贵州仁怀吴家寨地区晚二叠世龙潭组层序地层与聚煤作用分析

刘志臣 汪 洋 李隆富 陈 登1, 龙宣霖 陈云明 张建忠 时中越

(1. 中国地质大学地球科学学院, 湖北省武汉市, 430074；2. 贵州省地矿局一O二地质大队, 贵州省遵义市, 563003)

贵州是我国煤炭资源蕴藏极为丰富的省份，素有“江南煤海”之誉，是中国重要的煤炭生产基地，贵州仁怀—习水—桐梓地区煤炭资源丰富，是贵州煤炭重要产区之一。研究区位于仁怀—桐梓—习水交界部位，为贵州省地质勘查基金第三批整装勘查区，前人对该区含煤岩系的研究主要集中在地层特征、古生物特征和沉积相方面来开展聚煤规律的研究，而利用层序地层学理论方法，对研究区晚二叠世龙潭组含煤地层的划分、层序构成、沉积体系开展聚煤规律研究较少。本文利用钻孔岩心资料、测井数据对研究区龙潭组开展地层格架基准面旋回的识别、划分和对比，开展研究区聚煤作用的分析，指导该区煤炭整装勘查工作，特别是优质厚煤的攻深找盲，以便实现整装勘查区重大的找矿突破。

研究区含煤岩系为二叠纪上统龙潭组(P3l)，地层厚55～85 m，平均厚74 m，岩性主要为粉砂岩、细砂岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、泥岩、粘土岩、煤、灰岩等，可见植物类、腕足类化石，含星散状、团块状黄铁矿，为一套海陆交互相的沉积岩。总体含煤层、煤线8～12 层，其中，可采煤层为4层(C5、C8、C11、C12煤层)，煤层平均厚10 m，含煤率13%。研究区地质概况如图1所示。

1 区域地质背景

研究区大地构造位置位于扬子准地台黔北台隆遵义断拱毕节北东向构造变形区。区域上出露奥陶系、志留系、二叠系、三叠系、侏罗系地层，石炭系、泥盆系和志留系地层缺失，均为沉积岩。褶皱主要为北东向的背、向斜构造，断层主要为北东向高角度的正断层、逆断层。

1-侏罗系；2-三叠系；3-二叠系龙潭组与长兴组；4-二叠系茅口组与栖霞组； 5-断层；6-背向斜轴线；7-志留系；8-奥陶系；9-寒武系；10-震旦系；11-研究区范围 图1 研究区地质简图

2 关键层序界面的识别

本次含煤岩系的层序、体系域划分主要采用Exxon公司“Vail”学派的观点，依据岩心和测井曲线所反映出来的地层旋回特点和地层突变面标志特征来识别各关键界面，层序级别采用三级层序划分方案。

2.1 层序界面识别

(1)区域不整合面。古构造运动形成的区域性不整合面是地层划分的重要界面。由于研究区晚二叠世的东吴运动抬升、剥蚀作用，茅口组与龙潭组不整合面为上二叠统层序的底界，识别为sb1层序界面，全区普遍发育，易于识别对比。研究区ZK2103测井曲线图显示上二叠统下界与上界的岩性明显不同，在该处GR和NR测井曲线突然增大。

(2)沉积体系转换面。由于构造运动或其他因素引起的海平面快速、大幅下降，造成盆地内海水退出，沉积体系由海陆交互相转换为陆相沉积，形成沉积体系转换面。研究区C11煤层顶板砂岩界面下为泻湖—潮坪沉积体系，界面上为三角洲平原沉积体系，该砂岩为一沉积体系转换面，识别为sb2层序界面。

(3)下切谷砂岩体。区域性砂岩代表低位期的河流下切滞留沉积，底面为一种侵蚀不整合面，可作为层序界面划分的标志。研究区龙潭组C6煤层顶板砂岩可识别为sb3层序界面，底界面经历了河道强烈下切作用，其碎屑成分、沉积环境和古生物组合等有明显的差异。

(4)古土壤及根土岩。煤层底板发育植物根的泥岩相当于现代潮湿气候下的淋滤土、潜育土，是地表暴露的一个主要标志，代表了一段时间的沉积间断。研究区龙潭组发育有潜育土，可用煤层的底面，即根土岩的顶面作为层序划分的界面。

2.2 体系域界面的识别

(1)初始海泛面(fs)的识别标志。一般将砂岩之上覆盖的泥岩、粉砂质泥岩、粉砂岩等细粒岩石的底面定为初始海泛面。在没有低位体系域的地带, 初始海泛面直接覆盖于古土壤层之上与层序界面重合, 此时的古土壤可能比较发育。

