塔西南中–下侏罗统层序地层特征与聚煤规律_杜世涛.pdf

第 45 卷 第 6 期 煤田地质与勘探 Vol. 45 No.6 2017 年 12 月 COAL GEOLOGY 2. 161 Prospecting Team of Xinjiang Bureau of Coalfield Geology, Urumqi 830000, China; 3. Xinjiang Institute of Ecology and Geography, Chinese Academy of Sciences, Urumqi 830011, China; 4. CMB R＆D Center on Xinjiang Coal Geological Bureau, Urumqi 830091, China Abstract In order to clarify coal accumulation law in Mid-lower Jurassic in southwest Tarim, through the proce- dures of comprehensive analysis of previous studies, using profiles, drilling, well logging, core materials, by facies changes directions, identifying sedimentary facies and establishing sequence framework, fan, fan delta, delta, lakes and swamps sedimentary facies were identified. By systematic analysis the types of sedimentary facie, sedimentary boundary characteristics and distribution, two sequence boundaries and four sequence boundaries were recognized. Combining sedimentary and evolution characteristics, stabilized settlement expansion stage was benefitial for coal accumulation, corresponding to the transgressive and high deposition system. Finally, according to the theory of sequence structure type of coal and the characteristics of coal seam thickness distribution, the coal accumulation law in Kizilayao depression, Yecheng-Hetian depression and Hetianbuya depression was identified. Keywords Tarim basin southwestern margin; sequence; Mid-Lower Jurassic; coal accumulation centers 层序地层学在油气勘探中得到了广泛的应用， 并取得了显著成果[1-3]。近年来，层序地层学理论被 广泛运用到煤系研究领域，促使煤系沉积学的研究 达到一个新的高度[2-8]。然而，由于我国陆相煤系经 历的构造运动期次多、强度大，运用层序地层学常 规思路，难以指导聚煤模式的研究，煤炭资源优势 靶区预测精度还有待提高[8-9]。