徐州地区山西组沉积相与沉积环境分析

2011-01-17王盼盼李壮福

山西焦煤科技 2011年7期

王盼盼，李壮福，付雷，冀青，丁卓

(中国矿业大学，江苏徐州 221008)

徐州地区隶属江苏省，位于江苏省、山东省、河南省与安徽省四省交界处。不仅是全国重要的煤炭产地，更是华东地区的电力基地，拥有煤炭、井盐、铁、钛、大理石、石灰石等30多种矿产，储量大、品位高。已探明的煤炭储量达39亿t以上，预测储量69亿t。然而对徐州地区重要的成煤阶段—石炭二叠纪的沉积环境分析却比较少。本文对徐州地区山西组沉积环境进行分析，有利于进一步探明煤炭资源储量，为生产开发起到一定作用。

1 地质概况

徐州及附近地区的地层为华北型，属华北地层区鲁西北地层分区徐州—宿县小区。华北地台自奥陶纪晚期开始，一直为上升隆起区，处于遭受缓慢剥蚀状态。从晚石炭世早期开始，地壳开始缓慢下降，此时地势北低南高，海水自东北方向入侵，华北地台接受沉积形成本溪组。本溪组总体分布规律：东北部地层厚度普遍较厚，且层序完整，灰岩夹层和可采煤层较多，向西或西南，厚度变小，且常缺失早期的底层，灰岩夹层和可采煤层渐少［1］。晚石炭世晚期华北地台发生了大规模的北升南降的“翘板式”运动，地势转变为北高南低，海水自东南方向入侵，沉积中心位于徐淮地区，沉积了太原组。徐州地区地势低，海侵频繁，太原组出现十几层灰岩，由南向北灰岩层数逐渐减少。石炭世—二叠世地势整体抬升，仍是北高南低，海水从东南方向退出华北盆地，早二叠世早期，太原以北均为陆相沉积，华北及东北南部普遍出现海陆过渡相的三角洲沉积，形成重要的成煤环境(山西组)，山西组由北向南厚度和层数逐渐减少，厚度大体与太原组呈互为消长的关系［2－3］。

石炭二叠的标准剖面在山西太原西山，位于华北地台的西北部，徐州地区位于华北地台中南部。张志存(1983)根据太原西山太原组蜓类垂直分布情况，将太原组5层灰岩建立2个蜓带，即下部的Triticites带和上部的Pseudoschwagerina(s．l．)带。江苏大屯、安徽砀山、河南禹县的太原组灰岩中未见Triticites simplex带，全部归为Sphacroschwagerina带(盛金章、王仁农，1984;肖立功，1986)。江苏徐州地区太原组顶部的Sphacroschwagerina带大致可与华北其它地区太原组的同名蜓带及 Pseudoschwagerina(s．l．)带对比，其层位与山西太原西山太原组顶部东大窑灰岩大致相当。［4－6］因此，徐州地区太原组和山西太原西山太原组沉积基本是同时结束，山西组沉积与太原组沉积是整合接触，由此推得徐州地区山西组和太原西山地区山西组的沉积基本同时开始，属于同时期沉积。

山西组在华北地台内广泛发育，以砂岩为主，其次为泥岩、粉砂岩，无石灰岩，煤层在相对组成中所占比例也较小，约6%左右。与下伏地层太原组和上覆地层下石盒子组都是整合接触。

2 徐州地区山西组岩石组合特征

按岩石地层单位划分，山西组与太原组在太原西山标准剖面上分界是太原组最上一层石灰岩的顶面［3］，从太原组的石灰岩对比得出，本区见到的最后一层石灰岩顶部是山西组的底部，山西组的第一层砂岩基本上对应于北岔沟砂岩。太原组顶部是黑色泥岩和海相生物碎屑灰岩，生屑完整，含有孔虫、珊瑚、海百合茎等化石。山西组主要是一套海陆交互相沉积，以砂岩为主，其次是泥岩和粉砂岩。山西组上覆地层是下石盒子组，以下石盒子组底部的灰绿色长石砂岩为分界［3］

