新集矿区早二叠世含煤岩系层序地层划分及聚煤作用

巩 伟，黄 亮，吴灿灿

(宿州学院资源与土木工程学院，安徽 宿州 234000)

新集矿区早二叠世含煤岩系层序地层划分及聚煤作用

巩 伟，黄 亮，吴灿灿

(宿州学院资源与土木工程学院，安徽 宿州 234000)

目的通过建立淮南煤田新集矿区早二叠世含煤地层层序地层格架，探讨其对煤层分布的控制作用。方法主要以下切谷砂体底部冲刷面为层序界面，结合沉积旋回特征，对矿区早二叠世含煤岩系(山西组和下石盒子组)进行层序地层划分。结果将早二叠世含煤岩系从下到上划分为层序Ⅰ、层序Ⅱ、层序Ⅲ3个三级层序及8个体系域，构建新集矿区含煤地层三级层序地层格架。结论在层序地层格架下，煤层厚度变化呈现一定规律，其中层序Ⅲ煤层最厚，总厚度为15.77 m；层序Ⅰ煤层较为发育，总厚度为7.42 m；层序Ⅱ煤层较不发育，总厚度为5.59 m。同一个层序中，海侵体系域煤层厚度最大，高位体系域煤层次之，低位体系域煤层最不发育，其中可采煤层主要发育于泻湖-潮坪沉积环境和近海三角洲平原沉积环境的海侵体系域中。

新集矿区；早二叠世；层序地层；聚煤作用

0 引 言

自20世纪60年代起，层序地层学在地层研究中得到了广泛应用，对分析研究含煤岩系煤层展布及油气储层预测评价具有重要理论和实践意义[1-3]。淮南煤田位于安徽省中北部，是中国五大煤田之一，早二叠世含煤岩系主要由海陆过渡相的碎屑岩组成，地层发育齐全，标志层比较发育，沉积旋回明显，本文运用沉积学、层序地层学、煤田地质学等理论，以沉积相转换面以及下切谷砂体底部冲刷面作为层序界面，将新集矿区早二叠世含煤岩系划分3个三级层序，建立淮南煤田新集矿区早二叠世含煤地层层序地层格架，并探讨其对煤层分布的控制作用。

1 区域地质概况

淮南煤田位于华北地台东南缘，东至郯庐断裂带，南临合肥坳陷，呈北西西向展布，面积2 500 km2。煤田内部由一系列次级背、向斜组成轴向北向西的复向斜构造，地层自下而上划分为奥陶系马家沟组。石炭系本溪组和太原组，二叠系山西组、下石盒子组、上石盒子组和石千峰组，三叠系，侏罗系，第三系和第四系。其中二叠系山西组、下石盒子组、上石盒子组为主要含煤地层，煤系和煤层沉积稳定，为近海型华北含煤建造，其他岩系基本不含可采煤层[4-5]。

2 含煤岩系沉积特征

早二叠世是淮南煤田的主要成煤期之一，其主要含煤岩系山西组和下石盒子组受控于华北板块与扬子板块之间的坳拉槽的形成与闭合，沉积范围广泛，为典型的海陆过渡相。其沉积特征受到西北物源和东南海岸潮汐作用双重因素的影响，其沉积环境划分为三角洲沉积体系和泻湖-潮坪沉积体系。

早叠世山西期，华北板块北侧受阴山海西活动影响开始抬升，加剧了研究区北高南低的古地形格局，研究区发生了自北向南的全面海退，发育了山西组下部的泻湖-潮坪沉积体系。沉积相类型主要有泻湖、潮道、泥炭沼泽相等。泻湖分布面积较广，泻湖沉积物之上往往为沼泽或泥炭沼泽沉积，形成山西组中下部的1煤层和1-1煤层，其分布广、厚度大、埋藏稳定、可大范围对比。

早二叠世下石盒子期，华北板块大部地区隆起，海水向东南方向持续海退，北部海域消失，进入三角洲建设阶段，下石盒子组底部为近海三角洲前缘沉积，发育水下分流河道、分流间湾、泥炭沼泽等沉积微相[6-7]，后期演变为近海三角洲沉积平原沉积，发育分流河道、分流间湾等沉积微相。下石盒子组发育大量可采煤层，中部的8煤层全区发育，厚度大，层位稳定，为主要可采煤层，而9、7、5、4等煤层发育较差，局部可采。

