山东黄河北煤田石炭_二叠系太原组地层沉积特征.pdf

2008年8月 29卷4期 4142426 地 球 学 报 ACTA GEOSCIENTI CA SI N ICA Aug . 2008 294 4142426 收稿日期 2007206218;改回日期 2008201210。 责任编辑刘志强。 第一作者简介张素梅,女, 1977年生,讲师,主要从事矿产普查与勘探研究;通信地址 050031,河北省石家庄市槐安东路136号; E2mail s mzhang2004163. com。 山东黄河北煤田石炭 二叠系太原组地层 沉积特征 张素梅 1 李增学 2 李 伟 1 王立峰 1 张玉林 3 王对兴 1 刘海燕 2 1 石家庄经济学院资源学院,河北石家庄050031; 2 山东科技大学地球信息科学与工程学院,山东青岛266510; 3 安徽理工大学地球与环境学院,安徽淮南232001 摘 要 为了研究黄河北煤田的沉积特征,查清研究区内太原组地层的岩性类型、 沉积构造、 粒度分布特征,并进 一步明确其沉积体系及沉积相的特征和沉积演化,本文根据野外露头的观察和室内岩心的描述、 薄片分析,结合钻 井、 测井资料,运用沉积学、 古生物地层学、 层序地层学、 岩石粒度分析等方法,对研究区的太原组地层沉积特征进 行了详细的研究。结果表明研究区石炭 二叠系的含煤地层太原组沉积物中砂岩、 粉砂岩、 泥岩、 石灰岩及煤岩 均较发育,常见的含铁矿物主要是褐铁矿、 黄铁矿、 菱铁矿等;主要层理构造有水平层理、 平行层理、 交错层理、 波状 层理、 韵律层理等,生物扰动构造非常发育;主要的生物化石发育于台地相灰岩中,包括蜓类、 牙形石等个体较大化 石;主要发育植物化石有轮叶、 科达木、 宽带羊齿等;太原组沉积环境比较动荡,为河流相或者浅海相环境,其陆表 海盆地层序及内部单元的典型界面有最大海泛面、 区域性海退界面和最大海退面,并依据其不同界面,进行了沉积 相划分和层序地层分析;研究区内晚石炭世的太原组地层为陆表海沉积序列,其沉积环境演化主要是由海陆交互 相沉积向陆相沉积的转换。 关键词 黄河北煤田;太原组;沉积环境;沉积相;粒度分析 中图分类号 P534. 4 文献标识码A 文章编号 1006230212008 042414213 Depositional Characteristics of Carbon iferous2Perm ian Ta iyuan ation in HuanghebeiCoalfield, Shandong Province ZHANG Sumei 1 L I Zengxue 2 L IWei 1 WANGLifeng 1 ZHANG Yulin 3 WANGDuixing 1 L I U Haiyan 2 1 Shijiazhuang University of Econom ics college of resources, Shijiazhuang, Hebei050031; 2 Shandong University of Science and Technology, Qingdao, Shandong266510; 3 Anhui University of Science and Technology, Huainan, Anhui232001 Abstract In order to study the depositional features of the Huanghebei Coalfield, determined the type of stratigraphic li2 thology, sedimentary structure and the particle size distribution of Taiyuan For mation in the study area, and reveal sedimen2 tary evolution of the sedimentary system and sedimentary facies, the authors made detailed investigations into the strati2 graphic