淮南煤田含煤岩系沉积相类型特征与演化——以新集井田1001钻孔为例_余坤.pdf

第 46 卷 第 1 期 煤田地质与勘探 Vol. 46 No.1 2018 年 2 月 COAL GEOLOGY 2. Xi’an Research Institute, China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China; 3. School of Resources and Geoscience, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China; 4. College of Earth Science, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China Abstract Based on the core observation and sample collection of Carboniferous-Permian Taiyuan ation, Permian Shanxi ation and Xiashihezi ation of well 1001 in Huainan coalfield, we carried out microscopic identification, particle size analysis and X-ray diffraction analysis of mineral composition. Based on the results of previous studies and mi- crofacies analysis, we explored the characteristics and evolution of sedimentary facies types of coal-bearing rock series in Huainan coalfield. The results show during early stage of Late Carboniferous , transgression and regression happened fre- quently, Taiyuan ation in the study area developed, barrier coast and tidal flat depositional system, mud flat, mixed flat and limited subtidal flat microfacies coexisted, three large-scale transgressions occurred in general, which represented the filling stage of epeiric sea . During Early Permian the sea level dropped, in the study area , delta front depositional system, distal bar, mouth bar, distributary channel underwater, underwater natural levee and diversion bay microfacies symbiosis developed in Shanxi ation, the delta continued construction under the destruction. In late stage of Early Permian , in Xiashihezi ation delta plain depositional system developed, distributary channel, natural