内蒙古金宝屯矿区煤与油页岩共生沉积环境及层序演化∗

冯婷婷李增学吕大炜王东东刘海燕王平丽

(1.山东省沉积成矿作用与沉积矿产重点实验室,山东省青岛市,266590; 2.山东科技大学地球科学与工程学院,山东省青岛市,266590)

★煤炭科技·地质与勘探★

内蒙古金宝屯矿区煤与油页岩共生沉积环境及层序演化∗

冯婷婷1,2李增学1,2吕大炜1,2王东东1,2刘海燕1,2王平丽1,2

(1.山东省沉积成矿作用与沉积矿产重点实验室,山东省青岛市,266590; 2.山东科技大学地球科学与工程学院,山东省青岛市,266590)

在系统分析内蒙古金宝屯盆地协尔苏组钻孔岩心、测井、古生物等资料的基础上,对金宝屯盆地的煤与油页岩共生发育的沉积环境、层序地层特征等进行深入研究。研究发现,协尔苏组存在两种煤与油页岩共生组合类型(自上而下):煤层－油页岩(C-OS)组合和煤层－油页岩－煤层(C-OS-C)组合,主要发育于深湖－半深湖向三角洲过渡的环境,煤与油页岩共生组合仅发育在盆地演化晚期的高水位体系域。构造运动、基底地形、水体深度与分层等因素综合控制了煤、油页岩的发育与展布,进而控制了煤与油页岩共生组合发育的类型、演化及展布特征。

金宝屯盆地 煤与油页岩共生 沉积相 层序地层 内蒙古

煤与油页岩共生组合现象在我国多地存在,内蒙古金宝屯盆地是煤与油页岩共生的典型地区之一。金宝屯盆地含煤地层为下白垩统协尔苏组,而含煤地层油页岩的沉积环境主要为浅水湖泊沼泽环境,煤与油页岩共生时,煤中的低等动植物和油页岩中的高等植物均比单一矿种含量高。本文运用沉积学和层序地层学的有关理论方法,详细分析了金宝屯地区协尔苏组的沉积环境及其层序地层特征,进而剖析研究区煤与油页岩共生组合发育与分布规律。

1 地质背景

金宝屯矿区位于内蒙古自治区科尔沁左翼后旗境内,处在内蒙地轴北缘,松辽盆地的南缘,距金宝屯镇35 km左右。金宝屯盆地为中生代内陆盆地,盆地边界特征不同,西部、南部和北部边界均属沉积变薄尖灭类型,而东部边界则逐渐加厚,整个盆地在东西方向上呈楔形。盆地内以向斜构造为主,近等轴状,产状比较平缓,局部有较大的波状起伏,后期断层较少,如图1所示。

图1 研究区位置及地质构造概况

金宝屯矿区中生界主要发育下白垩统的义县组、协尔苏组和泉头组。下白垩统协尔苏组中段发育一个可采煤组和与煤层底板共生的矿产油页岩,其主要岩性为灰黑色及黑色泥岩、灰白色粉砂岩和细砂岩。矿区内沉积形成一个复煤层,分上、中、下3个分煤层,上分煤层为可采煤层,中分煤层以薄煤层夹炭质页岩为主,下分煤层为炭质页岩。煤层之下与煤层共生矿产油页岩可划分为Ⅰ、Ⅱ两层,页理发育,局部含炭较高。在油页岩、页岩下部为薄层砾岩、细砂岩、粉砂岩,具有缓波状层理及水平层理,局部可见交错层理,含少量炭化植物碎屑。砾岩的成分一般以变质岩为主,泥质胶结,砂质充填,泥岩、油页岩、页岩中含大量的三尾拟蜉蝣、叶肢介化石。