本文根据沉积物沉积时所处位置与海平面的关系，将山西组沉积分为下段水下沉积部分和上段水上沉积部分。

2．1 太原组顶部—山西组下段沉积相特征

太原组顶部—山西组下段根据岩石类型可以分5个沉积微相。

1)泻湖—前三角洲相：太原组顶部黑色泥岩、生物碎屑灰岩和山西组底部黑色泥岩、粉砂质泥岩，泥质粉砂岩。太原组顶部是灰黑色泥岩、黑色粉砂质泥岩和黑色泥质粉砂岩交替出现最顶部是生物碎屑灰岩，见图1图版Ⅰ－1。泥岩和粉砂质泥岩中生物扰动构造发育，水平层理，含有黄铁矿薄膜，见图版Ⅰ－2。深灰色粉砂岩中见植物化石碎片，植物根须，stigmaria ficoides(脐根座)。生屑灰岩灰色带红色调，见海百合茎，完整的放射状珊瑚、有孔虫，珊瑚等。太原组顶部属于滞留还原环境的泻湖相沉积。山西组底部暗灰色粉砂质泥岩，偶见星散状黄铁矿晶粒和直径2 mm左右的海百合茎;上部暗灰色泥质粉砂岩，由下向上粉砂含量增高。整体具水平层理、透镜状层理，纹层1～2 mm，层间有菱铁矿薄膜，生物扰动发育，形成蹼状迹，可含少量植物化石碎片。反映了低水动力的还原环境，是三角洲前缘向海方向延伸的细粒沉积物，属于前三角洲沉积相，见图2。

图1 图版Ⅰ

图2 山西组下段沉积序列

图1 图版Ⅰ－1，浅海相：生屑灰岩，底部含有大量海百合茎和少量珊瑚化石。图版Ⅰ－2，泻湖相：泥质层面上有大量黄铁矿薄膜，有碳化物质。图版Ⅰ－3，远砂坝：泥砂互层示波状层理，虫孔发育。图版Ⅰ－4，河口坝：砂泥互层、波状层理。图版Ⅰ－5，分流间湾：粉砂质泥岩夹有大量方解石脉和少量黄铁矿结核。图版Ⅰ－6，水下分流河道：细砂岩夹大量泥质条带和泥砾。图版Ⅰ－7，水上分流河道：中砂岩夹有碳质纹层示槽状交错层理。图版Ⅰ－8，天然堤：砂泥互层，含有植物化石。

2)远砂坝相：主要由泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩，夹有浅色的粉砂岩～细砂岩薄层构成。底部发育见有生物扰动形成的变形层理;下部虫孔发育，含菱铁矿结核，结核直径1．5～4 cm，长4～6 cm;上部粉砂岩与泥岩、砂质泥岩互层，泥质条带显示波状交错层理，砂层为灰色，厚1 cm，泥层厚度1～5 mm，见极少植物化石碎片;顶部生物扰动少。总体看下部层理模糊，向上逐渐清晰。这是在较弱水动力条件下沉积的远砂坝，位于河口砂坝前较远部位，沉积物较河口砂坝相细，见图1图版Ⅰ－3，图2。

3)河口坝相：由细—中砂岩组成。底部有冲刷起的泥砾，从下部向上泥质条带减少，条带厚度由大于1～5 mm变为1～2 mm。层理类型从波状层理～脉状层理演变为中小型交错层理，且交错层理的厚度从下向上逐渐增加，也有少量泥砂互层。下部的粉砂岩、泥岩中含有植物化石碎片，上部细—中砂岩中见生物扰动构造。受洪水影响，砂坝中可含少量泥质包体，偶见冲刷面。由于分流河道在平面上的摆动，河口砂坝相中可见多个逆粒序，见图1图版Ⅰ－4，图2。

