黄河北地区晚古生代岩相古地理与煤系烃源岩发育

王怀洪，尹露生，朱裕振，王东东，周明磊，张心彬，沈立军

(1.山东省煤田地质规划勘察研究院， 济南 250104；2.山东科技大学地球科学与工程学院，山东青岛 266590)

0 引言

黄河北地区位于鲁西北地区，地跨东阿、长清、齐河、历城、高唐、禹城、济阳7县[1]。东起卧牛山断层与章丘煤田分界，西至刘集断层，与阳谷—茬平煤田相邻，南起煤系底界露头，北至齐广断层，面积约2 279km2，累计查明煤炭资源储量281 181.6万t[2]，是鲁西重要的煤炭生产基地，同时也是山东重要的后备能源基地之一，被列入国家煤炭资源规划区[3]。近年来，陆续在黄河北地区晚古生代煤系中发现了煤层气[4-6]和页岩气资源[7-8]以及富铁矿[9-11]，使得黄河北地区矿产资源的发育、赋存(富集)条件变得更加复杂。重新梳理研究区晚古生代的沉积环境及其对煤系烃源岩(煤层、泥页岩等)发育与分布的控制作用，是后续多矿产共生共存研究的基础。因此，本文重新梳理、研究了黄河北地区晚古生代煤系的沉积相发育、展布与演化特征及其对煤系烃源岩发育与分布的控制作用，为多矿产共生共存后续研究服务。

1 地质背景

黄河北煤田位于山东鲁西北黄河流域的鲁中台背斜西北缘，济阳坳陷西南部，处于台背斜的过渡带。含煤地层为一平缓单斜构造，地层走向N50°E，倾向N40°W，倾角5°～8°[12-13]。地层的倾角较平缓，煤田内次一级褶曲发育，沿地层走向发育一组短轴状、轴向北东向的背向斜，均属规模小的波状起伏(图1)。

研究区地层划分为华北地层区鲁西分区的一部分，石炭、二叠纪煤系假整合于中奥陶统石灰岩之上[12]。石炭-二叠纪煤系地层则被相当厚的第四系、新近系所覆盖，成为隐蔽煤田。区内缺失志留系、泥盆系、下石炭统。石炭-二叠系主要为本溪组、太原组、山西组以及石盒子组，煤层主要分布在太原组和山西组。太原组顶界为一灰的顶界面，底界为徐家庄灰岩的底界面，厚度150～175 m。太原组主要含有煤层9层，为煤6～煤14等煤层。上段夹一灰、二灰，两层灰岩间赋存6、7、8煤层组成的煤组；中段下部为三灰、四灰、五灰，不含煤，上部含9、10两层煤；下段含11～14煤层。山西组也是本区重要含煤地层之一，该组厚100～150m，含煤5层，其中局部可采煤层1～2层。

图1 黄河北地区地质构造图Figure 1 Geological and structural map of Huanghebei region

2 岩相古地理

2.1 沉积相识别与划分

前人研究发现黄河北地区晚古生代石炭-二叠纪海相、 陆相和过渡相环境均有发育(表1)。鲁西晚古生代的沉积环境为下部以障壁-潟湖体系为主，中部以三角洲沉积体系为主，上部以河流-湖泊沉积体系为主体的沉积体系演变序列。随着时间的推移，陆表海盆地逐渐消亡，海水南退，南北升降差异明显，在平面上由南向北大致上分布的陆表海环境、过渡环境和大陆环境。黄河北煤田煤层主要是晚古生代陆表海环境形成的，其7煤与10煤主要形成于太原组地层中，为滨海的潮坪泥炭沼泽沉积形成，为海侵成煤[12]，煤层分布较广泛，含有中高硫分，但是煤层较薄，7煤和10煤的顶板主要为泥岩、粉砂质泥岩和粉砂岩，为潟湖或潮坪沉积，有利于煤层气的保存。

表1 黄河北含煤区石炭-二叠系沉积体系类型划分[14]

黄河北煤田石炭-二叠系沉积环境演化是从浅海相沉积到过渡相沉积再到陆相沉积[14]，主要发育的沉积体系是潮坪沉积体系、障壁-潟湖沉积体系、河控浅水三角洲沉积体系和河流-湖泊沉积体系。其中潮坪沉积体系、障壁-潟湖沉积体系主要发育在本溪组和太原组；河控浅水三角洲沉积体系主要发育在山西组；河流-湖泊复合沉积体系发育在下、上石盒子组，是陆相沉积环境的产物。

