郭立君, 洪愿进, 邵龙义, 易同生, 张卫平, 汪浩. (2011)黔西织纳煤田上二叠统层序地层及聚煤作用* [J]. 古地理学报, 13(5): 493-500
Guo Lijun, Hong Yuanjin, Shao Longyi, Yi Tongsheng, Zhang Weiping, Wang Hao. (2011)Sequence stratigraphy and coal accumulation of the Upper Permian in Zhijin-Nayong Coalfield of western Guizhou Province[J]. Journal Of Palaeogeography, 13(5): 493-500. DOI:  
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黔西织纳煤田上二叠统层序地层及聚煤作用*
郭立君1,2, 洪愿进3, 邵龙义2, 易同生3, 张卫平3, 汪浩2
1 天津市地质调查研究院,天津 300191
2 中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院,北京 100083
3 贵州煤田地质局,贵州贵阳 553009

第一作者简介：郭立君,男,1985年生,2010年毕业于中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院,并获得硕士学位,现在天津市地质调查研究院工作,主要从事地质找矿的相关工作和研究。E-mail:276692450@qq.com。

通讯作者简介：邵龙义,男,现为中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院教授。电子邮箱:ShaoL@cumtb.edu.cn。

收稿日期:2010-10-18
基金:国家自然科学基金项目(编号:41030213)及国土资源大调查项目(编号:1212010633901)共同资助
摘要

贵州西部织(织金)纳(纳雍)煤田以发育海陆过渡相含煤岩系而成为研究西南地区晚二叠世沉积相及层序地层的理想地区。作者对该煤田上二叠统含煤岩系(龙潭组和长兴组)进行了高分辨率层序地层分析,并探讨了层序地层格架下煤层厚度的变化规律。以区域不整合面以及下切谷砂体底部冲刷面等为层序界面,结合石灰岩标志层向古陆方向延伸距离而显示的旋回性特征,将该煤田上二叠统含煤岩系划分为 3个三级层序。其中层序 Ⅲ中煤层最厚,层序 Ⅰ中煤层最薄;同一个层序中,又以海侵体系域煤层最厚,低位体系域煤层最薄。在建立黔西织纳煤田层序地层格架的基础上,指出厚煤层主要发育于海侵体系域的三角洲平原环境。

关键词: 织纳煤田; 上二叠统; 层序地层; 聚煤作用
中图分类号:P618.11 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2011)05-0493-08
Sequence stratigraphy and coal accumulation of the Upper Permian in Zhijin-Nayong Coalfield of western Guizhou Province
Guo Lijun1,2, Hong Yuanjin3, Shao Longyi2, Yi Tongsheng3, Zhang Weiping3, Wang Hao2
1 Tianjin Institute of Geological Survey,Tianjin 300191
2 School of Geoscience and Survey Engineering,China University of Mining and Technology(Beijing),Beijing 100083
3 Guizhou Administration of Coal Geology,Guiyang 553009,Guizhou;

About the first author：Guo Lijun,born in 1985,has obtained his master’s degree from China University of Mining and Technology(Beijing)in 2010,and now he is working in Tianjin Institute of Geological Survey.He is mainly engaged in geological prospecting.E-mail:276692450@qq.com.

About the corresponding author：Shao Longyi is a professor of School of Geoscience and Surveying Engineering,China University of Mining and Technology(Beijing).E-mail:ShaoL@cumtb.edu.cn.

Abstract

The Zhijin-Nayong Coalfield in western Guizhou Province is well developed with marine-continental transitional facies and limestone markers,and thus became an ideal area for studying the Late Permian sedimentary facies and sequence stratigraphy in southwestern China.This paper has analyzed the high resolution sequence stratigraphy of the Late Permian coal seams(the Longtan and Changxing Formations).The coal-accumulating characteristics in the sequence stratigraphic framework have been discussed.Sequence boundaries represented by regional unconformity,incised valley filling sandstone base,and the palaeosol horizons have been identified.Combined with the transgression-regression cycles inferred by the distribution patterns of the limestone markers,the coal seams are subdivided into 3 third-order sequences.The total coal seams are is thicker in sequence Ⅲ and thinner in sequence Ⅱ,with the thinnest in sequence Ⅰ.Within the sequence,the thickest coals were developed in the transgressive systems tract and the thinnest coals were preserved in the lowstand systems tract.Based on reconstruction of the Late Permian sequence stratigraphic framework,we propose that the thick coal seams were developed in the delta plain environments of the transgressive systems tract.

