华北晚古生代陆表海盆地海侵事件微观沉积特征及成煤探讨①

吕大炜 李增学 王东东 刘海燕 贾 强 王平丽 于得明 吴晓燕

(山东省沉积成矿作用与沉积矿产重点实验室山东科技大学 山东青岛 266590)

自 Diessel［1］提出“海侵过程成煤”理论以来，海侵成煤观点已经逐渐为人所接受。海侵过程成煤强调的是滨海地带相对海平面上升能够使泥炭聚积并被保存成煤［2-3］，因此，海侵过程所成煤层一般被划分到海侵体系域［1，4］。海侵过程成煤理论的提出，动摇了传统煤地质学关于聚煤环境的某些基本观点，使人们不得不重新认识煤的聚积过程和机制，使水(海)进过程中聚煤作用发生及其机制等问题成为热点，为此，Diessel［1］在其 Coal Bearing Depositional Systems著作中都做了精辟的论述。但海侵过程成煤理论与模式也有其针对性和局限性［5］，因为海侵过程成煤是指在具有一定斜坡的滨海平原地带，相对海平面变化比较缓慢，而对于陆表海盆地中的海侵成煤没有做详细的阐述，因此，本文将以华北板块为主要实例对陆表海盆地海侵成煤机制进行探讨。

华北陆表海盆地晚古生代含煤岩系沉积学研究已经半个多世纪，也取得了很多成果。目前，对于华北晚古生代陆表海盆地存在着海侵事件沉积［6-10］，宏观岩石表现以煤层与灰岩的沉积组合最为常见，其形成是华北板块突发性海侵事件造成的［5-6］等观点已经为众多学者所共识。然而，华北板块陆表海盆地的含煤碎屑沉积并不都是海侵事件沉积［11］，部分煤层与灰岩的组合是在海侵过程中形成，煤层为海侵过程成煤［1］，即华北陆表海盆地充填沉积过程中存在着两种类型的海侵，即渐进型海侵［11］和事件型海侵［5-6，12-13］。这就引出一个问题:在进行地层划分对比时，对于不同煤层与灰岩组合往往无法确定其成因，从而造成了地层对比或海平面分析的错位。因此，在进行海平面变化旋回分析时，应该区别对待海侵类型，而渐进型海侵研究比较深入，但目前对于海侵事件沉积的鉴别仅限于沉积岩岩石学、沉积序列及沉积相分析等方面，而关于其他微观特征(如古生物演化、地球化学特征)等方面尚没有归纳和总结，同时，在实际工作中，部分学者对于海侵事件成煤与海侵过程成煤的识别与区分仍然不清，因此，本课题组在多年工作积累上，综合分析海侵事件微观沉积特点，并从新的视角来识别与区分海侵事件成煤和海侵过程成煤，对陆表海盆地海侵事件沉积的研究具有一定的基础性意义。

1 华北突发性(事件型)海侵特点

“事件”概念是一个古老的概念，传统的沉积事件是指在相对缓慢背景下的沉积物堆积体系中短暂的(几小时至几天)、通常罕见的快速沉积层段［14-15］。海侵事件则属于以周期性规模较大的触发机制为典型特点的事件类型，这个触发机制可以是由冰川融化、构造抬升等造成的相对海平面上升［9］。这与传统的事件沉积有着本质不同。海侵事件沉积来源于突发性海侵概念，华北晚古生代的突发性海侵发生于岛屿环境的受限陆表海［6］，由于海平面的升降导致峡口的启闭，往往形成海陆交互相沉积序列。从板块构造学的观点来看，活动板块的边缘由于板块俯冲形成的岛弧构造是造成受限陆表海的天然屏障。从以上定义和形成背景来看，事件型海侵强调的是海侵的突进，带有“灾变”现象，是快速倒灌式的。因此，华北陆表海盆地海侵事件的发生有其特色，与风暴事件、重力流事件及洪泛事件沉积有一定区别，主要体现以下几点:①海侵范围极其广泛，海侵事件沉积对比性强;②触发机制为突发性海侵，即较短事件内的相对海平面上升，主要以牛顿流体的内源沉积为主;③海侵事件发生于陆表海盆地的靠陆一侧。由此可知，海侵事件沉积具有可识别性、空间延展性和等时性特点。