2 煤与油页岩沉积环境及其共生组合

2.1 沉积环境分析

关于金宝屯盆地的沉积环境,已有一些专家进行过分析。结合研究区实际资料,研究区的主要沉积环境为扇三角洲体系,湖泊体系和曲流河沉积体系,如图2所示。

图2 内蒙古金宝屯矿区下白垩统协尔苏组沉积环境分析

(1)扇三角洲体系。该体系主要发育沉积相为分流间湾和分流河道,其坡积物、洪积物主要发育在盆地形成之初、湖水侵进阶段,主要岩性为砾岩、含砾粗砂岩,砾石成分为片岩、片麻岩、凝灰岩、安山岩等,分选差、棱角状、泥质胶结。向上沉积了细砂岩、粉砂岩,局部含炭屑,属于远砂坝沉积物,其上是中砂岩夹粉砂岩,具小型交错层理,含少量炭化植物屑,是河口砂沉积物,为扇三角洲前缘层积物。扇三角洲前缘层积物之上是细砂岩、粉砂岩,多数含生物化石及炭屑,具水平层理等较细的沉积物,其上为粉砂质泥岩、泥岩等,为近似湖泊相的远砂坝沉积和浅湖泊相沉积物。

(2)湖泊体系。主要发育在扇三角洲沉积之上,依次发育滨浅湖相、半深湖相以及深湖相和半深湖相。深湖相沉积了厚层灰黑色、黑色、局部带褐色的油页岩层,含大量的浮游生物化石,层理发育,该层为湖水变浅大量的浮游生物死亡并沉积形成的。Ⅰ层油页岩沉积之后,沉积了一层灰、灰绿色凝灰质泥岩、凝灰质粉砂岩和少量的凝灰质细砂岩,说明当时地壳运动强烈并伴有火山喷发。火山喷发之后,向上沉积了一层黑色为主的油页岩层(Ⅱ号油页岩),该层局部含炭较高,层理较发育。水体较浅时,湖水难以发生分层,无法沉积油页岩;而水体较深时,湖水稳定后发生分层,沉积厚层油页岩。

(3)曲流河沉积体系。主要发育沉积相为泛滥平原、泛滥湖泊以及辫状河道。随着泥炭沼泽的发育和范围逐渐扩大,湖泊逐渐进入萎缩、消亡期。该时期地势较为平坦,河流作用再次增强,逐渐过渡为曲流河沉积为主,沉积物主要为砂岩、含砾粗砂岩及少量薄层砾岩、细砾岩。砾石成分以变质岩、花岗岩为主,分选差、棱角状、泥质胶结松散,粉砂岩、泥岩中含砾石,可见斜层理和交错层理,粗砂岩成分以石英、长石为主,泥质胶结松散,为河道滞留沉积、高能河道沉积。上部细砂岩具缓波状层理、小型波纹层理、小型交错层理、水平层理,为分选较好的天然堤沉积。

2.2 煤与油页岩共生组合特征

金宝屯盆地下白垩统协尔苏组主要发育两层厚度较大的油页岩和一个复合煤层,煤与油页岩主要有两种共生组合类型(自上而下),如图3所示。第一种是煤层－油页岩组合(C-OS),这是研究区最主要的煤与油页岩共生组合类型,即油页岩作为煤层上分层的底板,巨厚层的油页岩之上发育了一层厚度较大的煤层,煤层和油页岩的分布均较大;第二种是煤层－油页岩－煤层组合(C-OS-C),即油页岩的顶底板为煤层上分层、底板为煤层中分层,这种组合主要出现在煤的中分层发育的地区,厚度和分布范围均较小,主要分布在研究区的中南部。盆地东北部煤层上分层单独出现,不与油页岩共生,而煤层中分层则作为油页岩的顶板(COS)。这两种组合均出现在深湖－半深湖向曲流河三角洲过渡的环境,作为煤层底板的油页岩一般发育在深湖－半深湖环境,而煤层则主要发育在曲流河三角洲环境,反映了沉积环境较大的转化。

