鄂爾多斯盆地東南緣晚石炭系—早二疊系海陸過渡層序及聚煤模式

向英杰,婁 林,孫 靜

( 1. 中國石油新疆油田分公司 勘探事業(yè)部,新疆 烏魯木齊 830011; 2. 中國石油新疆油田分公司 準(zhǔn)東采油廠彩南作業(yè)區(qū),新疆 阜康 831511 )

0 引言

煤層作為非常規(guī)天然氣最重要的烴源巖和儲層之一,是特定古環(huán)境條件下形成的沉積巖,代表泥炭長期的埋藏和壓實,含煤地層保存豐富的地質(zhì)信息[1-3]。煤層的形成環(huán)境廣泛,當(dāng)環(huán)境中可容納空間的增長速率等于泥炭的堆積速率時,陸源有機(jī)物質(zhì)才能保存下來形成煤[4]。從陸相到海相,人們研究河流—三角洲模式、障壁—潟湖模式、沖積扇模式和湖泊環(huán)境模式成煤等,解釋基本的成煤環(huán)境和煤層發(fā)育特征[5-9]。20世紀(jì)80年代,層序地層學(xué)概念引入含煤地層,被用來解釋不同沉積環(huán)境中的煤炭形成和保存,并可預(yù)測煤層厚度、連續(xù)性和質(zhì)量[10]。DIESSEL C F將煤炭的提出和保存與EXXON層序地層學(xué)模型的概念整合,形成近海含煤層系的海侵—海退成煤模式[11]。BOHACS K等認(rèn)為最主要的煤層發(fā)育在海侵體系域內(nèi),具有充足的可容納空間,建立層序內(nèi)部煤層厚度分布與體系域關(guān)系的預(yù)測模型[4]。HOLZ M等強(qiáng)調(diào)層序理論在理解煤成因和預(yù)測煤特征的重要性[10]。李增學(xué)等提出陸表海聚煤盆地海侵事件成煤機(jī)制[12-13],邵龍義等提出幕式聚煤作用和海相層滯后時段成煤模型,解釋中國晚古生代灰?guī)r為煤層頂板的含煤旋回層成因[5]。層序作為含煤地層研究的重要方法,延伸出不同的層序地層學(xué)模型、沉積體系和煤特征關(guān)聯(lián)性的解釋。

現(xiàn)有的成煤模式主要針對特定的層序或環(huán)境,完整海陸過渡層序地層下的聚煤環(huán)境演化和聚煤模式研究較少,且缺少對煤層發(fā)育特征的對比和聚煤規(guī)律分析。鄂爾多斯盆地晚石炭系—二疊系本溪組—山西組是中國典型的含煤層系,富含煤層氣資源,發(fā)育近海?！戇^渡層序,代表多個三級層序長期演化、整體海退過程,形成一套獨(dú)特的多環(huán)境成因、多層序疊置的聚煤層系,成為開展完整海陸過渡層序下成煤研究的對象[14-16]。筆者利用不同層位取心和測井資料,開展鄂爾多斯盆地東南緣的層序地層學(xué)和沉積學(xué)分析,劃分海陸過渡層序和海陸環(huán)境沉積序列,分析煤層發(fā)育特征及其分布規(guī)律,總結(jié)層序控制下的聚煤模式。該結(jié)果對于認(rèn)識鄂爾多斯盆地海陸過渡層序演化及其沉積環(huán)境演替下的聚煤規(guī)律和模式,擴(kuò)展盆地煤層氣勘探具有指導(dǎo)意義。

1 地質(zhì)概況

鄂爾多斯盆地位于中國中北部,面積約為2.5×105km2,蘊(yùn)藏石油、天然氣、煤、砂巖型鈾礦等多種資源[17-19]。盆地上古生界地層分布廣、含氣層位多,具有豐富的天然氣資源和巨大的勘探開發(fā)潛力[20-22]。鄂爾多斯盆地構(gòu)造上隸屬于華北克拉通中西部,西側(cè)窄而陡,東側(cè)寬且微傾斜,整體結(jié)構(gòu)特征呈南北向矩形、東緩西陡的不對稱箕狀向斜,是華北地區(qū)發(fā)育的克拉通多旋回大型盆地(見圖1(a))。盆地劃分為伊盟隆起、渭北隆起、晉西撓褶帶、伊陜斜坡、天環(huán)坳陷、西緣沖斷帶等6個二級構(gòu)造單元,其中作為主要構(gòu)造單元的伊陜斜坡的坡度小于6 m/km[23]。晚奧陶世至早石炭世,鄂爾多斯而受加里東造山運(yùn)動抬升盆地經(jīng)歷億年侵蝕,形成區(qū)域不整合古風(fēng)化殼。隨后經(jīng)歷海西造山運(yùn)動而促使晚古生代鄂爾多斯盆地沉降,導(dǎo)致盆地從晚石炭世到晚二疊世的構(gòu)造演化和海陸過渡變遷[24]。

