张双楼矿区山西组的沉积环境

王怀勐, 朱炎铭, 李 伍

(中国矿业大学 资源与地球科学学院,江苏 徐州 221008)

张双楼矿区山西组的沉积环境

王怀勐, 朱炎铭, 李 伍

(中国矿业大学 资源与地球科学学院,江苏 徐州 221008)

为了解张双楼矿区含煤岩系的沉积环境,根据钻孔资料及井下勘探资料,分析了张双楼矿区山西组的沉积特征。结果表明,该矿区山西组形成于以潮下带—潮坪环境、三角洲、曲流河为序的过渡相沉积环境中;沉积地层较稳定,南部、西南部以砂岩为主,北部以泥岩为主,碎屑物由南向北搬运;7、9煤为主采煤层,沉积较稳定。该研究为认识该矿区煤层的赋存规律、确定开采方案等提供了理论依据。

张双楼煤矿;山西组;沉积环境;沉积相

随着开采深度的增加,煤田的地质条件日益复杂,因而,对煤层的形成及赋存规律的认识程度的要求也越来越高。煤层沉积环境分析是寻找和勘探煤层、认识煤层的空间分布规律的重要手段之一。文中分析了张双楼矿区山西组沉积环境,以期为认识该矿区煤层的赋存规律、确定开采方案提供理论参考。

1 地质概况

张双楼煤矿位于江苏省徐州市西北,距徐州市约 79 km,在江苏省沛县安国镇境内,隶属于徐州矿务局。井田走向长 13.5 km,倾斜宽 2.9 km,面积约37.862 3 km2。

矿区地层为典型的华北型,地形平坦,出露地层极少,仅在局部地区有前震旦系、寒武系、奥陶系等地层零星出露。整个矿区地层沉积较稳定,含煤地层为太原组和山西组,山西组厚度为 93～185 m,含煤1～5层。

矿区在区域构造上位于鲁西穹折带与徐蚌凹折带两个不同的构造单元连接处。井田是一个被东、西、南边界断层包围的相对独立的、完整封闭的地质构造单元,为一倾向NNW、走向略有变化的单斜构造,地层倾角一般在 18°～25°。

井田内自东向西发育的褶曲依次为冯家向斜、后周田背斜。断层以张性断层为主,有 27条,压性断层较少,为 8条 (图 1)。火成岩沿张性断裂侵入煤层,局部使煤层变为天然焦,侵入最高层位为山西组 7煤,地震控制陷落柱 8个。

图1 张双楼矿区构造纲要Fig.1 Structure of Zhangshuanglou m in ing area

2 沉积特征及煤质特征

2.1 沉积特征

矿区山西组主要由灰—灰黑色泥岩,灰白色—灰绿色中、细砂岩组成(图 2),岩石颜色以灰—灰绿色为主,这表明当时沉积环境以还原环境为主。泥岩中可见贝壳状断口,有水平层理、缓波状层理等。砂岩中见菱铁质鲕粒条带及大量的云母、暗色矿物等,偶见炭质条纹。该组按岩性可分为三段:下段厚21m,依次为灰黑色海相泥岩、深灰色砂泥岩、灰白色细粒砂岩、9煤。海相泥岩致密性脆,含少量动物化石及黄铁矿,偶夹钙质透镜体,顶部常为砂泥岩,9煤沉积较稳定。中段厚 34 m,依次为灰白色厚层中—细粒砂岩、灰色砂泥岩、7煤。砂岩具沙纹交错层理、楔状交错层理,泥岩具块状层理,砂泥岩互层见微波状层理。上段厚 58 m,依次为灰色砂泥岩、浅灰—浅灰白色细—中粒砂岩、深灰色砂泥岩、泥岩。

图 2 张双楼矿 16-2孔山西组沉积特征Fig.2 Shanxi Formation sed imentary characteristics of 16-2 hole in Zhangshuanglou m in ing area

图 3为张双楼矿区山西组 16-2孔的砂岩概率曲线。由图 3可以看出,1 086.3 m深度砂岩粒度标准偏差σi=1.28,分选较差;频率曲线偏度Sk= 0.275,正偏;峰态KG=0.787。根据 Sahu B.K.总结的经验公式可得Y=-15.043 8,表明该砂岩形成于河流环境。1 099.61 m深度砂岩粒度标准偏差σi= 1.442 4,分选较差;频率曲线偏度Sk=-0.520 4,负偏;峰态KG=4.462 7,Y=-15.043 8,表明该砂岩形成于浅海环境[1]。由此可见,砂岩形成环境自下而上由海向陆过渡,表明山西组形成于海退环境,为过渡相沉积。

图 3 张双楼矿区山西组 16-2孔砂岩概率曲线Fig.3 Shanxi Formation sandstone probability curves of 16-2 hole in Zhangshuanglou m in ing area