2.2 沉积体系特征

2.2.1 大型潮坪沉积体系

在研究区潮坪沉积中识别出了潮道(包括潮渠、潮沟)、砂坪、泥坪、砂泥混合坪、潮汐砂脊、潮坪沼泽、潮坪泥炭沼泽等成因相。其中潮道和潮沟、砂泥混合坪发育最好，其次为潮坪沼泽和潮坪泥炭沼泽。黄河北煤区潮坪沉积体系的潮道沉积充填序列的一次充填沉积过程是一个物理沉积作用强度逐渐变弱的演化过程。混合坪相是研究区内最常见的潮坪沉积类型，在研究区的各个小层序中几乎都可见到砂泥混合坪沉积组合(图2)。潮坪沼泽及潮坪泥炭沼泽是在陆表海总体背景下不断受到海水侵袭的沼泽环境，它在沼泽发育、发展至成煤的各阶段均受到海平面变化的控制。潮坪沉积体系在广大范围内是一个独立的系统，有潮汐水道网存在，为成煤提供了必要的前提条件，更重要的是为成煤提供了比较理想的聚煤场所[15-16]。其中泥坪、沙泥混合坪以及潮坪泥炭沼泽沉积物质较细，有机质含量较高，是页岩气较为有利的发育相带。

图2 黄河北地区砂泥混合坪相沉积组合Figure 2 Sand-mud mixed tidal flat facies sedimentary association in Huanghebei region

2.2.2 障壁-潟湖沉积体系

障壁-潟湖沉积体系处在海洋和大陆相连的部位，是碎屑滨岸环境重要组成部分，主要的水动力条件是潮汐作用。研究区的障壁-潟湖沉积体系比较发育。研究区晚古生代聚煤盆地是受限陆表海盆地，障壁-潟湖沉积环境是陆表海盆地中比较靠近海盆的一个重要沉积环境组成部分。主要由四个沉积成因相组合组成：障壁砂坝(障壁岛)、潟湖相、潮汐三角洲相、障壁滩(障壁潮坪)相。

障壁砂坝中的砂岩成分成熟度和结构成熟度一般比较高，具有比较典型的向上变粗或向上变细的沉积层序(图3)。潟湖是以障壁砂坝为屏障，与广海隔绝或半隔绝的水流不畅通浅水环境，它的分布位置极其多变。潮汐三角洲是一种特殊的成因相的组合，在研究区的上石炭统发育大型的潮汐三角洲沉积组合序列。障壁坪位于障壁砂坝向潟湖的一侧，为一宽缓的略带坡度的斜坡地带。障壁滩(坪)是最先演变为沼泽的区域，在沉积平面上植物根和叶化石比较多，因而是一个良好的聚煤场所。由于潟湖的水动力条件较弱，加之沉积物粒度较细，水体有效隔绝氧气，避免有机质氧化，有机碳含量较高，并且潟湖环境在研究区广泛发育，是形成页岩气母质的重要相带之一。

图3 黄河北地区障壁-潟湖沉积充填序列组合Figure 3 Barrier-lagoon sedimentary filling sequenceassociation in Huanghebei region

2.2.3 河控浅水三角洲沉积体系

研究区主要发育的成因相是分流河道相、决口扇相、决口三角洲相、废弃的分流河道相、天然堤相、分流间洼地相、分流间沼泽或泥炭沼泽相、堤外越岸沉积相。上三角洲主要发育分流河道，它构成了上三角洲的骨架部分，在研究区非常发育，尤其在山西组表现最为明显(图4)。研究区的下三角洲平原沉积组合主要由分流间湾、河口砂坝、远砂坝、前缘席状砂和前三角洲泥等沉积相组成。

图4 黄河北地区废弃分流河道相沉积Figure 4 Abandoned distributary channel faciessediments in Huanghebei region