3 层序地层格架

本次研究中层序的定义及体系域的划分采用“Vail”学派的观点，各关键界面主要通过层序界面、初始海泛面、最大海泛面进行识别[8]。

3.1 层序界面识别

层序界面的识别与标定是层序划分及地层格架建立的关键。研究区三级层序边界常以发育低位河流下切谷砂体为特征，由厚度较大的相互叠置的多重砂体组成，砂体底部冲刷面被识别为层序界面，如下石盒子组底部的骆驼脖段中粗粒砂岩(S1)的底面可作为层序Ⅰ和层序Ⅱ间的层序界面，层序Ⅲ和上覆地层的层序界面为上石盒子组下部的灰白色石英砂岩(S2)的底面(图1)。

3.2 初始海泛面和最大海泛面识别

初始海泛面主要在一个层序中发育于下切谷充填沉积的砂体之上的第一个海泛面，其通常为共生有古土壤层的薄煤层或灰色泥岩等。在研究区，将河道砂岩之上覆盖的薄煤层或泥岩的底面划为初始海泛面，如层序Ⅰ中1煤层底面和层序Ⅱ中4煤层底面被识别为初始海泛面。

最大海泛面识别作为一个层序中代表海侵范围最大的一个面，也是反映当时可容空间增加速率最大、水体最深的岩石单元的底面。研究区代表最深岩相的泥岩、砂质泥岩标志层较为发育，将煤层上发育的第一层厚度较大且横向上连续的泥岩或砂质泥岩作为最大海泛阶段的产物，其底面划为最大海泛面，如层序Ⅲ中8煤层上厚度达3 m的砂质泥岩底面被识别为最大海泛面。

3.3 层序地层划分

依据以上层序界面识别原则，结合沉积环境特征，研究区早二叠世含煤岩系共识别出4个层序界面，自下而上划分为3个三级层序及8个体系域(图1)。下面对含煤岩系三级层序以及其中的体系域特征进行分析。

注：1—煤层；2—灰岩；3—砂岩；4—粉砂质或砂质泥岩；5—泥质砂岩；6—泥岩；7—石英砂岩。

层序Ⅰ(山西组):该层序主要为山西组地层，与下伏地层的层序界面为山西组与太原组两者的分界面，即太原组最顶部的深灰色-灰色，厚度在3 m左右的生物碎屑灰岩(L1)顶面[9]。本层序发育低位体系域、海侵体系域、高位体系域，主要发育泻湖-潮坪沉积体系。低位体系域主要由深灰色的泥岩、砂质泥岩组成。深灰色的泥岩和砂质泥岩分别代表了泻湖-潮坪沉积体系中的泻湖沉积和潮道沉积，可见舌形贝、顶柱体珊瑚等狭盐性生物，该体系域内不发育煤层。海侵体系域以潮道沉积砂岩之上的1煤层(C1)底面为初始海泛面，该层序中发育分布广且厚度大的1煤层和1-1煤层。1-1煤层(C1-1)上部一层较厚且横向上连续的泥岩可作为最大海泛阶段的产物，以其底面为最大海泛面，之上为高位体系域沉积。高位体系域沉积上部为浅灰色砂质泥岩和粉砂岩，中部为中粗粒的石英砂岩、砂岩、粉砂岩及泥岩，少部含砾及泥质包体为三角洲前缘沉积，本体系域不发育煤层。

层序Ⅱ(下石盒子组S1底面至C5-2顶面):该层序包括的地层从下石盒子组底界的骆驼脖砂岩(S1)底面到下石盒子组中部的5-2煤层(C5-2)顶面，序底界面为水下分流河道相的骆驼脖段砂岩(S1)底面。本层序发育低位体系域、海侵体系域，高位体系域缺失，主要发育三角洲前缘沉积。低位体系域底部发育水下分流河道沉积的骆驼脖段砂岩(S1)，具有冲刷面发育，上部沉积厚度为11 m的含鲕粒花斑泥岩和铝质泥岩，颜色多为紫红色-褐黄色，代表着炎热干旱背景下的漫滩沉积，体系域整体表现为向上变细的沉积序列，且不发育煤层。海侵体系域以薄煤层4煤层(C4)煤层底面为初始海泛面，顶部以5-2煤层(C5-2)顶面为界。体系域内以巨厚层的粉砂质泥岩和泥岩等细粒沉积为主，发育的4-1、4-2、5-1、5-2等煤层厚度较小且连续性差。

