王盼盼，李壯福，付 雷，冀 青，丁 卓

(中國礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221008)

徐州地區(qū)隸屬江蘇省，位于江蘇省、山東省、河南省與安徽省四省交界處。不僅是全國重要的煤炭產(chǎn)地，更是華東地區(qū)的電力基地，擁有煤炭、井鹽、鐵、鈦、大理石、石灰石等30多種礦產(chǎn)，儲量大、品位高。已探明的煤炭儲量達(dá)39億t以上，預(yù)測儲量69億t。然而對徐州地區(qū)重要的成煤階段—石炭二疊紀(jì)的沉積環(huán)境分析卻比較少。本文對徐州地區(qū)山西組沉積環(huán)境進(jìn)行分析，有利于進(jìn)一步探明煤炭資源儲量，為生產(chǎn)開發(fā)起到一定作用。

1 地質(zhì)概況

徐州及附近地區(qū)的地層為華北型，屬華北地層區(qū)魯西北地層分區(qū)徐州—宿縣小區(qū)。華北地臺自奧陶紀(jì)晚期開始，一直為上升隆起區(qū)，處于遭受緩慢剝蝕狀態(tài)。從晚石炭世早期開始，地殼開始緩慢下降，此時地勢北低南高，海水自東北方向入侵，華北地臺接受沉積形成本溪組。本溪組總體分布規(guī)律：東北部地層厚度普遍較厚，且層序完整，灰?guī)r夾層和可采煤層較多，向西或西南，厚度變小，且常缺失早期的底層，灰?guī)r夾層和可采煤層漸少［1］。晚石炭世晚期華北地臺發(fā)生了大規(guī)模的北升南降的“翹板式”運動，地勢轉(zhuǎn)變?yōu)楸备吣系?，海水自東南方向入侵，沉積中心位于徐淮地區(qū)，沉積了太原組。徐州地區(qū)地勢低，海侵頻繁，太原組出現(xiàn)十幾層灰?guī)r，由南向北灰?guī)r層數(shù)逐漸減少。石炭世—二疊世地勢整體抬升，仍是北高南低，海水從東南方向退出華北盆地，早二疊世早期，太原以北均為陸相沉積，華北及東北南部普遍出現(xiàn)海陸過渡相的三角洲沉積，形成重要的成煤環(huán)境(山西組)，山西組由北向南厚度和層數(shù)逐漸減少，厚度大體與太原組呈互為消長的關(guān)系［2－3］。

石炭二疊的標(biāo)準(zhǔn)剖面在山西太原西山，位于華北地臺的西北部，徐州地區(qū)位于華北地臺中南部。張志存(1983)根據(jù)太原西山太原組蜓類垂直分布情況，將太原組5層灰?guī)r建立2個蜓帶，即下部的Triticites帶和上部的Pseudoschwagerina(s．l．)帶。江蘇大屯、安徽碭山、河南禹縣的太原組灰?guī)r中未見Triticites simplex帶，全部歸為Sphacroschwagerina帶(盛金章、王仁農(nóng)，1984;肖立功，1986)。江蘇徐州地區(qū)太原組頂部的Sphacroschwagerina帶大致可與華北其它地區(qū)太原組的同名蜓帶及 Pseudoschwagerina(s．l．)帶對比，其層位與山西太原西山太原組頂部東大窯灰?guī)r大致相當(dāng)。［4－6］因此，徐州地區(qū)太原組和山西太原西山太原組沉積基本是同時結(jié)束，山西組沉積與太原組沉積是整合接觸，由此推得徐州地區(qū)山西組和太原西山地區(qū)山西組的沉積基本同時開始，屬于同時期沉積。

山西組在華北地臺內(nèi)廣泛發(fā)育，以砂巖為主，其次為泥巖、粉砂巖，無石灰?guī)r，煤層在相對組成中所占比例也較小，約6%左右。與下伏地層太原組和上覆地層下石盒子組都是整合接觸。