对该层岩石薄片粒度分析结果显示：平均粒径MZ=2．3d，为细—中粒;峰度 KG=1．4，正态曲线尖锐;偏度 Sk=0．27，正偏态;标准偏差 σ1=0．61，分选较好。粒度概率曲线中只看到了跳跃总体和悬浮总体，过渡带较宽，跳跃总体占80%，悬浮总体占20%，见图3。

对河口砂坝相的砂岩进行薄片鉴定，具有如下特点：a)下部杂基含量高，达到10%，而向上杂基含逐渐降低至小于5%;说明砂坝顶部受的水动力条件较强。b)砂岩从碎屑的分选性上也反映同样的趋势，薄片中可见的菱铁矿或黄铁矿，说明沉积后孔隙水介质的还原性，与海水有关。c)成分成熟度低，表现为石英含量低而岩屑含量高。这个特点与一般的河口坝相不同，主要是因为物源供应的不同。本地区剖面的砂岩来自于火山的碎屑所以石英含量低，也说明沉积速度较快而波浪的改造作用相对较弱。

4)分流间湾相：暗黑色粉砂质泥岩。下部夹透镜状中砂岩，见植物叶片，植物茎杆化石，见有黄铁矿薄膜。上部含直径4 cm左右的黄铁矿结核，有少量铁质薄膜。这是在水下分流河道间的低洼地区安静水动力条件下沉积的，属于分流间湾相，是既与海相沟通又与陆相相连的沉积体，见图1图版Ⅰ －5，图2。

5)水下分流河道相：以灰色中粒、中—细粒长石石英砂岩为主，底部夹有大量碳质泥砾，少量碳质层面有黄铁矿薄膜，该层与下伏地层呈冲刷接触。下部中粒长石石英砂岩，局部含有0．5～1 cm大小呈层状产出的菱铁矿结核，含有较多碳质物质;上部中—细粒长石石英砂岩，碳质物质明显减少。从下向上见小型槽状交错层理和板状交错层理，是在较高水动力条件下沉积的。在水下流速受海水波浪作用和潮汐作用的影响比较明显，在海进或涨潮时流速明显降低沉积泥岩，所以，水下分流河道相砂岩中夹有较多泥岩，见图1图版Ⅰ－6，图2。

对该层岩石薄片粒度分析结果显示：平均粒径MZ=1d，为中粒;峰度 KG=0．98，中等;偏度 Sk=0．99，很正偏态;标准偏差 σ1=0．86，分选中等。频率曲线表现为单峰，粒度概率曲线中只看到了跳跃总体和悬浮总体，跳跃总体分为了两段，显示了潮汐流的强烈影响。跳跃总体占85%，悬浮总体15%左右，见图4。

从薄片观察看来，该层成分成熟度较低，主要受火山物源的影响，薄片中可见较多的云母片，形成富含云母的砂岩。云母的富集也反映了潮汐流的影响，分支河流受到潮汐流的顶托作用，使流水速度下降很快，从而使云母片沉积下来。结构成熟度有低有高，低者是表现为杂基含量高，分选磨圆度较差，这与受潮汐影响而导致沉积物的沉积速度较快有关;较高者则表现为杂基含量低，而主要受钙质胶结物胶结，其与较强大的潮汐流改造有关。

图3 河口坝粒度分析

图4 水下分流河道粒度分析

2．2 山西组上段沉积相

山西组上段根据岩石类型可分为三个沉积微相。

1)水上分流河道：以中—粗粒长石砂岩、长石石英砂岩、石英长石砂岩为主，高岭石胶结，向上粒度逐渐变细显现正粒序。底部灰色略带红色调中—粗粒长石砂岩，含海绿石、岩屑、碳质碎屑，碳质碎屑大多小于1 mm，偶尔可达10 mm左右，见黄铁矿结核。下部中粒长石石英砂岩，含有泥质条带，向上泥质条带逐渐减少，见菱铁矿结核。上部中—细粒长石砂岩。整体从下向上粒度由粗到细，呈大型槽状交错层理、板状交错层理和脉状层理，这是在高能水动力条件下沉积下来的，属于水上分流河道相，相对于水下分流河道流速受到海水的阻力小，潮汐影响弱，流速较快，沉积物粒度和层理规模都更大，沉积速度相对较慢，见图5。

