西湖凹陷平湖组层序地层划分和聚煤特征

魏恒飞，陈践发，郭 旺，刘高志，张俊华，陈斐然

中国石油大学地球科学学院／油气资源与探测国家重点实验室，北京 102249

0 引言

自从1992年Diessel［1］第一次在层序地层格架中分析煤层的分布、形成原因及发育位置以来，煤田地质学家们才开始应用层序地层方法分析含煤岩系。之后 Bochacs［2］和 Stuer［3］通过讨论可容纳空间的变化速率和泥炭聚集速率之间比值的变化，分析了不同可容纳空间的煤层厚度、连续性及形态。现在关于煤层在层序地层中的发育和分布，公认为厚煤层主要发育在低位体系域晚期至海侵体系域早期及海侵体系域晚期至高位体系域早期［4－5］。另外，厚煤层也是层序地层学研究的热点之一，其能否作为成因层序地层的界面还存在争议，多数学者认为厚煤层是次级层序及其界面的复合体，不能简单地作为成因层序的界面［6－9］。但利用煤岩学和地球化学指标可探讨厚煤层内部可容纳空间的变化，确定各级别层序界面，并在这方面取得了很大的成果［3，10］。我国煤田地质学家在层序地层与聚煤作用研究方面也取得了巨大的成果，并提出了海侵事件聚煤和海相层滞后时段聚煤的观点［11－17］。以往的煤田地质学家们研究煤层的分布和发育情况多是在高级别层序中进行，而在低级别层序中研究煤层的发育情况还不多。西湖凹陷平湖组发育的滨海型煤层具有厚度薄、层数多的特点，这为研究煤层在短期基准面旋回中的分布提供了天然条件。笔者在对西湖凹陷平湖组进行层序地层分析的基础上，探讨了平湖组煤层在层序地层格架中的分布、发育位置，并着重研究了平湖组内部可容纳空间的变化对煤层发育的影响作用，分析了不同可容纳空间背景下煤层的分布特点。

1 西湖凹陷地质概况

西湖凹陷是我国东海陆架盆地中的一个重要含油气凹陷。根据地震地质解释结果显示，西湖凹陷总体上可划分出3个一级构造带，即东部陡坡断隆带、中央洼陷－反转带、西部斜坡带，另外一级构造单元又可进一步划分出一系列二级构造带或构造单元（图1）。西湖凹陷始于白垩纪末断陷作用发育时期，构造应力以拉张应力为主；早始新世与中始新世之间，拉张应力强度有所减弱；始新世与渐新世之间，构造应力场由先前的拉张应力场向挤压应力场转化，盆地（凹陷）由裂陷阶段向坳陷阶段转换［18－20］。平湖组即发育于凹陷由裂陷阶段向坳陷阶段的转换时期，此时的断陷作用较弱。凹陷内由于前期的大量沉积充填，地势相对平缓，在凹陷的西部斜坡带，平湖组发育了潮坪环境和潮汐影响的三角洲环境；而在东部陡坡带，发育了辫状河三角洲。在凹陷的西部斜坡和东部陡坡带，平湖组发育了一套含有煤层的主力烃源岩层，其中煤层多为极薄层－薄层，在测井曲线上具有低自然伽马值、低密度值、高中子值及高声波时差值的特征。

图1 西湖凹陷位置和构造区划图Fig.1 Graph of position and structure division of Xihu depression

由于西湖凹陷的勘探程度较低，钻穿平湖组的钻井多集中在西部斜坡带，因此本文着重对西部斜坡带的煤层在层序地层学中的发育特征进行探讨。

2 西湖凹陷平湖组高分辨率层序地层划分

2.1 平湖组层序界面的识别标志

图2 平湖组层序地层的生物学标志Fig.2 Biological markers of sequence stratigraphy in Pinghu Formation

