鄂尔多斯盆地东南缘晚石炭系—早二叠系海陆过渡层序及聚煤模式

向英杰,娄 林,孙 静

( 1. 中国石油新疆油田分公司 勘探事业部,新疆 乌鲁木齐 830011; 2. 中国石油新疆油田分公司 准东采油厂彩南作业区,新疆 阜康 831511 )

0 引言

煤层作为非常规天然气最重要的烃源岩和储层之一,是特定古环境条件下形成的沉积岩,代表泥炭长期的埋藏和压实,含煤地层保存丰富的地质信息[1-3]。煤层的形成环境广泛,当环境中可容纳空间的增长速率等于泥炭的堆积速率时,陆源有机物质才能保存下来形成煤[4]。从陆相到海相,人们研究河流—三角洲模式、障壁—潟湖模式、冲积扇模式和湖泊环境模式成煤等,解释基本的成煤环境和煤层发育特征[5-9]。20世纪80年代,层序地层学概念引入含煤地层,被用来解释不同沉积环境中的煤炭形成和保存,并可预测煤层厚度、连续性和质量[10]。DIESSEL C F将煤炭的提出和保存与EXXON层序地层学模型的概念整合,形成近海含煤层系的海侵—海退成煤模式[11]。BOHACS K等认为最主要的煤层发育在海侵体系域内,具有充足的可容纳空间,建立层序内部煤层厚度分布与体系域关系的预测模型[4]。HOLZ M等强调层序理论在理解煤成因和预测煤特征的重要性[10]。李增学等提出陆表海聚煤盆地海侵事件成煤机制[12-13],邵龙义等提出幕式聚煤作用和海相层滞后时段成煤模型,解释中国晚古生代灰岩为煤层顶板的含煤旋回层成因[5]。层序作为含煤地层研究的重要方法,延伸出不同的层序地层学模型、沉积体系和煤特征关联性的解释。

现有的成煤模式主要针对特定的层序或环境,完整海陆过渡层序地层下的聚煤环境演化和聚煤模式研究较少,且缺少对煤层发育特征的对比和聚煤规律分析。鄂尔多斯盆地晚石炭系—二叠系本溪组—山西组是中国典型的含煤层系,富含煤层气资源,发育近海海—陆过渡层序,代表多个三级层序长期演化、整体海退过程,形成一套独特的多环境成因、多层序叠置的聚煤层系,成为开展完整海陆过渡层序下成煤研究的对象[14-16]。笔者利用不同层位取心和测井资料,开展鄂尔多斯盆地东南缘的层序地层学和沉积学分析,划分海陆过渡层序和海陆环境沉积序列,分析煤层发育特征及其分布规律,总结层序控制下的聚煤模式。该结果对于认识鄂尔多斯盆地海陆过渡层序演化及其沉积环境演替下的聚煤规律和模式,扩展盆地煤层气勘探具有指导意义。

1 地质概况

鄂尔多斯盆地位于中国中北部,面积约为2.5×105km2,蕴藏石油、天然气、煤、砂岩型铀矿等多种资源[17-19]。盆地上古生界地层分布广、含气层位多,具有丰富的天然气资源和巨大的勘探开发潜力[20-22]。鄂尔多斯盆地构造上隶属于华北克拉通中西部,西侧窄而陡,东侧宽且微倾斜,整体结构特征呈南北向矩形、东缓西陡的不对称箕状向斜,是华北地区发育的克拉通多旋回大型盆地(见图1(a))。盆地划分为伊盟隆起、渭北隆起、晋西挠褶带、伊陕斜坡、天环坳陷、西缘冲断带等6个二级构造单元,其中作为主要构造单元的伊陕斜坡的坡度小于6 m/km[23]。晚奥陶世至早石炭世,鄂尔多斯而受加里东造山运动抬升盆地经历亿年侵蚀,形成区域不整合古风化壳。随后经历海西造山运动而促使晚古生代鄂尔多斯盆地沉降,导致盆地从晚石炭世到晚二叠世的构造演化和海陆过渡变迁[24]。

图1 鄂尔多斯盆地构造单元及地层综合柱状图Fig.1 Tectonic unit and comprehensive stratigraphic profile of Ordos Basin

