川东金刚矿区须家河组层序–古地理及聚煤特征_周倩羽.pdf

第 44 卷 第 2 期 煤田地质与勘探 Vol. 44 No.2 2016 年 4 月 COAL GEOLOGY 2. 137 Exploration Team, Sichuan Bureau of Coal Geological Exploration, Dazhou 635006, China Abstract Sequence-paleogeography and coal-accumulating characteristics of the Late Triassic Xujiahe ation in Jingang mining area of eastern Sichuan basin were studied based on the data from outcrops, borehole cores, and geophysical logging. According to the color discontinuity surface of strata, basal erosional surfaces of the incised valley filled with sandstone and the vertical facies reversal surface, four third-order sequences were subdivided in Xujiahe ation, in which sequence III and sequence IV representing the coal-bearing members in the study area, were corresponding respectively to the intervals from member 4 to member 5 and from member 6 to member 7. Taking the third order sequences as the mapping unit, we have reconstructed the lithofacies-paleogeography pattern of sequence III and sequence IV. During deposition of sequence III and sequence IV, the main paleogeographical units were the meandering river and fluvial delta, with Jiangnan Oldland to the east as the major provenance. The mineable coal seams were mainly developed in the transgressive systems tract TST, with relatively thick coals in sequence IV. The coal in sequence III was deposited in the interdistributary bay of the lower delta plain environ- ment and the coal in sequence IV was ed in the back swamp of the meandering river environment. Key words Jingang mining area; Upper Triassic; Xujiahe ation; sequence stratigraphy; palaeogeography; coal-accumulating characteristics 四川盆地是我国地质研究的热点能源盆地之 一，针对其西部、中部及东部等地区晚三叠世沉积 环境[1-2]、构造演化[3]、层序地层[4-5]、岩相古地理[6]、 聚煤特征[7]以及油气成藏模式[8]等方面， 众多学者进 行了研究和深入探讨，对于层序格架下古地理特征 以及煤层的聚集模式方面并没有完全统一的定论。 达县金刚矿区位于四川盆地东部，是四川盆地晚三 叠世最后一个成煤期的重要聚煤中心，基于前人研 ChaoXing 第 2 期 周倩羽等 川东金刚矿区须家河组层序–古地理及聚煤特征 9 究成果，通过对金刚矿区晚三叠世须家河组露头剖 面、岩心及测井资料的综合研究，划分含煤岩系的 沉积体系，分析层序地层格架及岩相古地理特征， 提出层序地层格架内的聚煤规律，为四川盆地的煤 田勘探预测提供依据。 