圖1 鄂爾多斯盆地構(gòu)造單元及地層綜合柱狀圖Fig.1 Tectonic unit and comprehensive stratigraphic profile of Ordos Basin

鄂爾多斯盆地石炭系—二疊系是典型的海陸過渡體系,上石炭統(tǒng)本溪組、下二疊統(tǒng)太原組和山西組發(fā)育砂巖、泥巖、碳酸鹽巖和煤巖互層,其中,本溪組與下伏奧陶系馬家溝組抬升,山西組與上覆下石盒子組區(qū)域河道侵蝕面不整合接觸[25-27](見圖1(b))。研究區(qū)位于盆地東南部伊陜斜坡和晉西撓褶帶交界處,由于海水從盆地東南方向退去,導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)的沉積環(huán)境多樣,出現(xiàn)海陸過渡的沉積相演化過程,并保存與之對應(yīng)的海陸過渡層序。層序內(nèi)部的煤層劃分為上煤組、中煤組和下煤組9個煤層,各煤層的連續(xù)性和厚度存在差異,主要發(fā)育中煤組和下煤組,平均厚度分別為3.2和6.4 m。

2 沉積序列

2.1 巖相類型

根據(jù)鄂爾多斯盆地東南部本溪組—山西組鉆孔巖心和測井分析,確定礫巖、砂巖、粉砂巖、泥巖、灰?guī)r和煤巖6種巖性類型,代表海陸過渡層序中沉積環(huán)境的多樣性。根據(jù)沉積物的顏色、巖性及沉積構(gòu)造,識別12個不同的巖相,總結(jié)沉積特征和成因解釋(見表1和圖2)。巖相的命名基于MIALL A D修改[28-29]。其中,礫巖類巖相主要發(fā)育于本溪組,灰?guī)r類巖相僅發(fā)育于太原組,砂巖、粉砂巖和泥巖相各層有分布,煤巖相以山西組和本溪組為主。

表1 研究區(qū)巖相分類方案Table 1 Lithofacies classification scheme in the study area

圖2 研究區(qū)巖相類型Fig.2 Lithofacies type in the study area

2.2 聚煤環(huán)境類型

基于巖心觀察,識別特殊環(huán)境典型的指相標(biāo)志,劃分障壁—潮坪—潟湖、碳酸鹽臺地、曲流河三角洲和辮狀河三角洲相類型,各相環(huán)境內(nèi)部聚煤作用有差異,研究區(qū)內(nèi)的碳酸鹽臺地相內(nèi)部幾乎無煤層沉積。

2.2.1 障壁—潮坪—潟湖

研究區(qū)海陸過渡環(huán)境的相類型見圖3。FA-1代表近海海岸的障壁—潮坪—潟湖序列,障礙島是與海岸線平行的狹長島嶼或半島,由潟湖或沼澤與海岸隔開[30]。巖性以灰白色細(xì)礫巖和中粗砂巖為主,結(jié)構(gòu)成熟度中等。障壁以交錯層理礫巖相(Gm)、槽狀和板狀交錯層理砂巖相(St、Sp)為主體,測井曲線形態(tài)以漏斗形的反粒序為主。大型交錯層理通常為障壁島向海一面波浪作用的高能水動力導(dǎo)致,潮坪以泥質(zhì)粉砂巖或粉砂質(zhì)泥巖為主,具有明顯的波狀層理(Sh),含菱鐵礦結(jié)核及云母,測井曲線上為中—低幅鋸齒形。潟湖以深灰色薄層狀粉砂質(zhì)泥巖、泥巖和炭質(zhì)泥巖為主,生物擾動明顯,發(fā)育水平層理或塊狀層理,富含植物碎屑(Mh、Mm、Mc),局部夾薄層反韻律砂巖(見圖3(a))。潟湖內(nèi)通常水體較淺、安靜、低能,海侵過程中的潟湖是成煤泥炭沼澤發(fā)育的有利環(huán)境,堆積的煤層作為區(qū)域性標(biāo)志層(C),平均厚度為2.5～6.8 m,但泥炭堆積過程在很大程度上受海平面波動的調(diào)節(jié)作用影響。該序列測井曲線為上低幅微齒形、中高幅齒形和高幅箱形組合,代表障壁—潮坪—潟湖序列疊加,厚層煤層在序列的頂部發(fā)育。

