馮婷婷李增學(xué)呂大煒王東東劉海燕王平麗

(1.山東省沉積成礦作用與沉積礦產(chǎn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東省青島市,266590; 2.山東科技大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院,山東省青島市,266590)

★煤炭科技·地質(zhì)與勘探★

內(nèi)蒙古金寶屯礦區(qū)煤與油頁(yè)巖共生沉積環(huán)境及層序演化?

馮婷婷1,2李增學(xué)1,2呂大煒1,2王東東1,2劉海燕1,2王平麗1,2

(1.山東省沉積成礦作用與沉積礦產(chǎn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東省青島市,266590; 2.山東科技大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院,山東省青島市,266590)

在系統(tǒng)分析內(nèi)蒙古金寶屯盆地協(xié)爾蘇組鉆孔巖心、測(cè)井、古生物等資料的基礎(chǔ)上,對(duì)金寶屯盆地的煤與油頁(yè)巖共生發(fā)育的沉積環(huán)境、層序地層特征等進(jìn)行深入研究。研究發(fā)現(xiàn),協(xié)爾蘇組存在兩種煤與油頁(yè)巖共生組合類(lèi)型(自上而下):煤層－油頁(yè)巖(C-OS)組合和煤層－油頁(yè)巖－煤層(C-OS-C)組合,主要發(fā)育于深湖－半深湖向三角洲過(guò)渡的環(huán)境,煤與油頁(yè)巖共生組合僅發(fā)育在盆地演化晚期的高水位體系域。構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、基底地形、水體深度與分層等因素綜合控制了煤、油頁(yè)巖的發(fā)育與展布,進(jìn)而控制了煤與油頁(yè)巖共生組合發(fā)育的類(lèi)型、演化及展布特征。

金寶屯盆地 煤與油頁(yè)巖共生 沉積相 層序地層 內(nèi)蒙古

煤與油頁(yè)巖共生組合現(xiàn)象在我國(guó)多地存在,內(nèi)蒙古金寶屯盆地是煤與油頁(yè)巖共生的典型地區(qū)之一。金寶屯盆地含煤地層為下白堊統(tǒng)協(xié)爾蘇組,而含煤地層油頁(yè)巖的沉積環(huán)境主要為淺水湖泊沼澤環(huán)境,煤與油頁(yè)巖共生時(shí),煤中的低等動(dòng)植物和油頁(yè)巖中的高等植物均比單一礦種含量高。本文運(yùn)用沉積學(xué)和層序地層學(xué)的有關(guān)理論方法,詳細(xì)分析了金寶屯地區(qū)協(xié)爾蘇組的沉積環(huán)境及其層序地層特征,進(jìn)而剖析研究區(qū)煤與油頁(yè)巖共生組合發(fā)育與分布規(guī)律。

1 地質(zhì)背景

金寶屯礦區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)科爾沁左翼后旗境內(nèi),處在內(nèi)蒙地軸北緣,松遼盆地的南緣,距金寶屯鎮(zhèn)35 km左右。金寶屯盆地為中生代內(nèi)陸盆地,盆地邊界特征不同,西部、南部和北部邊界均屬沉積變薄尖滅類(lèi)型,而東部邊界則逐漸加厚,整個(gè)盆地在東西方向上呈楔形。盆地內(nèi)以向斜構(gòu)造為主,近等軸狀,產(chǎn)狀比較平緩,局部有較大的波狀起伏,后期斷層較少,如圖1所示。