depositional feaures of Taiyuan ation.Through the observation of field outcrop and description of drill cores and thin2section analysis, combined with drill data and well2log ination, the authors used such means as sedimentolo2 gy, paleobiology, stratigraphy, sequence stratigraphy and grading analysis to per the study .The result shows that the Taiyuan For mation has abundantmedium2grained sandstone, siltstone, mudstone, limestone and coal seam in the Carbonif2 erous2Permian coal2bearing strata, and the iron2bearing minerals are mainly limonite, pyrite and siderite. Main bedding 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. structures include horizontal bedding, parallel bedding, cross bedding, current bedding and rhythmical bedding . Bioturbate structure iswell developed. Main oryctocoenose preserved in limestone of platfor m facies includes various types of large bodies, such asSchwagerina subnathorsti Lee, S.sp. ,Streptognathodus elongutes, Hindeodussp. , andAnchignathodus sp.The plant fossils areAnnulariasp. ,Cordaitessp. , andTaeniopteris nystroem ii.Sedimentary environment of Taiyuan ation is instable, and ismainly a river facies and shallow sea facies environment .The typical surface of stratigraphic sequence and units of continental sea are of three kinds, i . e. , the largestmarine flood surface, the regression surface of the area, and the largest regression surface. According to different surfaces, the depositional facies division and the analysis of strata sequence were completed.Strata of Late Carboniferous Taiyuan ation are of the continental sea sedimentary sequence.The sedimentary environmentwas converted from paralic deposition to continental deposition. Key words Huanghebei coalfield; Taiyuan ation; depositional condition; depositional facies; analyzing grain size 黄河北煤田位于华北地台山东地台背斜西缘, 鲁西断块鲁中断隆西北缘,在东阿 济南 临朐单 斜凹陷的偏西部图 1 。