新疆托克逊煤田侏罗系成煤环境及沉积特征分析

柳 磊, 汪立今, 田继军, 吴天伟, 马 帅

新疆大学地质与勘查工程学院, 新疆乌鲁木齐 830047

新疆托克逊煤田侏罗系成煤环境及沉积特征分析

柳 磊, 汪立今, 田继军, 吴天伟, 马 帅

新疆大学地质与勘查工程学院, 新疆乌鲁木齐 830047

在对大量钻孔资料, 测井资料、野外露头及古生物化石资料进行分析的基础上, 应用层序地层学基本理论和方法, 对托克逊煤田西山窑组进行了层序地层划分, 共识别出SQ1和SQ2两个三级层序, 并根据地层叠置样式、沉积旋回特征细分为 6个体系域。通过沉积基础图件、沉积环境的分析明确了研究区西山窑组沉积演化特征。SQ1层序中, 河控三角洲发育, 在湖缘及泛滥平原区形成稳定的泥炭沼泽, 且聚煤作用时间长, 强度大, 分布广, 形成了稳定的厚煤层; SQ2层序由于构造变动频繁, 加上后期剥蚀严重, 导致聚煤作用逐渐减弱。通过对托克逊煤田西山窑组的沉积环境特征和煤层聚集规律的分析为下一步的煤炭勘探提供了依据。

托克逊煤田; 西山窑组; 沉积特征; 聚煤规律

托克逊侏罗系煤田中下统为此煤田最主要的聚煤层位, 其中以八道湾组与西山窑组为主, 其独特的构造-沉积背景及其丰富的煤炭和石油资源愈来愈受到众多地质学家的重视。前人针对托克逊的研究主要在构造演化、含油气系统、物源分析等方面进行了较深入的研究, 对托克逊煤田物源与吐哈盆地演化有较一致的认识, 对沉积环为主要的聚煤期等(邵龙义等, 2009; 吴因业等, 1995)。本文拟在前人研究的基础上(张素梅等, 2008; 吕大炜等, 2008),以经典层序地层学和现代沉积学的理论为指导, 主要从单井相、连井剖面相和平面相三方面入手, 分析托克逊煤田西山窑组的沉积特征和聚煤规律。

根据新疆煤田地质局资料划分托克逊煤田位于吐鲁番-哈密盆地的西北一带。西起克尔碱, 东到七泉湖, 由三个独立的带状小煤田组成, 整体呈东西向弧形分布。东西长约 150 km, 南北宽约 5.50~ 19.5 km, 面积约1961 km2(图1)。行政区划属托克逊县、吐鲁番市等县(市)管辖。托克逊煤田矿产资源丰富、品种齐全。能源矿产主要有煤、天然气、石油、水利、油页岩等, 愈来愈受到众多地质学家的重视。煤是该地区主要能源矿产。

托克逊煤田主要聚煤期侏罗纪的含煤岩系称为水西沟群, 自下而上被细分为下统八道湾组(下含煤组)、三工河组(不含煤组)和中统西山窑组(上含煤组)。西山窑组之上为头屯河组、齐古组和喀拉札组,头屯河属中侏罗世晚期, 主要为滨浅湖相沉积, 并开始出现了红层, 至晚侏罗世的齐古组和喀拉札组,河流相沉积追间展至全盆地, 红层更加发育, 反映气候明显向干旱转变, 不含煤。西山窑组和头屯河组之间的燕山运动在托克逊煤田表现为以轻微的褶皱运动为其特点, 造成头屯河组以微角度不整合覆于西山窑组之上, 标志着托克逊煤田南缘乃至整个吐哈盆地性质的转变界面, 主要发育辫状河流、辫状河三角洲、湖泊相沉积。

图1 托克逊煤田构造区划简图(据柳益群等, 2000修改)Fig.1 Tectonic units of the Toksun coalfield (modified after LIU Yi-qun et al., 2000)