圖3 研究區(qū)海陸過渡環(huán)境的相類型Fig.3 Facies types of marine-continental transitional environment in the study area

2.2.2 碳酸鹽臺地

FA-2為碳酸鹽臺地序列,屬于淺水陸棚環(huán)境,內(nèi)部海水相通正常循環(huán),海域較為廣闊,形成多層灰?guī)r標(biāo)志層(L),研究區(qū)內(nèi)可見3～4層,由深灰色塊狀泥巖隔開(Mm)(見圖3(b))?；?guī)r內(nèi)生物碎屑類型較多,大小混雜,層理較少發(fā)育,表明局部平靜到較為開闊的動蕩海水環(huán)境。

2.2.3 曲流河三角洲

FA-3為曲流河三角洲前緣序列,三角洲前緣由水下分流河道、河口壩、水下分流間灣和席狀砂組成。巖性以中厚層中—細(xì)砂巖、粉砂巖和泥巖為主。厚層砂巖底部發(fā)育的連續(xù)不規(guī)則沖刷面和下切槽狀交錯層理指示水下分流河道沉積(St)。分選磨圓較好、平行層理巖相、板狀交錯層理巖相,以及垂向上上粗下細(xì)的反粒序代表河口壩沉積(Sp、Sh)?；液谏抠|(zhì)泥巖和煤層發(fā)育在低水動力條件的水下分流間灣中,并包含深灰色塊狀泥巖,煤層厚度為0.5～2.3 m(Mc、Mm、C)(見圖3(c))。此外,席狀砂受海浪和河流動力交互作用而具有中薄層砂泥交互的特點(diǎn),砂質(zhì)較純,分選磨圓好。該序列在測井曲線上表現(xiàn)為中—高幅鐘形、箱形及低幅指形的組合,代表三角洲前緣水下分流河道、深色細(xì)粒沉積和煤層構(gòu)成的序列。

2.2.4 辮狀河三角洲

FA-4為辮狀河三角洲前緣序列,內(nèi)部水下分流河道是前緣沉積的主體,垂向上下細(xì)上粗,厚度為2.3～5.5 m,由水下分流河道、河口壩、水下分流間灣和漫溢沉積組成。垂向上表現(xiàn)出正旋回特點(diǎn),下部多見河道粗粒滯留沉積物。厚層疊置砂體發(fā)育槽狀、板狀交錯層理相(St、Sp),代表水下分流河道的持續(xù)堆積,內(nèi)部通常含有漫溢流水紋層的粉砂質(zhì)夾層(Sr),向上過渡為厚層的水下分流間灣細(xì)粒沉積(見圖3(d))。研究區(qū)普遍發(fā)育疊置的水下分流河道砂體和河口壩,厚度范圍最大超過8 m。水下分流間灣為泥巖粉砂巖和粉砂質(zhì)泥巖互層,發(fā)育水平層理、塊狀層理相(Mh、Mm),局部見炭質(zhì)泥巖(Mc),代表水體淺且水動力閉塞。內(nèi)部形成薄煤層或煤線(C),成煤作用有限。該序列測井曲線上呈低幅指形,與曲流河三角洲差異在于聚煤作用減弱。

3 層序地層格架和煤層分布

根據(jù)巖心、測井資料對層序內(nèi)部關(guān)鍵面進(jìn)行識別,將鄂爾多斯盆地東南部石炭統(tǒng)—二疊統(tǒng)自下而上細(xì)分為?！戇^渡的SQ1-SQ4 4個層序,每個層序顯示不同的特征,代表不同環(huán)境類型,可細(xì)分為低位體系域(LST)、海侵體系域(TST)和高位體系域(HST),但并非所有體系域在層序中發(fā)育(見圖4)。

