二十家子盆地煤系沉积环境和聚煤特征.pdf

1 9 9 3卑 辽 宁 地 质 学 报 BULLETI N OF THE GEOLOGI CAL S OC1 ETY OF L I AONI N G P R OVI NC E．C HI NA 第 l期 二十家子盆地煤系沉积环境和聚煤特征 王字 林李伯 祥邵靖 邦 ； ／ i 口 ～ 于 连 喜 恩 举 ／ ’∥ 。 ． _． ． ． - - - --- ， 东j 接1 O 勘 探队 t 摘要丰文 通过 磕定 橱缘扇 三 角制 相， 期 访桶， 冲积扇 相 和河 舛 【 相 四种沉积 相 的存在 ． 阐述 丁 十 家 于 盆地古 煤岩系 一 一 晚中生代 的 杳 同纽 、 元宝 山组的 沉积环 境 皿其 演化过 程。指 出 鞠接， 期馨 扇三 角湖 平原、扇前河沆的泛锰 地为主骂蘼煤环境，总结了它们的裹煤特 ，并提出具体的找煤方向。 关 蕾 谒至 翌 姻 茎 堡 至 錾，埠 1 地质概况 二十家子盆地面积约2 6 0 k m ，主体位于辽宁省建平县境 内，北部属 内蒙古 自治区 敖 汉旗 。盆 地 中部 的二十 家子煤 矿为 辽宁省朝阳市地 方煤炭工 业 的煤 产地 。 二十家子盆地的大地构造位置处于华北地台和海西 蒙地槽系的交接部位。许多地 质资料表 明 ，在 盆 地演 化早期 ，二十 家子地 区西南部 曾与八里罕一 平庄 地区 相 连 ，并作 为 “ 八里罕一 平庄 二十家子”晚巾生代断陷盆地的组成部分。但平庄与二十家子之间盆 地基底隆 起 、边 缘沉积相 以及古 流方 向相 背等证据 的存在 ，进 一步 表 明，二十家子与 平 庄在盆地演化早期就已分别为两个沉积中心，并在后来的盆地演化过程中 相当于杏园 组沉 积 中期，二者 完全 分隔为 不同 的沉积盆 地。 由于二十家 子地 区的聚煤作用发 生在 杏园 组沉 积的 中晚 期至元宝 山组沉 积早期 ，就此 而言 ，二十家 子地 区可 以看 作是一个独 立 的聚煤盆地。二十家子盆地的东，北、西三面以同沉积断裂为边界，南面 为自然侵蚀 边界 。 二十 家予盆 地沉积充填 基底及盆外地 层主 要是 奥陶一 志留纪 的浅 变质 岩系 ，石炭一 二 叠纪的局部轻微变质的碳磁盐岩一 碎屑岩系，侏罗纪的火山沉积岩系 充填于盆地内的地 层主要为 自垩纪的杏园组和元宝山组，二者为 含煤地层，其中，杏 园组 上部含薄煤层， 元宝 山组下 段 自上而下 含煤 1～ 7层 或层组 。 2 沉积相 类型 在野外收集相标志的基础上，通过编制沉积断面网络和有关砂、砾、煤体等厚线图 维普资讯 ● 第1 期 王字林等l二十掌子盆地煤系沉积环境和采煤特征 2 9 等工作 ，对二十家子 盆地 杏园组 和元宝 山组 识别 出湖 缘扇三角 洲相 、湖泊相 ，冲积 扇相 和河 流相 四种沉积相 类型。 各沉积 相的空 间配置情况如 图 1所示 。 A 日1 口2 口 3 回 4豳 5 图 1 二十家 子盆地煤系 沉积相的空 间配置示意图 F i g ． 1 S p a c L l d i s t r i b u t i n g g r a p h o f S e d i me n t a r y f a c i e s o f C o a l me a s t t r e s i n E s h { i i ； ／ z l b a s i n ’ A一 东西 向盐塘晰 面 -B 一 南北 』 可盆地断 面 1 - i | I| 积 扇柑} 2 一 捐缘扇 三角洲 柑}s 一 期 泊柑} 4 一 河 流一 三角蛳 柑j 一 河 讫相 为主 2 ． 1湖 缘扇 三角洲相 湖缘扇三角洲相分布 于盆地东、北、西三面盆缘断裂之内侧，发育于整个杏园组及 元宝山组底部，其上界相 当于元宝山组底部7 。 