伊宁凹陷侏罗系含煤岩系层序地层及聚煤规律

吴 员,李 玺 ,王 刚

(1.新疆煤炭综合勘查院,乌鲁木齐 830009;2.新疆煤田地质局煤层气研究与发展中心,乌鲁木齐 830009)

层序地层学能提供年代地层对比框架,有助于恢复古地理面貌和相关沉积矿产预测。近年来,很多学者尝试将其引入陆相盆地的地层研究,尤其是在我国陆相断陷湖盆的煤田地质领域,层序地层研究为地层对比提供精确的界面,提高煤层赋存规律及找煤远景评价的精度,有利于煤层开发预测。伊犁盆地是西天山褶皱带中的一个构造残留盆地,伊宁凹陷是其最大的一个二级构造单元[1],盆地内煤炭、油气及铀矿等资源十分丰富,吸引国内学者的高度注意[2-8]。本文将针对伊宁盆地的侏罗系含煤地层,利用钻孔、地震、测井等资料进行分析,研究该盆地含煤岩系的层序地层格架,并探讨该区内含煤地层的聚煤规律。

1 地质背景

伊宁凹陷位于新疆伊宁市境内,北以博罗霍洛山为界,南以阿拉格尔山为界,东起野马渡,西止中俄边界霍尔果斯河,平面上呈三角展布,面积8 000 km2。凹陷基底受北天山的强烈的造山运动,其形态为北深南浅,成箕状,盆地基底主要由中上元古界、古生界以及海西期中酸性花岗岩组成,盖层主要由三叠系、侏罗系、白垩系、古近系、新近系和第四系构成。

含煤岩系为一套陆源碎屑沉积,主要分布于喀什河流域,包括八道湾组、三工河组及西山窑组,厚度约1 700 m;八道湾组和西山窑组是该凹陷主要含煤地层,在凹陷南北缘山前沟谷地带零星出露,其它地区新生界覆盖。受控盆地基底构造形态,八道湾组盆地南北缘岩相差异明显,主要由暗色粉砂岩、泥岩和煤及砾岩层组成。北缘主要形成于滨-浅湖环境沉积体系,南缘则以冲积扇沉积为主;三工河组下部由含砾粗砂岩、浅色砂岩、泥岩及煤层组成,以辨状河沉积为主;西山窑组主要由泥岩、粉砂岩、砂岩夹煤层组成,以三角洲平原沉积为主。

2 中下侏罗统层序地层格架

通过资料分析,参考前人划分方案[3-4],共识别4个三级层序,并相应划分了体系域。其中,层序Ⅰ相当于八道湾下段,层序Ⅱ相当于八道湾上段,层序Ⅲ相当于三工河组,层序Ⅳ则相当于西山窑组,下面分述其特点。

2.1 层序Ⅰ

根据岩性组合及测井曲线特征,将八道湾组中部的一套砾岩、粗砂岩的底部作为年代地层界面,将八道湾组分为上、下两段,层序Ⅰ相当于八道湾组下段。层序的底界面为一区域不整合面,与三叠系地层不整合接触,岩性突变,界面之下为一套深色泥岩,界面之上为辨状河粗砂岩,层序Ⅰ界面即为八道湾组上下段分界面,其岩性为一套河道滞留沉积底砾岩。该层序发育湖扩体系域(EST)和高位体系域(HST),在层序中可将这套岩性中最厚的一套深色泥岩的底界面作为最大湖泛面。该层序岩性组合为下部灰粗粒的浅灰色河流相砂岩过渡到上部细粒深色沼泽相泥岩和粉砂质泥岩、碳质泥岩和煤层,总体为下粗上细的正旋回,南北岩相变化较大,北部为滨-浅湖沉积,南缘则为冲积相。总体上,该层序由南向北有逐渐增厚趋势。

2.2 层序Ⅱ

层序Ⅱ相当于八道湾组上段,上界面为三工河组底界,沉积厚层深灰色泥岩和薄层浅白色粗砂岩,浅灰色粉砂岩泥沙比较大。底界为八道湾组上下段岩性突变分界处,为河道底部冲刷面,发育低位体系域、湖扩体系域和高位体系域,河道沙砾岩上的泥岩、粉砂岩为初始湖泛面,具有向上反旋回倒粒序。在向上变深序列中,较厚粉砂岩、泥岩为最大湖泛面,为湖水大规模的扩张,物源供给相对缓慢时沉积,可见较厚细粒沉积,湖扩体系域早期主要发育三角洲前缘,晚期则主要是湖泊沉积。

2.3 层序Ⅲ

层序Ⅲ相当于三工河组,沉积深灰色泥岩、粉砂质泥岩、细砂岩及浅白色粗砂岩。层序底界即为八道湾组的顶界面,为一套细粒粉砂岩沉积,发育湖扩体系域和高位体系域,可将最大湖泛面划分在由下向上的第一套深色且厚的泥岩底界面处,顶界面为西山窑组底界面,是一套河流滞留沉积,高位体系域是由向上变粗的深色泥岩,浅色砂岩交替出现组成,沉积亚环境为三角洲沉积前缘,层序整个沉积环境为三角洲沉积环境。

