章丘煤田含煤区石炭-二叠煤系层序地层学研究

吕育林,梁吉坡

(1.山东科技大学,山东 青岛 266590；2.山东省地质科学研究院,山东 济南 250013)

随着煤炭资源的不断开采，人们开始将层序地层学应用于含煤岩系的研究，经过大量的研究和探索国内学者已经获得了巨大的研究成果[1-6]。该文结合国内外含煤岩系层序地层学成果进行分析，对章丘煤田含煤岩系层序地层学进行分析和研究，从而为研究区找煤预测提供理论依据。

1 区域地质背景

章丘煤田位于山东省北部章丘市境一带(图1)，西部跨济南市历城区，因其位于济南市以东，20世纪70年代以来称济东煤田，西起济南市东郊，以大致沿着黄河卧牛山断层与黄河北煤田分界，东到禹王山断层与淄博煤田毗邻，南至石炭纪本溪组底部露头，东西走向长约70km，南北宽约14.5km，含煤面积1101.7km2。其中已探明面积273.4km2，预测含煤面积828.3km2。在中、新生代又发生了多次构造运动，形成了现今的构造格局。区内石炭-二叠系主要由海陆过渡相的陆源碎屑含煤岩系组成，其中，主要含煤地层为太原组和山西组，煤层分布广泛[7,8]。

图1 章丘市区域位置图

2 沉积体系

在研究章丘煤田石炭-二叠系沉积体系时，共识别出:障壁—泻湖沉积体系、潮坪沉积体系、滨外陆棚沉积体系和河控浅水三角洲沉积体系4种沉积体系。

(1)障壁-泻湖沉积体系。主要发育在石炭纪太原组，本溪组也有分布。发育障壁岛相、泻湖相等沉积相类型，在章丘煤田地层中该沉积体系中障壁岛具有发育规模较小、分布范围有限的特点。障壁岛相岩性以细粒石英砂岩为主，泻湖相岩性以深灰—灰黑色泥岩为主(图2)。

(2)潮坪沉积体系。潮坪相广泛分布于障壁岛岛后地带以及泻湖周围地带。其中潮坪相岩性以泥岩、砂质泥岩与粉砂岩互层为主，砂岩分选性较好，泥炭坪岩性主要以黑色炭质泥岩夹薄煤层为主(图3)。

图2 章丘岭子矿区14号井泻湖沉积特征

图3 章丘岭子矿区14号井潮坪沉积特征

(3)浅水三角洲沉积体系。主要发育于早二叠世山西组中，岩性组合主要为砂泥岩夹多层薄煤层及炭质泥岩(图4)。三角洲平原的大面积发育造就了广泛的成煤环境。该区主要发育三角洲平原亚相分流河道、泥炭沼泽、分流间湾和天然堤微相。分流河道微相岩性以中粗粒砂岩、含砾粗砂岩为主，垂向上呈正粒序。泥炭沼泽微相主要发育暗色泥岩、炭质泥岩、块状层理。分流间湾微相主要发育灰色、灰黑色泥岩和泥质砂岩。天然堤微相在该区不甚发育，主要发育砂泥岩互层，见微波状层理。

(4)滨外碳酸盐台地沉积体系。该类沉积相主要分布于早石炭世地层中，石灰岩层和泥灰岩层发育(图5)，主要是一些生物碎屑颗粒质泥岩和泥质颗粒岩，生物颗粒比较发育，生物化石常见有：有孔虫、介形虫、腕足等原地生物组合，以及一些异地搬运的生物化石碎片组合。

图4 章丘平陵矿区6号井河控三角洲沉积

图5 章丘岭子矿区14号井滨外碳酸盐台地沉积特征

前人研究表明[9]，下部本溪组、太原组代表了稳定台地背景下的陆表海含煤盆地充填沉积序列，为一个原型盆地的充填层序，在本溪组沉积期，研究区上部主要发育泥岩和铝土质泥岩等泻湖、风化壳沉积，下部为砂岩沉积；在太原组沉积期，研究区主要发育有滨外碳酸盐岩陆棚相灰岩，泻湖相泥岩及冲越扇相、潮坪相砂岩沉积，而煤层则主要分布于泻湖和沼泽环境相中。在陆表海充填序列中以潮坪沉积体系的多次叠覆为特色。而在上部山西组沉积期为大型陆相盆地充填层序，研究区以发育三角洲平原分流河道砂岩及分流间区泥岩沉积为主，局部见河口坝砂岩，煤层主要形成于分流间湾沼泽环境。

