阜新盆地位于辽宁省西部, 在阜新市和锦州市之间(图 1), 是中国东北地区一个重要的中生代含煤盆地, 盆地内下白垩统自下而上为义县组、九佛堂组、沙海组、阜新组, 其中沙海组和阜新组为含煤地层且有较厚煤层发育(图 2)。阜新盆地的研究工作起步较早(王竹泉和黄汲清, 1929), 在地层古生物(张立君等, 1985; 于希汉等, 1987; 陈芬等, 1988; 王五力等, 1989; 杨欣德和李星云, 1997)、构造(刘志刚, 1984; 吴冲龙, 1984; 云武等, 1995; 王桂梁等, 1996; 王伟锋等, 1998)、沉积环境(李思田等, 1985; 李思田, 1988; 程日辉等, 1998; 赵忠英等, 2006)以及控煤因素(刘志刚和陈建平, 1995; 孟庆山等, 1998; 孟庆山和王宇林, 1998)等方面都有着丰富的成果。限于当时的勘探能力, 深部的沙海组含煤地层揭露不够完全, 因此, 研究大都集中于上部的阜新组含煤地层, 沙海组的沉积环境和聚煤规律研究显得较为薄弱。本次工作收集钻孔岩性柱及测井曲线300余个; 野外剖面观察20余条; 采样120余块, 其中制作薄片并鉴定80件; 岩心观察5个钻孔共计3000余米; 绘制层序地层及沉积断面对比图22件; 并基于统计数据绘制各种等厚图11幅。在野外观察的基础上, 结合岩心观察与描述、连井剖面分析以及测井曲线分析等手段, 对阜新盆地沙海组沉积环境和聚煤规律进行分析。

图1

Fig.1

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图1 辽宁省阜新盆地范围及交通位置Fig.1 Range and location of Fuxin Basin in Liaoning Province

图2

Fig.2

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图2 阜新盆地下白垩统综合柱状图Fig.2 Comprehensive column of the Lower Cretaceous of Fuxin Basin

图3

Fig.3

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图3 辽宁省阜新清河门镇西南部沙海组信手剖面Fig.3 Geological cross section of the Shahai Formation at southwestern Qinghemen in Fuxin, Liaoning Province

1— 北砖城子沙一段紫灰色凝灰质泥岩夹砂砾岩, 砾石有片麻岩砾; 2— 北砖城子沙二段湖相泥岩, 向上夹砂砾岩, 冲积扇远端相; 3— 北砖城子沙三段底部的冲积扇砾岩, 底有冲刷面; 4— 杨彪沟小煤窑沙三段煤层; 5— 北砖城子沙三段湖滩砂坝相砂岩, 具有向上变粗的垂向层序; 6— 阜新清河门区杨彪沟小煤窑沙海组煤层顶板中小个体的双壳类化石

此次野外工作在辽宁省阜新市清河门镇西南约2 km的地区, 见到了该地区含煤岩系下白垩统沙海组的露头(图 3)。地表剖面出露完整, 均分为4个段:沙一段以灰绿色、褐红色凝灰质泥岩和泥岩、粉砂岩为主(图 4-1), 夹有薄的砂砾岩层和煤层, 覆于安山质火山岩层之上; 沙二段是一套粗碎屑占优势的冲积扇沉积(图 4-2), 砾石的直径自下而上变粗、层厚增大, 而后砾径又逐渐变小、层厚变薄, 表现为一个由进积变为退积的完整旋回, 砾石成分自下而上也有明显变化, 火山岩砾石向上逐渐减少, 而石英砂岩砾石向上增大、增多, 而后又变小; 沙三段是一套滨浅湖相砂岩、泥岩夹煤层(图 4-3, 4-4, 4-5)的沉积, 泥岩含大量螺和双壳类化石(图 4-6), 但不再出现热河生物群的分子; 沙四段由不含煤的湖相泥岩含少量碎屑沉积组成, 在九道岭岩石的颜色自下而上逐渐变红, 向西南北砖城子方向则逐渐变为深色。在清河门西南杨彪沟小煤窑见典型的沙海组煤层及顶板露头, 可作为剖面对比的依据。

