川南地區(qū)石寶礦段龍?zhí)督M層序地層研究

劉安然，巫曉兵,胡俊仁

(1.四川省能投煤層氣投資開發(fā)有限公司，四川 成都 610023; 2.四川省能源投資集團有限公司，四川 成都 610023)

石寶礦段(下稱研究區(qū))位于川南煤田古敘礦區(qū)內(nèi)(圖1)，晚二疊世龍?zhí)督M是其主要的含煤地層，資料顯示研究區(qū)內(nèi)煤炭資源總量69202萬t[1]，煤層氣資源總量94億m3[2]。前人在整個川南煤田二疊系龍?zhí)督M都做了大量的構造、地層特征、沉積環(huán)境和成煤規(guī)律等研究工作，但往往都圍繞以煤炭為主的固體礦產(chǎn)進行[1,3-7]。煤層氣作為新興能源，對緩解我國緊張的能源形勢有著不可替代的作用。研究區(qū)為煤與瓦斯突出地區(qū)，煤層氣地面抽采對煤礦生產(chǎn)也有著重要的保障作用。層序地層學在石油地質(zhì)領域已被廣泛應用于盆地分析和儲層預測等研究中，將其引入到川南地區(qū)煤層氣儲層研究中，進行沉積地層的劃分、對比和分析，也能為更精確的地質(zhì)年代對比，古地理恢復和沉積物質(zhì)分布預測研究服務[8-12]。作為一種新能源，煤層氣勘探具有很多和常規(guī)油氣資源相同之處，綜合前人的研究成果，對研究區(qū)的層序地層研究能起到去粗存精的作用，有利于煤儲層的追蹤對比、成煤環(huán)境以及連通性等研究，對后期的勘探開發(fā)工作具有重要的意義。

圖1 石寶礦段位置圖

1 地質(zhì)背景

研究區(qū)位于揚子板塊西部，出露地層較為齊全，歷史上數(shù)次大面積升、降幅度不等的造陸運動，有利于地層和礦產(chǎn)的沉積。主體構造為石寶向斜，屬于古藺復式背斜南翼的次級褶皺[1]。受二疊世東吳運動使上揚子盆地整體抬升為陸的影響，研究區(qū)茅口組晚期海水大規(guī)模退出，經(jīng)過一定時期的風化剝蝕作用，形成殘積平原，為含煤地層的沉積準備了平坦的地形條件，也是這一時期重要的層序界面。含煤地層龍?zhí)督M假整合于茅口組之上，主要接受來自西部的康滇古陸物源供給，而東部的相對海平面升降對沉積物質(zhì)的分布有一定影響，巖性組合為灰白、灰、黑色薄至中厚層細砂巖、粉砂巖、泥巖、黏土巖、炭質(zhì)泥巖，煤層和硫鐵礦。沉積環(huán)境包括潮坪、瀉湖、沼澤和三角洲、屬典型的海陸過渡相沉積[13-14]。這一時期構造活動穩(wěn)定，有利于有機物形成和保存，但沉積環(huán)境橫向變化較大，僅C25、C17煤層全區(qū)可采。龍?zhí)督M沉積晚期，受揚子板塊持續(xù)下降和東部大規(guī)模海侵的雙重作用，研究區(qū)結束了該時期的海陸過渡相沉積，轉(zhuǎn)變?yōu)樯细查L興組的碳酸鹽巖海相沉積[3-7]。

2 層序地層劃分與對比

不同層序界面的識別和追蹤是層序劃分的基礎，通過對研究區(qū)龍?zhí)督M野外露頭剖面、鉆井巖心以及地球物理測井等資料的分析，將沉積充填序列中識別出的頂?shù)捉缑妗⒑拥讻_刷面、巖性巖相轉(zhuǎn)換面和最大海泛面等4種具不同性質(zhì)、成因和產(chǎn)出規(guī)模的界面類型，作為劃分不同級次地層基準面旋回層序的依據(jù)[15-16]。

2.1 不整合面

不整合面是新老地層之間的物理界面，是地質(zhì)歷史時期具有分段性的層序地層標志，在這個界面可能發(fā)生侵蝕或暴露等沉積間斷，造成地層缺失或巖性突變等現(xiàn)象，對沉積歷史和構造運動展開研究有重大意義。不整合面是層序劃分、特別是構造層序劃分的重要界面。研究區(qū)內(nèi)茅口組受構造抬升，經(jīng)歷剝蝕風化，與上覆地層龍?zhí)督M及假整合接觸，該界面分布穩(wěn)定、界面清析，具有較好的對比性及等時性。