图3 内蒙古金宝屯矿区煤与油页岩共生典型沉积序列

研究区内煤与油页岩共生主要存在两种典型的沉积序列。序列1主要发育在沉积期湖泊的中部,在油页岩沉积之前已经发育了厚层的泥岩,随着地质条件发生变化,水体加深,湖水稳定后发生分层,沉积了厚度较大的油页岩;此后水体变浅,发育了一套滨湖滩坝粉砂岩,然后进入滨湖环境,发育了厚度较大的油页岩;水体再次变浅,进入滨湖沼泽环境,湖水难以分层,发育了厚度较大的煤层;之后水体略有加深,发育了滨湖和滩坝沉积。序列2主要发育在沉积期湖泊的滨岸位置,下部发育了厚层的砾岩,主要为扇三角洲平原辫状主河道的砾岩沉积,湖泊逐渐扩张,过渡到辫状河三角洲前缘的辫状分支河道粗砂岩沉积;湖泊继续扩张加深进入浅湖环境,湖水发生分层,沉积了厚度较大的油页岩;之后,湖水有所变浅,进入湖沼环境,湖水难以发生分层,沉积了一层厚度不大的煤层,即中煤分层;湖水再次加深,湖水发生分层,沉积了厚度较大的油页岩;之后,湖水较大范围变浅,进入湖沼环境,沉积了厚度较大的煤层,即上煤分层;湖沼发育晚期,湖水大范围加深,进入浅湖环境,沉积了厚度较大的泥岩。

3 金宝屯盆地下白垩统层序地层分析

3.1 层序地层格架建立

通过钻井及测井曲线的综合对比,在内蒙古金宝屯矿区下白垩统协尔苏组共识别出3个层序地层界面:协尔苏组下部主要为砂岩、含砾粗砂岩,向上发育泥岩或煤层,岩性明显突变,为典型的层序界面;协尔苏组上部与上覆泉头组之间为角度不整合接触,为典型的层序界面;Ⅰ号油页岩中部电阻率值最大而长源距值最小,代表最大湖泛面,也是典型的层序地层界面。根据层序界面发育特征,可以将协尔苏组划分为一个三级层序,反映了一个完整的湖泊发育旋回,主要可以划分出四个体系域:低水位体系域(LST)、湖扩张体系域(EST)、早期高水位体系域(EHST)和晚期高水位体系域(LHST)。低水位体系域主要包括下部砂、砾岩段,在湖泊中部还包括部分泥岩段;湖扩张体系域主要包括含矿段的下部湖相泥岩和Ⅰ号油页岩的一部分;进入早期高水位体系域稳定沉积阶段,继续发育Ⅰ号油页岩,之后发育Ⅱ号油页岩;上部稳定中厚煤层的出现,反映了水体突然变浅,湖泊快速萎缩,进入晚期高水位体系域。

3.2 层序地层格架及演化

在层序地层格架中,煤与油页岩组合发育在盆地演化晚期的高水位体系域,厚层油页岩之上沉积了较稳定的煤层上分层,局部地区还出现煤层的上、中分层夹油页岩的情况。这些共生组合的发育,反映了水体的快速变浅,可容空间迅速变小,由浅湖环境快速转变为湖沼环境而发育煤层,其动力机制主要为构造的突发性抬升。在盆地演化早－中期,即低水位和湖扩张体系域,由于盆地构造沉降太快,可容空间增加速率极快,不利于泥炭的堆积,继而没能发育煤层。