levee, peat swamps and swales microfacies coexisted . The study area entered into the continental delta depositional phase. ChaoXing 第 1 期 余坤等 淮南煤田含煤岩系沉积相类型特征与演化以新集井田 1001 钻孔为例 21 Keywords coal measures; drill core; particle size analysis; sedimentary microfacies 近年来我国学者通过对沉积微相的研究， 圈定了大 量潜在的非常规天然气储层， 并在沁水盆地南部及川南 地区取得了较大的突破，获得了工业气流，加速了我国 非常规天然气开发的进程[1-3]。淮南煤田煤系气体资源 丰富，储层类型及分布受沉积环境控制，不同的沉积微 相类型发育了不同的岩相组合， 沉积微相研究对该区煤 系气体资源开发至关重要[4]。蓝昌益等[5]认为淮南煤田 二叠纪沉积环境是海陆过渡相，聚煤期为三角洲环境， 三角洲体系是在海湾基础上演化而来， 后又被海湾所取 代，在二叠纪晚期才演化为陆相环境。朱善金[6]认为淮 南煤田含煤段沉积环境为三角洲相， 并以三角洲平原相 为主体的沉积环境。 近年来研究表明淮南煤田自结束了 太原组浅海过渡相沉积后， 就进入以前三角洲和河口坝 为主的环境，由于沉积物不断补给，沉积环境逐步演化 为三角洲前缘， 最后由于沉积物的继续补给堆积而向三 角洲平原发展[7-10]。由此可见，以往对淮南煤田含煤岩 系的沉积环境研究范围主要集中于二叠系山西组和下 石盒子组的沉积亚相， 而对更细微级别的沉积微相的区 划、特征及演化认识还不够深入。笔者以淮南煤田新集 井田 1001 钻孔含煤岩系岩性序列分析为基础，以显微 镜鉴定和 X 射线衍射分析为手段，深入分析沉积微相 及其垂向序列，探讨含煤岩系沉积相特征及演化，以期 指导该区煤系气体资源评价。 1 地质背景 新集井田位于淮南煤田东部图 1，自北向南发育 褶皱构造，北部以朱集–唐集背斜、尚塘–耿村集向斜、 陈桥背斜为代表， 南部以谢桥–古沟向斜为主； 沿矿区南 北边缘发育一系列叠瓦式走向逆冲断层，南缘主要有 舜耕山断层和阜凤断层，北缘主要有大兴集断层等， 矿区周围南北向断层发育， 其中以陈桥断层为代表[7]。 研究区主要含煤地层为石炭–二叠系，包括太原组、山 西组和下石盒子组[5]，总体上形成于海陆过渡环境。 图 1 研究区构造简图 Fig.1 Tectonic sketch of the study area 2 样品与实验 样品采自新集井田 1001 钻孔图 1。 样品采集基于 岩心岩性序列分析，涵盖各种岩性序列样品，包括 12 件灰岩样，18 件泥岩样，14 件砂岩样，共 44 件图 2。 将 14 件砂岩和 12 件灰岩样品磨制薄片， 在中国矿业大 学煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室， 采用德国 Leica DM EP 光学显微镜， 进行岩石学及古生物学鉴定， 并对砂岩样品开展粒度分析，单片统计碎屑颗粒达 500 个；针对 18 件泥岩样品，各取 100 g 研磨至 300 目， 采用中国矿业大学分析测试中心德国 Bruker D8 Ad- vance 型 X 射线衍射仪XRD检测矿物成分，依据 Rietveld 提出的半定量原理进行矿物成分定量表 1。 