分流间洼地或分流间泛滥平原基础上发展而成的分流间沼泽，虽然河水注入该区，但覆水深度较浅，植物茁生，是形成泥炭沼泽重要场所。纵向上主要由含有机质的暗色黏土岩、砂质泥岩以及炭质泥岩和煤层等组成，含有暴露构造的根土岩，含植物根茎化石，形成的泥页岩分布范围广，厚度较大，有机碳含量较高，是较好的页岩气母质发育区。

2.2.4 河流-湖泊复合沉积体系

河流-湖泊复合沉积体系是大规模海退事件之后形成的陆相河流-湖泊充填沉积序列(图5)。研究区河流-湖泊复合沉积体系主要包括下列成因相：河床滞留相、越岸相、边滩相、堤岸相、决口扇相、河漫滩相、洪泛平原相、河漫滩沼泽相、河道充填相组合、河漫湖泊相等。在该体系中，煤层不发育。

图5 黄河北地区河流-湖泊复合沉积体系Figure 5 Fluvial-lacustrine compound sedimentarysystem in Huanghebei region

河道冲刷面上发育河道滞留沉积，主要是滞留砾石，成分比较复杂，多为陆源砾石，还有泥岩和煤块等软岩砾石。堤岸外侧洼地边缘区或支流间洼地边缘，为河道水流在高位或洪水期，水体漫溢越过堤岸形成的堤岸外侧一定范围的沉积。研究区石盒子群及其以上地层发育的边滩沉积则是河流沉积序列的骨架部分，其岩性比较复杂。堤岸相是曲流河沉积组合的主要沉积单元之一，沉积物多为粉砂岩、细砂岩与泥质岩组成的互层。决口扇主要以中-细砂岩沉积物为主，成熟度低，磨圆不好，可见粒序层理，底界具有侵蚀构造。河道充填沉积组合的上部单元，往往出现于边滩组合的上部，沉积作用过程类似于漫滩流作用。河漫沼泽是在漫滩或河漫湖泊或洪泛平原上发展而成，沉积物以细粒及泥质为主。河漫湖泊相位于河漫平原的最低区域，以细粒和泥质为主，颜色较浅且杂，可能和长时间暴露或干旱有关。

2.3 岩相古地理特征与演化

黄河北地区晚古生代随华北地台一起接受了一次从晚石炭世开始的大规模海侵，形成了一套以沙泥互层为典型代表的含煤岩系，煤层上下顶底板泥页岩发育，煤层间炭质泥岩、砂泥岩、砂岩互层发育，形成一整套良好的气体储层。黄河北地区石炭-二叠系沉积环境演化是从浅海相沉积到过渡相沉积再到陆相沉积，其中对本区石炭-二叠系储层烃源岩发育有意义的有本溪期、太原期、山西期三个沉积演化阶段。

2.3.1 本溪期

中奥陶世末期的加里东运动，使鲁西上升为陆，遭受长期风化剥蚀，地形起伏不平，本溪组就沉积在这种古地理背景中，早期沉积物起到了填平补齐的作用。随着地壳的下沉，海水逐渐侵入，形成广阔的陆表海，发育了一套台地-潟湖相为主的沉积，局部地区有障壁岛及泥炭坪沉积。由于沉积是在地形比较复杂的环境中，而且沉积过程中地壳波动又较频繁，沉降幅度不一，形成了不同的沉积类型，但一般只有一个旋回(图6)。

图6 鲁西地区本溪期岩相古地理图Figure 6 Lithofacies paleogeographical map of Benxi Agein western Shandong area

晚石炭世本溪期海水总的是从东向西入侵，但最先是东南方向侵入，并且最早在临沂地区接受沉积，随后，海水侵入鲁西各地，而临沂地区却暂时停止了沉积，直至早二叠世方再恢复海相沉积。

早二叠世初始，由于海侵的扩大，沉积了台地相，覆盖于本溪组煤层之上。由于地壳频繁的振荡运动，又出现了短暂的海退，在台地之上形成了泥炭坪，发育了不稳定的煤层，继而被海侵沉积物覆盖。

随着海水的入侵，在凹凸不平的奥陶系灰岩剥蚀面上，首先开始了潟湖相的沉积，沉积了不稳定的G层铝土岩，在有些地区，由于水体变浅，在潟湖沉积物上开始了泥炭的堆积，并形成了不稳定的煤层。由于地壳频繁的振荡运动，又出现了暂时的海退，结束了本溪期的沉积。