通过对典型钻孔A14孔进行层序地层分析,研究得出该地区的层序地层发育特征,如图4所示。在低水位体系域,主要发育厚层砾岩,由于盆地构造沉降太快,可容空间增加速率极快,不利于泥炭的堆积,没能发育煤层;湖扩张体系域主要发育Ⅰ号油页岩的下部,盆地构造沉降和可容空间增加速率极快,不利于泥炭的堆积,也没能发育煤层;早期高水位体系域发育了Ⅰ号油页岩的上部和Ⅱ号油页岩,中间夹一层凝灰质泥岩,凝灰岩的沉积破坏了湖水的分层,导致了油页岩发育的中断;晚期高水位体系域发育了一层煤和上部的巨厚层细砂岩。油页岩发育时期,湖水较深,可容空间与沉积物供给量比值(A/S)较大,随着构造抬升和沉积物充填,水体逐渐变浅,可容空间迅速变小, A/S比值减小,发育了滨湖泥岩沉积,并逐渐过渡到泥炭沼泽环境,发育了厚度中等的煤层。这个沉积序列的变化是连续的、渐变的,煤与油页岩沉积环境的转换是渐变的。

图4 金宝屯矿区A14孔井下白垩统沉积相－层序划分综合柱状图

通过对盆地内2条典型剖面进行层序地层分析,如图5、图6所示,发现盆地内只要有湖相细碎屑物沉积的地区,均有煤层－油页岩(C-OS)组合。在湖泊水体较深的地区油页岩和煤层的厚度均较大,且只有一层煤发育;在盆地中南部次级低隆起上,油页岩和煤层厚度均较小,且煤层一般发育两层,发育煤层－油页岩－煤层(C-OS-C)组合。在湖泊区水体较深而发育油页岩时,次级隆起区水体较浅,仍未有粗碎屑沉积,水体继续加深到一定程度时次级隆起区才开始发育油页岩,故油页岩厚度相对较小。随着盆地演化进入晚期,构造抬升导致湖泊水体变浅的时候,在水体较深的地区仍沉积油页岩,次级隆起区率先进入泥炭沼泽环境而发育煤层。当水体较深地区水体变浅到可以发育泥炭沼泽而发育煤层时,次级隆起区由于水体过浅而早已终止成煤作用,形成的煤层较薄。

从盆地典型的连井剖面来看,随着水体深度的增加,油页岩主要发育在层序的湖扩张体系域(EST)和早期高水位体系域(EHST),油页岩厚度有增大趋势;但是局部地区水深较大而油页岩厚度较小,从岩性柱状上看,该地区发育的凝灰岩较厚,即火山活动对该地区水体的稳定性造成影响,进而影响了油页岩的发育。从煤层发育整体上来,全盆地发肓较稳定,厚度变化不大,但在盆地边缘或盆内次级隆起部位稍薄,但是这些部位往往发育两个煤层,反应了水体的深浅变化。水体变浅时,盆缘或盆内隆起部位水体较浅,湖水难以发生分层且高等植物繁盛,逐渐进入泥炭沼泽环境开始发育煤层,湖中心次级凹陷区水体仍较深,仍然发育油页岩沉积;当构造快速沉降,湖水迅速加深时,滨湖和次级隆起上的泥炭沼泽迅速进入水下,湖水稳定后发生分层,沉积油页岩;而湖中心和次级凹陷区则持续发育油页岩。直到盆地演化晚期,构造快速抬升,整个盆地快速萎缩变浅,全盆地范围的油页岩发育逐渐结束,转入泥炭沼泽环境而发育煤层。最后,盆地逐渐萎缩、变浅、消亡。

图5 内蒙古金宝屯矿区下白垩统协尔苏组沉积断面图(近S－N向)

图6 内蒙古金宝屯矿区下白垩统协尔苏组沉积断面图(SW－NE向)

4 结论

(1)金宝屯盆地下白垩统协尔苏组主要发育3种沉积相:扇三角洲相、湖泊相及三角洲相。油页岩主要发育于深湖－半深湖环境,煤层主要发育于河流－三角洲沉积环境,煤与油页岩主要有2种共生组合,即煤层－油页岩(C-OS)组合和煤层－油页岩－煤层(C-OS-C)组合,而这两种组合均出现在深湖－半深湖向三角洲过渡的环境。