1 区域地质背景 四川盆地为大型构造－沉积盆地， 呈菱形展布。 西、 北分别以龙门山推覆造山带和米仓山-大巴山隆 起为界，东南则以江南古陆相邻图 1。早三叠世晚 期，盆地为海相沉积，中三叠世末期经历早印支运 动，海侵终止，至晚三叠世早期，随着东北缘大巴 山山地与东南缘江南山地的抬升，内陆湖泊体系及 河流体系开始发育[9]。达县金刚矿区位于四川盆地 东部，面积 27.228 km2，构造位置为川东褶皱带中 山背斜北段，中山背斜整体轴向呈北东 1015 展布，为矿区主体控制性构造，东侧有景市向斜， 西侧为达县向斜，基本相互平行，背斜紧密而向 斜宽缓。 图 1 四川盆地构造纲要图据文献[10]，修改 Fig.1 Structural outline in Sichuan basin 该区地层由老至新依次为三叠系上统须家河 组，侏罗系下统珍珠冲组、中下统自流井组、中统 新田沟组和沙溪庙组。本区晚三叠世含煤地层为一 套陆相含煤地层， 须家河组岩性以长石中-细粒砂岩 及粉砂岩为主，次为泥岩、黏土岩及煤层，自下而 上划分为七段，第一、三、五、七段为含煤段，以 泥岩为主，夹薄层粉砂岩、碳质泥岩和煤线；第二、 四、 六段为砂岩段， 以灰色、 灰白色细-中砂岩为主， 夹薄层泥岩。 矿区主要含煤地层为第七段和第五段， 本文针对金刚矿区须家河组四到七段层序格架下古 地理及煤层分布特征进行了详细研究。 2 层序地层格架及岩相古地理特征 本文采用 Exxon 公司“Vail”学派的观点，并 综合各专家学者[11-12]在陆相层序地层研究方面的成 果来进行层序划分。 2.1 关键界面识别 2.1.1 层序界面 金刚矿区晚三叠世含煤地层须家河组共划分为 两个层序，识别出以下三种层序界面 地层颜色突变面 上三叠统地层颜色主要为 灰、黑色，上覆下侏罗统地层颜色转变为一套杂色 红层，代表温暖潮湿转变为炎热干燥的一次古气候 变化，具有区域等时的特征。如研究区地层颜色由 上三叠统须家河组七段灰、黑色向上过渡至下侏罗 统珍珠冲组变为紫红色。 沉积相转换面 沉积物在层序边界之下粒度由 细变粗，之上又由粗变细，表现为水体先变浅又逐 渐变深的过程，这种层序界面能反映出沉积环境在 垂相上的变化。如研究区须家河五段到六段由三角 洲沉积体系转变为曲流河沉积体系。 下切谷砂体底部河流冲刷面 随着湖平面相对 下降，河流体系发育，由河流回春作用形成的下切 谷是层序界面的典型标志。可根据下切谷砂体的规 模及其垂向的叠置关系把层序界面处的下切谷沉积 与次一级层序的河道砂岩相区别。如研究区须家河 组四段、六段砂体底部冲刷面可视为层序界面。这 些砂岩底界面常为河道强烈下切形成的区域性冲刷 面，其上、下沉积环境，陆源碎屑成分及微量元素 组成等一般都有明显变化。 2.1.2 初始湖泛面 即湖水首次漫过坡折带或下切谷而形成的界 面，此界面之上水体变深且沉积范围变大。研究区 须家河组所识别的初始湖泛面一般是指四、六段下 切河道砂砾岩上覆的湖相泥岩、粉砂质泥岩和粉砂 岩等细粒岩石的底界面。初始湖泛面在河道不发育 的区域与层序界面重合时， 古土壤可能比较发育[13]。 2.1.3 最大湖泛面 即一个基准面旋回内基准面或可容空间速率 增加最快、水体最深时形成的沉积面。岩性上表 现为一套向上变细的沉积序列，代表水体最深的 岩相如浅湖相泥岩和粉砂质泥岩以相对较大的 厚度出现时，其底面即为最大湖泛面；若此岩相 在剖面上重复出现，则厚度向上变到最大的层位 底界面即为最大湖泛面[14]。研究区须家河组最大 湖泛面一般是指五段和七段分流间湾或泛滥盆地 泥岩的顶面。 ChaoXing 10 煤田地质与勘探 第 44 卷 2.2 层序划分 在前人研究基础上，通过对研究区露头、岩心以 及测井等资料的分析，并依据区内识别出的关键层序 界面，将研究区须家河组四至七段划分为 2 个三级层 序， 对应四川盆地东部须家河组层序III和IV[7] 图2。 图 2 研究区上三叠统须家河组含煤段沉积相发育断面 图南北向 Fig.2 Cross-section of sedimentary facies development of the coal-bearing members of the Upper Triassic Xujiahe ation in Jingang mining areaN-S 2.2.1 层序 III 对应于须家河组四段和五段。本研究区钻孔均 未完全揭露须家河组四段，该层序低位体系域不完 整，湖侵体系域和高位体系域完整。 低位体系域 对应须家河组四段。