2.3.2 太原期

早二叠世太原组是在本溪期沉积的基础上连续沉积的，由于海侵的扩大，山东省广大地区主要为广阔潮坪-潟湖沉积，基本继承了晚石炭世陆表海的沉积面貌，发育了障壁岛-潟湖沉积体系，间有台地体系，总的海侵方向仍然从东南进入鲁西地区(图7)。

图7 鲁西地区太原期岩相古地理图Figure 7 Lithofacies paleogeographical map of TaiyuanAge in western Shandong area

早二叠世初始，由于海侵的扩大，沉积了台地相，覆盖于本溪组煤层之上。由于地壳频繁的振荡运动，又出现了短暂的海退，在台地之上形成了泥炭坪，发育了不稳定的煤层，继而被海侵沉积物覆盖。黄河北地区为潟湖-潮坪沉积体系，障壁岛不发育，聚煤时间较南部长，海相煤层较发育；潟湖-潮坪较为发育为泥页岩的发育提供了条件。至鲁西地区太原期另一次大规模海侵之前，主要发育了潮坪、潟湖、沼泽沉积，局部地段具潮道沉积，潟湖、沼泽环境利于泥页岩的发育。第三层石灰岩(三灰)形成以后，鲁西地区被潮坪-潟湖沉积广泛覆盖，在潮坪泥炭坪环境中发育了层位比较稳定的6煤层。随着沉积作用的继续，鲁西地区逐渐进入过渡环境，开始了三角洲体系的沉积。

2.3.3 山西期

鲁西地区自早二叠世中期已由开阔陆表海环境过渡为半封闭的潟湖海湾环境，在海退过程中，海湾逐渐被充填，而形成滨海平原，山西期在广阔的滨海平原，潟湖、潮坪基底上发育了三角洲平原-三角洲前缘沉积。

山西期在以三角洲环境为主体的古地理景观，发育了以三角洲体系为主体间夹河流体系的沉积组合(图8)。济南以南主要为三角洲平原相中的分流河道、分流河道-分流间湾、分流河道-河漫滩、泥炭沼泽的共生组合，而以北则主要为分流河道沉积，根据沉积物组合特征和发育特点及三角洲相的分布形态分析，济南以南为河控浅水三角洲体系，而以北则反映了三角洲前缘分流间湾的某些特点，从而决定了泥炭堆积的空间分布及大槽煤发育程度的差异。因此，早二叠世中期，鲁中地区南部为河控浅水三角洲为主体的沉积体系，北部山西组下段为三角洲前缘-三角洲分流间湾的沉积，上段仍为河控三角洲沉积体系。在黄河北地区，存在着分流间湾-分流河道沉积，局部发育了河口沙坝等。

图8 鲁西地区山西期岩相古地理图Figure 8 Lithofacies palaeogeographic map of ShanxiAge in western Shandong are

2.3.4 石盒子期

石盒子组黑山期全省主要处于冲积平原-上三角洲平原的古地理格局中，以冲积平原河湖沉积体系为主，以南则以三角洲平原相为主，河流从北部和东北部流入本省，主要发育有边滩相和泛滥盆地相，间有浅水湖泊相沉积，已不具备成煤条件，反映了沉积期陆源碎屑物由北部阴山供给的古地理景观。石盒子万山期形成于冲积平原河湖环境，并间有三角洲环境发育的古地理格局中。而河流、曲流砂坝、泛滥盆地共生组合在全省占主导地位，间有浅水湖泊相；三角洲平原主要发育在南部地区，且以泛滥盆地、湖泊相、沼泽、河漫滩为主，伴随有泥炭沼泽，形成有工业价值的柴煤。

3 煤系烃源岩发育与分布

3.1 烃源岩类型及分布特征

黄河北地区属鲁西地区一部分，晚古生代石炭—二叠系含煤地层主要发育砂岩、泥质岩、碳酸盐岩、岩浆岩和可燃性有机岩(煤)，是重要的烃源岩[17]。太原组沉积物中砂岩、粉砂岩、泥岩、石灰岩及煤层均较发育；山西组、下石盒子群沉积物主要为陆源碎屑沉积岩，以砂岩占优势，碳酸盐岩不发育，偶尔出现湖泊相的泥灰岩。