西山窑组主要沉积了灰白色至灰绿色砂岩、砾砂岩、灰色泥岩、黑色炭质泥岩, 形成韵律状交互层, 含多层可采煤层; 夹薄层透镜状菱铁矿、铁质砂岩和灰色凝灰岩; 底部为块状灰白色石英质砾岩,或为灰白色巨厚的石英砂砾岩段夹煤层; 往上渐变为砂岩、泥岩的频繁交互沉积, 相对变细, 形成一个正旋回, 厚 731~903 m, 为一套湖泊三角洲-河流相沉积。根据前人资料显示西山窑组化石含量多, 种类丰富。其中发现大量的蕨类植物化石, 原始松粉、松柏粉等也占一定数量, 显示出中侏罗世为亚热带潮湿气候环境。在中侏罗世晚期沉积中, 除含有水生藻类化石外,尚含有较丰富的介形类、双壳类、叶肢介、腹足类鱼鳞鱼骨等化石, 如鄯善柴达木叶肢介、真叶肢介、达尔文介和吐鲁番假铰蚌。从以上地层中所获得的动、植物化石和孢粉资料分析, 中侏罗统西山窑组的亚热带潮湿气候环境, 为煤的形成提供了丰富的物质来源(商平等, 1999; 张鹏飞等, 2003)。

1 层序地层分析

层序可以分为不同的级次, 根据层序边界(侵蚀不整合面、沉积间断面及其对应的整合面)的类型和分布, 以及层序内部特征(地层分布模式、沉积相演变等)可将层序划分为巨层序组、巨层序、超层序组、超层序、层序、体系域、准层序组和准层序。本文中托克逊煤田的层序级别包括: 层序(三级层序)、体系域和准层序组(金高峰等, 2000)。

1.1 层序界面的识别

层序地层界面的识别主要是根据露头、测井资料、钻井资料所反映的沉积的特征, 是进行层序界面识别的关键。

1)露头标志: 在研究区大河沿镇出露的三工河组与西山窑组中, 层序界面处的岩性差异较大, 界面之下为灰黄色块状砾状砂岩, 含砾砂岩、砂砾岩与深灰色泥岩互层, 界面之上为中一上部: 细粒烧变岩, 下部: 深灰、黑色粉砂质泥岩、页岩夹煤线,底部: 厚层状砾状砂岩。

2)钻孔测井标志: 在电测曲线上, 层序构型表现为曲线形态的某种韵律性叠加和有规律变化。层序边界表现为曲线的形态规律的突变。通过我们的分析发现, 托克逊煤田侏罗系钻测孔中HGG曲线反映最明显, 界面之上其值明显降低, 呈漏斗组合,反映前积过程。界面之下一般呈钟型组合, 曲线幅度多呈突变关系。

此外, 古生物类型、组合方式、沉积相的突变以及西山窑组与其上覆地层, 以及燕山运动所形成的不整合面也可作为识别标志和层序划分的依据。

1.2 层序划分方案

通过对钻井的层序地层划分、沉积环境分析,东西向连井层序地层对比剖面的编制, 在综合研究钻孔、测井、露头、岩心及古生物资料的基础上, 建立了托克逊侏罗系西山窑组以四级层序为单元的等时层序地层对比格架(图2)。

托克逊侏罗系西山窑组划分为 2个三级层序,根据地层叠置样式、岩性、岩相的变化细分出低位、湖侵和高位体系域, 共划分为6个体系域, 其中SQ1相当于西山窑组下段, SQ2相当于西山窑组上段。SQ1时, 砂体较厚且分布范围大, 而 SQ2时, 由于湖盆面积增大, 多沉积泥岩, 泥质粉砂岩, 并形成多层煤, 砂岩含量较SQ1明显减少。

1.3 层序沉积特征

对单井进行层序地层分析和相分析的目的在于分析沉积环境在垂向上的变化规律。根据收集资料的完整情况, 本文选用大河沿镇 3号剖面 1号井。此孔包括了西山窑组SQ1和SQ2的六个体系域, 主要为湖泊和三角洲沉积相。每个三级层序顶、底界均具有明显的钻孔测井识别标志, 低位体系域与湖侵体系域的边界面是首次湖泛面, 而湖侵体系域与高位体系域的界面也为湖泛面。低位体系域一般为三角洲平原、前缘相砂岩、滨浅湖的泥岩和沼泽, 湖侵体系域一般由三角洲前缘砂岩、半深湖相的泥岩组成, 其泥岩沉积厚度大并且分布广, 构成向上变细的退积序列, 湖岸线向陆迁移。高位体系域主要为三角洲、滨浅湖-半深湖的泥岩及沼泽沉积, 具有典型的加积特点。三级层序内部构型上表现出明显的沉积韵律特点。自下而上沉积物沉积粒度由粗变细再变粗, 对应的沉积水体深度由浅变深再变浅,形成较厚的三级层序。