2 徐州地區(qū)山西組巖石組合特征

按巖石地層單位劃分，山西組與太原組在太原西山標(biāo)準(zhǔn)剖面上分界是太原組最上一層石灰?guī)r的頂面［3］，從太原組的石灰?guī)r對比得出，本區(qū)見到的最后一層石灰?guī)r頂部是山西組的底部，山西組的第一層砂巖基本上對應(yīng)于北岔溝砂巖。太原組頂部是黑色泥巖和海相生物碎屑灰?guī)r，生屑完整，含有孔蟲、珊瑚、海百合莖等化石。山西組主要是一套海陸交互相沉積，以砂巖為主，其次是泥巖和粉砂巖。山西組上覆地層是下石盒子組，以下石盒子組底部的灰綠色長石砂巖為分界［3］

本文根據(jù)沉積物沉積時所處位置與海平面的關(guān)系，將山西組沉積分為下段水下沉積部分和上段水上沉積部分。

2．1 太原組頂部—山西組下段沉積相特征

太原組頂部—山西組下段根據(jù)巖石類型可以分5個沉積微相。

1)瀉湖—前三角洲相：太原組頂部黑色泥巖、生物碎屑灰?guī)r和山西組底部黑色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖，泥質(zhì)粉砂巖。太原組頂部是灰黑色泥巖、黑色粉砂質(zhì)泥巖和黑色泥質(zhì)粉砂巖交替出現(xiàn)最頂部是生物碎屑灰?guī)r，見圖1圖版Ⅰ－1。泥巖和粉砂質(zhì)泥巖中生物擾動構(gòu)造發(fā)育，水平層理，含有黃鐵礦薄膜，見圖版Ⅰ－2。深灰色粉砂巖中見植物化石碎片，植物根須，stigmaria ficoides(臍根座)。生屑灰?guī)r灰色帶紅色調(diào)，見海百合莖，完整的放射狀珊瑚、有孔蟲，珊瑚等。太原組頂部屬于滯留還原環(huán)境的瀉湖相沉積。山西組底部暗灰色粉砂質(zhì)泥巖，偶見星散狀黃鐵礦晶粒和直徑2 mm左右的海百合莖;上部暗灰色泥質(zhì)粉砂巖，由下向上粉砂含量增高。整體具水平層理、透鏡狀層理，紋層1～2 mm，層間有菱鐵礦薄膜，生物擾動發(fā)育，形成蹼狀跡，可含少量植物化石碎片。反映了低水動力的還原環(huán)境，是三角洲前緣向海方向延伸的細(xì)粒沉積物，屬于前三角洲沉積相，見圖2。

圖1 圖版Ⅰ

圖2 山西組下段沉積序列

圖1 圖版Ⅰ－1，淺海相：生屑灰?guī)r，底部含有大量海百合莖和少量珊瑚化石。圖版Ⅰ－2，瀉湖相：泥質(zhì)層面上有大量黃鐵礦薄膜，有碳化物質(zhì)。圖版Ⅰ－3，遠(yuǎn)砂壩：泥砂互層示波狀層理，蟲孔發(fā)育。圖版Ⅰ－4，河口壩：砂泥互層、波狀層理。圖版Ⅰ－5，分流間灣：粉砂質(zhì)泥巖夾有大量方解石脈和少量黃鐵礦結(jié)核。圖版Ⅰ－6，水下分流河道：細(xì)砂巖夾大量泥質(zhì)條帶和泥礫。圖版Ⅰ－7，水上分流河道：中砂巖夾有碳質(zhì)紋層示槽狀交錯層理。圖版Ⅰ－8，天然堤：砂泥互層，含有植物化石。

2)遠(yuǎn)砂壩相：主要由泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖，夾有淺色的粉砂巖～細(xì)砂巖薄層構(gòu)成。底部發(fā)育見有生物擾動形成的變形層理;下部蟲孔發(fā)育，含菱鐵礦結(jié)核，結(jié)核直徑1．5～4 cm，長4～6 cm;上部粉砂巖與泥巖、砂質(zhì)泥巖互層，泥質(zhì)條帶顯示波狀交錯層理，砂層為灰色，厚1 cm，泥層厚度1～5 mm，見極少植物化石碎片;頂部生物擾動少。總體看下部層理模糊，向上逐漸清晰。這是在較弱水動力條件下沉積的遠(yuǎn)砂壩，位于河口砂壩前較遠(yuǎn)部位，沉積物較河口砂壩相細(xì)，見圖1圖版Ⅰ－3，圖2。