在西湖凹陷层序地层划分过程中，超长期基准面旋回和长期基准面旋回的界面主要在地震剖面上识别，如是平湖组与花港组的分界线，在地震上表现为明显的削蚀现象，平湖组发育于凹陷裂陷作用的萎缩阶段是凹陷被抬升剥蚀之后而形成的一个区域性削蚀面［21］。另外，古生物方面的证据也是识别长期基准面旋回界面的的主要标志。在平湖组中，微体化石组合中都是孢粉占绝对优势，浮游藻类在组合中所占比例很小，但是在含量不高的浮游藻类中既有淡水藻类，如盘星藻、环纹藻等，也有海相沟鞭藻；盘星藻在平湖组晚期相对更发育但总体含量较少，海相沟鞭藻的总体含量很低，分布也较为局限，主要见于平湖组的中、下部①同济大学海洋与地球科学学院.东海烃源岩有机质组分和生烃能力分析化验报告.上海：中海石油上海分公司，2006.。这些陆源微体生物化石往往在可容纳空间较大的还原环境中保存量较大，而在可容纳空间较小的氧化环境中保存量较少（图2），因此根据沉积物保存的微体生物化石含量的综合变化，可以对长期基准面旋回的划分提供古生物方面的标志［22］。

中期基准面旋回和短期基准面旋回的界面主要在钻测井上面划分［21］，随中期基准面旋回和短期基准面旋回可容纳空间的变化必然造成层序内部沉积响应的不同。在西湖凹陷平湖组中具有两种不同的情况：第一种情况下发育的沉积物反映在测井曲线上常常出现低的可容纳空间对应低的GR和高的Vsp曲线，而高的可容纳空间常出现高的GR和低的Vsp，而可容纳空间的转换面（ARS）常表现为异常高的GR和低的Vsp；第二种情况下发育的沉积物（潮坪环境）在测井曲线特征上与第一种情况相反。另外基准面旋回的界面在测井曲线上往往表现为突变型。

2.2 平湖组基准面旋回的识别和划分

平湖组发育期处于超长期基准面旋回的海退过程中，是西湖凹陷由断陷期转变为坳陷期的过渡阶段。通过对地震、钻井及岩心资料的综合分析处理，平湖组一共被划分为3个长期基准面旋回［23－25］：平湖组下段为一个长期基准面旋回LSC1，中段为一长期基准面旋回LSC2，上段为一长期基准面旋回LSC3。LSC1发育3个中期基准面旋回，LSC2发育3个中期基准面旋回，LSC3发育4个中期基准面旋回（图3）。

2.2.1 短期基准面旋回

短期基准面旋回是由相似岩性、岩相地层叠加组成的海进－海退沉积序列，厚度几米到数十米。该类基准面旋回顶底界面往往是小型的冲刷面，如在对PH1井短期基准面旋回划分中发现许多短期基准面旋回的底面直接为一小型的海泛面。在本次短期基准面的识别过程中，多使用首末相的变化来划分，通过划分发现平湖组短期基准面旋回类型发育较全，对称型和不对称型短期基准面在凹陷中均有发育（图3）。

图3 PH1井层序地层划分Fig.3 Division of sequence stratigraphy of PH1well

不对称型短期基准面旋回 不对称型短期基准面旋回又可分为仅具上升半旋回的短期基准面旋回和仅具下降半旋回的短期基准面旋回。仅具上升半旋回的短期基准面旋回主要发育于三角洲平原环境、潮坪的潮下带和三角洲前缘沉积环境中。三角洲平原发育的仅具上升半旋回的短期基准面旋回的相序多表现为2种类型：一种为底部是河道滞留沉积的砾岩，向上变为沙坝沉积的细砂岩和天然堤形成的粉砂岩，顶部为泛滥盆地沉积的泥岩和煤层；另一种是底部为沙坝和天然堤沉积的细砂岩，顶部为泛滥盆地沉积的泥岩和煤层（图3中MSC10中发育的短期基准面旋回）。潮下带发育的仅具上升半旋回的短期基准面旋回的相序为：底部为潮下低能环境的粉砂岩，向上变为海湾环境的泥岩。三角洲前缘发育的仅具上升半旋回的短期基准面旋回的相序表现为底部三角洲前缘分流河道和河口坝砂岩，顶部为前三角洲泥岩。

仅发育下降半旋回的短期基准面旋回主要发育于三角洲前缘和潮上－潮间环境中。三角洲前缘发育的仅具下降半旋回的短期基准面旋回的相序主要表现为2种形式：一种是底部为前三角洲的泥岩，向上由于水体的变浅，过渡为三角洲分流间湾的泥炭沼泽沉积，主要发育于长期基准面旋回LSC3的最大海泛面附近；另一种是底部为三角洲前缘的水下分流河道和河口坝的砂岩体，上部变为沼泽沉积。潮上－潮间环境发育的仅具下降半旋回的短期基准面旋回的相序表现为：底部是潮间砂坪的细砂岩，中间是潮间的粉砂和泥互层沉积，上部是潮上的泥炭沼泽沉积（图3）。

