湘东北地区安源煤系三角洲沉积与演化特征

刘海波，刘石磊，武志伟

(湖南理工职业技术学院风能工程系 湖南 湘潭 411200)

0 地质背景

受拉丁大海退影响，中国南方的华南板块与北方大陆连成了一片陆地[1]，终于改变了我国长期存在的“南海北陆”古地理格局。但位于华南板块内部的杨子、华夏板块碰撞拼接缝合带[2]仍因地势低洼而成为窄长的海湾。海水从湘粤浅海[3]，经北北东向的湘东海湾[4-5]，在湘东北一带转向北东东向的萍(乡)-乐(平)坳陷带[6-7]，形成了晚三叠世的湘赣海湾，发育以安源煤系为典型代表的海陆交互相含煤沉积。

湘东北地区的醴陵-浏阳一带在晚三叠世处于湘赣海湾西北部的转折端，更西北则是湖南山地[8]或更大范围的湘黔桂高地。湖南山地或湘黔桂高地的地表水不断地向东南汇入湘赣海湾，在海湾滨岸地带形成了一系列的三角洲，其中以浏阳澄潭江矿区的澄潭江三角洲最为典型，其发展演化历史可为代表。

湘东浏阳市澄潭江矿区位于罗霄山脉西麓。地质构造体系属于湘东多字型构造体系东端的上山岭复式向斜主体。区域地层属华南地层区湘中-湘南区邵阳-浏阳小区，出露地层主要有上元古界板溪群、泥盆系、石炭系、二叠系、上三叠统、白垩系及第四系。上三叠统安源煤系厚达2 000m以上。据岩性组合特征，可将其划分四个岩组，自下而上依次为紫家冲组、三家冲组、三丘田组、造上组[9-11]。

造上组(T3zs)：底部为灰白色石英砾岩夹灰色粉砂岩、细砂岩；下部为石英粉砂岩夹粉砂质泥岩；上部为粉砂岩、粉砂质泥岩互层。

——三都运动

三丘田组(T3sq)：底部由灰色燧石石英细砾岩、砂砾岩和含砾粗砂岩组成；中、下部以灰黑色泥岩、深灰色粉砂质泥岩为主，夹粉砂岩、煤线；上部以灰色砂岩为主，夹灰黑色粉砂岩、泥岩及煤层、煤线多层。

——三湾运动

三家冲组(T3sj)：底部为灰色燧石石英细砾岩或相变为含砾砂岩、粗砂岩；下部为灰色薄层状石英粉砂岩夹细砂岩、粉砂质泥岩；中、上部以灰黑色泥岩、粉砂质泥岩夹粉砂岩、少量细砂岩，富含菱铁矿结核。

紫家冲组(T3zj)：底部为杂色至灰色燧石石英砾岩；下部以灰黑色粉砂岩、灰色细砂岩为主，夹粉砂质泥岩及煤层、煤线多层；中、上部以韵律性强的灰黑色粉砂岩、黑色泥岩互层为主，偶夹灰白色石英砂岩和煤线。该组岩性的枞、横向变化大，相变严重。

1 三角洲体系的沉积特征

澄潭江矿区安源煤系由近源碎屑沉积岩夹煤层组成，碎屑粒径粗，具正、反粒序沉积系列，分选差至中等，水平及交错层理发育，富有机质，化石丰富，常见泥裂、雨痕及波痕，负载变形构造发育，底部冲刷构造发育。经研究，可识别出分流河道、水下分流河道、河口砂坝、分流间湾、泥炭沼泽等沉积相。

1.1 三角洲平原

澄潭江三角洲平原主要由分流河道和泥炭沼泽组成。

分流河道的沉积物以粗碎屑沉积物为主，多为砾石、含砾砂岩，夹少量中、粗粒砂岩；槽状交错层理发育，常见底部冲刷构造。三角洲沉积体系下部的分流河道沉积物由石灰岩、燧石和石英砾石组成，砾石的圆度、球度低，分选差、层理不清或为块状层理，具红色氧化圈，河流相的二元结构显著(图1)；体系上部的分流河道沉积物主要由石英和燧石砾石组成，砾石的圆度、球度较高，分选较差，叠瓦构造常见，底部冲刷明显，底面冲刷构造发育。