鄂尔多斯盆地石炭系—二叠系是典型的海陆过渡体系,上石炭统本溪组、下二叠统太原组和山西组发育砂岩、泥岩、碳酸盐岩和煤岩互层,其中,本溪组与下伏奥陶系马家沟组抬升,山西组与上覆下石盒子组区域河道侵蚀面不整合接触[25-27](见图1(b))。研究区位于盆地东南部伊陕斜坡和晋西挠褶带交界处,由于海水从盆地东南方向退去,导致区域内的沉积环境多样,出现海陆过渡的沉积相演化过程,并保存与之对应的海陆过渡层序。层序内部的煤层划分为上煤组、中煤组和下煤组9个煤层,各煤层的连续性和厚度存在差异,主要发育中煤组和下煤组,平均厚度分别为3.2和6.4 m。

2 沉积序列

2.1 岩相类型

根据鄂尔多斯盆地东南部本溪组—山西组钻孔岩心和测井分析,确定砾岩、砂岩、粉砂岩、泥岩、灰岩和煤岩6种岩性类型,代表海陆过渡层序中沉积环境的多样性。根据沉积物的颜色、岩性及沉积构造,识别12个不同的岩相,总结沉积特征和成因解释(见表1和图2)。岩相的命名基于MIALL A D修改[28-29]。其中,砾岩类岩相主要发育于本溪组,灰岩类岩相仅发育于太原组,砂岩、粉砂岩和泥岩相各层有分布,煤岩相以山西组和本溪组为主。

表1 研究区岩相分类方案Table 1 Lithofacies classification scheme in the study area

图2 研究区岩相类型Fig.2 Lithofacies type in the study area

2.2 聚煤环境类型

基于岩心观察,识别特殊环境典型的指相标志,划分障壁—潮坪—潟湖、碳酸盐台地、曲流河三角洲和辫状河三角洲相类型,各相环境内部聚煤作用有差异,研究区内的碳酸盐台地相内部几乎无煤层沉积。

2.2.1 障壁—潮坪—潟湖

研究区海陆过渡环境的相类型见图3。FA-1代表近海海岸的障壁—潮坪—潟湖序列,障碍岛是与海岸线平行的狭长岛屿或半岛,由潟湖或沼泽与海岸隔开[30]。岩性以灰白色细砾岩和中粗砂岩为主,结构成熟度中等。障壁以交错层理砾岩相(Gm)、槽状和板状交错层理砂岩相(St、Sp)为主体,测井曲线形态以漏斗形的反粒序为主。大型交错层理通常为障壁岛向海一面波浪作用的高能水动力导致,潮坪以泥质粉砂岩或粉砂质泥岩为主,具有明显的波状层理(Sh),含菱铁矿结核及云母,测井曲线上为中—低幅锯齿形。潟湖以深灰色薄层状粉砂质泥岩、泥岩和炭质泥岩为主,生物扰动明显,发育水平层理或块状层理,富含植物碎屑(Mh、Mm、Mc),局部夹薄层反韵律砂岩(见图3(a))。潟湖内通常水体较浅、安静、低能,海侵过程中的潟湖是成煤泥炭沼泽发育的有利环境,堆积的煤层作为区域性标志层(C),平均厚度为2.5～6.8 m,但泥炭堆积过程在很大程度上受海平面波动的调节作用影响。该序列测井曲线为上低幅微齿形、中高幅齿形和高幅箱形组合,代表障壁—潮坪—潟湖序列叠加,厚层煤层在序列的顶部发育。

图3 研究区海陆过渡环境的相类型Fig.3 Facies types of marine-continental transitional environment in the study area

2.2.2 碳酸盐台地

FA-2为碳酸盐台地序列,属于浅水陆棚环境,内部海水相通正常循环,海域较为广阔,形成多层灰岩标志层(L),研究区内可见3～4层,由深灰色块状泥岩隔开(Mm)(见图3(b))。灰岩内生物碎屑类型较多,大小混杂,层理较少发育,表明局部平静到较为开阔的动荡海水环境。

