沁水盆地东北部太原组岩相古地理演化特征分析

张 野，高 迪

（河南理工大学 资源环境学院，河南 焦作 454003）

沁水盆地位于山西省东南部，为中生代末形成的构造盆地，主要的含煤地层有太原组、山西组和本溪组等。前人曾对沁水盆地不同区域的沉积环境进行研究，并有部分学者在含煤岩系沉积环境研究的基础上，分析了其对煤层气储层特征的影响。然而，因沁水盆地西北及东南方向煤炭勘探开发程度高，以往的研究大多集中在这两个区域，而对其东北部所做工作不多，对该区域的岩相古地理演化研究较少[1-4]。

本研究主要基于沁水盆地东北部部分钻孔岩心数据，识别出主要的沉积体系及多种沉积亚环境类型，对含煤地层沉积相的垂向和平面展布特征进行分析，重建了沁水盆地在晚古生代石炭——二叠纪主要含煤地层太原组的岩相古地理格局，归纳出区域沉积环境的演化过程，指出了有利于聚煤作用发生的场所，对寻找和开发煤炭等沉积矿产资源具有重要的指导意义。

1 区域地质背景

沁水盆地位于山西省东南部，自古元古代山西陆台形成，该盆地东西长约120.0 km，南北长约330.0 km，面积约 30 000.0 km2。研究区地处沁水盆地东北部，在阳泉——昔阳一带，东西长约9.4 km，南北长约18.0 km，面积约169.2 km2，海拔约1.1 km，属太行山系。沁水盆地构造纲要及钻孔分布如图1所示。

图1 沁水盆地构造纲要及钻孔分布

沁水盆地位于华北克生拉通中部的东南侧，构造形态总体上呈NNE延伸的复式向斜构造，轴线大致位于阳泉——沁县——沁水一线，主要受晚古生代成煤期之后近水平挤压作用形成，盆地东临太行山隆起，南接秦岭——大别造山带，西为吕梁山隆起，北依五台山隆起。在华北板块构造运动的控制作用下，沁水盆地构造演化先后经历了华力西期、印支期、燕山期和喜山期。沁水盆地主要发育的含煤地层为本溪组、太原组和山西组。从太原组底部向上到山西组顶部K8砂岩，主要包括以下标志层：晋祠砂岩（K1）、庙沟灰岩（K2）、毛儿沟灰岩（K3）、斜道灰岩（K4）、东大窑灰岩（K5）、砂岩（K6）、北岔沟砂岩（K7）、1#～15#煤层等。

2 含煤地层沉积学特征

基于西山煤田钻孔岩心数据，识别出该区石炭——二叠系太原组的岩石类型。根据岩性组合、沉积构造和古生物化石等特征，解释沉积环境，划分沉积体系。

2.1 岩石类型

主要岩相类型为砂岩、粉砂岩、泥岩、灰岩、铁矿和煤。

2.2 沉积体系

以野外踏勘的数据采集、钻孔的数据分析、岩石类型的统计描述和沉积环境初步分析为基础，结合研究区岩性在垂向上的组合关系，识别出的主要沉积体系如下。

2.2.1 潟湖——潮坪——障壁岛

潟湖是以障壁砂坝为屏障，与滨海隔绝或半隔绝的水流不畅通浅水环境，分布多变，以细粒陆源物质和化学沉积物质为主，环境比较安静，水动力能量较弱。本研究区内以泥岩和砂质泥岩为主，水平层理发育。研究区障壁岛岩性以细粒砂岩、粉砂岩和中粒砂岩为主，分选磨圆较高，可见平行层理。潮坪相主要发育在具有明显潮汐周期且波浪能量低的平缓倾斜的海岸地区，沉积物粒度偏细，分选较好。岩性以砂质泥岩、细粒砂岩及煤为主，砂质泥岩为灰黑色，含块状黄铁矿，分选磨圆中等；细粒砂岩为灰色，成分以长石为主，石英次之，分选磨圆差，部分地层含菱铁矿、黄铁矿结核；煤层为半亮型黑色块状煤，似金属光泽。

2.2.2 滨外陆棚

滨外陆棚的浅海环境有利于灰岩的形成，封闭的地理环境加上干燥的气候，水的蒸发量超过补给量，所以在太原组发育多层灰岩，其中岩性以灰色石灰岩为主，质纯，含大量方解石，富含黄铁矿星点及动物化石碎片。障壁砂坝、潟湖及其周围的潮坪等沉积相组成障壁海岸沉积，含煤岩系中除发育潮坪、潟湖、障壁砂坝外，还发育了滨外泥质陆棚和滨外碳酸盐岩陆棚等沉积相类型，共同构成了障壁——潟湖沉积体系。

