菏泽地区含煤地层基准面旋回与成煤作用研究

梁吉坡，王薇，李杨，金彪

(1.山东省地质科学研究院，国土资源部金矿成矿过程与资源利用重点实验室，山东省金属矿产成矿地质过程与资源利用重点实验室，山东 济南 250013；2.江苏煤炭地质物测队，江苏 南京 210046；3.临沂市国土资源局兰山分局，山东 临沂 276000)

0 引言

高分辨率层序地层学是近年来新兴起的一门学科，其理论与研究方法在海相地层研究中取得了较好的成果，并得到国内外地质学家认可[1- 3]。其在陆表海背景下的海陆交互型含煤沉积地层的应用[4- 19]，为研究含煤盆地充填史和成煤史奠定了科学理论基础。现今，鲁西南地区尤其是菏泽地区，已成为我国重要的后备煤炭资源基地，研究该地区的成煤作用，摸清煤炭资源聚积和赋存情况，对今后在该地区开展找煤工作意义重大[19- 21]。

该文运用高分辨率层序地层学的一些基本原理和分析方法，利用菏泽地区多个煤田的钻井和测井资料，通过对石炭—二叠纪煤系研究分析，建立高分辨率层序地层格架，确立基准面旋回及其变化对煤系盆地演化、地层结构、旋回叠加、沉积体系类型的控制作用，论述该地区含煤地层基准面旋回理论与成煤作用之间的关系。

1 地质背景

研究区行政区划属于菏泽市，其位于山东省西南部，与江苏、河南、安徽三省接壤。大地构造位置位于华北板块(Ⅰ)鲁西南隆起区(Ⅱ)，部分位于临清坳陷(Ⅱ)[7]。菏泽地区地层区划属华北地层区鲁西地层分区菏泽- 济宁地层小区。地层自老到新有太古界泰山岩群；古生界震旦系、寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系；中生界侏罗系；新生界古近系、新近系、第四系。

2 高分辨率层序界面识别

研究区前期开展了大量的煤炭勘查和研究工作，物探、钻井资料丰富。该文主要选取了菏泽地区单县煤田、曹县煤田多个钻井的岩心及测井资料，来研究分析该区的高分辨率层序界面和划分方法。

2.1 区域性海退事件界面

该界面规模大，可与全盆地区域海退事件相对比。以此界面为区分，其上、下两套沉积组合性质完全不同，沉积体系(体系域)形成的控制机制有着本质的不同，盆地体制也发生了根本改变。其主要表现即界面以上不再是陆表海盆地沉积。原因即受构造活动影响，导致华北陆表海的相对海平面短时间周期内大幅度下降，华北聚煤盆地南、北升降差异加大，海水南退直至全部退出盆地，最终使聚煤盆地环境及地理景观发生改观。区域性海退事件界面在华北聚煤盆地内部实质上是一种沉积上的间断面，其上部出现了以陆相沉积为主的沉积组合，海平面变化不再直接控制和影响华北盆地沉积[4- 6]。

2.2 最大海退事件界面

该界面是陆表海盆地背景下的三级海退事件界面，其海平面频繁迁移，海陆不断交替。该界面上、下的沉积组合具有较大的相似性，界面往上可能不是全盆地的终止面。实际上，这类界面也代表了一种短暂的沉积间断，界面附近往往发育具潜力或有区域对比意义的沉积矿床层位(煤层或其他沉积矿产)。该类界面一般是广泛的沼泽泥炭化事件终止标志，其后新的海侵开始。这种三级海退事件界面既是高水位体系域和海进体系域的转换界面，表征为一个高水位体系域的顶界面，也是层序划分的一个标志性界面[9，12]。

2.3 构造应力场转换面

该界面在盆地沉积上表现为沉积体系(体系域)的转换面，是由于构造运动发生改变，导致构造应力场出现转换而产生的界面。该界面在盆地较大范围尤其盆地内部主要表现为整合面，而在盆缘则表现为侵蚀或冲刷面[9，12]。

