世濱淺海環(huán)境和三角洲背景下對鄂爾多斯東部不同層序背景下聚煤模式進行分別論述。

1 地質概況

鄂爾多斯盆地四周均為造山帶所圍，東邊呂梁山，西邊賀蘭山—六盤山，北面陰山、阿拉善古陸，南面秦嶺（圖1）。盆地內部斷裂較少，研究區(qū)所處鄂爾多斯盆地東南部，研究區(qū)總面積為2 395 km2，在構造單元劃分中屬于晉西撓褶皺帶，其早古生代主要為陸表海沉積[9]。

鄂爾多斯盆地沉積物總厚度最大為10 km，盆地充填以顯生宙沉積物為主。該盆地由于受到加里東運動影響，盆地抬升，古生界地層缺失上奧陶統(tǒng)—下石炭統(tǒng)約160 Ma 沉積記錄，其中下古生界地層厚300～600 m，上古生界厚約900 m。中生界和新生界地層發(fā)育較為齊全，僅上白堊統(tǒng)地層缺失，中生界地層厚約5.5 km，新生界地層厚約3 km。晚古生代主要發(fā)育上石炭統(tǒng)—下二疊統(tǒng)太原組，下二疊統(tǒng)山西組，中下二疊統(tǒng)下石盒子組，上二疊統(tǒng)上石盒子組。該時期為典型的陸表海沉積環(huán)境[9]。

2 層序地層格架建立

現(xiàn)代層序地層學等時研究的前提是識別層序界面，然而由于研究區(qū)地形相對平緩，巖性變化不明顯，難以有效地確定含煤層系的層序界面，亟需引入多種參數(shù)進行綜合劃分。Banerjee et al.[26] 提出利用巖相、地化數(shù)據(jù)、孢粉等指標的遞變劃分含煤層系的垂向層序。Catuneanu[24]指出利用地球物理響應差異劃分層序。本次研究首先綜合上述提及的多種指標（地化、粒度、電性特征）識別出短期層序（0.5～3 Ma）；在此基礎上將短期層序進行組合，建立中期層序（1.5～5 Ma）。

2.1 單井層序邊界識別

對于單井短期旋回的劃分主要參考其粒度與測井值的變化。根據(jù)自然伽馬（GR）曲線和GR-Inpefa曲線的變化趨勢確定出基準面的變化方向。其中GR-Inpefa測井曲線為利用頻譜分析手段，將測井曲線的細小信息進行放大，使其識別精度達到米蘭科維奇層序劃分的要求。GR-Inpefa曲線，斜率為正代表海平面上升，斜率為負代表海平面下降，局部凸點代表海平面的突然變化。

Johnson et al.[27]提出將一次水體加深過程和一次水體下降過程合并為一個完成的層序的理論（T-R層序劃分理論）?；谠摾碚?，本次研究需要識別出初始海泛面（FS）和最大海退面（MRS）、最大海泛面（MFS）。初始海泛面和最大海退面以暴露作為主要的識別標志，其中包括鈣質結核、干裂紋、瘤狀植物和根土巖等。此外，由于風化、淋濾和改造等作用導致其下伏巖性存在一定的差異[26?28]。因此，GR曲線表現(xiàn)出較為明顯的突變，即通過突變最明顯的轉折點確定其層序邊界（圖2）。最大海泛面主要表現(xiàn)為沉積供給量減少導致的沉積間斷[27]，在垂向上表現(xiàn)為粒度向上變細、沉積構造規(guī)模變小的特點[9，28?29]。

2.2 井—震層序界面識別

通過對巖石物理性質分析，識別出煤層和灰?guī)r等阻抗差異較大界面。如利用太原組頂部全區(qū)廣泛發(fā)育的東大窯灰?guī)rTc2，作為SQIII底界面[30]。將山西組中4+5#煤層發(fā)育的層位確定為Tp10，為最大海泛面。同時利用上超、下超和削截等界面接觸關系進行確定，進而將晚古生代早期（巴什基爾階—吳家坪階）劃分出5個層序：SQI～SQV。SQI以最大海退面（MRS）為底界，與下伏的奧陶系灰?guī)r層呈現(xiàn)角度不整合，該時期整體基準面上升，層序厚度變化不大。SQII時期，存在沉積中斷（hiatus）沉積物供應減少，故低位域不發(fā)育[31?33]。而在高位域以碳酸鹽巖臺地沉積臺地為主。SQIII、SQIV 和SQV 均以最大海退面（MRS）為層序的邊界，具有完整的旋回結構（LSTTST-HST）（圖3）。

