貴州仁懷吳家寨地區(qū)晚二疊世龍?zhí)督M層序地層與聚煤作用分析

劉志臣 汪 洋 李隆富 陳 登1, 龍宣霖 陳云明 張建忠 時中越

(1. 中國地質(zhì)大學地球科學學院, 湖北省武漢市, 430074；2. 貴州省地礦局一O二地質(zhì)大隊, 貴州省遵義市, 563003)

貴州是我國煤炭資源蘊藏極為豐富的省份，素有“江南煤海”之譽，是中國重要的煤炭生產(chǎn)基地，貴州仁懷—習水—桐梓地區(qū)煤炭資源豐富，是貴州煤炭重要產(chǎn)區(qū)之一。研究區(qū)位于仁懷—桐梓—習水交界部位，為貴州省地質(zhì)勘查基金第三批整裝勘查區(qū)，前人對該區(qū)含煤巖系的研究主要集中在地層特征、古生物特征和沉積相方面來開展聚煤規(guī)律的研究，而利用層序地層學理論方法，對研究區(qū)晚二疊世龍?zhí)督M含煤地層的劃分、層序構成、沉積體系開展聚煤規(guī)律研究較少。本文利用鉆孔巖心資料、測井數(shù)據(jù)對研究區(qū)龍?zhí)督M開展地層格架基準面旋回的識別、劃分和對比，開展研究區(qū)聚煤作用的分析，指導該區(qū)煤炭整裝勘查工作，特別是優(yōu)質(zhì)厚煤的攻深找盲，以便實現(xiàn)整裝勘查區(qū)重大的找礦突破。

研究區(qū)含煤巖系為二疊紀上統(tǒng)龍?zhí)督M(P3l)，地層厚55～85 m，平均厚74 m，巖性主要為粉砂巖、細砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥巖、粘土巖、煤、灰?guī)r等，可見植物類、腕足類化石，含星散狀、團塊狀黃鐵礦，為一套海陸交互相的沉積巖。總體含煤層、煤線8～12 層，其中，可采煤層為4層(C5、C8、C11、C12煤層)，煤層平均厚10 m，含煤率13%。研究區(qū)地質(zhì)概況如圖1所示。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

研究區(qū)大地構造位置位于揚子準地臺黔北臺隆遵義斷拱畢節(jié)北東向構造變形區(qū)。區(qū)域上出露奧陶系、志留系、二疊系、三疊系、侏羅系地層，石炭系、泥盆系和志留系地層缺失，均為沉積巖。褶皺主要為北東向的背、向斜構造，斷層主要為北東向高角度的正斷層、逆斷層。

1-侏羅系；2-三疊系；3-二疊系龍?zhí)督M與長興組；4-二疊系茅口組與棲霞組； 5-斷層；6-背向斜軸線；7-志留系；8-奧陶系；9-寒武系；10-震旦系；11-研究區(qū)范圍 圖1 研究區(qū)地質(zhì)簡圖

2 關鍵層序界面的識別

本次含煤巖系的層序、體系域劃分主要采用Exxon公司“Vail”學派的觀點，依據(jù)巖心和測井曲線所反映出來的地層旋回特點和地層突變面標志特征來識別各關鍵界面，層序級別采用三級層序劃分方案。

2.1 層序界面識別

(1)區(qū)域不整合面。古構造運動形成的區(qū)域性不整合面是地層劃分的重要界面。由于研究區(qū)晚二疊世的東吳運動抬升、剝蝕作用，茅口組與龍?zhí)督M不整合面為上二疊統(tǒng)層序的底界，識別為sb1層序界面，全區(qū)普遍發(fā)育，易于識別對比。研究區(qū)ZK2103測井曲線圖顯示上二疊統(tǒng)下界與上界的巖性明顯不同，在該處GR和NR測井曲線突然增大。

(2)沉積體系轉(zhuǎn)換面。由于構造運動或其他因素引起的海平面快速、大幅下降，造成盆地內(nèi)海水退出，沉積體系由海陸交互相轉(zhuǎn)換為陸相沉積，形成沉積體系轉(zhuǎn)換面。研究區(qū)C11煤層頂板砂巖界面下為瀉湖—潮坪沉積體系，界面上為三角洲平原沉積體系，該砂巖為一沉積體系轉(zhuǎn)換面，識別為sb2層序界面。