(2)最大海泛面(mfs)的识别标志。最大海泛面在一套向上变细、变深的沉积序列中，以相对较大的厚度出现时，顶面作为最大海泛面的位置。另外，区域分布的厚煤层多是最大海泛期的沉积，常发育大型三角洲间湾沼泽、河道间沼泽，从而发育了分布范围广泛、厚度较大的煤层，这样的煤层出现可确定为最大海泛位置，如图2所示。

图2 最大海泛面及初始海泛面

3 层序地层格架的建立

研究区的龙潭组可识别出3个三级层序界面，即SQ1、SQ2、SQ3，根据识别出的初始海泛面(fs)和最大海泛面(mfs)进一步将层序划分出体系域。选取研究区地层较全的钻孔作了层序地层精细分析，如图3所示，选取了北西—南东向的剖面进行联井层序地层学对比分析，对各层序的体系域类型、特征进行空间和时间的对比，如图4所示。

(1)三级层序SQ1。由层序边界sb1和sb2界定，sb1为龙潭组与茅口组之间的区域不整合面，界面之下为浅灰色厚层状微晶灰岩，界面之上为浅灰色含黄铁矿粘土岩。SQ1厚9～11 m，被最大海泛面(mfs)划分为海侵体系域和高位体系域，低位体系域不发育。海侵体系域(TST)位于区域不整合面(sb1)和最大海泛面(mfs)之间，沉积期间随着水体加深，沉积一套退积的浅灰色含黄铁矿粘土岩、深灰色泥岩及粉砂质泥岩，发育C12高硫煤层，为泻湖相环境。最大海泛面(mfs)之上为高位体系域，岩性主要为细砂岩、粉砂岩、泥质粉砂岩、泥岩及C11煤层，岩性自北西向南东逐渐变细，C11煤层中含较多粉晶状、结核状黄铁矿，为潮汐沙坝及潮坪沼泽环境；高位体系域分布广泛，全区钻孔均有揭露，平均厚度14.5 m，厚度有从北西向南东先变厚再变薄的趋势。

1-细砂岩；2-粉砂岩；3-泥质粉砂岩；4-粉砂质泥岩；5-泥岩；6-煤层；7-粘土岩；8-水平纹理；9-互层层理； 10-交错层理；11-小型槽状交错层理；12-波状层理；13-小型水流波痕；14-正粒序；15-倒粒序；16-煤层及编号 图3 二郎ZK303龙潭组层序地层综合柱状图

(2)三级层序SQ2。剖面线上各井都控制，地层厚度变化不明显，为龙潭组煤层最发育的层序。根据识别的初始海泛面(fs)和最大海泛面(mfs)进一步细分低位体系域、海侵体系域和高位体系域。低位体系域位于sb2和初始海泛面(fs)之间，分布于研究区北东部及中部，东南部缺失，岩性主要为细砂岩、粉砂岩及泥质粉砂岩，沉积环境以三角洲平原分流河道为主，低位体系域期间未发育煤层，只在少数钻孔中见薄煤线。海侵体系域位于初始海泛面(fs)和最大海泛面(mfs)之间，岩性主要为泥岩、煤层、粘土岩、泥质粉砂岩、粉砂岩及炭质泥岩组成，泥岩及炭质泥岩中见大量植物叶片化石，见水平层理、波状层理，煤层较发育，发育C8优质煤层、C9煤层和若干薄煤层、煤线，该体系域由下至上由分流间湾和泥炭沼泽两个微相组成。高位体系域位于最大海泛面(mfs)和sb3之间，主要为三角洲平原环境，发育C6、C7煤层，由多个发育并不完全的向上变细的亚层序组成，说明在该体系域内基准面的波动是频繁的，在海陆过渡相的沉积环境中，频繁的海陆交锋有利于煤层的形成。

1-细砂岩；2-粉砂岩；3-泥质粉砂岩；4-粉砂质泥岩；5-泥岩；6-煤层；7-粘土岩；8-自然伽马 图4 研究区晚二叠世龙潭组层序地层对比图

(3)三级层序SQ3。剖面线上各井均控制，厚度较稳定，发育完整。由低位、海侵、高位体系域组成(ZK3703不发育低位体系域)，高位体系域属于长兴期沉积，在龙潭组内由初始海泛面分为低位体系域和海侵体系域。低位体系域位于sb3和初始海泛面之间，主要岩性为细砂岩、泥质粉砂岩夹少量泥岩，为三角洲平原决口扇坏境。海侵体系域从初始海泛面一直到龙潭组结束，主要沉积深灰色泥岩、煤层及灰岩，发育水平层理、波状层理，沉积相主要为泻湖、碳酸岩盐潮坪沉积环境。高位体系域为碳酸岩盐陆棚沉积，岩性为中厚层状含燧石结核灰岩夹灰黑色泥质条带。