塔里木盆地西南缘地 质历史时期经历了多旋回的沉积环境变迁和复杂的 ChaoXing 8 煤田地质与勘探 第 45 卷 构造运动[10]，为准确厘定同沉积构造样式、查明煤 炭资源分布规律增加了难度。此外，由于研究区自 然环境恶劣，勘探资金及人力投入不足等原因，导 致地质勘查滞后，煤炭供需矛盾突出。 前人在该区域的研究大多集中在喀什凹陷，内 容多以构造演化为主，或以整个塔里木地区沉积及 构造控煤为主[10-18]，而引用层序地层学的方法探讨 西昆仑山前褶皱带的克孜勒陶凹陷、叶城和田凹 陷与和田布雅聚煤规律的研究鲜有报道。 在前人研究成果[7,9,13-15]的基础上，笔者围绕塔 西南地区煤系发育期的古地理环境、成煤期后的构 造演化， 还原塔里木盆地西南缘的古沉积构造环境、 建立层序地层格架，以明确研究区层序地层特征及 其影响下的聚煤规律。再以实际钻遇的煤层厚度分 别插点绘制康苏组与杨叶组的煤层厚度展布图，对 层序地层学方法指导下聚煤规律进行验证。 1 地质背景 塔里木盆地西南缘位于西昆仑褶皱系的东北 缘，呈条带状展布，面积约 21.6104 km2。大地构 造单元上包括塔里木地台西昆仑山前冲断带、康苏 凹陷、民丰凹陷、喀什北部山前冲断带与和田布雅 凹陷的一部分[16]图 1。 图 1 塔里木盆地西南缘构造分区 Fig.1 Structural sketch and main coal zone position in Southwest Margin Tarim basin 塔里木盆地自侏罗纪成煤期后，经历了断陷盆 地和复合前陆盆地 2 个构造演化阶段[7,10,16-17]图 2。 构造运动造成了塔里木盆地西南缘中生代聚煤坳陷 为断陷型内陆盆地， 盆地呈狭长条带状展布， 横断面 呈“Ⅴ”形，基底北高南低，呈波状起伏，凹陷中心位 于西南部。中–下侏罗统煤系较发育，但成煤后期构 造运动致地层抬升、错断、推覆，并遭受剥蚀[17-19]， 含煤地层连续性差，多呈透镜状产出，大部分煤层 仅局部可采。 中–下侏罗统的康苏组和杨叶组是塔西 南地区的主要含煤层位，分布于西昆仑山前冲断带 的凹陷处，共含煤 55 层，煤层总厚度约 150 m。其 中， 克孜勒陶凹陷内煤层主要分布于霍尔霞至许许， 主力煤层为康苏组和杨叶组，康苏组含煤层 8 层， 最厚煤层 17 m，平均厚度 2.4 m；杨叶组在盆地内 变化较大，在赛斯盖特一带为不含煤层的巨厚砾岩 层，库斯拉普一带含煤约 25 层，含煤系数 2.35 2.8。叶城–和田凹陷中包括莫莫克、普萨、康开、 杜瓦等地，含煤性变化大，含煤系数最好的为喀拉 吐孜7，最差的为莫莫克0.36。和田布雅凹陷 位于研究区西南部，含煤地层为下侏罗统康苏组， 分上、下两段，上段含煤两层，总厚度约 2 m，下 部含煤 3 层，最大厚度约 5 m。 图 2 塔里木盆地西南缘构造演化 Fig.2 Tectonic evolution in southwest margin of Tarim basin 2 沉积相与层序界面识别 以沉积相划分为前提，建立层序地层格架，是 分析聚煤规律的必要步骤[9,19-20]。 本文在综合分析前 人成果的基础上，依据最新的野外露头剖面、钻井、 岩心、测井等资料的分析，进行不整合面、沉积旋 回划分和沉积相识别，建立层序地层格架。 2.1 沉积相类型及特征 根据基础研究资料[7,10,21]， 识别出研究区煤系主 要发育冲积扇、扇三角洲、三角洲、湖泊及沼泽 5 种沉积相类型及 10 种亚相类型[7]。而对塔西南地区 中–下侏罗统聚煤起决定作用的是扇三角洲相、 三角 洲相、沼泽相。 2.1.1 扇三角洲相 研究区扇三角洲相主要是冲积扇和辫状河携带 的大量粗粒沉积物在地形转折的基部泄入停滞水体 而形成。前人研究表明，扇三角洲体系有利于煤层 发育[13,22]，这一点在塔西南地区地质勘探中得到了 验证图 3。 