广西十万大山调查区晚三叠世至早侏罗世聚煤规律研究

张新柱 李居奎 姚存伟

(微山湖矿业集团永胜煤矿,山东省济宁市,277608)

广西十万大山调查区晚三叠世至早侏罗世聚煤规律研究

张新柱 李居奎 姚存伟

(微山湖矿业集团永胜煤矿,山东省济宁市,277608)

以广西十万大山勘查区晚三叠世至早侏罗世为研究对象,在详细野外地质调查和实验室分析的基础上探讨研究区主要含煤层段的性质、主要煤层的分布、主要控煤因素及成煤模式。研究表明调查区主要含煤地层为上三叠统扶隆坳组,尤其是第四段上部,下侏罗统含煤性则极差。煤层分布规模不大,除了3层可采或局部可采煤层以外,绝大多数均为薄层炭质泥岩、含炭泥岩或煤线。煤层分布具有明显的不均一性,主要集中于调查区中东部十万大山森林公园与平和怀之间,并呈透镜体状不连续地展布。煤炭形成的控制因素主要为沉积环境和古地形。成煤环境主要为冲积扇扇间洼地。

十万大山盆地 晚三叠世至早侏罗世 聚煤规律 控煤因素 成煤环境

1 研究区概况

1.1 地质概况

十万大山盆地位于广西西南部,属于华南褶皱带西北缘,是在华南板块与扬子板块拼接的加里东运动之后由钦防残余海槽转换成被动大陆边缘。盆地东南部以钦州—灵山断裂带或十—杭带为界,与六万大山—云开造山带为邻,西北部则以凭祥—南宁断裂与扬子地块边缘相接,见图1。

本文所研究的十万大山调查区位于十万大山盆地的西南部,内部上三叠统和下侏罗统出露良好。上三叠统自下而上由平垌组和扶隆坳组组成,而下侏罗统则由汪门组和百姓组构成。其中平垌组、汪门组及百姓组岩性组合与沉积环境特征类似,均以褐红色泥岩、粉砂岩夹细－中砂岩为主,属陆相滨浅湖沉积,局部为曲流河沉积。扶隆坳组分为4段,第一、三、四段整体为紫红色或褐红色细砂岩夹泥岩及粉砂岩,其次为中粗砂岩,局部层位可见厚度不大的细砾岩,属山前砂质辫状河沉积;第二段整体为紫红色细砂岩与泥岩、粉砂岩互层,其中细砂岩含较多的泥质成分,为低弯度曲流河沉积。十万大山盆地位置及区域地质简图见图1。

图1 十万大山盆地位置及区域地质简图

1.2 主要含煤层段和主要煤层

十万大山调查区含煤地层包括上三叠统和下侏罗统,其中上三叠统地层含煤性最好,是区域主要含煤地层。下侏罗统汪门组虽然有煤层产出,但含煤性极差,仅在局部的砂岩中夹有不规则的煤线及透镜体。

图2 十万大山调查区12＃煤层野外露头及对比地层特征

据目前地质资料,十万大山调查区中东部上三叠统扶隆坳组第四段含煤层位有7层,含煤系数约0.89%,自下而上分别为3＃、8＃、11＃、12＃、13＃、14＃、15＃煤层,其中发现具一定工业价值的可采或局部可采煤层仅有3层,即自下而上的3＃、8＃和12＃煤层,绝大多数均为薄层炭质泥岩、含炭泥岩或煤线。十万大山调查区12＃煤层野外露头及对比地层特征见图2。其中,12＃煤层肉眼煤岩类型为半亮型煤。图2(a)为12＃煤层在研究区东部的对比岩层,属凤凰山－皇袍山剖面,扶隆坳组第四段上部,为灰黑色(含)碳质粉砂质泥岩,块状层理构造;图2(b)为12＃煤层在研究区东部的对比岩层,属那端－那造剖面,扶隆坳组第四段上部,为灰黑色(含)碳质粉砂质泥岩,块状层理构造;图2(c)为平化屯西南12＃煤层野外露头,煤层厚0.6～1 m,上覆与下伏地层泥岩－粉砂岩较薄,主要为砂砾岩;图2(d)为平化屯西南12＃煤层野外露头,呈鳞片状或呈破碎粉状,主要为构造糜棱煤。

