抚顺煤田始新统沉积演化及其对煤和油页岩发育的控制

许圣传，刘招君，董清水，柳世友，柳 蓉，孟庆涛

(1.石家庄经济学院 资源学院，河北 石家庄 050031;2.吉林大学 地球科学学院，吉林 长春 130062;3.中国煤炭地质总局吉林省煤炭地质调查研究院，吉林长春 130033)

抚顺煤田始新统沉积演化及其对煤和油页岩发育的控制

许圣传1，2，刘招君2，董清水2，柳世友3，柳 蓉2，孟庆涛2

(1.石家庄经济学院 资源学院，河北 石家庄 050031;2.吉林大学 地球科学学院，吉林 长春 130062;3.中国煤炭地质总局吉林省煤炭地质调查研究院，吉林长春 130033)

通过野外露头测量、沉积特征分析、沉积相恢复、孢粉组合和地球化学数据对比，对抚顺煤田始新统沉积演化过程及其对煤和油页岩发育的控制作用进行研究。结果表明：抚顺煤田始新统从古城子组扇三角洲和沼泽环境开始，经历了计军屯组浅湖和半深－深湖环境，最终演化为西露天组旋回性沉积;古城子组煤层主要在气候温暖潮湿、河流输入持续增加的淡水沼泽环境中沉积;计军屯组油页岩主要在气候向寒冷干燥条件转化、河流输入减少、水体变咸的半深－深湖环境中沉积;贫矿油页岩作为煤到富矿油页岩的过渡层位显示了高等植物和水生有机质双重输入的特征;煤和油页岩沉积条件的不同造成有机质母质来源的差异和水介质条件的改变，引起与油页岩共生煤系的“富氢化”和生油潜力的增大。

抚顺煤田;沉积演化;油页岩;始新统;地球化学

世界范围地层资料统计显示，在古生代到新生代的地史演化过程中，煤和油页岩可同时期赋存于陆相盆地并聚集成矿［1-3］。同样，煤和油页岩共生的地质现象在中国东部众多中—新生代断陷中普遍存在［4-8］，抚顺煤田始新统含煤、油页岩地层单元即为典型实例之一。煤一般为沼泽环境下高等植物的最终产物，油页岩主要起源于半深－深湖环境中的蓝、绿藻类等浮游生物［9-12］。煤到油页岩(或者油页岩到煤)沉积过程记录了沉积环境和古湖泊生态的渐进演化。然而，在以往盆地勘探中，煤田地质注重于聚煤环境分析和有利区带预测;石油地质偏向于油源对比和生烃潜力评价，综合对比煤和油页岩沉积环境的差异，进而揭示沉积演化过程对煤和油页岩发育的控制却相对薄弱。笔者以抚顺盆地为例，通过古城子组含煤地层和计军屯组含油页岩地层沉积条件对比，分析始新统沉积演化对煤和油页岩形成及特征的影响，为中国东部中—新生代断陷中垂向共生的煤和油页岩成因提供一定参考。

1 地质背景

抚顺煤田(亦称抚顺盆地)地处华北地台北缘，构造上位于郯庐断裂带进入下辽河盆地分支北部，抚顺－敦密断裂西侧［13］。煤田现今呈椭圆状，长轴近东西向(图1)。受郯庐断裂带走滑及旋转的影响［14］，煤田北部发育逆冲断层，南部则出现一系列近南北向正断层，并具有短断距的走滑特征。盆地短轴方向剖面(图1)显示，抚顺煤田总体呈现为枢纽近东西的向斜构造，北翼产状陡峭，倾角一般为30°～60°，甚至部分地层翻转(白垩纪地层位于新生代地层之上)，南翼产状平缓，倾角一般为15°～44°。

由于后期挤压抬升［13-14］，抚顺煤田边缘相遭受不同程度剥蚀。煤田现今残存面积为76 km2，太古宇片麻岩、下白垩统龙凤坎组以及中、酸性火山岩构成了盆地基底。新生代沉积盖层厚度最大可达2000 m，主要为一套河流、沼泽和湖相沉积组合(图1)。盆地构造样式、沉积建造和岩性组合显示了山间盆地的充填特征。其中，始新统充填显示为从古城子组煤层开始，经计军屯组油页岩层，最终进入西露天组白云质泥岩与灰绿色泥岩互层的演化过程(图1)。