4 聚煤作用分析

研究区晚二叠世的沉积环境主要为三角洲平原、泻湖-潮坪环境，水深适宜，物源供给足，三角洲平原上沼泽发育广泛，为煤层的形成提供了良好的保存条件，加之气候温暖潮湿，植物大量繁盛，利于煤层形成，主要发育了C5、C8、C12等煤层，具有全区的连续性。

4.1 聚煤作用控制因素分析

4.1.1 古植物和古气候

古植物和古气候是控制聚煤作用的主导因素之一，据古生物及古地质资料，晚二叠世扬子板块位于赤道附近，研究区当时为温暖潮湿的热带雨林气候，高等造煤植物群十分繁盛，为大规模聚煤作用提供了丰富的物质基础。

4.1.2 古构造因素

区域性地壳升降运动是聚煤作用的宏观控制因素，贵州晚二叠世聚煤盆地属构造聚煤盆地，断陷和坳陷兼而有之，研究区整体属断坳形聚煤盆地。聚煤盆地发育初期，西部断裂活动强烈，导致大量玄武岩浆喷溢，对聚煤盆地基底起了填平补齐作用。

4.1.3 古地理因素

聚煤作用可发生在有常年积水的洼地环境，但聚煤作用强度由上三角洲平原、下三角洲平原、潮坪、泻湖、障壁坝、碳酸盐岩台地依次具有减弱趋势。根据岩相古地理分析，本区晚二叠世主要发育三角洲，泻湖-潮坪以及碳酸盐台地沉积体系。其中，三角洲型聚煤最好，研究区龙潭组中期属三角洲平原聚煤类型，含煤性好，可采率高，为富煤地带，且煤层灰分、硫分均较低，C6、C7、C8优质煤层是三角洲平原成煤环境形成的主要煤层。泻湖-潮坪型聚煤次之，研究区龙潭组早期属该类型，以C11、C12煤层较为典型。碳酸盐台地型聚煤较差，研究区C5煤层为该类型，煤层发育差，层数少，煤层薄，硫分高，延伸不连续。

4.2 层序地层格架中的聚煤作用

控制煤层形成最关键的因素是可容纳空间变化速率和泥炭生产速率相平衡。厚煤层往往形成于适宜条件下的可容空间增加速率和泥炭生产速率相间保持长时间的平衡。

4.2.1 各层序沉积期聚煤作用特征

研究区龙潭组层序SQ1、SQ2、SQ3聚煤规律如图5所示。研究区SQ1的煤层厚度变化在0.3～5.0 m之间，平均1.8 m，将煤层厚度等值线与SQ1岩相古地理图相结合可以看出煤层在泻湖—潮坪环境下较发育，随着水体加深，煤层有变薄的趋势。此时研究区聚煤中心在容光一带，煤层最厚大于5.0 m，为泻湖环境成煤，煤层多为高硫煤，以C12煤层为代表。

SQ2的煤层厚度变化在3.5～11 m之间，平均厚6.5 m，与SQ2岩相古地理图相结合可以看出煤层主要形成于三角洲平原环境。此时研究区聚煤中心位于吴家寨、火石岗一带，平面上煤层厚度表现为研究区南厚北薄，三角洲平原煤层最厚。物源自南西向由河流带来，海进方向由东向西。

SQ3的煤层厚度变化在0.25～6.0 m之间，平均11.5 m，与SQ3岩相古地理图相结合可以看出研究区此时正处于泻湖及碳酸岩岩台地环境，煤层主要形成于泻湖环境，碳酸岩盐台地相煤层最薄，海侵为南东向，物源来自于西北康滇古陆。

综上所述，研究区晚二叠世龙潭组聚煤作用特点如下：聚煤作用好的地带均为古三角洲平原，发育在SQ2期间，分布于火石岗、吴家寨及以南地区；其次为潮坪-泻湖环境，此时形成的煤层厚度较大，全区连续；聚煤作用差的地带为碳酸盐台地相。

1-下三角洲平原；2-上三角洲平原；3-潮坪；4-障壁沙坝；5-泻湖；6-碳酸盐岩台地； 7-物源方向；8-海侵方向；9-煤层厚度等值线/m；10-城镇；11-研究区 图5 研究区龙潭组层序SQ1、SQ2、SQ3聚煤规律图