2.4 盆地区域性不整合面

该界面是划分层序地层的典型界面，一般伴随区域性构造活动事件出现，有时与构造层序界面一致[9，12]。该界面一般表现为全盆地范围发育的不整合面和假整合面，而在华北地区，普遍存在于石炭—二叠系与奥陶系之间的假整合面，是地史上一个长期间断面。这一界面在鲁西地区也十分清楚。

根据上述资料分析，现将菏泽地区石炭—二叠系沉积划分为超长期、长期、中期和短期4个级别的地层旋回(表1)：2个超长期旋回层序SLSC1,SLSC2(相当于陆表海盆地构造旋回和稳定背景下近海内陆河湖盆地构造旋回)，5个长期基准面旋回(LSC1,LSC2,LSC3,LSC4,LSC5)，12个中期基准面旋回(MSC1,MSC2,MSC3,……,MSC12)，30多个短期基准面旋回。先将各级基准面旋回分析如下。

表1 菏泽地区石炭—二叠系高分辨率层序划分与岩石地层对比关系

3 基准面旋回划分与对比

3.1 短期基准面旋回划分与对比

通过选取菏泽地区多个钻井资料对比分析，短期基准面旋回表现形式包括对称型和非对称型。对称型(C型)旋回主要发育于浅湖、潮汐三角洲和泻湖等三类沉积环境中(图1)。此类旋回中，地层层序即保有较完整的基准面上升半旋回的沉积记录，同时也保有下降半旋回的沉积记录。C型旋回一般以洪泛面为界，其上下两侧的沉积模式有对位相似性又有所差异。如图1所示，钻井岩心资料揭示沉积序列对称型结构，其变化特征为先变深后变浅，粒序由粗变细复变粗[8]。此类层序都形成于可容空间增长速率与沉积物供给通量比值A/S≥1→A/S>1的高可容纳空间沉积条件下。

非对称型(A型)旋回主要发育在物源供给比较充沛的沉积环境中。此类型旋回中，地层层序中仅保有基准面上升半旋回，下降半旋回遭受侵蚀冲刷[8]。A型旋回其沉积序列具有向上变深的非对称旋回结构，层序的顶、底界面都以冲刷面为显著特征。在菏泽地区陆表海沉积萎缩阶段的山西组沉积期，以发育河控浅海三角洲为主，该沉积环境中物缘供给充沛，多发育此型旋回(图2)。

非对称型(B型)旋回主要发育在海陆交互型沉积环境中。此类旋回正好与A型旋回相反，地层层序中仅保有基准面下降半旋回，上升半旋回则遭受侵蚀冲刷[8]。B型旋回一般以突发性海侵面和冲刷界面为界，主要特征为其沉积序列始于浅海碳酸盐沉积末期，到潮坪泥炭沼泽沉积结束为止，其间海相、陆相沉积交替出现，构成多个旋回，旋回有一定差异但差别不大[8]，该区此类旋回多为向上变浅的非对称型旋回(图3)。

图1 浅湖相对称型(C型)旋回(ZK1- 1、WZK6孔)

图2 河道充填—泛滥平原非对称型(A型)旋回(CZK9- 2，QZK15孔)

图3 台地—砂坪不对称型(B型)旋回(ZK5- 3,QZK1孔)

3.2 中期基准面旋回划分与对比

研究区中期基准面旋回时间跨度大，一般0.5～1.0Ma；厚度范围变化明显，一般数十米至上百米。中期旋回大多数为长期旋回的次一级产物，通常具有比较完整的水(海、湖)进—水(海、湖)退结构，一般由数个在岩性、岩相和旋回结构上相似的短期旋回层序叠加而成。中期旋回层序等时对比特征明显，在沉积演化序列中，一次较大幅度的水进—水退过程形成的中期旋回层序，也是一次由加积到退积作用形成的较完整地层旋回过程。