黄河北地区页岩气烃源岩也主要为石炭—二叠系暗色泥页岩。暗色泥岩包括粉砂质泥岩、泥岩、炭质泥岩等，多形成于分流间湾、浅湖环境，煤岩形成于沼泽环境[18]。黄河北地区的岩相古地理特征研究，该地区发育的沉积体系类型主要包括潮坪沉积体系、障壁-潟湖沉积体系和大型河控浅水三角洲沉积体系。这些沉积体系中的分流间湾、沼泽及浅湖泥等环境是烃源岩形成的有利区域[19]。总之，本区具有暗色泥岩与煤层广泛发育的特征，为烃源岩的形成提供了重要的物质基础。

3.2 煤层发育与分布

本溪组鲁西大部分不具备成煤或仅发育有煤线，在淄博煤田湖田地区的草灰之下、G层铝土岩之上发育有3层局部可采的薄煤层，厚0.61～2.10m，而且煤层直接发育于G层铝土岩之上，其分布基本是以淄博—章丘为中心向周围迅速减小。太原组含可采与局部可采煤层4～8层，以鲁西的16、17煤和与之层位相当的煤层发育最好。太原组煤层总厚是北厚南薄，在茌平—肥城、淄博地区最厚(图9)。山西组主采煤层的3煤，成煤前地形相对平坦，分流河道、分流间湾和泛滥盆地发育，泥炭沼泽在三角洲平原和三角洲前缘或潮坪之上发育，形成较厚的泥炭堆积，形成3(3下)煤层，可全区对比(图10)。石盒子期，不具备成煤条件。

图9 鲁西地区太原组煤层等厚线图Figure 9 Distribution of coal thickness of Taiyuan Formationin West Shandong

图10 鲁西地区山西组煤层等厚线图Figure 10 Distribution of coal thickness of Shanxi Formationin West Shandong

据已有的勘查成果资料可知，黄河北煤田含煤地层含煤14层，其中1～5层煤赋存于山西组，6～14层煤赋存于太原组。含煤地层总厚245m，其中可采和局部可采煤层为5、6、7、8、10、11、13等7层，可采煤厚大约4～9m，平均厚度5.5m(表2)。可采煤层中，7、10、11、13等4层属于普遍发育的主要煤层，5、6、8煤层仅在黄河北煤田东部工作区局部可采。

表2 黄河北地区各可采煤层厚度及分布

黄河北煤田东部工作区，5煤层可采范围主要分布于长清、袁庄井田以及济西地区的西部。袁庄井田基本全区可采，平均可采厚度达0.94m；长清井田大部分可采，平均可采厚度0.68m；济西地区只有西部局部可采。赵官镇地区的东部局部可采，邱集煤矿井田范围内全部不可采。6煤层在袁庄、济西、齐东济西勘探区大部可采，邱集井田和赵官镇地区一般尖灭，长清井田偶见煤线。8煤层在袁庄井田煤层厚度稳定在1m左右，向西至长清井田，见矿厚度大多变薄至0.4m左右。赵官镇井田厚度均在0.4m以下，常出现尖灭点，邱集井田范围内则全部尖灭。

黄河北地区主要煤层中，7煤层在全煤田普遍发育，务头普查区煤厚度0.24～1.43m。邱集井田东部边缘和赵官镇区域近露头区，可采厚度在1m左右，属于较稳定煤层。自赵官镇井田东部向东，煤层变薄，长清井田仅西部达到局部可采，厚度0.8m左右。袁庄井田除东部边缘因岩浆岩侵入出现小范围不可采外，厚度1m左右，属于较稳定煤层。10煤层在全煤田普遍发育，西部地区基本全部可采，厚度从西向东逐渐变薄。邱集井田厚度多在1m左右；赵官镇区域厚度多在0.8～1.0m；长清井田西部0.6～0.8m，东部则不可采；自袁庄井田向东，变为局部可采，袁庄井田限于中部可采。11煤层在黄河北煤田普遍发育，该煤层在长清以西，原始沉积厚度都在2m左右。邱集井田属于稳定煤层；赵官镇区域和长清井田受层状岩浆岩的影响，厚度有一定变化，为较稳定煤层；赵官镇区域厚度多为1.5～2.0m；长清井田变化幅度较大，厚者1～3.0m；袁庄井田煤厚多在0.8～1.0m。13煤层在整个煤田未见不可采点，为稳定煤层。邱集井田至赵官镇区域，煤厚基本保持在2.5～3.5m，赵官镇区域比邱集井田略为变薄；至长清井田，厚度变薄到1.5～2.5m；自袁庄井田向东，煤厚又重新出现由厚变薄的变化，袁庄井田一般为3～4m，济西地区平均2.88m，齐东区平均2.55m。

