山东彭庄石炭-二叠纪层序地层及聚煤特征

殷天涛，李守军，赵秀丽，原丽媛

(1．中化地质矿山总局山东地质勘查院，山东 济南 250013；2．山东科技大学地球科学与工程学院，山东 青岛 266590；3．中国科学院南京地质古生物研究所现代古生物学与地层学国家重点实验室，江苏 南京 210008)

山东彭庄石炭-二叠纪层序地层及聚煤特征

殷天涛1，2，3，李守军2，3，赵秀丽2，3，原丽媛2，3

(1．中化地质矿山总局山东地质勘查院，山东 济南 250013；2．山东科技大学地球科学与工程学院，山东 青岛 266590；3．中国科学院南京地质古生物研究所现代古生物学与地层学国家重点实验室，江苏 南京 210008)

国际二叠系三分后，随着鲁西南煤炭等资源进一步勘探要求，迫切需要厘清其地层特征以及其与聚煤特征的关系。经过岩心分析，结合钻井资料，运用层序地层学原理，以山东彭庄煤矿为例对石炭-二叠纪地层进行层序地层研究，并对相应聚煤特征进行了分析。共识别出2个类型的层序界面，把该区石炭-二叠纪地层划分为3个三级层序，S1相当于太原组上部，S2相当于山西组，S3相当于石盒子群下部。通过分析揭示S1主要为潟湖-沼泽、潮坪相，物源相对较差。S2主要由下三角洲平原相中分流河道相、泥炭沼泽相、河口坝相组成，物源相对较丰富，在海侵初期开始产生聚煤作用，到末期煤层发育最好。S3主要为上三角洲平原相，无煤层发育。

聚煤特征；层序地层格架；石炭-二叠纪；山东彭庄

近年针对华北地区克拉通盆地石炭-二叠系层序地层特征及其聚煤作用研究较多，其聚煤作用主要受海平面变化影响[1-4]，但少见就具体某一地区进行研究。山东石炭-二叠系主要发育在安丘-莒县断裂以西地区。淄博，济阳等地研究较为成熟[2，5]。鲁西南(菏泽)具有较为丰富的煤矿资源，其研究相对较少。近年对山东晚古生代太原组、山西组地层特征从岩石地层、生物地层、层序地层等方面进行了较为细致的研究[6-8]，依据沉积学、层序地层学原理，根据沉积特征及层序界面识别标志，结合钻井资料，建立研究区石炭-二叠系层序地层格架，并对其聚煤作用进行相应的分析研究，以期对煤炭等能源的勘探提供更好的思路。

1 地质背景

在早二叠世早期紫松期华北地区达到海侵高峰，在此之后逐渐海退[9]。揭示二叠纪华北地区沉积环境以陆相为主，下部发育潟湖—沼泽相等，中部以三角洲平原相含煤碎屑岩为主，上部以陆源碎屑岩沉积为主。

山东彭庄位于山东西南部菏泽市境内，属于华北地台，总体具华北沉积特征(图1)。该区晚古生代石炭-二叠纪太原组、山西组、石盒子群代表了由海相、海陆交互相再到陆相沉积。

根据最新国际石炭-二叠系划分标准[11]，结合山东省石炭-二叠系划分[12]，该次研究采用山东省石炭-二叠系最新划分方案(表1)。

受钻井取心限制，主要以研究区石炭-二叠纪太原组上部、山西组、部分石盒子群来进行研究。经分析山东彭庄太原组上部为海陆交互相沉积，由石灰岩、粉砂岩、砂岩组成。山西组含煤地层，属三角洲相沉积体系，为陆源过渡相沉积，由泥岩、细粒粉砂岩、粉砂岩等组成，石盒子群下部主要由粉砂岩、砂质泥岩等组成，为一套陆源碎屑岩沉积。

图1 研究区构造分区图(据张巍，2010修改)[10]