2.2.3 曲流河三角洲

FA-3为曲流河三角洲前缘序列,三角洲前缘由水下分流河道、河口坝、水下分流间湾和席状砂组成。岩性以中厚层中—细砂岩、粉砂岩和泥岩为主。厚层砂岩底部发育的连续不规则冲刷面和下切槽状交错层理指示水下分流河道沉积(St)。分选磨圆较好、平行层理岩相、板状交错层理岩相,以及垂向上上粗下细的反粒序代表河口坝沉积(Sp、Sh)。灰黑色炭质泥岩和煤层发育在低水动力条件的水下分流间湾中,并包含深灰色块状泥岩,煤层厚度为0.5～2.3 m(Mc、Mm、C)(见图3(c))。此外,席状砂受海浪和河流动力交互作用而具有中薄层砂泥交互的特点,砂质较纯,分选磨圆好。该序列在测井曲线上表现为中—高幅钟形、箱形及低幅指形的组合,代表三角洲前缘水下分流河道、深色细粒沉积和煤层构成的序列。

2.2.4 辫状河三角洲

FA-4为辫状河三角洲前缘序列,内部水下分流河道是前缘沉积的主体,垂向上下细上粗,厚度为2.3～5.5 m,由水下分流河道、河口坝、水下分流间湾和漫溢沉积组成。垂向上表现出正旋回特点,下部多见河道粗粒滞留沉积物。厚层叠置砂体发育槽状、板状交错层理相(St、Sp),代表水下分流河道的持续堆积,内部通常含有漫溢流水纹层的粉砂质夹层(Sr),向上过渡为厚层的水下分流间湾细粒沉积(见图3(d))。研究区普遍发育叠置的水下分流河道砂体和河口坝,厚度范围最大超过8 m。水下分流间湾为泥岩粉砂岩和粉砂质泥岩互层,发育水平层理、块状层理相(Mh、Mm),局部见炭质泥岩(Mc),代表水体浅且水动力闭塞。内部形成薄煤层或煤线(C),成煤作用有限。该序列测井曲线上呈低幅指形,与曲流河三角洲差异在于聚煤作用减弱。

3 层序地层格架和煤层分布

根据岩心、测井资料对层序内部关键面进行识别,将鄂尔多斯盆地东南部石炭统—二叠统自下而上细分为海—陆过渡的SQ1-SQ4 4个层序,每个层序显示不同的特征,代表不同环境类型,可细分为低位体系域(LST)、海侵体系域(TST)和高位体系域(HST),但并非所有体系域在层序中发育(见图4)。

图4 研究区海陆过渡层序划分Fig.4 Division of marine-continental transitional sequence in the study area

3.1 岩心—测井层序界面类型

3.1.1 洪泛面

初始洪泛面(IFS)。IFS为层序内部第一个显著洪泛面,测井曲线上数值迅速增加,声波曲线上数值迅速减小,岩性上表现为砂岩段上部的厚层泥岩、粉砂质泥岩和粉砂岩[31],标志低位体系域到海侵体系域的转换,并将下方的进积层与上方的退积层分开(见图4)。

最大洪泛面(MFS)。MFS为层序内海侵位置最远的洪泛面,标志海侵的结束和海岸线轨迹的变化,从海侵体系域到高位体系域的转换[31]。岩性中发育在厚层粉砂岩和泥岩段上部,代表河口坝砂体和间湾泥岩之间。该界面在测井曲线上具有幅度最低的自然伽马响应,表示垂直砂岩、粉砂岩和泥岩夹层中最厚的泥岩和粉砂岩的顶部(见图4)。

3.1.2 区域不整合面

通常构造运动形成最重要的层序边界,如加里东运动使盆地抬升剥蚀,导致奥陶系顶部古风化面在盆地内广泛分布,代表区域性分布的大型不整合面[32],具有等时性,作为二级层序界面,也是本溪组的底界面(见图4)。

通常,地层记录中河谷内叠置河道的下切冲刷面代表基准面的下降和上升形成的向下切割和垂向填充过程。这种具有区域性冲刷的砂岩侵蚀面可解释为层序边界[33],代表相对海平面下降的低位体系域早期在低可容纳空间下的强烈河道侵蚀作用,如山西组底部北岔沟砂岩和下石盒子组底部骆驼脖子砂岩的底面(见图4)。

