华北石炭—二叠纪层序-古地理及聚煤规律

邵龙义,董大啸,李明培,3,王海生,王东东,鲁 静,郑明泉,程爱国

(1．中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院,北京 100083;2．中国矿业大学(北京)煤炭资源与安全开采国家重点实验室,北京100083;3．陕西省煤田地质局勘察研究院,陕西西安 710054;4．山西省煤炭地质勘查研究院,山西太原 030006;5．中国煤炭地质总局,北京100039)

华北石炭—二叠纪层序-古地理及聚煤规律

邵龙义1,2,董大啸1,2,李明培1,2,3,王海生4,王东东1,2,鲁 静1,2,郑明泉1,2,程爱国5

(1．中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院,北京 100083;2．中国矿业大学(北京)煤炭资源与安全开采国家重点实验室,北京100083;3．陕西省煤田地质局勘察研究院,陕西西安 710054;4．山西省煤炭地质勘查研究院,山西太原 030006;5．中国煤炭地质总局,北京100039)

在对露头及钻孔剖面沉积特征研究的基础上,建立了华北地台石炭—二叠纪近海型含煤岩系层序地层格架,恢复了基于三级层序的岩相古地理,并分析了聚煤规律。根据区域不整合面、河流下切谷冲刷面、沉积体系转换面、古土壤及根土岩、地层颜色突变面、煤层等层序地层关键界面特征,将华北石炭—二叠系划分为7个三级层序。通过绘制各三级层序地层厚度、砂泥比、石灰岩含量等单因素等值线,恢复出各三级层序的岩相古地理。利用煤层厚度与岩相古地理平面展布规律可知,最有利成煤环境为三角洲沉积体系,其次为河流、潮坪-潟湖沉积体系,聚煤作用以SQ2(太原组中上部)和SQ3(山西组)最强,聚煤中心位于准格尔、大同、朔州、乌海、峰峰等煤田和京津唐地区,SQ4(下石盒子组)和SQ5(上石盒子组第1段)聚煤作用仅限于华北盆地南缘,聚煤中心位于两淮地区。

层序地层;岩相古地理;聚煤中心;海陆过渡相;华北盆地

近年来,层序地层学原理与含煤岩系沉积学研究相结合,为聚煤规律分析提供了一个全新的思路和方法。等时层序地层格架下厚煤层的分布模式引起了众多地质学者的兴趣[1-4],尤其是可容空间增加速率与泥炭堆积速率的比率被用来解释在一个可容空间周期内泥炭/煤的厚度变化特征[3,5-6]。目前已认识到当可容空间增加速率平衡或者稍微超过有机物的产出速率时能形成厚而孤立的泥炭,这种平衡的时间选择和厚煤层的位置将进一步依赖于沉积场所的沉降速率和沉积物供给的变化[3]。华北地区石炭—二叠系蕴藏着丰富的煤炭资源和煤层气资源,并伴生有丰富的油气资源,其中的沁水盆地及鄂尔多斯盆地东缘地区是近几年以来煤层气勘探开发取得重大突破的热点地区[7]。研究该区煤层(煤层气储层)厚度分布规律及控制因素引起许多学者的兴趣,前人研究表明,该区含煤岩系是在河流-三角洲及潟湖-潮坪沉积体系中形成[8-13],但是针对华北全区石炭—二叠纪含煤岩系的层序地层及聚煤古地理研究则比较少见[11]。研究表明,厚煤层的分布受区域古地理背景及海平面变化规律的控制,而等时性的层序地层格架的建立则有助于预测厚煤层的分布规律[14]。笔者在进行全国煤炭资源预测研究期间,利用钻孔、露头等资料,建立华北石炭—二叠系层序地层格架,绘制等时层序地层格架下岩相古地理,分析有利聚煤的古地理单元及其分布,在此基础上对聚煤规律进行总结。

1 华北石炭—二叠纪聚煤盆地的形成背景

石炭—二叠纪含煤岩系在华北广泛发育,自晚石炭世始形成广阔的聚煤坳陷,其北界为阴山、燕山及长白山东段;南界为秦岭、伏牛山、大别山及张八岭;西界为贺兰山、六盘山;东临黄海、渤海。大地构造上,华北盆地位于塔里木—中朝板块的东北部,塔里木—中朝板块北与西伯利亚板块接壤,东与太平洋板块毗邻,南与华南板块相连,它们在地质历史演化的不同阶段相互作用、相互影响,尤其是北部的西伯利亚板块与塔里木—中朝板块作用形成的南北向挤压应力场及东部的太平洋板块与塔里木—中朝板块作用形成的北西—南东向挤压应力场,控制了本区的地层展布、沉积建造,形成了本区北部以东西向构造为主,南部以北东向构造占主导的构造格局,是本区构造演化的主要动力来源[15-16]。