图1 三角洲底部砾岩Figure 1 Delta bottom conglomerate

泥炭沼泽的沉积物多由富有机质的炭质泥岩与砂岩互层组成，夹煤线、薄煤层，发育水平或平行层理，负载构造、雨痕、泥裂(图2)常见，植物化石丰富。体系下部的煤层结构复杂、甚至为复煤层，煤中夹矸向盆地中心逐渐变薄，岩性粒径变小，夹矸层数减少并导致煤层合并。体系上部的煤层结构简单，煤中夹矸往盆地中心增厚，导致煤层分叉直至变薄、尖灭。

图2 泥裂Figure 2 Mud crack

1.2 三角洲前缘

澄潭江三角洲前缘主要由水下分流河道、河口砂坝和分流间湾组成。水下分流河道沉积物以中、细粒砂岩为主，分选性较差，槽状交错层理，槽底冲刷不显著，但下部接触关系突变，侧向迁移显著。三角洲沉积体系下部的水下分流河道沉积发育滑塌构造，常见砂质碎屑流岩(图3)。沉积体系上部的砂岩层厚度稳定，但单个砂体在剖面上呈狭长透镜状；槽状交错层理发育，槽底冲刷不显著，但槽底沉积物粒度明显粗于两侧，侧向迁移显著(图4)。

图3 砂质碎屑流岩Figure 3 Sandy clastic flow rock

图4 侧向迁移显著的槽状交错层理Figure 4 Lateral migration obvious trough cross-bedding

分流间湾沉积物以粉砂、泥岩互层为主，水平层理或交错层理。三角洲沉积体系下部的间湾以河床漫溢沉积为主，沉积物粒度较粗，横向上变化大，多具大型板状交错层理，泥炭沼泽沉积亦发育(图5)。上部的间湾沉积物粒度较细，横向上比较稳定，水平层理，常见波痕，化石丰富。缺乏煤层，但泥岩多为富有机质的炭质泥岩。

图5 大型板状交错层理Figure 5 Large sized tabular cross-bedding

河口砂坝由中厚层状的细、粉砂岩组成。交错层理或平行层理。砂体底部冲刷构造不发育，变形构造较发育。垂向上，砂体下部往往从砂泥岩互层开始，往上逐渐变为厚层状细砂岩层，砂粒径逐渐变粗。

2 三角洲演化特征

澄潭江三角洲由初期的冲积扇、扇三角洲、浅水高建设性三角洲，逐步演化而成。其建设历程复杂，旋回层次多，可划分为4个大型旋回、6个中型旋回(Ⅰa、Ⅰb、Ⅰc)和19个小旋回(图6)

2.1 建设Ⅰ期

从冲积扇沉积开始，逐渐转化为扇三角洲[12-13]，再到浅水高建设性三角洲[14-16]。

Ⅰa1建设期为扇三角洲建设期。早期，粗碎屑直接堆积在干旱的风化壳上，成熟度低，具红色氧化圈，层序上具有河流相的二元结构(图1)，应是季节性河流的冲积扇沉积。平面上，冲积扇体由西北向东南呈扇状分布(图7)，并侧向东北方向缓慢迁移。Ⅰa1旋回破坏期的改造作用不强，但扇三角洲进积作用减弱，三角洲平原上加积作用显著降低，并开始出现泥炭沼泽沉积。

Ⅰa2期,受河流改道的影响，三角洲建设大举向东侧迁移，使三角洲的建设规模迅速扩大(图8)。三角洲东部的底砾岩之下至不整合面之间普遍具有10 m以上的泥质沉积，层序上为反粒序沉积序列，且普遍发育砂质碎屑流岩[17-20](图3)。这些表明此时的三角洲东部应建设速度快且水浅，经常发生滑塌。西部呈半废弃状态的三角洲体上形成了泥炭沼泽沉积。