层序Ⅲ(下石盒子组S2底面至上石盒子组S3底面):该层序包括的地层从下石盒子组中部的细砂岩(S2)底面到上石盒子组下部的灰白色石英砂岩(S3)底面，序底界面为分流河道相的细砂岩(S2)底面。本层序发育低位体系域、海侵体系域、高位体系域，主要发育三角洲平原沉积。低位体系域岩性以分流河道沉积的砂体和分流间湾沉积的泥质砂岩为主，在垂向上表现出向上变细变薄的下切谷充填沉积特征。海侵体系域以分流间湾沉积的泥质粉砂岩之上的一层薄煤层6煤层(C6)底面为初始海泛面，岩性为泥岩和粉砂质泥岩为主。厚度大且分布广的8煤层(C8)上部一层较厚且横向上连续的泥岩可作为最大海泛阶段的产物，其底面为最大海泛面，之上为高位体系域沉积。高位体系域主要由灰-深灰色的泥岩、砂质泥岩和粉砂岩组成。由于物源供给速度大于可容空间增加的速度，砂岩含量有明显的增加，为分流河道沉积，整体表现为向上变粗的沉积序列。受分流河道冲刷等原因，泥炭沼泽等分布范围较小且不稳定，地层含煤性变差，形成9-1、9-2等薄煤层，厚度较薄且分布孤立。

4 层序格架下聚煤规律分析

煤层的形成是植物碎屑供应充足、稳定、泥炭持续堆积的结果。由海平面上升导致的区域潜水面上升而提供较好的可容空间增长速率和泥炭堆积速率相当或稍快时，泥炭才能持续堆积，从而形成较厚的煤层。

从各个层序煤层平均厚度来看(表1)，层序Ⅰ煤层总厚度7.42 m，层序Ⅱ煤层总厚度5.59 m，层序Ⅲ煤层总厚度15.77 m，可以看出层序Ⅲ聚煤作用最好，层序Ⅰ次之，层序Ⅱ聚煤作用最差。

表1 新集矿区早二叠世层序格架中煤层分布一览表(单位：m)

层序Ⅰ沉积时期是以潮坪-泻湖为主体的沉积环境，煤层为潮坪泥炭沼泽成煤。泥炭的堆积速率较慢，在初始海泛面时，海侵可容空间增长速率稍快于泥炭堆积速率，两者之间的差值最小，从而为泥炭提供了合适的聚集储存空间，形成的煤层单层厚度大，层数少且层位稳定，大面积分布。层序Ⅰ内的1、1-1煤层就分布在初始海泛面附近。

层序Ⅱ和层序Ⅲ为三角洲前缘和三角洲平原的沉积环境，煤层为三角洲泥炭沼泽成煤，两者间的煤层聚集特征和规律存在着一定差异。层序Ⅱ在3个层序中，煤层发育最差，其原因主要是层序Ⅱ沉积期间为炎热干旱的气候条件，不宜于植物的生长，进而不能提供充足的植物碎屑，杂色鲕粒花斑泥岩和铝质泥岩(m2)是其例证。层序Ⅲ煤层为低可容空间的三角洲泥炭沼泽成煤，物源供给丰富，泥炭堆积速率较快[10]，只有在最大海泛面附近可容空间的增长速率和泥炭的堆积速率才可持平或接近，煤层呈厚层分布，本区8煤层就分布在最大海泛面附近。

就不同体系域而言，研究区层序Ⅰ海侵体系域煤层厚度最大，厚度为7.42 m，而高位体系域和低位体系域煤层不发育；层序Ⅱ海侵体系域煤层厚度最大，厚度为5.59 m，高位体系域和低位体系域煤层也均不发育；层序Ⅲ海侵体系域煤层厚度最大，厚度为11.11 m，高位体系域次之，厚度为3.36 m，低位体系域煤层最差，厚度为1.3 m。总体而言，海侵体系域煤层厚度最大，高位体系域次之，而低位体系域没有可供泥炭堆积的可容空间，是最不利于成煤的层段。