主要为灰色 细-中砂岩，见小型交错层理和平行层理。三角洲平 原分流河道沉积较发育。 湖侵体系域 位于须家河组五段下部。主要为 细砂岩、粉砂岩和泥岩的互层，间夹煤层。见水平 层理、交错层理和波状层理，以及植物化石印痕。 沉积相主要表现为下三角洲平原分流间湾沉积，且 岩石粒度整体向上变细，反映了当时湖水由浅变深 的环境。该体系域煤层发育薄，横向上连续性较差。 高位体系域 位于须家河组五段上部。主要岩 性包括黑灰色泥岩和粉砂岩以及灰色细砂岩。见水 平层理、波状层理。沉积相主要表现为下三角洲平 原的分流河道沉积过渡到分流间湾沉积。该体系域 煤层基本不发育。 2.2.2 层序 IV 对应于须家河组六段和七段。低位体系域、湖 侵体系域和高位体系域全区发育。 低位体系域 位于须家河组六段。砂体较为发 育，且粒度较粗，主要为浅灰色中砂岩和细砂岩。 见大型的板状、楔状交错层理，底部发育冲刷面。 以边滩沉积为主，亦见废弃河道沉积。该体系域煤 层不发育。 湖侵体系域 位于须家河组七段下部。主要有 深灰色粉砂岩、泥岩、煤。发育水平层理，见植物 化石印痕。该时期泛滥平原沉积为主，整体岩性较 细，表明湖侵达到最大位置。该体系域煤层发育较 好，横向上连续。 高位体系域 位于须家河组七段上部。岩性以 灰色粉砂岩、细砂岩、黑色泥岩为主，见煤线。水 平层理普遍发育。整体表现为向上变细的旋回，主要 为曲流河的边滩沉积。该体系域煤层基本不发育。 2.3 岩相古地理特征 选取区内揭露地层较全、分布均匀的典型钻孔 数据，在单剖面和对比剖面沉积相分析的基础上， 综合讨论沉积相的平面展布。其中砂泥比可反映主 要河道和砂体形态及分布特征，对沉积相带的划分 起着关键作用，即以层序 III、IV 的砂泥比等值线为 主，结合其他相关参数综合分析，恢复研究区晚三 叠世层序 III、IV 的岩相古地理。 在层序 III 沉积时期， 地层厚度在平面上由东南 向西北逐渐增厚，说明该时期沉积中心位于矿区西 北部。层序 III 砂泥比整体较低（图 3），与研究区钻 孔均未完全揭露须四段有关，该层序低位体系域不 完整，须四段为砂岩段，因此利用层序 III 砂泥比划 分该时期沉积相带时主要依据砂泥比值的相对变化 规律。砂泥比等值线图显示研究区自东南向西北砂 泥比值逐渐降低，反映出该时期沉积物粒度沿此方 向由粗到细变化，水体逐渐变深，体现出下三角洲 平原向三角洲前缘的过渡。综合分析恢复了层序 III 古地理图 4，研究区主要发育三角洲相，下三角洲 平原沉积主要分布于矿区的东南部；三角洲前缘主 要分布于西北部，煤层厚度整体上自东南至西北逐 ChaoXing 第 2 期 周倩羽等 川东金刚矿区须家河组层序–古地理及聚煤特征 11 图 3 层序 III 砂泥比等值线图 Fig.3 The ratio of sandstone to mudstone of sequence III 图 4 层序 III 岩相古地理与煤层总厚度图 Fig.4 Lithofacies-paleogeography map and total thickness of coal seams of sequence III 渐减小，物源来自矿区东南部的江南古陆。 在层序 IV 沉积时期，地层厚度分布不均匀，平 面上地层厚度依旧总体表现为由西北向东南逐渐减 薄，说明沉积中心在研究区西北部。层序 IV 砂泥比 等值线图显示图 5， 研究区砂泥比值东南部较西北 部厚，等值线的起伏变化反映了河道和两侧岸后沼 泽的相对位置，结合煤层厚度的变化，综合分析恢 复了层序 IV 古地理图 6，主要发育曲流河相，河 道自研究区东南部向西北方向发育，河道两侧岸后 沼泽发育，并连结成广泛的泛滥盆地沉积。古流向 数据[15-16]亦显示该区域存在自东南至西北的古流向， 说明该沉积期主要物源为矿区东南侧的江南古陆。 图 5 层序 IV 砂泥比等值线图 Fig.5 The ratio of sandstone to mudstone of sequence IV 3 层序格架中的聚煤规律 研究表明，泥炭的堆积与保存需要有较高的地下 水位来阻止植物被氧化， 同时还要确保植物不被淹没， 从层序地层学的观点来看，厚煤层形成的基本要素为可 容空间增加速率需长时间与泥炭堆积速率保持平衡[17]。 