2.2 煤质特征

矿区山西组 7、9煤为主采煤层,沉积较稳定。图 4、5分别给出了 7、9煤灰分、含硫量等值线。由图 4可以看出,7煤灰分在 9%～36%,属于中灰—富灰煤,物源来自于矿区南部,局部受侧向补给。灰分向北逐渐减少,泥炭沼泽的中心部位最低。9煤灰分在 7%～24%,属于低灰—中灰煤,可见区内煤层以低—中灰煤为主,中部灰分最低,东部地区受侧向补给较明显。由图 5可以看出,7煤含硫量为0.38%～1.20%,属低硫煤;9煤含硫量为0.4%～1.7%,属低硫煤—中硫煤,两者均为淡水沼泽成煤[2]。

3 沉积相

张双楼矿区山西组的沉积特征及煤质特征揭示,山西组为过渡相含煤构造体系,可进一步划分为潮下带—潮坪相、三角洲相以及曲流河相。

3.1 潮下带—潮坪相

潮下带—潮坪相包括潮下带相、潮坪相两部分。

(1)潮下带相。该相发育在太原组一层灰岩沉积之后,主要由灰黑色泥灰质泥岩组成,成分以泥灰质、泥质为主,含有大量泥灰质结核,有水平层理,见生物浅穴。

(2)潮坪相。该相主要发育在灰黑色泥岩之上、9煤沉积之后,分为泥坪相、混合坪相、砂坪相及沼泽相。泥坪相主要由褐灰色—灰黑色泥岩与砂质泥岩组成,具有团块状构造,含植物根部化石。混合坪相以粉砂岩泥岩互层为特点,见脉状与波状层理,并有较多的生物潜穴。砂坪相由长石石英粉砂岩、细砂岩组成,分选磨圆度较好。沼泽相由灰黑色泥岩组成,含大量植物根部化石。

3.2 三角洲相

三角洲相包括水下、水上分流河道亚相,分流间湾亚相,沼泽亚相四部分。

(1)水下分流河道亚相。该沉积相出现于 9煤顶板向上至 8煤底板层段,多为中—细粒长石石英砂岩,分选差,可见冲刷面,具有上粗下细的逆粒序,中细砂岩中有发育较好的楔状交错层理。

(2)水上分流河道亚相。该相代表层段自中段中部至 7煤底板,砂岩以中粒长石石英为主,向上粒度变细,呈正粒序,见少量植物茎叶化石碎片。

(3)分流间湾亚相。该相岩性主要为砂质泥岩、粉砂岩,见波状、水平层理及生物潜穴。

(4)沼泽亚相。该相以灰黑色砂泥岩为主,含大量植物根部化石,其水分来自大气水与地表水,为淡水沼泽。

3.3 曲流河相

曲流河相包括河道亚相、河滩亚相、泛滥盆地亚相、湖泊亚相、沼泽亚相五部分。

(1)河道亚相。该相代表层段为 7煤直接顶板至老顶砂岩,底部以粗粒含砾石砂岩为主,向上为中粒—细粒砂岩,底部具冲刷面,岩屑成分含量较高,垂向上呈下粗上细的正粒序结构,分选磨圆度中等,具大型板状交错层理,含植物树干化石。

(2)河滩亚相。该相以砂质泥岩、粉砂岩、砂泥互层为主,具水平与微波状层理,含炭化植物叶部碎片。

(3)泛滥盆地亚相。该相岩性主要是粉砂岩、砂质泥岩及深灰色泥岩,具微波状、水平层理,含大量的植物根、叶部化石,具有菱铁矿结核。

(4)湖泊亚相。该相岩性以灰黑色与紫色泥岩为主,呈致密均一状,可见贝壳状断口与水平层理,含菱铁矿结核。

(5)沼泽亚相。该相岩性主要是灰黑色泥岩,含砂质及植物根部化石,多为岸后沼泽。

4 沉积环境及演化

4.1 沉积环境

根据钻孔资料及井下勘探资料,张双楼矿区在早二叠世早期地势南高北低,海水向北发生海退,随着地壳缓慢抬升,海水逐渐退出本区,在山西组沉积时一直处于滨浅海过渡相沉积环境中。由于地壳抬升缓慢,岩性、岩相及煤层较稳定。

图 6给出了山西组砂泥岩厚度比。由图 6可见,该组平面上岩性分带比较明显,东南部、西南部砂岩占主要优势,北部泥岩占主要优势;砂泥比由南向北逐渐减小,说明碎屑物是由南向北搬运的;碎屑物质的搬运方向与盆地轴向基本一致,属纵向补给方式;岩相带总体呈东西方向展布,与主要砂体的走向垂直,导致岩比等值线向北突出呈舌状。由此推断,该组主要是三角洲体系沉积[3],矿区南部以非海相沉积为主,往北逐渐向海相过渡。