其南为泰山断凸和肥城断 盆,北部边界为著名的聊考大断裂,断裂上盘即济阳 坳陷,西为阳谷茌平煤田预测区;东为章丘煤田。该 煤田地层系统属华北型李增学等, 1998 ,基本构 造形态为一单斜构造,地层走向NE50,倾向NW, 倾角5 ～8 。黄河北煤田自西向东分为旦镇、 长 清、 袁庄、 济西等勘探区。区内太原组含煤岩系普遍 受岩浆侵入影响,并使部分可采煤岩变成天然焦及 高变质的煤。黄河北煤田地层区划属华北地层区鲁 西地层分区的一部分。石炭 二叠系含煤岩系假整 合于中奥陶统石灰岩之上。煤系基底为奥陶系与寒 武系,出露于黄河南岸的长清至平阴一带,形成中、 低山丘陵区。石炭 二叠系全被厚度较大的第四 系、 新近系所覆盖。缺失中生界、 下石炭统、 泥盆系、 志留系、 上奥陶统与元古界。 黄河北煤田是鲁西重要的煤炭生产基地,同时 也是山东重要的后备能源基地之一,因此,研究其含 煤地层沉积特征具有重要的现实意义。前人对研究 区晚古生代地层的沉积特征作了一定程度的研究, 主要侧重于煤岩气赋存条件、 岩浆侵入的研究李 增学等, 1998;范世彦等, 2001 ,且研究程度比较低, 对研究区的沉积分析不够,应该说,国内对于黄河北 煤田地层沉积特征尚无完整、 系统的研究和描述,鉴 于此,本文利用沉积学、 古生物地层学方法、 粒度分 析结合层序地层学进行了深入的研究,同时对研究 区的晚古生代地层的沉积特征做出了定量化的 研究。 1 岩性特征 1. 1 地层特征 黄河北煤田地层区划属华北地层区鲁西地层分 区的一部分。石炭 二叠系含煤岩系假整合于中奥 图1 黄河北煤田位置图 Fig . 1 Location of the Huanghebei coalfield 陶统石灰岩之上。煤系基底为奥陶系与寒武系,出 露于黄河南岸的长清至平阴一带,形成中、 低山丘陵 区。石炭 二叠系全被厚度较大的第四系、 上第三 系所覆盖。缺失中生界、 下石炭统、 泥盆系、 志留系、 上奥陶统与元古界图 2 。 第四系 Q 由土黄、 棕黄、 灰绿色粘土、 砂质粘土夹黄 白色松散砂砾层组成,局部砂砾层可胶结成岩。 厚 0～500 m ～～～～～～～～不整合 ～～～～～～～ 新近纪上部棕黄、 棕红、 灰绿、 紫色粘土、 泥岩夹土黄、 浅棕色粉砂 细砂岩、 含砾砂岩。下部紫红、 棕红、 灰绿色泥 岩夹粉 中砂岩。底部灰白色含砾砂岩。厚 0～1635 m ～～～～～～～～不整合 ～～～～～～～ 古近纪上部为浅灰色粉砂岩、 泥岩及灰 ～ 灰绿色砂岩, 其次为杂色泥岩、 泥灰岩。下部为紫红、 红色粉砂岩,泥质细 砂岩等。厚 0～1700 m ～～～～～～～～不整合 ～～～～～～～ 514第4期 张素梅等山东黄河北煤田石炭 二叠系太原组地层沉积特征 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 图2 太原组地层层序及发育情况 Fig . 2 Stratigraphic sequence and development degree of Taiyuan ation HST2 高水位体系域;LST2 低水位体系域; TST2 水进体系域; SⅠ12 层序及编号 HST2highstand systems tract; LST2lowstand systems tract; TST2 transgressive systems tract; SⅠ12sequence and its serial number 二叠系P 上统 上石盒子组上部为紫红、 灰绿等杂色粘土岩、 泥岩,夹灰白 色中砂岩;中部为致密坚硬的厚层状石英砂岩夹杂色泥岩; 下部为灰、 紫色等杂色粘土岩、 泥岩和灰绿色砂岩;底部为A 层铝土岩。厚 425 m 下统 下石盒子组以灰白色长石石英砂岩和灰色泥岩为主,上部 有紫色粘土岩出现,偶夹紫色石英质砂 砂砾岩。 厚～120 m 山西组灰色、 灰白色中细粒长石砂岩、 粉砂岩夹泥岩,含煤 岩5～6层,可采及局部可采2～4层。