2.2 河底沖刷面

河底沖刷面成因一般是海平面下降或其他因素使水流速度高于平常，將河床底部的沉積物揭起并搬運離開，常見于河流、沖積扇、三角洲等河道發(fā)育的沉積相中。沖刷面是巖性界面，上下地層顯示為突變的接觸關系，且起伏不平，及上覆河流攜帶的顆粒較粗的沉積物質(zhì)沖刷較老的河道沉積，使其直接與其河床幾米甚至數(shù)十米以下的泥頁巖接觸。

2.3 巖性、巖相轉(zhuǎn)換面

巖性或巖相在垂向剖面上的缺失、突變或底礫巖的發(fā)育，都是一種層序界面，一般是沉積環(huán)境或地球化學突變。根據(jù)相序遞變的規(guī)律，巖性或者相的突變意味著在此界面上下的地層之間必然發(fā)生了沉積間斷。

2.4 最大海泛面

當相對海平面上升至水位最大時，由海水泛濫作用形成的弱補償或欠補償沉積界面,通常伴隨一套泥頁巖大面積發(fā)育在濱海沉積的頂部，即所謂的密集段或凝縮層，具有巖性單一，易識別，等時性強等特點，巖性特征表現(xiàn)為向上變細加深沉積序列頂部的泥巖段或煤層；測井曲線對應低電阻、低電位和高伽瑪。最大海泛面代表地層基準面由上升折向下降的轉(zhuǎn)換面位置，是區(qū)域上最重要的等時追蹤對比標志，只要不出現(xiàn)風化剝蝕，不管是在野外露頭還是鉆井巖心中都較容易識別。

通過對以上層序界面以及各種表現(xiàn)形式的研究，依據(jù)層序發(fā)育具有同時受構造、海平面升降、物源和地層自旋回過程等多種因素控制的特點，同時考慮界面性質(zhì)、界面級次、層序結構和疊加樣式，結合測井曲線、鉆井巖心及野外露頭的巖性組合變化規(guī)律，將研究區(qū)龍?zhí)督M劃分為3個長期基準面旋回層序LSC1-LSC3，以及若干中期基準面旋回層序(圖2)，其中長期基準面旋回層序在研究區(qū)內(nèi)可進行較好的追蹤對比(圖3)。

圖2 川南地區(qū)石寶礦段龍?zhí)督M層序地層綜合柱狀圖(ZK1206井)

圖3 川南地區(qū)石寶礦段龍?zhí)督M層序地層格架

3 層序特征

研究區(qū)龍?zhí)督M構造活動較為穩(wěn)定，沉積環(huán)境為一套由瀉湖-三角洲-潮坪-海灣等組成的頻繁變化的海陸過渡相沉積[4]，各層序內(nèi)沉積物質(zhì)演變規(guī)律和成煤機制主要受來自西部的康滇古陸物源供給和相對海平面升降影響，及可容空間的增減與沉積物堆積速度之間的匹配關系[17-18]。

3.1 LSC1層序特征

LSC1層序結構總體呈現(xiàn)為向上變深基準面旋回小于向上變淺旋回的非對稱基準面旋回結構，層序底界面與下伏地層下二疊統(tǒng)茅口組呈暴露侵蝕不整合接觸。海侵早期，底部發(fā)育一套全區(qū)可見的C25煤層，部分井巖性表現(xiàn)為突變接觸，代表了海侵的開始，具有等時對比意義，受海水的還原環(huán)境影響，煤層可見黃鐵礦。此后相對海平面上升加快，沉積物質(zhì)以灰色中薄層狀細-粉砂巖為主，泥質(zhì)含量逐漸增高。至最大海泛面時期，凝縮層沉積一套灰白色薄層狀含黃鐵礦黏土巖，灰黑色薄層狀泥頁巖和煤層。由于是大范圍的幕式沉積，該時期物質(zhì)表現(xiàn)與下伏沉積物的沉積環(huán)境沒有必然聯(lián)系，因此煤層在各層序最大海泛面時期大面積發(fā)育。