表 1 泥岩样品矿物成分 X 射线衍射分析结果 Table 1 Mineral composition from X ray diffraction analysis of mudstone samples 单位 矿物质量分数 黏土矿物相对质量分数 采样层位 样品 编号 石英 钾长石 斜长石 方解石 白云石菱铁矿黄铁矿黏土矿物伊/蒙混层 伊利石 高岭石 绿泥石 N18 40.5 59.5 8 1 75 16 N17 40.7 2.7 4.1 1.5 51.0 58 4 30 8 N16 42.3 1.5 56.2 46 1 41 12 N15 21.6 1.0 77.4 9 1 77 13 N14 25.2 1.5 73.3 10 1 71 18 N13 25.1 3.4 71.5 9 2 72 17 下石盒子组 N12 35.7 1.5 2.2 60.6 43 3 42 12 N11 38.7 1.4 1.9 2.4 55.6 49 16 30 5 N10 37.9 1.6 1.7 2.1 6.4 50.3 65 13 17 5 N09 30.6 0.8 1.0 1.3 66.3 36 6 47 11 N08 38.2 2.2 4.0 7.7 1.4 46.5 65 10 20 5 山西组 N07 41.7 2.7 5.5 3.0 2.3 44.8 68 9 18 5 N06 40.0 2.1 3.7 7.3 1.2 45.7 65 11 18 6 N05 49.0 8.6 42.4 80 11 7 2 N04 31.9 0.9 1.1 4.5 4.1 57.5 36 13 43 8 N03 37.1 1.6 8.6 1.0 51.7 42 15 35 8 N02 41.1 1.2 3.7 1.3 7.4 45.3 76 5 15 4 太原组 N01 36.7 3.7 2.9 7.2 49.5 61 13 20 6 ChaoXing 22 煤田地质与勘探 第 46 卷 图 2 淮南煤田 1001 钻孔含煤岩系采样位置图与沉积相分析综合柱状图 Fig.2 The sampling location and comprehensive sedimentary facies column of coal measures in Huainan coalfield 3 沉积岩石学特征 研究区含煤岩系主要发育砂岩、泥岩和石灰岩 3 类岩石。其中砂岩主要发育于下石盒子组和山西 组，太原组仅发育薄层；泥岩在整个含煤岩系均有 分布，常与煤层、粉砂岩伴生；而石灰岩仅发育于 太原组，且含量极丰富。根据岩性组合，研究层位 可分为 23 套岩性序列，其中太原组为 11 套“灰泥” 组合序列，山西组和下石盒子组分别发育 4 套和 8 套“砂泥”组合序列。 3.1 岩性序列 太原组厚度 106.42 m，其中灰岩累计厚度为 74.15 m， 约占总厚度的70， 泥岩累计厚度32.27 m， 以黑色泥岩为主；太原组依据岩性自下而上可划分 为 11 组岩性序列，每组序列主要由泥晶灰岩或泥 晶生物碎屑灰岩和黑色泥岩或铝质泥岩、粉砂岩 组成；太原组下部各组序列石灰岩之上多为黑色泥 岩，而太原组上部石灰岩之上多为铝质泥岩，夹杂 砂岩和粉砂岩。 山西组厚度 75.95 m，主要由泥岩、泥质砂岩、 ChaoXing 第 1 期 余坤等 淮南煤田含煤岩系沉积相类型特征与演化以新集井田 1001 钻孔为例 23 砂岩和煤层组成；根据岩性自下而上可分为 4 组岩 性序列，第 1 序列岩性从黑色泥岩粉砂质泥岩 细粒砂岩到煤层结束，其他序列碎屑岩粒度自下而 上逐渐变细，从中粒砂岩细粒砂岩粉砂质泥岩 泥岩，均呈正粒序。 下石盒子组厚度 129.18 m， 主要由中–细粒砂岩、 粉砂岩、砂泥互层、泥岩和煤层组成，根据岩性自下 而上可分为 8 组岩性序列 下段由 6 组序列组成， 每 组序列下部为中–细粒砂岩，上部为泥岩或粉砂质泥 岩，呈正粒序；上段为 2 组序列，粒度自下而上逐渐 变细，由细粒砂岩过渡到泥岩，顶部为煤层。 3.2 砂岩分类及特征 统计结果显示砂岩类型主要为细粒石英砂岩和 石英粉砂岩表 2。