抚顺煤田保存了丰富的动、植物化石。古城子组煤层含有 Lycoria succinea Hong sp、Eosciophila Hong gen和 Macrocera melanopoda Hong sp 等蚊类化石［15］及大量硅化木，局部地区产出淡水性龟类化石［15-16］。计军屯组具有丰富的植物叶片和鱼类化石。西露天组页岩中含有螺类等底栖动物化石，绿色泥岩中具有广盐性介形虫和叶肢介化石，白云质泥岩中缺失动、植物化石。

图1 抚顺煤田地质图、典型剖面和综合柱状图Fig.1 Geology map，typical profile and comprehensive diagram in Fushun Coalfield

2 煤和油页岩沉积特征

2.1 古城子组含煤地层

古城子组为研究区主要含煤地层单元，煤层厚度一般为10～140 m，平均约为50 m。厚度等值线显示(图2(a))，煤田东部、北部和西部出现3个煤层最大厚度区域，与古城子组沉积中心相吻合。总体来看，古城子组煤层发育稳定，并且可全盆地追踪对比。朝向盆地边缘，煤层逐渐分叉、变薄或者相变为炭质页岩、泥岩、砂岩和砂砾岩岩性组合，含煤地层呈现中心厚、边缘薄的透镜状几何形态。

图2 抚顺煤田始新统煤和油页岩层厚度等值线Fig.2 Thickness contour of Eocene coal and oil shale in Fushun Coalfield

野外露头古城子组底部发育分选差、杂基支撑的块状砂砾岩，显示了快速堆积的特征(图3(a))。砂岩－砂砾岩中出现煤屑撕裂现象，并且部分煤碎屑具有磨圆特征(图3(b))，为原来沉积物搬运、再沉积的结果，可能与山间盆地广泛出现的河流作用相关［17］。靠近煤田边界，局部可观察到薄层(1～5 m)砂岩粒度向上变细，渐变成泥岩或者炭质泥岩，暗示水动力条件的逐渐减弱。在细砂和粉砂岩中发育水平或波状层理，泥岩或炭质页岩与砂砾岩突变接触处偶见不清晰的冲刷面，可能为洪泛时期辫状河道(分流河道)冲刷泛滥平原产生的结果［14］。

古城子组煤层含有大量硅化木，部分垂直煤层层面产出，显示了盆地演化初期快速充填埋藏的特征。煤层富含琥珀颗粒，垂向向上含量逐渐增加，靠近计军屯组底部富集成层(厚度为1～3 cm)，并且可全盆地追踪对比。沿剖面向上，煤岩特征显示浊煤成分增加，富含镜质体的光亮煤成分减少，与抚顺煤田古城子组时期植物群落演化和有机质来源特征一致［16］。琥珀颗粒脂类物质的富集以及浊煤成分的增加引起了抚顺煤质相对富氢化［16］，不仅解释了干酪根从Ⅲ型向Ⅱ2型变化的原因，同样可以说明一些煤样干酪根显微描述中树脂体的存在。

图3 抚顺煤田野外露头岩石类型及沉积特征Fig.3 Lithology type and deposit characteristic of outcrop in Fushun Coalfield

2.2 计军屯组含油页岩地层

计军屯组沉积了厚层的油页岩，厚度一般为34～195 m，平均为113 m。与古城子组煤层类似，油页岩地层同样呈现中心厚、朝向盆地边缘减薄的透镜状几何形态。根据含油率变化［18］，剖面上油页岩矿体可划分为贫矿层和富矿层，其中贫矿层约占油页岩总厚度的1/3。地层厚度显示(图2(b)、(c))，贫矿层与富矿层沉积中心一致，与古城子组沉积中心相比，具有继承性。