图2 托克逊侏罗系西山窑组层序划分图Fig.2 Sequence division scheme of the Xishanyao Formation in the Toksun coalfield

1.3.1 SQ1特征

其低位体系域发育 5个进积式准层序组, 主要岩性为灰白色-深灰色粉砂岩、夹有厚度较大的细砂岩及中砂岩, 从下向上依次为湖泊相—三角洲相—湖泊相, 其中湖泊相中的滨湖亚相为一层很厚的浅色细砂岩; 三角洲相主要为三角洲平原亚相, 包括了沼泽和分流间湾两个微相, 在沼泽相中, 含有厚度较大的煤层。

湖侵体系域是水位快速上升时期所形成的一套沉积体系, 发育 3个准层序组, 主要岩性为灰白色的粉砂岩和细砂岩, 其中粉砂岩厚度较大, 并夹有薄层煤, 而细砂岩厚度较薄。在煤层发育段, HGG钻孔测井曲线呈指形。本段主要发育三角洲相和滨湖相沉积, 三角洲相主要为河口坝沉积微相, 而湖泊相主要为滩坝沉积微相。高位体系域自下而上发育了4个进积式准层序组, 主要沉积了深灰色粉砂岩,黑色煤层及灰白色的细砂岩, HGG曲线多为漏斗形,岩性从下往上变粗, 具有明显的反旋回沉积特征,煤层数量自下而上呈增多变薄趋势。本段主要发育了三角洲平原亚相沉积, 自下而上为分流间湾与分流河道的旋回沉积(图3)。

1.3.2 SQ2特征

低位体系域自下而上发育了5个进积式准层序组, 主要沉积了煤层, 夹有深灰色的细砂岩, 局部富含蕨类和银杏化石, 偶见铁质粉砂岩, 有波状层理。为三角洲平原亚相沉积, 自下而上形成了沼泽—分流河道—分流间湾—沼泽的旋回沉积, 下部的沼泽微相中含有较厚的煤层。

湖侵体系域自下而上发育了4个退积式准层序组, 主要岩性为灰白色-深灰色的粉砂岩, 夹有少量泥岩和煤层。为三角洲前缘亚相沉积, 自下而上形成了水下分流河道—水下分流间湾—水下分流河道的旋回沉积。

高位体系域自下而上发育了3个进积式准层序组, 主要岩性为灰绿色粉砂岩, 夹有少量灰色细砂岩。砂岩具有波状层理, 局部可见完整的银杏化石。本段主要发育滨湖相, 上部为泥夹砂, 下部为一套厚度较大的滩坝沉积。

图3 西山窑组层序地层与沉积相分析Fig.3 Sequence stratigraphy and sedimentary facies analysis of the Xishanyao Formation

1.4 层序地层构架

连井剖面相分析是确定研究区砂体横向展布和垂向演化的基础工作。本文在分析典型单井沉积相和仔细观察岩心的基础上, 主要根据岩石类型、颜色变化对剖面进行了分析。由于后期构造运动频繁,致使西山窑上段地层剥蚀程度高, 资料的完整性差,故剖面只做SQ1层序分析。剖面位于研究区的中、北部, 大致与物源方向垂直, 因此砂体不连续, 大部分砂体呈带状体或透镜体。从整体上看, 西山窑期大河沿附近地层最厚, 往东西两侧均有减薄趋势,又在克尔碱和七泉湖有较厚的煤层。