阜新盆地的沙海组主要可识别出冲积扇— 扇三角洲沉积体系和湖盆沉积体系。沉积相类型主要有冲积扇、扇三角洲、湖泊及沼泽、水下重力流沉积等, 其中以扇三角洲和湖泊相最为发育。

图4

Fig.4

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图4 阜新盆地下白垩统沙海组典型地质现象照片Fig.4 Photos showing geological characteristics of the Lower Cretaceous Shahai Formation in Fuxin Basin

2.2 扇三角洲相

沙海组扇三角洲相(图 5-B)多分布于盆地边缘, 在垂向上自下而上粒度由细变粗。扇三角洲由扇三角洲平原、扇三角洲前缘和前扇三角洲3个亚相组成。前扇三角洲亚相主要为粉砂岩和泥岩, 有时夹有少量的细砂岩, 自然电位曲线幅度很低, 变化近于平直, 偶尔出现细砂岩的小尖峰, 为水下重力流沉积。扇三角洲前缘亚相以具有向上变粗粒序的砂岩、粉砂岩、泥岩互层为主, 测井曲线为倒钟型。扇三角洲平原亚相主要发育分流河道沉积及河道间越岸沉积, 包括浅水湖泊沼泽相, 常见植物碎片和碳质碎屑, 沙海组的煤主要赋存在扇三角洲平原亚相中。分流河道沉积具有正粒序, 下部为含砾砂岩或粗砂岩, 向上颗粒变细, 变为中砂岩或细砂岩、泥岩沉积和沼泽沉积。自然电位曲线表现为明显的钟型曲线, 其底界面往往为突变型。

图5

Fig.5

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图5 阜新盆地下白垩统沙海组沉积环境（A— 冲积扇沉积(九道岭631孔); B— 扇三角洲沉积(东梁566孔); C— 远源浊积岩沉积(东梁554孔); D— 水下重力流滑塌沉积(东梁554孔)）Fig.5 Sedimentary environments of the Lower Cretaceous Shahai Formation in Fuxin Basin

为了搞清研究目的层段沙海组三、四段在阜新盆地内的分布, 在露头实际观察研究的基础上, 收集整理了历年来积累的所有穿过目的层段的钻孔资料, 分区编制了横向和纵向的连井柱状对比图, 最后进行全区连井剖面对比, 用一系列图件表示了沙海组岩性、沉积相和煤层的空间分布和垂向变化, 基本掌握了沙海组煤层的三维分布。沙海组可分为3个三级层序, 每个层序又可进而分为湖侵体系域和高位体系域, 其中沙海组一段和二段为Sq1, 沙海组三段为Sq2, 沙海组四段为Sq3。

九道岭区浅部钻孔631剖面钻遇阜新组厚约70 m, 沙四段约44 m, 沙三段150 m, 底见基底火山岩。本孔岩性剖面偏细, 尤其下部沙三段, 除底部有厚层砾岩外, 向上以湖相泥岩占优势, 最大湖泛面位置很低, 几乎就出现在第1层泥岩之上, 湖侵体系域沉积很薄, 向上高位体系域由5个向上变粗的小层序组成, 每个小层序厚20余米, 没有出现煤层。B-B'剖面中部诸孔都有较厚煤层发育, 全属高位体系域的煤层, 没有到最大湖泛面即已停钻, 湖侵体系域和基底火山岩未能揭露。沙四段厚度向东南方向增厚, 岩性变粗, 砂岩、砂砾岩和砾岩增厚, 层数增多, 表明陆缘碎屑主要来自东南部盆缘断裂方向。西南部的657孔剖面沙四段岩性也粗, 物源来自西南方向。

图6

Fig.6

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图6 阜新盆地下白垩统沙海组三段(Sq2)湖侵体系域砂岩、泥岩含量和煤层厚度等值线Fig.6 Coal seam thickness contour and content of sandstone and mudstone of transgressive systems tract of the Member 3 of Lower Cretaceous Shahai Formation (Sq2) in Fuxin Basin