对称型短期基准面旋回 对称型短期基准面旋回多发育于三角洲前缘和潮间－潮下带沉积环境中。三角洲前缘中的对称型短期基准面旋回的相序多表现为：底部为三角洲前缘水下分流河道和河口坝细砂岩或远砂坝粉砂岩，向上变为前三角洲泥岩，而后基准面降低，变为三角洲前缘分流间湾泥炭沼泽夹泥岩沉积。潮间－潮下带发育的对称型短期基准面旋回的相序表现为：底部为潮间环境的低能坪砂岩，向上变为潮下泥岩，基准面转变为下降时变为潮间砂坪和潮上泥炭坪。

2.2.2 中期基准面旋回

中期基准面旋回是成因联系密切的地层叠加组成的海进－海退沉积序列，厚度为数十米到数百米。本次对中期基准面旋回的识别主要是利用钻井测井资料，识别短期基准面旋回的叠置样式，进而确定中期基准面旋回的顶底界面及可容纳空间转换处（图4）。另外，不同的沉积体系中发育的中期基准面旋回具有不同的特点。

潮汐影响的三角洲平原发育的中期基准面旋回（图4中PH1井）的上升半旋回，通常由几个向上基准面上升的不对称短期基准面旋回的重复出现组成，这些不对称短期基准面旋回底部为河道滞留沉积的砂砾岩，向上变为沙坝、天然堤及泛滥平原沉积，并且向上砂岩厚度减薄、砂泥比变小、河道滞留沉积减少。下降半旋回通常表现为砂泥比向上增加，砂岩厚度变厚。

潮坪环境中发育的中期基准面旋回（图4中KQT1井）的上升半旋回常表现为下部潮间－潮下高能坪砂岩较厚，向上砂岩厚度变薄、泥岩厚度增加，这可能是由于随可容纳空间的增加，粗粒碎屑物质的活动范围受到局限，原始的砂坪变为高能的泥坪。下降半旋回中自下而上砂体厚度增加、泥岩厚度减少、煤层减少，这是由于可容纳空间的降低，粗粒碎屑物质又重新活跃形成的。

潮汐影响的三角洲前缘沉积形成的中期基准面旋回（图4中的WB1井）的上升半旋回底部多发育厚层的水下分流河道和河口坝砂岩，向上砂岩厚度明显减薄、泥岩厚度明显增加，并且出现较多的煤层沉积。下降半旋回向上泥岩厚度减薄、砂岩厚度加厚、砂泥比增加、煤层明显减少。另外，东部边缘发育的辫状河三角洲前缘中发育的中期基准面旋回特点与WB1井相似（图4中YQ1井）。

3 平湖组主要的聚煤沉积环境

通过对平湖组地震相、钻井岩心及测井资料的综合分析，煤层主要发育于潮汐影响的三角洲平原、潮汐影响的三角洲前缘分流间湾［26］（图5a）、潮上带（图5b）及辫状河三角洲前缘分流间湾环境中。潮上带聚煤主要发育于长期基准面旋回LSC1和LSC2中，潮汐影响的三角洲聚煤和辫状河三角洲聚煤主要发育于长期基准面旋回LSC2和LSC3中。

如图4中的PH1井，煤层主要发育于潮汐影响的三角洲平原的泛滥盆地中，在垂向层序上表现为底部的河道沉积及天然堤沉积，向上变为泛滥盆地沉积。另外，泛滥盆地沉积多发育于短期基准面上升的最大位置附近，并且在中期基准面旋回的可容纳空间由增加转变为降低时泛滥盆地最为发育，这是因为可容纳空间的增加，使粗粒碎屑物质含量减少，从而造成植物的繁盛，进而形成沼泽沉积。

潮汐影响的三角洲前缘分流间湾和辫状河三角洲前缘分流间湾环境（图4中WB1和YQ1井）中的煤层多是在基准面的下降、可容纳空间降低的背景下形成，其原因可能是三角洲前缘的分流河道或河口坝砂岩（图5c）之上淤浅沼泽化和分流河道间的水体变浅沼泽化。此环境中形成的煤层多位于短期基准面旋回下降半旋回的中部，且在中期基准面旋回的可容纳空间由增加变为降低转换面附近最发育煤层。