煤层。垂向上多个湖缘扇三角洲沉积旋回 构 成了 总体 由水进到水 遗的六 的沉积层序。该相 是湖泊 消亡之前盆 地充填 的重要 类型 。 湖缘扇三角洲相的砂、砑岩体在纵、横沉积断面上分别呈楔状和凸透镜状，其平面 形态 呈朵状 图 2钡 缘 扇三角 洲的近端相主要 是 由块状砾岩 构成 的泥石流沉积 和具大 型交错层理的砂质砾岩， 含砾砂岩所构成的扇面河道沉积 。 由近端相向盆地中央的湖泊方 向，依次是湖缘赢三角洲平原相和湖缘扇三角洲前缘相。前者主要是具大型交错屠理的 砂质砾 岩 ，砂岩 构成 的分 流河道沉 积和主要 由扰 动构造 、潜穴发育 的粉 砂岩 ，泥岩 受炭 质泥岩、煤层构成的沼泽、泥炭 沼泽沉积。后者则主要是县大型交错层理及小型波痕层 理 的砂岩 、粉 砂岩 构成 的河 口砂坝 沉积 图 3。 2 ． 2湖 泊相 湖泊相发育 于二十家子 盆地 中央 地域的杏 园组 ，可分为滨 浅湖相和 深阍相。滨浅 湖 相以具潜穴构造，小型波痰层理 ，台叶肢介等淡水动物化石的细砂岩，粉砂岩和块状砂 质涫岩为主，而深湖相则以块状层理或季节性微波状水平层理的记岩、老 争 砂质 泥 岩 为 主，并常央有具粒 序屡理、不清晰 的平行层理及块状层理的重力流沉积为特征。 2 ． 3 冲积扇 相 冲积 扇相 发育 于元 宝 山组 ，是在杏 园组 湖缘扇 三角洲相的 基础上演化而 成的。亦分 布 于盆地 东，北 、西三 面的盆缘 内侧。不论 在砂 、砾岩体的 几何 形态 方面 ，还是在沉 积 维普资讯 3 0 辽 宁 地 质 学 报 1 9 9 3 年 图 2 二十 家子矿区 元宝 山组 7 ’ 煤 层底砂体厚 度等值线 圈 Fi g． 2 Th e S a nd b o d y i s o pa ch ma p o f t h e No． 7 CO S e a m flo o r o f Yu a n b a o s h a n F o r ma t S n i n E r s h i j i a z i C 6 a l d i s i c t I 一 砂砾 岩苷厚 拽 -2 一 钻孔 位王 厦冀号 厚懂 埕 阵 环 境 雕 释 一 滑坪与 怩 璇沼 蝉l 潮 绿 扇 三 角 洲 平 邮 m 毫 目 6 0 m ， 讣 流河道 4 0 m 一 瑚蝾 廓三 珀硎 缘 c 2 0m 摘 靖三 插 硬 常湖 泊 O m 口1 口2 口3 固4 口5 6 圈7 固8 图 3 7 1 2 。 号钻 孔湖缘 扇三 角洲 沉积层序 Fi g ． 3 S e di me nt a r y s e q u e n c e o f t h e l a k e s i d e d e l t a i n No ． 7 1 2 3 b b r e h O l e 1 一 粗粒 砂岩j 2 一 中粒砂 岩 I 3 -- 粉社岩 J 4 --砂 ，扼岩 互 层I 5 一掂 岩I 6 -- 煤I 7 -- 大型空 错居理 - 8 一 小型被 癯屠理 物的 组 成特 征上 ，均 与湖缘 扇三角 洲相基本相 同。但除 二者 与其它沉积 相在 空间配 置方 面有 Ⅱ 之外 ，漫流沉 积是冲积 扇远端相 和扇 中相 的主 要成因 类型 之一 漫 流沉 积通常 表 ● 维普资讯 第l 期 王宇林等二十家手盆地煤系沉积茑 I 境和采煤特征 3 1 现 为块状层 理，平行层理或粒 序层理 的砂 岩及部分具 小型波痕层理的 粉砂岩。垂 向上既 有 向上变细或 向上变粗的层 序，也有 向上变粗 再变细的 层序。