圖1 研究區(qū)位置及地質(zhì)構(gòu)造概況

金寶屯礦區(qū)中生界主要發(fā)育下白堊統(tǒng)的義縣組、協(xié)爾蘇組和泉頭組。下白堊統(tǒng)協(xié)爾蘇組中段發(fā)育一個(gè)可采煤組和與煤層底板共生的礦產(chǎn)油頁(yè)巖,其主要巖性為灰黑色及黑色泥巖、灰白色粉砂巖和細(xì)砂巖。礦區(qū)內(nèi)沉積形成一個(gè)復(fù)煤層,分上、中、下3個(gè)分煤層,上分煤層為可采煤層,中分煤層以薄煤層夾炭質(zhì)頁(yè)巖為主,下分煤層為炭質(zhì)頁(yè)巖。煤層之下與煤層共生礦產(chǎn)油頁(yè)巖可劃分為Ⅰ、Ⅱ兩層,頁(yè)理發(fā)育,局部含炭較高。在油頁(yè)巖、頁(yè)巖下部為薄層礫巖、細(xì)砂巖、粉砂巖,具有緩波狀層理及水平層理,局部可見(jiàn)交錯(cuò)層理,含少量炭化植物碎屑。礫巖的成分一般以變質(zhì)巖為主,泥質(zhì)膠結(jié),砂質(zhì)充填,泥巖、油頁(yè)巖、頁(yè)巖中含大量的三尾擬蜉蝣、葉肢介化石。

2 煤與油頁(yè)巖沉積環(huán)境及其共生組合

2.1 沉積環(huán)境分析

關(guān)于金寶屯盆地的沉積環(huán)境,已有一些專(zhuān)家進(jìn)行過(guò)分析。結(jié)合研究區(qū)實(shí)際資料,研究區(qū)的主要沉積環(huán)境為扇三角洲體系,湖泊體系和曲流河沉積體系,如圖2所示。

圖2 內(nèi)蒙古金寶屯礦區(qū)下白堊統(tǒng)協(xié)爾蘇組沉積環(huán)境分析

(1)扇三角洲體系。該體系主要發(fā)育沉積相為分流間灣和分流河道,其坡積物、洪積物主要發(fā)育在盆地形成之初、湖水侵進(jìn)階段,主要巖性為礫巖、含礫粗砂巖,礫石成分為片巖、片麻巖、凝灰?guī)r、安山巖等,分選差、棱角狀、泥質(zhì)膠結(jié)。向上沉積了細(xì)砂巖、粉砂巖,局部含炭屑,屬于遠(yuǎn)砂壩沉積物,其上是中砂巖夾粉砂巖,具小型交錯(cuò)層理,含少量炭化植物屑,是河口砂沉積物,為扇三角洲前緣層積物。扇三角洲前緣層積物之上是細(xì)砂巖、粉砂巖,多數(shù)含生物化石及炭屑,具水平層理等較細(xì)的沉積物,其上為粉砂質(zhì)泥巖、泥巖等,為近似湖泊相的遠(yuǎn)砂壩沉積和淺湖泊相沉積物。

(2)湖泊體系。主要發(fā)育在扇三角洲沉積之上,依次發(fā)育濱淺湖相、半深湖相以及深湖相和半深湖相。深湖相沉積了厚層灰黑色、黑色、局部帶褐色的油頁(yè)巖層,含大量的浮游生物化石,層理發(fā)育,該層為湖水變淺大量的浮游生物死亡并沉積形成的。Ⅰ層油頁(yè)巖沉積之后,沉積了一層灰、灰綠色凝灰質(zhì)泥巖、凝灰質(zhì)粉砂巖和少量的凝灰質(zhì)細(xì)砂巖,說(shuō)明當(dāng)時(shí)地殼運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈并伴有火山噴發(fā)?；鹕絿姲l(fā)之后,向上沉積了一層黑色為主的油頁(yè)巖層(Ⅱ號(hào)油頁(yè)巖),該層局部含炭較高,層理較發(fā)育。水體較淺時(shí),湖水難以發(fā)生分層,無(wú)法沉積油頁(yè)巖;而水體較深時(shí),湖水穩(wěn)定后發(fā)生分層,沉積厚層油頁(yè)巖。