中国年代地层山东省岩石地层系统鲁西地层分区代号二叠系石炭系上统中统下统上统石盒子群月门沟群孝妇河组P3x奎山组P2k万山组P2w黑山组P2h山西组P1⁃2s太原组C2P1t本溪组C2b

2 层序地层格架

2.1 层序界面识别

该次研究层序的定义及体系域的划分主要按照Exxon公司“Vail”的学派观点。结合众多学者在研究区所属的华北地区晚古生代层序研究的基础上[1-2]，进行次研究，在研究上充分保证了其区域性特点，从而更有利于研究的典型性。

结合华北地区特定陆表海条件进行划分，海侵体系域位于初始海泛面和最大海泛面之间，高水位体系域位于最大海侵面和层序界面之间。厚层砂岩上的泥岩，泥质粉砂岩等较为细粒的岩石作为初始海泛面。下切谷砂砾岩面表现在研究区山西组、石盒子群下部砂体，其特征主要体现在视电阻率与自然伽马有较为明显的差异。最大海泛面代表水体最深的沉积，被认为是可容空间速率迅速增大的沉积面，通常是海侵体系域与高水位体系域之间的界面。

2.2 层序地层格架建立

研究区石炭-二叠纪太原组上部、山西组、部分石盒子群含煤岩系，共识别出2个层序界面，自下而上划分为3个三级层序(图2)，其特征分述如下：

(1)S1相当于太原组上部，其沉积微相主要为潟湖、沼泽相到潮坪相。综合分析，太原组上部为海侵体系域(TST)、高水位体系域(HST)组成。海侵体系域(TST)主要由深灰色砂状泥岩、泥灰岩等组成。高水位体系域的发育主要是由石灰岩、沼泽相粉砂岩等组成，石灰岩沿解理缝充填方解石脉(图3a，3b)，部分方解石发生重结晶(图3c)，主要为泥晶方解石。

(2)S2相当于山西组。层序界面主要为三角洲平原相下的河道下切谷砂岩底面。主要由低水位体系域(LST)、海侵体系域(TST)、高水位体系域(HST)组成。低水位体系域(LST)开始于山西组底部灰色泥岩，含细砂岩，泥岩条带及包裹体，作为初始海泛面(图3d)。海侵体系域(TST)开始于山西组下部煤层底部的细粒砂岩，主要由砂质泥岩、煤层、石英砂岩等组成，含丰富的植物化石。高水位体系域(HST)主要由灰绿色细砂岩、砂质泥岩、粉砂岩夹薄层泥岩等组成，细砂岩中含较多的云母碎片，层理发育，主要见平行层理、交错层理等，含较多植物化石，主要代表了三角洲平原相沉积序列(图3e)。

(3)S3为石盒子群下部，其层序界面为河道下切谷，属上三角洲平原相。发育低水位体系域(LST)、海侵体系域(TST)。低水位体系域主要以中粗粒砂岩(图3f)、砂质泥岩为主，含少量植物茎叶化石。海侵体系域(TST)主要由决口扇，天然堤和河道砂岩、砂质泥岩等组成。其初始海泛面，主要表现为粒度突变为细粒的砂岩，含少量暗色矿物。

3 测井响应

山东彭庄山西组煤层测井曲线(图4)揭示三侧向电阻率、自然伽玛物性特征是：煤层处的自然伽玛值由低到高。在低值处煤层发育最好。即是海侵体系域中，可容空间增加至最大海泛面时。而三侧向电阻率值则相反，在自然伽马低值处为其峰值。自然电位呈锯齿状处呈现的是砂泥岩互层。进一步响应了标志层处沉积相特征。

图2 山东彭庄西补15井石炭-二叠系层序地层柱状简图

4 聚煤特征

通过对山东彭庄石炭-二叠纪层序地层格架进行分析，揭示S1主要为潟湖-沼泽相、潮坪相，其物源较差。S2主要为分流河坝相、泥炭沼泽相，物源丰富，煤层发育最好。发现煤层主要集中发育在水动力条件相对比较稳定的泥炭沼泽相沉积环境中，聚煤作用在初始海侵开始聚集，在海侵结束时达到最大,临近最大海泛面,煤层发育最好,因为在海侵体系域初始海泛面时，其可容空间开始加速，至最大海泛面也即海侵结束时，其可容空间增至最大。可容空间的大小以及增加的速率为煤层的发育提供了良好的环境。