Key words: Zhijin-Nayong Coalfield; Upper Permian; sequence stratigraphy; coal accumulation

层序地层学在近海盆地含煤岩系中得到了广泛应用(Bohacs and Suter, 1997; Diessel et al., 2000; Holz et al., 2002)。大量对近海型含煤岩系的研究表明:以冲积相和三角洲相为主的厚煤层常常与最大海泛面相关(Cross, 1988; Hamilton and Tadros, 1994; Flint et al., 1995; Aitken and Flint, 1995; 邵龙义等, 2008), 因为在最大海泛面附近, 快速的可容空间产生速率与快速的泥炭堆积速率相平衡。但是近年来, 人们对海相碳酸盐岩煤系的研究发现:在快速沉降的背景下, 一些很厚的和广泛分布的煤层也可出现于海侵面附近。因此, 厚煤层在层序地层格架中的分布模式还有待于进一步探讨。此外, 在层序划分时, 人们会以下切谷底面的暴露间断面沉积旋回等进行层序格架建立, 某些含煤地层中的海相沉积与煤层、泥质岩、碎屑岩呈薄层交互出现, 是高分辨率层序和高频层序划分的重要基础(李增学等, 2001)。而在海陆过渡相地层中, 代表海相环境的石灰岩标志层比较发育, 这些石灰岩标志层可以从海侵范围大小的角度为层序分析提供新思路(邵龙义等, 1993)。

图1 贵州省织纳煤田地理位置Fig.1 Location of Zhijin-Nayong Coalfield in Guizhou Province

分布于贵州省贵阳以西的晚二叠世含煤岩系主要由碎屑岩夹石灰岩组成, 属海陆过渡相沉积, 该区也是西南煤炭资源最丰富的地区(邵龙义等, 1993)。本次研究主要对织(金)纳(雍)地区进行了层序地层以及聚煤作用方面的研究, 由于该地区海相标志层比较发育, 沉积旋回明显, 所以对其进行层序地层的研究有很大意义。文中在分析前人在该区层序地层研究成果的基础上(邵龙义等, 1993; 龚绍礼和张春晓, 1999; 王成善等, 1999; 郝黎明, 2000; 梅冥相等, 2004), 进一步提出织纳地区层序地层划分新方案, 并分析其对聚煤规律的控制作用。

1 区域地质背景及岩石地层格架织纳煤田位于贵州省中西部(图 1)。

织纳煤田上二叠统包括峨眉山玄武岩组、龙潭组(宣威组中、下段或吴家坪组)和长兴组(汪家寨组及宣威组上段), 龙潭组又分为上、下两段(宣威组中、下段及吴家坪组上、下段), 云贵地区岩石地层划分对比见表1。龙潭组和长兴组岩性以细砂岩、粉砂岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、石灰岩及硅质岩为主, 含多层可采煤层(图 2)。

表1 中国西南地区晚二叠世地层简表 Table1 Stratigraphic of the Late Permian in southwestern China

织纳地区为黔西海相石灰岩标志层及煤层都比较发育的地区, 也是典型的海陆过渡相龙潭组和长兴组发育地区(邵龙义等, 1993)。研究区晚二叠世过渡相区沉积特征受到来自西侧的陆源河流及来自东侧和东南侧广海方向的海岸潮汐作用双重因素的影响, 自西向东受海水的影响逐渐增大, 其沉积环境自西向东依次为三角洲— 潮坪沉积体系、潟湖— 潮坪沉积体系及碳酸盐岩台地体系(邵龙义等, 1998; 罗忠等, 2008)。

图2 织纳煤田珠藏剖面上二叠统含煤岩系沉积环境与层序地层柱状图Fig.2 Column section showing sedimentary environments and sequence stratigraphy of the Upper Permian coal seams in Zhuzang profile of Zhijin-Nayong Coalfield

2 层序关键界面的识别层序地层关键界面指层序界面、海侵面和最大海泛面等, 其对于层序划分有极其重要的意义。
2.1 层序界面的识别

a 区域不整合面。古构造运动形成的不整合面是典型的层序界面。上二叠统龙潭组与下伏峨眉山玄武岩组之间(图 3-a)、以及龙潭组与中二叠统茅口组之间的区域性不整合面(图 3-b)是全区普遍发育且易于识别的层序界面。二叠系— 三叠系之间的事件地层界面亦是典型的层序界面。

