菏澤地區(qū)晚古生代含煤地層沉積環(huán)境分析

鞏 固 王懷洪

（山東省煤田地質(zhì)規(guī)劃勘察研究院，山東 濟(jì)南 250104）

魯西菏澤地區(qū)晚古生代煤系是我國(guó)重要的煤層發(fā)育層位，也是山東地區(qū)最為優(yōu)良的煤層賦存地區(qū)之一，區(qū)內(nèi)大部分以焦煤為主，為良好的工業(yè)用煤。隨著煤炭開(kāi)采進(jìn)行，菏澤地區(qū)中高變質(zhì)煤層以及埋深相對(duì)較深預(yù)測(cè)著該區(qū)可能存在著煤成氣。為了研究其煤成氣，有必要對(duì)該區(qū)石炭-二疊系含煤地層沉積環(huán)境及其演化開(kāi)展研究。

1 研究區(qū)地質(zhì)背景

菏澤礦區(qū)為東西向構(gòu)造帶，在魯西南隆起西北部，位于昆侖～秦嶺橫向構(gòu)造帶的東偏北部和新華夏系第二沉降帶南端的復(fù)合部位。該研究區(qū)的范圍在汶泗斷層、單縣韓臺(tái)斷層、嘉祥斷層、聊考斷層之間。地層自上而下有新生界第四系，新近系、古近系；中生界侏羅系；古生界二疊系、石炭系、奧陶系、寒武系、震旦系、太古界泰山群。菏澤礦區(qū)是典型的斷塊型構(gòu)造，其褶曲和斷層，皆與區(qū)域構(gòu)造單元、大地構(gòu)造位置的組合和變化有密不可分的關(guān)聯(lián)。

2 菏澤地區(qū)晚古生代含煤地層沉積環(huán)境

菏澤地區(qū)處于華北板塊，大致為大型陸表海沉積環(huán)境，其沉積體系及沉積相組合具備了華北板塊陸表海沉積的特征。按照巖性組合、沉積標(biāo)志和測(cè)井曲線，可將菏澤礦區(qū)石炭-二疊系劃分成4類(lèi)大的沉積體系：障壁-瀉湖沉積體系、潮坪沉積體系、河流-湖泊復(fù)合沉積體系、河控淺水三角洲沉積體系。河流-湖泊復(fù)合沉積體系是陸相盆地主要的沉積體系，其余三類(lèi)則是陸表海煤系中主要的沉積體系。

2.1 潮坪沉積體系

潮坪沉積體系，海陸交替型含煤巖系中的沉積體系之一，主干處于潮間帶，其水動(dòng)力條件，大致是自潮下帶至潮上帶漸漸變?nèi)酢３绷魍窘?jīng)潮道與潮溝，水動(dòng)力達(dá)到最強(qiáng)，且為雙向流動(dòng)。

菏澤地區(qū)潮坪沉積體系常見(jiàn)于本溪組、太原組（圖1），包含潮坪泥炭沼澤、泥坪、砂坪和混合坪等沉積微相。泥坪相沉積物以細(xì)粒和泥質(zhì)為主，多為暗色泥質(zhì)、粉砂質(zhì)，含大量的植物化石，沼澤和泥炭沼澤會(huì)新生成較薄泥炭層，當(dāng)海進(jìn)發(fā)生時(shí)，泥炭層往往會(huì)被保存下來(lái)，進(jìn)而生成薄層煤。潮汐層理尤為常見(jiàn)，且以互層層理和透鏡層理更甚。砂坪相沉積物中，砂巖多穩(wěn)定組分，分選性較好，磨圓度比較好，主要是床沙載荷，常為沙壟、沙丘形態(tài)，沙紋層理較為發(fā)育，同時(shí)大中型的交錯(cuò)層理也較為發(fā)育。

圖1 菏澤地區(qū)張灣勘探區(qū)ZW19井泥坪沉積

2.2 障壁-瀉湖沉積體系

障壁-瀉湖沉積體系常見(jiàn)于太原組、本溪組（圖2），包含障壁島、潮汐三角洲及瀉湖等三種成因相組合，這其中又包含若干成因相。研究區(qū)中部分障壁壩砂體與潮汐三角洲砂體，其連續(xù)性好且分布廣闊，對(duì)煤成氣來(lái)說(shuō)是良好的儲(chǔ)層。

障壁壩常見(jiàn)于太原組、本溪組頂部。主要是中粗粒石英砂巖，成分成熟度較高，分選性、磨圓度較好，板狀、楔形、雙向和波狀交錯(cuò)層理較為發(fā)育，是較為明顯的自下往上漸變粗（進(jìn)積）、自下往上漸變細(xì)（退積）的沉積層序。