图3 山东彭庄西补15井石炭-二叠纪代表岩心特征

图4 钻孔测井曲线和柱状图

5 结语

(1)根据层序界面识别标志，下切谷砂岩底面、初始海泛面、最大海泛面等将山东彭庄石炭二叠纪太原组上部、山西组、石盒子群下部层序划分了3个三级层序，S1相当于太原组上部，S2相当于山西组，S3为石盒子群下部。

(2)根据层序地层学原理，结合层序地层格架、测井、沉积相等特征表明了煤层主要集中在层序2中的海侵体系域(TST)。海侵末期煤层发育最好，其可容空间为煤层的聚集形成提供了良好的条件。

致谢:感谢山东科技大学王明远教授、高丽华博士、张序萍副教授、李万江副教授、张雷霞女士、王秀静硕士、常州大学李雪博士，济南王盼盼硕士等同志对该文形成提供的帮助，以及匿名审稿专家和山东国土资源编辑部同志对文章出刊做出的积极努力。

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Sequence Stratigraphic and Characteristics of Carboniferous and Permian Coal Accumulation in Pengzhuang Area of Shandong Province

YIN Tiantao1,2,3,LI Shoujun2,3, ZHAO Xiuli2,3, YUAN Liyuan2,3

(1.Shandong Geological Prospecting Institute of China Chemical Geology and Mine Bureau，Shandong Jinan 250013，China；2．College of Earth Science and Engineering，Shandong University of Science and Technology，Shandong Qingdao 266590, China； 3． State Key Laboratory of Palaeobiology and Stratigraphy,Nanjing Institute of Geology and Palaeontology, CAS, Jiangsu Nanjing 210008, China)

Accompanying with dividing international Permian into three series, as the needs of further exploration of coal resource in southwestern Shandong province，the correlation between the internal stratigraphy characteristics and the characteristics of the coal accumulation should be defined. Through drilling cores analysis, combining with drilling data, by using the principle of the sequence stratigraphy, setting Pengzhuang coal mine in Shandong province as an example, Carboniferous and Permian sequence stratigraphy has been studied, and the characteristics of the coal accumulation have been analyzed. Two types sepuence boundries have been determined. Carboniferous and Permian strata in this area have been divided into three third-order sequences. S1 is equivalent to the upper part of Taiyuan formation, S2 is equivalent to Shanxi formation, and S3 is equivalent to the lower part of Shihezi group. S1 is mainly shallow lacustrine-swamp and tidal-flat facies with poor sources. S2 is mainly composed of stream channel facies, peat swamp facies, mouth bar facies in the lower delta plain facies with rich sources. The coal accumulation occurred mainly in the early transgression. It will be better in the last transgression. S3 is mainly the upper delta plain facies and no coal bed.

Characteristics of coal accumulation; sequence stratigraphic framework; Carboniferous-Permian; Pengzhuang area of Shandong Province

2015-09-22；

2016-06-21；编辑：王敏

中国科学院南京地质古生物研究所现代古生物学与地层学国家重点实验室开放课题(编号：123104) 作者简介：殷天涛(1983—)，男，山东临朐人，工程师，主要从事沉积学方面的科研与工作；E-mail：derek0408@163.com

P618.11

A

殷天涛，李守军，赵秀丽，等.山东彭庄石炭-二叠纪层序地层及聚煤特征[J].山东国土资源，2016,32(12)：25-29.YIN Tiantao,LI Shoujun, ZHAO Xiuli, etc. Sequence Stratigraphic and Characteristics of Carboniferous and Permian Coal Accumulation in Pengzhuang Area of Shandong Province[J].Shandong Land and Resources, 2016,32(12)：25-29.