內蒙古金寶屯礦區煤與油頁巖共生沉積環境及層序演化?

馮婷婷李增學呂大煒王東東劉海燕王平麗

(1.山東省沉積成礦作用與沉積礦產重點實驗室,山東省青島市,266590; 2.山東科技大學地球科學與工程學院,山東省青島市,266590)

★煤炭科技·地質與勘探★

內蒙古金寶屯礦區煤與油頁巖共生沉積環境及層序演化?

馮婷婷1,2李增學1,2呂大煒1,2王東東1,2劉海燕1,2王平麗1,2

(1.山東省沉積成礦作用與沉積礦產重點實驗室,山東省青島市,266590; 2.山東科技大學地球科學與工程學院,山東省青島市,266590)

在系統分析內蒙古金寶屯盆地協爾蘇組鉆孔巖心、測井、古生物等資料的基礎上,對金寶屯盆地的煤與油頁巖共生發育的沉積環境、層序地層特征等進行深入研究。研究發現,協爾蘇組存在兩種煤與油頁巖共生組合類型(自上而下):煤層－油頁巖(C-OS)組合和煤層－油頁巖－煤層(C-OS-C)組合,主要發育于深湖－半深湖向三角洲過渡的環境,煤與油頁巖共生組合僅發育在盆地演化晚期的高水位體系域。構造運動、基底地形、水體深度與分層等因素綜合控制了煤、油頁巖的發育與展布,進而控制了煤與油頁巖共生組合發育的類型、演化及展布特征。

金寶屯盆地 煤與油頁巖共生 沉積相 層序地層 內蒙古

煤與油頁巖共生組合現象在我國多地存在,內蒙古金寶屯盆地是煤與油頁巖共生的典型地區之一。金寶屯盆地含煤地層為下白堊統協爾蘇組,而含煤地層油頁巖的沉積環境主要為淺水湖泊沼澤環境,煤與油頁巖共生時,煤中的低等動植物和油頁巖中的高等植物均比單一礦種含量高。本文運用沉積學和層序地層學的有關理論方法,詳細分析了金寶屯地區協爾蘇組的沉積環境及其層序地層特征,進而剖析研究區煤與油頁巖共生組合發育與分布規律。

1 地質背景

金寶屯礦區位于內蒙古自治區科爾沁左翼后旗境內,處在內蒙地軸北緣,松遼盆地的南緣,距金寶屯鎮35 km左右。金寶屯盆地為中生代內陸盆地,盆地邊界特征不同,西部、南部和北部邊界均屬沉積變薄尖滅類型,而東部邊界則逐漸加厚,整個盆地在東西方向上呈楔形。盆地內以向斜構造為主,近等軸狀,產狀比較平緩,局部有較大的波狀起伏,后期斷層較少,如圖1所示。

圖1 研究區位置及地質構造概況

金寶屯礦區中生界主要發育下白堊統的義縣組、協爾蘇組和泉頭組。下白堊統協爾蘇組中段發育一個可采煤組和與煤層底板共生的礦產油頁巖,其主要巖性為灰黑色及黑色泥巖、灰白色粉砂巖和細砂巖。礦區內沉積形成一個復煤層,分上、中、下3個分煤層,上分煤層為可采煤層,中分煤層以薄煤層夾炭質頁巖為主,下分煤層為炭質頁巖。煤層之下與煤層共生礦產油頁巖可劃分為Ⅰ、Ⅱ兩層,頁理發育,局部含炭較高。在油頁巖、頁巖下部為薄層礫巖、細砂巖、粉砂巖,具有緩波狀層理及水平層理,局部可見交錯層理,含少量炭化植物碎屑。礫巖的成分一般以變質巖為主,泥質膠結,砂質充填,泥巖、油頁巖、頁巖中含大量的三尾擬蜉蝣、葉肢介化石。

2 煤與油頁巖沉積環境及其共生組合

2.1 沉積環境分析

關于金寶屯盆地的沉積環境,已有一些專家進行過分析。結合研究區實際資料,研究區的主要沉積環境為扇三角洲體系,湖泊體系和曲流河沉積體系,如圖2所示。

圖2 內蒙古金寶屯礦區下白堊統協爾蘇組沉積環境分析

(1)扇三角洲體系。該體系主要發育沉積相為分流間灣和分流河道,其坡積物、洪積物主要發育在盆地形成之初、湖水侵進階段,主要巖性為礫巖、含礫粗砂巖,礫石成分為片巖、片麻巖、凝灰巖、安山巖等,分選差、棱角狀、泥質膠結。向上沉積了細砂巖、粉砂巖,局部含炭屑,屬于遠砂壩沉積物,其上是中砂巖夾粉砂巖,具小型交錯層理,含少量炭化植物屑,是河口砂沉積物,為扇三角洲前緣層積物。扇三角洲前緣層積物之上是細砂巖、粉砂巖,多數含生物化石及炭屑,具水平層理等較細的沉積物,其上為粉砂質泥巖、泥巖等,為近似湖泊相的遠砂壩沉積和淺湖泊相沉積物。