太原组砂岩常与泥岩互层，下段 发育石英细砂岩，中上段主要发育泥质粉砂岩，石 英粉砂岩次之，由下至上粒度逐渐变细，水平层理 与透镜状层理发育；太原组 S02 号砂岩图 3c中碎 屑颗粒磨圆度为次棱角状–次圆状，分选好，粒径分 布 0.050.1 mm， 泥质胶结， 其中偶见重矿物富集现 象，可见少量黑色电气石，反映母源物质可能为花 岗岩；一般来说，分选较好的中–细粒砂岩中重矿物 富集是海滩环境的重要标志[8]。 山西组砂岩较发育， 其中细粒石英砂岩极发育， 中粒石英砂岩次之，每个岩性序列中砂岩质量分数 40， 且呈较好的正粒序性； 山西组 S07 号砂岩图 3b中碎屑颗粒的磨圆度为次圆状、分选较好、粒径 约 0.05 mm，硅质胶结。 下石盒子组砂岩发育，约占本组全岩层位的 60，以细粒石英砂岩为主，在各个岩性序列中表 现为较好的正粒序性；本组 S12 号砂岩图 3a中碎 屑颗粒的磨圆度为次圆状–圆状、分选好、粒径约 0.1 mm，硅质胶结。此外，海绿石在研究区含煤岩 系砂岩图 3b中可见，单偏光显微镜下呈鲜绿色或 黄绿色，粒径约 0.05 mm，形态呈次圆状和粒状， 在正交偏光下表现为集合偏光，无消光，存在于石 英颗粒孔隙之间，多出现在灰绿色砂岩中；根据近 年研究成果认为，石炭–二叠纪海绿石形成环境复 杂，在滨海平原相及三角洲沉积均可出现，由此可 见研究区海绿石可能是海陆过渡环境的产物。 表 2 砂岩样品数据统计表 Table 2 Statistics of sandstone samples 样品号 岩性 层位 S14 细粒石英砂岩 下石盒子组上段 S13 细粒石英砂岩 下石盒子组中上段 S13 细粒石英砂岩 下石盒子组中段 S11 泥质粉砂岩 下石盒子组中段 S10 泥质粉砂岩 下石盒子组中下段 S09 细粒石英砂岩 下石盒子组中下段 S08 石英粉砂岩 下石盒子组下段 S07 细粒石英砂岩 山西组中上段 S06 中粒石英砂岩 山西组中段 S05 泥质粉砂岩 山西组中段 S04 中粒石英砂岩 山西组中段 S03 细粒石英砂岩 山西组下段 S02 泥质粉砂岩 太原组上段 S01 细粒石英砂岩 太原组下段 注a下石盒子组，灰黑色石英粉砂岩，单偏光，40；b山西组，灰白色石英粉砂岩，含海绿石，单偏光，40； c太原组，灰黑色石英粉砂，单偏光，40 图 3 砂岩薄片镜下照片 Fig.3 The microscopic photos of sandstone samples 3.3 泥岩分类及特征 根据研究区含煤岩系泥岩颜色、结构构造和成 分将泥岩划分为黑色泥岩、铝质泥岩、粉砂质泥岩。 黑色泥岩在各层均有分布，黏土矿物中以伊利石为 主，高岭石含量较少。太原组黑色泥岩多具水平层 理，常见黄铁矿，植物碎屑少，反映滞流还原环境； 山西组与下石盒子组黑色泥岩发育，植物碎屑多。 铝质泥岩主要分布在太原组中上部，铝质丰富，且 黄铁矿结核发育。灰色和深灰色粉砂质泥岩主要分 布于下石盒子组，砂质含量高、具红色花斑。 ChaoXing 24 煤田地质与勘探 第 46 卷 对研究区所采集的 18 件泥岩样品进行 X 射线 衍射， 获得各组样品的黏土矿物组成表 1。 太原组、 山西组泥岩的黏土矿物主要为伊/蒙混层，而下石盒 子组泥岩的黏土矿物主要为高岭石，伊/蒙混层比例 较少，个别所占比例大。前人研究指出黏土矿物有 一定的指相意义[9]，根据研究区实际沉积环境分析， 下石盒子组黏土矿物主要是高岭石，反映的是陆相 沉积环境，太原组、山西组黏土矿物中伊利石较发 育，因而具有限制海相环境的成因标志。 国内外研究表明，煤系中黄铁矿结核一般出现 在滨海平原环境中[10-13]。在太原组及山西组下段泥 岩样品中可见黄铁矿结核图 4， 太原组到下石盒子 组，黄铁矿含量减少，则研究区从太原组山西组， 沉积环境由海陆过渡相逐渐转变为陆相，沉积环境 古水深降低、氧浓度升高，沉积环境的还原性减弱， 氧化性增强，从而限制了黄铁矿的生成。 图 4 黄铁矿含量分布图 Fig.4 Distribution of pyrite content 3.4 石灰岩分类及特征 研究区石灰岩主要发育在太原组，按照生物碎屑 成分及结构构造可分为生物碎屑灰岩和泥晶灰岩。 