我国分布于中朝准地台范围的石炭—二叠纪煤田形成于同一聚煤盆地,聚煤期后的中生代构造运动才使其逐渐分开[16]。华北石炭—二叠系聚煤盆地即为这个巨型的克拉通盆地的一部分,盆地面积约120×104km2。在现代板块格局中,该盆地位于华北古板块内,盆地北面为阴山古陆,南面为秦岭—大别古陆。晚石炭世早期,乌兰格尔古隆起为古陆,将华北聚煤盆地分为东西两个亚盆地,海水由东西两个方向入侵;晚石炭世晚期乌兰格尔古陆下沉,两股海水汇合在一起形成了统一的华北聚煤盆地。

华北石炭—二叠纪盆地沉积地层包括本溪组、太原组、山西组、下石盒子组、上石盒子组及石千峰组,其中太原组、山西组是主要含煤岩系。太原组以石灰岩、泥岩、粉砂岩、粉砂质泥岩及砂岩为主,含多层可采煤层;山西组以砂岩、粉砂岩、泥岩为主,石灰岩仅在局部地区见到,亦含多层可采煤层。下石盒子组和上石盒子组的可采煤层主要分布于华北南部河南及两淮地区。华北石炭—二叠纪聚煤盆地主要发育海陆交互相的古地理背景[16-20],在华北地区石炭—二叠系发育冲积扇、河流、湖泊、三角洲、潟湖-潮坪、碳酸盐台地等沉积体系,其中,陆相的沉积体系多分布在北华北地区,海陆过渡相沉积体系主要分布在中华北和南华北地区,碳酸盐台地沉积主要在中华北和南华北的本溪组-太原组。

2 华北石炭—二叠纪聚煤盆地的层序地层格架

2.1 关键层序界面识别

层序地层的关键界面是指层序界面、海侵面和最大海泛面等,这些关键界面的识别对于层序划分有着极其重要的意义[21-22]。

2.1.1 层序界面的识别标志

(1)区域不整合面。古构造运动形成的不整合面是一等时面。如中奥陶世石灰岩顶面作为一区域不整合面在全区普遍发育且易于识别对比,是很好的层序界面。

(2)下切谷冲刷面。区内一些大规模分布的砂岩体一般为低位期的下切谷充填沉积,其底面是一种侵蚀不整合面,可作为三级层序界面。如太原组底部的晋祠砂岩K1、山西组底部的北岔沟砂岩K7、下石盒子组底部的骆驼脖子砂岩、上石盒子组下段底部砂岩、上石盒子组中段底部砂岩以及石千峰组底部砂岩等。这些砂岩底界面常为河道强烈下切作用形成的区域性冲刷面,其上下沉积环境、古生物组合、陆源碎屑成分及微量元素组成等一般都有明显变化[14]。

(3)海侵方向的转换面。研究区在太原组下部煤层(沁水盆地的15号煤)沉积时,在同生构造控制下,华北地台由“南升北降”变为“北升南降”,南部地势变低,海侵方向由原来的北东方向变为南东方向,这一界面已经通过区域古地理分析被识别出来,它代表着新的沉积事件的开始[11]。

(4)古土壤及根土岩。煤层底板的发育植物根的泥岩相当于现代的潮湿气候下的淋溶土(leached soil)和潜育土(gley),是地表暴露的一个主要标志,代表了一段时间的沉积间断,其中与下切谷河道共生的河道间的古土壤层可作为缺少下切谷砂体的情况下的河道间层序界面[23]。

2.1.2 海侵面和最大海泛面的识别标志

海侵面主要发育于下切谷充填沉积的砂体之上的第1个海泛面,经常是薄煤层、灰色泥岩等,这些薄煤层和泥岩常常共生有古土壤层。在没有河道发育的地带,海侵面与层序界面重合,海侵面直接覆盖在河道间层序界面处的古土壤层上。

最大海泛面是一个层序中代表海侵范围最大的一个界面,也是反映当时水体最深的岩石单元的底面。在河流体系中可以是向上变厚的最厚的一层煤层的底面[24],在多个向上变粗的序列(准层序)中泥岩最为发育的序列(准层序)的底面,有时直接为含菱铁矿结核的泥岩底面。

在碳酸盐台地沉积背景下,最大海泛面可以是向陆地延伸最远的一层石灰岩的底面。在山西省境内太原组沉积期的海侵记录以含Pseudoschwagerina蜓带的灰岩为代表,在太原西山,该蜓带又被划分为4个亚带,分别以庙沟灰岩、毛儿沟灰岩、斜道灰岩和东大窑灰岩标志层为标志。就海侵规模来看,庙沟灰岩向西北方向尖灭于河东煤田的桥头镇,毛儿沟灰岩分布范围扩大而最终尖灭于准格尔煤田南部巨厚的6号煤层中,斜道灰岩分布变小,其北界位于原平—宁武附近,东大窑灰岩在太原以北相变为泥灰岩或海相泥岩,至宁武附近尖灭。上述4期海侵,以毛儿沟灰岩所代表的海侵范围最大[9-11,25]。