2 海侵事件沉积序列及沉积环境

关于海侵事件沉积序列及沉积环境分析已有相关的成果［7-8］。其宏观表现为根土岩—煤层—灰岩组合(图1A，C)。吕大炜［13］发现部分海侵事件层中的灰岩也可以是海相泥岩。海侵事件沉积组合存在着沉积时间连续性和沉积相序间断性的特点［7］。所谓的时间连续性是指煤层及上覆灰岩为连续性沉积，煤层和灰岩之间不存在着暴露，这种特点在盆地内部广泛发育(图2)，在盆缘地区则该组合消失。所谓的相序的间断性在地层垂向序列上表现浅水沉积物与深水沉积物直接接触，从沉积相较多上来看，暴露沉积、煤层与灰岩沉积相解释差异性很大，其中暴露沉积为典型的土壤化泥炭沼泽，煤层则为潮坪泥炭沼泽环境形成，两种沼泽环境差异性很大，另外，石灰岩往往解释为海侵的台地相沉积，可以看出，土壤化沼泽—潮坪泥炭沼泽—台地相一个短暂的快速的沉积相演化，潮坪泥炭沼泽环境与台地相之间缺失了过渡相沉积，即深水相(一般是海相)与浅水相(陆相)的直接叠加。需要说明一点是，很多学者过多注重煤与灰岩组合，而往往错把灰岩和煤层组合就认为是海侵事件沉积，这个观点是错误的，海侵事件沉积的识别在岩性上应该体现在三个方面，煤层底板根土岩(暴露沉积)，煤层和灰岩，很多煤层和灰岩沉积底板是呈现浅灰色的含有黄色透镜体的泥岩，为水体萎缩变浅所沉积形成，不属于暴露沉积，为连续性的过渡相序沉积(图1B，D)，因此，不属于海侵事件沉积。煤层之上的石灰岩沉积为典型的生物碎屑沉积，局部含砂量较高，灰岩中含有较多的海百合茎、蜓和珊瑚化石，局部出现碳酸盐岩硅质结核(图1A)，为典型的最大海泛凝缩层沉积［16］。

海侵事件成煤与水退成煤的层序地层学意义有一定的差异。海侵事件形成的煤层为海侵体系域成煤，煤层分布广泛而稳定，具有等时性，可以作为层序划分的重要界面，是识别海侵体系域的重要标志，可以进行全区的对比。煤层顶界为最大海泛沉积面，煤层底板为一个暴露土壤化沉积间断面，一般作为准层序界面［8］，而水退形成的对比性相对较强且大规模分布煤层为水退成煤，煤层顶板往往为层序界面，这种煤层往往是废弃碎屑体系泥炭沼泽化形成，煤层顶部易发现下一次碎屑体系复活造成的冲刷作用(图2B，D)。

3 海侵事件古生物特征

海侵事件导致古生物种类、大小、排列及变异程度等都发生了一定的改变，驱使海洋生物多样性增加［17］和古植物发生一定的变化［17］。在华北石炭二叠纪含煤地层中的海相沉积以灰岩为主，发育了多种类型古生物，如腕足、棘皮、有孔虫、海绵骨针、苔藓、珊瑚、牙形刺、蜓等化石(图1A)。而直接伏于海相灰岩之下的煤层则不含任何海相动物化石。分析发现，海侵事件对于古生物种类、个体大小及分布产生了很大影响，与过程型的海侵形成的生物分类有一定差别。海侵事件组合中的微体古生物化石分布广泛，富含 Quasifusulina longissima［18］、海百合茎和有孔虫，化石较非海侵事件沉积类型中的个体小且破碎强烈，蜓化石的内切面呈长柱形，隔壁褶皱强烈旋壁厚并具旋背或轴积。有孔虫化石完整性较差(图3)，保存较差多呈碎片，是高能的近滨环境海浪冲刷所致［19-21］。另外野外考察发现，靠近煤层附近海百合化石增多，反应了靠近煤层附近的水体震荡不是很强烈。汤代义等［22］研究山西七里沟庙沟灰岩发现，海侵沉积中的灰岩中的生物类别差不多，但是部分灰岩层段则呈现分带现象，由下至上依次富集，即双壳纲—蜓和有孔虫—双壳纲等生物碎片，反应出当时水动力条件较强，这为典型的海侵事件沉积的结果。海侵事件沉积内的孢粉也呈现一定的突变(图3)，单缝孢和裸子植物化石降到最低值，而三缝孢含量上升，说明海侵发生时以三缝孢为生殖器的植物适宜滨海潮湿气候，因此其广泛发育，而单缝孢的植物和裸子植物则不适宜海侵环境，相对不发育。