图4 部分钻井的中期基准面旋回划分及聚煤沉积体系Fig.4 Division of mid－term base level cycles and coal－accumulating sedimentary system in some well

潮上带形成的煤层是平湖组最主要的煤层。潮上带形成的煤层多与潮间砂坪构成很好的沉积组合，表现为从潮间高能砂坪（图5d）向上变为潮间混合坪（图5e），再向上变为潮上沼泽和泥坪沉积，总体为一个向上水体变浅的基准面旋回。

4 层序地层格架中煤层的分布

通过对平湖组地震、钻井资料及岩心资料的综合分析，在对比西部斜坡带各钻穿平湖组钻井的基础上，发现西湖凹陷平湖组煤层主要发育长期基准面旋回LSC1上部、LSC2及LSC3之中，尤以LSC2中最为发育（图6）；另外西湖凹陷平湖组发育的煤层具有煤层厚度薄、层数多的特点。

图5 部分沉积环境的典型岩心照片Fig.5 Typical core photo of some sedimentary environment

图6 西湖凹陷西部斜坡带层序地层对比和煤层发育特征Fig.6 Comparison of sequence stratigraphy and characteristic of coal seam development in west slope belt of Xihu depression

长期基准面旋回LSC1发育期，海湾环境的分布面积较大，在其上升半旋回发育期，由于水体较深，不适于大范围形成煤层，但在西部斜坡带边缘的PX1、BYT3井中发现较多的煤层，说明在凹陷水体较浅的边部过渡环境中平湖组已有煤层形成。此时的煤层主要形成于凹陷边部的潮上带环境和部分三角洲平原中，平面上分布比较局限。长期基准面旋回LSC1发育的下降半旋回中，由于海湾水体范围的减小，潮上带范围扩大，在西部斜坡带形成大范围分布的煤层，特别是在下降半旋回发育的早期和中期阶段，聚煤作用最为发育。

长期基准面旋回LSC2发育期是平湖组煤层最发育的时期。凹陷由于前期的填低补平作用，致使西部斜坡带为一地形缓和、范围广大的低平地带，海平面的略微变化就可能引起整个地带的淹没。在LSC2中从底到顶均有煤层发育，煤层具有厚度小层数多的特点。另外，煤层顶面多为泥岩顶板，底板多发育有混合坪的粉砂岩与泥岩薄互层和潮间带高能坪的薄层砂，很可能是短周期的海侵使聚煤作用停止形成的。在LSC2中发育的煤层多分布于中期基准面旋回中可容纳空间由升高转为降低的转换面附近，主要聚煤环境有潮坪环境的潮上带和潮汐影响的三角洲的平原和前缘的分流间湾。

长期基准面旋回LSC3的顶部在西部斜坡带多数地区均有不同程度的剥蚀，是一个区域性不整合面。由于海湾范围的减小、三角洲活动性增强，西部斜坡带潮汐影响的三角洲环境较为发育，煤层也主要发育于潮汐影响的三角洲前缘分流间湾环境中，顶部部分地区发育三角洲平原环境的煤层。此时发育的煤层主要分布于长期基准面旋回的最大海泛面附近（图3、5），平面分布上，西部斜坡带的东南部比西北煤层发育层数多。

5 煤层与可容纳空间

煤层是地球上有机质聚集的形式之一，控制形成大量煤层的因素是综合的，比如构造沉降量、地形、纬度、植物种类、古气候、海（湖）平面变化等。对于近海型海陆交互相形成的煤层，海平面周期性变化、聚煤作用发生地点的沉降量、古纬度及古气候是影响煤层形成的最重要因素；对于内陆湖盆来说，盆地的构造沉降量、气候，地形及纬度是影响煤层发育的主要因素。在层序地层框架中解释煤层形成的原因、分布位置、煤层形态等问题，是现代国内外学者研究的热点：比较一致的观点是只有当可容纳空间的增长速率与泥炭堆积速率相近的情况下才能形成大量的煤层［2］；而在可容纳空间的增长速率小于泥炭堆积速率时，聚煤泥炭沼泽会出露地表，遭受氧化剥蚀；当可容纳空间的增长速率大于泥炭堆积速率时，聚煤泥炭沼泽可能会被水体淹没而终止泥炭的形成。