在对研究区短期基准面旋回对比分析的基础上，确定了弱退积- 加积型、弱进积- 加积型、进积型等3类中期基准面旋回[9]。

3.2.1 弱退积- 加积型基准面旋回

根据区内钻井资料，该类型旋回多位于研究区太原组的顶部，其垂向数个短期旋回有弱退积、加积样式但以加积为主，但总体叠加后表征出退积样式(图4)。根据图示该中期旋回的岩性特征，砂岩层数多泥岩相对少，砂岩厚度不一但个别厚度较大，粒度较粗，总体呈现砂岩向上厚度变小、粒度变细态势。此类旋回主要发育于三角洲、潮坪、障壁- 泻湖交互沉积体系中，以障壁- 泻湖沉积体系为主，该类中期旋回可容空间增长速率与沉积物供给通量比值(A/S)略小于1[18]，在总体变化不大的情况下，比值向上有增大的趋势。

图4 ZK5- 3孔弱退积- 加积型中期基准面旋回

3.2.2 弱进积- 加积型基准面旋回

该类型旋回多位于研究区的太原组中，其垂向短期旋回有弱进积、加积样式也以加积为主，但总体叠加后表征出进积样式(图5)。根据图示该中期旋回的岩性特征，单层砂岩厚度大泥岩较薄，砂岩粒度总体较细但呈现向上变粗现象，单层泥岩厚度薄，上部显示出现泥炭沼泽化。此类旋回主要发育于三角洲、潮坪、障壁—泻湖、潮汐三角洲交互沉积体系中。该类中期旋回A/S比值则呈现总体向上减少趋势，揭示当时海水平面出现间歇性下降。

图5 CZK13- 1孔弱进积- 加积型中期基准面旋回

3.2.3 进积型基准面旋回

该类型旋回多位于研究区山西组，其垂向短期旋回退积较少以加积为主，所以总体叠加呈现出进积样式(图6)。根据图示该中期旋回的岩性特征，砂岩层数多，砂岩厚度较厚，岩石粒度较粗，泥岩较少。该类型旋回沉积环境由三角洲沉积向陆相沉积过渡，由海陆交互相沉积晚期海水退出成煤盆地转变为陆相沉积。该类中期旋回A/S比值同样总体向上减少。

图6 CZK13- 1孔进积型中期基准面旋回

3.3 超长期、长期基准面旋回划分与对比

在短期基准面旋回的识别以及叠加中期旋回的基础上，进一步识别和划分长期基准面旋回。通过分析对比，区内共确定了12个中期旋回和超过30个短期旋回，根据中、短期旋回相似相近性特征，划分出5个长期基准面旋回，单个长期旋回一般由2～4个中期旋回组成，并将这5个长期旋回归并入2个超长期基准面旋回(表1)。长期基准面旋回变化周期更长，其基准面变化与A/S比值变化和盆地成煤作用关系密切，这种长周期的基准面变化预示着盆地演化时间久远，有利于较强的成煤作用发生。研究区2个超长期基准面旋回，代表了2种不同的沉积环境，一种是陆表海沉积环境(LSC1，LSC2，LSC3)，也是成煤作用有利阶段；另一种是陆相河湖沉积环境(LSC4，LSC5)，是成煤作用不利阶段。