在华北地区上石盒子组发育3～4层硅质海绵岩,含有丰富的海绵骨针,在研究区内分布稳定,特别是两淮、冀鲁豫及太原等地都有发育[11]。硅质海绵岩的形成于海侵关系密切,表明晚二叠世也发生过多次海侵事件,可作为最大海泛面。

2.2 华北地区石炭—二叠纪层序地层格架

根据华北地台石炭—二叠系层序地层界面的识别,并结合前人对该区层序地层的认识[26-31],同时参考华北各省区域地质志以及中国地层典相关资料,可将石炭—二叠系划分为一个盆地级层序,早期主要为陆表海障壁海岸体系,晚期为近海河流、三角洲、湖泊沉积体系,总体表现为海平面下降、盆地进积的沉积层序。根据区域不整合面和区域的构造应力转换面将研究区划分为2个二级构造层序：第1个二级层序时间为晚石炭世至早二叠世早期(相当于太原组顶界),该层序为盆地转换层序,即陆表海沉积转换为河流、三角洲、湖泊沉积;第2个二级层序为早二叠世(相当于山西组底界)至晚二叠世。二级构造层序可进一步划分为7个三级层序(图1)。

构造层序Ⅰ包含SQ1,SQ2：三级层序SQ1的底界面为奥陶系顶部的风化面之底,顶界面为太原西山的9煤底、南华北的一1煤之底、山东地区为17煤之底等,时间范围为晚石炭世巴什基尔期至阿瑟尔期;SQ2为SQ1的顶界面至山西组北岔沟砂岩之底界,时间为阿瑟尔期至亚丁斯克期早期。构造层序Ⅱ包含SQ3～SQ7：SQ3的底界面为北岔沟砂岩之底,顶界面为骆驼脖子砂岩底界,时限为亚丁斯克期中期至空谷期中期;SQ4底界面为骆驼脖子砂岩之底,其顶界为桃花泥岩之顶,相当于中二叠世早期下石盒子组沉积地层;SQ5的顶界面为上石盒子组中部的下切谷砂体(太原西山为K7砂岩),时间相当于中二叠世晚期;SQ6顶界为石千峰组底部砂岩之底,时间为255．0～253．5 Ma,即吴家坪期,为二叠系上部沉积;SQ7相当于石千峰组(孙家沟组),顶界为三叠系之底,为二叠系顶部沉积,时间与长兴期对应。

3 层序地层格架下的岩相古地理

图1 华北地区石炭—二叠纪三级层序划分Fig．1 Subdivision of the third-order sequences of the Carboniferous and Permian in the North China Basin

在上述层序地层格架建立的基础上,笔者以三级层序为作图单元,绘制了各层序的岩相古地理图(图2)。岩相古地理研究主要是在详细分析钻孔和露头剖面沉积环境分析的基础上,统计出各种能反映沉积环境的参数,作出能独立反映沉积环境特征的单因素图,再通过各单因素图的叠加和综合判断,最终编制出岩相古地理图[32-33]。本次研究筛选、统计了百余个钻孔和露头剖面,绘制出地层厚度、砂泥岩比、石灰岩厚度、煤层总厚度等参数的等值线图,作图单元为三级层序。古地理单元边界的确定需要综合考虑沉积相、古生物、单因素特征等。

3.1 层序SQ1岩相古地理

SQ1的底界面为奥陶系顶部的风化面、本溪组之底,顶界面为太原西山的9煤底、南华北的一1煤之底、山东地区为17煤之底等,时间范围为晚石炭世巴什基尔期至阿瑟尔期。SQ1总厚度较小,一般不超过100 m,仅在辽东半岛复州湾剖面附近最厚超过130 m。总体表现为北部较厚,北缘和南缘相对变薄,辽东复州湾、鄂尔多斯盆地西北部、北京、山西离石北部、豫东皖西等地为主要的沉积中心。SQ1主要沉积中心为辽东复州湾,沉积厚度达到130 m以上,次要沉积中心位于鄂尔多斯盆地西北部杭锦旗—鄂托克旗之间、北京、离石北部、豫东—淮北一带,地层厚度为60～70 m。SQ1砂岩不甚发育,主要有两个高值区：鄂尔多斯盆部西北部一般37～70 m,几乎全部为砂岩和少量砾岩、京西为10～33 m,其他地区砂岩总厚度均较小,多在20 m以内。泥岩厚度普遍较高,一般在125 m以内,全区平均厚度25 m,豫西平顶山、洛阳、三门峡和鄂尔多斯盆地南部渭北煤田的泥岩厚度明显低于平均水平。