对该层岩石薄片粒度分析结果显示：平均粒径MZ=1．2d，为中粒;峰度 KG=1．02，中等;偏度 Sk=0．12，正偏态;标准偏差 σ1=0．73，分选中等。概率累积曲线中以跳跃总体和悬浮总体为主，跳跃总体占90%，悬浮总体占10%，见图1图版Ⅰ－7，图6。

水下分流河道和水上分流河道的差别在于：a)水下分流河道沉积物多为暗灰色，颗粒相对较细，多具小型槽状交错层理、板状交错层理和砂纹层理;水上分流河道沉积物颜色较浅，粒度较粗，多是大型槽状交错层理和板状交错层理。b)水下分流河道受潮汐和波浪作用比较明显，相对于水上分流河道，其碳质、泥质纹层较发育。c)水下分流河道上覆的分流间湾泥岩多是暗灰色，呈块状层理和水平层理，属于还原环境;水上分流河道上覆泥岩多呈绿色或者浅绿色，属于暴露环境。

2)天然堤：灰色泥岩为主，水平层理，见有透镜状灰色细砂岩。生物扰动强烈，风化面上高岭石发育，见图1图版Ⅰ－8，图5。

3)泛滥平原—沼泽：碳质泥岩和煤为主，下部碳质泥岩，含有大量完整的植物化石，块状层理，中间夹有煤层。上部暗灰色粉砂质泥岩，水平层理，大量羊齿和科达植物化石碎片。属于静水环境下沉积，见图5。

总的说来，该处的三角洲平原应属于下三角洲平原，受海水影响，其分流河道间有明显的分流间湾发育。岩层中出现少量的泥砾、分流河道相砂岩相中夹有泥质薄层，说明距海较近，受潮汐影响较大［8］。

3 沉积环境与演化

华北石炭、二叠纪含煤盆地是发育在华北地台上的一个超大型板内盆地，面积约120万km2，盆体完整、范围广布、各地均可顺利对比。华北自中奥陶世后曾整体上隆，至晚石炭世早期即巴什基尔期受古郯庐带活动影响而恢复沉积，石炭纪早期海水主要来自东北方向，后因板缘活动导致板内做翘板运动，至二叠纪海水改由东南方向退出。本地区的山西组就是一个陆表海从东南方向退出的海陆过渡相［9］。

太原组顶部灰岩是浅海相沉积，随着海水的进一步向东南方向退出，本地区变成海陆过渡相沉积环境。与之前的海相环境相比，河流作用明显增强，河流带来的陆源碎屑岩开始覆于海相沉积物之上［10］。由于地势较平坦，没有形成主河流体，所以前三角洲的发育不太完全，只是有较薄的一层泥岩、粉砂质泥岩覆于太原组海相灰岩之上。随着进一步海退，河流向海进积，在本地区形成了具有逆粒序的远砂坝、河口砂坝和水下分流河道。河流作用虽有所增强，但整体仍位于水下，天然堤不稳定，水下分流河道容易发生改道，出现多个分流间湾和水下分流河道叠置的现象。随着海水的进一步退出，总体进入水上沉积环境，河流作用占主导，形成水上分流河道、分流间湾、泛滥平原—沼泽等三角洲平原的微相，泛滥平原泥岩带绿色调，代表水上暴露环境沉积。总体海退作用和河流的进积作用形成了一个完整的三角洲沉积体系。