低位早期湖盆面积最小, 在后在克尔碱北 7和沼 4井区连续发育了一套很厚的砂砾岩, 顺物源方向分布较短, 确定为扇三角洲平原相, 煤层少且厚度小; 低位晚期岩性由砂岩过渡为泥岩, 在南23线,大河沿101线, 七泉湖1线附近均有煤层形成, 且厚度较大。湖侵时期砂岩较低位时期明显较少, 湖盆面积增大, 此时后峡东部和 101井区附近, 由于受到哈拉乌成山物源的影响, 在山前坳陷沉积了较厚的砂岩。高位时期, 101线、沼4和后峡附近表现为沉积砂岩厚度大, 表明此时沉积较稳定, 而在南 23线附近, 湖缘和泛滥平原的交替出现, 形成了稳定的泥炭沼泽, 发育多层煤(图4)。

2 沉积演化特征

为了反映研究区各个时期沉积演化特征, 首先,依据资料全、有代表性、分布均匀的原则, 选取了分布于托克逊盆地的25口井进行参数统计分析。其次, 对每一口钻井中每一层序组的煤层厚度、地层厚度和砂岩和砾岩含量(简称砂岩)进行统计, 绘制各时期砂岩等值线图。最后, 以砂岩等值线图为基础, 参考煤层厚度和地层厚度, 通过综合地质分析,勾绘出了研究各时期的平面微相分布图, 分析其沉积演化特征。

西山窑组为一套在潮湿、温暖气候条件下形成的以湖泊、河流-沼泽相为主的含煤碎屑岩建造。它与下伏地层为角度不整合接触, 与上覆地层为平行不整合和微角度不整合接触。在博格达山及其边缘地区多处可见水西沟群含煤地层超覆不整合于下伏石炭-二叠系之上, 反映继中晚三叠纪沉积之后, 早中侏罗纪沉积盆地范围进一步扩大。

2.1 SQ1层序

低位时期, 托克逊凹陷主要发育一湖泊, 一般认为海西运动之后, 吐哈盆地四周的海槽隆起上升,并成为物源的供给区, 而作为地处吐哈盆地西部的托克逊煤田区, 物源主要来自北面的博格达山, 建立在这种古构造格局基础上的一些研究结果认为,盆地周边沉积相带按河流、三角洲、浅湖、深湖的顺序沿现今盆地边缘由外向里呈同心圆状分布。而在托克逊煤田区域来自凹陷北缘的博格达山的物源发育了两个三角洲沉积, 分别在艾维尔沟钻孔区和克尔碱钻孔区, 来自博格达山的物源在大河沿钻孔区形成了一个较大的泛滥平原。其中三角洲发育了陆上的三角洲平原沉积和浅湖区的三角洲前缘沉积。柯柯亚钻孔区为沼泽沉积, 克尔碱井区也为沼泽沉积(图5)。

总的来说, 整个SQ1的低位时期, 三角洲砂体分布较广, 主要沿南缘隆起区边缘和博格达山前缘分布,沼泽和泛滥平原分布于三角洲中间部位或两侧。

图4 托克逊西山窑组东西向剖面图Fig.4 EW-trending geological section of the Toksun coalfield

湖侵时期, 三角洲平原分布变小, 来自哈拉乌成山的物源在钻孔区形成三角洲平原沉积, 在克尔碱钻孔区形成三角洲前缘沉积; 来自博格达山的物源在克尔碱钻孔区到1线钻孔区形成三角洲沉积。湖相变大, 半深湖-深湖沉积相也向东扩大。泛滥平原相比低位时期也向隆起区退减, 主要分布在大河沿钻孔区(图6)。

高位时期, 物源几乎没发生变化, 主要还是来自博格达山, 在托克逊凹陷北部形成了三角洲平原,在101钻孔区的南部形成了一个比湖侵时期还要小的三角洲前缘沉积, 但在后峡东边形成了一个较大的三角洲沉积, 克尔碱钻孔区和十红滩矿钻孔区也形成了较大的三角洲沉积。相对于湖侵时期在后峡西部的隆起区前缘形成了沼泽沉积, 其南部变成了泛滥平原沉积。半深湖-深湖沉积从湖侵时期的沉积中心向东西方向扩大(图7)。