可容纳空间的变化速率和泥炭的聚集速率比值的大小决定着有机质聚集量的大小，在高的可容纳空间下发育的煤层和低的可容纳空间的情况下发育的煤层厚度和层数也不同。图7是西湖凹陷平湖组长期基准面旋回LSC2发育期煤层的分布情况，煤层主要分布在长期基准面旋回的中上部，并在下降半旋回中发育最多。在中期基准面旋回MSC4发育期，长期基准面旋回LSC2的可容纳空间较小，可容纳空间的变化速率为负值或中低；但在中期基准面旋回MSC4上升半旋回中，由于可容纳空间的增大，为泥炭的聚集提供了空间，形成煤层，且这些煤层主要分布在中期基准面旋回最大可容纳空间附近。在中期基准面旋回MSC5发育期，长期基准面旋回的基准面处于较高位置，可容纳空间及其变化速率较大，此时发育的短期基准面旋回的初始可容纳空间较大，不利于在短期基准面旋回的最大可容纳空间附近形成煤层；而当可容纳空间降低时，在短期基准面下降半旋回的顶部和中部则形成煤层（图7）。中期基准面旋回MSC6发育期处于长期基准面旋回可容纳空间减小阶段，但中期基准面上升半旋回基准面的升高及长期基准面旋回残余的可容纳空间，足以满足泥炭聚集的需要，煤层在各个短期基准面旋回中均有发育。在中期基准面旋回MSC6的基准面下降过程中，形成的煤层多处于短期基准面旋回的最大可容空间附近。

煤层在短期基准面旋回中的发育位置是研究煤层与层序地层学关系的重要方面之一。短期基准面旋回的不同部位发育的煤层可以从一个侧面反映可容纳空间的变化趋势：高可容纳空间背景下，由于短期基准面下降半旋回的底面可容纳空间过大，即使形成煤层也容易被淹没，因此在短期基准面旋回最大可容纳空间处不易形成泥炭聚集；而在短期基准面旋回的可容纳空间降至发育泥炭沼泽的程度时，就会形成煤层，这时形成的煤层多处于短期基准面旋回下降半旋回的中间至顶部之间（图7）。低可容纳空间背景下，在短期基准面的最大可容纳空间处泥炭沼泽发育，随短期基准面旋回可容纳空间变小，泥炭沼泽停止发育，这种背景下煤层多聚集于短期基准面的最大可容纳空间处。

6 结语

通过对西湖凹陷地震资料、钻测井资料及岩心的综合分析，在平湖组中一共识别出3个长期基准面旋回（LSC1、LSC2和LSC3）和10个中期基准面旋回。其中：中期基准面旋回主要依据短期基准面旋回垂向上的叠置样式及测井曲线的变化趋势来进行识别；在短期基准面旋回的识别中，主要根据首末相来划分。

图7 西湖凹陷平湖组长期基准面旋回LSC2中可容纳空间与煤层分布的关系Fig.7 Relationship between accommodation and coal seam distribution in long－term base level cycle LSC2of Pinghu formation in Xihu depression

平湖组发育煤层的主要沉积环境有潮汐影响的三角洲平原、潮汐影响的三角洲前缘分流间湾、潮上带及辫状河三角洲前缘分流间湾，而潮上带煤层是西湖凹陷平湖组最主要的煤层。在层序地层格架中，煤层主要发育于长期基准面旋回LSC1上部、LSC2、LSC3之中，其中LSC2中最为发育。

平湖组是西湖凹陷的主力烃源岩层，其中发育的煤层具有厚度薄、层数多的特点，这为研究煤层在低级别层序内的发育情况提供了天然条件。本文在对西湖凹陷平湖组层序地层发育特征研究的基础上，探讨了不同可容纳空间背景下煤层在短期基准面旋回中的发育位置。可容纳空间大小的变化影响着西湖凹陷平湖组煤层的分布：在高的可容纳空间背景下，煤层多发育于短期基准面旋回的的中上部；而在低可容纳空间背景下，煤层多发育于短期基准面旋回的最大可容纳空间附近。

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