河流-三角洲环境中，靠近物源区地带陆源碎屑 充足， 盆地为补偿-过补偿沉积， 此状态下可容空间增 加速率需足够大才能与泥炭堆积速率保持一致[18]，随 着基准面不断上升， 至湖侵体系域中期-末期靠近最 ChaoXing 12 煤田地质与勘探 第 44 卷 图 6 层序 IV 岩相古地理与煤层总厚度图 Fig.6 Lithofacies-paleogeography map and total thickness of coal seams of sequence IV 大湖泛面的位置厚煤层一般比较发育，进入高位体 系域，基准面上升速率减小，可容空间增加速率小 于泥炭堆积速率，不利于煤层形成；盆地内部一般 为欠补偿状态，沉积速率低于基准面上升速率，此 时厚煤层在湖侵体系域初期-中期靠近初始湖泛面 的位置较发育。研究区 ZK5-1 孔离物源区较近，湖 侵体系域中上部聚煤作用较强； ZK10-1 孔距物源区相 对较远，湖侵体系域中下部聚煤作用较强图 7。 图 7 金刚矿区须家河组聚煤模式 Fig.7 Coal accumulation of Upper Triassic Xujiahe ation in Jingang mining area 研究区层序格架内煤层的发育特征明显具有一 定规律，层序Ⅲ煤层较薄，层序Ⅳ煤层较厚，聚煤 作用强于层序Ⅲ；煤层均形成于湖侵体系域，高位 体系域和低位体系域几乎不发育煤层。 层序Ⅲ沉积时期，主要属于湖退沉积过程中的 三角洲沉积，由图 3 看出研究区西北部砂泥比值较 低，说明细粒沉积物较多，发育三角洲前缘沉积， 水体较深，不利于成煤，煤层厚度均小于 1 m；沼 泽和泥炭沼泽沉积广泛分布于矿区东南部下三角 洲平原的分流间湾地区。整体上，该时期煤层厚度 由东南向西北逐渐减薄，煤层沉积厚度为 0.36 4.41 m，平均厚度为 1.86 m，煤层较薄，层数多， 横向上连续性较差图 4。 层序 IV 沉积时期， 随着盆地东南部逐渐向西北 部沉积，曲流河范围逐渐扩大，三角洲范围逐步缩 小，整体相带向西北迁移。曲流河的泛滥盆地是该 时期的重要成煤环境，结合图 5 和图 6 可见，河道 所在区域砂泥比值较高，粗碎屑沉积较多，不利于 成煤，煤层厚度较小；河道两侧砂泥比值较低，发 育岸后沼泽，进一步扩张成为一个大的泛滥盆地沼 泽，是重要的聚煤场所，煤层较厚。该时期煤层沉 积厚度为 0.743.59 m，平均厚度为 1.97 m，煤层较 厚，层数较少，横向上连续性较好，矿区西南部和 西北部为煤层厚度的高值区；煤层厚度在平面上整 体的趋势为由东向西逐渐增厚，可以看出离湖侵方 向越近，煤层的厚度越大，煤层的增厚等值线随着 湖岸线的迁移而迁移图 6。 综上所述， 层序 IV 曲流河沉积体系最有利于聚 煤，聚煤中心位于矿区西南部和西北部；其次为层 序 III 三角洲沉积体系，聚煤中心位于矿区南部。煤 层均主要位于湖侵体系域。对研究区聚煤中心的预 测， 为今后在接替区以及新区开展找煤工作具有一 定的指导意义， 所预测的聚煤中心是勘探工作的重 点区域。 4 结 论 a. 依据区内所识别出的地层颜色突变面、沉积 相转换面和下切谷砂体底部河流冲刷面 3 种类型的 层序界面，将研究区上三叠统地层划分为 2 个三级 层序，其中层序 III 对应于须家河组四段和五段，层 序 IV 对应于须家河组六段和七段。层序 III 主要为 三角洲沉积体系，且在全区发育；层序 IV 主要发育 曲流河沉积体系，河道自研究区东南部向西北方向 发育，沉积物主要来自东南侧的江南古陆。 b. 研究区上三叠统成煤环境主要为岸后泛滥 ChaoXing 第 2 期 周倩羽等 川东金刚矿区须家河组层序–古地理及聚煤特征 13 盆地沼泽和分流间湾沼泽。煤层主要形成于层序 IV 和层序 III 的湖侵体系域， 这些层位具备了大规模泥 炭富集与保存的条件。 层序 III 湖侵体系域聚煤环境 为下三角洲平原分流间湾，聚煤作用相对较差，层 序 IV 湖侵体系域聚煤环境主要为曲流河岸后泛滥 盆地沼泽，聚煤作用较强。 参考文献 [1] 毛琼，郑荣才，邹光富，等. 川东北前陆盆地上三叠统沉积相 及沉积演化[J]. 沉积与特提斯地质，2012，3211-11. MAO Qiong，ZHENG Rongcai，ZOU Guangfu，et al. Upper Triassic sedimentary facies and sedimentary evolution in the northeastern Sichuan foreland basin [J]. Sedimentary Geology and Tethyan Geology，2012，3211-11. [2] 李英娇，阳伟，邵龙义，等. 四川盐源晚三叠世煤系沉积环境 与层序地层[J]. 