李思 田等在研 究 中国东北 部晚中生代断陷盆地冲积扇相时 曾经指出 “ 先反后正的复合粒序是冲积 扇中 段和 远 端单 层漫 流砂 体 内的标准粒 序 ，正粒 序，反粒 序和 无粒 序在不 同 水 动 力 条 件 下 的 变 种 ” ① 。 2 ． 4 河 流 相 河 流相 发育在盆 地南部的杏 园组 以及盆 地中央部位的元宝 山组 。前 者 以砂质砾岩或 砂岩构 成的 辫状 河沉 积为 主 ，若不从 缺乏 泥石 流及漫流等 成因类型的 组台特 点及砂 、砾 岩体几何形 态等方面 进行 综合分析 ，常与冲积 扇相 中的辫状 河道沉积不 易区 别，后者 为 冲积扇前扇源短 命河流的 产物 。这种 扇源 河流 与扇前 湿地 一起构 成了扇前 平原 。扇源河 流的短 命主要 与冲积扇面河道的频 繁改道有 关。扇源河 流的 河道 沉积主要 表现为具大 型 槽状 ，板 状交 错层 理的 砂岩相 ，其 厚度一般为 2 1 O m。在沉 积 断 面上，上平下 凸 的 河道砂 ，砾岩 体被 围陷”在 由砂质泥 岩，粉砂岩 及炭 质泥岩，煤层组 成 的 泛 滥盆 地 沉积中，形成 泥包砂”的宏观特征。不同时期的较大河道砂 体之间 明显 呈叠置关系 图 4 。 2 ■毫警毒 ； ● 一 _ __ 5 。 空 _’ | ● 一 正 f一 图 4 二十家子矿 区AA 勘探鲮 元宝山组扇 前平 原I可流 沉积 断面图 Fi g． 4 St r e a m d e p o s i t S e c t i o n o f t h e f o r e f a n p l a i n o f Yu a n b a os h a n For ma t i o n i n AA e x pl o r a t i n g Li ne of Er s h i j i a z i Co a l d i s t r i c t 1 一 砾岩 ，砂 岩， 2 一 糟砂岩 ，掘岩 J 3 一 擞质 疆岩 l{ 一 牒 层盈其 编号 需要指 出，从沉积 相的空 间配置 的角度而 言，在盆地南部辨状 河相与盆 地中央湖泊 相的交接部位，应存在着三角洲相。由于缺乏露头和钻孔资料，本文没有叙及。 ①李恩田主] 嗣胄 i 陪盆地分析与煤聚积规律第5 1 页1 9 8 8 年地质 出版社 维普资讯 3 2 辽 宁 地 质 学 报 1 9 9 3 半 3 沉积环境演化 通过确定 上述 沉积相 类型 的存在及 其空 间配 置关系 ，在 一定 程度 上 巳经揭示 了二十 家子含煤岩系的沉积环境及其演化过程。现进一步阐述如下t 在杏园组沉积期，二十家子盆地中央为一长轴的南北向的湖泊，其东、北，西三面 胡缘至盆缘地带为 扇三角洲所占据。在湖泊南部则主要为河流环境，并在河流入潮的滨 ． 岸地带 形成小型 三 角洲。该 沉积期 的早 ，中阶段 ，湖泊 处于扩张状态 ，尔 后湖泊逐渐 萎 缩，在这一总背景下，湖泊扩张和萎缩过程中， 均经历了多次波动性的水体进退。这一 点在胡扇三角洲 叶向湖萎的反复伸缩及其幅度，湖泊相中重力流沉积的发育程度等方 面均有 明显 反映。 自杏园组沉积晚期 ，盆地处于沉降速度小于充填速度的状态，到元宝山组沉积早期 确切 地说，是 自元宝 山组 6 煤层沉积始 ，由于湖 缘扇三角洲的不断进 积 ，盆地 中央 湖泊不断 萎缩，并被淤积分隔成 数个小型 湖泊。 同时 ，随着盆 缘断 裂话动的减 缓，赢体 沉积物源中细粒物质的比例相对增加 ，导致扇体与残存湖泊之间发育了主要出扇源河流 及扇前湿地构成的扇前平原。这时，自盆缘内延仲的湖缘扇三角洲巳转化为冲积扇 图 5 。到元宝山组沉积晚期，盆地内部巳基本消亡，除局部发育着因迅速淤积及河流不 断改道而废弃或可迁移的短时性汇水洼地之外，盆绿冲积扇一 盆地中央j 平原成为 主要的 古 地 理 景 观 。 