杜 斌

(中國煤炭地質(zhì)總局勘查研究總院，北京 100039)

0 引言

二連盆地是我國重要的能源基地，具有豐富的煤炭及煤系礦產(chǎn)資源[1-3]。根據(jù)盆地構(gòu)造演化特征劃分出眾多凹陷，其中腦木根凹陷已發(fā)現(xiàn)煤炭及鈾礦等重要的沉積礦產(chǎn)[4-5]。近年來，層序地層格架下的煤炭賦存規(guī)律引起國內(nèi)外學(xué)者[6-8]的廣泛關(guān)注，尤其是可容空間增加速率與泥炭堆積速率的關(guān)系應(yīng)用于解釋煤層的形成及分布特征，取得很多重要的研究成果[9]。王帥等[10]分析了吉爾嘎朗圖凹陷陸相斷陷盆地層序地層格架及聚煤作用，指出不同沉積環(huán)境下聚煤作用強(qiáng)度不同；邵凱等[11]對(duì)東北地區(qū)早白堊世主要盆地群的含煤巖系層序地層格架及聚煤規(guī)律進(jìn)行了研究；趙岳等[12]對(duì)二連盆地烏蘭察布坳陷南緣下白堊統(tǒng)賽漢塔拉組層序地層格架進(jìn)行了研究；王東東等[2]認(rèn)為二連盆地中濱淺湖沼澤聚煤作用強(qiáng)，三角洲平原沼澤區(qū)、河流泛濫平原沼澤對(duì)煤的沉積比較有利，并提出地塹型、深水型半地塹型、淺水型半地塹型3種斷陷盆地聚煤模式；崔新省等[13]對(duì)二連盆地群晚中生代煤盆地的類型、充填樣式和聚煤特征進(jìn)行了討論，并結(jié)合盆地的沉積序列,對(duì)其構(gòu)造演化進(jìn)行了探討。總之，以往研究者針對(duì)二連盆地及北方陸相裂陷盆地層序地層及聚煤特征做了大量研究，取得很多有益成果，但是不同凹陷構(gòu)造演化及沉積特征均具有差異性，目前針對(duì)腦木根凹陷相關(guān)研究較少。基于此，筆者利用鉆孔巖心、測井等資料對(duì)腦木根凹陷下白堊統(tǒng)賽漢組進(jìn)行層序地層、巖相古地理及聚煤特征的研究，以期為該區(qū)煤炭及煤系礦產(chǎn)資源勘查提供依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

二連盆地是在海西褶皺基底上形成的經(jīng)多期次構(gòu)造疊加的中新生代斷陷盆地[14-17]，盆地經(jīng)歷了侏羅紀(jì)和早白堊世的伸展斷陷盆地期、在晚侏羅世末-早白堊世晚期經(jīng)歷了構(gòu)造反轉(zhuǎn)期及在晚白堊世以來經(jīng)歷了整體抬升期5個(gè)構(gòu)造演化階段，形成5坳3隆二級(jí)負(fù)向構(gòu)造帶及53個(gè)凹陷的三級(jí)構(gòu)造單元。腦木根凹陷位于烏蘭察布坳陷的中部，受兩條近NE向的控凹主斷裂控制，呈深而狹長的地塹式凹陷(圖1)。

二連盆地白堊紀(jì)的充填主體為下白堊統(tǒng)巴彥花群，由阿爾善組、騰格爾組、賽漢組組成，其中賽漢組廣泛沉積煤層。賽漢塔拉組(K1bs)與下伏騰格爾組為不整合接觸，沉積厚度160～600m，整體上為一套粗碎屑含煤巖系，自下而上巖性逐漸變粗，從凹陷邊緣到中心經(jīng)歷了河流相、三角洲相及湖泊沉積充填過程。