Ⅰa3期,随着水位的上升，盆地可容空间的扩大，供应碎屑物的粒度逐渐降低，三角洲的建设速度也明显下降。三角洲东部的建设环境仍然复杂，分流河道迁移频繁。西部环境相对稳定，地势较高处多为泥炭沼泽地，形成了多层可采的、结构复杂的复煤层；且可能在中期出现过一次较大范围的粗碎屑沉积过程。

Ⅰb期,三角洲建设规模进一步扩大，其东、西部的差异性迅速缩小，但内部地形仍有较大差异。

Ⅰc期,随着湘赣海湾水位的上升，三角洲建设的进积作用明显减小，但加积作用增强，东、西部建设的差异性也进一步减小。

Ⅰc2未期，整个三角洲被水淹，偶尔露出水面的三角洲即形成沼泽地。与紫家冲组下部各煤层相比，此期所形成的煤层即便层薄、但分布范围较广且稳定性较高， 说明三角洲经过几个旋回的建设已经使三角洲体宽广且地形趋于平坦。

图6 三角洲建设旋回分析图Figure 6 Delta constructive cycle analytical chart

图7 三角洲Ⅰa1建设期古地理图Figure 7 Delta Ⅰa1 constructive stage paleogeographic map

图8 三角洲Ⅰa2建设期古地理图Figure 8 DeltaⅠa2 constructive stage paleogeographic map

2.2 建设Ⅱ期

以破坏期的改造作用为主。此时，湘赣海湾水位维持高位，与湘粤浅海互通，使得澄潭江三角洲主体大部时间处于水面之下，其建设周期短而破坏周期长。

Ⅱa1初期，海湾水位下降，三角洲体系重新活跃起来，开始了新一轮的、短暂的建设并随后转入破坏期的改造过程。经过三、四次较小的建设改造旋回，至Ⅱa1中后期，整个三角洲又一次被水淹而遭受着较长期的改造过程。

Ⅱa2、Ⅱa3期的建设情况和Ⅱa1期的基本相似，但破坏期可能更长，改造作用更强烈。

经过建设Ⅱ期数轮的改造作用，澄潭江三角洲的建设规模虽然没有扩大，但其地形更趋于平坦，内部建设差异性进一步缩小。

2.3 建设Ⅲ期

三角洲的建设更趋稳定，且主要受海湾水位的控制。

Ⅲa1初，受三湾运动的影响，湘赣海湾水位迅速下降，澄潭江三角洲主体再次露出水面，并开始新的建设。底部细砾岩具大型槽状交错层，呈现强烈的侧向迁移特性，表明其时三角洲地势平坦，水位稍微下降后，侧向迁移迅速的分流河道将碎屑物散布在整个三角洲体上。

Ⅲa2、Ⅲa3、Ⅲa4期的建设类似Ⅲa1期，但海湾水位仍然较高，使得三角洲露出水面的时间有限，三角洲的建设周期较短。

Ⅲb期，海湾水位较Ⅲa期更浅，破坏期的改造作用也更加弱化，特别是Ⅲb2期的改造作用更弱，该期所形成的每段砂岩向上相变为泥岩时都含煤层或煤线，即便是薄煤层、甚至煤线均保存较好。

Ⅲb2期的五煤层形成时，三角洲主体由水下逐渐露出水面，迅速沼泽化而形成五煤层。

五煤层形成中期，海湾水位曾一度上升，沼泽地退却，区域性地形成了五煤层中部的夹矸。显然，夹矸的碎屑物不是直接来自三角洲上的分流河道，而是分流河道带入海湾水体后，由海湾水体间接供给的(图9)。