A 臼1 回2 豳3 因4 回5 _6 、 B 图 5 二十家子盆地 元宝山组 沉积旱 期环境概 要图 ’ Fi g ． 5 Ea r l y s e di me nt a r y e n vi r ome n t s o Yt u a nb a 6s h a n F o r ma t i On i n Er s h i j i a z i b a s i n A一 现 存范 围 I B一全 盆复 愿I 1 一 盆绿断 裂，2 一 侵 蚀边界 J 3 -- 冲积崩 ’4 -- 河柱 ，5 --渑擞 疆萍 -6 -- 期 铂’ 维普资讯 ● 享 l 期 王宇林等；二十家子盆地煤 系沉积环境和聚焯特征 3 3 4 聚煤特征 4 ． 1 湖滨聚煤 二十家予 盆地湖滨聚煤主要发育在杏园组沉积末期和元宝山组沉积早期，在沉积环 境演 化过 程中 ，处 于盆 地中较大 湖泊及 其淤积而分隔为数 个小型 湖泊消亡之前。前者 多 出现 在湖缘扇三角 洲朵 叶 同湾 的湖滨部 位。 形成了杏 园组 上部薄煤层及一些 地段 的元宝 山蛆底 部7 ‘ 煤层J后者 则 由分隔 后的小型浅 水湖 泊进 一步 淤积演化为湖沼 ，并最终 形成 这 些地 段的元宝 山组 6 ‘ 煤层。 湖 滨是形 成二 十家子盆地煤 系可 采煤层 的主要聚煤环 境 ，其成煤特 点 是 沿滨 岸方 向，煤 层相对稳定 ，而向湖心方 向，煤层 缓慢分岔变薄 ，向盆缘方 向则 具有迅速分 岔尖 灭 的特 点，在垂 向层 序上，湖滨 聚煤 所成煤层 的下伏 岩层主要 为泥岩 、粉砂岩 或二者与 细 砂 岩 互 层 。 由于二十家 子盆地盆 缘扇体发育 ，进 积速度快 ，使得 湖滨 聚煤表现 出厚度 和平 面分 布 上稳定性较差 ，侧 向上煤层常逐渐 被炭 质泥岩所取 代。 4 ． 2湖缘扇 三角洲平 原聚煤 元宝 山组 底部煤层 ，除一些地段属 上述湖滨聚煤 的产物之外 ，其它地段则属 于废 弃 的湖 缘扇三角 洲下 部平原聚煤 。该 环境 所成的煤层 常与 其下伏沉 积单元构成 湖缘 扇三 角 洲前缘一 湖 扇三角洲 平原沉 积的垂 向层序 图 3 。侧 向 上则 往往 与湖 滨 聚煤 连成一 片。 4 ． 3扇前 河流 的泛 滥盆地聚煤 位于冲积 扇前 平原的扁源诃流的泛滥盆地是扇前平原上河遭不发育的地域，其中近 扇带也可 以看 作扇前 湿地。泥炭沼 泽发 育在河道旁侧或废 弃的早 期河道上的泛滥 盆地 中 前有利部位 图 4。 二十家 子盆 地 扇前河 流的泛滥盆地 聚煤 持续时 间较长 ，形 成了元宝 山组 的l ‘ ，2 ‘ 、 3 ‘ 、4 ‘ ，5 ‘ 煤层及一些地 段 的6 ‘ 煤层 。但 由于河道稳定性较 差 ，河 流泛滥盆地 聚煤 具有 煤层多、厚度和平面延展均不稳定，多属局部可采的特点。 4 ． 4冲积扇朵时间聚煤 冲积扇朵 叶 间聚煤 在十 家子村东南 7 2 l 8 号钻 孔 的元宝 山组下 段表现的最典 型。在无 煤的砂 、砾岩厚 度高 值区域 内，该孔 附近孤立 地存在 一厚 度较大的煤 层分布区 ，钻 孔控 制的煤层厚度达2 ． 7 8 m。煤层赋存 位置大体相 当于冲 积扇 的远 端上部地段 。其 聚 煤 期 间，相邻的 两冲 积扇体可 能在该部位 的远端方 向 聚 并大 量卸载而造 成局部 上低下 高的 地 形 ，兼 当时 气候 潮 湿，扇体地下 水外 溢 ，结果在 这种低洼部 位形 成泥炭沼译。 但这种 聚煤方式往往 由于分布面积过小而对找煤没有多大意义。 