3.1.4 地表暴露面

暴露面指示陆上河流—三角洲环境的暴露层序边界[34]。可根据研究区岩心中钙质结核、干裂纹、瘤状植物和根土岩等识别,代表不连续、局部追踪的古土壤,该界面可与区域性河道砂体对应(见图4)。

3.2 海陆过渡层序演化

建立由近海到陆相湖盆演化的海—陆过渡层序。SQ1层序底界为灰岩,是大规模海侵的开始,为统一陆表海阶段,发育近海海岸障壁—潮坪—潟湖体系。SQ2层序太原组沉积时期为盆地晚石炭系—早二叠系期间的最大海侵期,发育碳酸盐台地环境;SQ3层序山西组沉积时期是海陆过渡相曲流河三角洲沉积阶段,层序底界代表区域海退的河道下切侵蚀面;SQ4层序为辫状河三角洲、陆相湖盆沉积阶段,层序底部为区域性河道下切面及暴露面。

3.2.1 SQ1层序

SQ1层序相当于整个本溪组,层序底界面为本溪组底部铝土岩与下伏中奥陶世早期马家沟组的灰色厚层—巨厚层灰岩组成岩性突变面,代表区域不整合面(见图5)。层序内低位体系域下部,发育一套区域分布的指示长期暴露的厚层灰黄色铝土质泥岩以及障壁岛为主体的障壁—潮坪—潟湖环境,障壁砂体较厚,厚度为5～10 m,分布范围广,指示该时期海浪沿岸搬运的物源供给稳定及加积速率较高。海侵体系域期,海平面越过大多数障壁,主要以潮坪和潟湖的粉细砂沉积为主,含大量炭质泥岩(见图6)。高位体系域发育大面积区域性的1～2套厚煤层,分布在广阔的潟湖内部,叠置厚度超过6 m,为鄂尔多斯盆地东南部厚度和规模最大的煤层,也是主要的煤层气来源(见图7(a))。

图5 研究区顺物源剖面层序地层格架Fig.5 Sequence stratigraphic framework of longitudinal section in study area

图6 研究区切物源剖面层序地层格架Fig.6 Sequence stratigraphic framework of cross section in study area

图7 研究区不同层序内煤层厚度Fig.7 Thickness map of coal in different sequences in study area

3.2.2 SQ2层序

SQ2层序代表太原组泥灰岩和灰岩沉积,形成于陆表海碳酸盐台地环境。内部灰岩与泥岩层的沉积序列记录多次海水侵退过程。灰岩层数为3～4层,厚度较大,是多次大规模海侵事件的结果,其与泥炭堆积作用呈负相关关系,层序内部基本无泥炭和煤层聚集(见图5)。层序内部不发育低位体系域和高位体系域,仅可划分多次叠加的海侵体系域,表明盆地范围的大规模、多期次、长期持续的陆表海海侵阶段,缺乏有效的泥炭有机质供给(见图6)。

“呼哧”，卡尔松的两只鼻涕虫缩回了黑洞洞的大鼻孔里，现在他完全忘了足球，脑中只有军事任务。他双目炯炯地说：

3.2.3 SQ3层序

SQ3层序为山西组下部山2段,层序底界面为三角洲水下分流河道的下切冲刷面,对局部的下伏太原组灰岩和泥岩形成侵蚀,具有下切谷形态和复合河道砂体充填。这套砂体区域性分布,为北岔沟砂岩,由盆地北部到东南部可连续追踪,代表层序内部的低位体系域的沉积主体(见图5-6)。海侵体系域以粉砂和泥岩为主,海侵体系域晚期多发育深灰色炭质泥岩和薄煤层。高位体系域早期发育水下分流间湾,岩性上发育多套薄—中层煤及两套连续分布的煤,表明较强的聚煤作用(见图7(b))[35]。