3)河口壩相：由細(xì)—中砂巖組成。底部有沖刷起的泥礫，從下部向上泥質(zhì)條帶減少，條帶厚度由大于1～5 mm變?yōu)?～2 mm。層理類型從波狀層理～脈狀層理演變?yōu)橹行⌒徒诲e層理，且交錯層理的厚度從下向上逐漸增加，也有少量泥砂互層。下部的粉砂巖、泥巖中含有植物化石碎片，上部細(xì)—中砂巖中見生物擾動構(gòu)造。受洪水影響，砂壩中可含少量泥質(zhì)包體，偶見沖刷面。由于分流河道在平面上的擺動，河口砂壩相中可見多個逆粒序，見圖1圖版Ⅰ－4，圖2。

對該層巖石薄片粒度分析結(jié)果顯示：平均粒徑MZ=2．3d，為細(xì)—中粒;峰度 KG=1．4，正態(tài)曲線尖銳;偏度 Sk=0．27，正偏態(tài);標(biāo)準(zhǔn)偏差 σ1=0．61，分選較好。粒度概率曲線中只看到了跳躍總體和懸浮總體，過渡帶較寬，跳躍總體占80%，懸浮總體占20%，見圖3。

對河口砂壩相的砂巖進(jìn)行薄片鑒定，具有如下特點：a)下部雜基含量高，達(dá)到10%，而向上雜基含逐漸降低至小于5%;說明砂壩頂部受的水動力條件較強。b)砂巖從碎屑的分選性上也反映同樣的趨勢，薄片中可見的菱鐵礦或黃鐵礦，說明沉積后孔隙水介質(zhì)的還原性，與海水有關(guān)。c)成分成熟度低，表現(xiàn)為石英含量低而巖屑含量高。這個特點與一般的河口壩相不同，主要是因為物源供應(yīng)的不同。本地區(qū)剖面的砂巖來自于火山的碎屑所以石英含量低，也說明沉積速度較快而波浪的改造作用相對較弱。

4)分流間灣相：暗黑色粉砂質(zhì)泥巖。下部夾透鏡狀中砂巖，見植物葉片，植物莖桿化石，見有黃鐵礦薄膜。上部含直徑4 cm左右的黃鐵礦結(jié)核，有少量鐵質(zhì)薄膜。這是在水下分流河道間的低洼地區(qū)安靜水動力條件下沉積的，屬于分流間灣相，是既與海相溝通又與陸相相連的沉積體，見圖1圖版Ⅰ －5，圖2。

5)水下分流河道相：以灰色中粒、中—細(xì)粒長石石英砂巖為主，底部夾有大量碳質(zhì)泥礫，少量碳質(zhì)層面有黃鐵礦薄膜，該層與下伏地層呈沖刷接觸。下部中粒長石石英砂巖，局部含有0．5～1 cm大小呈層狀產(chǎn)出的菱鐵礦結(jié)核，含有較多碳質(zhì)物質(zhì);上部中—細(xì)粒長石石英砂巖，碳質(zhì)物質(zhì)明顯減少。從下向上見小型槽狀交錯層理和板狀交錯層理，是在較高水動力條件下沉積的。在水下流速受海水波浪作用和潮汐作用的影響比較明顯，在海進(jìn)或漲潮時流速明顯降低沉積泥巖，所以，水下分流河道相砂巖中夾有較多泥巖，見圖1圖版Ⅰ－6，圖2。

對該層巖石薄片粒度分析結(jié)果顯示：平均粒徑MZ=1d，為中粒;峰度 KG=0．98，中等;偏度 Sk=0．99，很正偏態(tài);標(biāo)準(zhǔn)偏差 σ1=0．86，分選中等。頻率曲線表現(xiàn)為單峰，粒度概率曲線中只看到了跳躍總體和懸浮總體，跳躍總體分為了兩段，顯示了潮汐流的強烈影響。跳躍總體占85%，懸浮總體15%左右，見圖4。

從薄片觀察看來，該層成分成熟度較低，主要受火山物源的影響，薄片中可見較多的云母片，形成富含云母的砂巖。云母的富集也反映了潮汐流的影響，分支河流受到潮汐流的頂托作用，使流水速度下降很快，從而使云母片沉積下來。結(jié)構(gòu)成熟度有低有高，低者是表現(xiàn)為雜基含量高，分選磨圓度較差，這與受潮汐影響而導(dǎo)致沉積物的沉積速度較快有關(guān);較高者則表現(xiàn)為雜基含量低，而主要受鈣質(zhì)膠結(jié)物膠結(jié)，其與較強大的潮汐流改造有關(guān)。