图6是东梁一带的横向连井剖面。由剖面可以看出东梁区的背斜形态。西北部563孔至514孔钻遇Sq1地层, 为一套湖相泥岩夹砂岩, 厚度超过250 m。Sq2为厚层泥岩夹水下重力流沉积。煤层主要发育在Sq2的湖侵体系域中, 且厚度最大的钻孔为背斜核部的562孔, 累计厚度超过15 m。Sq3湖侵体系域湖盆中心主要在剖面中部, 高位体系域时湖盆中心有向东南移动的趋势。Sq2高位体系域和Sq3湖侵体系域见有后期侵入的辉绿岩穿插。剖面的东南部的Sq2煤系地层的发育较为稳定, 2008年阜矿集团在该剖面附近布设了一个钻孔(DS-34), 该钻孔不仅钻遇到沙海组四段和三段, 同时在沙三段中也钻遇到上部6层煤, 累积厚度达9.4 m, 据层序与沉积相分析, 沙三段下部还会存在多层煤。

各段按不同体系域编制的砂体和泥岩累计厚度百分率图, 分别表示了各层序内湖侵体系域和高位体系域中砂体和泥岩厚度分布情况。砂岩累计厚度百分率大的地区代表冲积扇至扇三角洲分布的位置, 指示了物源区碎屑来源方向; 泥岩分布区代表沉积期湖盆水域面积和分布, 泥岩累计厚度百分率大的地区则指示了当时湖相泥岩持续沉积的中心位置(徐怀大等, 1992; 张鹏飞等, 1993)。

由图6和图7可知盆地北部沙海组埋藏较深, 根据个别钻孔揭露还有来自东北部的物源。在沙海组三段的湖侵体系域和高位体系域中, 物源主要来自东南的医巫闾山, 且高位体系域中粗碎屑岩供应更为充足。在盆地北部由于沙海组埋藏较深, 通过有限的几个钻遇沙海组的钻孔分析, 新邱区的粗碎屑岩比例较高。但根据断陷盆地的性质, 其物源也应来自东南, 并有少量来自北部的物源。高位体系域中主要发育2个湖盆中心, 为东梁和伊玛图(图7)。

图7

Fig.7

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图7 阜新盆地下白垩统沙海组三段(Sq2)湖侵体系域砂岩、泥岩含量和煤层厚度等值线Fig.7 Coal seam thickness contour and content of sandstone and mudstone of transgressive systems tract of the Member 3 of Lower Cretaceous Shahai Formation (Sq2) in Fuxin Basin

沙海组的煤层主要分布在沙三段, 按不同体系域分别编绘的煤层厚度等值线图(图 7, 图8)分别表示了湖侵体系域和高位体系域煤层厚度的空间分布及厚度变化情况。煤层累计厚度超过5 m 的3个地区为:(1)清河门至伊玛图乡是厚度最大的煤层分布区, 煤层累计厚度大于20 m者位于伊玛图乡, 分布范围局限, 大于5 m 的分布区西北方向可到清河门, 东南可到蒙古街, 向南可到乌龙矿, 面积大约为70 km², 小于5 m 的煤层向西分布到北砖城子和杨彪沟露头区; (2)东梁镇南是沙三段湖侵体系域中第2个煤层分布区, 大于5 m 的煤层分布范围约为25 km²; (3)九道岭为第3个煤层分布区, 范围较小只有3 km²。

沙三段(Sq2)高位体系域煤层分布区见图8, 图8中圈出了煤层累计厚度大于2 m 的分布范围, 最主要的分布区位于清河门镇, 北到芹菜沟, 东南到乌龙矿, 分布面积约为36 km², 中部以清河门火车站为中心, 煤层最大累计厚度超过10 m。其次累计厚度大于2 m的煤层分布区是九道岭, 面积约6.6 km², 位于九道岭镇与杏树台之间, 呈NW-SE向延伸。此外还有3个煤层零星分布区, 杏树台附近煤层累积厚度超过10 m, 伊玛图车站超过6 m, 东梁勘探区深部也有面积较小的煤层分布区, 范围共约3 km²。

沙三段煤层累计厚度如图9所示。由图9可知, 阜新盆地沙海组现已勘探到的煤层主要集中在九道岭、清河门— 艾友— 伊玛图和东梁3个区域。东北方向因埋藏过深, 勘探能力有限, 含煤情况不明。