1.3 含煤区位

扶隆坳组第四段煤层的空间展布从整个研究区来看具有明显的不均一性。发育最好的位置为研究区中东部十万大山森林公园与平和怀之间,而向东西两侧延伸厚度整体变薄,相变为灰黑色碳质粉砂质泥岩直至消失,如图2(a)、(b)所示。

(1)3＃煤层位于上三叠统扶隆坳组上部,主要发育于红旗林场至平化一带,煤厚0～0.6 m,厚度变化很大。局部地段断续出现可采薄煤层,但沿走向迅速尖灭。

(2)8＃煤层位于上三叠统扶隆坳组上部,距3＃煤层215～331 m,发育于红旗林场至平化一带。在顺煤层走向延伸6.5 km的范围内施工的20个山地工程中,有15个点见到厚度为0.05～1.5 m的煤层,其中真正达到可采厚度的煤点仅有2个。

(3)12＃煤层位于上三叠统扶隆坳组上部,距8＃煤层170～260 m,主要发育于十万大山森林公园与平和怀之间,沿地层走向断续分布约11 km。煤层在横向上发育不稳定,厚度变化大,呈透镜状或似层状。在此范围内,槽探及钻孔揭露煤层厚度在汪门东部附近较好,煤厚0～1.48 m,一般为0.30～0.66 m,结构简单,无稳定的夹矸。在上述范围之外,煤层逐渐变薄并逐渐相变为灰黑色炭质粉砂质泥岩,如图2(a)和图2(b)所示。

除上述3层煤层为具有一定工业价值的可采或局部可采煤层外,15＃煤层在钻孔ZK2010的位置也为可采煤层,其厚度达0.66 m。然而,该煤层在其他区域厚度很薄,不成规模,为不可采煤层。

2 主要控煤因素

研究区煤层分布在时间与空间上的不均一性整体受控于成煤期沉积环境的时空演化和古地形特征,具体分析如下。

2.1 沉积环境因素

(1)湖泊相。平垌组、汪门组和百姓组整体为浅湖相泥岩、粉砂岩夹滨湖相的砂岩。在此沉积期间,由于盆地不均衡塑性沉降,湖面不断扩大,沉积中心逐步向西北迁移。这种不均衡沉降,一方面造成平垌组、汪门组和百姓组地层普遍超覆于早期不同时代的地层或岩体之上,另一方面则在盆地内形成了局部相对稳定的深水沉积环境。由于沉积水体相对较深,沉积环境变化迅速,沉积速度快,加之当时气候条件为半干旱条件,因此不利于植物的生长,造成该段地层含煤性极差,仅能在盆地局部位置出现岸后沼泽相沉积,使得汪门组与百姓组中见到薄的煤线及炭质泥岩,而在平垌组中未见。

(2)河流相。与汪门组、百姓组及平垌组不同,扶隆坳组沉积期沉积环境以河流为主,尤其是研究区西部。根据沉积学研究,扶隆坳组所发育的河流类型并不是典型的曲流河,而是以辫状河为主,主要集中在第一段至第四段之间。在扶隆坳组第四段的上部,尤其是接近汪门组的位置,沉积环境由早中扶隆坳沉积期的辫状河为主,演化为低弯度曲流河为主。

辫状河多发育在山区、河流上游河段以及冲积扇表面。与典型曲流河不同,辫状河的河道一般呈现宽浅特征,河道沙坝发育,沉积物以粗粒底负载为主,而泥岩及粉砂岩等细碎屑沉积则较少。另外,由于河道坡降较大,水体能量较强,加之河道宽浅无植被固堤,因此河流经常改道,河道沙坝不固定,天然堤和河漫滩不发育,不利于泥炭沼泽的形成。即便能够在废弃河道中形成泥炭沼泽,由于河道的频繁改道,也很快被后期改道的河道水流冲刷。由于这些特征,加之辫状河水体较浅而造成的水体富氧条件以及沉积期整体干旱—半干旱的气候特征,扶隆坳组中下部主体含煤性较差,仅能在局部位置见到薄煤层、煤线及炭质泥岩。