圖3 河口壩粒度分析

圖4 水下分流河道粒度分析

2．2 山西組上段沉積相

山西組上段根據(jù)巖石類型可分為三個沉積微相。

1)水上分流河道：以中—粗粒長石砂巖、長石石英砂巖、石英長石砂巖為主，高嶺石膠結(jié)，向上粒度逐漸變細(xì)顯現(xiàn)正粒序。底部灰色略帶紅色調(diào)中—粗粒長石砂巖，含海綠石、巖屑、碳質(zhì)碎屑，碳質(zhì)碎屑大多小于1 mm，偶爾可達(dá)10 mm左右，見黃鐵礦結(jié)核。下部中粒長石石英砂巖，含有泥質(zhì)條帶，向上泥質(zhì)條帶逐漸減少，見菱鐵礦結(jié)核。上部中—細(xì)粒長石砂巖。整體從下向上粒度由粗到細(xì)，呈大型槽狀交錯層理、板狀交錯層理和脈狀層理，這是在高能水動力條件下沉積下來的，屬于水上分流河道相，相對于水下分流河道流速受到海水的阻力小，潮汐影響弱，流速較快，沉積物粒度和層理規(guī)模都更大，沉積速度相對較慢，見圖5。

對該層巖石薄片粒度分析結(jié)果顯示：平均粒徑MZ=1．2d，為中粒;峰度 KG=1．02，中等;偏度 Sk=0．12，正偏態(tài);標(biāo)準(zhǔn)偏差 σ1=0．73，分選中等。概率累積曲線中以跳躍總體和懸浮總體為主，跳躍總體占90%，懸浮總體占10%，見圖1圖版Ⅰ－7，圖6。

水下分流河道和水上分流河道的差別在于：a)水下分流河道沉積物多為暗灰色，顆粒相對較細(xì)，多具小型槽狀交錯層理、板狀交錯層理和砂紋層理;水上分流河道沉積物顏色較淺，粒度較粗，多是大型槽狀交錯層理和板狀交錯層理。b)水下分流河道受潮汐和波浪作用比較明顯，相對于水上分流河道，其碳質(zhì)、泥質(zhì)紋層較發(fā)育。c)水下分流河道上覆的分流間灣泥巖多是暗灰色，呈塊狀層理和水平層理，屬于還原環(huán)境;水上分流河道上覆泥巖多呈綠色或者淺綠色，屬于暴露環(huán)境。

2)天然堤：灰色泥巖為主，水平層理，見有透鏡狀灰色細(xì)砂巖。生物擾動強烈，風(fēng)化面上高嶺石發(fā)育，見圖1圖版Ⅰ－8，圖5。

3)泛濫平原—沼澤：碳質(zhì)泥巖和煤為主，下部碳質(zhì)泥巖，含有大量完整的植物化石，塊狀層理，中間夾有煤層。上部暗灰色粉砂質(zhì)泥巖，水平層理，大量羊齒和科達(dá)植物化石碎片。屬于靜水環(huán)境下沉積，見圖5。

總的說來，該處的三角洲平原應(yīng)屬于下三角洲平原，受海水影響，其分流河道間有明顯的分流間灣發(fā)育。巖層中出現(xiàn)少量的泥礫、分流河道相砂巖相中夾有泥質(zhì)薄層，說明距海較近，受潮汐影響較大［8］。

3 沉積環(huán)境與演化

華北石炭、二疊紀(jì)含煤盆地是發(fā)育在華北地臺上的一個超大型板內(nèi)盆地，面積約120萬km2，盆體完整、范圍廣布、各地均可順利對比。華北自中奧陶世后曾整體上隆，至晚石炭世早期即巴什基爾期受古郯廬帶活動影響而恢復(fù)沉積，石炭紀(jì)早期海水主要來自東北方向，后因板緣活動導(dǎo)致板內(nèi)做翹板運動，至二疊紀(jì)海水改由東南方向退出。本地區(qū)的山西組就是一個陸表海從東南方向退出的海陸過渡相［9］。