從地震反射特征來說（圖4），由于研究區(qū)地震資料分辨率有限，因此難以識別出明顯的沉積體邊界。因此主要利用同相軸的疊置關系，判斷可容納空間和沉積物供給速率之間的關系：當同相軸為連續(xù)高振幅時，反映可容納空間變化速度≈沉積物供給速度；當可以識別出明顯的前積同相軸時，反映可容納空間變化速度gt;沉積物供給速度；當可以識別出明顯的同相軸削截時，反映可容納空間變化速度小于沉積物供給速度。此外，為了克服地震分辨率有限的問題，沿地震測線建立連井砂體對比剖面，輔助其層序界面的刻畫與沉積充填過程的刻畫（圖5）。

SQI地震同相軸連續(xù)性較好，但地震強度中等，斜坡上游連續(xù)性強于下游。參考Diessel et al.[29]提出的欠補償盆地、平衡盆地和過補償盆地中的層序樣式。SQI時期為平衡補償?shù)膶有驑邮剑椿壮两邓俾逝c沉積速率相近，低位域與高位域都有沉積物發(fā)育。SQII上部灰?guī)r同相軸較為連續(xù)，底部同相軸具有明顯的疊覆現(xiàn)象。解釋為陸坡中部具有大量的沉積物聚集，在高位域時期沉積物發(fā)育有限。SQIII～SQV中部同相軸連續(xù)性高和極性較強，推測為最大海泛面（MFS），多發(fā)育細粒沉積。MFS上部同相軸可見少量削截，對應海退過程暴露過程。MFS下部可見大量的同相軸丘狀隆起，對應低位楔沉積。

2.3 井—震層序疊加樣式

上述識別的層序在垂向上可以劃分出不同類型的疊加樣式，其中按照單期層序的發(fā)育厚度，將其分成欠補償背景與過補償背景兩種層序疊置樣式：欠補償條件下的層序疊加樣式單期旋回較薄，GR曲線表現(xiàn)出脈狀。多是由于沉積物供給量有限，海/湖平面頻繁變化形成的。過補償背景下的層序疊置樣式短期旋回的厚度大于5 m，GR曲線表現(xiàn)出箱狀或鐘（或漏斗）狀，反映上升和下降旋回中沉積物持續(xù)穩(wěn)定供應過程（圖6）。為了明確區(qū)分出不同補償條件下旋回疊置樣式的沉積成因差異，利用進積或退積過程進行描述。對于低可容納空間來說，其沉降速率有限，因此可容納空間的變化主要取決于海平面的進退。即認為進積過程為海平面下降，可容納空間減小，基準面下降；而退積過程為海平面上升，可容納空間增加，基準面上升。

此外，欠補償背景下海平面變化對沉積體的影響較大。參考Fu et al.[4]研究，該背景下沉積體多發(fā)育曲流水道。根據(jù)短期旋回的疊加樣式，將該背景下旋回疊置樣式分成三種類型：對稱型旋回，退積型旋回和進積型旋回。其中對稱型旋回，主要為曲流水道彎曲度增加造成的，而進積或退積型旋回的沉積樣式多對應水道彎曲程度的變化。過補償背景主要反映沉積物供給差異對沉積體的影響，同樣可以劃分為對稱、進積為主，退積為主三種類型。三種層序疊加樣式在平面上表現(xiàn)為辮流水道的擺動和相互侵蝕[4]。對稱型主要反映可容納空間足夠，沉積物通量較大時期形成的層序樣式，多表現(xiàn)為雙向擺動的辮狀河；進積型反映可容納空間有限，但是沉積物供給量較大，河道以下切過程為主，辮流水道擺動幅度較小；退積型反映可容納空間增加，同時沉積物通量逐步減小，其多表現(xiàn)為單向擺動的辮狀河，局部存在辮曲過渡沉積。