(3)曲流河沉積體系。主要發(fā)育沉積相為泛濫平原、泛濫湖泊以及辮狀河道。隨著泥炭沼澤的發(fā)育和范圍逐漸擴(kuò)大,湖泊逐漸進(jìn)入萎縮、消亡期。該時(shí)期地勢(shì)較為平坦,河流作用再次增強(qiáng),逐漸過(guò)渡為曲流河沉積為主,沉積物主要為砂巖、含礫粗砂巖及少量薄層礫巖、細(xì)礫巖。礫石成分以變質(zhì)巖、花崗巖為主,分選差、棱角狀、泥質(zhì)膠結(jié)松散,粉砂巖、泥巖中含礫石,可見(jiàn)斜層理和交錯(cuò)層理,粗砂巖成分以石英、長(zhǎng)石為主,泥質(zhì)膠結(jié)松散,為河道滯留沉積、高能河道沉積。上部細(xì)砂巖具緩波狀層理、小型波紋層理、小型交錯(cuò)層理、水平層理,為分選較好的天然堤沉積。

2.2 煤與油頁(yè)巖共生組合特征

金寶屯盆地下白堊統(tǒng)協(xié)爾蘇組主要發(fā)育兩層厚度較大的油頁(yè)巖和一個(gè)復(fù)合煤層,煤與油頁(yè)巖主要有兩種共生組合類(lèi)型(自上而下),如圖3所示。第一種是煤層－油頁(yè)巖組合(C-OS),這是研究區(qū)最主要的煤與油頁(yè)巖共生組合類(lèi)型,即油頁(yè)巖作為煤層上分層的底板,巨厚層的油頁(yè)巖之上發(fā)育了一層厚度較大的煤層,煤層和油頁(yè)巖的分布均較大;第二種是煤層－油頁(yè)巖－煤層組合(C-OS-C),即油頁(yè)巖的頂?shù)装鍨槊簩由戏謱印⒌装鍨槊簩又蟹謱?這種組合主要出現(xiàn)在煤的中分層發(fā)育的地區(qū),厚度和分布范圍均較小,主要分布在研究區(qū)的中南部。盆地東北部煤層上分層單獨(dú)出現(xiàn),不與油頁(yè)巖共生,而煤層中分層則作為油頁(yè)巖的頂板(COS)。這兩種組合均出現(xiàn)在深湖－半深湖向曲流河三角洲過(guò)渡的環(huán)境,作為煤層底板的油頁(yè)巖一般發(fā)育在深湖－半深湖環(huán)境,而煤層則主要發(fā)育在曲流河三角洲環(huán)境,反映了沉積環(huán)境較大的轉(zhuǎn)化。

圖3 內(nèi)蒙古金寶屯礦區(qū)煤與油頁(yè)巖共生典型沉積序列

研究區(qū)內(nèi)煤與油頁(yè)巖共生主要存在兩種典型的沉積序列。序列1主要發(fā)育在沉積期湖泊的中部,在油頁(yè)巖沉積之前已經(jīng)發(fā)育了厚層的泥巖,隨著地質(zhì)條件發(fā)生變化,水體加深,湖水穩(wěn)定后發(fā)生分層,沉積了厚度較大的油頁(yè)巖;此后水體變淺,發(fā)育了一套濱湖灘壩粉砂巖,然后進(jìn)入濱湖環(huán)境,發(fā)育了厚度較大的油頁(yè)巖;水體再次變淺,進(jìn)入濱湖沼澤環(huán)境,湖水難以分層,發(fā)育了厚度較大的煤層;之后水體略有加深,發(fā)育了濱湖和灘壩沉積。序列2主要發(fā)育在沉積期湖泊的濱岸位置,下部發(fā)育了厚層的礫巖,主要為扇三角洲平原辮狀主河道的礫巖沉積,湖泊逐漸擴(kuò)張,過(guò)渡到辮狀河三角洲前緣的辮狀分支河道粗砂巖沉積;湖泊繼續(xù)擴(kuò)張加深進(jìn)入淺湖環(huán)境,湖水發(fā)生分層,沉積了厚度較大的油頁(yè)巖;之后,湖水有所變淺,進(jìn)入湖沼環(huán)境,湖水難以發(fā)生分層,沉積了一層厚度不大的煤層,即中煤分層;湖水再次加深,湖水發(fā)生分層,沉積了厚度較大的油頁(yè)巖;之后,湖水較大范圍變淺,進(jìn)入湖沼環(huán)境,沉積了厚度較大的煤層,即上煤分層;湖沼發(fā)育晚期,湖水大范圍加深,進(jìn)入淺湖環(huán)境,沉積了厚度較大的泥巖。