圖4 研究區(qū)海陸過渡層序劃分Fig.4 Division of marine-continental transitional sequence in the study area

3.1 巖心—測井層序界面類型

3.1.1 洪泛面

初始洪泛面(IFS)。IFS為層序內(nèi)部第一個顯著洪泛面,測井曲線上數(shù)值迅速增加,聲波曲線上數(shù)值迅速減小,巖性上表現(xiàn)為砂巖段上部的厚層泥巖、粉砂質(zhì)泥巖和粉砂巖[31],標(biāo)志低位體系域到海侵體系域的轉(zhuǎn)換,并將下方的進(jìn)積層與上方的退積層分開(見圖4)。

最大洪泛面(MFS)。MFS為層序內(nèi)海侵位置最遠(yuǎn)的洪泛面,標(biāo)志海侵的結(jié)束和海岸線軌跡的變化,從海侵體系域到高位體系域的轉(zhuǎn)換[31]。巖性中發(fā)育在厚層粉砂巖和泥巖段上部,代表河口壩砂體和間灣泥巖之間。該界面在測井曲線上具有幅度最低的自然伽馬響應(yīng),表示垂直砂巖、粉砂巖和泥巖夾層中最厚的泥巖和粉砂巖的頂部(見圖4)。

3.1.2 區(qū)域不整合面

通常構(gòu)造運(yùn)動形成最重要的層序邊界,如加里東運(yùn)動使盆地抬升剝蝕,導(dǎo)致奧陶系頂部古風(fēng)化面在盆地內(nèi)廣泛分布,代表區(qū)域性分布的大型不整合面[32],具有等時性,作為二級層序界面,也是本溪組的底界面(見圖4)。

通常,地層記錄中河谷內(nèi)疊置河道的下切沖刷面代表基準(zhǔn)面的下降和上升形成的向下切割和垂向填充過程。這種具有區(qū)域性沖刷的砂巖侵蝕面可解釋為層序邊界[33],代表相對海平面下降的低位體系域早期在低可容納空間下的強(qiáng)烈河道侵蝕作用,如山西組底部北岔溝砂巖和下石盒子組底部駱駝脖子砂巖的底面(見圖4)。

3.1.4 地表暴露面

暴露面指示陸上河流—三角洲環(huán)境的暴露層序邊界[34]?？筛鶕?jù)研究區(qū)巖心中鈣質(zhì)結(jié)核、干裂紋、瘤狀植物和根土巖等識別,代表不連續(xù)、局部追蹤的古土壤,該界面可與區(qū)域性河道砂體對應(yīng)(見圖4)。

3.2 海陸過渡層序演化

建立由近海到陸相湖盆演化的?！戇^渡層序。SQ1層序底界為灰?guī)r,是大規(guī)模海侵的開始,為統(tǒng)一陸表海階段,發(fā)育近海海岸障壁—潮坪—潟湖體系。SQ2層序太原組沉積時期為盆地晚石炭系—早二疊系期間的最大海侵期,發(fā)育碳酸鹽臺地環(huán)境;SQ3層序山西組沉積時期是海陸過渡相曲流河三角洲沉積階段,層序底界代表區(qū)域海退的河道下切侵蝕面;SQ4層序為辮狀河三角洲、陸相湖盆沉積階段,層序底部為區(qū)域性河道下切面及暴露面。

3.2.1 SQ1層序

SQ1層序相當(dāng)于整個本溪組,層序底界面為本溪組底部鋁土巖與下伏中奧陶世早期馬家溝組的灰色厚層—巨厚層灰?guī)r組成巖性突變面,代表區(qū)域不整合面(見圖5)。層序內(nèi)低位體系域下部,發(fā)育一套區(qū)域分布的指示長期暴露的厚層灰黃色鋁土質(zhì)泥巖以及障壁島為主體的障壁—潮坪—潟湖環(huán)境,障壁砂體較厚,厚度為5～10 m,分布范圍廣,指示該時期海浪沿岸搬運(yùn)的物源供給穩(wěn)定及加積速率較高。海侵體系域期,海平面越過大多數(shù)障壁,主要以潮坪和潟湖的粉細(xì)砂沉積為主,含大量炭質(zhì)泥巖(見圖6)。高位體系域發(fā)育大面積區(qū)域性的1～2套厚煤層,分布在廣闊的潟湖內(nèi)部,疊置厚度超過6 m,為鄂爾多斯盆地東南部厚度和規(guī)模最大的煤層,也是主要的煤層氣來源(見圖7(a))。

