陕北佳县石炭-二叠系层序地层研究

张文轩，权新昌，王永军，崔辽辽，钟红利，王晓静，何文龙，张志沛

(1.陕西省一三九煤田地质水文地质有限公司，陕西 渭南 714000； 2.西安科技大学，西安 710054)

层序地层学是研究以不整合面或与之相对应的整合面为边界的年代地层格架中具有成因联系的地层的科学，其研究成果在煤田、油气勘查中得到了广泛的应用。到目前为止，虽然前人对鄂尔多斯盆地的石炭—二叠纪煤系层序地层学研究比较多，但对佳县地区的石炭—二叠纪煤系层序地层学研究较少，因此有必要对该区域石炭—二叠纪煤系层序地层学进行研究和探讨。本文通过对佳县区内SY04、SP05、SP07、SY07、3404、3006等六个深孔岩心沉积相以及高分辨层序地层特征的研究，对其沉积环境的演化及相变特征进行分析，在石炭-二叠系层中划分出了21个四级层序，组合为21个层序组、6个复合层序，并论述该地区石炭-二叠系层序地层的特征。

1 深部石炭-二叠系沉积环境

该地区石炭-二叠系以及沉积环境特征[1-3]如下：

(1)上二叠统石千峰组(P3s)：为棕红、紫红及紫灰色较厚砂质泥岩与泥质砂岩互层。最薄处195m，最厚处276m，平均厚度有217m。石千峰组沉积时气候全面转变为炎热干燥特点，沉积物除砂质泥岩颜色略浅外，其余均以紫红、砖红或杂红色为主调，沉积物整体为粗-细的组合。

(2)中二叠统上石盒子组(P2sh)：以灰绿、紫棕、灰褐、棕褐色泥岩和粉砂岩、粉砂质泥岩为主。局部含有少量暗色泥岩、粉砂质泥岩。最薄处厚度为147m，最厚处为239m，平均厚度为182m。上石盒子组沉积为三角洲前缘、滨湖环境-三角洲平原环境。这一阶段气候逐渐干燥，上石盒子组泥岩多半呈现紫褐-紫棕色，灰绿-黄绿色岩层自下而上明显减少。沉积物粒度由2-3个粗-细的正旋回层序组成。

(3)中二叠统下石盒子组(P2sh)：为灰绿色、棕红色厚层砂岩与薄层泥岩互层为主，且互层以不等厚为特点。最薄处为75m，最厚处厚度达到107m。下石盒子组沉积为三角洲前缘砂体-分流间湾沼泽泥炭-河漫滩环境。气候温湿程度明显降低，表现在泥质沉积物中颜色普遍变浅，大多以灰绿、灰黄为主，并夹有少量显示短暂干燥气候的棕色泥质岩。下石盒子组沉积物整体呈粗-细多个反旋回组成。

(4)下二叠统山西组(P1s)：以灰黑色炭质泥岩为主，厚层状砂岩与煤层、煤线互层。最薄处70m，最厚处可达94m，平均厚度为79m。上段不含煤，以灰黑色炭质泥岩及厚层状砂岩为主；下段含煤，含1#—3#煤；以灰黑色炭质泥岩及厚层状砂岩与煤层、煤线互层为主。山西组下部为二叠世早期三角洲平原—沼泽及三角洲前缘间湾沼泽环境为主，因而煤岩沉积较普遍，而山西组上部沉积时已进入三角洲前缘—湖泊沉积环境，气候略转干燥，煤层薄，分布范围小。

(5)下二叠统太原组(P1t)：为灰白、浅灰块状含砾石英砂岩，灰黑、深灰色泥岩，炭质泥岩，煤层的不等厚互层，中上部常夹微晶灰岩，常见黄铁矿结核及菱铁矿薄层，层理特征以水平层理和平行层理为主。太原组最厚处厚度达到54m，一般为82m。根据岩性特征，太原组可分为二段，上段以灰黑色炭质泥岩为主，厚层状砂岩与煤层、煤线互层为主，含4#—7#煤；下段以灰黑色炭质泥岩为主，厚层状砂岩与煤层、煤线互层为主，含8#—10#、11#煤。太原组沉积以温暖潮湿气候为主，因而沉积物中除煤岩较发育外，其泥质岩也多以有机质含量丰富的暗色炭质泥岩或黑色泥岩为主。沉积物呈现粗-细交替。煤系及主煤层是石炭—二叠系的重要标志性沉积物，为温暖潮湿气候的见证。