在计军屯组底部贫矿油页岩中，薄煤层透镜体普遍存在(图3(c))，局部区域形成可采煤层。手标本上，贫矿层油页岩结构致密，富含植物叶片化石，并且发育由灰白色粉砂质泥岩和油页岩显示的水平层理(图3(d))。进入富矿层，油页岩纹层发育，风化后呈纸片状。野外露头上，计军屯组油页岩直接上覆在煤层之上(图3(e))，向上渐变成由白云质泥岩、绿色泥岩和灰黑色页岩组成的西露天组旋回性沉积(图3(f))。计军屯组砂岩和砂砾岩相对不发育，粗碎屑岩性组合只在少量钻孔中出现(图4，老虎台55-12钻孔)，显示稳定沉降时期虽然盆地呈现饥饿状态，但是仍有部分点物源的存在［19］。

在计军屯组油页岩中经常出现鱼类、鱼鳞等化石，但是富矿层缺少螺类、腹足类等底栖动物化石，暗示计军屯组时期盆地底部水体长期处于缺氧状态。保存完好的植物叶片、茎干化石在计军屯组底部含量丰富，向上进入富矿层后逐渐减少或者消失(图4)。剖面上，古城子组与计军屯组平行整合接触及岩性变化记录了盆地水体逐渐加深的过程，并且伴随着高等植物的退化和水生生物的发展。此外，油页岩中炭质页岩夹矸的逐渐消失与含油率从小于3%到8%的变化一致，同样说明了湖泊水生有机质输入的逐渐增加［16］。

图4 抚顺煤田始新统东西向沉积断面图Fig.4 East-west sedimentary cross section of Eocene strata in Fushun Coalfield

3 始新统沉积演化

3.1 古城子组沉积时期

古城子组沉积时期主要发育扇三角洲和沼泽两种沉积相。垂向上(图4)，古城子组沉积环境由扇三角洲平原逐渐演化成沼泽，显示了盆地沉降增加和盆地水体的加深。平面上(图5(a))，扇三角洲平原分布范围有限，这可能由山间盆地范围小、相变快、部分沉积相未被钻孔钻遇有关［19］，或者与盆地边缘原始沉积相遭后期抬升剥蚀有关［14，16-17］。由粉砂岩、泥岩和炭质泥岩构成的扇三角洲前缘主要出现在盆地东部、南部和西部，朝向盆地中心逐渐相变为大范围分布的沼泽环境。

微量元素显示，古城子煤层钒镍比(w(V)/w(Ni))一般小于1.5，锶钡比(w(Si)/w(Ba))小于0.5，锶铜比(w(Si)/w(Cu))为 1～10(图 6)，无机地球化学特征揭示煤层为淡水沉积［20］。与中国东部大部分新生代煤系地层类似［21］，古城子组伴随着粗碎屑的砂砾岩沉积，为河流输入陆源物质快速充填埋藏的结果。河流的持续作用不仅建造了扇三角洲沉积，并且使盆地地形趋于平坦，有利于高等植物繁茂的沼泽形成。此外，持续的河流作用使盆地水体稳定淡化和不断加深，引起淡水性动物化石群出现和退积型地层叠加方式。

3.2 计军屯组沉积时期

计军屯组沉积时期，盆地中水体深度持续增加，研究区以半深－深湖沉积相为主，扇三角洲相零星分布。垂向上(图4)，浅湖环境在计军屯组初期广泛分布，但随着盆地沉降的增加，逐渐变化为半深－深湖沉积环境。平面上(图5(b))，扇三角洲沉积环境出现于盆地东部，滨浅湖沉积环境在盆地北部和东部出现，朝向盆地中心渐变为半深－深湖沉积环境。

计军屯组油页岩微量元素显示，w(V)/w(Ni)为1.5～3，w(Si)/w(Ba)为 0.5～1.5，w(Si)/w(Cu)为5～50，由贫矿到富矿呈现增大趋势(图6)。无机地球化学特征表明，计军屯组沉积时期湖泊水体处于咸化状态［20］，上覆西露天组相似变化趋势的地球化学指标和白云质泥岩的旋回性沉积可以作为一个额外的证据。结合砂砾岩的消失和相对喜干孢粉(栎粉、榆粉和脊榆粉)的出现(图4)，计军屯组时期湖泊水体的咸化主要由干燥气候条件下河流输入减少和蒸发量增加引起。河流退化和陆源碎屑物质的减少造成古城子组地层呈现退积－加积叠加方式。