(2)湖泊體系。主要發育在扇三角洲沉積之上,依次發育濱淺湖相、半深湖相以及深湖相和半深湖相。深湖相沉積了厚層灰黑色、黑色、局部帶褐色的油頁巖層,含大量的浮游生物化石,層理發育,該層為湖水變淺大量的浮游生物死亡并沉積形成的。Ⅰ層油頁巖沉積之后,沉積了一層灰、灰綠色凝灰質泥巖、凝灰質粉砂巖和少量的凝灰質細砂巖,說明當時地殼運動強烈并伴有火山噴發。火山噴發之后,向上沉積了一層黑色為主的油頁巖層(Ⅱ號油頁巖),該層局部含炭較高,層理較發育。水體較淺時,湖水難以發生分層,無法沉積油頁巖;而水體較深時,湖水穩定后發生分層,沉積厚層油頁巖。

(3)曲流河沉積體系。主要發育沉積相為泛濫平原、泛濫湖泊以及辮狀河道。隨著泥炭沼澤的發育和范圍逐漸擴大,湖泊逐漸進入萎縮、消亡期。該時期地勢較為平坦,河流作用再次增強,逐漸過渡為曲流河沉積為主,沉積物主要為砂巖、含礫粗砂巖及少量薄層礫巖、細礫巖。礫石成分以變質巖、花崗巖為主,分選差、棱角狀、泥質膠結松散,粉砂巖、泥巖中含礫石,可見斜層理和交錯層理,粗砂巖成分以石英、長石為主,泥質膠結松散,為河道滯留沉積、高能河道沉積。上部細砂巖具緩波狀層理、小型波紋層理、小型交錯層理、水平層理,為分選較好的天然堤沉積。

2.2 煤與油頁巖共生組合特征

金寶屯盆地下白堊統協爾蘇組主要發育兩層厚度較大的油頁巖和一個復合煤層,煤與油頁巖主要有兩種共生組合類型(自上而下),如圖3所示。第一種是煤層－油頁巖組合(C-OS),這是研究區最主要的煤與油頁巖共生組合類型,即油頁巖作為煤層上分層的底板,巨厚層的油頁巖之上發育了一層厚度較大的煤層,煤層和油頁巖的分布均較大;第二種是煤層－油頁巖－煤層組合(C-OS-C),即油頁巖的頂底板為煤層上分層、底板為煤層中分層,這種組合主要出現在煤的中分層發育的地區,厚度和分布范圍均較小,主要分布在研究區的中南部。盆地東北部煤層上分層單獨出現,不與油頁巖共生,而煤層中分層則作為油頁巖的頂板(COS)。這兩種組合均出現在深湖－半深湖向曲流河三角洲過渡的環境,作為煤層底板的油頁巖一般發育在深湖－半深湖環境,而煤層則主要發育在曲流河三角洲環境,反映了沉積環境較大的轉化。

圖3 內蒙古金寶屯礦區煤與油頁巖共生典型沉積序列

研究區內煤與油頁巖共生主要存在兩種典型的沉積序列。序列1主要發育在沉積期湖泊的中部,在油頁巖沉積之前已經發育了厚層的泥巖,隨著地質條件發生變化,水體加深,湖水穩定后發生分層,沉積了厚度較大的油頁巖;此后水體變淺,發育了一套濱湖灘壩粉砂巖,然后進入濱湖環境,發育了厚度較大的油頁巖;水體再次變淺,進入濱湖沼澤環境,湖水難以分層,發育了厚度較大的煤層;之后水體略有加深,發育了濱湖和灘壩沉積。序列2主要發育在沉積期湖泊的濱岸位置,下部發育了厚層的礫巖,主要為扇三角洲平原辮狀主河道的礫巖沉積,湖泊逐漸擴張,過渡到辮狀河三角洲前緣的辮狀分支河道粗砂巖沉積;湖泊繼續擴張加深進入淺湖環境,湖水發生分層,沉積了厚度較大的油頁巖;之后,湖水有所變淺,進入湖沼環境,湖水難以發生分層,沉積了一層厚度不大的煤層,即中煤分層;湖水再次加深,湖水發生分層,沉積了厚度較大的油頁巖;之后,湖水較大范圍變淺,進入湖沼環境,沉積了厚度較大的煤層,即上煤分層;湖沼發育晚期,湖水大范圍加深,進入淺湖環境,沉積了厚度較大的泥巖。