为区内重要含煤地 层。厚～87 m 下二叠统和上石炭统 P 1C2 太原组 48.砂页岩,以细砂岩为主,夹不规则的薄层页岩,底部逐渐 变为页岩。 47.页岩,微含砂质,但不均匀,不显层理。 46.石灰岩一 , 不纯,含泥质,有腕足类化石,坚硬。 45.细砂岩和粘土岩,下部为细砂岩,成分粘土为主,间夹石 英、 长石。上部为粘土岩,不纯,含砂质及植物化石碎片。 44.砂质页岩,细致,底部破碎,含炭质。 43.煤岩6。 42.细砂岩,夹薄层页岩,底部渐变为砂质页岩,似砂页岩状。 41.砂质页岩,性脆含植物化石。 40.煤岩7。 39.灰色粘土岩,致密,性脆,外貌似石灰岩,含石灰岩脉。 38.砂质页岩,含泥质,不显层理,有植物化石。 37.灰砂页岩,砂页岩互层,微层清楚,砂岩以细粒中砂为主。 36.煤岩8。 35.中砂岩,长石、 石英含云母,胶结坚硬,顶部破碎,方解石 脉充填,底0. 5 m为粗粒砂岩。 34.深灰色砂质页岩和灰砂页岩,下部深灰色砂质页岩含泥 质,不显层理,破碎。上部灰砂页岩为砂页岩互层,微层 显著,底部呈粉砂岩状。 33.石灰岩二 , 性脆,致密,间夹薄层页岩,含腕足类化石。 32.灰色粘土岩,质纯,致密,外貌似石灰岩,含植物化石碎片 及黄铁矿。 31.灰砂页岩,互层,微层清楚,以砂岩为主,粘土胶结,含植 物化石脉。 30.煤岩9。 29.深灰页岩,不显层理,断口间风砂质,不平整,含Fe2S3。 28.煤岩10。 27.粘土岩,性脆,质纯,下部含砂质。 26.中砂岩,石英为主,夹黑色条纹,底为砂页岩及细砂岩。 25.石灰岩三 , 质不纯,坚硬,底部渐变为钙质页岩,含化 石Fusulinabooki, Quasifusalina Longissim a。 24.中砂岩,石英为主,胶结坚硬,中部岩心破碎,为方解石 充填。 614地 球 学 报2008年 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 23.深灰色砂质页岩,不显层理,含泥质,下部为页岩,受风化。 22.石灰岩四 , 质不纯,坚硬,含珊瑚化石,海百合茎多。 21.中砂岩,石英为主,含云母,胶结良好,粘土胶结,含少量 钙质。 20.砂质页岩和灰砂页岩,下部砂质页岩夹细砂岩,中下部以 泥质页岩为主,不显层理,含Fe2S3。上部为灰砂页岩,薄 层砂页岩互层,以砂岩为主,层理清楚。 19.石灰岩五 , 不纯,含纺锤虫,可为纺锤虫石灰岩,有 QuasifusA linaLongissina M oller长挨蜓。 18.煤岩11。 17.粉砂岩和粘土岩,下部为粉砂岩,石英为主,粘土胶结,不 显层理,夹细砂岩,含植物化石,深476. 14 m有0. 15 m 的炭质页岩。上部为粘土岩,较致密,易破碎,外貌类似 石灰岩,含植物化石褐Fe2S3。 16.煤岩12。 15.砂质页岩和粘土岩,下部砂质页岩,不显层理,易风化。 上部粘土岩性脆,质纯,含植物化石。 14.粘土岩和粉砂岩,下部粘土岩,不显层理,性脆,呈浅灰 色。上为砂页岩式粗粉砂岩,含植物化石。 13.砂质页岩和页岩,砂质页岩,不显层理,含泥,断口平整, 含Fe2S3,上部为页岩,性脆,坚硬,外貌类似油页岩,断口 凹凸不平。 12.砂质粘土页岩,质较纯,含少量植物化石含黄铁矿具鲕状 结构。 11.煤岩13。 10.砂质页岩,节理极为发育,含植物化石,底部含菱铁矿结 核,比重大。 9.石灰岩六 , 不纯,局部砂质灰岩状,含海生动物化石多, 海百合茎。 上石炭统 C 2 本溪组紫色、 灰色泥岩、 粉砂岩、 砂岩,含石灰岩2层,底部 具山西式铁矿层位和G层铝土岩的发育。 厚 28～68 m。 ------假整合------ 奥陶系 O 1 2 上部为青灰色厚层石灰岩、 豹皮状灰岩 夹泥灰岩和角砾状石灰岩。下部为白云质灰岩和白云岩,含 燧石结核和条带。厚 800 m ------假整合------ 寒武系∈ 上部为青灰色厚层石灰岩、 夹竹叶状灰岩 及页岩;中部为中厚层状、 鲕状灰岩;下部为紫红色云母页岩 及薄层灰岩。厚～520 m ～～～～～～～～不整合 ～～～～～～～ 太古宇Art 主要为花岗片麻岩、 黑云斜长片麻岩,黑 绿色角闪片岩和角闪黑云母斜长片麻岩等组成。 