潮汐三角洲常見(jiàn)于上石炭統(tǒng)，其特點(diǎn)是垂向上變粗再變細(xì)，自下向上有4個(gè)基本單元：砂壩、砂泥混合坪、潮汐水道、潮坪沼澤或混合坪，不難看出其結(jié)構(gòu)為向上變粗，再往上變細(xì)，頂層主要是潮坪泥炭沼澤，底層主要是瀉湖泥質(zhì)沉積。

瀉湖、沿岸潮坪常見(jiàn)于本溪組、太原組，是障壁砂壩和廣海隔絕或半隔絕而形成的淺水環(huán)境。瀉湖相中常見(jiàn)細(xì)粒與泥質(zhì)沉積物，其中又以深灰色、灰黑色粉砂質(zhì)泥巖、泥巖和頁(yè)巖為主，水平層理、水平狀紋層、塊狀（均勻）層理及生物擾動(dòng)構(gòu)造較為發(fā)育，也可發(fā)現(xiàn)水平生物潛穴。

潮道中沉積物多以中粗～中細(xì)粒巖屑石英砂巖為主，顏色為灰色至淺灰色或灰褐色，其中石英雖多為次棱角狀，但其分選性比較好。其中大型板狀交錯(cuò)層理、雙向交錯(cuò)層理、槽狀交錯(cuò)層理、脈狀和波狀交錯(cuò)層理頗為發(fā)育。而潮道充填沉積的上部，小型槽狀、脈狀和爬升層理較為發(fā)育。頂部多為薄泥炭層沉積，細(xì)粒和泥質(zhì)沉積中可見(jiàn)到生物強(qiáng)烈擾動(dòng)的痕跡，且發(fā)現(xiàn)植物根系。

圖2 菏澤地區(qū)青崗集勘探區(qū)QZK15井障壁壩沉積

2.3 河控淺水三角洲沉積體系

菏澤地區(qū)有廣闊的陸表海背景，其三角洲沉積體系多發(fā)育在此背景下的淺水區(qū)。這樣的淺水環(huán)境，波浪作用不會(huì)太大，強(qiáng)潮汐作用也不會(huì)存在，在該環(huán)境下出現(xiàn)的三角洲，被稱(chēng)作淺水三角洲，常見(jiàn)于山西組。該地區(qū)的河控三角洲沉積體系，包含分流間灣、分流河道、天然堤、泥炭沼澤、決口扇、水下分流河道、水下分流間灣、水下天然堤、分流河口砂壩、遠(yuǎn)砂壩、前緣席狀砂和前三角洲等沉積微相（圖3），其分流河道的砂體，連續(xù)性比較好，對(duì)煤成氣來(lái)說(shuō)是良好的儲(chǔ)層。

菏澤地區(qū)的淺水三角洲沉積體系，多為河控三角洲，三角洲平原相尤其發(fā)育，分流河道相最為主要，不發(fā)育前三角洲，且其多與分流間灣、海灣相等共生，進(jìn)而很難進(jìn)行區(qū)別。在潮汐作用的影響下，三角洲受其影響程度不同，三角洲沉積序列發(fā)育潮坪沉積，河口砂壩受潮汐作用改造程度不同，發(fā)育潮汐層理。淺水三角洲沉積體系多與障壁島沉積體系組合成復(fù)合體系，隨著海平面變化，兩個(gè)沉積體系的沉積相，會(huì)進(jìn)行相互疊置。淺水三角洲沉積體系，分布范圍廣闊，常見(jiàn)于山西組，分流河道相、三角洲平原相尤其發(fā)育。

圖3 菏澤地區(qū)張集勘探區(qū)ZK3-1井分流河道沉積

2.4 河流-湖泊復(fù)合沉積體系

發(fā)生大規(guī)模的海退事件，河流-湖泊復(fù)合沉積體系會(huì)在這樣的背景下逐漸形成，是一種陸相沉積組合序列，且其中不發(fā)育煤層，常見(jiàn)于上石盒子組、下石盒子組。河流沉積體系包含邊灘、河床滯留、天然堤、河漫沼澤、決口扇、河漫灘和河漫湖泊等沉積微相（圖4）。湖泊沉積體系包含淺湖和濱湖等沉積微相。運(yùn)用沉積學(xué)理論分析，在張灣勘探研究區(qū)內(nèi)，上石盒子組、下石盒子組河道的沉積砂體，沒(méi)有較好的連續(xù)性，由此可得出結(jié)論，區(qū)內(nèi)河流沉積體系中的砂體，不是理想的煤成氣儲(chǔ)集體。