3 金寶屯盆地下白堊統(tǒng)層序地層分析

3.1 層序地層格架建立

通過(guò)鉆井及測(cè)井曲線的綜合對(duì)比,在內(nèi)蒙古金寶屯礦區(qū)下白堊統(tǒng)協(xié)爾蘇組共識(shí)別出3個(gè)層序地層界面:協(xié)爾蘇組下部主要為砂巖、含礫粗砂巖,向上發(fā)育泥巖或煤層,巖性明顯突變,為典型的層序界面;協(xié)爾蘇組上部與上覆泉頭組之間為角度不整合接觸,為典型的層序界面;Ⅰ號(hào)油頁(yè)巖中部電阻率值最大而長(zhǎng)源距值最小,代表最大湖泛面,也是典型的層序地層界面。根據(jù)層序界面發(fā)育特征,可以將協(xié)爾蘇組劃分為一個(gè)三級(jí)層序,反映了一個(gè)完整的湖泊發(fā)育旋回,主要可以劃分出四個(gè)體系域:低水位體系域(LST)、湖擴(kuò)張?bào)w系域(EST)、早期高水位體系域(EHST)和晚期高水位體系域(LHST)。低水位體系域主要包括下部砂、礫巖段,在湖泊中部還包括部分泥巖段;湖擴(kuò)張?bào)w系域主要包括含礦段的下部湖相泥巖和Ⅰ號(hào)油頁(yè)巖的一部分;進(jìn)入早期高水位體系域穩(wěn)定沉積階段,繼續(xù)發(fā)育Ⅰ號(hào)油頁(yè)巖,之后發(fā)育Ⅱ號(hào)油頁(yè)巖;上部穩(wěn)定中厚煤層的出現(xiàn),反映了水體突然變淺,湖泊快速萎縮,進(jìn)入晚期高水位體系域。

3.2 層序地層格架及演化

在層序地層格架中,煤與油頁(yè)巖組合發(fā)育在盆地演化晚期的高水位體系域,厚層油頁(yè)巖之上沉積了較穩(wěn)定的煤層上分層,局部地區(qū)還出現(xiàn)煤層的上、中分層夾油頁(yè)巖的情況。這些共生組合的發(fā)育,反映了水體的快速變淺,可容空間迅速變小,由淺湖環(huán)境快速轉(zhuǎn)變?yōu)楹迎h(huán)境而發(fā)育煤層,其動(dòng)力機(jī)制主要為構(gòu)造的突發(fā)性抬升。在盆地演化早－中期,即低水位和湖擴(kuò)張?bào)w系域,由于盆地構(gòu)造沉降太快,可容空間增加速率極快,不利于泥炭的堆積,繼而沒(méi)能發(fā)育煤層。

通過(guò)對(duì)典型鉆孔A14孔進(jìn)行層序地層分析,研究得出該地區(qū)的層序地層發(fā)育特征,如圖4所示。在低水位體系域,主要發(fā)育厚層礫巖,由于盆地構(gòu)造沉降太快,可容空間增加速率極快,不利于泥炭的堆積,沒(méi)能發(fā)育煤層;湖擴(kuò)張?bào)w系域主要發(fā)育Ⅰ號(hào)油頁(yè)巖的下部,盆地構(gòu)造沉降和可容空間增加速率極快,不利于泥炭的堆積,也沒(méi)能發(fā)育煤層;早期高水位體系域發(fā)育了Ⅰ號(hào)油頁(yè)巖的上部和Ⅱ號(hào)油頁(yè)巖,中間夾一層凝灰質(zhì)泥巖,凝灰?guī)r的沉積破壞了湖水的分層,導(dǎo)致了油頁(yè)巖發(fā)育的中斷;晚期高水位體系域發(fā)育了一層煤和上部的巨厚層細(xì)砂巖。油頁(yè)巖發(fā)育時(shí)期,湖水較深,可容空間與沉積物供給量比值(A/S)較大,隨著構(gòu)造抬升和沉積物充填,水體逐漸變淺,可容空間迅速變小, A/S比值減小,發(fā)育了濱湖泥巖沉積,并逐漸過(guò)渡到泥炭沼澤環(huán)境,發(fā)育了厚度中等的煤層。這個(gè)沉積序列的變化是連續(xù)的、漸變的,煤與油頁(yè)巖沉積環(huán)境的轉(zhuǎn)換是漸變的。