图3 织纳煤田晚二叠世以区域不整合面为代表的层序界面（a— 龙潭组(P3l)与峨眉山玄武岩组(P3β )之间的不整合面; b— 龙潭组与茅口组(P2m)之间的不整合面; SB— 层序界面）Fig.3 Sequence boundary represented by regional unconformity in the Late Permian of Zhijin-Nayong Coalfield

b 下切谷砂体底部冲刷面。研究区三级层序边界常以发育低位河流下切谷砂体为特征, 且多具有多重叠置结构, 厚度较大, 不是由单一的砂体组成, 该砂体底部冲刷面可视为层序界面(图 4)。

图4 织纳煤田上二叠统含煤地层以下切谷砂体底部冲刷面为代表的层序界面（SB— 层序界面; HST— 高位体系域; LST— 低位体系域; TS— 海侵面; TST— 海侵体系域）Fig.4 Sequence boundary represented by scouring surface at the base of incised valley sandstone of the Upper Permian coal seams in Zhijin-Nayong Coalfield

2.2 初始海泛面的识别

主要是在一个层序中发育于下切谷充填沉积的砂体之上的第1个海泛面, 经常是薄煤层或灰色泥岩等, 这些薄煤层和泥岩常常共生有古土壤层(龚绍礼和张春晓, 1999)。在该区, 初始海泛面位于河道砂岩之上覆盖的煤层或泥岩的底面。

2.3 最大海泛面的识别

一个层序中代表海侵范围最大的一个面, 也是反映当时水体最深的岩石单元的底面(Aitken and Flint, 1995)。研究区的海相石灰岩标志层最为发育, 其中向古陆方向延伸最远的1层石灰岩的底面可作为最大海泛面。在织纳地区, 其底面分别是向古陆延伸最远的3层石灰岩(邵龙义等, 1993)。

3 层序划分与横向展布

根据以上层序界面识别原则, 研究区晚二叠世含煤岩系共识别出4个层序界面, 划分为3个三级层序及9个体系域(图 2), 为说明织纳地区层序地层横向展布特征, 绘制了一条东西向的层序连井对比图(图 5), 下面对含煤岩系三级层序以及其中的体系域特征进行分析。

1)层序Ⅰ :该层序包括的地层从峨眉山玄武岩组玄武岩顶界到C29号煤层顶面。层序底界为一区域性不整合面。该层序发育低位、海侵和高位体系域, 局部地区缺失低位体系域。

低位体系域:以覆盖于峨眉山玄武岩组之上的凝灰岩和铝土质泥岩为代表。凝灰岩呈紫红色, 为古风化残积层; 铝土质泥岩呈浅灰色, 是龙潭早期风化残余物在潟湖环境堆积而成的, 发育于初期古风化面上的低洼地带。该体系域不发育煤层。

海侵体系域:底部以C35煤层底古土壤层(根土岩)顶面为界, 顶部以K12石灰岩标志层底为界。岩性为砾岩、细砂岩、粉砂岩及石灰岩, 含C35、C34(C34-1和C34-2)及C33煤层。砂岩中见低角度板状交错层理及槽状交错层理, 石灰岩中见海相动物化石。主要沉积相为潮坪、潟湖及泥炭沼泽。体系域底部发育了龙潭组最底部的C35煤, 该煤层厚度小, 连续性差。最底部煤层形成以后, 随后的海侵形成了K13石灰岩标志层, 并局部形成薄煤层, 之后海侵持续加大, 直到K12石灰岩标志层形成之前。此时, 海侵体系域结束。

高位体系域:底部以K12石灰岩(或其相当层位)下伏的C33煤层底板为界, 该位置发育煤层底板的古土壤层, 层序顶部以C29煤层顶面为界。岩性包括细砂岩、粉砂岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩和石灰岩, 含C32、C31及C30煤层。主要沉积相为潮坪及泥炭沼泽。K12石灰岩标志层代表该区较大的一次海侵。代表该层序的最大海泛面沉积, 之后局部地区发育K11石灰岩标志层, 随后, 海平面上升速率减小, 沉积物堆积速率增大, 发生区域性海退, 形成了以潮坪为主的环境, 且潮道比较发育, 形成了发育砂泥薄互层层理的细砂岩和粉砂岩及煤层交替的沉积, 聚煤作用发生于由潮坪演化而来的泥炭沼泽中, 所形成的C29煤层厚度较大, 连续性好。