圖5 研究區(qū)順物源剖面層序地層格架Fig.5 Sequence stratigraphic framework of longitudinal section in study area

圖6 研究區(qū)切物源剖面層序地層格架Fig.6 Sequence stratigraphic framework of cross section in study area

圖7 研究區(qū)不同層序內(nèi)煤層厚度Fig.7 Thickness map of coal in different sequences in study area

3.2.2 SQ2層序

SQ2層序代表太原組泥灰?guī)r和灰?guī)r沉積,形成于陸表海碳酸鹽臺地環(huán)境。內(nèi)部灰?guī)r與泥巖層的沉積序列記錄多次海水侵退過程?；?guī)r層數(shù)為3～4層,厚度較大,是多次大規(guī)模海侵事件的結(jié)果,其與泥炭堆積作用呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,層序內(nèi)部基本無泥炭和煤層聚集(見圖5)。層序內(nèi)部不發(fā)育低位體系域和高位體系域,僅可劃分多次疊加的海侵體系域,表明盆地范圍的大規(guī)模、多期次、長期持續(xù)的陸表海海侵階段,缺乏有效的泥炭有機(jī)質(zhì)供給(見圖6)。

“呼哧”，卡爾松的兩只鼻涕蟲縮回了黑洞洞的大鼻孔里，現(xiàn)在他完全忘了足球，腦中只有軍事任務(wù)。他雙目炯炯地說：

3.2.3 SQ3層序

SQ3層序為山西組下部山2段,層序底界面為三角洲水下分流河道的下切沖刷面,對局部的下伏太原組灰?guī)r和泥巖形成侵蝕,具有下切谷形態(tài)和復(fù)合河道砂體充填。這套砂體區(qū)域性分布,為北岔溝砂巖,由盆地北部到東南部可連續(xù)追蹤,代表層序內(nèi)部的低位體系域的沉積主體(見圖5-6)。海侵體系域以粉砂和泥巖為主,海侵體系域晚期多發(fā)育深灰色炭質(zhì)泥巖和薄煤層。高位體系域早期發(fā)育水下分流間灣,巖性上發(fā)育多套薄—中層煤及兩套連續(xù)分布的煤,表明較強(qiáng)的聚煤作用(見圖7(b))[35]。

3.2.4 SQ4層序

SQ4層序為山西組上部山1段,下部界面為山2段頂部暴露面,頂部界面為駱駝脖子砂體的下切河道沖刷面。由于海水從盆地東南部開始退出,持續(xù)的海退導(dǎo)致海水作用減弱而河流作用增強(qiáng),陸表海逐漸向內(nèi)陸湖泊水體性質(zhì)轉(zhuǎn)換(見圖5)。辮狀河三角洲前緣在該時期廣泛分布,低位體系域以連片的透鏡狀河道砂體為主,海侵體系域和高位體系域內(nèi)泥巖的有機(jī)質(zhì)含量降低,局部發(fā)育煤線和炭質(zhì)泥巖,累計厚度小于2 m,表明聚煤作用持續(xù)減弱(見圖7(c))。

4 層序地層聚煤規(guī)律及模式

由巖心、測井和分析資料可知,研究區(qū)晚石炭系—早二疊系的本溪組—山西組經(jīng)歷近海環(huán)境到三角洲沉積體系的演替,?！戇^渡層序內(nèi)部的聚煤規(guī)律存在顯著差異。應(yīng)用層序地層學(xué)理論,分析近海含煤地層中煤的空間分布和特征:一方面,相對海平面變化造成的可容納空間增長速率差異,導(dǎo)致層序內(nèi)部不同體系域的煤層分布;另一方面,根據(jù)區(qū)域構(gòu)造效應(yīng)造成的盆地本身可容納空間大小,區(qū)分為高可容納空間和低可容納空間層序類型,造成不同三級層序內(nèi)的聚煤規(guī)律差異。