晚石炭世SQ1时期,华北盆地北部以河流三角洲沉积体系为主,发育三角洲平原相和三角洲前缘相,向南过渡为潟湖、潮坪沉积体系,发育若干砂质潮汐浅滩,在潮坪与碳酸盐台地之间起到一定的障壁作用(图2(a))。北部承德一带发育冲积扇沉积体系。西部石嘴山、银川等地以碳酸盐台地沉积体系为主,由于鄂尔多斯盆地中央隆起的影响,乌审旗以南的碳酸盐台地与西缘碳酸盐台地被潮坪分开。华北东北部的辽东半岛以碳酸盐台地沉积体系为主,向北过渡为潮坪与河流、三角洲沉积体系。南部豫东、皖南亦以碳酸盐台地沉积体系为主,向西北方向过渡为潟湖、潮坪沉积体系。

3.2 层序SQ2岩相古地理

SQ2为SQ1的顶界面至山西组北岔沟砂岩之底界之间的地层,时间为阿瑟尔期至亚丁斯克期早期。SQ2总厚度较SQ1厚,一般在10～200 m,平均厚度约为80 m,天津附近新葛4井厚度超过200 m。总体趋势表现为东部地层总厚度大于西部,北京、天津、唐山、沧州、石家庄一带和临沂、济宁、菏泽一带厚度较大,平均厚度129 m,西部鄂尔多斯盆地由于海侵作用不断加强,中部中央隆起对海水的阻碍作用不再明显,两侧的沉积建造趋于一致,两侧地层厚度也趋于一致且较鄂尔多斯盆地中部厚,厚度一般在20～100 m,平均为50 m。另外盆地中部的山西、河北西部地层厚度也较为均匀,一般为25～115 m,平均79 m。由此可见SQ2时期华北盆地两个沉积中心,一个即为京津唐、沧州、石家庄一带,另一个为鲁西南、皖北一带。SQ2时期砂岩不甚发育,主要有两个高值区：鄂尔多斯盆部北部杭锦旗、准格尔旗等地一般为30～40 m,承德、京西等地砂岩厚度为20～95 m,其他地区砂岩总厚度均较小。泥岩厚度普遍较高,一般在130 m以内,主要有河北德州(泥岩总厚度为130 m),鲁西南(平均厚度101 m)两个沉积中心。

图2 华北盆地SQ1～SQ7岩相古地理Fig．2 Lithofacies paleogeograpy map of SQ1-SQ7 in the North China Basin

早二叠世早期SQ2时期,华北盆地北部以河流三角洲沉积体系为主,向南过渡为潟湖、潮坪沉积体系,发育若干砂质潮汐浅滩。中部石嘴山—榆林—离石—阳泉—衡水—滨州—东营一线以南至庆阳—侯马一线和豫东、安徽等地广泛发育碳酸盐台地沉积体系。西部石嘴山、银川等地仍以碳酸盐台地沉积体系为主。华北东北部的辽东半岛以碳酸盐台地沉积体系为主,向北过渡为潟湖-潮坪与河流、三角洲沉积体系。秦岭中条古陆此时已开始提供少量物源,西南鄂尔多斯盆地南部平凉、铜川与豫西三门峡等地发育河流三角洲沉积体系(图2(b))。

3.3 层序SQ3岩相古地理

SQ3的底界面为北岔沟砂岩之底,顶界面为骆驼脖子砂岩底界,时限为亚丁斯克期中期至空谷期。SQ3总厚度较SQ2厚,一般在25～220 m,平均厚度约为82 m,地层厚度等值线图上反映为3个沉积中心：第1个为天津宝坻、沧州以及渤海湾一带至鹤壁、安阳、濮阳一带地层总厚度达到110～160 m;第2个为泰安、济宁、临沂、徐州一带,地层总厚度为110～150 m;第3个为鄂尔多斯盆地榆林、定边、志丹、延安、大宁、柳林一带,为100～150 m。总体趋势表现为东部和西部地层较厚,中部以山西大部(河东煤田除外)相对较薄为特征。SQ3砂岩较发育,全区砂岩总厚度厚度值为10～217 m,除豫西、大宁—延安—志丹—定边—吉县—庆阳以北砂岩较薄以外,全区均较厚。泥岩厚度普遍较高,为5～160 m,平均厚度43 m,沉积中心的分布于地层厚度沉积中心的分布基本一致。

早二叠世SQ3时期,华北盆地主要以河流三角洲沉积体系为主,鄂尔多盆地志丹—延安—大宁—吉县一带存在大规模的湖泊沉积体系,东南部淄博、济南、鹤壁、晋城一带向南过渡为潟湖、潮坪沉积体系。南部秦岭中条古陆继续提供物源,渭北煤田、豫东三门峡等地依然为河流-三角洲沉积体系(图2(c))。