(6)上石炭统本溪组(C2b)：以铝土质泥岩、灰岩、中粗粒砂岩为主。总体来看自东向西慢慢变薄，研究区除了3006孔外，其余各孔并未钻穿本溪组，一般只钻进本溪组20多米。3006孔处，本溪组厚度为44.6m。本溪组沉积时，早期为浅海陆棚环境，后期转变为潮上带、陆上环境。钻遇的本溪组整体呈反旋回，下部泥晶灰岩，上部为粉砂岩、铝土质岩。

2 层序关键界面的识别与层序划分

层序的关键界面是控制层序划分的依据，主要包括层序界面、海侵面、最大海泛面等，而海泛面也是层序地层学研究中十分重要的成因地层界面，从各种岩层所形成的沉积环境看，主要灰岩、区域分布的厚煤层、沉积旋回结构的反转等几种类型的特征岩层或岩层组合代表了所在地层序列沉积时达到了最大洪泛。

本文从沉积环境的演化及相变特征分析，在石炭-二叠系中划分出了21个四级层序，组合为21个层序组、6个复合层序[4-7]。

3 石炭-二叠系层序地层的特征

通过前述六个钻孔的层序地层分析，其石炭-二叠系层序地层特征如下：

(1)晚石炭世层序地层(复合层序Ⅰ)特征。主要包括本溪组，为一海平面逐渐上升到最大的沉积过程。研究区晚石炭世为陆表海沉积，地形极为平坦，河流不发育。复合层序Ⅰ的底界为中奥陶统顶的平行不整合面，底部普遍发育一层紫红色褐铁矿(“山西式铁矿”)，一层铝土岩(“G层铝土”)。铝土岩层位稳定，但厚度变化较大。向上为灰-深灰色粉砂岩、砂岩、泥岩及灰岩1～2层。复合层序Ⅰ由海侵层序组和高位层序组组成，其中海侵层序组为海平面逐渐升高过程的沉积(见图1)。

复合层序Ⅰ沉积期间，华北地台在经历了长达近1亿年的风化剥蚀后，进入沉降阶段。海侵层序组为澙湖相的粉砂岩、铝土质泥岩。高位层序组发育澙湖潮坪相的泥岩、铝土质泥岩和砂岩、碳酸盐陆棚相灰岩。其中灰岩及其相当层位代表了本层序的最大海泛面沉积。

(2)早二叠世早期层序地层(复合层序Ⅱ)特征。主要包括太原组，由煤层、灰岩、粉砂岩和砂泥岩组成。其沉积相旋回结构主要为泥炭沼泽相向上演化为碳酸盐岩陆棚相、障壁砂坝相及澙湖沼泽相，构成了多个完整的次级海进-海退沉积序列，其底界位于11#煤层的底部(见图1)。

复合层序Ⅱ表现为向上为多个煤层-灰岩-砂泥岩旋回，表明海水的多次进退，形成多个煤层-石灰岩-砂泥岩的旋回，而每一个这样的旋回组成了一个四级层序。由于海侵时海水到达的次数较少，淹没时间比较短，因此所形成的灰岩层数较少，厚度较薄。南部地区灰岩厚度较大，发育范围也较广泛，代表整体海退过程中的一次规模较大的海侵，北部地区灰岩厚度较小，发育范围也较小，代表了规模较小的海泛。

复合层序Ⅱ包括海侵层序组和高位层序组，海侵层序组位于研究区煤层和灰岩发育的层段，底界为海侵方向的转换面，为该三级层序底界面。向上为多个煤层-灰岩-砂泥岩旋回结构，岩性有煤层、炭质泥岩、灰岩、粉砂岩和砂岩。沉积环境从泥炭沼泽相向上演化为碳酸盐岩陆棚、障壁砂坝相及澙湖相，从而构成了若干个完整的海进-海退沉积序列。煤层和灰岩的厚度不等，平面分布也不稳定，在垂向上表现为退积到弱的加积。高位层序组主要由泥岩、粉砂岩和薄煤层组成，在垂向上表现为加积至弱的进积，是在整体海退的过程中形成的。

(3)早二叠世晚期层序地层(复合层序Ⅲ)特征。主要包括山西组，从底部北岔沟砂岩底界到下石盒子组底部骆驼脖子砂岩底界，本层序发育低位层序组、海侵层序组、高位层序组。下部主要为三角洲沉积，为一套向上变细的砂岩组成；中部主要为分流间湾沉积的泥岩、薄层细砂岩和煤层组成；上部主要为三角洲间湾沉积，高位体系域为分流间湾的含砂泥岩。北岔沟砂岩为河道下切充填可作为低位沉积，该区4#煤层为该层序中相对最厚、分布最广的煤层，可作为最大海泛阶段的产物(图2)。