3.3 泥页岩发育与分布

本溪组沉积期随着地壳的下沉，海水逐渐侵入我省，形成广阔的陆表海，在黄河北地区形成了一套台地-潟湖沉积体系，潟湖的发育利于泥页岩的发育。太原组沉积期黄河北地区主要发育澙湖沉积，利于大强度发育泥页岩。早二叠世海水进退频繁，为煤、泥页岩的多次聚集造成有利条件，海水退却后，在近海平原、沼泽或潮上坪，迅速堆积泥炭，当海水侵进时，泥炭层又迅速被碳酸盐岩所覆盖，该时期泥页岩页大量发育。泥页岩多层发育是早二叠世泥页岩发育的重要特征。山西组沉积时期黄河北地区主要发育分流间湾-泛滥平原沉积，利于泥页岩的发育。

黄河北地区泥页岩连续沉积，山西组、太原组中的薄层泥页岩与煤层、砂岩、灰岩互层发育，是一整套连续沉积的气体储层。其中含有机质泥岩既是生气母岩也是储层，炭质泥岩间夹层也起到储集层作用，应统一视为页岩气目的层。鲁西地区济古1井钻探发现，二叠系暗色泥岩上部以深灰色泥岩为主，其中重点生气层-煤层有5层；石炭系以暗色泥岩为主，其中重点生气层-煤层有5层；由此可见，该系地层生气岩最发育。黄河北地区南部长清煤矿煤层气调查孔C1601发现，石炭—二叠系山西组以深灰色泥岩为主，偶见煤层。石炭—二叠系太原组发育黑色炭质泥岩、暗色泥岩、砂岩及黑色煤层。由此可见，黄河北地区石炭—二叠系山西组和太原组泥岩层系可以作为本区页岩气研究的目的层。结合本区岩浆发育情况以及各种地质条件，进一步确定山西组5煤至太原组10煤之间的泥岩层为主要目的层。

黄河北地区太原组泥页岩发育区主要为广阔潮坪-潟湖沉积环境，基本继承了晚石炭世陆表海障壁岛-潟湖沉积体系。山西组泥页岩则发育分流间湾-分流河道沉积，局部发育于河口沙坝等，主要发育在分流间湾-泛滥平原沉积环境。结合地震及钻探相关资料，初步统计黄河北地区石炭—二叠系5煤至10煤含气泥页岩层段厚度约为52.83～97.1m，平均厚度为84.8m。区内泥页岩层厚度在横向上有一定的规律性，由北向南泥页岩层厚度逐渐减小的趋势。南部济西矿区和长清矿区厚度则多大于80m，西南部华集矿区、马坊矿区处厚度较小，多小于60m，西北部伦镇矿区、李屯矿区含气层段厚度较大，多在90m以上。

4 结论

通过对黄河北地区晚古生代沉积环境与沉积相分析及其对煤系烃源岩发育与分布研究，主要获得以下认识：

1)黄河北地区晚古生代石炭—二叠纪发育海相、陆相和过渡相环境，四种沉积体系，从早到晚分别是障壁-潟湖沉积体系、潮坪沉积体系、河控浅水三角洲沉积体系和河流-湖泊沉积体系。

2)黄河北煤田含煤地层含煤14层，其中1～5层煤赋存于山西组，6～14层煤赋存于太原组。可采煤层的层数来说，存在“东多西少”的特点。在含煤地层剖面上的分布特点是“上薄下厚”，主要富煤带则主要分布在东部地区。

3)泥页岩主要发育在石炭—二叠系太原组和山西组，泥页岩层厚度在横向上有一定的规律性，由北向南泥页岩层厚度逐渐减小的趋势，南部济西矿区和长清矿区，西北部伦镇矿区、李屯矿区厚度发育较好，多在90m以上。