(3)下切谷砂巖體。區(qū)域性砂巖代表低位期的河流下切滯留沉積，底面為一種侵蝕不整合面，可作為層序界面劃分的標志。研究區(qū)龍?zhí)督MC6煤層頂板砂巖可識別為sb3層序界面，底界面經(jīng)歷了河道強烈下切作用，其碎屑成分、沉積環(huán)境和古生物組合等有明顯的差異。

(4)古土壤及根土巖。煤層底板發(fā)育植物根的泥巖相當于現(xiàn)代潮濕氣候下的淋濾土、潛育土，是地表暴露的一個主要標志，代表了一段時間的沉積間斷。研究區(qū)龍?zhí)督M發(fā)育有潛育土，可用煤層的底面，即根土巖的頂面作為層序劃分的界面。

2.2 體系域界面的識別

(1)初始海泛面(fs)的識別標志。一般將砂巖之上覆蓋的泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖等細粒巖石的底面定為初始海泛面。在沒有低位體系域的地帶, 初始海泛面直接覆蓋于古土壤層之上與層序界面重合, 此時的古土壤可能比較發(fā)育。

(2)最大海泛面(mfs)的識別標志。最大海泛面在一套向上變細、變深的沉積序列中，以相對較大的厚度出現(xiàn)時，頂面作為最大海泛面的位置。另外，區(qū)域分布的厚煤層多是最大海泛期的沉積，常發(fā)育大型三角洲間灣沼澤、河道間沼澤，從而發(fā)育了分布范圍廣泛、厚度較大的煤層，這樣的煤層出現(xiàn)可確定為最大海泛位置，如圖2所示。

圖2 最大海泛面及初始海泛面

3 層序地層格架的建立

研究區(qū)的龍?zhí)督M可識別出3個三級層序界面，即SQ1、SQ2、SQ3，根據(jù)識別出的初始海泛面(fs)和最大海泛面(mfs)進一步將層序劃分出體系域。選取研究區(qū)地層較全的鉆孔作了層序地層精細分析，如圖3所示，選取了北西—南東向的剖面進行聯(lián)井層序地層學對比分析，對各層序的體系域類型、特征進行空間和時間的對比，如圖4所示。

(1)三級層序SQ1。由層序邊界sb1和sb2界定，sb1為龍?zhí)督M與茅口組之間的區(qū)域不整合面，界面之下為淺灰色厚層狀微晶灰?guī)r，界面之上為淺灰色含黃鐵礦粘土巖。SQ1厚9～11 m，被最大海泛面(mfs)劃分為海侵體系域和高位體系域，低位體系域不發(fā)育。海侵體系域(TST)位于區(qū)域不整合面(sb1)和最大海泛面(mfs)之間，沉積期間隨著水體加深，沉積一套退積的淺灰色含黃鐵礦粘土巖、深灰色泥巖及粉砂質(zhì)泥巖，發(fā)育C12高硫煤層，為瀉湖相環(huán)境。最大海泛面(mfs)之上為高位體系域，巖性主要為細砂巖、粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、泥巖及C11煤層，巖性自北西向南東逐漸變細，C11煤層中含較多粉晶狀、結核狀黃鐵礦，為潮汐沙壩及潮坪沼澤環(huán)境；高位體系域分布廣泛，全區(qū)鉆孔均有揭露，平均厚度14.5 m，厚度有從北西向南東先變厚再變薄的趨勢。

1-細砂巖；2-粉砂巖；3-泥質(zhì)粉砂巖；4-粉砂質(zhì)泥巖；5-泥巖；6-煤層；7-粘土巖；8-水平紋理；9-互層層理； 10-交錯層理；11-小型槽狀交錯層理；12-波狀層理；13-小型水流波痕；14-正粒序；15-倒粒序；16-煤層及編號 圖3 二郎ZK303龍?zhí)督M層序地層綜合柱狀圖