图5 托克逊煤田SQ1-LST沉积相图Fig.5 Sedimentary facies of SQ1-LST of the Toksun coalfield

图6 托克逊煤田SQ1-TST沉积相图Fig.6 Sedimentary facies of SQ1-TST of the Toksun coalfield

2.2 SQ2层序

低位时期, 来自博格达山的物源在托克逊凹陷边缘区发育了一个三角洲平原沉积, 三角洲平原两侧发育沼泽沉积, 面积较大。物源在台北凹陷区边缘发育三个较大的三角洲平原沉积, 分别在齐大河沿钻孔区,七泉湖钻孔区、柯柯亚钻孔区, 整个时期湖相较小, 三角洲前缘向湖区发育较远, 三个三角洲沉积之间发育沼泽沉积。整个区域发育泛滥平原沉积(图8)。

湖侵时期, 湖相面积很广, 陆上沉积较分散。在台北凹陷区只发育了较小三角洲前缘沉积, 两边为沼泽沉积。来自博格达山的物源在克尔碱钻区和柯柯亚钻区发育三角洲前缘沉积, 其周边发育了三角洲平原沉积, 其前缘为三角洲前缘沉积。两凹陷区之间大河沿钻区有小片沼泽沉积, 其间有较小范围泛滥平原(图9)。

图7 托克逊煤田SQ1-HST沉积相图Fig.7 Sedimentary facies of SQ1-HST of the Toksun coalfield

图8 托克逊煤田SQ2-LST沉积相图Fig.8 Sedimentary facies of SQ2-LST of the Toksun coalfield

高位时期, 湖相沉积相对于湖侵时期缩小了,三角洲沉积变广, 主要物源来自盆地北部的博格达山, 在清1到齐8钻孔区, 在克尔碱钻区, 柯柯亚钻区, 十红滩钻区发育有三角洲平原, 其前部为三角洲前缘, 在后峡东部也发育了三角洲相沉积, 但是,此时期仍大面积为湖区。有沼泽沉积分布, 三角洲之间多数为零星沼泽沉积。其间也发育泛滥平原(图 10)。

3 聚煤规律分析

托克逊煤田聚煤作用受构造沉降和沉积环境双重因素控制, 从西山窑组第二段煤层+炭质泥岩厚度与地层厚度及砂岩+砾岩百分含量三维相关图可以看出, 沉降速率中等地区煤层+炭质泥岩厚度最大, 砂砾岩含量较低区如三角洲间湾、下三角洲平原及冲积平原的岸后沼泽也是有利于煤和炭质泥岩聚积的场所。

图9 托克逊煤田SQ2-TST沉积相图Fig.9 Sedimentary facies of SQ2-TST of the Toksun coalfield

图10 托克逊煤田SQ2-HST沉积相图Fig.10 Sedimentary facies of SQ2-HST of the Toksun coalfield

3.1 层序构型与煤层的分布

泥炭的聚集主要受构造沉降、潜水面变化、气候、陆源碎屑物供给以及氧化还原条件的综合影响。泥炭的堆积在很大程度上取决于保存条件, 在诸多因素中, 缺氧条件是主要的, 在相对高的稳定抬升的水面, 有效地减少了氧的供给。当气候潮湿、缺乏陆源碎屑供给、潜水面上升、存在可接纳快速堆积泥炭沉积物的可容空间时, 特别是可容空间增长速率与有机质聚集速率大体一致时, 才可能发育分布较广、厚度较大的煤层。

3.2 沉积环境与聚煤关系

沉积环境包括沉积时的岩相古地理条件、古地貌、古植被、古气候、泥炭沼泽类型和沼泽中的水体深度以及地球化学条件等, 是煤层形成的重要因素之一(邵龙义等, 1998)。

1)古气候: 晚三叠世, 新疆聚煤域为半干旱-半潮湿气候, 聚煤作用较弱, 仅在吐哈盆地发育陆相含煤地层。早、中侏罗世, 新疆聚煤域气候转为温暖潮湿, 煤炭聚集从准噶尔盆地开始, 逐步向南、东的塔里木盆地、吐哈盆地扩展。

2)沉积环境: 托克逊煤田侏罗系含煤地层主要为八道湾组和西山窑组, 沉积环境为湖泊-三角洲沼泽和三角洲体系。晚侏罗世西山窑组早期的聚煤作用主要发生在盆地北部的克尔碱-大河沿-七泉湖一带, 聚煤环境为三角洲沼泽, 西山窑组中晚期聚煤作用发生在克尔碱一带, 聚煤环境为湖滨和三角洲沼泽。因此西山窑成煤作用主要发生该区域的北部。