5 结 论

1)新集矿区早二叠世含煤岩系主要发育下切谷河流冲刷层序界面。共识别出4个层序界面，3个三级层序。三级层序中进一步划分出低位、海侵和高位体系域，其中层序Ⅱ高位体系域缺失。

2)新集矿区早二叠世含煤岩系中，煤层厚度变化明显受沉积环境和层序地层格架控制。层序Ⅰ以潮坪-泻湖相沉积为主，煤层层数少，单层厚度大，分布广泛。层序Ⅱ—层序Ⅲ经历了由滨海三角洲沉积环境向近海三角洲沉积环境的转换，层序Ⅱ煤层层数开始增多，但单层厚度小，煤层总厚度最小，而层序Ⅲ煤层层数最多，煤层总厚度最大。

3)在研究区的3个三级层序中，低位体系域往往不发育煤层，海侵体系域发育连续的厚煤层，而高位体系域煤层发育孤立的、连续性差的薄煤层。

[1] 邵龙义,董大啸,李明培,等.华北石炭-二叠纪层序-古地理及聚煤规律[J].煤炭学报,2014,39(08):1725-1734.

[2] 龚福华,刘明军,梅华平,等.准格尔盆地西北缘五八区二叠纪地层整体含油综合分析[J].长江大学学报(自然科学版),2014,11(26)：31-35.

[3] 郭彦如,赵振宇,徐旺林,等.鄂尔多斯盆地奥陶系层序地层格架[J].沉积学报,2014,32(01):44-60.

[4] 吴斌.淮南煤田潘二煤矿太原组石灰岩沉积地球化学[D].合肥：中国科技大学,2013.

[5] 余和中,吕福亮,郭庆新,等.华北板块南缘原型沉积盆地类型与构造演化[J].石油实验地质,2005,27(02):111-117.

[6] 李增学,魏久传.华北陆表海盆地南部层序地层分析[M].北京:地质出版社,1998：24-88.

[7] 郭立君,洪愿进,邵龙义,等.黔西织纳煤田上二叠统层序地层及聚煤作用[J].古地理学报,2011,13(05):493-500.

[8] 王华.层序地层学基本原理、方法与应用[M].武汉:中国地质大学出版社,2008：10-69.

[9] 刘丙祥,刘桂建,姜波,等.淮北煤田刘店井田含煤岩系沉积特征及主煤层对比研究[J].中国煤炭地.2009,21(09):7-10+24.

[10] 宋建军,董大啸,邵龙义.河南登封晚古生代层序地层及聚煤特征研究[J].中国地质,2010,37(01):167-173.

[责任编辑：毛微曦英文编辑：刘彦哲]

SequenceStratigraphyandCoalAccumulationofEarlyPermianinXinjiMiningArea

GONGWei，HUANGLiang,WUCan-can

(School of Resource and Civil Engineering,Suzhou College,Suzhou,Anhui 234000,China)

ObjectiveThrough establishing the sequence stratigraphic framework to research its control action on the distribution and thickness variation of coalbeds in Xinji Mining Area.MethodsAccording to the identification of the sequence boundaries represented by incised valley filling sandstone base,combined with the characteristics of sedimentary cycles.ResultsThe sequence stratigraphy of the Early Permian coal seams(Shanxi formation and Lower Shihezi formation)were analyzed and divided into 3 third-order sequences and 8 system tracts from bottom to top,the sequence stratigraphic framework was established.ConclusionUnder the sequence stratigraphic framework,the thickness variation of the coal seams shows a certain regularity.The total coal seam is the thickest in SQ3(15.77m)and the thinner in sequence SQ1(7.42 m),with the thinnest in SQ2(5.59 m).Within the sequence,the thickest coals were developed in the transgressive systems tract,the thicker coals in the high-stand systems tract and the thinnest coals were preserved in the low-stand systems tract.The recoverable coal seans are mainly developed in the transgressive system tracts of the drainage lake-tidal flat sedimentary environment and offshore deltaic plain depositional environment.

Xinji mining area；Early Permian；sequence stratigraphy；coal accumulation

来稿日期：2017-01-08

宿州学院自然科学研究资助项目：“皖北八山地区花岗岩的时代与成因研究”(2014yyb08)

巩伟(1985-)，男，安徽宿州人，助教，主要从事能源地质研究。

P 539.2

A

10.3969/j.issn.1673-1492.2017.11.011