4.1 聚煤規(guī)律

BOHACS K等[4]和CROSS T A[36]強(qiáng)調(diào)煤炭形成和保存的基本控制是與泥炭堆積相關(guān)的可容納空間,煤層沉積厚度受控于可容納空間增長速率與泥炭堆積速率之間的相對平衡狀態(tài)。海陸過渡沉積體系中泥炭形成環(huán)境的可容納空間主要受相對海平面變化作用。當(dāng)相對海平面上升速率過快時,可容納空間增長大于泥炭的堆積過程,相對海平面具有過低的上升速率,泥炭缺少足夠的堆積空間,導(dǎo)致聚煤過程受到干擾,難以形成最有利的聚煤條件。

SQ1層序中,由于海岸外側(cè)障壁島阻擋,潟湖環(huán)境保持低能水動力條件,且缺乏外來的碎屑物質(zhì)的直接供給,處于緩慢的沉積速率階段。當(dāng)可容納空間增加速率和泥炭堆積速率在海平面下降時期保持同步時,聚煤高峰期發(fā)生,形成穩(wěn)定廣泛分布的厚層煤。SQ2層序穩(wěn)定的高海平面使區(qū)內(nèi)處于淺海陸棚的碳酸鹽臺地環(huán)境,海水流通,灰?guī)r和泥灰?guī)r發(fā)育,缺乏泥炭的直接來源(見圖8)。

圖8 研究區(qū)海陸過渡層序內(nèi)的聚煤規(guī)律Fig.8 Coal accumulation in the marine-continental transitional sequence in the study area

SQ3層序?qū)儆谇骱尤侵蕲h(huán)境,受明顯海侵影響,且內(nèi)陸物源供給較充足,碎屑物質(zhì)和泥炭的堆積速率超過可容納空間的增長速率,薄煤層在海侵晚期分布,最大厚煤層出現(xiàn)在高位體系域早期,發(fā)生最大的聚煤作用,中等厚度和連續(xù)的煤形成。由于持續(xù)發(fā)生海退過程,SQ4層序內(nèi)河流作用繼續(xù)增強(qiáng),盆地基本由陸表海轉(zhuǎn)變?yōu)榘敕忾]的陸相湖盆,豐富的泥砂物源供給速率遠(yuǎn)大于可容納空間的增長速率,層序內(nèi)部不具備厚層煤的發(fā)育條件,僅分布炭質(zhì)泥巖和少量的薄煤或煤線(見圖8)。

4.2 聚煤模式

海相層序(SQ1—SQ2)發(fā)育于克拉通陸表海環(huán)境,海水較淺且進(jìn)退頻繁,盆地東南緣大范圍為障壁—潮坪—潟湖及碳酸鹽臺地環(huán)境,為高可容納空間[37-38]。過渡相及陸相層序(SQ3—SQ4)為曲流河三角洲和辮狀河三角洲,沉積地形坡度平緩,為低可容納空間。高、低可容納空間的三級層序類型和層序內(nèi)的海平面變化造成煤層分布規(guī)律的差異。

高可容納空間層序下,A/S大于1,可容納空間的增長速率長期等于或高于泥炭堆積速率,沉積物形成較穩(wěn)定,因此保存較厚且穩(wěn)定的煤層[39]。SQ1層序發(fā)育在陸表海的高可容納環(huán)境中,由于早期的暴露侵蝕及快速海侵,形成障壁—潟湖環(huán)境。低位體系域時期,可容納空間形成可迅速垂直填充的空間,厚層的障壁砂體沿岸線分布并垂向加積,未形成保存的煤層。海侵體系域時期,可容納空間的增長形成最厚的煤層,橫向上更連續(xù)。最厚的煤層出現(xiàn)在該層序的海侵體系域內(nèi),平均厚度為2.5～6.8 m,累計厚度可達(dá)8 m(見圖9(a))。SQ2層序具有高可容納空間,但缺乏有機(jī)質(zhì)的輸入,區(qū)內(nèi)未保存煤層(見圖9(b))。