(2)三級層序SQ2。剖面線上各井都控制，地層厚度變化不明顯，為龍?zhí)督M煤層最發(fā)育的層序。根據(jù)識別的初始海泛面(fs)和最大海泛面(mfs)進一步細分低位體系域、海侵體系域和高位體系域。低位體系域位于sb2和初始海泛面(fs)之間，分布于研究區(qū)北東部及中部，東南部缺失，巖性主要為細砂巖、粉砂巖及泥質(zhì)粉砂巖，沉積環(huán)境以三角洲平原分流河道為主，低位體系域期間未發(fā)育煤層，只在少數(shù)鉆孔中見薄煤線。海侵體系域位于初始海泛面(fs)和最大海泛面(mfs)之間，巖性主要為泥巖、煤層、粘土巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖及炭質(zhì)泥巖組成，泥巖及炭質(zhì)泥巖中見大量植物葉片化石，見水平層理、波狀層理，煤層較發(fā)育，發(fā)育C8優(yōu)質(zhì)煤層、C9煤層和若干薄煤層、煤線，該體系域由下至上由分流間灣和泥炭沼澤兩個微相組成。高位體系域位于最大海泛面(mfs)和sb3之間，主要為三角洲平原環(huán)境，發(fā)育C6、C7煤層，由多個發(fā)育并不完全的向上變細的亞層序組成，說明在該體系域內(nèi)基準面的波動是頻繁的，在海陸過渡相的沉積環(huán)境中，頻繁的海陸交鋒有利于煤層的形成。

1-細砂巖；2-粉砂巖；3-泥質(zhì)粉砂巖；4-粉砂質(zhì)泥巖；5-泥巖；6-煤層；7-粘土巖；8-自然伽馬 圖4 研究區(qū)晚二疊世龍?zhí)督M層序地層對比圖

(3)三級層序SQ3。剖面線上各井均控制，厚度較穩(wěn)定，發(fā)育完整。由低位、海侵、高位體系域組成(ZK3703不發(fā)育低位體系域)，高位體系域?qū)儆陂L興期沉積，在龍?zhí)督M內(nèi)由初始海泛面分為低位體系域和海侵體系域。低位體系域位于sb3和初始海泛面之間，主要巖性為細砂巖、泥質(zhì)粉砂巖夾少量泥巖，為三角洲平原決口扇壞境。海侵體系域從初始海泛面一直到龍?zhí)督M結束，主要沉積深灰色泥巖、煤層及灰?guī)r，發(fā)育水平層理、波狀層理，沉積相主要為瀉湖、碳酸巖鹽潮坪沉積環(huán)境。高位體系域為碳酸巖鹽陸棚沉積，巖性為中厚層狀含燧石結核灰?guī)r夾灰黑色泥質(zhì)條帶。

4 聚煤作用分析

研究區(qū)晚二疊世的沉積環(huán)境主要為三角洲平原、瀉湖-潮坪環(huán)境，水深適宜，物源供給足，三角洲平原上沼澤發(fā)育廣泛，為煤層的形成提供了良好的保存條件，加之氣候溫暖潮濕，植物大量繁盛，利于煤層形成，主要發(fā)育了C5、C8、C12等煤層，具有全區(qū)的連續(xù)性。

4.1 聚煤作用控制因素分析

4.1.1 古植物和古氣候

古植物和古氣候是控制聚煤作用的主導因素之一，據(jù)古生物及古地質(zhì)資料，晚二疊世揚子板塊位于赤道附近，研究區(qū)當時為溫暖潮濕的熱帶雨林氣候，高等造煤植物群十分繁盛，為大規(guī)模聚煤作用提供了豐富的物質(zhì)基礎。

4.1.2 古構造因素

區(qū)域性地殼升降運動是聚煤作用的宏觀控制因素，貴州晚二疊世聚煤盆地屬構造聚煤盆地，斷陷和坳陷兼而有之，研究區(qū)整體屬斷坳形聚煤盆地。聚煤盆地發(fā)育初期，西部斷裂活動強烈，導致大量玄武巖漿噴溢，對聚煤盆地基底起了填平補齊作用。

4.1.3 古地理因素

聚煤作用可發(fā)生在有常年積水的洼地環(huán)境，但聚煤作用強度由上三角洲平原、下三角洲平原、潮坪、瀉湖、障壁壩、碳酸鹽巖臺地依次具有減弱趨勢。根據(jù)巖相古地理分析，本區(qū)晚二疊世主要發(fā)育三角洲，瀉湖-潮坪以及碳酸鹽臺地沉積體系。其中，三角洲型聚煤最好，研究區(qū)龍?zhí)督M中期屬三角洲平原聚煤類型，含煤性好，可采率高，為富煤地帶，且煤層灰分、硫分均較低，C6、C7、C8優(yōu)質(zhì)煤層是三角洲平原成煤環(huán)境形成的主要煤層。瀉湖-潮坪型聚煤次之，研究區(qū)龍?zhí)督M早期屬該類型，以C11、C12煤層較為典型。碳酸鹽臺地型聚煤較差，研究區(qū)C5煤層為該類型，煤層發(fā)育差，層數(shù)少，煤層薄，硫分高，延伸不連續(xù)。