通过上述分析认为, 阜新盆地沙海组剖面中的煤层以沙海组三段的煤层发育最好, 而且在退积序列湖侵体系域中的煤层又比进积序列的高位体系域中的煤层发育更好; 从空间分布来看, 清河门、艾友一带是沙海组最好的聚煤中心, 在湖侵体系域中聚煤中心的范围可扩大至伊玛图和乌龙矿。第2个聚煤中心是在东梁矿附近。这两个聚煤中心之间的伊玛图车站至西伊玛图附近也是沙三段湖侵体系域可能含煤的部位。从东梁矿向北沙三段湖侵体系域的煤层有变薄的趋势。盆地北部新邱区沙三段粗碎屑的砾岩占比例大, 已接近盆地的东北部边缘, 缺少煤层发育的良好环境。东梁与新邱之间海州露天矿及其外围深部是值得注意的地区, 但是沙三段湖侵体系域埋藏很深, 估计在1200 m以下。自清河门往南只有在九道岭的沙三段发现过有工业价值的煤层, 已经完成精查勘探并建井开采, 但是分布面积不大, 该区砂岩含量很高是因为该区沙三段泥岩很薄很少、粉砂岩层未参加统计所致。沙三段的煤层从九道岭向西和向北分布到杨彪沟、小阎屯和北砖城子地区, 遗憾的是二者之间有1个凸起存在, 煤层是否能连续保存是一个问题。杏树台至雹神一带粗碎屑占比例过大, 过去在杏树台找到分布非常局限的煤层已是奇迹, 能不能再发现这样的奇迹则很难说。

由图7可见沙三段湖侵体系域的陆源碎屑主要来自盆地东南的九道岭、杏树台— 雹神、卧风沟— 蒙古街和东北角的新邱等4个冲积扇— 水下扇, 代表湖盆中心的泥岩累计厚度最大区位于清河门北、东梁南和新邱; 湖侵体系域的煤层分布在扇主体之间的浅水湖沼洼地内, 集中分布在3个区:(1)清河门、艾友至伊玛图一带, 煤层分布在砂岩累计厚度百分率小于80%的扇间地区, 清河门累计最大煤厚14.95 m, 艾友至伊玛图煤厚平均为10.3 m, 伊玛图附近1015孔煤层累计厚度达14.77~24.68 m, 向北煤层累计厚度减小, 至伊玛图车站为7 m; (2)东梁区, 煤层分布在砂岩累计厚度百分率小于60%的扇远端区, 2008年新钻的东梁DS34 孔揭露煤层单层厚度5~6 m, 湖侵体系域累计煤层厚度9.4 m, 更向北因煤层埋藏深度过大, 目前尚没有钻孔钻到这一层位; (3)九道岭区煤层分布局限, 似乎也分布于扇间地区, 煤层累计厚度最大可达7.85 m。

沙三段(Sq2)高位体系域砂岩含量和煤层厚度等值线关系见图8。由图8可见, 分布面积大、发育好的煤层均分布在冲积扇注入湖盆形成的扇三角洲平原、湖盆中心区的外围, 如清河门的煤层分布在湖盆中心伊玛图的西南部, 东梁区煤层分布在另一湖盆中心的东北部外围即东梁镇以东处。向北海州区沙三段埋藏深度均在800 m以下, 缺乏钻孔资料, 从仅有的个别钻孔存在厚层泥岩来看, 其外围还有煤层分布的可能, 但高位体系域煤层总体有向北变薄的趋势, 煤层厚度可能不大。

图8

Fig.8

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图8 阜新盆地下白垩统沙海组三段(Sq2)高位体系域砂岩、泥岩含量和煤层厚度等值线图Fig.8 Sandstone and mudstone content and coal seam thickness contour of highstand systems tract in the Member 3 of Lower Cretaceous Shahai Formation (Sq2) in Fuxin Basin

图9

Fig.9

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图9 阜新盆地下白垩统沙海组三段煤层累计厚度等值线对比图Fig.9 Correlation of coal seam thickness contour of the Member 3 of Lower Cretaceous Shahai Formation in Fuxin Basin