厚 11170 m 根据最新地层划分方案,该研究区的地层分界 时,将石炭系与二叠系的分界位置向下迁移,太原组 上部地层要划入二叠系,下部地层要划为石炭系。 1. 2 主要岩石类型 黄河北煤田太原组含煤地层主要发育砂岩、 泥 质岩、 碳酸盐岩、 火山碎屑沉积岩和可燃性有机岩 煤。不同时代地层中岩石类型及丰度有一定差 异,从剖面上看太原组沉积物中砂岩、 粉砂岩、 泥岩、 石灰岩及煤岩均较发育,研究区各主要岩石类型及 岩性特征叙述如下 1. 2. 1 砂岩 砂岩在黄河北煤田太原组含煤地层中分布较山 西组和石盒子组少,约占太原组整个煤系地层的1 /7 到1 /10。砂岩的主要是陆源碎屑性质,成分以石 英、 长石为主,其次是云母、 岩屑和重矿物等。研究 区太原组的砂岩以中、 细粒居多,砂岩的成分成熟度 一般较高,石英平均含量约占碎屑组分的80～ 95之间,以单晶石英为主,含少量多晶石英和稳定 的硅质岩岩屑。长石在研究区风化比较严重,一般 呈污浊的土黄色,或者呈灰白色;结构成熟度变化较 大,主要表现为分选性、 磨圆度变化较大,填隙物除 硅质、 钙质等化学胶结物外,也有粘土胶结,常含不 等量的泥质杂基,有时在砂的裂隙被方解石脉充填。 1. 2. 2 泥质岩 研究区内太原组含煤地层中的泥质岩成分含量 较高约占总量的1 /3 ,主要为杂色页岩、 泥岩、 碳 质页岩、 粉砂质泥页岩,以及以单矿物为主的高 岭石粘土岩和蒙脱石粘土岩。 1. 2. 3 碳酸盐岩 本区含煤地层中仅见石灰岩,在太原组中,有时 可达十余层,大部分分布较为稳定,是含煤地层对比 的重要标志。石灰岩的矿物成分简单,以方解石为 主,一般含量均大于90 ,常见少量泥质、 有机质和 白云石,个别层位含少量陆源碎屑和火山碎屑物质。 1. 2. 4 粘土岩 研究区的粘土岩较多,一般具有滑面,在太原组 发育较多,在太原组颜色以深色到灰白色为主。太 原组底部及中部的粘土岩成分以伊利石和蒙脱石为 主,太原组顶部的粘土岩成分主要是伊利石和蒙脱 石。自生的粘土矿物可以反映水介质条件,研究区 本溪组的粘土矿物多是海相的产物;但在太原组底 部由于海水水位慢慢下降使其开始发育浅海相的粘 土矿物,太原组中部的粘土矿物是浅海环境的产物; 太原组顶部的粘土矿物多指示过渡相环境。说明在 太原组地层的沉积过程中,海水水位开始逐渐下降, 海水开始逐渐退出研究区。 714第4期 张素梅等山东黄河北煤田石炭 二叠系太原组地层沉积特征 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 1. 3 沉积物的颜色 沉积岩的自生颜色是地球化学特征的良好指 标,如在研究区见到褐色粘土岩和灰白色粘土岩反 映了不同的水动力和水介质条件,自生色主要取决 于岩石中含铁自生矿物及有机质的种类和数量,粘 土岩、 化学岩和生物化学岩的自生颜色对古水介质 的物理化学条件有良好的反映李增学等, 1998;胡 恭任等, 2004。在研究区常见的含铁矿物主要是 褐铁矿、 黄铁矿、 菱铁矿等。沉积岩在形成过程中还 会有次生变化。 2 沉积构造特征 沉积岩的构造特征是沉积时水动力条件的直接 反映,具有良好的指相性。黄河北煤田晚古生代含 煤地层中发育有多种沉积构造类型。 2. 1 层理构造 层理是沉积物沉积时在层内形成的成层构造。 沉积物在搬运和沉积时,由于介质如水、 空气的 流动,在沉积物的内部以及表面形成流动成因的构 造,层理由沉积物的成分、 结构、 颜色、 以及层的厚 度、 形状等沿垂向的变化而显示出来姜在兴, 2003。在研究区主要发育有水平层理 ,大型交错 层理,波状层理、 互层层理及复合波状层理,韵律 层理等层理构造。其中水平层理和微波状水平层理 较发育,尤其在泻湖相、 混合坪相常见;混合坪及远 砂坝的含泥质粉砂、 粉细互层砂岩中多见潮汐成因 的脉状及透镜状层理;在粉砂岩和细砂岩层内的细 层成连续的波状、 断续波状或薄的泥纹层和砂纹层 成波状的互层,多见小型波状层理、 复合波状层理和 缓波状层理,在细砂岩中偶见波状层理;混合坪相 多为潮汐流形成的潮汐韵律层理。 2. 