3 金寶屯盆地下白堊統層序地層分析

3.1 層序地層格架建立

通過鉆井及測井曲線的綜合對比,在內蒙古金寶屯礦區下白堊統協爾蘇組共識別出3個層序地層界面:協爾蘇組下部主要為砂巖、含礫粗砂巖,向上發育泥巖或煤層,巖性明顯突變,為典型的層序界面;協爾蘇組上部與上覆泉頭組之間為角度不整合接觸,為典型的層序界面;Ⅰ號油頁巖中部電阻率值最大而長源距值最小,代表最大湖泛面,也是典型的層序地層界面。根據層序界面發育特征,可以將協爾蘇組劃分為一個三級層序,反映了一個完整的湖泊發育旋回,主要可以劃分出四個體系域:低水位體系域(LST)、湖擴張體系域(EST)、早期高水位體系域(EHST)和晚期高水位體系域(LHST)。低水位體系域主要包括下部砂、礫巖段,在湖泊中部還包括部分泥巖段;湖擴張體系域主要包括含礦段的下部湖相泥巖和Ⅰ號油頁巖的一部分;進入早期高水位體系域穩定沉積階段,繼續發育Ⅰ號油頁巖,之后發育Ⅱ號油頁巖;上部穩定中厚煤層的出現,反映了水體突然變淺,湖泊快速萎縮,進入晚期高水位體系域。

3.2 層序地層格架及演化

在層序地層格架中,煤與油頁巖組合發育在盆地演化晚期的高水位體系域,厚層油頁巖之上沉積了較穩定的煤層上分層,局部地區還出現煤層的上、中分層夾油頁巖的情況。這些共生組合的發育,反映了水體的快速變淺,可容空間迅速變小,由淺湖環境快速轉變為湖沼環境而發育煤層,其動力機制主要為構造的突發性抬升。在盆地演化早－中期,即低水位和湖擴張體系域,由于盆地構造沉降太快,可容空間增加速率極快,不利于泥炭的堆積,繼而沒能發育煤層。

通過對典型鉆孔A14孔進行層序地層分析,研究得出該地區的層序地層發育特征,如圖4所示。在低水位體系域,主要發育厚層礫巖,由于盆地構造沉降太快,可容空間增加速率極快,不利于泥炭的堆積,沒能發育煤層;湖擴張體系域主要發育Ⅰ號油頁巖的下部,盆地構造沉降和可容空間增加速率極快,不利于泥炭的堆積,也沒能發育煤層;早期高水位體系域發育了Ⅰ號油頁巖的上部和Ⅱ號油頁巖,中間夾一層凝灰質泥巖,凝灰巖的沉積破壞了湖水的分層,導致了油頁巖發育的中斷;晚期高水位體系域發育了一層煤和上部的巨厚層細砂巖。油頁巖發育時期,湖水較深,可容空間與沉積物供給量比值(A/S)較大,隨著構造抬升和沉積物充填,水體逐漸變淺,可容空間迅速變小, A/S比值減小,發育了濱湖泥巖沉積,并逐漸過渡到泥炭沼澤環境,發育了厚度中等的煤層。這個沉積序列的變化是連續的、漸變的,煤與油頁巖沉積環境的轉換是漸變的。

圖4 金寶屯礦區A14孔井下白堊統沉積相－層序劃分綜合柱狀圖

通過對盆地內2條典型剖面進行層序地層分析,如圖5、圖6所示,發現盆地內只要有湖相細碎屑物沉積的地區,均有煤層－油頁巖(C-OS)組合。在湖泊水體較深的地區油頁巖和煤層的厚度均較大,且只有一層煤發育;在盆地中南部次級低隆起上,油頁巖和煤層厚度均較小,且煤層一般發育兩層,發育煤層－油頁巖－煤層(C-OS-C)組合。在湖泊區水體較深而發育油頁巖時,次級隆起區水體較淺,仍未有粗碎屑沉積,水體繼續加深到一定程度時次級隆起區才開始發育油頁巖,故油頁巖厚度相對較小。隨著盆地演化進入晚期,構造抬升導致湖泊水體變淺的時候,在水體較深的地區仍沉積油頁巖,次級隆起區率先進入泥炭沼澤環境而發育煤層。當水體較深地區水體變淺到可以發育泥炭沼澤而發育煤層時,次級隆起區由于水體過淺而早已終止成煤作用,形成的煤層較薄。