沙海组的成煤环境模式有二:(1)湖侵体系域退积过程中的成煤模式, 形成于湖盆扩张阶段, 煤层主要分布在盆地内冲积扇扇体之间, 由扇间洼地沼泽化成煤, 可称为扇间成煤模式 (图 10左)。在湖盆扩张、湖水面上升过程中, 源区与盆地内湖水面相对高差逐渐缩小, 陆源碎屑供应逐渐减少, 陆上冲积扇被湖水覆盖成为水下扇, 水下扇逐渐向源区退缩, 扇间洼地沼泽中堆积的植物遗体被湖水覆盖, 泥炭沼泽有利于保存。所形成的煤层分布面积较广, 层位和厚度稳定, 煤层厚度取决于相对湖水面上升速度的快慢与植物遗体埋藏补给速度快慢之间的相互关系。在相对湖水面上升缓慢、植物遗体能够及时补充的条件下, 成煤作用持续时间久, 煤层厚可以达到数米甚至10余米。剖面上煤层形成于向上变细的小层序上部, 其上常见为细碎屑岩和泥岩, 接近最大湖泛面, 而在冲积扇主体部位, 以粗碎屑沉积为主, 很难有成煤沼泽发育; (2)高位体系域与扇三角洲进积充填作用有关的成煤模式, 形成于湖盆收缩阶段, 煤层分布在扇前湖盆边缘浅水地带, 远端扇充填了湖盆、使湖水变浅的部位沼泽化成煤, 可称为扇前成煤模式(图 10右)。同样在潮湿气候条件下, 湖盆收缩主要是因为沉积物来源增多, 其原因之一是源区的构造抬升, 剥蚀作用加剧。这个时期冲积扇向盆地中心进积作用逐渐加大, 湖盆被充填水域面积逐渐缩小, 冲积扇在盆地边缘横向连接成为冲积裙, 山麓堆积发育, 只有在湖盆边缘扇三角洲远端浅水部位有利于成煤沼泽发育。由于阜新盆地是一个狭长的断陷盆地, 在源区抬升与湖水面相对高差增大的情况下, 陆源碎屑供应丰富, 占据了沉积盆地的很大面积, 因此煤层发育受到限制。垂向剖面中高位体系域的煤层出现在叠置的向上变粗的小层序之上, 表明煤层形成于湖水变浅的过程中。高位体系域与扇三角洲有关的煤层分布反不如湖侵体系域的煤层稳定, 横向有时容易被扇三角洲分流河道相的粗碎屑沉积物所限制, 可能是断陷盆地独有的特征, 因为在大型拗陷成因的湖盆、特别是陆表海的沉积环境中, 三角洲的成煤模式往往可以找到分布面积相当广的有价值的煤层。

图10

Fig.10

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图10 阜新盆地沙海组三段湖侵体系域扇间成煤模式图(左)和高位体系域扇前成煤模式图(右)Fig.10 Inter-fan paludification coal-formation model in transgressive systems tract(left) and front fan coal-formation model in highstand systems tract(right) of the Member 3 of Shahai Formation in Fuxin Basin

总之, 沙海组三段成煤的沉积模式以湖侵体系域扇间洼地沼泽化为好, 在湖水面缓慢上升过程中成煤植物遗体被沼泽水覆盖, 非常有利于形成泥炭层, 当盆地基底下沉被埋藏后会转变成煤。高位体系域湖盆被扇带来的碎屑物充填, 滨浅湖沼泽化成煤也是成煤有利环境。但是沙三段高位体系域的煤无论厚度和分布范围都比湖侵体系域的煤小。

在野外观察的基础上, 结合岩心观察与描述、连井剖面分析以及测井曲线分析等手段, 对阜新盆地沙海组沉积环境和聚煤规律进行分析。经研究得出以下主要结论:

1)阜新盆地沙海组主要可识别出冲积扇— 扇三角洲沉积体系和湖泊沉积体系。

2)沙海组可分为3个三级层序, 每个层序进而又可分为湖侵体系域和高位体系域, 其中沙海组一段和二段为Sq1, 沙海组三段为Sq2, 沙海组四段为Sq3; 沙海组煤层主要分布在Sq2中。Sq2湖侵体系域的聚煤中心为清河门至伊玛图乡、东梁镇南和九道岭镇, Sq2高位体系域的聚煤中心为清河门镇和九道岭镇。

3)沙海组成煤的沉积模式为湖侵体系域扇间洼地沼泽化成煤和高位体系域扇三角洲前缘成煤。其中湖侵体系域扇间洼地沼泽化成煤模式要好于扇三角洲前缘成煤模式。