3 层序划分

根据层序界面识别原则，在研究区石炭-二叠纪含煤岩系自下而上的本溪组、太原组、山西组中共识别出4个层序界面[10-12]，并将其划分为3个三级层序(图6)。层序主要特征分述如下：

图6 山东省章丘煤田石炭-二叠纪含煤岩系沉积相及层序地层柱状图

(1)层序Ⅰ。大致对应于晚石炭世本溪组及早二叠世太原组下部，地层厚约100m，层序底界面为一区域不整合面，即奥陶系与石炭系之间的界面。界面之下为奥陶纪巨厚层状灰岩，界面之上为本溪组古风化壳及铝土岩等标志层。发育煤层17，18。层序Ⅰ主要发育海侵体系域和高位体系域。海侵体系域在全区均有发育，主要由泻湖及沼泽相泥岩、碳质泥岩、铝土岩，碳酸盐台地相石灰岩、潮坪相砂岩等组成。风化壳标志着初始海泛面，代表海侵的开始。海侵面与层序界面基本一致，位于代表风化壳的铝土质粘土岩及泥岩的底面，代表基准面开始上升。高位体系域也全区发育，主要由滨外碳酸盐台地相石灰岩、潮坪、沼泽及泻湖相粉砂岩、泥质粉砂岩和碳质泥岩组成。最大海泛面位于13号石灰岩的底部。

(2)层序Ⅱ。大致对应于早二叠世太原组中上部，地层厚约150m，层序底界面主要为泻湖、沼泽环境下形成的16号煤层的底面。发育煤层8，14，16上，16下。层序Ⅱ主要发育海侵体系域和高位体系域。海侵体系域主要由碳酸盐台地相石灰岩，泻湖与沼泽相砂岩、砂质泥岩、细砂岩以及煤层组成。16号煤层的底面标志着初始海泛面，代表海侵的开始。海侵面与层序界面重叠，为该区典型的海侵方向转换面，以16号煤层底面为界，海侵方向由原来的北东向变为南东向[13]。高位体系域全区发育，主要由碳酸盐台地相石灰岩、障壁砂坝、潮坪和沼泽相砂岩、砂质泥岩、碳质泥岩及煤层等组成。

(3)层序Ⅲ。 大致对应于二叠纪山西组，地层厚约120m，层序底界面为下三角洲平原分流河道下切谷砂岩底面。发育3上、3下煤层，但厚度较小。层序Ⅲ发育低位体系域、海侵体系域及高位体系域。低位体系域全区发育，主要由下三角洲平原分流河道下切谷砂岩组成。海侵体系域在其余区域均发育，主要由分流河道相粗砂岩及中砂岩、分流间湾相细砂岩及粉砂岩、沼泽相泥岩及煤层等组成[14-18]。初始海泛面主要为代表着分流间湾沉积环境的一套粉砂岩的底面，有时直接为3号煤层底板。高位体系域全区发育，主要由粒度总体向上变细的分流间湾、分流河道砂体组成。最大海泛面位于3号煤层的顶面，其主要原因仍然是受中部的河道所影响。

4 基于层序格架下的古地理演化

章丘煤田三级层序Ⅰ包括本溪组和太原组下部地层，在沉积时代上相当于晚石炭世早期到晚石炭世晚期初。中奥陶世末期的加里东运动，使章丘煤田西部上升，遭受长期风化剥蚀，地形起伏不平，在这种古地理背景中，早期沉积物就起到了填平补齐的作用。随着地壳的下沉，海水逐渐侵入，形成广阔的陆表海，发育了一套碳酸盐台地-泻湖相为主的沉积，大部分地区不具备成煤或仅发育有煤线[19]，总之，本溪期的泥炭沼泽相很不发育，造成泥炭堆积的时间短，有利于成煤的环境也很局限，因此，这一时期无重要的煤层发育。层序Ⅰ沉积的总厚度较小，一般为40～60m，古地理景观分布较均匀，古地理单元呈NW—SE方向展布，自SW向NE发育滨外泥质地台和滨外碳酸盐台地古地理单元(图7)，说明当时海水来自研究区的东北方向。