图1 含煤地层中有暴露沉积(A)和无暴露沉积(B)的剖面结构特征(淄博露头煤田)Fig.1 The profile structure characteristics for exposure deposit(A)and inexposure deposit(B)

图2 华北海侵事件沉积层等时对比(南北向)Fig.2 The isochronal surface correlation of trangressive event deposit in North China(N-S direction)

4 海侵事件沉积地球化学特征

海侵事件沉积在地球化学特征上与其他组合有一定差异。通常快速的海侵，能够造成煤层、暴露与灰岩具有独特的地球化学特点。本次以鲁西地区的11灰与17煤为海侵事件沉积组合为例(图4A，B)，通过对其密集采样，可以发现，17煤层底部的根土岩B 含量为35～48 mg/kg，Sr/Ba≤1，古盐度小于 12‰，含淡水双壳纲化石。11灰B为69～223 mg/kg，Sr/Ba=1.3～1.5，古盐度为19～29‰，含小个体腕足类化石。前者反映出淡水的沉积环境，而后者则反映出咸水或半咸水沉积环境，可以发现Sr/Ba在灰岩底部煤层顶部呈现出突变，比值由小于1突变至大于1。Rb含量能够反映海水古盐度，其中，Rb含量越高古盐度越高，淡水中的Rb含量小于139 mg/kg，咸水的Rb含量都大于139 mg/kg，煤层及暴露沉积的古盐度都低于139 mg/kg，灰岩Rb含量最高达到290 mg/kg，可以看出灰岩与煤层及暴露沉积的古盐度差别很大。沉积磷酸盐也能反应出海陆变化特征(图4B)，在海侵事件沉积组合特征中可以看出曲线特征呈现突变特点，底部的暴露沉积磷酸盐含量一般＜3.0(图4B)，而顶部灰岩沉积一般大于22‰，反应出暴露沉积与海相深水沉积地球化学特征的组合。需要说明的是，无论是海侵事件中的煤层还是海侵过程中的煤层，都受到了海水的影响，唯一区别的是，海侵事件中的煤层是在海侵发生后终止发育并在深水(海水)保存下来，因此，通过相关的实验测试可以发现靠近顶板灰岩处的煤层Sr/Ba比值变高，B含量变高，S含量增高，古盐度增加。而海侵过程形成的煤层则是在泥炭沼泽发育期都有海水参与，因此，整个煤层的微量元素都显示出与顶板相似的海相特征。

图3 鲁西地区孢粉变化趋势及海侵层有孔虫特征Fig.3 The sporopollen trend and Foraminifera characteristics in Luxi area

5 对“海侵事件成煤与海侵过程成煤”的区分与理解

李增学等［5］发现华北地区存在着事件性海侵层，并于2001年提出了海侵事件成煤模式［9］，内容是:海相沉积与煤层的组合受海平面变化周期的控制，海侵开始之初，可能导致在原有暴露的土壤基础上发育泥炭沼泽;这种泥炭沼泽是在陆表海盆地海水退出一个时期后，由于暴露土壤化，或者海水退出不是十分彻底，而是使盆地处于一个浅水但不是一种典型水域的环境(或者受到海水侵扰作用)，这实际上是一种废弃碎屑体系的沼泽环境;由于这种环境持续相当长的时间，植物茁生蔓延，泥炭沼泽进一步发展;泥炭沼泽不同于大陆上的泥炭沼泽，时常受到海水的侵扰;后来发生突发型大规模海侵使泥炭沼泽在较短时间内处于水下还原环境而终止发育被保存。可以看出，所谓的海侵事件成煤并不是因为海侵作用使泥炭沼泽发育，而是因为海侵的突发性造成了先前的泥炭沼泽的发育终止而被保存。这与海侵过程成煤模式理解是有一定的区别，海侵过程成煤理论强调的是因缓慢的海侵造成了滨海的泥炭沼泽发育，同时也因持续的海侵使先前的泥炭沼泽终止发育而保存。在实际工作过程中，区别海侵事件成煤与海侵过程成煤时要掌握一个重要的关键点—煤层底板是否有暴露痕迹(表1)，即是否出现过沉积间断。海侵过程成煤层底板没有出现暴露，其沉积环境经历了一个持续的陆—过渡—海相的演化。而海侵事件成煤层底板则出现暴露—海相变化，在划分沉积相时可以把煤层划分到暴露泥炭沼泽环境之中。

图4 海侵事件组合沉积地球化学特征Fig.4 The chemical characteristics of trangressive event assemblage