3.4 层序SQ4岩相古地理

SQ4底界面为骆驼脖子砂岩之底,其顶界为桃花泥岩之顶,相当于中二叠世早期下石盒子组沉积地层。SQ4地层总厚度较厚,一般为11～370 m,平均厚度约为118 m,地层厚度等值线图上反映为3个沉积中心：第1个为唐山—天津宝坻之间,厚度为180～230 m,第2个为德州—邯郸—鹤壁—焦作—周口等一个狭长地带,地层厚度变化小,为180～370 m,平均约为237 m;第3个为鄂尔多斯盆地大宁—吉县—延安—定边—志丹—庆阳一带,沉积厚度为90～200 m,与前两个沉积中心相比较薄。另外鲁西南、临沂、徐州、两淮一带和铜川、韩城、临汾、长治一带地层厚度较薄,一般不超过80 m。砂岩总厚度分布规律与第1和第2个地层沉积中心分布基本一致,为70～170 m,西部鄂尔多斯盆地砂岩厚度较为均匀,平均为37 m。东部鲁西南、两淮由于地层较薄,砂岩总厚度亦较薄,与其他地区对比性不强。泥岩总厚度为3～246 m,平均值为73 m,泥岩沉积中心与地层的沉积中心一致,唐山—天津宝坻一带泥岩总厚度为80～120 m,部分钻井中可见深色泥质灰岩;德州—邯郸—鹤壁—焦作—周口一带为62～246 m,平均厚度为149．5 m,为全区泥岩沉积厚度最大处;鄂尔多斯盆地大宁—吉县—延安—定边—志丹—庆阳一带泥岩厚度为38～207 m,平均厚度为84 m。

中二叠世SQ4时期,华北盆地主要以河流沉积体系为主,河道及冲积平原、泛滥盆地十分发育,其次为湖泊沉积体系、三角洲沉积体系。鄂尔多斯盆地中部定边、延安、志丹、大宁、吉县以及榆林南部和天津—沧州一带以湖泊沉积体系,湖泊向外渐变为湖泊三角洲平原和前缘相,一般少有泥炭堆积;华北盆地南部济宁、鹤壁、焦作、郑州、漯河、驻马店一带以南地区发育河流三角洲沉积体系,形成具有工业价值的煤层;华北盆地大部分地区则为河流沉积体系,发育河道、冲积平原、泛滥盆地等沉积相单元(图2(d))。

3.5 层序SQ5岩相古地理

SQ5的顶界面以上石盒子组中部的下切谷砂体(太原西山为K7砂岩)为界,底界为下石盒子组之顶,时间相当于中二叠世晚期。SQ5地层总厚度南北不均一,全区地层厚度变化范围为46～450 m,平均为126 m,地层沉积中心位于东南方向徐州—两淮地区。北部地层一般偏薄,一般为100 m以内,东南方向较厚,为140～450 m,淮南淮北地区平均厚度为302 m,西部鄂尔多斯盆地厚度较均一,一般为62～207 m,平均值为105 m。全区砂岩分布比较均一,厚度变化不大,一般为5～152 m,平均厚度41 m。砂岩最厚区域位于山西保德扒楼沟剖面,为152 m,其次为东南部徐州两淮钻孔显示为151 m,河北邯郸南部沙坝沟剖面为122 m,大宁、吉县附近砂岩总厚度为110 m,其他地区明显偏薄,平均值约为50 m。泥岩总厚度为3～246 m,平均值为73 m,泥岩沉积中心位于徐州、两淮地区,一般为110～354 m,平均值为212 m,另外河北邯郸南部沙坝沟剖面、大宁—吉县一带泥岩总厚度也较大,总体上与地层总厚度和砂岩总厚度的沉积中心趋于一致,其他地区泥岩厚度一般在20～80 m。

中晚二叠世SQ5时期,华北盆地主要以河流沉积体系为主,河道、冲积平原、泛滥盆地异常发育,其次为湖泊沉积体系、三角洲沉积体系。鄂尔多斯盆地中部定边、延安、志丹以及榆林南部和辽东半岛南部发育湖泊沉积体系,湖泊四周渐变为泛滥盆地相及河道相,华北东部东营—滨州—济南—济宁—临沂一带以东地区亦发育湖泊沉积体系,伴有湖泊三角洲,但一般不成煤,华北东南部豫东和徐州及两淮等地以南则发育河流三角洲沉积体系,三角洲平原和三角洲前缘发育,泥炭堆积形成具有工业价值的煤层。华北其他大部分地区则以河流沉积体系为主,河道、冲积平原、泛滥盆地相发育,杭锦旗—鄂尔多斯一带有大规模的泛滥盆地相发育(图2(e))。

