沁水盆地東北部太原組層序地層特征研究

張海濤

（宿州學(xué)院　安徽省煤礦勘探工程技術(shù)研究中心，安徽　宿州　234000）

1　引言

層序地層學(xué)是通過解釋周期性、不整合或與其對比的整合為界的、成因上有聯(lián)系的地層格架的一門學(xué)科理論[1]，海平面抬升或者下降是其重要的控制因素.我國疆域遼闊，發(fā)育有類型眾多、完整連續(xù)的地層剖面，還具有較多完整化石.自20世紀(jì)80年代起，層序地層學(xué)在我國開始有所發(fā)展，通過中國地質(zhì)學(xué)家和其他地質(zhì)學(xué)者對地層學(xué)的研究，無論在廣度還是深度都取得了矚目的成就，積累了極其重要的經(jīng)驗和技術(shù)方法，[2-3]以沁水盆地東北部地區(qū)太原組層序地層為研究目標(biāo)，對鉆井巖芯進行室內(nèi)實驗以及對出露巖層資料進行綜合研究，得出研究區(qū)巖相特征，分析地層發(fā)育的主控因素，確定地層周期與層序級別，建立等時代層序格架，在格架內(nèi)討論研究區(qū)沉積演化規(guī)律，對沁水盆地含煤巖系的進一步研究奠定了良好的理論基礎(chǔ).

2　區(qū)域地質(zhì)概況

2.1　區(qū)域地理位置

沁水盆地東北部坐落的陽泉礦區(qū)交通方便，境內(nèi)石太電氣化鐵路橫貫礦區(qū)中部[4]，石太、陽涉、陽盂等鐵路貫穿市區(qū)，另有陽煤集團鐵路專線直通所屬各礦，構(gòu)成煤炭銷售網(wǎng)絡(luò)，陽泉市成為連接京、津、唐、豫、冀、晉的鐵路樞紐.公路四通八達，307國道、207國道以及太舊高速公路在市內(nèi)交叉，交通條件極為便利(圖1).

圖1　研究區(qū)交通位置及井田分布圖

2.2　煤巖層對比標(biāo)志層

地層對比主要依靠鉆孔來揭露地層，從而展示地層的巖性及巖相特征，再利用標(biāo)志層進行對比，在該區(qū)域中標(biāo)志層有明顯的沉積旋回特征，較易進行對比.區(qū)域內(nèi)的主要標(biāo)志層如下：

（1）K1砂巖(晉祠砂巖)：太原組的底部的K1砂巖主要為灰白色中粒石英砂巖，平均厚度4.73 m，沉積比較穩(wěn)定，在其下部還發(fā)育一層石灰?guī)r，該層經(jīng)常用來做輔助標(biāo)志.

（2）K2灰?guī)r（四節(jié)石石灰?guī)r）：該層巖性為灰色泥晶灰?guī)r，厚度在橫向上分布穩(wěn)定平均為6.5m，位于海侵形成的15#煤層之上，因其海侵成因所以巖石中含大量海相生物碎屑，該層灰?guī)r同時是石炭紀(jì)和二疊紀(jì)的分界標(biāo)志層.

（3）K3灰?guī)r（錢石石灰?guī)r）：該層平均厚度3.2m，泥晶灰?guī)r其中局部裂隙發(fā)育，含大量海相生物碎屑.

（4）K4灰?guī)r（猴石石灰?guī)r）：該層平均厚度為3.5m，以灰色泥晶灰?guī)r或泥晶生屑灰?guī)r為主，且局部含有泥質(zhì)條帶.

（5）K7砂巖（北岔溝砂巖）：該層位于山西組底界，平均厚度5.3m.以白色中粒石英砂巖為主，其中發(fā)育有水平、微波狀層理.

3　區(qū)域?qū)有虻貙友芯?/h2>

3.1　研究區(qū)域地層關(guān)鍵界面及其界面特征

3.1.1研究區(qū)層序界面

（1）太原組15#煤層底面為局部沉積間斷面，特征：①區(qū)域構(gòu)造體制轉(zhuǎn)換面，研究區(qū)受到海西運動影響下，古構(gòu)造向北隆南傾方向發(fā)展.②海侵方向轉(zhuǎn)換面，在區(qū)域目標(biāo)煤層底部從晚石炭世到早二疊世海侵方向從東北方向轉(zhuǎn)為南方.③古生物組合突變面，界面下發(fā)育的蜓類消失，而被其他生物取代并發(fā)展.④根土巖發(fā)育.

（2）太原組中各標(biāo)志性灰?guī)r頂部，鑒于整個太原組的沉積環(huán)境中河道缺少砂巖，故該界面面經(jīng)常與海侵面重疊，界面上下分別是海侵體系域界面和高位體系域.