(1)LSC1旋回：研究区石炭—二叠系的底部旋回，旋回底界上覆于奥陶系，呈平行不整合(假整合)接触；旋回顶界为十一灰的底和17煤层的顶接触层位，LSC1旋回顶界就是一种最大海退事件界面(图7)。该旋回沉积体系为晚古生代陆表海盆地形成早期时的充填沉积，由对称型的中期基准面旋回MSC1和MSC2组成，该长期旋回为上升半旋回厚度大于下降半旋回的C1型长期旋回结构。由MSC1旋回开始，研究区进入陆表海盆地海陆交互型沉积旋回的重要形成期，鲁西陆表海盆地发生沉降，形成浅海碳酸盐台地—滨岸碎屑沉积，其后开始了长期的含煤沉积期。该长期旋回垂向叠加以加积为主，沉积环境为泻湖、潮坪沉积体系[16]。该阶段沉积环境相对稳定，但沉积厚度较薄，聚煤作用也较弱，只在MSC2旋回后期，研究区大型潮坪沉积体系出现沼泽化，进而形成煤层(17煤层、18煤层)，煤层分布范围广，层位稳定但厚度薄。

图7 LSC1长期基准面旋回沉积响应(QZK4孔)

(2)LSC2旋回：为研究区陆表海海陆交互型煤系的中部旋回，其底界面即为LSC1旋回的顶界面，上部以三灰的底板为顶界面(图8)。该长期旋回由非对称型的中期基准面旋回MSC3和MSC4组成，MSC3的上升半旋回为海侵体系域，最大海泛面出现在十上灰的底界，MSC3的下降半旋回和中期旋回MSC4为高水位体系域。该长期旋回反映出当时大型潮坪沉积体系沼泽化的同时，突发性的海侵事件使泥炭沼泽的发育出现中断，大范围的海侵最终导致厚层灰岩直接覆盖于煤层之上，使得煤层得以保存下来，如十下灰直接覆盖在16煤层之上，九灰在15上煤层之上，七灰在12上煤层之上，六灰在11上煤层之上。

图8 LSC2长期基准面旋回沉积响应(QZK4孔)

(3)LSC3旋回：该旋回以下降半旋回为主，LSC3的底界面为三灰的底界面，顶界面为山西组和石盒子群的分界面。最大海泛面出现在中期基准面旋回MSC5上升半旋回的顶部，即一灰的底部。该旋回是由内陆表海盆地鼎盛发展阶段转换为内陆表海萎缩发展阶段，伴随着陆表海盆地的萎缩，陆表海浅水三角洲不断进积。煤层主要发育在该长期基准面下降旋回的中部，尤其在盆地的湿润低洼地区、分流间洼地，是形成厚煤层甚至巨厚煤层的有利地段，同时由于受河流作用影响，一些分流河道迁移摆动造成该地区的厚煤层在局部区域出现冲刷、变薄或者分叉现象，如单县煤田张集井田、曹县煤田张湾、万楼集等地区的3煤层(3上煤层、3下煤层)[21](图9)。

图9 LSC3长期基准面旋回沉积响应(QZK1孔)

(4)LSC4,LSC5旋回：LSC4旋回和LSC5旋回主要发育在内陆河湖盆地构造演化阶段，与其下的LSC1,2,3旋回构造演化阶段有明显的不同，旋回的结构属对称型，由于广泛的河流冲击作用，基本上不发育煤层(图10)。

在综合分析研究区钻井岩心、测井资料的基础上，通过对研究区钻井高分辨率层序地层开展的基准面旋回的划分，做出了菏泽地区煤系层序地层格架基准面旋回对比图(图11)。可以看出研究区的中短期旋回结构类似，反映出该地区古地形比较平坦，构造沉降较稳定。聚煤作用发生在长期旋回中下降旋回的中晚期，聚煤作用较强，形成大面积分布的厚煤层。

4 基准面旋回与成煤作用研究

通过分析对比区内的超长期、长期、中期和短期基准面旋回特征，结合沉积动力学方法，研究探讨了基准面旋回与成煤作用的关系。该区泥炭沼泽发育以及煤层在多期构造运动后残存保留的层位和分布范围，多发生在不同期次基准面旋回发生转换或者有利成煤的短期旋回叠加部位[6]。