扇三角洲相包括三角洲平原和前缘 2 种 亚相[7]。 扇三角洲平原发育于河道内，岩性以砾岩、细 ChaoXing 第 6 期 杜世涛等 塔西南中–下侏罗统层序地层特征与聚煤规律 9 图 3 塔西南侏罗系层序划分图 Fig.3 Sequence division of Jurassic in southwest Tarim basin 砂岩、泥岩为主，整体粒度向上变细，厚度大，砾 岩层有变薄直至尖灭趋势。下部岩层发育大型槽状 交错层理，测井资料显示自然伽马曲线为指状，代 表较强的水动力； 上部见水平层理和小型砂纹层理， 低洼地区发育泥炭沼泽，见煤层。扇三角洲前缘主 要发育砂砾质河口坝微相，地层以厚–中厚层状砾 岩、砂岩与灰绿色、灰黑色泥岩互层为主，构成向 上变粗的进积序列。 从沉积相展布看，扇三角洲平原与前缘相主要 在霍尔霞和康开至杜瓦一带发育，在康开地区康苏 组–杨叶组发育范围显著扩大，厚煤层发育。 2.1.2 三角洲相 三角洲相主要发育于曲流河沉积体系，是塔西 南地区盆缘断裂活动减弱期相对稳定阶段的沉积环 境类型，主要发育上、下三角洲平原、水下三角洲 和三角洲间湾亚相类型[7,10,14]。 下三角洲平原是上三角洲平原和水下三角洲在 横向上的过渡，主要发育分流河道、分流间湾及决 口扇等沉积微相。水下三角洲包括分流河道、河口 坝和远砂坝等沉积微相类型。纵向上看，三角洲相 发育的地层呈透镜状产出，见冲刷面及大型板状交 错层理。垂向上，沉积物粒度自下而上变细。 本区煤层主要发育于三角洲朵叶之间。 区域上， 棋盘、许许、莫莫克与和田布雅凹陷的康苏组和杨 叶组该沉积类型极为发育。 2.1.3 沼泽相 研究区沼泽相主要在河流、三角洲平原和湖 泊环境中发育，大量煤层的出现是沼泽相发育的 标志[7,10,23-24]。河流沼泽相发育于河漫滩上，岩性 自下而上变细，为典型的河流沉积“二元结构”；三 角洲平原沼泽发育于温暖潮湿环境；湖泊沼泽主要 为低能滨浅湖或湖湾沼泽，此环境有利于成煤植物 的生长和泥炭的聚集与保存。岩性组合为泥岩、炭 质泥岩和煤互层，如杨叶组和康苏组煤层。全区中– 下侏罗统含煤地层主要发育于沼泽相中。 2.2 层序界面识别 层序界面有多种表现形式[25]，笔者根据塔西南 地区野外剖面、钻孔标定等资料，通过分析三叠纪 侏罗纪的构造运动变化，识别出剥蚀面、冲刷面、 岩性、相变等层序界面的表现特征，在研究区主要 地层中识别出 2 个二级层序界面，4 个三级层序界 面图 3。 2.2.1 侏罗系与其下覆地层之间界面JSB1二级 燕山Ⅰ幕构造运动之前三叠纪，由于研究区 受羌湖与塔里木板块碰撞挤压而整体隆升，三叠纪 时期，地层因抬升而遭受剥蚀，出现沉积间断，大 部分缺失；之后侏罗纪早期进入拉伸构造发育阶 段，盆地由隆升过渡为断陷凹陷，接受沉积[21]。据 钻井岩心揭露， 界面之上岩性主要为紫褐色、 浅紫色、 灰绿色的粗砂岩–细砂岩，界面之下地层遭受强烈剥 蚀，岩性主要为暗红色砾岩、砂砾岩。界面的上下部 岩层在粒度及颜色上具有明显的突变特征。 2.2.2 中侏罗统与上侏罗统之间界面JSB6二级 燕山Ⅲ幕构造运动使得地层沉积环境由塔尔尕 组的弱氧化环境向库孜贡苏组的还原环境转变。界 面上下地层岩石的粒度与厚度特征差异明显，并以 不整合面分割。从沉积相上看，界面之下的三角洲 相向界面之上的冲积扇相过渡明显，自下而上岩层 变厚，粒度增加。 2.2.3 沙里塔什组和康苏组的分界面JSB3三级 此界面的划分主要参考界面上下的岩性特征， 钻井资料在界面之下揭露的沙里塔什组为大段的灰 绿色粗碎屑物沉积，界面之上岩石粒度明显变小。 此外，钻井岩心资料显示沙里塔什组在塔西南多处 缺失，下侏罗统地层直接不整合于三叠系小泉沟群 之上，也是界面划分的依据。 