2)层序Ⅱ :由龙潭组下段上部和龙潭组上段下部组成, 底部以C29煤层顶面为界, 顶部以C16煤层顶面为界。层序底界处发育厚层河道砂体, 是典型的下切谷充填沉积。该层序普遍发育低位、海侵和高位体系域。

图5 织纳煤田上二叠统东西向层序地层对比剖面Fig.5 Cross section from west to east showing sequence stratigraphic correlation of the Upper Permian in Zhijin-Nayong Coalfield

低位体系域:底部以C29煤层顶面为界, 顶部以C27煤层底面为界。厚层细砂岩中发育大型交错层理, 夹薄层潮坪相具沙纹层理的粉砂岩, 沉积相在研究区中西部主要为河道或分流河道, 表明下切谷在该区发育, 是低位体系域发育的标志。该体系域基本不发育煤层, 仅个别地区发育煤线。

海侵体系域:底部以C27煤层底面为界, 顶部以K7-1石灰岩(K7上或其相当层位)底面为界。岩性包括细砂岩、粉砂岩、泥质粉砂岩、泥岩、碳质泥岩、石灰岩和煤。研究区西部老鹰山、化乐、纳雍坐拱地区主要发育下三角洲平原相, 沉积类型为分流河道、分流间湾和泥炭沼泽, 分流河道主要是细砂岩夹薄层粉砂岩, 分流间湾主要为泥岩, 其中夹薄层状菱铁矿, 泥炭沼泽主要为根土岩和煤。中部三坝、织金岩背后、牛场地区主要发育潮坪和潟湖相, 潮坪沉积类型包括分流潮汐水道、潮汐砂坝和泥炭沼泽, 分流潮汐水道主要为细粒岩屑砂岩, 发育板状交错层理和大型青鱼骨刺状双向交错层理, 潮汐砂坝主要为细粒岩屑砂岩, 发育典型的砂纹层理及脉状层理; 潟湖岩相为泥岩、粉砂质泥岩以及泥质粉砂岩, 发育水平层理和砂泥薄互层沙纹层理, 东部新店西地区主要发育碎屑泥质潮下相, 岩性以泥质粉砂岩和粉砂岩为主, 夹细砂岩及薄层灰岩。该体系域发育时期的煤层厚度大且连续性好, 是有利的成煤期。

高位体系域:底部以K7-1石灰岩(K7上或其相当层位)底部为界, 顶部以C16煤层顶面为界。岩性包括细砂岩、粉砂岩、泥质粉砂岩、泥岩、石灰岩、硅质岩和煤。研究区西部老鹰山、化乐和纳雍坐拱地区沉积相为下三角洲平原, 主要发育分流河道、分流间湾和泥炭沼泽沉积, 中部三坝、织金岩背后、牛场地区发育潮坪、潟湖相, 包括分流潮汐水道、潮汐砂坝和泥炭沼泽等沉积类型。新店西地区发育碎屑泥质潮下相。高位体系域发育的沉积相与海侵体系域基本一样, 只是横向上向古陆迁移。该体系域煤层厚度大, 连续性好。

3)层序Ⅲ :由龙潭组上段上部和长兴组组成。底部以C16煤层顶面为界, 顶部以二叠系与三叠系分界为界。层序顶界为区域性不整合面。该层序普遍发育低位、海侵和高位体系域。

低位体系域:底部以C16煤层顶面为界, 顶部以C14-2煤层底面为界。一般发育1层厚的砂体, 为分流河道沉积类型。局部发育薄煤层, 连续性差。

海侵体系域:底部以C14-2煤层底面为界, 顶部以K3-2石灰岩(K3下或其相当层位)底面为界。岩性包括细砂岩、粉砂岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、泥岩、碳质泥岩、石灰岩和煤。西部老鹰山、化乐和纳雍坐拱地区发育下三角洲平原相, 沉积类型有分流河道、分流间湾和泥炭沼泽, 中部三坝、织金岩背后地区发育潮坪— 潟湖相, 沉积类型有分流潮汐水道、分流间湾和泥炭沼泽沉积, 中部的牛场地区和东部的新店西地区发育碎屑泥质潮下相。该体系域发育多层厚煤层, 连续性好。