4.2 層序地層格架中的聚煤作用

控制煤層形成最關鍵的因素是可容納空間變化速率和泥炭生產(chǎn)速率相平衡。厚煤層往往形成于適宜條件下的可容空間增加速率和泥炭生產(chǎn)速率相間保持長時間的平衡。

4.2.1 各層序沉積期聚煤作用特征

研究區(qū)龍?zhí)督M層序SQ1、SQ2、SQ3聚煤規(guī)律如圖5所示。研究區(qū)SQ1的煤層厚度變化在0.3～5.0 m之間，平均1.8 m，將煤層厚度等值線與SQ1巖相古地理圖相結合可以看出煤層在瀉湖—潮坪環(huán)境下較發(fā)育，隨著水體加深，煤層有變薄的趨勢。此時研究區(qū)聚煤中心在容光一帶，煤層最厚大于5.0 m，為瀉湖環(huán)境成煤，煤層多為高硫煤，以C12煤層為代表。

SQ2的煤層厚度變化在3.5～11 m之間，平均厚6.5 m，與SQ2巖相古地理圖相結合可以看出煤層主要形成于三角洲平原環(huán)境。此時研究區(qū)聚煤中心位于吳家寨、火石崗一帶，平面上煤層厚度表現(xiàn)為研究區(qū)南厚北薄，三角洲平原煤層最厚。物源自南西向由河流帶來，海進方向由東向西。

SQ3的煤層厚度變化在0.25～6.0 m之間，平均11.5 m，與SQ3巖相古地理圖相結合可以看出研究區(qū)此時正處于瀉湖及碳酸巖巖臺地環(huán)境，煤層主要形成于瀉湖環(huán)境，碳酸巖鹽臺地相煤層最薄，海侵為南東向，物源來自于西北康滇古陸。

綜上所述，研究區(qū)晚二疊世龍?zhí)督M聚煤作用特點如下：聚煤作用好的地帶均為古三角洲平原，發(fā)育在SQ2期間，分布于火石崗、吳家寨及以南地區(qū)；其次為潮坪-瀉湖環(huán)境，此時形成的煤層厚度較大，全區(qū)連續(xù)；聚煤作用差的地帶為碳酸鹽臺地相。

1-下三角洲平原；2-上三角洲平原；3-潮坪；4-障壁沙壩；5-瀉湖；6-碳酸鹽巖臺地； 7-物源方向；8-海侵方向；9-煤層厚度等值線/m；10-城鎮(zhèn)；11-研究區(qū) 圖5 研究區(qū)龍?zhí)督M層序SQ1、SQ2、SQ3聚煤規(guī)律圖

4.2.2 聚煤作用與沉積環(huán)境的關系

研究區(qū)龍?zhí)督MSQ1海侵體系域及高位體系域各沉積了一層局部可采煤層C12和C11煤層，煤層厚0.36～1.33 m，均為高硫煤，這是由于較深的水體不利于植物的大量發(fā)育，泥炭堆積速率遠小于水體變化。SQ2為研究區(qū)煤層最為發(fā)育的層序，隨著SQ1晚期的大規(guī)模海退，研究區(qū)海平面向東后退幾十公里，此時研究區(qū)中南部三角洲相廣泛發(fā)育，分流間灣相互疊置，環(huán)境比較穩(wěn)定，沼澤條件可以較持續(xù)存在，且淡水條件占優(yōu)勢，為較厚煤層的形成提供了條件，水體深度適中，發(fā)育多套煤層，且厚度較大，其中就包括C7、C8、C9等煤層，形成低硫、特低硫煤，且以有機硫為主；SQ3海侵體系域早期為瀉湖環(huán)境，半咸水、咸水環(huán)境形成高硫煤，以黃鐵礦硫為主，此時沉積了一層局部可采的高硫C5煤層，之后隨著海侵的持續(xù)進行，進入碳酸鹽巖相的長興期。