（3）第一砂巖底面，該界面為區(qū)域性海退面，界面上下分別為山西組和太原組，到晚古生代時期，第一砂巖底面下部達到最大海侵范疇，產(chǎn)生較多的海相灰?guī)r；界面上部移至南部.

（4）晉祠段砂巖底面是通過海進作用下所形成的海侵侵蝕面，此部段界面之上存在可以對下部形成下蝕作用的障壁砂巖，并對本溪組部分頂層形成沖刷作用.

3.1.2初始海泛面

海水首次越過海侵面，沉積體系由低位體系域向海侵體系域轉(zhuǎn)化[5-6].并在該體系域中發(fā)育有灰色泥巖、煤層并伴生古土壤層.對于有些河道沒產(chǎn)生分流情況下，地層界面往往與海侵面一致，并埋深在古土壤層之上.

3.1.3最大海泛面

指泥巖、湖泊分布面積最廣，變化頻率最高的海平面[7].研究區(qū)目標(biāo)地層內(nèi)存在三套代表性灰?guī)r，都屬于最大水深灰?guī)r層標(biāo)志面，由于礦區(qū)太原組屬于在淺水沉積環(huán)境下形成，故不利于形成凝縮層.

3.2　區(qū)域?qū)有虻貙踊瘎澐?/h3>

通過研究并結(jié)合Vail的原則將目標(biāo)區(qū)域內(nèi)太原組分為四個三級層序，每個層序中都包含高位和海侵兩個體系域（圖2）.

（1）SQ1

該層序頂部和底部分別為區(qū)域內(nèi)主要可采煤層15#煤以及K1砂巖，并且該區(qū)域?qū)儆谏鲜拷y(tǒng)晉祠段，包含海侵和高位兩個體系域.

（2）SQ2

下部為海侵形成的煤層，上部為海退時形成的砂巖，中間發(fā)育大量K2灰?guī)r，以K2灰?guī)r底部為其最大海泛面，層序內(nèi)發(fā)育穩(wěn)定.

（3）SQ3

此層序頂部為K2灰?guī)r，細(xì)砂巖為底，海侵體系域頂部發(fā)育有13#薄煤層，并且在錢石灰?guī)r底部作為其最大海泛面.

（4）SQ4

本組以碳酸鹽巖地形成的錢石灰?guī)r以上泥質(zhì)砂巖部分為底面，第一砂巖界面為頂面，并且以上部位屬于山西組范疇.

3.3　層序發(fā)育的影響因素

SQ1區(qū)域主要由于區(qū)域海侵作用形成的，并且形成特征性巖石頂?shù)酌妫搮^(qū)域是障壁島-潟湖-潮坪沉積體系.

SQ2層序主要由于構(gòu)造作用形成，由于構(gòu)造變動產(chǎn)生間斷面和不整合邊界，使得古地理格局發(fā)生變化，形成15#煤層.

SQ3和SQ4的影響因素主要由于氣候變化、地殼內(nèi)應(yīng)力作用.導(dǎo)致海平面升降，區(qū)域沉積不穩(wěn)定.SQ3的特征性界面是區(qū)域性海侵面，形成錢石灰?guī)r，對于SQ4形成猴石灰?guī)r，它們都缺失低位體系域.

4　沉積演化歷史與古地理演化

4.1　沉積演化歷史

從區(qū)域構(gòu)造上看，沁水盆地東北部位于華北聚煤區(qū)中部偏北的位置[8]，該區(qū)域應(yīng)在奧陶世中期整體抬升，之后接受剝蝕，晚石炭世時期再沉降接受沉積，沁水盆地東北部太原組與下方本溪組成整合接觸[9]，是在華北地區(qū)海陸交互沉積的背景下形成的一套地層，發(fā)育有碳酸鹽臺地和泥炭沼澤，巖性組合主要有煤層、灰?guī)r、砂巖和泥巖等.

(1)SQ1時期，沁水盆地東北部發(fā)育有潟湖-潮坪和障壁沙壩等沉積，因此海侵體系域中K1砂巖的巖性表現(xiàn)出灰白色細(xì)粒石英砂巖并向北西展布，而在高位體系域中發(fā)育潮坪相的泥巖，這種潮坪相泥巖主要位于研究區(qū)的西南部.

(2)SQ2時期，海侵體系域中研究區(qū)發(fā)育有較厚的煤層，反映了當(dāng)時的沉積環(huán)境以泥炭沼澤為主，且西南部沉積厚度最大，同時高位體系域中反映出海相沉積環(huán)境，由于海平面的上升導(dǎo)致聚煤作用結(jié)束，早期沉積相以碳酸鹽臺地為主，發(fā)育四節(jié)石灰?guī)r，后期沉積相以潮坪為主，發(fā)育泥巖和砂質(zhì)泥巖.