圖4 菏澤地區(qū)張集勘探區(qū)ZK3-1井河床滯留沉積

2.5 菏澤地區(qū)晚古生代含煤地層沉積環(huán)境演化

運(yùn)用沉積學(xué)理論分析了巨野煤田早二疊世的沉積特征之后，把菏澤地區(qū)晚古生代含煤地層的沉積環(huán)境確認(rèn)為五個(gè)演化過(guò)程：

第一過(guò)程：水下三角洲平原的沉積過(guò)程。在晚石炭世的末期，該地區(qū)由于受河流作用的影響，進(jìn)而水下三角洲平原出現(xiàn)，而在距三角洲較遠(yuǎn)的邊緣地帶，依然存在淺海碳酸鹽沉積。水下三角洲的邊緣，由于不斷加強(qiáng)的潮汐作用和填積作用，部分區(qū)域有邊緣三角洲潮汐平原出現(xiàn)，在適宜的環(huán)境下，就會(huì)發(fā)育成泥炭沼澤。在這一過(guò)程中，多以河流作用為主，同時(shí)也受作用于潮汐，從而就會(huì)形成水下三角洲平原沉積。

第二過(guò)程：邊緣三角洲潮汐平原演化過(guò)程。以發(fā)育較好的水下三角洲平原為依托，一方面填積作用不斷地加強(qiáng)，另一方面由于三角洲朵體的擺動(dòng)，在潮汐作用的影響下，邊緣三角洲潮汐平原進(jìn)而出現(xiàn)，形成潮坪沉積組合。潮汐在這個(gè)過(guò)程中，不僅有填積作用而且進(jìn)一步改造了早期的水下三角洲平原的沉積物，從而該地區(qū)古地形漸漸地向準(zhǔn)平原演變，這也成為后期出現(xiàn)大面積泥炭沼澤的基底。

第三過(guò)程：邊緣三角洲沼澤平原演化過(guò)程。在潮汐的填積作用和改造作用共同影響下，研究范圍內(nèi)，高潮線周邊隨著時(shí)間推移，開(kāi)始出現(xiàn)沼澤、泥炭沼澤，進(jìn)而發(fā)育了穩(wěn)定的三煤，其厚度可達(dá)10.5m，其硫分含量低。形成泥炭沼澤的過(guò)程中，三角洲朵體在中晚期開(kāi)始自東向研究區(qū)內(nèi)遷移，聚煤作用受到分流河道的影響，同時(shí)洪泛作用、決口扇作用、溢岸作用，也給予三煤一定的沖刷作用，導(dǎo)致其分散。

第四過(guò)程：下三角洲發(fā)育過(guò)程。發(fā)育了三煤，三角洲朵體仍自東向西遷移，轉(zhuǎn)入下三角洲平原演化過(guò)程，完成分流河道沉積進(jìn)而生成S2砂體。在分流間灣濕地，因聚煤作用發(fā)生的速度較快，導(dǎo)致發(fā)育而來(lái)的二煤不穩(wěn)定，厚度為0.2～0.8m，偏薄，灰分含量大。

第五過(guò)程：上三角洲平原演化過(guò)程。發(fā)育了二煤，三角洲朵體并未停止遷移，進(jìn)而轉(zhuǎn)入上三角洲平原演化過(guò)程，高潮線上部逐漸出現(xiàn)決口扇、分流河道、天然堤及泛濫盆地。因該研究區(qū)是淺水三角洲體系，演化過(guò)程中進(jìn)展很快，往上逐漸被沖積平原取代。

3 結(jié)論

菏澤地區(qū)晚古生代含煤系地層，可劃分為4種主要沉積體系：潮坪沉積體系，障壁-瀉湖沉積體系常見(jiàn)于本溪組、太原組，河控淺水型三角洲常見(jiàn)于山西組，河流-湖泊復(fù)合沉積體系常見(jiàn)于上、下石盒子組。

通過(guò)對(duì)沉積特征的分析，認(rèn)為菏澤地區(qū)晚古生代含煤地層沉積環(huán)境有五個(gè)演化過(guò)程，分別為：水下三角洲平原沉積過(guò)程、邊緣三角洲潮汐平原演化過(guò)程、邊緣三角洲沼澤平原演化過(guò)程、下三角洲發(fā)育過(guò)程、上三角洲平原演化過(guò)程。