2.2.3 三角洲平原分流间湾和分流河道

太原组三角洲相主要由分流间湾组成，分流间湾岩性以粉砂岩、泥岩、砂质泥岩及煤层为主，含少量植物碎屑，可见水平层理。分流河道岩性以细粒砂岩为主。

2.2.4 沼泽

研究区内多为间湾半咸水闭流的泥炭沼泽，岩性以砂质泥岩和煤层为主，部分含菱铁矿、黄铁矿结核；煤层为黑色块状煤，裂隙发育，似金属光泽。

2.3 沉积相的垂向叠置

结合图1所示的钻孔位置分布，选取166号钻孔作为标准井，绘制西山煤田石炭——二叠纪含煤地层沉积相柱状图（见图2）。

图2 沁水盆地东北部太原组166号钻井地层沉积柱状图

2.4 沉积相的水平展布

从沁水盆地东北部太原组南北向连井对比图（见图3）上看，太原组从北向南整体先变薄，后逐渐增厚，下段从北向南障壁岛砂体逐渐变薄。潮坪——澙湖相地层逐渐增厚，全区发育可采的15#煤，中部灰岩段发育全区稳定的滨外陆棚相K2、K3、K4灰岩，自北向南灰岩厚度呈现先增厚后减薄的趋势，与太原组整体厚度规律一致；从垂相上看，自下而上3层灰岩逐渐减薄，表明海水进退速率加快，3层稳定连续的灰岩也说明了太原组更接近滨海的沉积环境；上部碎屑岩段自北向南煤层逐渐尖灭合并，障壁——澙湖相逐渐增强。

图3 沁水盆地东北部太原组南北向连井对比

3 太原组岩相古地理格局重建

本次岩相古地理作图采用单因素分析多因素综合作图法，该方法由冯增昭[5]先生提出并得到了广泛应用。沁水盆地东北部太原组参数等值线及岩相古地理如图4所示。

图4 沁水盆地东北部太原组参数等值线及岩相古地理

沁水盆地东北部太原组为一套过渡相碎屑岩沉积，发育了典型的灰岩标志层。太原组地层最大值在研究区最南部中心和东南角附近，地层最厚达163.00 m，往研究区中心去，地层逐渐变薄，西北部分地区厚度超过115.00 m，最大超过120.00 m，而研究区北部中心位置的地层最薄，这表明盆地的沉降中心位于研究区南部。平面上灰岩厚度高值区位于研究区的西北和东南位置，向研究区中心及北部逐渐变薄，灰岩最厚的位置表明研究区海侵主要来自西北和东南方向。太原组砂泥比值较高，总体变化在0.03～1.63，平均为0.57，在研究区的东南部最高值达1.63，结合砂泥比和砂岩厚度可以看出物源方向为研究区东部。太原组砂岩厚度变化在3.00～70.00 m，平均值为33.00 m，砂岩厚度最大区域在研究区最南部、东部偏下和西北角，地层最厚达到70.00 m。太原组煤层厚度变化在12.49～1.13 m不等，平均值在7.34 m左右，厚度最大的区域分布在研究区的东北部和东部中心位置。

沁水盆地东北部地区发生了区域性海退，海水沿潮道逐渐向西北和西南方向退去，换句话说，来自西面的海侵程度明显降低。以灰色-灰黑色厚层砂质泥岩及煤层为主的相沉积和以灰白色厚层细粒砂岩为主的障壁岛相沉积，均是海退作用下的产物，共同构成了碳酸盐岩台地障壁岛——澙湖——潮坪沉积体系。煤层的发育往往受到很多地质条件的制约，最重要的是基底沉降和沉积环境。构造活动的强弱、频率以及岩相古地理条件、古地貌、古植被、古气候、泥炭沼泽类型和沼泽中的水体深度、地球化学条件等因素共同影响了成煤作用。因此，可以用砂泥比与煤层厚度的相关性对其加以反映。聚煤中心主要位于澙湖——潮坪和三角洲分流间湾等环境，沿海侵方向聚煤作用减弱。其中，障壁岛阻止了海水的进一步入侵，导致水动力条件减弱，障壁岛后地势降低，水体深度增加，有利于泥炭沼泽和潮坪环境的发育，煤得以形成和保存。太原组沉积的后期，逐步由澙湖和滨浅海过渡为浅水三角洲。

4 结论

以沁水盆地东北部晚古生代含煤岩系为研究对象，结合钻孔岩心数据，综合分析了含煤地层沉积相的垂向叠置和平面展布特征，恢复了古地理格局，主要得到以下结论。

（1）沁水盆地东北部晚古生代含煤岩系识别出障壁——滨外陆棚和三角洲两种沉积相，进一步将其划分为障壁岛、澙湖、潮坪、滨外陆棚（碳酸盐岩台地）、分流河道、分流间湾等6种亚相（微相）。

（2）研究区石炭——二叠纪的太原组垂向上呈现障壁岛——潟湖——潮坪——滨外陆棚到三角洲沉积体系演化特征。太原组为一套海陆交互相沉积，早期以障壁——滨外陆棚沉积环境为主，到晚期逐渐过渡到三角洲平原沉积环境。

（3）从岩相古地理来看，太原组澙湖——潮坪占优势古地理单元，太原组物源主要来自沁水盆地东部的古隆起高地，海侵来自盆地西北和西南方向，与该时期沁水盆地的整体海侵和物源方向不一致，这可能与盆地的次级隆起和凹陷分布有关。