图 6 张双楼矿区山西组砂泥岩厚度比Fig.6 Shanxi Formation sand-shale ratio of Zhangshuanglou m in ing area

4.2 环境演化

晚古生代早二叠世早期,随着华北与秦岭—大别山板块接触碰撞,华北南缘坳陷改变了北低南高的古地形,而呈现北高南低、向南倾斜的古地理面貌[4-6]。地壳运动以区域性升降为主,受板块边缘构造变动的控制,产生与板缘近于平行的东西向大型隆起和坳陷,发育程度由南向北减弱[7-9]。整个华北区二叠纪的含煤构造,均为稳定地台型。海水主要由南东部的确山—淮南一线向盆地腹地侵入,向西越过乌兰格尔隆起,与来自地台西缘的海侵一起构成华北陆表海[10]。陆表海不断向南退缩,岸线延至华北广大地区,并大幅度向南迁移,从而产生陆相三角洲的聚煤作用[11]。以河流作用为主的三角洲体系不断向南方进积增生,此时的碎屑沉积物除来自北部的阴山古陆外,还来自南部的伏牛古陆。徐州地区位于华北地台的东南缘,晚古生代含煤地层发育良好,层序完整,沉积连续,含煤丰富[12]。

山西组沉积早期,矿区基本处于滨浅海环境,大部分被海水覆盖,物源来自地势较高的南部。随着海水缓慢向北退却,河流自南部不断注入本区,使海水淡化并逐渐淤浅而形成沼泽,发育了 9煤层。由于沼泽基底比较平坦,煤层原生沉积厚度比较稳定。当形成 9煤层的泥炭堆积并被覆盖之后,该区处于三角洲前缘部位,沉积作用比较活跃,在分支河道的河口地区形成河口沙坝。由于潮汐或波浪的改造,河口沙坝重新分布,形成席状砂体。在这一过程中, 9煤层遭受不同程度的冲刷。之后,随着地壳的继续抬升,三角洲平原在全区广泛发育,分流河道砂岩沉积厚度大,剖面对称性好,平面呈分支状,对下伏地层冲刷较弱。在 9-1钻孔附近,河道对下伏地层的冲刷较明显,与沼泽沉积共生。泥炭分布在分流河道之间的低地,厚度变化大,容易被河流所冲蚀。煤层层数少,厚度大,层位稳定,结构较简单(含 1～3层夹矸),含硫量较低,明显下高上低。此后,随着河流的不断注入及海退,曲流河沉积逐渐占主导地位,仅在矿区的北部有部分滨海沼泽沉积,分流河道相和天然堤相广泛发育,沼泽相沉积较少,形成的煤层少且薄。进入早二叠世晚期,开始了石盒子组广泛的陆相沉积。

5 结 论

(1)张双楼矿区山西组形成于滨浅海河控三角洲体系中,为过渡相沉积。潮下带—潮坪相厚度最小;三角洲相主要发育三角洲平原亚相和三角洲前缘亚相;曲流河相沉积对下伏的三角洲相冲刷较明显,其泥炭沼泽不发育,形成的煤层多为薄层煤线,不可采。

(2)该区山西组沉积的地层较稳定,南部、西南部以砂岩为主,北部以泥岩为主,碎屑物由南向北搬运。

(3)山西组 7、9煤均为淡水沼泽成煤,煤层含硫量低,属低硫煤—中硫煤;灰分含量 7煤高于 9煤,7煤为中灰—富灰煤,9煤为低—中灰煤。煤层在全区广泛发育,厚度稳定,为重要的可采煤层。

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Shanxi For mation sed imentary environment analysis in Zhangshuanglou m ining area

WANG Hua im eng,ZHU Yanm ing,LIW u
(School of Resource&Earth Science,China University ofMining&Technology,Xuzhou 221008,China)

This paper presents an analysis of the sedimentary characteristics of Shanxi Formation in Zhangshuanglou mining area,depending on the info rmation of drilled well and borehole survey,in order to investigate sed imentary environment of the coal-bearing series in Zhangshuanglou mining area.The results show that Shanxi Formation was formed in transition phase sedimentary environmentwith a sequence of subtidal-tidal flat environment,delta,meandering river.The formation hasmore stable sedimentary strata and the south and south-west are dominated by sandstones while north by mudstones,showing that clasticswere moved from south to north.The 7 and 9 coal seams occur as the main coal seams of more stable sedimentation.The research provides a theoretical basis for investigating the distribution of coal seams and dete rmining the mining plan.

Zhangshuanglou coal mine;Shanxi Fo rmation;sedimentary environment;sed imentary facies

P534.46

A

1671-0118(2010)02-0111-05

2009-10-10

王怀勐(1986-),男,山东省泰安人,硕士,研究方向:矿产普查与勘探、能源沉积盆地分析等,E-mail:whmcumt@163.com。

(编辑荀海鑫)