鲁西南地区石炭纪—二叠纪含煤岩系层序地层及聚煤特征

作者:张巍;鲁静;李英娇;王建勇;邵龙义 刊名:古地理学报 上传者:王筱燕

【摘要】根据钻井、测井和地质等资料,对鲁西南地区石炭纪—二叠纪含煤岩系进行了层序地层学与聚煤作用研究。识别出以区域不整合面、古土壤层底面、海侵方向转换面、下切谷砂体底面为代表的4种类型的层序界面;划分出本溪组、太原组、山西组和下石盒子组中的4个三级层序,从下到上依次为SⅢ1、SⅢ2、SⅢ3及SⅢ4。通过对比研究不同层序的含煤性及煤层的发育特征后认为,形成于分流间湾沼泽环境的SⅢ3煤层发育最好,形成于潟湖与沼泽环境的SⅢ1及SⅢ2煤层发育次之,SⅢ4没有煤层发育。在同一个层序内部,泥炭聚集速率与可容空间增加速率之间的平衡状态决定了煤层的厚度,这种平衡状态保持较长时间是煤层形成的基本条件,而与泥炭聚集有关的可容空间的持续增加需要基准面的不断抬升,因此,发育较好的煤层最可能形成于海侵体系域末期,如SⅢ3的TST末期的3号煤层。

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鲁西南郓城济宁地区发育有石炭纪二叠纪巨野煤田和宁阳煤田,煤炭资源较为丰富,建有郭屯、彭庄、郓城等煤矿,煤种以焦煤和肥煤为主,具有高热值、低灰分、低含硫等特点。但是,随着几十年的开采,浅部煤炭资源已经逐渐枯竭,因此,对研究区深部煤炭资源的进一步的勘探已迫在眉睫。上世纪90年代以来,人们开始将层序地层学应用于含煤岩系的研究,并获得了大量的研究成果(VanWagoneretal.,1990;BohacsandSuter,1997;邵龙义和张鹏飞,1998;鲁静等,2007;邵龙义等,2008a),对一些有关煤层形成条件、煤层厚度及横向展布控制因素的关键性问题进行了研究,证明层序地层学是煤炭资源预测的有效理论工具(Diessel,1992;Diesseletal.,2000;Flintetal.,1995;BohacsandSuter,1997;金高峰等,2000;Shaoetal.,2003)。鲁西南地区石炭纪二叠纪含煤岩系发育海相石灰岩标志层及大面积分布的可采煤层,是研究海平面变化对聚煤作用控制机理的理想场所(李增学等,1996;李增学和张新元,1998)。通过对鲁西南郓城济宁地区含煤岩系的层序地层学分析,对层序地层格架下的煤层发育与聚集特征进行了探讨,以期为鲁西南地区深部煤炭资源预测提供理论依据。1区域地质背景鲁西南地区属华北地台的一部分,具双层结构,由太古代的结晶基底和其上的沉积盖层组成。该区古生代主要表现为整体升降,中、下奥陶统之间以及奥陶系和石炭系之间为平行不整合接触;中、新生代发生了多次构造运动,形成了现今的构造格局(图1)。区内石炭系二叠系主要由海陆过渡相的陆源碎屑含煤岩系组成。图1鲁西南地区构造分区图Fig1MapshowingtectonicdivisionofsouthwesternShandongProvince研究表明(李增学和张新元,1998),本溪组、太原组和山西组代表了稳定台地背景下的华北陆表海含煤盆地充填沉积序列,主要由海陆交替型含煤岩系组成。在本溪组沉积期,研究区发育铝土质泥岩及碳酸盐岩陆棚相石灰岩沉积;在太原组沉积期,研究区发育滨外碳酸盐岩陆棚相灰岩及潮坪相、冲越扇相砂岩沉积,煤层主要分布于潟湖与沼泽环境;在山西组沉积期,研究区以发育三角洲平原分流河道砂岩及分流间区泥岩沉积为主,局部见河口坝砂岩,煤层主要形成于分流间湾沼泽环境;在下石盒子组沉积期,研究区以发育上三角洲平原分流河道砂岩及分流间区泥岩沉积为主,无煤层发育。2石炭纪二叠纪含煤岩系层序地层格架21关键界面识别1)层序界面的识别在该次鲁西南地区石炭纪二叠纪含煤岩系层序地层学研究中,层序的定义及体系域的划分采用Exxon公司“Vail”学派的观点,即层序是一套相对整合的、成因上有联系的地层单元,以不整合面及横向上可与之对比的整合面为界(VanWagoneretal.,1990)。层序底界与层序内初始海泛面之间的地层单元为低位体系域,初始海泛面与最大海泛面之间为海侵体系域,最大海泛面与层序顶界面之间为高位体系域。各关键界面主要通过以下标志进行识别:区域不整合面:如中奥陶统与上覆上石炭统本溪组之间为区域不整合面,其上有古风化壳发育(图2,Sb1),是一典型的层序界面;古土壤层:古土壤层一般是基底暴露经成土作用形成,通常表现为煤层底板的根土岩,横向上能够与下切谷充填砂体底面对比的古土壤层是河道间层序界面的良好标志(图2,Sb2);海侵方向转换面:该区16号煤层在区域上可与太行山东麓峰峰地区的太原组8号煤层对比(邵龙义等,2008b),以该煤层底面为界,海侵方向由原来的

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