图7 三级层序Ⅰ岩相古地理图

章丘煤田三级层序Ⅱ括包括太原组中上部，在沉积时代上相当于晚石炭世晚期和早二叠世早期，具体为太原组16号煤层底板到太原组顶部。早二叠世初始，由于海侵的扩大，沉积了台地相的徐灰，覆盖于本溪组煤层之上。由于地壳频繁的振荡运动，又出现了短暂的海退，在碳酸盐台地之上形成了泥炭坪，发育了不稳定的煤层，继而被海侵沉积物覆盖[20-22]。从16煤成煤前岩相古地理看，仅局部有障壁岛相，反映了成煤前古地形比较平坦，相带不够明显的特征，同时也反映了此期泥炭沼泽形成于广阔的潮坪之上。此期构造运动相对稳定，沉积了比较稳定的16，17煤层。从章丘煤田的古环境看，海进较晚，海退较早，聚煤时间长，发育了比较稳定的煤层，而南部聚煤时间相对较短，成煤效果差。层序Ⅱ总厚度相对较大，一般为90～120m。该层序为陆表海有障壁海岸沉积，再经过层序Ⅰ沉积期的填平补齐作用，层序Ⅱ沉积时基底平坦，总体来看厚度由中间向四周增大。层序Ⅱ地层岩性主要为泥岩、粉砂岩夹砂岩、石灰岩及煤层。层序Ⅱ沉积期海侵主要来自南和东南方向，章丘煤田当时主要为潮坪和泻湖沉积，南部发育障壁岛古地理单元(图8)，层序Ⅱ(太原组主体)沉积期海侵主要来自南和东南方向，这与同时期华北盆地海侵方向一致。

图8 三级层序Ⅱ岩相古地理图

三级层序Ⅲ对应于山西组，在沉积时代上相当于早二叠世中早期。章丘煤田由开阔陆表海环境过渡为半封闭的泻湖海湾环境，在海退过程中，海湾逐渐被充填，而形成滨海平原，山西期在广阔的滨海平原，泻湖、潮坪基底上发育了三角洲平原。三角洲前缘沉积层序Ⅲ的沉积厚度一般为50～100m。层序Ⅲ砂岩较发育，其值变化范围较大，一般在40～60m之间。山西期在章丘煤田形成以三角洲环境为主体的古地理景观(图9)，发育了以三角洲体系为主体间夹河流体系的沉积组合。区内没有海相沉积物发育，说明层序Ⅲ沉积期华北发生大规模海退，章丘煤田已不再受海水作用的直接影响。章丘以西主要为三角洲平原相中的分流河道、分流河道—分流间湾、分流河道—河漫滩、泥炭沼泽的共生组合，而以东则主要为分流河道沉积，根据沉积物组合特征和发育特点及三角洲相的分布形态分析，章丘煤田西部则反映了三角洲前缘分流间湾的某些特点，而东部为河控浅水三角洲体系，从而决定了泥炭堆积的空间分布及大槽煤发育程度的差异[23,24]。存在着分流间湾—分流河道沉积，煤层发育较好，山西组煤层成为主采煤层，局部发育了河口沙坝等。

图9 三级层序Ⅲ岩相古地理图

5 结论

(1)在研究章丘煤田石炭-二叠系沉积体系时，共识别出以下4种沉积体系，即障壁—泻湖沉积体系、潮坪沉积体系、滨外陆棚沉积体系和河控浅水三角洲沉积体系。整个煤田充填序列的沉积物粒度总体向上变粗，颜色向上变浅，海相沉积主要发育于陆表海层序中，含煤性自下往上变差。

(2)通过对研究区层序地层的研究认为层序Ⅰ发育高水位体系域和海侵体系域，主要由潮坪沉积体系、障壁-泻湖沉积体系和碳酸盐台地沉积体系组成，可以将其细分为2个4级层序。层序Ⅱ发育海侵体系域和高水位体系域，主要由潮坪体系、滨外陆棚体系和障壁-泻湖沉积体系组成，可以将其继续划分为3个4级层序单元。层序Ⅲ低水位体系域、海侵体系域、高水位体系域都有较好发育，主要由浅水曲流河三角洲沉积体系组成，可以细分为4个4级层序单元。

(3)恢复了章丘煤田等时层序地层格架下古地理演化：三级层序Ⅰ沉积时，古地理景观分布较均匀，古地理单元呈NW-SE方向展布，自南西向北东发育滨外碳酸盐台地古地理单元，当时古地理格局是西南高、东北低，海侵主要来自东北方向。三级层序Ⅱ在沉积时代上相当于晚石炭世晚期和早二叠世早期，章丘煤田当时主要为潮坪和泻湖沉积，古地理格局已变为北部高、南部低，海侵主要来自南方。三级层序Ⅲ对应于山西组沉积期受南北向的水系控制，古地理单元以三角洲平原为主，其次为曲流河等，盆地物源为NNW方向。

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