2 生物扰动构造 由于生物的活动使沉积物原始构造受到破坏,最 常见的类型是虫孔和动物爬行迹,研究区的生物扰动 构造,多产于粉细互层砂岩中,尤其在混合坪及远砂 坝环境中发育,一般以浑浊状层理出现。在太原组地 层中,发育混合坪相和泻湖相沉积物,有利于动物生 存,因而该研究区的太原组生物扰动构造非常发育。 2. 3 古生物特征 研究区台地相的灰岩中常见的古动物化石有蜓 类包括Schwagerina subnathorsti Lee ,S.sp. , Schubertella obscura penchiensis Sheng, Triticites um bo2 noplicatus Rauser et B eljaev 、 牙形石包括Strep2 tognathodus elongutes, Hindeodussp. ,Anchignathodus 图3 H72概率曲线图 Fig . 3 Curve of H72’s probability sp. 、 海百合茎、 双壳类和腕足类化石,个别地区的 化石个体较大。从地层上看,主要位于太原组,这些 生物特征表明海水还没有完全退出该地区,但到太 原组的上部时已经出现了海陆的交互环境。此外, 研究区海陆交互相的太原组沉积物中广泛发育轮叶 Annularia sp. 、 科达木Cordaites sp. 、 宽带羊齿 Taeniopteris nystroem ii、 楔羊齿Sphenopteris sp. 、 脉羊齿N europteris sp. 、 斜方鳞木Lepidodendron posthum ii、 卵脉羊齿Neuropteris ovata、 星轮叶 Annularia stellata、 带科达Cordaites principalis、 脐根座Stigm aria ficoides等古植物化石,在细砂 岩、 粉砂岩、 泥岩粘土岩沉积物中主要含有苛达叶, 鳞木以及轮叶等化石,粘土岩中则常见植物根化石。 由于太原组沉积物中细碎屑以泥质岩、 泥质粉砂 岩、 粉砂质泥岩和粘土岩为主丰度较大,有利于研 究区生物的发育,沉积环境较适合生物的生存,有利 于有机矿产的生成和储藏。 3 粒度分布特征和沉积体系特征 3. 1 粒度分布特征 在研究区砂岩丰度较高,为了确定沉积环境,对 研究区的典型砂岩进行分析,砂岩粒度分析是一种 定量的分析方法。在传统情况下需要通过切片在显 微镜下,测量颗粒粒径大小并进行分区间统计,然后 绘制出概率累积曲线和概率直方图,通过计算和分 析来解释沉积环境。利用计算机成图和分析是近年 来新发展的粒度分析的一种方法和手段。但是计算 机直接编制的曲线需要通人工参与来纠正成三段式 形状姜在兴, 2003。 在研究区选择了有代表性的 砂岩薄片9个,取其中的3个代表性的样品作粒度 分析,样品号码为H3, H36和H72,本文仅介绍H72 实验曲线特征。 图3为H72的概率曲线图,从图中可以看出该 层位的粒度分布呈近似的正态分布,根据曲线形态 可以看出该层的分选性不好,因为绝大部分颗粒分 布在区间 1 ≤ φ≤2, 2≤ φ≤ 4 内,即有双众数的倾 814地 球 学 报2008年 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 图4 H72概率累积曲线图 Fig . 4 Curve of H72’s accumulative probability 向,而不是分布在一个狭窄的区间内。表明该沉积 环境比较动荡,是河流相或者浅海相环境,结合萨胡 公式姜在兴, 2003判断为浅海相环境。 从图4为H72概率累积曲线图,从图中可以看 出沉积环境缺少牵引总体,只有跳跃总体和悬浮总 体。这意味着水介质的能量比较高,水流速度大,而 且在跳跃总体和悬浮总体之间有冲刷的间断。而在 正常沉积环境下,概率累积曲线图应该是“S”,在该 层位缺少了牵引整体。根据薄片和取心资料判断该 标本位于潮道或潮渠沟部位。 3. 2 层序界面的识别及沉积体系特征 3. 2. 1 层序界面识别 研究和重建沉积体系域,可以正确恢复古环境, 分析沉积体的成因,更重要的是可以阐明各种沉积 体系的相互关系及其在全盆地中的配置样式李增 学等, 1998。由于黄河北煤田是华北陆表海盆地 的组成部分,因此,决定沉积体系空间配置体系 域的最基本因素是海平面的升降变化。