(4)中二叠世早期层序地层(复合层序Ⅳ)特征。主要包括下石盒子组的层位，层序Ⅳ界面为下石盒子组底部骆驼脖子砂岩，该层砂岩在华北地台上稳定发育，岩性为中粗粒含砾砂岩，底部有冲刷面发育，将其作为本层序低位层序组的下切谷沉积。海侵层序组以泥岩、粉砂质泥岩等细粒沉积为主。高位层序组以中细粒砂岩、粉砂岩、砂质泥岩等为主，整体表现为向上变粗的沉积序列，反映该地区地壳抬升速率明显降低，在末期开始下降，演变为三角洲平原环境，分流河道与间湾，以及泛滥盆地并存。该层序的顶界则为其顶部的“桃花泥岩”的顶面(图3)。

(5)中二叠世晚期层序地层(复合层序Ⅴ)特征。主要包括上石盒子组， 以三角洲相的层序为特征，由低位层序组、海侵层序组和高位层序组构成。低位层序组以泥岩和粉砂岩为主，属于下切谷充填沉积非常发育的低位体系域。在低位层序组中每个旋回都由发育交错层理且底部具有冲刷面的河道砂岩和其上部的紫红色泥岩和粉砂岩组成；海侵层序组主要由紫红色泥岩、泥质粉砂岩、细砂岩组成；高位层序组以典型的向上变细的旋回为特征，每个旋回的下部为发育冲刷面及交错层理的河道砂岩。该层序在全区以多个向上变细的河流沉积旋回为特征(图4)。

图1 佳县地区本溪组和太原组层序对比图Figure 1 Correlation of Benxi and Taiyuan formations stratigraphic sequences in Jiaxian area

图2 佳县地区山西组层序对比图Figure 2 Correlation of Shanxi Formation stratigraphic sequences in Jiaxian area

图3 佳县地区下石盒子组层序对比图Figure 3 Correlation of Xiashihezi Formation stratigraphic sequences in Jiaxian area

图4 佳县地区上石盒子组层序对比图Figure 4 Correlation of Shangshihezi Formation stratigraphic sequences in Jiaxian area

(6)晚二叠世层序地层(复合层序Ⅵ)特征。主要包括石千峰组，由低位层序组和湖侵层序组和高位层序组成。层序底部稳定发育一套中、细砂岩，为K8砂岩，属于低位期的下切谷沉积。从研究区钻孔沉积相及层序地层对比的结果看，岩性主要为紫红色、暗紫色中细粒砂岩、泥质粉砂岩及泥岩。底部以叠置的厚层含砾砂岩为特征，代表低水位期的沉积，向上属于三角洲前缘砂体-分流间湾-河漫滩相，代表着河流泛滥盆地基准面抬升期的沉积，属于湖侵层序组沉积(图4)。

图5 佳县地区石千峰组层序对比图Figure 5 Correlation of Shiqianfeng Formation stratigraphic sequences in Jiaxian area

4 结论

(1)从沉积环境的演化及相变特征分析，对佳县石炭-二叠系地层中划分出了21个四级层序，组合为21个层序组、6个复合层序。

(2)佳县地区石炭系包括复合层序Ⅰ，主要包括本溪组，为一海平面逐渐上升到最大的沉积过程。华北地台在经历了长时间的风化剥蚀后，进入整体沉降阶段，海侵层序组为澙湖相的粉砂岩、铝土质泥岩。高位层序组发育澙湖潮坪相的泥岩、铝土质泥岩和砂岩、碳酸盐陆棚相灰岩。灰岩及其相当层位代表了本层序的最大海泛面沉积。

(3)佳县地区二叠系层包括复合层序Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ，其中：复合层序Ⅱ主要包括太原组层，由海侵层序组和高位层序组组成，表现为向上为多个煤层-石灰岩-砂泥岩旋回。复合层序Ⅲ主要包括山西组层，由低位层序组、海侵层序组、高位层序组组成，为三角洲平原沉积环境，发育分流河道及分流间湾沼泽等。复合层序Ⅳ主要包括下石盒子组，由低位层序组、海侵层序组和高位层序组组成，为三角洲前缘沉积环境，

转化为三角洲平原环境，分流河道与泛滥盆地并存。复合层序Ⅴ主要包括上石盒子组，由低位层序组、湖侵层序组和高位层序组组成，以多个向上变细的河流沉积旋回为特征。复合层序Ⅵ主要包括石千峰组层，由低位层序组、湖侵层序组和高位层序组组成，以多个向上变细的河流沉积旋回为特征。

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