3.6 层序SQ6岩相古地理

SQ6顶界为石千峰组底部砂岩之底,时间为255～260．5 Ma,即吴家坪期,为二叠系上部沉积。地层总厚度较大,全区地层厚度为47～417 m,平均为159 m,总体趋势为北薄南厚,地层沉积中心主要有2个：第1个为淄博—济宁—商丘—淮南以东一带,地层沉积厚度为300～417 m,平均厚度367 m,为主要沉积中心;第2个沉积中心位于大宁—吉县—运城—晋城—长治—邯郸—太原—离石一带,地层厚度为148～337 m,平均为264 m,为次要沉积中心。全区砂岩分布比较均一,一般为5～195 m,平均厚度50 m。仅在大宁—吉县、邯郸等地有较厚的砂岩沉积,前者最厚达195 m,后者为115 m。全区其他地区厚度差别不大,一般为5～90 m,平均为45 m。全区泥岩较厚,平均为109 m,表现为3个沉积中心,第1个位于辽东半岛本溪附近的蚂蚁村剖面,泥岩总厚度达到872．3 m,为全区最厚处,以泥岩为主间或夹杂细粒砂岩,第2个位于东南方向临沂、济宁、徐州、两淮一带,平均值为304 m,第3个沉积中心位于离石—柳林一带,平均厚度150 m。

晚二叠世SQ6时期,华北盆地主要以河流沉积为主,河道、冲积平原、泛滥盆地发育,其次为湖泊沉积(图2(f))。华北东北部辽东半岛本溪以南地区、东部及南部的沧州—德州—菏泽—漯河—阜阳以东的地区、西部鄂托克旗—石嘴山—定边—志丹—延安—离石等地发育大规模的湖泊沉积,晋城—焦作—洛阳一带发育小型湖泊沉积,湖泊四周渐变为泛滥盆地相及河道相,华北其他地区则为河流沉积,河道、冲积平原、泛滥盆地十分发育,华北北部鄂尔多斯—准格尔旗—朔州—保德一带、铜川以西部分地区均发育不同规模的泛滥盆地相。SQ6沉积期物源来自于北缘阴山古陆和南部秦岭中条古陆,湖侵方向以南部两淮由东南向西北方向。

3.7 层序SQ7岩相古地理

SQ7相当于石千峰组(孙家沟组),顶界为三叠系之底,为二叠系顶部沉积,时间与长兴期对应。华北晚二叠世地层为一套陆相红色沉积,气候温暖湿润,全区处于氧化环境,地层总厚度较大,全区地层厚度变化范围为85～367 m,平均为226 m。西部鄂尔多斯盆地地层厚度变化较为均一,变化范围为137～346 m,平均厚度为249 m。华北南部豫西洛阳—郑州一带地层较厚,其中瑶玲剖面地层厚度达到367 m,为1个沉积中心。全区砂岩分布东西不均一,西部地区一般较厚,特别是鄂尔多斯盆地,变化范围为51～247 m,平均厚度110 m,东部地区变化范围为10～175 m,平均值为66 m,明显低于西部,南部仅豫西洛阳一带砂岩较厚,平均为113 m。全区泥岩较厚,平均为127 m,沉积中心分布不明显,主要位于鄂尔多斯盆地和豫西洛阳一带,鄂尔多斯盆地内部泥岩厚度为30～230 m,平均厚度为138 m;另外豫西洛阳一带瑶玲剖面泥岩厚度也较大为216 m,其他地区泥岩厚度均低于上述两地。

晚二叠世SQ7时期,华北盆地主要以河流沉积、湖泊沉积环境为主,河道、冲积平原、泛滥盆地发育(图2(g))。华北东北部辽东半岛本溪—丹东以南地区、东部及南部淄博—德州—邯郸—长治—晋城—焦作—商丘—阜阳—合肥以东地区、西部鄂尔多斯盆地中部定边—志丹—榆林—延安一带等地发育大规模的湖泊沉积,湖泊向外逐渐过渡为泛滥盆地及河流,其他地区则发育河流沉积,河道、冲积平原、泛滥盆地相十分发育,华北杭锦旗、鄂尔多斯、鄂托克以南、大同以东的地区均发育不同规模的泛滥盆地相。SQ7沉积期物源来自于北缘阴山古陆、南部秦岭中条古陆、伏牛古陆以及西南部平凉—庆阳一带,湖侵方向以南部两淮由东南向西北方向。

该时期华北盆地完全转变为陆相河流湖泊沉积体系,气候温暖潮湿,但是与此前SQ1～SQ6时期相比,氧化环境占绝对优势,不利于成煤植物死亡后的保存,沉积物以红色为主,聚煤作用结束。

4 华北石炭—二叠纪聚煤规律分析

SQ1时期,华北盆地聚煤作用较差,全区形成5个聚煤中心：渭北煤田铜川—韩城矿区,保德扒楼沟—山西七里沟—朔州原平轩一带,豫东周口—两淮以西,鄂尔多斯盆地子洲,鄂尔多斯盆地鄂托克旗以南伊25-苏118井一带(图3(a)),以上5个聚煤中心在横向及纵向上连续性差。除渭北煤田以外,其他地区煤层赋存条件均较差。