4.2.3 聚煤作用與海平面變化的關系

研究區(qū)內(nèi)煤層主要發(fā)育于海侵體系域，然后為高位體系域，在低位體系域內(nèi)煤層不發(fā)育，具有明顯的規(guī)律性。聚煤作用受到海平面變化的控制，海平面變化提供了有機質(zhì)堆積的潛在容納空間，海平面升降周期的長短決定了聚煤作用持續(xù)發(fā)育的時間，周期性的海平面變化控制了聚煤作用的時空演化。海平面的升降變化與特定的體系域相聯(lián)系，低位體系域時期，海平面相對較低，濱岸地帶因沼澤具極低的地下水位而使泥炭暴露、遭受風化剝蝕，故低位體系域無重要聚煤產(chǎn)生。海侵體系域時期，海平面上升速率超過物源供給速率，逐漸增加的可容納空間滿足泥炭的堆積，可形成區(qū)域分布煤層，但隨海平面的持續(xù)上升，較深的水體不利于植物的持續(xù)生長，泥炭堆積終止。總之，研究區(qū)海侵體系域有較好煤層的發(fā)育。高位體系域時期，物源供給速率超過海平面上升速率，河流帶來的大量碎屑沉積物促使盆地變淺，為大面積泥炭沼澤發(fā)育提供了基底條件，在溫暖潮濕的氣候條件下植物群落生長繁盛，形成大面積發(fā)育的泥炭沼澤，為區(qū)域性厚煤層的形成提供了條件。

4.3 優(yōu)質(zhì)煤的分布

研究區(qū)主要可采煤層煤質(zhì)灰分、揮發(fā)份均相當，煤中的含硫量為本區(qū)劃分優(yōu)質(zhì)煤的重要因素。研究區(qū)主采煤層自下而上硫分總體呈先減小后增大的趨勢，C12煤層為高硫煤，C8煤層以低硫煤為主，C5煤層以中高硫煤為主，可采煤層煤中硫主要以硫化鐵硫為主(C8煤層除外)，與全硫呈正相關關系。C8煤層為本區(qū)的優(yōu)質(zhì)煤層，該煤層發(fā)育于SQ2，物緣供給方向為自南向北，其三角洲相的展布范圍和C8煤層的展布范圍相當，是找尋優(yōu)質(zhì)煤的主要環(huán)境和地段。

5 結論

(1)研究區(qū)含煤巖系形成于瀉湖、潮坪—三角洲—瀉湖、潮坪沉積體系，共識別出3個層序界面，劃分了3個三級層序：SQ1為龍?zhí)督M底部至C11煤層頂面；SQ2為C11煤層頂板砂巖至C5煤層底板砂巖；SQ3為C5煤層至龍?zhí)督M頂部。

(2)層序SQ1為瀉湖、潮坪沉積體系，高位體系域分布廣泛，產(chǎn)C12、C11高硫煤；層序SQ2為三角洲平原環(huán)境，是龍?zhí)督M煤層最發(fā)育的層序， 產(chǎn)C9、C8、C7、C6低硫煤，其中C8煤層為特低硫優(yōu)質(zhì)煤層，厚煤層形成于三角洲平原泥炭沼澤。層序SQ3海侵體系域早期為瀉湖環(huán)境，產(chǎn)C5高硫煤。

(3)研究區(qū)聚煤作用受古植物、古氣候、古構造和古地理的控制。聚煤作用和沉積環(huán)境、海平面的變化關系密切，控制了可容納空間變化速率和泥炭生產(chǎn)速率；煤層主要發(fā)育于海侵體系域(C5、C8、C12煤層)，其次為高位體系域(C11、C7、C6煤層)，在低位體系域內(nèi)煤層不發(fā)育。

(4)三角洲平原相聚煤作用最好，在研究區(qū)中南部三角洲相廣泛發(fā)育，即火石崗、吳家寨及以南地區(qū)，其低硫、特低硫優(yōu)質(zhì)厚煤層的聚煤中心就處于該區(qū)域；其次為潮坪-瀉湖相，形成的煤層厚度較厚，含硫量均偏高，但全區(qū)連續(xù)；碳酸鹽臺地相的聚煤作用較差。

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