太原組頂部灰?guī)r是淺海相沉積，隨著海水的進(jìn)一步向東南方向退出，本地區(qū)變成海陸過渡相沉積環(huán)境。與之前的海相環(huán)境相比，河流作用明顯增強，河流帶來的陸源碎屑巖開始覆于海相沉積物之上［10］。由于地勢較平坦，沒有形成主河流體，所以前三角洲的發(fā)育不太完全，只是有較薄的一層泥巖、粉砂質(zhì)泥巖覆于太原組海相灰?guī)r之上。隨著進(jìn)一步海退，河流向海進(jìn)積，在本地區(qū)形成了具有逆粒序的遠(yuǎn)砂壩、河口砂壩和水下分流河道。河流作用雖有所增強，但整體仍位于水下，天然堤不穩(wěn)定，水下分流河道容易發(fā)生改道，出現(xiàn)多個分流間灣和水下分流河道疊置的現(xiàn)象。隨著海水的進(jìn)一步退出，總體進(jìn)入水上沉積環(huán)境，河流作用占主導(dǎo)，形成水上分流河道、分流間灣、泛濫平原—沼澤等三角洲平原的微相，泛濫平原泥巖帶綠色調(diào)，代表水上暴露環(huán)境沉積?？傮w海退作用和河流的進(jìn)積作用形成了一個完整的三角洲沉積體系。

4 結(jié)語

1)徐州地區(qū)石炭—二疊系的地層是在石炭紀(jì)晚期—二疊紀(jì)初期陸表海由西北向東南退出華北盆地的過程中形成的，包括海相沉積的太原組、海陸交互相的山西組以及陸地河流相的石盒子組。

2)山西組覆于太原組海相灰?guī)r之上，與太原組屬于整合接觸。山西組巖石是一套完整的河控三角洲沉積，分為以泥巖、粉砂巖為主的前三角洲，粉砂巖、泥巖互層的遠(yuǎn)砂壩，中—細(xì)粒砂巖的河口壩，具有正粒序的水下分流河道和水上分流河道，黑色泥巖為主的分流間灣以及碳質(zhì)泥巖和煤為主的泛濫平原—沼澤相。

3)徐州是華北盆地在石炭二疊紀(jì)的一個重要聚煤地區(qū)，對其的沉積環(huán)境的分析研究，有助于對煤炭資源的進(jìn)一步勘察開發(fā)，具有較大的經(jīng)濟(jì)價值。

［1］ 陳世悅，徐鳳銀，劉煥杰．華北晚古生代層序地層與聚煤規(guī)律［M］．東營：石油大學(xué)出版社，2000：12－17．

［2］ 陳鐘惠，武法東．華北晚古生代含煤巖系的沉積環(huán)境和聚煤規(guī)律［M］．武漢：中國地質(zhì)大學(xué)出版，1993：21－24．

［3］ 陳晉鑣，武鐵山．華北區(qū)區(qū)域地層［M］．武漢：中國地質(zhì)大學(xué)出版社，1997：75－81．

［4］ 張志存．太原西山晚石炭世筵類的再研究［J］．微體古生物學(xué)報，1990，7(2)：95－102．

［5］ 蔡如華．兩淮煤田太原組的蜓類分帶［J］．淮南礦業(yè)學(xué)院學(xué)報，1989(3)：101－108．

［6］ 盛金章，王仁農(nóng)．江蘇北部大屯煤田的含筵地層及筵類動物群［J］．科學(xué)通報，1982(2)：192－193．

［7］ 桑樹勛，陳世悅，劉煥杰．華北晚古生代成煤環(huán)境與成煤模式多樣性研究［J］．沉積學(xué)報，2001(36)：210－212．

［8］ 陳世悅．華北石炭二疊紀(jì)海平面變化對聚煤作用的控制［J］．煤田地質(zhì)與勘探，2000，28(5)：32－33．

［9］ 陳世悅，劉煥杰．華北晚古生代層序地層模式及其演化［J］．煤田地質(zhì)與勘探，1995，23(5)：1－5．

［10］ 程保洲．山西晚古生代沉積環(huán)境與聚煤規(guī)律［M］．太原：山西科學(xué)技術(shù)出版社，1992：178－180．