McCabe［23］认为活动碎屑沉积体系的含煤岩系沉积模式仅仅能解释分布较为局限且易分叉的煤层形成机理，但对于大面积分布且较稳定的煤层则难解释，因此，该模式需要做重要的修正并提出泥炭沉积并不总是与局部的陆源碎屑沉积供给同时发生的，在泥炭聚集期间，局部的陆源碎屑供应已经被某种机理切断了。另外，煤层之下的古土壤(根土岩)代表着基底暴露事件，说明聚煤作用发生之前曾有过比较长时间的间断，聚煤作用与煤层下伏岩层的沉积环境(如河流冲积平原、三角洲平原等)并没有直接的联系。邵龙义等［24］提出幕式成煤理论，指出煤层的聚集与特定的陆源碎屑供给无直接联系，同时也强调一次聚煤作用幕的同时性，用以解释贵州地区二叠系龙潭组的横跨不同相区的大面积的聚煤作用。这种大区域范围的聚煤作用是由区域性的甚至全球性的海平面(基准面)变化引起的，它可以跨越不同的亚环境、不同的沉积相带甚至不同的盆地。海侵事件成煤的瞬时古地理独具特色，陆表海盆地中海侵事件组合中的煤层分布广泛，与下伏沉积体系呈现无沉积的暴露，因此，煤层大部分为废弃碎屑体系成煤，如滨海环境的澙湖淤浅形成煤层，潮坪体系废弃发育大量的泥炭沼泽［25］，浅水三角洲废弃后泥炭沼泽大量发育，这种废弃体系成煤大部分为强制性的海退造成的，即华北陆表海盆地海平面由于冰川等作用造成了相对海平面下降，原有沉积体系已经失去水动力条件控制而废弃，但由于海平面风暴持续发育，或部分海水因积水洼地而部分保存，造成了暴露区潮湿并适宜植物生长发育，因此，大面积植物开始发育并越过原有的碎屑沉积体系的边界控制，从而形成了大面积的煤层。这与海侵过程成煤有一定的区别，海侵过程成煤是边缘海盆地的活动碎屑体系局部成煤，即滨海环境由于相对海平面上升，使滨海的植物发育随着海平面迁移而造成成煤作用的迁移，煤层分布与缓慢的海平面上升有关，即受到了滨海环境的严格控制，另外，海侵事件形成煤层具有分布广泛等时等特点，而海侵过程形成煤层则平面分布不广泛，且穿时。因此，海侵过程成煤与海侵事件成煤有着本质的区别(表1)。

6 结论

(1)华北陆表海盆地海侵事件沉积独具特色具有可识别性、空间延展性和等时性。海侵事件沉积对比性强，主要以牛顿流体的内源沉积为主。海侵事件组合为暴露沉积—煤层—灰岩组合，其关键的沉积学特征是煤层底板存在着暴露沉积(与海侵过程成煤最大区别)，暴露沉积、煤层与灰岩组合具有沉积时间连续性和沉积相序间断性的特点，这与水退成煤明显不同。

表1 海侵过程成煤与海侵事件成煤区别Table 1 The difference between trangressive progressive coal-forming and trangressive event coal-forming model

(2)海侵事件沉积组合中的灰岩含有丰富的海相化石，但个体小且破碎强烈，内切面等表现为高能量水体运动等环境。孢粉分析也发现海侵事件沉积组合中存在着突变，表现为单缝孢和裸子植物化石降低到最低值，而三缝孢含量上升。地球化学元素分析发现暴露沉积的地球化学元素表明其为陆相环境，煤层及灰岩则表明其为海相环境，煤层中的微量元素表现为海相主要原因是泥炭沼泽覆于深水后受海水影响所致。

(3)海侵事件成煤与海侵过程成煤的差异性很大，海侵事件成煤是因为海侵的突发性终止了盆地内部的泥炭发育并将其保存下来，而海侵过程成煤理论强调的是因缓慢的海侵造成了滨海平原的泥炭发育，同时也因持续的海侵使先前的泥炭沼泽终止发育而保存。海侵事件成煤强调的是成煤前海侵未发生前的碎屑体系大量废弃泥炭沼泽广泛发育，而后期的泥炭沼泽终止并保存于突发性海侵之后。海侵过程古地理中的泥炭沼泽发育于滨海的活动碎屑体系，并终止于后期的缓慢海平面上升。

致谢 感谢本文审稿专家及编辑对本文的意见和工作。感谢硕士研究生李建委、宗瑞芳、张燕等人在图件清绘等方面做了大量工作。

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