3 含煤層序演化樣式

3.1 古地貌展布的重建

基于二維地震資料和局部三維層位數(shù)據(jù)，在完成去剝蝕和去壓實校正后，建立SQI～SQV時期的古地貌樣式（圖7）。研究區(qū)地形整體相對平緩，但是局部存在低幅隆起。參考Zhang et al.[30]和Zhu et al.[34]，認為該時期由于受到華南板塊的持續(xù)擠壓運動，導致鄂爾多斯盆地東南部存在局部抬升現(xiàn)象。

從垂向演化來說，研究區(qū)早期（SQI）地形相對平坦，整體高程相對不大；SQII時期，受局部隆升作用影響，地形坡度逐漸增加，造成該時期整體高程差異較大；SQIII～SQV隨著沉積充填造成的填平過程使研究區(qū)地形趨于平緩，地形高差逐步下降。

從平面展布來說，SQI時期（圖7a），地形呈現(xiàn)東高西低的特點，并且在局部存在構造高值。SQII時期（圖7b）北部隆起使地層尖滅向呈現(xiàn)NE向展布規(guī)律，同時東西區(qū)域開始出現(xiàn)不同，研究區(qū)東部為平坦的臺地，西部為局部隆起的地貌。SQIII～SQV時期古地貌（圖7c，d）主要為繼承性發(fā)展。西部隆起區(qū)呈現(xiàn)明顯的高低間互的特征，按照Zhang et al.[30]對山西組的研究，認為研究區(qū)的構造低值沿NW方向，是由于該方向持續(xù)沉積侵蝕造成的?？傮w來說研究區(qū)東部構造幅度變化較大，西部較為平坦。

3.2 層序參數(shù)定量統(tǒng)計

基于上述古地貌的研究，繪制出不同層序下沉積展布。確定了4種類型的短期層序：持續(xù)進積型層序、持續(xù)暴露型層序、沉積轉化型層序和對稱發(fā)育型層序。其中持續(xù)進積型層序（SQIII和SQIV）主要發(fā)育中厚煤層，受地形影響較大（山1段對應4#煤）；持續(xù)暴露型層序發(fā)育煤層較薄，分布范圍有限（山2段底部薄煤層）；沉積轉化型層序（SQII），沉積供給方向不斷變化，導致煤層局部尖滅較為嚴重（太原組8#煤，9#煤）；對稱發(fā)育型層序發(fā)育較厚煤層，平面分布廣泛（山2段對應5#煤）。

依據(jù)Catuneanu[35?36]、Posamentier et al. [37]、Hubbard[38]、Shao et al.[39]、Diessel et al.[29]和Holz et al.[9]提出的緩坡層序模型，其不存在明顯的陸架破折，進而增加了對沉積體范圍準確統(tǒng)計的難度。本次參考Posamentier et al.[37]提出的統(tǒng)計方法，認為前積層傾角差異反應不同期次的前積過程。統(tǒng)計層序的厚度（T）和傾角（α）。其中層序的厚度（T）反映可容納空間變化量（A），傾角（α）和沉積物供給量（S）成正比。

結合層序SQI～SQIV中上述幾何參數(shù)的變化，將其歸納為不同類型的層序模式。（1）SQI時期，厚度向下游逐漸減薄，傾角也由0.5°增加到1.5°，認為沉積物主要堆積在上斜坡，處于浪基面附近（圖8a）；頂積層和前積層均發(fā)育，厚度整體均勻；按照Posamentieret al.[37]模式，其屬于持續(xù)暴露型層序。（2）SQII厚度向下游逐漸增大，其傾角也由0.8°增加到1.5°，其造成緩坡中沉積物主要集中在下游區(qū)域；依據(jù)Jiang etal.[32]對太原組時期的沉積的研究，指出由于局部存在構造隆升，導致沉積物主要在斜坡下游，故其頂積層厚度較薄，易發(fā)育臺地[32?33]（圖8b）。該時期可以歸為沉積轉化型層序。（3）SQIII～SQIV厚度相對穩(wěn)定，其傾角也相對穩(wěn)定為1°～1.5°，依據(jù)Posamentier et al.[37]的模式推測，高位域和低位域較為發(fā)育，而海侵域則發(fā)育局限（圖8c，d）?？梢詺w為持續(xù)進積型層序。