低弯度曲流河是一种介于典型辫状河和曲流河之间的河流类型,为辫状河向曲流河演化的过渡类型。沉积物相比于辫状河而言,相对较细,泥质含量高,沉积层序内部细粒单元所占比重相对增大。在这种河流沉积中,容易出现河道的淤浅与废弃,且这种淤浅与废弃不同于辫状河道那样具有短期瞬时性,而是一种长时间过程。在长期淤浅与废弃的河道中,往往会有泥炭沼泽的堆积,形成煤层。由于研究区低弯度曲流河依然具明显的快速沉积特征,且水体因为地形坡降较大而能量较高,所以发育的泥炭沼泽也仅仅是在废弃河道(或牛轭湖)中局部且短期发育,因此在研究区西部的扶隆坳组第四段的局部层位出现灰黑色含炭质粉砂泥岩。

(3)冲积扇相。扶隆坳组沉积期,研究区或盆地南缘不同位置的沉积环境在区域上出现了明显差异,具体表现在研究区西部整体为河流沉积,而在中东部位置(十万大山森林公园至平和怀)则发育大量冲积扇沉积。从区域分布上看,煤层发育较好的位置恰恰与冲积扇沉积的分布范围相吻合。结合其他沉积学、岩石学等方面的证据,认为在研究区煤层发育最好的中东部位置,煤层的成煤沉积环境应为冲积扇的扇中－扇尾亚相位置。

冲积扇往往与辫状河构成一个统一体,具有较强的水动力条件,以砂砾质沉积为特征,不利于植物的生长与聚集,因此这些沉积微相为不利的聚煤环境。然而在河道间、扇体之间以及扇端外围湿地微相区,则以泥岩、砂质泥岩沉积为特征,水动力条件弱,加之温暖潮湿气候的配套,从而有利于成煤物质的生长和聚集,为有利的聚煤环境。另外,由于扇体本身以及扇体表面的辫状河道横向迁移性较大,因此其中发育的泥炭沼泽很容易被后期强水动力的水体冲刷,煤层空间展布上极具不稳定性,形成了煤层在垂向上的多期分布,煤层厚度均较薄,且横向延展不稳定,多呈透镜体状。

2.2 古地形因素

沉积物的粒度特征可以很好地反映沉积介质能量的大小,而沉积介质能量又与地形因素具有很大的关系。大套细碎屑沉积的广泛发育说明研究区西部在扶隆坳组沉积期整体地形坡度较中东部位置小,水体能量较低。图1中深灰色这一地层主色调则说明沉积期该位置水体较浅,沉积物距离水面较近。与西部相反,盆地中东部粗质沉积反映沉积期地形坡降较大,水体能量较高,而浅灰色这一主色调则说明沉积期该区水体较深,沉积物堆积之后始终处于还原或弱还原条件。

上述岩性组成在区域上的差异反映扶隆坳组沉积期整个研究区表现为中东部深、而向东西两侧变浅的古地理特征,见图3。由于中东部位置与物源区地形高差较大,因此该位置为沉积期主要物源供给出口。这个时期的冲积扇为湿地扇,常年流水,表面广泛存在辫状河流。水流携带大量沉积物的不断汇集,不但形成现今看到的盆地中东部的粗质厚层的冲积扇沉积产物,同时也在扇间洼地形成了长期汇水区,最终导致该区在冲积扇扇中至扇尾位置的扇间洼地及废弃河道中形成相对稳定的泥炭沼泽。由于扇间洼地及废弃河道的分布往往比较有限,相邻洼地及河道之间常常被冲积扇扇体及河道间沉积所分隔,并且由于冲积扇的活动及表面河道的迁移,扇间洼地也常常被后期沉积物充填,从而终止扇沼泽的持续发育,最终导致煤层厚度较薄,且在横向分布上呈透镜体形态,具较差的稳定性。