图9 三角洲5煤层形成期古地理图Figure 9 Delta coal No.5 forming stage paleogeographic map

2.4 建设Ⅳ期

更大规模的一次建设期。

Ⅳa1初期，印支期的三都运动使得湘赣海湾的水位迅速下降，三角洲几乎全部露出水面。分流河道在平坦的三角洲平原上呈现出强烈的游荡性，在其上留下2～3层河床粗碎屑沉积物的同时，将三角洲沉积体系迅速推向东南部的海湾，迅速扩张了三角洲的建设规模。

Ⅳa2期，游荡性强的分流河道随着下蚀作用的不断进行，已经下切原三角洲体(图10)，并最终留下两条相对稳定的主河流(图11)。东边一条规模较大，冲刷宽度可达1 000m左右，最终下蚀深度达到了Ⅲb2期所形成的五煤层上部；西边一条规模较小，冲刷宽度仅300m左右，下蚀较浅，仅冲刷了Ⅲb2期所形成的三煤层上覆地层，基本上没有破坏三煤层。

图10 分流河道的下蚀Figure 10 Distributary channel downward scouring

图11 三角洲Ⅳa2建设期古地理图Figure 11 Delta IV a2 constructive stage paleogeographic map

Ⅳa3期，随着主河道向东部发展，三角洲的建设也断续向东推进。致使以澄潭江镇造上村命名的造上组，最终采用发育更全的文家市镇石康剖面作为标准剖面。

3 海湾水位升降特征

Ⅰa1初期，湘赣海湾水位很浅，本三角洲形成的河口一带几乎处于干旱的盆地边缘，河流带来的碎屑物呈冲积扇堆积。随着水位上升，三角洲逐渐转化为扇三角洲。至Ⅰa1期未，水位继续上升，可能淹没了雏形三角洲的主体。

Ⅰa2初期，水位迅速下降，主河道被Ⅰa1期所形成的雏形三角洲所封堵而被迫向东迁移，从而将三角洲的建设规模迅速扩大。至未期，终于形成了原始三角洲。

Ⅰb期，海湾水位比Ⅰa期已有明显的上升，并抬升了三角洲的建设高度，降低了河流碎屑物的粒度，而三角洲的建设也以加积作用为主，进积作用明显减弱。

Ⅰc期，海湾水位继续上升，且上升速度逐渐超过三角洲建设速度，使三角洲由高建设期逐渐转变为以破坏期为主的进程。

建设Ⅱ期初，海湾水位迅速下降，三角洲主体短暂出露水面，遭受过一定程度的风化剥蚀；随后水位逐渐上升，再次淹没了整个三角洲。整个Ⅱ期中，比较大的波动周期可分为三期，对应着三角洲的三个(Ⅱa1、Ⅱa2、Ⅱa3)建设旋回周期。后期波动周期的高水位期逐渐增长，而浅水时期缩短。

建设Ⅲ期，盆地水位总体下降。Ⅲa期，三角洲主体在大多数的时候仍处于水面之下；Ⅲb期，海湾水位进一步下降，三角洲平原时而露出水面、时而位于水面之下。水位上升缓慢，三角洲露出水平部分沼泽化，往往能形成煤层；但水位下降则迅速，很少发现煤层甚至煤线。

建设Ⅳ期的初始期，受到三都运动影响，盆地水位迅速下降。从造上组底砾岩对三丘田组的冲刷情况分析，这次水位下降至少在70m以上。

综上所述，海湾水位升降的特点是水位上升进程都比较缓慢，而下降进程往往迅速。

4 结论

1)湘赣海湾西部地形平坦、坡降平缓，适合于大型三角洲的形成和发育。

2)湘赣海湾西部沉积环境稳定，如区域性的印支期三湾运动对本区沉积作用的影响不显著。

3)湘赣海湾西部的三角洲环境有利于煤层的形成，但往东南的盆地中心，显然不利于煤层的形成。将澄潭江矿区煤层发育特征作为深部煤田预测的依据是不可靠的。

4)安源煤系的三家冲组是页岩气生成和贮存的有利层段。