2 巖相類型及沉積相分析

通過分析鉆孔測井及巖心資料，賽漢塔拉組巖性主要為礫巖、含礫粗砂巖、中砂巖、細(xì)砂巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖、炭質(zhì)泥巖及煤層(圖2)。礫巖成熟度低，礫石成分主要為不規(guī)則的花崗巖及碎屑巖，主要分布在靠近凹陷邊緣的鉆孔中，反映出近源堆積的特點(diǎn)；砂巖中一般發(fā)育交錯(cuò)層理、平行層理及塊狀層理等，成分以石英和長石為主，由凹陷邊緣向中心砂巖成熟度增強(qiáng)，長石含量具有增高的趨勢；粉砂巖多發(fā)育水平層理及波狀層理； 泥巖中發(fā)育水平層理和塊狀層理，顏色為灰黑色，其中可見植物化石；本區(qū)發(fā)育褐煤，呈黑色-黑褐色，以暗煤為主。

圖1 二連盆地腦木根凹陷區(qū)域地質(zhì)及構(gòu)造綱要圖Figure 1 Regional geological and structural outline map of Nomgen depression in Erenhot Basin

a.灰白色中粗砂巖、灰色泥巖，155～158m，ZKU-6；b. 灰白色中 細(xì)砂巖246～248m，ZKU-9；c.灰黑色泥巖，75.2～76.4m，ZKU-1圖2 腦木根凹陷賽漢塔拉組巖心照片F(xiàn)igure 2 Nomgen depression Sayhan Tal Formation core photos

通過巖性巖相及電性組合特征分析，結(jié)合陸相裂陷盆地沉積相共生組合關(guān)系，在下白堊統(tǒng)賽漢塔拉組(K1bs)中共識(shí)別出辮狀河、三角洲和湖泊3種沉積相類型。

(1)辮狀河沉積相，發(fā)育粗粒碎屑巖，一般下部沉積含礫砂巖、粗砂巖，厚度大，分選差-中等，以石英砂巖為主，底部常見侵蝕面。上部發(fā)育薄層細(xì)粒砂巖、泥巖，且穩(wěn)定性較差，河流相二元結(jié)構(gòu)不明顯。測井曲線顯示，電阻率曲線為中高值，伽馬曲線顯示低值。

(2)三角洲沉積相，本區(qū)以三角洲平原亞相為主，微相以分流間灣為主、并可見分流河道及沼澤微相。分流間灣巖性以細(xì)碎屑巖為主；分流河道巖性較分流間灣粗，主要巖性為含礫粗砂巖、粗砂巖，成熟度中等，電阻率測井曲線顯示高幅線形，整體表現(xiàn)為正粒序，底部具有沖刷面。垂向上，泛濫平原一般發(fā)育在一個(gè)沉積序列的最頂部，厚度較小，發(fā)育煤層，富含植物化石。

(3)湖泊相，主要發(fā)育濱淺湖。巖性主要為深灰、灰綠色泥巖、細(xì)砂-粉砂巖，主要發(fā)育水平層理，在湖灣沼澤地帶發(fā)育厚層的煤層和炭質(zhì)泥巖，是本區(qū)主要的含煤層段。視電阻率曲線呈低幅鋸齒形。

3 層序地層格架

3.1 層序界面識(shí)別

根據(jù)Exxon公司“Vail”學(xué)派的觀點(diǎn)[18]，并結(jié)合陸相裂陷盆地層序地層研究成果，識(shí)別本區(qū)關(guān)鍵層序界面。

層序界面包括下切谷沖刷面、不整合面及巖性巖相突變面。不整合面主要為下白堊統(tǒng)賽漢組地層與古近系及騰格爾組地層之間的不整合接觸[19-21]，該界面也反映了區(qū)域沉降速率變化下的沉積環(huán)境的轉(zhuǎn)變及不同歷史時(shí)期古氣候的變化。下切谷沖刷面的沉積特征主要為厚層的砂體，呈透鏡狀相互疊置，如賽漢塔拉組上段底部發(fā)育穩(wěn)定的厚層粗粒砂巖底部沖刷面。在測井曲線中，可以識(shí)別出下切谷沖刷面上下部沉積環(huán)境具有明顯差異。在腦木根凹陷層序Ⅰ的底部，通過巖心及測井曲線可識(shí)別出的厚層的下切谷河道砂體，此厚層砂體構(gòu)成層序Ⅰ的低位體系域。沉積相的變化會(huì)導(dǎo)致地層巖性、顏色及測井曲線特征等發(fā)生相應(yīng)改變，從而判別層序界面。如垂向上，層序Ⅰ至層序II由湖泊沉積過渡為辮狀河沉積，對(duì)應(yīng)層序Ⅰ高位體系域與上部層序II低位體系域之間的過渡轉(zhuǎn)換。