3.3 断层活动和构造演化

受喜山运动二－三幕及随后抬升作用影响［22］，煤田边缘断层受到不同程度剥蚀，并且盆地北部出现一系列逆冲推覆断层(图1，F1和F1A)。现今煤田中可识别断层多为同沉积断裂［14］，按照走向可划分为近东西和近南北向两组。近东西向正断层主要为基底断裂，断面向北倾斜，穿透新生代盖层，显示出控盆断层特征。近南北向正断层断面西斜，部分断层活动终止于西露天组沉积时期，生长过程中走滑运动切割近东西向正断层，引起东西向正断层不连续。煤田中典型代表是中部六号断层(图2，F6)，倾角为22°～35°，上盘向南移动约400～500 m，垂距为56 m。该断层横向切断古城子组煤层，并将油页岩矿分割成东西两部分。

以计军屯组为转换层位，抚顺煤田构造演化呈现下断上坳的二元特征［14，17-18］。古城子组沉积时期，近东西和近南北向同沉积断层切割基底，引起盆地出现多个沉积和沉降中心(图3(a))。由于同沉积断层差异沉降产生的可容纳空间小，加之河流搬运碎屑物质充填，这个时期湖泊水体浅并且具有开放盆地水文特征［23］。计军屯组沉积时期，盆地表现为快速的总体基底沉降，同时孢粉组合显示气候相对干燥、降雨量减少(图4)，由河流输入的陆源碎屑供给下降，封闭盆地的饥饿状态造成盆地水体不断加深。

3.4 始新统沉积演化

从古城子组沉积时期到计军屯组沉积时期，由于水体的不断加深和河流作用的逐渐退化(图4)，抚顺煤田沉积相从扇三角洲和沼泽相组合逐渐变化为滨浅湖和半深－深湖相组合(图5)。盆地的持续沉降控制了沉积相的发育，进一步控制了煤和油页岩的厚度和沉积范围(图2)。不同沉积条件下古城子组含煤地层和计军屯组含油页岩地层岩性、沉积构造、原生沉积矿物、古生物和沉积相组合方面的差异见表1。

表1 抚顺煤田始新统地层单元特征Table 1 Characteristic of Eocene strata units in Fushun Coalfield

4 沉积演化对煤和油页岩发育的控制

抚顺煤田古城子组断层差异沉降时期是主要的聚煤时期，并且与相对潮湿的气候条件和河流作用输入的丰富陆源碎屑物质相关。主要表现为：①大量陆源碎屑充填于浅盆地沉积和沉降中心，产生广泛的沼泽环境;②丰富的河流作用使水体呈现淡化状态，引起高等植物繁茂，为煤层聚集提供物质基础;③部分高等植物降解引起湖泊水体酸化和细菌等低等有机质输入，保护煤层沉积并且引起煤质相对“富氢化”。

盆地基底总体快速沉降时期，河流的退化和干燥的气候条件对计军屯组油页岩的形成具有重要的影响：①减少进入盆地的无机矿物含量，造成有机质含量的相对增加，使油页岩从贫矿向富矿转变;②增加盆地水体营养物质的浓度，造成藻类等浮游生物的大量繁殖［24］，使盆地具有高的原始生产力;③引起盆地水体的分层，造成盆地水体缺氧，有利于已沉积有机质的保存。

与上覆西露天组页岩类似，计军屯组油页岩氯仿沥青“A”含量均小于1.0，明显低于古城子组煤层氯仿沥青“A”含量(表2)，暗示不同沉积环境对岩石可溶有机质含量的控制。然而，计军屯组油页岩具有高的饱和烃+芳香烃含量，并且从贫矿层到富矿层 w(饱和烃)/w(芳香烃)从0.22变化到1.72，表明起源于半深－深湖环境的水生有机质比沼泽环境下的高等植物更加富含脂类物质。氯仿沥青“A”族组分变化特征与垂向上高等植物叶片化石减少、油页岩纹层结构变化趋势相一致，显示了古湖泊水体的加深和水生生产力的增加。

表2 抚顺煤田始新统岩石氯仿沥青“A”及族组分特征Table 2 Chloroform bitumen“A”and group compositions of Eocene rocks in Fushun Coalfield