從盆地典型的連井剖面來看,隨著水體深度的增加,油頁巖主要發育在層序的湖擴張體系域(EST)和早期高水位體系域(EHST),油頁巖厚度有增大趨勢;但是局部地區水深較大而油頁巖厚度較小,從巖性柱狀上看,該地區發育的凝灰巖較厚,即火山活動對該地區水體的穩定性造成影響,進而影響了油頁巖的發育。從煤層發育整體上來,全盆地發肓較穩定,厚度變化不大,但在盆地邊緣或盆內次級隆起部位稍薄,但是這些部位往往發育兩個煤層,反應了水體的深淺變化。水體變淺時,盆緣或盆內隆起部位水體較淺,湖水難以發生分層且高等植物繁盛,逐漸進入泥炭沼澤環境開始發育煤層,湖中心次級凹陷區水體仍較深,仍然發育油頁巖沉積;當構造快速沉降,湖水迅速加深時,濱湖和次級隆起上的泥炭沼澤迅速進入水下,湖水穩定后發生分層,沉積油頁巖;而湖中心和次級凹陷區則持續發育油頁巖。直到盆地演化晚期,構造快速抬升,整個盆地快速萎縮變淺,全盆地范圍的油頁巖發育逐漸結束,轉入泥炭沼澤環境而發育煤層。最后,盆地逐漸萎縮、變淺、消亡。

圖5 內蒙古金寶屯礦區下白堊統協爾蘇組沉積斷面圖(近S－N向)

圖6 內蒙古金寶屯礦區下白堊統協爾蘇組沉積斷面圖(SW－NE向)

4 結論

(1)金寶屯盆地下白堊統協爾蘇組主要發育3種沉積相:扇三角洲相、湖泊相及三角洲相。油頁巖主要發育于深湖－半深湖環境,煤層主要發育于河流－三角洲沉積環境,煤與油頁巖主要有2種共生組合,即煤層－油頁巖(C-OS)組合和煤層－油頁巖－煤層(C-OS-C)組合,而這兩種組合均出現在深湖－半深湖向三角洲過渡的環境。

(2)金寶屯盆地下白堊統協爾蘇組可以識別出3個層序地層界面:協爾蘇組下部的巖性突變面;協爾蘇組上部與上覆泉頭組之間為角度不整合接觸面;I號油頁巖中部電阻率值最大而長源距值最小的最大湖泛面。根據層序界面發育特征,可以將協爾蘇組劃分成四個體系域:低水位體系域(LST),湖擴張體系域(EST),早期高水位體系域(EHST)和晚期高水位體系域(LHST)。

(3)油頁巖主要發育在層序的湖擴張體系域(EST)和早期高水位體系域(EHST),煤層發育在晚期高水位體系域(LHST),煤與油頁巖共生組合僅發育在盆地演化晚期的高水位體系域。

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Symbiotic sedimentary environment and sequence evolution of coal and oil shale in Jinbaotun mining area in Inner Mongolia

Feng Tingting1,2,Li Zengxue1,2,Lv Dawei1,2,Wang Dongdong1,2,Liu Haiyan1,2,Wang Pingli1,2
(1.Shandong Key Laboratory of Sediment Mineralization and Sediment Mineral, Qingdao,Shandong 266590,China; 2.College of Earth Science and Engineering,Shandong University of Science and Technology, Qingdao,Shandong 266590,China)

Based on the systematical ananlysis of drill core,logging and paleontology data of Xieersu Formation in Jinbaotun basin in Inner Mongolia,a further study was conducted on the sedimentary environment of coal and oil shale symbiotic development and sequence stratigraphy characteristics．According to the research,there are two types of coal and oil shale symbiotic combination(from top to bottom):coal-oil shale(C-OS)and coal-oil shale-coal(C-OS-C), mainly developed in the environment that transited from deep lake-half deep lake to the delta,and the coal and oil shale symbiotic combination just developed in late highstand system tract．Some factors such as tectonic movement,basement terrain,water depth and hierarchy controlled the development and distribution of the coal and oil shale,and further controlled the type,evolution and distribution characteristics of the coal and oil shale symbiotic combination．

Jinbaotun basin,coal and oil shale symbiosis,sedimentary facies,sequence stratigraphy,Inner Mongolia

P624.6

A

馮婷婷(1986－),女,山東省滕州市人,山東科技大學碩士研究生在讀,主要研究方向為沉積地質與沉積礦產。

(責任編輯 郭東芝)

國家自然科學基金“煤與油頁巖共生聚積成礦機制與模式的比較研究”(41272172),教育部高等學校博士學科點專項科研基金(20123718110004)資助