在盆地演 化过程中,盆地中沉积体系的类型和配置随着海平 面的周期性变化而改变。研究表明,黄河北煤田陆 表海盆地层序及内部单元的典型界面有以下3类 1最大海泛面在黄河北煤田石炭 二叠系 的沉积层序内部存在一些关键性的界面,这些界面 将层序划分为成因上相互联系的层序单元体系 域 应汉龙等, 1999;彭勇民等, 1999。如最大 海泛面是划分陆表海盆地沉积地层序列 Ⅲ 级层序中 体系域单元的关键界面,主要有初始海泛面和最大 海泛面。其中,初始海泛面为低水位体系域和上覆 海进体系域间的分割界面,在研究区不发育;而最大 海泛面是海进体系域和高水位体系域的分隔界面, 是在海进过程中陆源沉积场所向陆迁移,海侵达到 最大范围形成的。该面以上发育弱加积 进积型小 层序组,以下发育退积 加积型小层序组李增学 等, 1998。经反复对比和分析,根据海侵沉积在基 准面上的旋回性郑荣才等, 2000、 海平面变化的 特点,黄河北煤田晚古生代含煤地层中发育最大海 泛期的沉积标志物是四灰与一灰。其中,在研究区 煤的上覆岩层是海相灰岩情况较多如14煤之上 的六灰, 11煤之上的五灰, 9煤之上的二灰, 6煤之 上的一灰等 , 说明了盆地在充填的某一阶段的泥 炭沼泽化与海侵过程具有密切关系。每一层海相沉 积代表一次海泛事件,而海相沉积的厚度、 分布范围 则是确定其海泛规模的主要依据。 2区域性海退事件界面是盆地范围内的海 退事件界面,与板块构造运动和地球上的冰期活动 密切相关。在华北陆表海盆地的演化过程中,由于 发生了区域性海退事件,海水大规模南退,最终全部 退出盆地,导致了盆地属性的变化。 3最大海退事件界面与区域性海退事件不 同,该界面指在海陆交替频繁的陆表海盆地背景下, 影响全盆地的最大级次三级海退事件造成的界 面。它位于高水位体系域的最顶面,通常为广泛的泥 炭化事件界面,往上则为新的海侵事件开始。是高水 位体系域和海进体系域的转换界面,因而是层序划分 的一个标志性界面如层序Ⅰ 、 Ⅱ 的界面。对于华北陆 表海盆地来说,区域性海退界面,实际上也是盆地构 造应力场的转换面如层序Ⅲ 的顶界面。 3. 2. 2 沉积体系特征 根据上述的原则和界面的识别及相分析可以将 黄河北煤田石炭 二叠纪太原组地层划分在层序 Ⅱ、 层序 Ⅲ 中。该沉积层序沈玉林等, 2007中可 识别出两个大的沉积体系障壁 泻湖沉积体系 图5 a 和潮坪沉积体系图5 b 。 1障壁 泻湖沉积体系研究区的障壁 泻 湖沉积体系比较发育,由于研究区的坡度非常小,因 而推测障壁 泻湖形成可能与波浪的垂直海岸运动 有关,而与波浪的斜交或平行情况海岸运动情况关 系较小。研究区晚古生代聚煤盆地是受限陆表海盆 地,障壁 泻湖沉积环境是陆表海盆地中比较靠近 海盆的一个重要沉积环境组成部分。在研究区障壁 坝的存在是黄河北煤田聚煤沉积中的一个特色。该 沉积体系主要的水动力条件是潮汐作用,而不是波 浪作用,因为在该沉积体系中障壁坝的存在阻挡了 波浪的作用,泻湖在研究区分布比较多,但其分布不 规则。障壁坝可能与海滩砂脊沉没后再与陆地分开 914第4期 张素梅等山东黄河北煤田石炭 二叠系太原组地层沉积特征 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 图5 典型障壁 泻湖沉积充填序列组合济西408孔 a与旦镇1422钻孔潮坪沉积体系组成b Fig . 5 Filling succession association of typical barrier2lagoon sedimentsa and The composition of tidal flat sedimentary system in Danzhen1422 well b 有关。障壁 泻湖沉积体系构成主要由4个沉积成 因相组合组成图2 障壁砂坝障壁岛、 泻湖相、 潮汐三角洲相、 障壁滩障壁潮坪相。其特征依次 介绍如下①障壁砂坝,在研究区障壁砂坝中的砂 岩成分成熟度和结构成熟度一般比较高,具有比较 典型的向上变粗或向上变细的沉积层序图5 a 。该区障壁坝的沉积序列下部多为深灰色粉 砂质泥岩或泥质岩,含有较多的生物潜穴。