4.1 LSC1旋回与成煤作用

LSC1是由2个中期基准面旋回组成，内部含两层煤，即17煤层与18煤层。17煤层分布较稳定，全区有含煤地层赋存的绝大部范围存在，仅局部缺失，17煤层位于LSC1旋回顶界(图12)；18煤层同样分布较稳定，并且18煤层局部地区存在分叉。结合不同煤层的形成环境及其在基准面位置可以得出，17煤层与18煤层主要形成于障壁海岸环境之中，即泻湖环境之中，主要发育于基准面由快速上升转变为缓慢下降，为典型的水退成煤。

图11 菏泽地区地层格架中长期旋回对比

图12 菏泽地区17煤层对比图

图13 障壁坝环境聚煤模型

图14 菏泽地区16煤层与十下灰等时对比图

图15 潮坪环境聚煤模式图

图16 菏泽地区3煤层对比图

4.2 LSC2旋回与成煤作用

LSC2旋回是陆表海海陆交互型煤系旋回，以17煤层的顶界作为底界面，以三灰的底界面作为顶界面。该旋回的一个明显特征，就是多层煤层直接为灰岩(海侵层)所覆盖，如16煤层顶板为十下灰(图13)，类似的还有九灰与15上煤层、七灰与12上煤层、六灰与11上煤层等。根据李增学等[12]研究有关鲁西太原组煤层形成机制成果，16煤层的形成是由于当时突发性海侵导致巨大的潮坪沉积体系迅速为海水倾覆且形成深水环境，原先在潮坪体系下的沼泽泥炭堆积得以保存，最终成煤，也就是“海侵事件成煤”(图14、图15)。

4.3 LSC3旋回与成煤作用

不同于LSC1、LSC2旋回，LSC3旋回海侵作用减弱，影响距离和范围逐渐减小，形成对比的是浅水三角洲的进积作用增强，成煤作用受河流作用的影响也开始明显。区内大型复合型三角洲沉积体系大范围发育，通过成煤作用，形成了厚度大、分布较稳定的煤层，这也是菏泽地区最具工业价值的煤层赋存层位[20]。LSC3旋回中煤层形成时，海平面由快速上升到减缓上升，再转为缓慢下降，随着海岸线的迁移加上进积作用影响，菏泽地区暴露范围大，泥炭沼泽化范围广。陆域面积的扩大，成煤作用逐渐增强，沉积体系的顶部单元则成为厚煤层(3煤层)聚集的有利部位(图16)。

5 结论

(1)通过对菏泽地区石炭—二叠系高分辨率层序地层研究，将含煤地层划分为2个超长期基准面旋回(SLSC1,SLSC2)，5个长期基准面旋回(LSC1,LSC2,LSC3,LSC4,LSC5)，12个中期基准面旋回(MSC1,MSC2,MSC3,……,MSC12)，以及30多个短期基准面旋回。

(2)根据基准面变化特征，将短期基准面旋回划分成非对称型(A型、B型)旋回和对称型旋回(C型)。将中期基准面旋回划分成弱退积- 加积型、弱进积- 加积型、进积型3种类型，基于此进一步完成长期和超长期基准面旋回划分。

(3)成煤作用与基准面旋回的变化有着密切的关系，LSC1旋回形成于障壁环境中，煤层位于长期旋回的顶部，是典型的水退成煤，LSC2旋回形成于潮坪环境中，是典型的内陆表海海陆交互型旋回，突发性的海侵使泥炭沼泽的发育中断，大范围的海侵最终导致厚层灰岩直接覆盖于煤层之上，使得煤层得以保存，为海侵事件成煤；LSC3旋回形成于陆表海浅水三角洲沉积环境中，煤层主要发育在长期基准面下降旋回的中部，尤其在盆地的湿润低洼地区、分流间洼地，易形成厚煤层甚至巨厚煤层，而在受分流河道迁移摆动作用的地区，厚煤层会出现分叉现象。LSC4旋回、LSC5旋回由于广泛的河流冲击作用，基本上不发育煤层。

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