(3)SQ3時期，海侵體系域顯示研究區(qū)的沉積相以障壁沙壩為主，在東北部地區(qū)砂巖比較發(fā)育，并且在此地達到最大厚度，同時發(fā)育有泥炭沼澤，說明沉積環(huán)境以潟湖-潮坪為輔.HST中顯示研究區(qū)中部沉積厚度最大，此時海水上漲，形成了碳酸鹽臺地，早期發(fā)育猴石灰?guī)r，晚期以潟湖-潮坪沉積為主.

(4)SQ4時期，海侵體系域通過巖性變化顯示研究區(qū)東北部主要發(fā)育潟湖-潮坪沉積，并在此地達到最大沉積厚度，同時根據(jù)巖性標(biāo)志顯示障壁沙壩也同時發(fā)育，在高位體系域中與SQ2、SQ3類似早期都是以碳酸鹽臺地沉積為主，晚期發(fā)育潟湖-潮坪沉積為主.

圖2　沁水盆地東北部太原組層序地層對比圖

4.2　古地理演化

巖相古地理能夠重建和恢復(fù)一定地質(zhì)歷史時期對應(yīng)的沉積環(huán)境[10]，這種研究的本質(zhì)在于分析當(dāng)?shù)氐膸r相和沉積相，統(tǒng)計與沉積環(huán)境有關(guān)的參數(shù)，再利用這些參數(shù)繪制古地理圖件，其中單因素作圖法是繪制古地理圖件方法中最常用的一種.單因素指的是在特定的地層區(qū)段中，反映地層巖性、古生物和礦物等各種特征，然后根據(jù)地層的特征在區(qū)域內(nèi)做等值線圖.結(jié)合當(dāng)?shù)氐臉?gòu)造演化背景以及相關(guān)學(xué)科知識對各單因素等值線圖綜合判斷，最終繪制出巖相古地理圖.研究區(qū)太原組是一套以潟湖-潮坪-碳酸鹽臺地等沉積相為主的沉積體系，巖性以煤層、砂巖、泥巖和灰?guī)r為主，因此采用地層厚度、砂巖厚度、泥巖厚度、含砂率以及灰?guī)r厚度、煤層厚度作為參數(shù)，繪制了巖相古地理圖，并在層序地層格架內(nèi)探討太原組的沉積演化及其特征，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域太原組整體上由4個沉積旋回組成，總體呈現(xiàn)華北陸表海特有的海陸交互沉積（圖3）.

圖3　沁水盆地東北部太原組SQ2巖相古地理圖

5　結(jié)論

（1）在沁水盆地東北部太原組中找出了K1砂巖、K2灰?guī)r、K3灰?guī)r、K4灰?guī)r等特征明顯且具有指導(dǎo)意義的標(biāo)志層，并由此根據(jù)巖性變化識別出了障壁沙壩-潟湖潮坪、碳酸鹽臺地2種沉積相.

（2）通過對該區(qū)域鉆孔資料的詳細(xì)研究，結(jié)合海侵面、最大海泛面等層序界面等的分析，建立了全區(qū)層序地層格架并編制研究區(qū)巖相古地理圖，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域的沉積演化規(guī)律具有典型的華北陸表海海陸交互沉積特征.

參考文獻：

〔1〕程愛國，魏振岱.華北晚古生代聚煤盆地層序地層與聚煤作用關(guān)系的探討 [J].中國煤田地質(zhì)，2001:7-8.

〔2〕程愛國,林大揚，等.聚煤作用系統(tǒng)論和系統(tǒng)分析[J].地球?qū)W報,1999(4):617-622.

〔3〕葛寶玉.測量進行煤層對比的初步試驗及應(yīng)用前景[J].河北煤炭,1994(1):38-43.

〔4〕郭英海，劉煥杰，權(quán)彪，等．鄂爾多斯地區(qū)晚古生代沉積體系及古地理演化[J]．沉積學(xué)報，1998，16(3)：44-51.

〔5〕郭英海，劉煥杰．陜甘寧地區(qū)晚古生代的沉積體系[J].古地理學(xué)報，2000，2(1)：19-30.

〔6〕何錫麟.華北地臺晚古生代地層研究的新進展[J].中國礦業(yè)學(xué)院學(xué)報，1985(3):19-25.

〔7〕李增學(xué)，等.華北南部晚古生代陸表海盆地層序地層格架與海平面變化[J].巖相古地理，1996，16(5):1-10.

〔8〕李增學(xué)，魏久傳．華北南部晚古生代陸表海盆地層序地層格架與海平面變化 [J].巖相古地理，1996，16(5)：1-10.

〔9〕李思田，李禎．含煤盆地層序地層分析的幾個基本問題[J].煤田地質(zhì)與勘探，1993，2(4)：1-8.

〔10〕李東平.地區(qū)控煤構(gòu)造的三種表現(xiàn)形式及演化特征[J].中國煤田地質(zhì),1993(4):5-11.