在垂向 层序中自下而上泥质含量逐渐减少,由以砂岩为主 的砂泥互层过渡为中细纱岩,在细砂岩中往往具有 小型交错层理;沉积序列内部常具有中等至强烈的 生物扰动构造,含有重矿物和云母类物质;测井曲线 常表现为高的视电阻率和低的自然伽码值。在垂向 沉积层序上,上部为低角度交错层理发育的中细砂 岩,反映障壁岛在自海侵过程中沉积作用由过渡带 经临滨到前滨的演化过程。但是,研究区的障壁砂 坝在不同海平面变化周期内横向追踪是比较困难 的;②泻湖,研究区的泻湖相发育细粒沉积物和泥 质沉积物,主要由深灰色至灰黑色粉砂质泥岩、 泥岩 及页岩、 粘土岩组成,发育水平层理、 水平波状层理、 块状层理,生物扰动构造发育,常见生物的水平潜 穴,在研究区还可见丰富的植物的叶片化石和根化 石。泻湖沉积物中含较多的菱铁矿晶体或菱铁质 结核和黄铁矿晶体黄铁矿结核。有的菱铁矿结 核直径达十几厘米,或构成黄铁矿结核层,或为菱铁 质泥岩薄层或条带,说明是处于停滞和闭塞的还原 条件。当涨潮三角洲较小时,它与冲溢扇一起可构 成泻湖的次一级的沉积单元。在垂向沉积序列上, 本溪组和太原组下部的泻湖沉积物之上往往为沼泽 或泥炭沼泽沉积。华北晚石炭世潮汐作用为中潮差 型,由于泻湖水体与开阔海水之间通过潮道不断的 发生交换,而且,华北晚石炭世泻湖分布面积较广 024地 球 学 报2008年 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 图6 潮汐三角洲沉积序列组合 Fig . 6 Association of tidal delta sediments 阔,有多个入潮口,所以泻湖水体的盐度为正常型, 在泻湖的进潮口处,涨潮三角洲是最重要的沉积场 所,在潮汐三角洲之上往往发育泥炭层。沿岸潮坪 是泻湖周围的平坦地带,其沉积物一般平行于岸线 分布,也可以划分出砂坪、 混合坪和泥坪,但砂坪在 研究区并不多见。在障壁 泻湖沉积序列中,沿岸 潮坪的沉积层较薄,而在泻湖逐渐充填变浅过程中, 沿岸潮坪的分布逐渐扩大,最终可能完全占据原先 的泻湖分布区。如果泻湖淤浅后的沉积持续时间较 长,则可以形成大型潮坪沉积序列;③潮汐三角 洲,在研究区的上石炭统发育大型的潮汐三角洲沉 积组合序列图6 ,它的规模一般较大,具有典型的 二元结构向上变粗在变细 , 沉积序列的下伏地层 大多是泻湖泥质沉积,上覆地层一般是泥炭沼泽; ④障壁滩障壁潮坪 , 在黄河北煤田,障壁坝的分 布范围往往较为局限,这与华北整个陆表海的沉积 特点一致,在障壁砂坝附近一定范围很快过渡为泻 湖沉积区,而且两者之间的界线也难以划定,可将其 划入泻湖的沿岸潮坪带内。 2潮坪沉积体系在研究区潮坪沉积中识别 出了潮道包括潮渠、 潮沟、 砂坪、 泥坪、 砂泥混合 坪、 潮汐砂脊、 潮坪沼泽、 潮坪泥炭沼泽等成因相 图 2 。其中潮道和潮沟、 砂泥混合坪发育最好图 5 b ,其次为潮坪沼泽和潮坪泥炭沼泽。其特征 依次介绍如下①潮道,黄河北煤田潮坪沉积体系 中几个典型潮道沉积序列实例图7 ,从图上可以 看出潮道沉积充填序列的一次充填沉积过程是一个 物理沉积作用强度逐渐变弱的演化过程。研究区除 典型的潮道沉积外,还有潮沟和潮渠沉积广泛发育, 但是发育的规模较小,是潮道分支,它的沉积物和潮 道沉积特点相似,但相对潮道沉积物来说粒度偏细, 厚度偏小。由于潮汐流的强度变化致使其改道或淤 浅充填,从而使潮沟和潮渠发育的沉积序列在垂向 上缺少某些沉积层序。②砂坪相及沉积组合特征, 在研究区的砂坪中发育大中型交错层理,沉积物以 稳定组分石英为主,其次是云母和岩屑,分选和 磨圆均较好,颜色浅灰 深灰,常见植物叶化石和根 化石图8 ;③泥坪相及沉积组合特点,泥坪相是 黄河北煤田本溪组和太原组中常见的潮坪沉积类 型,因有较长时间暴露于水面以上,仅在高潮时才被 淹没,沉积物以悬浮载荷为主,主要是灰色 浅灰色 的泥质岩和细粒物质,其次为粉砂岩。在泥坪沉积 组合中具有生物扰动、 虫孔以及植物根系等,因此沉 积物的原生沉积构造被破坏,但有时还可以辨别出 层理。晚石炭世早期,泥坪沉积物中含有较多的铝 质,说明具有蒸发及土壤化泥坪的气候特点。在充 填沉积晚期的泥坪沉积中,以暗色泥质和粉砂质沉 积为主,含丰富的植物化石,常有沼泽和泥炭沼