a. 生物碎屑灰岩 主要发育于太原组下段，厚 度约 35 m，分为泥晶屑灰岩、泥晶虫屑灰岩和泥 晶介屑灰岩 3 类。生物碎屑灰岩，风化面为灰白色， 新鲜面为灰黑色，总体生物碎屑质量分数较小约 10，平行层理发育，偶见节理，节理内部被方解 石充填，自下往上生物碎屑含量呈减少趋势。 b. 泥晶灰岩 发育于太原组上段， 厚度约20 m， 风化面呈灰白色，新鲜面灰黑色，泥晶结构，生物 碎屑含量很少或基本不含生物碎屑，含藻类化石， 发育缝合线构造，中间夹 2 层厚度约 0.1 m 的黑色 泥岩，形成于深水低能的水体环境。部分泥晶灰岩 在沉积过程中被生物扰动或遭受区内构造运动变 形，形成生物扰动泥晶灰岩。 此外，笔者在研究区太原组中识别出 2 组风暴 沉积序列图 5。序列Ⅰ组为亮晶生物碎屑灰岩 A 单元、泥质粉砂岩 B 单元及黑色泥岩 C 单元。序列 底部与正常背景沉积的泥岩呈侵蚀接触，为风暴事 件初期经过该区时低气压涡流作用而形成，随着风 暴作用的进行，亮晶生物碎屑灰岩体单元与泥质粉 沙岩体单元之间发育铸模构造，铸模底部为介壳层 充填，上部发育亮晶生物碎屑灰岩角砾图 5，分选 性极差，呈不规则状。随着风暴作用能量逐渐降低， 向上泥质粉砂岩粒度逐渐变细，碎屑含量降低，至 风暴作用结束，悬浮在水体中的大量泥质逐渐沉积 下来形成一套厚层泥岩。 图 5 太原组风暴沉积序列 Fig.5 Depositional sequences of tempestites of Taiyuan For- mation 而后又发育风暴序列Ⅱ组，由生物碎屑灰岩 D 单元与黑色泥岩 C 单元组成，序列底部与下覆泥岩 发育波状侵蚀面，其上发育一套介壳层，随着风暴 能量降低，生屑含量逐渐降低，粒度变细，风暴结 束时至平静期水体中泥质沉积为一套黑色泥岩。 根据 2 期风暴事件形成的泥岩层厚度及石灰岩层 遭受改造的程度分析可知，前期的能量较大，持续周 期较长，对该区沉积序列有较强的改造作用；后期相 对能量较小，持续周期短，但也有明显的改造作用。 4 粒度分析 基于粒度分析校正值结果，将其导入软件自动 生成概率累计曲线及频率分布曲线图 6， 并计算各 种粒度参数[14]。 太原组概率累计曲线以跳跃组分为主，反映碎 屑沉积物遭受强烈的波浪冲洗改造作用；粒度分析 参数体现分选性好，正偏，峰度等级尖锐；跳跃组 分总体分布在24Φ，体积分数大于 90；曲线特 征反映临滨过渡带沉积环境。 山西组概率累计曲线为跳跃组分和悬浮组分组成 的 2 段式，二者均占一定比例，反映波浪的冲洗改造 作用及显著的回流作用；粒度分析参数体现分选性较 好，正偏或对称，双峰且峰值尖锐-中等；跳跃组分分 布在13Φ， 体积分数约60， 悬浮组分分布在34Φ， 体积分数约 40，分断点为 3Φ；曲线特征与河口沙坝 分流间湾组成的三角洲前缘特征极其一致。 ChaoXing 第 1 期 余坤等 淮南煤田含煤岩系沉积相类型特征与演化以新集井田 1001 钻孔为例 25 下石盒子组概率累计曲线为跳跃组分和悬浮组 分组成的两段式， 跳跃组分所占比例较大， 反映颗粒 沉积物遭受强烈的流水冲洗改造作用； 粒度分析参数 体现分选较好，正偏，峰值中等–尖锐；在概率累计 图上，跳跃组分与悬浮组分交于 3Φ 左右。由于水动 力条件较弱， 泥质悬浮组分累计沉积， 故出现少量悬 浮组分； 曲线特征反映了下石盒子组沉积环境是由分 流河道分流间洼地天然堤组成的三角洲平原。 图 6 砂岩样品概率累积图和频率曲线分布图 Fig.6 Cumulative probability and frequency distribution of sandstone samples 根据李增学[15]提及的 Friedman 划定的河流砂 与海滩砂的离散分布界线得出图 7，太原组是海 滩砂，反映了太原组受到滨海环境影响，山西组 以河流砂为主，个别落在海滩环境或者边界上， 反映出山西组砂岩形成于过渡环境之中，下石盒 子组则为河流砂，可能为三角洲环境也可能为陆 相河流环境。 