煤田地质与勘探，2014，4221-8. LI Yingjiao，YANG Wei，SHAO Longyi，et al. Sedimentary environments and sequence stratigraphy of Late Triassic coal-bearing strata in Yanyuan area，Sichuan Province[J]. Coal Geology Exploration，2014，4221-8. [3] LI Yingjiao，SHAO Longyi，ERIKSSON K A，et al. Linked sequence stratigraphy and tectonics in the Sichuan continental foreland basin, Upper Triassic Xujiahe ation, southwest China[J]. Journal of Asian Earth Sciences，2014，88116-136. [4] 朱如凯，白斌，刘柳红，等. 陆相层序地层学标准化研究和层 序岩相古地理以四川盆地上三叠统须家河组为例[J]. 地学 前缘，2011，184131-143. ZHU Rukai，BAI Bin，LIU Liuhong，et al. Research on stan- dardization of continental sequence stratigraphy and palaeo- geographyA case study from the Upper Triassic Xujiahe for- mation in Sichuan basin[J]. Earth Science Frontiers， 2011， 184 131-143. [5] 鲁静，邵龙义，冉隆明，等. 宝鼎盆地晚三叠世煤系层序地层 与聚煤规律[J]. 煤田地质与勘探，2008，3661-6． LU Jing，SHAO Longyi, RAN Longming, et al. A sequence stratigraphic analysis and coal accumulation of Late Triassic coal measures in the Baoding basin[J]. Coal Geology Exploration, 2008，3661-6. [6] 郑荣才，李国辉，常海亮，等. 四川盆地东部上三叠统须家河 组层序-岩相古地理特征[J].中国地质， 2015， 424 1024-1036. ZHENG Rongcai，LI Guohui，CHANG Hailiang，et al. Sedimentary sequence and paleogeographic characteristics of the Upper Triassic Xujiahe ation ineastern Sichuan basin[J]. Geologyin China，2015，4241024-1036. [7] 高彩霞，邵龙义，李长林，等. 四川盆地东部上三叠统须家河 组层序地层及聚煤特征研究[J]. 古地理学报，2009，116 689-696. GAO Caixia，SHAO Longyi，LI Changlin，et al． Sequence stratigraphy and coal accumulation of the Upper Triassic Xujiahe ation in eastern Sichuan basin[J]. Journal of Palaeo -geography，2009，116689-696. [8] 盘昌林，刘树根，马永生，等. 川东北须家河组储层特征及主控 因素[J]. 西南石油大学学报自然科学版，2011，33327-34. PAN Changlin，LIU Shugen，MA Yongsheng，et al. Reservoir characteristics and main controlling factors of the Xujiahe For- mation in northeastern Sichuan basin[J]. Journal of Southwest Petroleum University Science Technology Edition，2011， 33327-34. [9] 喆田继军，姜在兴，李熙，等. 川西前陆盆地上三叠统层序地 层学研究[J]. 天然气工业，2008，28230-33. TIAN Jijun，JIANG Zaixing，LI Xizhe，et al．