3.2.4 SQ4层序

SQ4层序为山西组上部山1段,下部界面为山2段顶部暴露面,顶部界面为骆驼脖子砂体的下切河道冲刷面。由于海水从盆地东南部开始退出,持续的海退导致海水作用减弱而河流作用增强,陆表海逐渐向内陆湖泊水体性质转换(见图5)。辫状河三角洲前缘在该时期广泛分布,低位体系域以连片的透镜状河道砂体为主,海侵体系域和高位体系域内泥岩的有机质含量降低,局部发育煤线和炭质泥岩,累计厚度小于2 m,表明聚煤作用持续减弱(见图7(c))。

4 层序地层聚煤规律及模式

由岩心、测井和分析资料可知,研究区晚石炭系—早二叠系的本溪组—山西组经历近海环境到三角洲沉积体系的演替,海—陆过渡层序内部的聚煤规律存在显著差异。应用层序地层学理论,分析近海含煤地层中煤的空间分布和特征:一方面,相对海平面变化造成的可容纳空间增长速率差异,导致层序内部不同体系域的煤层分布;另一方面,根据区域构造效应造成的盆地本身可容纳空间大小,区分为高可容纳空间和低可容纳空间层序类型,造成不同三级层序内的聚煤规律差异。

4.1 聚煤规律

BOHACS K等[4]和CROSS T A[36]强调煤炭形成和保存的基本控制是与泥炭堆积相关的可容纳空间,煤层沉积厚度受控于可容纳空间增长速率与泥炭堆积速率之间的相对平衡状态。海陆过渡沉积体系中泥炭形成环境的可容纳空间主要受相对海平面变化作用。当相对海平面上升速率过快时,可容纳空间增长大于泥炭的堆积过程,相对海平面具有过低的上升速率,泥炭缺少足够的堆积空间,导致聚煤过程受到干扰,难以形成最有利的聚煤条件。

SQ1层序中,由于海岸外侧障壁岛阻挡,潟湖环境保持低能水动力条件,且缺乏外来的碎屑物质的直接供给,处于缓慢的沉积速率阶段。当可容纳空间增加速率和泥炭堆积速率在海平面下降时期保持同步时,聚煤高峰期发生,形成稳定广泛分布的厚层煤。SQ2层序稳定的高海平面使区内处于浅海陆棚的碳酸盐台地环境,海水流通,灰岩和泥灰岩发育,缺乏泥炭的直接来源(见图8)。

图8 研究区海陆过渡层序内的聚煤规律Fig.8 Coal accumulation in the marine-continental transitional sequence in the study area

SQ3层序属于曲流河三角洲环境,受明显海侵影响,且内陆物源供给较充足,碎屑物质和泥炭的堆积速率超过可容纳空间的增长速率,薄煤层在海侵晚期分布,最大厚煤层出现在高位体系域早期,发生最大的聚煤作用,中等厚度和连续的煤形成。由于持续发生海退过程,SQ4层序内河流作用继续增强,盆地基本由陆表海转变为半封闭的陆相湖盆,丰富的泥砂物源供给速率远大于可容纳空间的增长速率,层序内部不具备厚层煤的发育条件,仅分布炭质泥岩和少量的薄煤或煤线(见图8)。

4.2 聚煤模式

海相层序(SQ1—SQ2)发育于克拉通陆表海环境,海水较浅且进退频繁,盆地东南缘大范围为障壁—潮坪—潟湖及碳酸盐台地环境,为高可容纳空间[37-38]。过渡相及陆相层序(SQ3—SQ4)为曲流河三角洲和辫状河三角洲,沉积地形坡度平缓,为低可容纳空间。高、低可容纳空间的三级层序类型和层序内的海平面变化造成煤层分布规律的差异。

高可容纳空间层序下,A/S大于1,可容纳空间的增长速率长期等于或高于泥炭堆积速率,沉积物形成较稳定,因此保存较厚且稳定的煤层[39]。SQ1层序发育在陆表海的高可容纳环境中,由于早期的暴露侵蚀及快速海侵,形成障壁—潟湖环境。低位体系域时期,可容纳空间形成可迅速垂直填充的空间,厚层的障壁砂体沿岸线分布并垂向加积,未形成保存的煤层。海侵体系域时期,可容纳空间的增长形成最厚的煤层,横向上更连续。最厚的煤层出现在该层序的海侵体系域内,平均厚度为2.5～6.8 m,累计厚度可达8 m(见图9(a))。SQ2层序具有高可容纳空间,但缺乏有机质的输入,区内未保存煤层(见图9(b))。