2.2.4 中侏罗统与下侏罗统之间界面JBS4三级 燕山Ⅱ幕构造运动造成盆地性质由康苏组沉积 期的断陷向杨叶组的凹陷过渡，水体加深，沉积物粒 ChaoXing 10 煤田地质与勘探 第 45 卷 度整体向上变细， 界面之上出现大段泥岩和泥质砂岩， 与下部差异明显。此外，界面多表现为侵蚀冲刷面。 2.3 层序地层划分 通过不整合面、岩性突变面、冲刷面等界面的 识别，结合低位、湖侵、高位沉积体系域内发育的 岩相特征，将研究层段划分为 1 个二级层序SQ6， 对应地层为库孜贡苏组；5 个三级层序，自下而上 为SQ1 和 SQ2、SQ3、SQ4 和 SQ5，分别相当于 沙里塔什组、康苏组、杨叶组和塔尔尕组图 3。 SQ1 和 SQ2 与沙里塔什组相对应，地层厚度约 100 m；SQ3 对应于康苏组，厚度约为 500 m。岩性 因沉积体系域的不同而异。低位期的岩性以红褐色 砂砾岩为主，具水位较浅的冲积扇和扇三角洲沉积 特征；湖侵期岩性以泥岩为主，见砂砾岩薄层，具 三角洲相沉积特征；高位体系域岩性结构以砂质泥 岩为主，未见砾岩。 SQ4、SQ5 分别对应杨叶组和塔尔尕组，厚度 为 6001 000 m。低位期发育湖泊三角洲沉积；湖侵 期为浅湖相沉积，岩性以泥岩为主。SQ6 地层厚约 200 m，较厚，属于盆地於浅沉积，沉积物起到填平 补齐的作用。低位体系域发育完整，湖侵和高位体 系域地层多受剥蚀而缺失[7,10]。 三级层序在低位、湖侵和高位体系域的发育过 程中都经历了初始湖泛面和最大湖泛面，自下而上 岩性组合表现出沉积韵律特征[7]。 3 沉积演化特征 3.1 初始沉降期 早侏罗世盆地南缘沿铁克里克北缘深大断裂相 对沉降，随盆地沉积可容空间增长速度大于沉积物 沉降速度，盆地基准面上升，发育了聚煤盆地雏形， 如克孜勒陶与叶城和田凹陷一带下侏罗统沙里塔 什组的 SQ1、SQ2。在初始沉降过程中，由于物源 区的古气候和古地理限制着植被的发育，盆地沉降 速率过快，有机质供应相对不足，盆地中心水体较 深，聚煤作用不强。 3.2 稳定沉降扩展聚煤期 初始沉降后期，盆缘断裂活动减弱，盆地向稳 定沉降的凹陷过渡， 为康苏组成煤打下良好的基础。 稳定沉降期从早侏罗世中晚期至晚侏罗世，包含层 序 SQ3、SQ4 和 SQ5 三个充填沉积阶段的康苏组、 杨叶组和塔尔尕组。 SQ3 对应下侏罗统康苏组沉积期，该时期水动力 稳定，盆地构造运动表现为基底的稳定沉降和湖面的 扩展，冲积扇岩相地层被扇三角洲前缘和湖滨相的地 层覆盖；盆缘内侧为冲积扇前缘、平原和滨湖平原的 过渡地带，岩性结构为粉砂岩和泥岩互层，反映水动 力较弱的浅湖相沉积环境。该时期古气候温暖潮湿， 成煤植被大范围长期稳定生长，是有机质聚集的有利 条件[7,26]；向盆缘方向过渡为冲积扇、扇中和扇端区 的辫状河沉积，露头剖面所见到的主要为冲积扇与湖 泊过渡带的聚煤地带。这套地层主要发育于克孜勒陶 与布雅凹陷的康苏组，煤层较多，单层较厚图 4。 图 4 塔西南侏罗系康苏组和杨叶组沉积相展布 Fig.4 Sedimentary facies distribution of Jurassic Kangsu For- mation and Yangye ation in southwest Tarim SQ4 和 SQ5 对应中侏罗统杨叶组和塔尔尕组。 受燕山Ⅱ幕构造运动影响，杨叶组沉积时期，聚煤中 心向西北方向迁移， 在克孜勒陶凹陷西北部主要发育 冲积扇–扇三角洲沉积，基本无煤层发育；盆地南部 库斯拉普一带主要发育扇三角洲和滨浅湖沉积， 为含 煤沉积建造； 莎车叶城一带为滨浅湖沉积， 基本不发 育煤层； 布雅地区发育三角洲平原沉积， 岩层为炭质 泥岩夹煤层。 塔尔尕组沉积期， 在克孜勒陶至坎地里 克区域为一套湖泊相的杂色调砂岩和泥岩层， 自下而 上粒度变粗，横向分布稳定，基本无煤层发育图 4， 图 5。 SQ6 对应上侏罗统库孜贡苏组。该段沉积时期， 塔里木盆地南缘因挤压应力而抬升，坳陷中心北移。 