4 層序格架聚煤模式

盡管Summerhayes[40]和Hubbard[38]在研究聚煤演化時指出該過程一般來說是穿時的[38，40]。但是，按照Catuneanu[24]提出層序尺度概念，當聚煤過程小于的三級層序對應的尺度（3 Ma），同時長于四級層對應的尺度序（300 Ka），其在層序地層學研究中認為是等時的[23]。參考Shao et al.[39]和Diessel et al.[29]提出的層序格架下聚煤模式，即綜合考慮沉積物體積（Qclassics）和泥炭供給量（Qpeat）間的關系[29，39]。其中泥炭供給量由于植物數(shù)量乘以轉化率（receptor ratio）得到。根據(jù)其與沉積物供體積比值的大小，可以將鄂爾多斯盆地東緣的層序格架內的聚煤模式歸納為可容納空間主導型聚煤模式（SQI～SQII）和沉積物供給量主導型聚煤模式（SQIII～SQIV）兩種類型。

SQI～SQII時期（圖9）沉積物供應量有限，為欠補償或平衡補償背景下聚煤模式。同時受到海水改造作用較強，在強水動力區(qū)域難以聚集泥炭，因而在低位域和海侵域時期均形成明顯的侵蝕界面。而對于障壁島內側或者局限臺地一側，由于受到外部的水動力影響較小，同時大量的有機物質進入潟湖，經(jīng)過泥炭化作用形成泥炭沼澤，最終完成聚煤。故在低位域和海侵域時期聚煤作用主要發(fā)育在障壁內側，煤層較厚，但發(fā)育規(guī)模有限。進入高位期（圖9），波浪侵蝕作用較為局限，改造作用較弱，泥炭主要為繼承性發(fā)育。

SQIII～SQIV時期為過補償背景下聚煤模式（圖9），該時期沉積物碎屑供源為主，低位域和海侵域時期主要發(fā)育大量的前積楔。泥巖主要發(fā)育在河流間灣的沼澤地區(qū)（interdistributary mires）。同時，受快速海侵和海退影響，泥炭遭受較為強烈的改造。在垂向上表現(xiàn)為中薄層煤層互層發(fā)育。在高位域時期，該時期沉積物發(fā)育較為廣泛，而海平面影響范圍有限。故可容納空間（A）較大，但是增量較小，A值與S持續(xù)動態(tài)平衡，因此該模式下高位域泥炭發(fā)育規(guī)模較大。

5 結論

（1） 從地震界面、單井和巖心出發(fā)，將鄂爾多斯東南部晚石炭世— 早二疊世劃分為五個層序，SQI～SQV。其中SQI為平衡補償環(huán)境下層序，SQII為欠補償環(huán)境下層序界面，SQIII～SQV為過補償環(huán)境下層序發(fā)育界面。

（2） 恢復SQI～SQV不同時期對應的古地貌展布圖，提出三種緩坡層序樣式的劃分方式：持續(xù)暴露型層序（SQI），沉積轉化型層序（SQII）和持續(xù)進積型層序（SQIII～SQV）。

（3） 結合控制泥炭聚集的因素（沉積物和植物繁盛程度），將層序按照聚煤成因進行分類，早期SQI～SQII為欠/平衡補償背景下聚煤模式，可容納空間主導，而后期SQIII～SQV為過補償背景下聚煤模式，沉積物供給主導。對比兩種模式，可容納空間主導型層序格架下，聚煤過程較為持續(xù)，但是發(fā)育范圍局限；對于沉積物供給型主導型層序格架，聚煤過程容易受碎屑物質干擾而中斷，因此形成薄煤層，但是分布范圍較廣。

致謝 感謝延長集團、中石油煤層氣公司與中石化華北局提供的資料，感謝四位審稿專家提出的寶貴修改意見，感謝編輯部老師對本文的編輯與加工。

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