進積期，物質(zhì)表現(xiàn)為底部含黃鐵礦的大套灰色中薄層狀粉砂巖夾薄層灰黑色泥巖，且粒度逐漸加粗，見河流底沖刷現(xiàn)象。該期層序底部發(fā)育一套單獨的灰色中厚層狀細-粉砂巖低位體系域沉積，應為茅口組受剝蝕的洼地接受西部康滇古陸物源所沉積，或沉積物供給量小于該地區(qū)可容納空間的增量，后期的沉積物被頻繁被剝蝕而保存不全甚至侵蝕缺失。

3.2 LSC2層序特征

LSC2層序結構與上期相似，同樣為上大下小的非對稱基準面旋回結構，底界面發(fā)育較粗粒的深灰色薄層狀細-粉砂巖，與下覆煤層突變接觸，且見大量植物碎片化石。海侵期巖性總體為一套深灰色中薄層狀細砂巖、粉砂巖夾灰黑色薄層狀泥質(zhì)粉砂巖和煤組成，粒度向上逐漸變細，層厚變薄，泥質(zhì)含量增高，表明水體逐漸加深的過程。這一時期成煤作用與海侵過程密切相關，濱岸地帶暴露土壤由于侵進的水體開始生長植物, 進而泥炭沼澤化, 早期已經(jīng)形成的泥炭被逐漸加深的水體覆蓋而保存成煤，這樣所形成的煤層具有穿時性，因此煤層頂?shù)捉缑娌荒茏鳛閷有騽澐值囊罁?jù)。 zk1206井在這一時期沉積一套含植物碎片化石的倒粒序灰色細砂巖，應是受前三角洲河口壩沉積物質(zhì)供應速率較大而形成的局部進積。

進積期，海平面相對下降，水體變淺，可容納空間變小，垂向序列表現(xiàn)為灰色薄層狀泥巖、泥質(zhì)粉砂巖向灰色中薄層狀粉砂巖的過度，具有泥質(zhì)含量逐漸減少，砂質(zhì)含量逐漸增多的特點，夾數(shù)層薄煤層。這一時期水退后產(chǎn)生了有利于泥炭沼澤的堆積環(huán)境，煤層的厚度和分布受泥炭沼澤發(fā)育的控制。

3.3 LSC3層序特征

LSC3期層序結構表現(xiàn)為基準面向上變深旋回和向上變淺旋回相等或近似相等的對稱基準面旋回結構，說明這一時期可容空間的增減與沉積物供應速率是平衡的。海平面上升半旋回，發(fā)育有深灰色中層狀粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖，夾薄層狀灰黑色泥巖、煤，粒度逐漸變細，為典型的退積體系域沉積，而低位體系域內(nèi)煤層較發(fā)育。海平面上升引起了濱岸泥炭沼澤向陸推進，隨著水體加深演化成煤，煤層與下部地層呈連續(xù)過渡接觸。

進積期，發(fā)育多套灰色中薄層狀細砂巖，夾灰黑色薄層泥巖、黑色炭質(zhì)泥巖，粒度逐漸變粗，層間可見沖刷面構造，受這一時期相對海平面快速下降的影響，且物源供給充足，容易發(fā)生河流回春現(xiàn)象。煤層僅在ZK1206附近發(fā)育，說明其他地區(qū)水體后退速度較快，未形成有利于植物生長的環(huán)境。

4 結論

1)通過野外露頭、鉆井巖心和測井資料研究，識別出區(qū)域不整合面、河流沖刷侵蝕面、巖性、巖相轉(zhuǎn)換面和最大海泛面4種層序界面，并分析各個界面的成因和物質(zhì)表現(xiàn)形式。

2)依據(jù)層序發(fā)育受多種因素控制的特點，利用層序界面性質(zhì)、層序結構和測井、巖性綜合分析，將研究區(qū)龍?zhí)督M劃分為3個長期基準面旋回層序LSC1—LSC3，以及若干中期基準面旋回層序。

3)選取長期基準面旋回層序，建立等時地層格架進行對比，并根據(jù)相對海平面升降對長期層序內(nèi)的物質(zhì)變化規(guī)律和成煤機制進行了系統(tǒng)描述。

[1] 四川省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局一一三地質(zhì)隊.四川省古藺縣川南煤田古敘礦區(qū)石寶礦段煤炭資源詳查報告[R].2010.

[2] 四川省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局一一三地質(zhì)隊.四川省古藺縣石寶礦段石寶-邱家祠井田煤層氣地質(zhì)調(diào)查評價報告[R].2012.

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