圖4 金寶屯礦區(qū)A14孔井下白堊統(tǒng)沉積相－層序劃分綜合柱狀圖

通過(guò)對(duì)盆地內(nèi)2條典型剖面進(jìn)行層序地層分析,如圖5、圖6所示,發(fā)現(xiàn)盆地內(nèi)只要有湖相細(xì)碎屑物沉積的地區(qū),均有煤層－油頁(yè)巖(C-OS)組合。在湖泊水體較深的地區(qū)油頁(yè)巖和煤層的厚度均較大,且只有一層煤發(fā)育;在盆地中南部次級(jí)低隆起上,油頁(yè)巖和煤層厚度均較小,且煤層一般發(fā)育兩層,發(fā)育煤層－油頁(yè)巖－煤層(C-OS-C)組合。在湖泊區(qū)水體較深而發(fā)育油頁(yè)巖時(shí),次級(jí)隆起區(qū)水體較淺,仍未有粗碎屑沉積,水體繼續(xù)加深到一定程度時(shí)次級(jí)隆起區(qū)才開(kāi)始發(fā)育油頁(yè)巖,故油頁(yè)巖厚度相對(duì)較小。隨著盆地演化進(jìn)入晚期,構(gòu)造抬升導(dǎo)致湖泊水體變淺的時(shí)候,在水體較深的地區(qū)仍沉積油頁(yè)巖,次級(jí)隆起區(qū)率先進(jìn)入泥炭沼澤環(huán)境而發(fā)育煤層。當(dāng)水體較深地區(qū)水體變淺到可以發(fā)育泥炭沼澤而發(fā)育煤層時(shí),次級(jí)隆起區(qū)由于水體過(guò)淺而早已終止成煤作用,形成的煤層較薄。

從盆地典型的連井剖面來(lái)看,隨著水體深度的增加,油頁(yè)巖主要發(fā)育在層序的湖擴(kuò)張?bào)w系域(EST)和早期高水位體系域(EHST),油頁(yè)巖厚度有增大趨勢(shì);但是局部地區(qū)水深較大而油頁(yè)巖厚度較小,從巖性柱狀上看,該地區(qū)發(fā)育的凝灰?guī)r較厚,即火山活動(dòng)對(duì)該地區(qū)水體的穩(wěn)定性造成影響,進(jìn)而影響了油頁(yè)巖的發(fā)育。從煤層發(fā)育整體上來(lái),全盆地發(fā)肓較穩(wěn)定,厚度變化不大,但在盆地邊緣或盆內(nèi)次級(jí)隆起部位稍薄,但是這些部位往往發(fā)育兩個(gè)煤層,反應(yīng)了水體的深淺變化。水體變淺時(shí),盆緣或盆內(nèi)隆起部位水體較淺,湖水難以發(fā)生分層且高等植物繁盛,逐漸進(jìn)入泥炭沼澤環(huán)境開(kāi)始發(fā)育煤層,湖中心次級(jí)凹陷區(qū)水體仍較深,仍然發(fā)育油頁(yè)巖沉積;當(dāng)構(gòu)造快速沉降,湖水迅速加深時(shí),濱湖和次級(jí)隆起上的泥炭沼澤迅速進(jìn)入水下,湖水穩(wěn)定后發(fā)生分層,沉積油頁(yè)巖;而湖中心和次級(jí)凹陷區(qū)則持續(xù)發(fā)育油頁(yè)巖。直到盆地演化晚期,構(gòu)造快速抬升,整個(gè)盆地快速萎縮變淺,全盆地范圍的油頁(yè)巖發(fā)育逐漸結(jié)束,轉(zhuǎn)入泥炭沼澤環(huán)境而發(fā)育煤層。最后,盆地逐漸萎縮、變淺、消亡。