维普资讯 3 4 辽 宁 地 质 荦 植 1 9 9 3 4 5 找煤方 向 从二十 家子盆 地煤系沉积环境 演化和聚煤环境综 合分析，结合杏 园组 中、上段及 整 个元宝 山组 在盆 地西 、北部 后期构造 抬 升而 遭受剥蚀 等地质情 况，笔者 认为二十家子盆 地 的具体 找煤方 向 是一是在二十 家子盆地南部 和杏 园组 上部 的湖缘三角洲相及其 同层 位湖滨相找 煤|二 是在矿 区东及 东南部杏 园组湖 泊相 与湖缘 扇三角洲下 部平原沉积 中寻 找可能存在的可采煤层。 参 考文献 [1]李思 田主编 t 断 陷盆地 分析与煤 襄j 鼠擅 斧 ，地质 出板社 ， 1 9 8 8 年。 [ 2]却 志剐主编 t 堞 矿椅造 学 ， 世再 图书出版 公司． 1 9 9 年 。 [8]王宇林 等平 庄盆 地古 山矿区煤 系沉 积环境 与橐堞 规律 ， 中国煤 田地质 ，1 9 9 2 年， 第 8期 。 维普资讯 ● 第l 期 王宇林等二十家子盆地煤系沉积环境和聚煤特征 3 5 COAL S ERI ES S EDI MENTA RY EN VI ROMENT S A ND C0AL A CCUMUL A TI NG CHARA CTERI S TI CS I N ERS Hl J l AZI BA S I N W a n g Yu l i n， Li Bo xi a ng ， S h a o ， i ng b a ng Fu xi n M i n i n g s 墨 ． Yu L a n x 1 ．Li En j u N o r t h e a s Co a l Ex p cf l i n g ． m 1 01 Ab s t r a ct Fo u r s e di me n t a r y f a c i t s i n t h i s b a s i n， i ．e ． 1 a k e s i d e d e l t a f a c i e s ， l a k e f a c i e s ， a l l u vi a 1 a n f a c l e a a n d r i v e r f a c i e s ， a r e d e t e r mi ne d． The s e d i me nt a r y e n vi r o me nt s a n d t h e e v o l u t i on pr o c e s s q s 0 f Xi n g y u a n Gr o u p a n d Yu a n b a os h a n Gr o u p i n Up pe r Me s o z o i c e r a i n t h e c o a l s e r i e s o f Er s h i a z i b a s i n a r e e x p l a | 丑 e d ． La k e s h o r e ． 1 a k e s i d e f a n d e l t a p l a i n a n d t h e f l o o d b a s i Ⅱ o f r i v e r s a r e t h e ma i n Co a l a c c u mul a t ng e n vi r o me nt s ， a n d t he i r c h a r a e t a r l s t i cs a r e c o nc l u de d Cc a l pr o s p e c t i ng d i r e c t i o s a r e p 0_mt e d O u t ． K e y wo r d s S e di me n t a r y f a ci e s S e d [ me h t a r y e n Vffo me n t s c o a l a c c u mu l a t i n g e nvi r om e nt s 维普资讯