(2)金宝屯盆地下白垩统协尔苏组可以识别出3个层序地层界面:协尔苏组下部的岩性突变面;协尔苏组上部与上覆泉头组之间为角度不整合接触面;I号油页岩中部电阻率值最大而长源距值最小的最大湖泛面。根据层序界面发育特征,可以将协尔苏组划分成四个体系域:低水位体系域(LST),湖扩张体系域(EST),早期高水位体系域(EHST)和晚期高水位体系域(LHST)。

(3)油页岩主要发育在层序的湖扩张体系域(EST)和早期高水位体系域(EHST),煤层发育在晚期高水位体系域(LHST),煤与油页岩共生组合仅发育在盆地演化晚期的高水位体系域。

[1] 王平丽,李增学,吕大炜等.典型盆地煤与油页岩共生成矿物质及古气候分析[J].中国煤炭地质, 2013(12)

[2] 王东东,李增学,王真奉等.黑龙江依兰盆地古近系煤与油页岩共生特点及层序地层格架[J].中国煤炭地质,2013(12)

[3] 王敏吉.金宝屯聚煤盆地沉积环境分析[J].吉林地质,2006(2)

[4] 邵龙义,罗文林,顾家裕等.塔里木盆地古近系层序地层研究[J].古地理学报,2007(3)

[5] 张振强,王黎明,宫文杰等.松辽盆地南部海里吐地区泉头组砂岩型铀矿化特征[J].世界核地质科学,2009(4)

[6] 苏宗富,邓宏文,陶宗普等.济阳坳陷古近系区域层序地层格架地层特征对比[J].古地理学报, 2006(1)

[7] 陈江峰,许亚坤等.云南富源一带晚二叠世层序地层与聚煤作用分析[J].中国煤炭,2010(7)

[8] 李凤杰,王多云,张庆龙等.鄂尔多斯盆地陇东地区延长组沉积相特征与层序地层分析[J].沉积学报,2006(4)

[9] 焦红叶.呼山煤盆地伊敏组煤层特征及聚煤环境分析[J].中国煤炭,2013(10)

[10] 许亚琴.东曲矿区晋祠组8＃、9＃煤层聚煤规律分析[J].中国煤炭,2010(10)

Symbiotic sedimentary environment and sequence evolution of coal and oil shale in Jinbaotun mining area in Inner Mongolia

Feng Tingting1,2,Li Zengxue1,2,Lv Dawei1,2,Wang Dongdong1,2,Liu Haiyan1,2,Wang Pingli1,2
(1.Shandong Key Laboratory of Sediment Mineralization and Sediment Mineral, Qingdao,Shandong 266590,China; 2.College of Earth Science and Engineering,Shandong University of Science and Technology, Qingdao,Shandong 266590,China)

Based on the systematical ananlysis of drill core,logging and paleontology data of Xieersu Formation in Jinbaotun basin in Inner Mongolia,a further study was conducted on the sedimentary environment of coal and oil shale symbiotic development and sequence stratigraphy characteristics．According to the research,there are two types of coal and oil shale symbiotic combination(from top to bottom):coal-oil shale(C-OS)and coal-oil shale-coal(C-OS-C), mainly developed in the environment that transited from deep lake-half deep lake to the delta,and the coal and oil shale symbiotic combination just developed in late highstand system tract．Some factors such as tectonic movement,basement terrain,water depth and hierarchy controlled the development and distribution of the coal and oil shale,and further controlled the type,evolution and distribution characteristics of the coal and oil shale symbiotic combination．

Jinbaotun basin,coal and oil shale symbiosis,sedimentary facies,sequence stratigraphy,Inner Mongolia

P624.6

A

冯婷婷(1986－),女,山东省滕州市人,山东科技大学硕士研究生在读,主要研究方向为沉积地质与沉积矿产。

(责任编辑 郭东芝)

国家自然科学基金“煤与油页岩共生聚积成矿机制与模式的比较研究”(41272172),教育部高等学校博士学科点专项科研基金(20123718110004)资助