2.4 层序Ⅳ

层序Ⅳ为西山窑组,底界与层序Ⅲ泥岩整合接触,顶界与头屯河组整合接触,发育湖扩体系域和高位体系域,最大湖泛面位于向上变粗的最厚一套泥岩位置,湖扩体系域为浅灰色粗砂岩、深灰色泥岩和煤,高位体系域由灰色块状砂岩、含砾砂岩及深灰色泥岩以及黑色煤组成。在层序Ⅳ沉积时期,基准面下降,湖区逐渐发生萎缩,坡降比小,陆上的物源供给充足,在凹陷内延伸远,范围广,使大面积湖区淤塞、变浅、沼泽化,发育有分流河道砂岩和湖相泥岩。

3 聚煤作用及控煤因素分析

煤层是泥炭在适宜的气候、海(湖)平面、沉积古地理和构造条件下不断聚集的产物,可归纳为构造演化、沉积环境的演化和海平面变化的差异造成,下面就这三个方面来概括研究区内聚煤作用。

3.1 盆地的构造演化对聚煤作用的控制

伊宁凹陷主要形成于石炭-二叠纪[5],主要是由北天山造山带向南缘盆地逆冲断裂,南侧是有恰普恰勒山向凹陷朝北高角度的逆冲推覆断裂,造成凹陷呈北深南浅的箕形,表明物源供给充足前期,凹陷内部主要发育冲积和洪积体系;横向上,盆地边缘沉积厚,朝盆地中心变薄,泥炭沼泽不发育,局部形成薄煤层或煤线;凹陷基底快速沉降初期,凹陷内部将持续存在和扩大湖区,物源供给充足情况下,含煤碎屑岩段增厚,具有可开采的工业煤层,但在滨-浅湖区,不含重要的煤层,如图1所示。

图1 伊宁凹陷中下侏罗统层序地层、沉积断面图Fig.1 Stratigraphic and sedimentary sections of the middle and lower Jurassic sequence in Yining Sag

3.2 沉积成环境对聚煤作用的控制

通过对八道湾组地层含沙率的统计,凹陷内部的物源供给主要来源为北天山和恰普恰勒山两个方向,结合基底构造形式,在八道湾沉积时期时,凹陷的南侧由于地势较缓主要发育三角洲沉积体系,且延伸很远,是凹陷内的主要的物源供给。

结合图1和图2(a)看,层序Ⅰ内有工业价值的煤层主要在北侧,主要发育在三角洲前缘和三角洲平原上,部分在及滨-浅湖里;南侧地势较缓,且主要发育辨状三角洲,物源持续供给,导致河流不停迁移,破坏前期沉积的泥炭和煤层,故南缺少有价值煤层;层序Ⅱ内大部分煤层主要发育在滨-浅湖中,煤层层数多,却相对较薄,这是由于滨-浅湖区有利于泥炭堆积,但由于物源的进积破坏其稳定性,不利于厚煤层发育。在沉积层序Ⅲ时期,凹陷内的沉积中心逐渐被淤平、填满。层序Ⅳ西山窑组地层沉积时期,地势较平坦,凹陷内部发育辨状河三角洲。对该组含沙率的统计图2(b),北天山物源供给对凹陷内沉积影响最大,在凹陷内分布范围广,煤层主要发育在辨状河平原上。层序Ⅰ、Ⅱ和层序Ⅳ的富煤区均发育在三角洲平原区,辨状河平原区以及滨-浅湖区。总结煤层沉积环境可发现,煤层主要发育于可容纳空间增加速率与泥炭堆积速率平衡时期,有利于煤层快速聚集发育。

图2 含沙率等值线图Fig.2 Sediment concentration contour map

3.3 湖平面变化对聚煤作用的影响

湖平面变化直接影响可容纳空间,间接影响着沉积物和成因相的变化,对聚煤作用产生着重要的影响,湖平面变化受控于基底构造沉降和古气候变化影响。湖平面上升期,沉积体不断进积,沉积距离延伸较远,河道不停分叉、迁移不利于泥炭的堆积,甚至有可能破坏前期沉积的泥炭堆积,致使煤层分叉或被削蚀,如层序Ⅰ中在南侧发育的煤层;层序Ⅱ中沉积是在湖平面上升时期形成,有大范围湖相沉积,利于煤层发育,且煤层数量多,但都难有较好的工业煤层出现;层序Ⅲ,三工河组沉积时期,是湖平面相对下降期,冲积作用越来越明显,沉积物供给过快,砂体愈来愈多,不利于泥炭物质堆积,煤层发育相对少,仅薄煤层和煤线;层序Ⅳ,西山窑时期,沉积界面稍高于湖平面,主要为三角洲平原相,沉积物的供给速度明显减缓,水体能量相对较弱,泥炭质物质才得以沉积,从图2可以看到,北缘的砂体较多,煤层较薄,且发育不稳定,而南缘砂体较少,煤层相对较厚且稳定。

4 结论

1)伊宁凹陷中下侏罗统含煤岩系为河流-三角洲-湖泊沉积体系,共发育4个三级层序,分别对应八道湾组上、下段,三工河组和西山窑组。伊宁凹陷内层序Ⅰ、Ⅱ由南往北相变巨大,南缘主要沉积河流相,北缘则是湖相沉积为主;层序Ⅲ,Ⅳ则为三角洲沉积体系。

2)煤层稳定性与河流发育作用有关:泥炭沉积厚度大,砂岩厚度小时煤层很稳定且厚;砂体很厚,煤层稳定性较差,有分叉尖灭现象。浅湖、三角洲平原、间湾等地泥炭沉积厚度大有利于煤的形成,层序Ⅰ、Ⅱ和层序Ⅳ内的煤层均是在这种环境下发育的。