圖5 內(nèi)蒙古金寶屯礦區(qū)下白堊統(tǒng)協(xié)爾蘇組沉積斷面圖(近S－N向)

圖6 內(nèi)蒙古金寶屯礦區(qū)下白堊統(tǒng)協(xié)爾蘇組沉積斷面圖(SW－NE向)

4 結(jié)論

(1)金寶屯盆地下白堊統(tǒng)協(xié)爾蘇組主要發(fā)育3種沉積相:扇三角洲相、湖泊相及三角洲相。油頁(yè)巖主要發(fā)育于深湖－半深湖環(huán)境,煤層主要發(fā)育于河流－三角洲沉積環(huán)境,煤與油頁(yè)巖主要有2種共生組合,即煤層－油頁(yè)巖(C-OS)組合和煤層－油頁(yè)巖－煤層(C-OS-C)組合,而這兩種組合均出現(xiàn)在深湖－半深湖向三角洲過(guò)渡的環(huán)境。

(2)金寶屯盆地下白堊統(tǒng)協(xié)爾蘇組可以識(shí)別出3個(gè)層序地層界面:協(xié)爾蘇組下部的巖性突變面;協(xié)爾蘇組上部與上覆泉頭組之間為角度不整合接觸面;I號(hào)油頁(yè)巖中部電阻率值最大而長(zhǎng)源距值最小的最大湖泛面。根據(jù)層序界面發(fā)育特征,可以將協(xié)爾蘇組劃分成四個(gè)體系域:低水位體系域(LST),湖擴(kuò)張?bào)w系域(EST),早期高水位體系域(EHST)和晚期高水位體系域(LHST)。

(3)油頁(yè)巖主要發(fā)育在層序的湖擴(kuò)張?bào)w系域(EST)和早期高水位體系域(EHST),煤層發(fā)育在晚期高水位體系域(LHST),煤與油頁(yè)巖共生組合僅發(fā)育在盆地演化晚期的高水位體系域。

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Symbiotic sedimentary environment and sequence evolution of coal and oil shale in Jinbaotun mining area in Inner Mongolia

Feng Tingting1,2,Li Zengxue1,2,Lv Dawei1,2,Wang Dongdong1,2,Liu Haiyan1,2,Wang Pingli1,2
(1.Shandong Key Laboratory of Sediment Mineralization and Sediment Mineral, Qingdao,Shandong 266590,China; 2.College of Earth Science and Engineering,Shandong University of Science and Technology, Qingdao,Shandong 266590,China)

Based on the systematical ananlysis of drill core,logging and paleontology data of Xieersu Formation in Jinbaotun basin in Inner Mongolia,a further study was conducted on the sedimentary environment of coal and oil shale symbiotic development and sequence stratigraphy characteristics．According to the research,there are two types of coal and oil shale symbiotic combination(from top to bottom):coal-oil shale(C-OS)and coal-oil shale-coal(C-OS-C), mainly developed in the environment that transited from deep lake-half deep lake to the delta,and the coal and oil shale symbiotic combination just developed in late highstand system tract．Some factors such as tectonic movement,basement terrain,water depth and hierarchy controlled the development and distribution of the coal and oil shale,and further controlled the type,evolution and distribution characteristics of the coal and oil shale symbiotic combination．

Jinbaotun basin,coal and oil shale symbiosis,sedimentary facies,sequence stratigraphy,Inner Mongolia

P624.6

A

馮婷婷(1986－),女,山東省滕州市人,山東科技大學(xué)碩士研究生在讀,主要研究方向?yàn)槌练e地質(zhì)與沉積礦產(chǎn)。

(責(zé)任編輯 郭東芝)

國(guó)家自然科學(xué)基金“煤與油頁(yè)巖共生聚積成礦機(jī)制與模式的比較研究”(41272172),教育部高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)科研基金(20123718110004)資助