图3 华北盆地SQ1～SQ5煤层厚度等值线Fig．3 Contour of total coal thickness of SQ1-SQ5 in the North China Basin

SQ2时期,华北盆地北部发育河流三角洲体系,中南部发育潟湖-潮坪体系,该时期聚煤作用较强,全区形成大规模的可采煤层,全区煤层总厚度为0～38 m,平均厚度为7．6 m(图3(b))。总体分布趋势为北厚南薄,北部煤层平均厚度为10 m,煤层最厚处位于内蒙古准格尔煤田,其次为大同、平朔矿区、京西煤田、天津—沧州一带。南部煤层平均厚度为4．6 m,薄于北部聚煤区。该时期聚煤中心主要有内蒙古准格尔煤田、大同、平朔、京西、天津—沧州5个聚煤中心,另外还有乌达、邯郸、渭北等多个次要聚煤中心。煤层在横向及纵向上连续性较好,多层煤层可以进行全区对比。SQ2时期华北盆地煤层发育较好,总体表现为北部煤层厚度和赋存条件均优于南部。

SQ3时期,华北盆地大部分地区发育河流三角洲沉积体系,聚煤作用依然较强,全区除北缘和南缘以外基本都有煤层赋存,但是规模和厚度比SQ2时期略差。全区煤层总厚度为0～31 m,平均厚度为4．7 m(图3(c))。总体分布趋势为北厚南薄,北部煤层平均厚度为4．9 m,煤层最厚处位于天津—沧州中间地带的石油钻井庄古1井处,为31 m,其次为沧州西南方向石油钻井泊古1井处,为18．5 m,鄂尔多斯盆地东缘府谷—保德一带和西部桌子山—鄂托克旗一带煤层也较厚,前者平均厚度为8．5 m,后者平均厚度为7．7 m。其他地区煤层厚度较为均一,一般为0～10 m。此时,两淮地区亦有较大规模的煤层富集。

SQ4时期华北盆地以河流沉积体系、湖泊沉积体系为主,三角洲沉积体系为辅,盆地南部河南、山东、江苏、安徽部分地区发育三角洲沉积体系。受潮湿气候带南移的影响,聚煤区域进一步缩小,仅在德州—石家庄—阳泉—离石—延安—三门峡—平顶山一线以南有聚煤作用,厚煤层主要集中于徐州—商丘—郑州—洛阳—平顶山—驻马店以南的区域,聚煤中心位于淮南以南的区域,煤层总厚度达17 m以上(图3(d))。煤层主要形成于三角洲平原相和三角洲前缘相,研究区中北部的河流相、冲积平原相、泛滥盆地相、湖泊相的聚煤作用十分微弱,不足以形成大规模的厚煤层。

SQ5时期,华北盆地主要以河流沉积体系为主,河道、冲积平原、泛滥盆地异常发育,其次为湖泊沉积体系、三角洲沉积体系。聚煤作用仅发生在临沂—菏泽—焦作—三门峡—平顶山一线以南地区。聚煤中心位于阜阳—淮南一带,煤层向四周逐渐变薄,淮南矿区丁集、顾桥、谢家集等矿区煤层总厚度可达25 m以上(图3(e))。SQ5时期华北盆地以河流沉积体系和湖泊沉积体系为主,三角洲沉积体系为辅,仅在盆地南部河南、江苏、安徽部分地区发育三角洲沉积体系,煤层主要形成于三角洲平原相和三角洲前缘相,河流相、冲积平原相、泛滥盆地相、湖泊相的聚煤作用十分微弱,不足以形成大规模的厚煤层。

晚二叠世SQ6和SQ7时期,华北盆地主要以河流沉积为主,河道、冲积平原、泛滥盆地发育,其次为湖泊沉积。因为气候变得干燥,基本没有聚煤作用发生。

综上所述,华北盆地SQ1时期聚煤环境以潮坪-潟湖为主,聚煤作用强度相对较弱,除渭北煤田以外,其他地区煤层发育均较差;SQ2时期聚煤环境以三角洲及潮坪-潟湖为主,煤层最好,厚或巨厚煤层主要分布于华北北部;SQ3时期聚煤环境以三角洲为主,煤层发育较好,总体表现为华北中部煤层发育优于北部和南部;SQ4和SQ5时期随着海水大规模的向南退却,三角洲聚煤环境向南推进,厚煤层主要发育于华北南部地区;SQ6和SQ7时期虽然盆地内部沉积环境依然以河流沉积体系和湖泊沉积体系为主,但因华北盆地逐渐转变为干旱气候,聚煤作用就此终止。