图3 十万大山调查区晚三叠世扶隆坳组第四段成煤模式图

3 成煤模式

平化位置老窑及平大西南煤层露头的观察为具体成煤模式的厘定提供重要线索。这里的煤层不仅厚度较薄,横向具明显不稳定特征,而且煤层上下方的细碎屑沉积很薄。例如,平大西南12＃煤层,下伏泥岩仅0.5 m厚,水平层理发育,具植物化石碎片,向下即为浅灰色中厚层状细砂岩、中砂岩及厚层状砂砾岩夹砂岩,具交错层理构造;上覆泥岩、泥质粉砂岩总厚约0.8 m,水平层理和波状层理发育,同样具植物化石碎片,向上即为浅灰色中厚－厚层状中砂岩及砾岩。整个沉积序列中泥岩、粉砂岩等细粒沉积物厚度相比粗碎屑的砂岩、砂砾岩及砾岩较薄,见图4(a)。

图4 十万大山勘查区平大西南煤层露头沉积序列图

沉积学研究表明,上覆及下伏粗碎屑岩具冲积扇沉积特点,而所见煤层及泥岩、粉砂质泥岩代表短期山间洼地成煤沼泽的发育。平大西南13＃煤层及平化老窑处12＃煤层沉积序列也同样具有上述特征,如图4(b)所示,说明研究区煤层具有典型的冲积扇成煤模式,成煤环境多数为冲积扇扇间洼地。

4 结论

中生代地层是广西重要含煤地层,因此,十万大山盆地中生代地层的研究对于进一步的区域找煤找矿工作具有重要的指导意义。本文以十万大山调查区晚三叠世至早侏罗世为研究对象,探讨研究区主要含煤层段的性质、主要煤层的分布、主要控煤因素及成煤模式。调查区主要含煤地层为上三叠统,尤其是第四段上部,而下侏罗统含煤性则极差。煤层发布规模不大,除了3层可采或局部可采煤层以外,绝大多数均为薄层炭质泥岩、含炭泥岩或煤线。煤层分布横向上具明显的不均一性,主要集中于调查区中东部十万大山森林公园与平和怀之间,并呈透镜体状不连续展布。煤炭形成的控制因素主要为沉积环境和古地形。其中,成煤环境主要为冲积扇环境,成煤模式为冲积扇扇间洼地成煤。

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(责任编辑 郭东芝)

Research on the coal accumulation regularity of Shiwandashan survey area in Guangxi during Late Triassic epoch to Early Jurassic

Zhang Xinzhu,Li Jukui,Yao Cunwei
(Yongsheng Coal Mine of Weishanhu Mining(Group)Co．,Ltd．,Jining,Shandong 277608,China)

Taking the Shiwandashan prospecting area during Late Triassic epoch to Early Jurassic as the research object,the coal seam properties,main coal seam distribution,main coalcontrolling factors and coal forming pattern were discussed on the basis of detail field geological investigation and laboratory analysis.The results showed that the main coal-bearing formation was Fulongao Formation of Upper Triassic,especially the upper fourth section,the coal-bearing property of Lower Triassic was very bad.The coal distribution scale was not large,most of the coal seams were carbon mudstone lamina,mudstone containing carbon or extremely thin coal seam except three layers of minable seams or local minable seams.The lateral distribution of coal seam was inhomogenous obviously,it concentrated mainly in mid-eastern region of investigation area which located between Shiwandashan forest park and Pinghehuai,and distributed discontinuously.The coal formation controlling factors were mainly sedimentary environment and paleotopography.The coal-forming environment was depression between alluvial fans.

Shiwandashan Basin,Late Triassic-Early Jurassic,coal accumulating regularity, coal-forming factors,coal-forming environment

P618.11

A

张新柱(1966－),男,汉族,本科学历,高级工程师,1989年毕业于兰州大学地质系,现任山东省微山湖矿业集团永胜煤矿总工程师。