Sequence stratigraphy of Upper Triassic in western Sichuan foreland ba- sin[J]. Natural Gas Industry，2008，8230-33. [10] 童崇光， 胡受权. 龙门山山前带北段油气远景评价[J]. 成都理 工学院学报，1997，2421-8. TONG Chongguang， HU Shouquan. Prospective value of oil and gas in the foothill belt of the north Longmen Mountains[J]. Jour- nal of Chengdu University of Technology，1997，2421-8. [11] 邵龙义，鲁静，汪浩，等. 中国含煤岩系层序地层学研究进 展[J]. 沉积学报，2009，275904-912. SHAO Longyi，LU Jing，WANG Hao，et al. Developments of coal measures sequence stratigraphy in China[J]. Acta Sedimen- tologica Sinica，2009，275904-912. [12] 魏魁生，徐怀大，雷怀玉，等. 非海相层序地层学以松辽盆 地为例[M]. 北京地质出版社，19961-114. [13] AITKEN J F，FLINT S S. The application of high resolution sequence stratigraphy to fluvial systemsA case study from the Upper Carbonif-erous Breathitt Group，eastern Kentucky， USA[J]．Sedimentology，1995，4213-30. [14] 鲁静，邵龙义，刘天绩，等. 柴北缘鱼卡地区侏罗纪含煤地层 层序地层学研究[J]. 煤田地质与勘探，2007，3511-6． LU Jing，SHAO Longyi，LIU Tianji，et al. A sequence strati- graphic analysis of the Jurassic coal measures in Yuqia region of Northern Qaidam basin[J]. Coal Geography Exploration， 2007，3511-6. [15] 崔秉荃， 龙学明， 李元林. 川西拗陷的沉降与龙门山的崛起[J]. 成都地质学院学报，1991，18139-45. CUI Bingquan，LONG Xueming，LI Yuanli. The subsidence of western Sichuan depression and the rise of Longmenshan Moun- tains[J]. Journal of Chengdu College of Geology， 1991， 181 39-45. [16] 屈红军，马强，董云鹏，等. 大巴山前陆盆地晚三叠世侏罗 纪沉积中心的迁移及古流向[J]. 石油与天然气地质，2009， 305584-588. QU Hongjun，MA Qiang，DONG Yunpeng，et al. Migration of the LateTriassic-Jurassic depocenter and paleocurrent direction in the Dabashan for elandbasin[J]. Oil Gas Geology，2009， 305584-588. [17] STACH E，MACKOWSKY M T，TEICHMULLER M，et al. Stachs Textbook of Coal Petrology[M]. Berlin Stuttgart Gebrder Borntrager，19824-13. [18] AITKEN J F，FLINT S S. The application of high resolution sequen-cestratigraphy to fluvial systemsa case study from the Upper Carboniferous Breathitt Group， Eastern Kentucky， USA[J]. Sedimentology，1995，423-30． 责任编辑 晋香兰 ChaoXing