岩性为氧化色的砾岩、 粗砂岩、 粉砂岩和泥岩互层[28]。 塔里木盆地南缘大部分地区缺失库孜贡苏组，其沉积 期沉积基底隆升，不利于有机质的聚集与成煤[26]。 4 厚煤层分布的影响因素 4.1 低位体系域煤层特征 低位体系域处于盆地周缘，相对快速抬升，基 准面下降。盆地边缘暴露，伴随着大规模的河流侵 蚀下切并向盆地方向推进，形成由扇三角洲粗碎屑 ChaoXing 第 6 期 杜世涛等 塔西南中–下侏罗统层序地层特征与聚煤规律 11 图 5 塔西南代表性含煤地层剖面对比 Fig.5 Correlation of the representative coal-bearing strata in southwest Tarim basin 物组成的低位体系域进积型准层序组。该时期沉积 物供给速率超过盆地沉降速率，已聚集的泥炭层易 被氧化，厚煤层只在局部区域发育，如 SQ1、SQ2 低位体系域发育少量薄煤层，横向分布不稳定，不 具有开采价值图 5。 4.2 湖侵体系域的聚煤作用 湖侵体系域处于可容空间相对整体沉降，基准 面不断上升。 在低位体系域晚期盆地於浅的基础上， 盆地发生水进，沉积物输入相对减少。该时期可容 空间基底沉降速率大于有机质堆积速率，并长时间 保持稳定，泥炭大量堆积[7]。随着水面不断向盆地 边缘推进，泥炭沼泽向盆地边缘扩展。但是，由于 沉积基底的起伏，导致有机质在不同部位累积厚度 差异，基底低位地层往往由几个程序的叠加构成， 发育的煤层较厚。 塔西南地区湖侵体系域发育在乌恰、 克孜勒陶、 布雅、普萨一带，对应沉积层序为中–下侏罗统的 SQ3、SQ4。SQ3 湖侵域煤层在克孜勒陶凹陷的赛斯 盖特和喀拉吐孜、 叶城–和田凹陷的杜瓦以及布雅凹 陷均有发育；SQ4 湖侵域煤层只在莎车达木斯、叶 城甫沙地区发育。湖侵体系域下煤层总体特征为 厚度大、横向分布比较稳定、向周缘煤层变薄尖灭 趋势图 3，图 5，图 6。 图 6 塔西南康苏组与杨叶组煤层展布 Fig.6 Distribution of coal seam in Kangsu ation and Yangye ation 4.3 高位体系域的聚煤作用 早期处于构造活动相对稳定期， 盆地基底已整体 沉降，水面趋于平稳，泥炭沼泽环境扩大，植被长时 间大面积分布， 整体环境利于煤层发育。 高位体系域 晚期，基准面下降，形成的煤层相对较薄。塔西南 SQ3 高位体系域煤层形成于克孜勒陶凹陷、 普萨和布 雅等地，厚度相对较小，但横向分布稳定，向周缘煤 层变薄尖灭， SQ4 高位体系域在克孜勒陶西北部主要 发育冲积扇–扇三角洲沉积，为不含煤层的巨厚砂砾 岩层，向盆地中心岩性由粗变细，以粉砂岩为主。库 斯拉普一带，为含煤沉积建造，含煤层约 25 层，含 煤系数 2.352.8图 3，图 5，图 6。 ChaoXing 12 煤田地质与勘探 第 45 卷 5 结 论 a. 以地层岩性突变、不整合面、冲刷面为层序 识别标志， 将塔里木盆地西南缘中–下侏罗统划分为 1 个二级层序 SQ6 和 5 个三级层序 SQ1SQ5。 b. 从盆地沉积演化特征看，煤层主要发育在湖 侵体系域和高位体系域。湖侵期，水平面的连续升 高，聚煤作用强度向盆地边缘推进。高位期，盆地 沉降趋于稳定， 聚煤作用强度由沉积中心向外减弱。 c. 研究区主要含煤地层为中–下侏罗统的康苏 组和杨叶组。从煤层展布上看，康苏组煤层主要分 布于克孜勒陶凹陷与和田布雅凹陷，杨叶组煤层主 要分布于和田布雅凹陷。地层自下而上，总体上表 现出向西昆仑冲断带的中间段迁移过程。 参考文献 [1] 邵龙义， 窦建伟， 张鹏飞. 含煤岩系沉积学和层序地层学研究 现状与展望[J]. 煤田地质与勘探，1998，2614–9. 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