圖3 腦木根凹陷ZK104-2賽漢塔拉組綜合柱狀圖 及沉積相、層序地層劃分圖[4]Figure 3 Nomgen depression Sayhan Tal Formation comprehensive column and sedimentary facies, sequence stratigraphic partitioning in borehole ZK104-2 (after reference[4])

3.2 層序Ⅰ特征

層序Ⅰ對(duì)應(yīng)于下白堊統(tǒng)賽漢塔拉組下段，由于賽漢塔拉組下段上部濱淺湖相泥巖沉積厚度大，將區(qū)內(nèi)厚層湖相泥巖的底面作為最大湖泛面的位置，將層序Ⅰ分為湖侵體系域和高位體系域。湖侵體系域巖性主要以砂泥巖、粉砂質(zhì)細(xì)砂巖、煤巖層為主，其主要形成于辮狀河三角洲及湖泊沉積體系。沉積厚度在橫向和縱向上均由凹陷邊緣向中央逐漸增厚，沉積環(huán)境由凹陷南向北從三角洲相演化為濱淺湖相，湖侵體系域有利于厚層煤沉積，在其中行成本區(qū)最主要的可采煤層。

層序Ⅰ高位體系域主要為三角洲沉積體系，巖性以粉砂質(zhì)細(xì)砂巖、粉砂巖、泥巖及炭質(zhì)泥巖為主。在研究區(qū)，高位體系域在全區(qū)均連續(xù)沉積，地層厚度較為穩(wěn)定，僅由南東向北西微弱減薄。高位體系域幾乎不發(fā)生聚煤作用，僅在凹陷斜坡帶發(fā)育薄層煤線或炭質(zhì)泥巖。

3.2 層序Ⅱ特征

層序Ⅱ?qū)?yīng)于下白堊統(tǒng)賽漢塔拉組上段，發(fā)育低位體系域和湖侵體系域， 其層序轉(zhuǎn)換面為初始湖泛面。在本次研究中，將層序II中下切谷粗砂巖的上覆砂泥巖底面定為初始湖泛面，在測井曲線上反映為自然伽馬值升高，視電阻率值快速下降。

圖4 腦木根凹陷下白堊統(tǒng)賽漢塔拉組 NW-SE 向沉積相與層序地層對(duì)比Figure 4 Nomgen depression lower Cretaceous Sayhan Tal Formation NW-SE sedimentary facies section and sequence stratigraphic correlation

低位體系域主要為河流沉積體系，巖性以礫巖、砂礫巖和泥巖為主，沉積不連續(xù)且厚度較薄，由凹陷邊緣向沉積中心具有不斷減薄的趨勢。由于缺乏成煤環(huán)境，低位體系域聚煤作用差，基本無煤層發(fā)育。

層序Ⅱ上部湖侵體系域全區(qū)連續(xù)，主要由發(fā)育于三角洲平原分流間灣的中細(xì)砂巖、粉砂巖和分流間灣沼澤的煤層及炭質(zhì)泥巖組成，橫向和縱向上均比較穩(wěn)定。湖侵體系域聚煤作用弱，發(fā)育不連續(xù)薄煤層。

基于層序Ⅰ和層序Ⅱ沉積特征的分析發(fā)現(xiàn)，受構(gòu)造沉降速率和沉積地勢差異性影響，腦木根凹陷賽漢塔拉組沉積厚度變化較大，具有由凹陷邊緣向中央沉不斷增厚的趨勢。賽漢塔拉組沉積時(shí)期，腦木根凹陷處于斷凹轉(zhuǎn)換期，構(gòu)造沉降速率由層序Ⅰ向?qū)有颌蛑饾u變慢，沉積地層厚度相應(yīng)的減薄。厚煤層主要分布在凹陷中央沉積中心，向周緣煤層厚度不斷減薄至尖滅。西北部中部和東南部，西北部地區(qū)煤層發(fā)育較差。