低可容納空間層序下,A/S小于1,沉積速率遠(yuǎn)大于可容納空間增長速率,可容納空間持續(xù)處于填充的進(jìn)積狀態(tài),即使海侵體系域時期的相對海平面上升帶來可容納空間增長,也不足以補(bǔ)償[40]。SQ3和SQ4層序分別代表淺水環(huán)境下的曲流河三角洲和辮狀河三角洲沉積,具有較低的可容納空間。SQ3層序低位體系域早期,由于受強(qiáng)烈的進(jìn)積作用,低可容納空間和高碎屑物質(zhì)輸入,沉積過路及河道的廣泛侵蝕,低位體系域的三角洲環(huán)境中幾乎沒有形成煤,但在低位體系域晚期保留炭質(zhì)泥巖層或少量煤線。海侵體系域時期,可容納空間增加,形成薄且分散較少的煤層,因為泥炭的積累與可容納空間的增加保持同步。高位體系域早期,三角洲中有利于橫向連續(xù)煤的聚集,在晚期海侵體系域煤層更薄且有些分散(見圖9(c))。SQ4層序低可容納空間和高的沉積物供給促使微弱的聚煤作用(見圖9(d))。

高可容納空間和低可容納空間兩類層序中,高位體系域之間煤層厚度和連續(xù)性的差異,可解釋為更高的可容納空間允許形成厚且連續(xù)性較高的煤層,在高位體系域晚期泥炭的積累與可容納空間的增加保持同步。低容納空間只能在高位體系域早期形成中等連續(xù)和厚度的煤,在晚期體系內(nèi)阻止泥炭的長期積累,容易被碎屑物質(zhì)填滿,形成相對較薄和分散的煤。與低可容納空間相比,高可容納空間海侵體系域的聚煤差異在于高可容納空間的增長速率大于泥炭的積累速度,難以形成泥炭的堆積,而低可容納空間在海侵體系域晚期形成薄層且孤立的煤。

不同層序類型內(nèi)部煤層厚度和連續(xù)性存在差異,廣闊的高可容納空間提供泥炭堆積環(huán)境,形成區(qū)域的標(biāo)志性厚層連續(xù)煤,在低可容納空間中,由于碎屑物質(zhì)的輸入變化和海平面、河流動力的頻繁變化,可能中止或減緩泥炭的堆積過程,形成中等厚度且分布連續(xù)的煤層及伴生的薄層煤。當(dāng)層序可容納空間進(jìn)一步降低時,即使相對海平面上升,所有體系域也只能發(fā)育孤立的薄層煤。

5 結(jié)論

(1)鄂爾多斯盆地東南部晚石炭系—早二疊系發(fā)育一套完整的海—陸過渡層序,可劃分4個三級層序。SQ1層序?qū)?yīng)本溪組,底界為中奧陶統(tǒng)馬家溝組頂部的不整合古風(fēng)化殼;SQ2層序為太原組,底界面為厚層煤頂面;SQ3層序與山2段對應(yīng),底部為區(qū)域河道下切侵蝕界面;SQ4層序與山1段對應(yīng),底界面為暴露面和河道下切侵蝕面,頂界面為下石盒子組的大型河道侵蝕面。

(2)研究區(qū)識別4類沉積環(huán)境序列,分別為近海海岸的障壁—潮坪—潟湖、淺海陸棚的碳酸鹽臺地、海陸過渡的曲流河三角洲和陸相湖盆的辮狀河三角洲,分別與SQ1到SQ4層序相對應(yīng),其中主要的聚煤環(huán)境微相為潟湖沼澤和水下分流間灣。

(3)建立海—陸過渡含煤層序地層模型。SQ1層序主要發(fā)育高位體系域晚期聚煤,煤層具有厚、高連續(xù)性和層數(shù)少特征;SQ2層序中,煤層基本不發(fā)育;SQ3層序中煤層分布在海侵體系域晚期和高位體系域早期,其中后者表現(xiàn)煤層數(shù)量多、中厚層和中等連續(xù)特點(diǎn);SQ4層序內(nèi)煤層發(fā)育有限,僅可見稀少的孤立的薄層煤或煤線。高可容納空間下的障壁—潮坪—潟湖環(huán)境主要發(fā)育HST晚期聚煤,低可容納空間下的海陸過渡三角洲發(fā)育HST早期聚煤。層序的可容納空間差異和相對海平面變化控制海陸過渡層序地層格架內(nèi)的聚煤規(guī)律。