西山窑组是在充填三工河期扩张了的湖盆过程中沉积的, 沉积范围广, 沉积厚度为 200~1300余米。西山窑组主要由深灰色、浅灰色砂岩、含砾砂岩、粉砂岩及灰绿色泥岩和灰黑色泥岩、炭质泥岩和煤等组成。根据垂向上的岩性组合特征, 西山窑组早期地势平坦、湖水浅而广阔、三角洲发育, 在湖滨、泛滥的三角洲平原发育泥炭沼泽, 形成稳定的煤层, 西山窑组晚期聚煤作用有所减弱(图11)。

4 结论

1)本文以野外露头、钻孔、测井所反映的沉积特征及不整合面为识别标志, 在西山窑组共识别出SQ1和SQ2两个三级层序, SQ1相当于西山窑组下段, SQ2相当于西山窑组上段。其中SQ1层序中, 盆地内积水广阔, 河控三角洲发育, 在湖缘及泛滥平原区形成了稳定的泥炭沼泽, 且聚煤时间长, 强度大, 分布广, 形成了稳定大厚煤层; SQ2层序由于构造变动频繁及气候的变化, 为三角洲相-滨海-浅湖相交替出现, 河道活动剧烈, 侧向迁移显著, 聚煤作用逐渐减弱。

2)煤层主要形成于高位和低位体系域的晚期,湖侵期不利于聚煤。在低位体系域发育后期, 受构造和临近地形影响, 形成了厚度大, 连续分布的稳定煤层; 而在高位体系域时期虽然湖岸平原上泥炭沼泽仍然广泛发育, 但常受水道改道、洪水泛滥的影响而使煤层连续性和煤质变差(胡平等, 2006), 因此在托克逊煤田侏罗系低位域煤层通常较高位域煤层分布广泛且稳定, 可容空间增加速率与较快的泥炭堆积速率之间相平衡, 有利于厚煤层的聚集。

图11 托克逊SQ2煤层厚度图Fig.11 Toksun SQ2 coal thickness

通过本文对托克逊煤田西山窑组的沉积环境特征和煤层聚集规律的一些初步分析, 力求为下一步的煤炭勘探提供依据和理论支持。

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Sedimentary Characteristics and Coal-accumulation Pattern of the Xishanyao Formation in the Toksun Coalfield of Xinjiang

LIU Lei, WANG Li-jin, TIAN Ji-jun, WU Tian-wei, MA Shuai
Institute of Geology and Perambulation Engineering, Xinjiang University, Urumqi, Xinjiang 830047

Based on analyzing a mass of data concerning bore cores, loggings, outcrops and palaeophyte, the authors used the basic theory and method of classic sequence stratigraphy to divide the sequence stratigraphy of the Xishanyao Formation in the Toksun coalfield.As a result, two sequences of SQ1 and SQ2 were identified.Then, according to the style of stratigraphic superposition and cycles of sedimentation, the Xishanyao Formation was subdivided into six system tracts.Through the study of basic deposition maps and the analysis of sedimentary environment, the authors defined the characteristics of sedimentary evolution.For SQ1 sequence, rivers dominated delta development to form stable peat swamps on the lake edge and in flood plain areas, and the long and intense coal accumulation led to the formation of a stable thick coal seam.As for SQ2 sequence, due to frequent changes in structure and subsequent strong denudation, the coal accumulation was gradually weakened.The analysis of sedimentary characteristics and coal accumulation of the Xishanyao Formation in the Toksun coalfield has provided a basis for further coal exploration.

Toksun coalfield; sedimentary characteristics; Xishanyao Formation; coal-accumulation pattern

P618.11; P612

A

10.3975/cagsb.2011.05.05

本文由国家自然科学基金项目(编号: 40862004; 40862006)和新疆高校科学研究重点项目(编号: XJEDV2007I09)联合资助。

2011-06-29; 改回日期: 2011-08-15。责任编辑: 张改侠。

柳磊, 男, 1985年生。硕士研究生。主要从事矿物学及地质学研究。通讯地址: 830047, 新疆乌鲁木齐市延安路62号。E-mail: liulei_0812@163.com。