5 沉积相类型特征及演化 自奥陶纪晚期以来，华北板块经历长期的抬升 图 7 含煤岩系各组砂岩的偏度与标准偏差离散图 Fig.7 The discrete figure of skewness and standard deviation of the sandstone in coal measures ChaoXing 26 煤田地质与勘探 第 46 卷 风化剥蚀[16]，在晚石炭世海平面开始上升，研究区 发生了海侵事件，沉积物开始充填，研究区表现为 陆表海沉积向海陆过渡相三角洲沉积的演化，海水 进退频繁。整个过程分为 2 个阶段第 1 阶段是陆 表海沉积阶段，在研究区表现为太原组沉积期，主 要发育障壁海岸、碳酸盐潮坪沉积体系；第 2 阶段 是海陆过渡相三角洲阶段，在研究区表现为山西组 和下石盒子组沉积期， 主要发育三角洲前缘–三角洲 平原相。 晚石炭世早期，海水进退频繁，研究区太原组 发育障壁海岸–潮坪沉积体系、 泥坪和混合坪微相与 局限潮下坪微相共生，石灰岩极发育，其间分布薄 层粉砂岩和泥岩，低能的浅水环境适合生物生长； 总体上发生 3 次大规模海侵事件[5]，代表陆表海的 充填阶段。 至早二叠世早期，海平面下降，研究区山西组 发育三角洲前缘沉积相，远砂坝、河口砂坝、水下 分流河道、水下天然堤及分流间湾微相共生。由于 研究区离海近，三角洲前缘沉积过程中受到海侵影 响，发育 4 套正粒序旋回，海陆过渡三角洲相在破 坏中不断进积。早二叠世末期，华北地区发生大规 模海退，河流作用逐渐取代了海水作用的影响，研 究区下石盒子组发育三角洲平原沉积体系，分流河 道、天然堤、泥炭沼泽及分流间洼地微相共生，研 究区进入陆相三角洲充填阶段。 晚古生代，淮南煤田沉积环境演化经历了由海 相、过渡相至陆相沉积，在沉积建造中，障壁海岸– 碳酸盐潮坪沉积体系、 海陆过渡相–河控三角洲体系 交互递进，每种沉积体系又可划分若干微相，沉积 演化进程兼备华南、华北沉积特征。从岩相地层层 序演化及相变上看，研究区煤系形成了一套海陆过 渡相的含煤地层体系，具有良好的烃源岩层位，而 煤层、砂岩及泥岩交互共生，形成了良好的煤系气 体生储盖组合。 6 结 论 a. 依据岩性太原组自下而上可划分为 11 组灰、 泥旋回，其间发生过 2 次风暴事件沉积序列；山西 组自下而上可分为 4 组砂、泥旋回；下石盒子组自 下而上可分为 8 组砂、泥旋回。研究区煤系形成了 一套海陆过渡相的含煤沉积体系，具有良好的烃源 岩层位，而煤层、砂岩及泥岩交互共生，形成良好 的煤系气体生储盖组合。 b. 在粒度分析曲线上太原组曲线特征反映浅 海临滨带沉积环境，山西组曲线特征河口沙坝与分 流间湾组成的三角洲前缘特征十分相符，下石盒子 曲线特征反映了有分流河道分流间洼地天然堤 组成的三角洲平原沉积环境。此外，太原组砂岩、 山西组底部砂岩都在海滩砂的范围内，下石盒子组 砂岩大部分在河流砂范围， 进一步对上述观点佐证。 c. 晚石炭世早期，海水进退频繁，研究区太原 组发育障壁海岸–潮坪沉积体系、 泥坪和混合坪微相 与局限潮下坪微相共生，总体上发生 3 次大规模海 侵事件，代表陆表海的充填阶段。至早二叠世早期， 海平面下降， 研究区山西组发育三角洲前缘沉积相， 远砂坝、河口砂坝、水下分流河道、水下天然堤及 分流间湾微相共生，海陆过渡三角洲相在破坏中不 断进积。早二叠世末期，研究区河流作用逐渐取代 了海水作用的影响，下石盒子组发育河控三角洲平 原沉积体系，分流河道、天然堤、泥炭沼泽及分流 间洼地微相共生，进入陆相三角洲充填阶段。 参考文献 [1] 潘文庆，陈永权，熊益学，等. 塔里木盆地下寒武统烃源岩沉 积相研究及其油气勘探指导意义[J]. 天然气地球科学，2015， 2671224–1232. 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