4.2.2 聚煤作用与沉积环境的关系

研究区龙潭组SQ1海侵体系域及高位体系域各沉积了一层局部可采煤层C12和C11煤层，煤层厚0.36～1.33 m，均为高硫煤，这是由于较深的水体不利于植物的大量发育，泥炭堆积速率远小于水体变化。SQ2为研究区煤层最为发育的层序，随着SQ1晚期的大规模海退，研究区海平面向东后退几十公里，此时研究区中南部三角洲相广泛发育，分流间湾相互叠置，环境比较稳定，沼泽条件可以较持续存在，且淡水条件占优势，为较厚煤层的形成提供了条件，水体深度适中，发育多套煤层，且厚度较大，其中就包括C7、C8、C9等煤层，形成低硫、特低硫煤，且以有机硫为主；SQ3海侵体系域早期为泻湖环境，半咸水、咸水环境形成高硫煤，以黄铁矿硫为主，此时沉积了一层局部可采的高硫C5煤层，之后随着海侵的持续进行，进入碳酸盐岩相的长兴期。

4.2.3 聚煤作用与海平面变化的关系

研究区内煤层主要发育于海侵体系域，然后为高位体系域，在低位体系域内煤层不发育，具有明显的规律性。聚煤作用受到海平面变化的控制，海平面变化提供了有机质堆积的潜在容纳空间，海平面升降周期的长短决定了聚煤作用持续发育的时间，周期性的海平面变化控制了聚煤作用的时空演化。海平面的升降变化与特定的体系域相联系，低位体系域时期，海平面相对较低，滨岸地带因沼泽具极低的地下水位而使泥炭暴露、遭受风化剥蚀，故低位体系域无重要聚煤产生。海侵体系域时期，海平面上升速率超过物源供给速率，逐渐增加的可容纳空间满足泥炭的堆积，可形成区域分布煤层，但随海平面的持续上升，较深的水体不利于植物的持续生长，泥炭堆积终止。总之，研究区海侵体系域有较好煤层的发育。高位体系域时期，物源供给速率超过海平面上升速率，河流带来的大量碎屑沉积物促使盆地变浅，为大面积泥炭沼泽发育提供了基底条件，在温暖潮湿的气候条件下植物群落生长繁盛，形成大面积发育的泥炭沼泽，为区域性厚煤层的形成提供了条件。

4.3 优质煤的分布

研究区主要可采煤层煤质灰分、挥发份均相当，煤中的含硫量为本区划分优质煤的重要因素。研究区主采煤层自下而上硫分总体呈先减小后增大的趋势，C12煤层为高硫煤，C8煤层以低硫煤为主，C5煤层以中高硫煤为主，可采煤层煤中硫主要以硫化铁硫为主(C8煤层除外)，与全硫呈正相关关系。C8煤层为本区的优质煤层，该煤层发育于SQ2，物缘供给方向为自南向北，其三角洲相的展布范围和C8煤层的展布范围相当，是找寻优质煤的主要环境和地段。

5 结论

(1)研究区含煤岩系形成于泻湖、潮坪—三角洲—泻湖、潮坪沉积体系，共识别出3个层序界面，划分了3个三级层序：SQ1为龙潭组底部至C11煤层顶面；SQ2为C11煤层顶板砂岩至C5煤层底板砂岩；SQ3为C5煤层至龙潭组顶部。

(2)层序SQ1为泻湖、潮坪沉积体系，高位体系域分布广泛，产C12、C11高硫煤；层序SQ2为三角洲平原环境，是龙潭组煤层最发育的层序， 产C9、C8、C7、C6低硫煤，其中C8煤层为特低硫优质煤层，厚煤层形成于三角洲平原泥炭沼泽。层序SQ3海侵体系域早期为泻湖环境，产C5高硫煤。

(3)研究区聚煤作用受古植物、古气候、古构造和古地理的控制。聚煤作用和沉积环境、海平面的变化关系密切，控制了可容纳空间变化速率和泥炭生产速率；煤层主要发育于海侵体系域(C5、C8、C12煤层)，其次为高位体系域(C11、C7、C6煤层)，在低位体系域内煤层不发育。

(4)三角洲平原相聚煤作用最好，在研究区中南部三角洲相广泛发育，即火石岗、吴家寨及以南地区，其低硫、特低硫优质厚煤层的聚煤中心就处于该区域；其次为潮坪-泻湖相，形成的煤层厚度较厚，含硫量均偏高，但全区连续；碳酸盐台地相的聚煤作用较差。

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