5 结 论

(1)通过对华北地台石炭—二叠纪层序地层关键界面(层序界面、海侵面、最大海泛面等)的研究,在研究区识别出区域不整合面、河流下切冲刷面、沉积体系转换面、古土壤及根土岩、地层颜色突变面、煤层等三级层序界面。将石炭—二叠系划分2个二级构造层序,和7个三级层序。三级层序SQ1以本溪组及太原组下部为主,SQ2由太原组中部和上部地层组成,SQ3以山西组为主体,SQ4为下石盒子组沉积地层,SQ5为上石盒子组下部地层,SQ6为上石盒子组中上部地层,SQ7相当于石千峰组(孙家沟组)。

(2)利用各种单因素等值线图的分布规律,恢复华北地区石炭—二叠纪基于三级层序的岩相古地理图,石炭—二叠纪华北地区发育的沉积相单元包括冲积扇、河流、三角洲、潟湖-潮坪、碳酸盐台地等,其中SQ1和SQ2以潟湖-潮坪为主,SQ3主要以河流-三角洲为主,SQ4和SQ5主要以河流-湖泊为主,三角洲相仅限于华北南部,SQ6和SQ7主要以河流和湖泊相为主。SQ1沉积期海侵主要来自东北方向,SQ2到SQ7沉积期海侵主要来自于研究区东南部。

(3)通过层序格架内的岩相古地理图和煤层厚度等值线图的分析可知,SQ1时期煤炭广泛聚集在潮坪-潟湖沉积相中,SQ2和SQ3时期煤层主要形成于三角洲平原相、其次为潮坪相、潟湖相,SQ4和SQ5时期煤层主要形成于三角洲平原相和三角洲前缘相,河流、湖泊成煤较差。SQ1到SQ3聚煤作用在华北大部分地区都有发生,而SQ4和SQ5聚煤中心主要在河南平顶山到安徽淮南和淮北一带。

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Sequence-paleogeography and coal accumulation of the Carboniferous-Permian in the North China Basin

SHAO Long-yi1,2,DONG Da-xiao1,2,LI Ming-pei1,2,3,WANG Hai-sheng4, WANG Dong-dong1,2,LU Jing1,2,ZHENG Ming-quan1,2,CHENG Ai-guo5

(1.College of Geoscience and Surveying Engineering,China University of Mining and Technology(Beijing),Beijing 100083,China;2.State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining,China University of Mining and Technology(Beijing),Beijing 100083,China;3.Shaanxi Coalfield Geology Bureau Investigation Research Institute,Xi’an 710054,China;4.Shanxi Coal Geology Surveys Research Institute,Taiyuan 030006,China;5.China National Administration of Coal Geology,Beijing 100039,China)

The authors studied the depositional environments,sequence stratigraphy,paleogeography and coal accumulation of the Carboniferous-Permian paralic coal measures based on data from outcrop and borehole sections．The sequence boundaries were represented by regional disconformity,transgression direction switching surface,the base of incised valley fill sandstone,facies-reversal surface and associated paleosols．According to these sequence boundaries, the coal measures were subdivided into 7 third-order sequences and related systems tracts．For the paleogeography analysis,the contours of a variety of lithofacies parameters were drawn,including strata thickness,thickness ratio of sandstone and mudstone,limestone contents,and coal thickness．Based on these contours,the lithofacies paleogeogra-phy maps of each third-order sequence were reconstructed．The comparison of the contours of coal thickness with the distribution of facies units of the lithofacies paleogeography was made,and it revealed that the favorable coal-accumulating environments were deltas,fluvial plain and lagoon-tidal flat．Coal accumulation was strong in SQ2(middle and upper Taiyuan Formation)and SQ3(Shanxi Formation)with the coal accumulating centers were distributed in the Zhungeer,Datong,Shuozhou,Wuhai,Fengfeng areas,and the Beijing-Tainjin-Tangshan area．Coal accumulation in SQ4 (Xiashihezi Formation)and SQ5(first member of the Shangshihezi Formation)was weak and the coal-accumulating centers were distributed in the southern part of the North China Basin,including Huainan and Huaibei coal fields．

sequence stratigraphy;lithofacies paleogeography;coal-accumulating center;marine-continental transitional facies;the North China Basin

P539．2

A

0253-9993(2014)08-1725-10

2014-05-16 责任编辑：韩晋平

国家科技重大专项资助项目(2011ZX05009-002);国土资源部地质大调查重大基金资助项目(1212010633901)

邵龙义(1964—),男,河南灵宝人,教授,博士生导师。Tel：010-62339303,E-mail：shaol@cumtb．edu．cn

邵龙义,董大啸,李明培,等．华北石炭—二叠纪层序-古地理及聚煤规律[J]．煤炭学报,2014,39(8)：1725-1734．

10．13225/j．cnki．jccs．2013．9033

Shao Longyi,Dong Daxiao,Li Mingpei,et al．Sequence-paleogeography and coal accumulation of the Carboniferous-Permian in the North China Basin[J]．Journal of China Coal Society,2014,39(8)：1725-1734．doi：10．13225/j．cnki．jccs．2013．9033