不同的沉积条件控制了抚顺煤田古城子组煤和计军屯组油页岩的沉积，并且显示为一个连续的演化过程。古城子组地层具有明显河流作用(图6)，w(V)/w(Ni)、w(Si)/w(Ba)、w(Si)/w(Cu)等地化指标显示了淡水大量输入、水体相对氧化的沼泽沉积特征。经计军屯组进入西露天组，w(V)/w(Ni)、w(Si)/w(Ba)、w(Si)/w(Cu)则呈现持续的增加(图6)，表明半深－深湖沉积条件下水体盐度的升高。由于沉积环境引起湖泊生态的改变，有机地化指标上则表现为TOC和芳香烃的相对减少、饱和烃的不断增加，以及w(饱和烃)/w(芳香烃)的持续增大(表2)。与计军屯组油页岩富矿相比，油页岩贫矿氯仿沥青“A”具有更加丰富的芳香烃，显示了高等植物起源的有机质和水生有机质在含氧水体中的沉积。向上进入富矿层，芳香烃相对减少、饱和烃增加，显示了内源有机质在更加咸化和缺氧条件下的沉积［25-26］。

5 结论

(1)抚顺煤田始新统古城子组到计军屯组经历了一个渐变的沉积演化过程，古城子组煤质的“富氢化”和计军屯组贫矿沉积为从煤到油页岩在沉积特征、主要岩性组合、地层叠加方式和古生物群等方面演化的一个过渡特征。

(2)古城组煤层主要沉积在气候温暖潮湿、河流输入增加的淡水条件中，计军屯组油页岩则主要沉积在气候开始转向干燥、河流输入减少的阶段。气候和物源输入的改变引起盆地沉积条件和水体性质的变化，进而影响了有机质的母质类型和来源。

(3)从古城子组沉积时期到计军屯组沉积时期，抚顺煤田沉积相组合从扇三角洲和沼泽相组合逐渐渐变成滨浅湖和半深－深湖相组合。从煤到油页岩沉积环境和沉积条件的改变引起抚顺煤田与油页岩共生煤系的“富氢化”特征和生油潜力的增加。

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Eocene sedimentary evolution and its control over coal＆oil shale development in Fushun Coalfield

XU Sheng-chuan1，2，LIU Zhao-jun2，DONG Qing-shui2，LIU Shi-you3，LIU Rong2，MENG Qing-tao2
(1.College of Resources，Shijiazhuang University of Economics，Shijiazhuang 050031，China;2.College of Earth Sciences，Jilin University，Changchun 130062，China;3.Jilin Coal Geologic Survey，China National Administration of Coal Geology，Changchun 130033，China)

Eocene sedimentary evolution and its control over development of coal and oil shale in Fushun Coalfield were investigated through out-crop measurement，deposit character analysis，facies reconstruction，as well as pollen assemble and geochemistry data comparison.The results indicate that the sedimentary evolution started from fan delta and swamp facies associations of the Guchengzi formation，then underwent shallow lake and semi-profundal to profundal facies associations of Jijuntun formation，eventually evoluted into cycle deposit of the Xilutian formation.Coal seam of Guchengzi formation was deposited in fresh-water swamp with increasing river inflow under warm and humid climate.However，oil shale of Jijuntun formation was deposited in saline semi-profundal to profundal lake with decreasing river inflow under relatively cold and arid climate.Lean oil shale as transitional layer from coal to rich oil shale implies organic input of aquatic organism together with high plant.Sedimentary environment changes of coal and oil shale cause variation of organic origin and water condition，resulting in"hydrogen-enrichment"and increasing hydrocarbon potential of coal deposit associated with oil shale in Fushun Coalfield.

Fushun Coalfield;sedimentary evolution;oil shale;Eocene;geochemistry

P 618.1;TE 121

A

10.3969/j.issn.1673-5005.2012.02.008

1673-5005(2012)02-0045-08

2011－08－25

国家自然科学基金项目(40972076);国土资源部“十一五”重大科技创新项目(20080106)

许圣传(1983－)，男(汉族)，山东高密人，讲师，博士研究生，主要从事盆地分析方面的教学和科研工作。

(编辑 徐会永)