低可容纳空间层序下,A/S小于1,沉积速率远大于可容纳空间增长速率,可容纳空间持续处于填充的进积状态,即使海侵体系域时期的相对海平面上升带来可容纳空间增长,也不足以补偿[40]。SQ3和SQ4层序分别代表浅水环境下的曲流河三角洲和辫状河三角洲沉积,具有较低的可容纳空间。SQ3层序低位体系域早期,由于受强烈的进积作用,低可容纳空间和高碎屑物质输入,沉积过路及河道的广泛侵蚀,低位体系域的三角洲环境中几乎没有形成煤,但在低位体系域晚期保留炭质泥岩层或少量煤线。海侵体系域时期,可容纳空间增加,形成薄且分散较少的煤层,因为泥炭的积累与可容纳空间的增加保持同步。高位体系域早期,三角洲中有利于横向连续煤的聚集,在晚期海侵体系域煤层更薄且有些分散(见图9(c))。SQ4层序低可容纳空间和高的沉积物供给促使微弱的聚煤作用(见图9(d))。

高可容纳空间和低可容纳空间两类层序中,高位体系域之间煤层厚度和连续性的差异,可解释为更高的可容纳空间允许形成厚且连续性较高的煤层,在高位体系域晚期泥炭的积累与可容纳空间的增加保持同步。低容纳空间只能在高位体系域早期形成中等连续和厚度的煤,在晚期体系内阻止泥炭的长期积累,容易被碎屑物质填满,形成相对较薄和分散的煤。与低可容纳空间相比,高可容纳空间海侵体系域的聚煤差异在于高可容纳空间的增长速率大于泥炭的积累速度,难以形成泥炭的堆积,而低可容纳空间在海侵体系域晚期形成薄层且孤立的煤。

不同层序类型内部煤层厚度和连续性存在差异,广阔的高可容纳空间提供泥炭堆积环境,形成区域的标志性厚层连续煤,在低可容纳空间中,由于碎屑物质的输入变化和海平面、河流动力的频繁变化,可能中止或减缓泥炭的堆积过程,形成中等厚度且分布连续的煤层及伴生的薄层煤。当层序可容纳空间进一步降低时,即使相对海平面上升,所有体系域也只能发育孤立的薄层煤。

5 结论

(1)鄂尔多斯盆地东南部晚石炭系—早二叠系发育一套完整的海—陆过渡层序,可划分4个三级层序。SQ1层序对应本溪组,底界为中奥陶统马家沟组顶部的不整合古风化壳;SQ2层序为太原组,底界面为厚层煤顶面;SQ3层序与山2段对应,底部为区域河道下切侵蚀界面;SQ4层序与山1段对应,底界面为暴露面和河道下切侵蚀面,顶界面为下石盒子组的大型河道侵蚀面。

(2)研究区识别4类沉积环境序列,分别为近海海岸的障壁—潮坪—潟湖、浅海陆棚的碳酸盐台地、海陆过渡的曲流河三角洲和陆相湖盆的辫状河三角洲,分别与SQ1到SQ4层序相对应,其中主要的聚煤环境微相为潟湖沼泽和水下分流间湾。

(3)建立海—陆过渡含煤层序地层模型。SQ1层序主要发育高位体系域晚期聚煤,煤层具有厚、高连续性和层数少特征;SQ2层序中,煤层基本不发育;SQ3层序中煤层分布在海侵体系域晚期和高位体系域早期,其中后者表现煤层数量多、中厚层和中等连续特点;SQ4层序内煤层发育有限,仅可见稀少的孤立的薄层煤或煤线。高可容纳空间下的障壁—潮坪—潟湖环境主要发育HST晚期聚煤,低可容纳空间下的海陆过渡三角洲发育HST早期聚煤。层序的可容纳空间差异和相对海平面变化控制海陆过渡层序地层格架内的聚煤规律。