整體上，本區(qū)沉積環(huán)境由凹陷周緣的三角洲相向中部演化為濱淺湖相。在層序Ⅰ沉積時(shí)期，凹陷中部沉降速率大，地層沉積厚度大，在該層湖侵體系域中發(fā)育厚煤層。煤層厚度介于5～50m，平均厚度18m，聚煤中心呈近北東-南西向條帶狀展布，位于凹陷中部的ZK105-5—ZK107-4—ZK109-7一線。

圖5 腦木根凹陷下白堊統(tǒng)賽漢塔拉組 NE-SW 向沉積相與層序地層對(duì)比Figure 5 Nomgen depression lower Cretaceous Sayhan Tal Formation NE-SW sedimentary facies section and sequence stratigraphic correlation

4 聚煤規(guī)律分析

以往研究表明，在陸相裂陷盆地中，三角洲相和湖泊相沉積環(huán)境有利于形成厚層煤層，其聚煤作用的發(fā)生是泥炭堆積速率和可容空間增長速率共同作用的結(jié)果[11,22-24]。厚煤層的形成要求可容空間的新增速率長時(shí)間等于或略大于泥炭堆積速率，以確保成煤植物的生長[9,23]。

從凹陷構(gòu)造格架角度分析，本區(qū)發(fā)育的煤層厚度與適宜的可容空間持續(xù)時(shí)間有關(guān)，間接受控于基底沉降速率。在凹陷邊緣構(gòu)造陡坡帶，地層沉降速率大，主要行成三角洲相粗粒沉積，可容空間過大，不利于發(fā)育泥炭沼澤等成煤環(huán)境；而在凹陷中央，沉降速率適中，可容空間增加速率與泥炭堆積速率相適宜，成煤沼澤長時(shí)間穩(wěn)定發(fā)育，形成本區(qū)厚層煤。

從沉積角度分析，本區(qū)層序Ⅰ到層序Ⅱ，聚煤作用迅速減弱，煤層厚度遞減。同一層序不同體系域中，煤層主要發(fā)育于湖侵體系域。層序Ⅰ中的高位體系域形成于濱淺湖環(huán)境，凹陷基地沉降速率較快，可容空間增加過快。湖侵體系域的早期、中期可容空間的增加速率與泥炭堆積速率平衡，從而形成厚度較大的煤層。層序Ⅱ時(shí)期，凹陷沉降速率減弱，形成河流及三角洲沉積環(huán)境，長期處于補(bǔ)償或過補(bǔ)償?shù)臓顟B(tài)不利于煤層的形成。

綜上所述，腦木根凹陷下白堊統(tǒng)賽漢塔拉組層序Ⅰ聚煤作用強(qiáng)，層序Ⅱ幾乎不發(fā)生聚煤作用。層序Ⅰ厚煤層主要形成于三角洲平原及濱淺湖沉積環(huán)境。層序Ⅰ煤及煤系共伴生礦產(chǎn)資源的重點(diǎn)勘探區(qū)域位于凹陷的沉積中心。

圖6 腦木根凹陷賽漢塔拉組層序Ⅰ煤層厚度等值線圖Figure 6 Nomgen depression Sayhan Tal Formation sequence I coal thicknesses isogram

5 結(jié)論

(1)腦木根凹陷主要發(fā)育河流相、三角洲相及濱淺湖相，煤層主要分布在三角洲平原及濱淺湖沉積環(huán)境中。

(2)在研究區(qū)地層格架中，主要識(shí)別出區(qū)域不整合面、下切谷沖刷面、沉積相突變

面等3種類型層序界面，將本區(qū)賽漢組劃分為2個(gè)三級(jí)層序，從層序Ⅰ到層序Ⅱ，煤層厚度減薄，聚煤作用減弱。

(3)腦木根凹陷濱淺湖環(huán)境下厚煤層主要形成于湖侵體系域中期，凹陷中部煤層厚，向周緣遞減，反映出聚煤作用受凹陷差異沉降影響，本質(zhì)上受可容空間增長速率與泥炭堆積速度的雙重因素控制。