高位体系域:底部以K3-2(K3下或其相当层位)底面为界, 顶部以二叠系与三叠系分界为界。岩性包括细砂岩、钙质细砂岩、粉砂岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、泥岩、碳质泥岩、石灰岩和煤。总体上以石灰岩和泥岩等细粒沉积为主。西部老鹰山、化乐和纳雍坐拱地区发育下三角洲平原相, 沉积类型有分流河道、分流间湾和泥炭沼泽沉积, 中部三坝、织金岩背后地区发育潮坪— 潟湖相, 沉积类型有分流潮汐水道、分流间湾和泥炭沼泽沉积, 牛场地区发育碎屑泥质潮下相, 东部新店西地区发育局限台地相。该体系域西部发育多层煤, 中、东部基本不发育煤层, 整体连续性较差。

4 层序格架下聚煤作用

分析从各个层序煤层平均厚度来看(表 2), 层序Ⅰ 煤厚5.493 m, 层序Ⅱ 煤厚7.437 m, 层序Ⅲ 煤厚14.074 m, 可以看出层序Ⅲ 聚煤作用最好, 层序Ⅱ 次之, 层序Ⅰ 最差。从层序Ⅲ 各个体系域中煤层平均厚度来看, 高位体系域煤厚3.299 m, 海侵体系域煤厚5.205 m, 低位体系域煤厚0.523 m, 可以看出海侵体系域聚煤最好, 高位体系域次之, 低位体系域最差。此外纵观3个层序煤层总厚度, 老鹰山CKI-1煤层共厚36.76 m, 化乐32-2煤厚39.04 m, 坐拱19-3煤厚34.6 m, 三坝井田煤厚22.03 m, 岩背后煤厚23.4 m, 牛场K8煤厚23.25, m, 新店西302煤厚9.95 m。可以看出, 研究区西部老鹰山、化乐和坐拱地区煤层发育都非常好, 中部三坝、岩背后和牛场地区次之, 东部新店西地区最差。原因在于晚二叠世织纳煤田沉积相带的分布特征为:西部地区发育过渡带三角洲平原相, 中部地区发育潮控下三角洲平原以及潮坪— 潟湖相, 东部地区发育碳酸盐岩台地相。研究区属于典型的海陆过渡环境, 由西到东受海水作用影响逐渐增强, 聚煤作用强度逐渐减弱。

表2 织纳煤田晚二叠世层序格架中煤层分布一览表 Table2 Distribution of coal seam in the Late Permian sequence stratigraphic framework in Zhijin-Nayong Coalfield

煤层的形成是植物碎屑供应充足、稳定, 泥炭持续堆积的结果(Stach et al., 1982)。在这个过程中, 由海平面上升导致的区域潜水面上升而提供的较好的可容空间是最重要的因素之一。只有当可容空间的整体增长速率和泥炭堆积速率相当或稍快时, 泥炭才能持续堆积, 从而形成较厚的煤层(Shao et al., 1999)。研究区晚二叠世沉积环境以三角洲、潮坪— 潟湖沉积为主, 在这种环境中, 泥炭的堆积速率较慢, 只有在初始海泛面时, 海平面上升速度较小, 泥炭不至于被淹没, 从而为泥炭提供了合适的聚集、储存空间, 形成广泛分布的厚煤层。因此, 研究区海侵体系域煤层厚度最大, 高位体系域次之, 而低位体系域没有可供泥炭堆积的可容空间, 是最不利于成煤的层段。

5 结论

1)织纳煤田上二叠统含煤岩系主要发育区域性构造不整合面、下切谷河流冲刷面两种层序界面类型。共识别出4个层序界面, 3个三级层序。三级层序中进一步划分出低位、海侵和高位体系域。

2)在织纳煤田上二叠统含煤岩系中, 煤层厚度变化明显受沉积环境和层序地层格架控制:研究区自西向东依次发育三角洲平原相、潮坪、潟湖相和碳酸盐岩台地相, 煤层厚度依次减小; 3个三级层序中, 层序Ⅲ 煤层发育最厚, 层序Ⅱ 次之, 层序Ⅰ 最薄; 三级层序中, 低位体系域不发育煤层或发育孤立的、连续性差的薄煤层, 海侵和高位体系域发育连续的厚煤层, 其中海侵体系域煤层更厚。

(责任编辑 王 媛)

作者声明没有竞争性利益冲突.

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