河南省境内晚古生代沉积区位于栾川至固始一线以北的中朝板块华北地块南部(图 1)。在中二叠世山西期, 受北部阴山华力西构造活动的影响, 华北地台北缘逐渐抬升, 整个华北地台北高南低的古地形格局更加明显, 早二叠世太原期形成的北升南降的构造格局是中二叠世山西组沉积前的主要构造格局, 华北地块南部构造古地理仍为北西高、南东低。随着秦岭造山带挤压作用的加剧, 秦岭— 大别地块沿商丹— 北淮阳带由点接触转入面接触碰撞阶段(陈世悦, 2000), 致使北秦岭和北淮阳构造带开始全面隆升。此时, 华北地块南部地区产生挤压坳陷, 沉积盆地逐渐由陆表海盆地向坳陷盆地转化。与此同时, 中朝板块(华北板块)北部的西伯利亚板块俯冲加剧, 板块北缘活动带形成的海西期兴蒙造山带继续隆升, 从而导致北部隆起、南部沉降, 河流三角洲体系大范围向华北地块的东南部不断推进, 海水向东南方向迅速退出, 海域范围退至开封至新郑一线, 形成北陆南海、南北水系相继向海域依次推进的相带展布特征。纵向上表现为早期海域广泛发育、晚期向陆相转变, 并且三角洲相等砂体逐渐大面积推进的演化规律(张鹏飞等, 2001)。

图1

Fig.1

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	图1 河南省中二叠统山西组研究区范围示意图(据郭熙年等, 1991, 修改)Fig.1 Sketch showing study area of the Middle Permian Shanxi Formation in Henan Province (modified from Guo Xinian et al., 1991)

河南省二叠纪地层分布在三门峡— 确山— 固始一线以北的广大地区, 区域上较稳定。豫西陕县、渑池、新安、济源以及宜阳、宝丰、鲁山、平顶山和嵩箕地区出露较多, 豫北安阳、鹤壁、焦作一带零星出露, 京广线以东平原地区多被覆盖。中二叠统山西组一般厚70~95, m, 南部边缘较薄, 一般为50~60, m, 而安阳、鹤壁及永城一带厚100, m左右, 为一套以滨海相、三角洲相为主的陆源碎屑含煤岩系, 是河南省晚古生代重要含煤地层; 岩性以中— 细粒砂岩、粉砂岩、砂质泥岩和泥岩夹有煤层或煤线组成, 常发育大型楔状、板状、槽状交错层理、平行层理、波状层理和脉状层理等(图2, 表1)。

图2

Fig.2

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	图2 河南省中二叠统山西组地层柱状图(化石引自张海清等, 2008)Fig.2 Stratigraphic column of the Middle Permian Shanxi Formation in Henan Province(fossils are from Zhang et al., 2008)

表1

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表1(Table1)

表1 河南省山西组露头和部分钻井剖面资料 Table1 Data of profile and some drilling wells of the Shanxi Formation in Henan Province 序号 剖面位置 厚度/m 砂泥比 序号 剖面位置 厚度/m 砂泥比 1 丘4井 137 / 20 登封新新 68 0.28 2 许家沟 85 0.90 21 密县平陌 90 0.42 3 安阳 92 1.40 22 登封蹬槽 90 0.52 4 豆马庄 85 0.92 23 登封白坪 104 / 5 元古1井 127 / 24 登封送表 115 0.69 6 濮深1井 106 / 25 汝州黄庄 97 0.43 7 新乡东陈召 104 0.47 26 禹县大风口 96 0.30 8 庆古1井 95 0.60 27 平顶山闹店 65 0.30 9 辉县薄壁 104 1.30 28 平顶山8矿 76 0.96 10 焦作恩村 95 0.58 29 确山吴桂桥 62 0.83 11 长3井 84 / 30 太参1井 50 / 12 济源邵源 75 1.60 31 太参2井 60 / 13 济源官洗沟 73 1.20 32 柘城南7井 100 0.28 14 克井 65 / 33 永城城郊 80 1.20 15 新安石寺 65 0.79 34 永城葛店 95 0.61 16 陕县观音堂 75 0.54 35 丰参1井 92 / 17 宜阳沈村 8 0.75 36 龙古3井 27 / 18 荥巩矿区 65 / 37 焦作古汉山 120 / 19 郑州三李 108 0.61

表1 河南省山西组露头和部分钻井剖面资料 Table1 Data of profile and some drilling wells of the Shanxi Formation in Henan Province

依据岩性组合和含煤性等特征, 河南省山西组基本上可划分为4个岩性组合段(图 2):

1)下部层段为二₁煤段。以褐色、灰黑色粉砂质泥岩, 局部夹灰黄色细粒岩屑石英砂岩及灰黑色泥岩和煤层为特征; 具脉状、透镜状层理; 含动、植物化石, 遗迹化石, 丰富的植物碎片及孢粉化石; 下部的二₁煤全省基本稳定, 是河南省主要开采煤层。

2)中部层段为大占砂岩段。由灰色砂岩及深灰— 灰黑色泥岩、砂质泥岩和煤层组成, 下部为灰白色、灰黄色中— 细粒岩屑石英砂岩和杂砂岩(俗称大占砂岩), 为二₁煤的直接或间接顶板(杜慧英和王家德, 1994), 成分以石英为主, 次为长石, 砂岩中含丰富的白云母碎片和炭屑, 有时可见含菱铁质结核及泥质包体, 局部相变为泥岩或砂质泥岩。大占砂岩的分选性中等, 磨圆度较差, 与下伏泥岩呈冲刷接触(陈书龙等, 1987), 发育高角度大型楔状、板状、槽状交错层理和平行层理, 底部有时含砾岩和粗粒砂岩, 向上粒度变细、厚度变薄。上部为泥岩和砂质泥岩, 具水平层理和波状层理, 含大量植物化石及碎片。

3)上部层段为香炭砂岩段。由灰色、深灰色泥岩、砂质泥岩和中— 细粒砂岩组成, 其中浅灰色— 深灰色中、细粒长石石英砂岩俗称香炭砂岩, 厚6~31, m, 平均8, m, 砂岩颗粒呈圆状、次圆状和棱角状, 分选中等, 胶结物以硅质为主, 部分为钙质。其中夹有薄层的细粒砂岩、砂质泥岩、泥岩和1~4层薄煤层(俗称香炭煤, 产于香炭砂岩之下), 局部夹粗粒砂岩。本段含丰富的植物化石, 底部常见粗大植物茎杆和泥砾等。香炭砂岩在嵩箕地区较稳定, 在豫北和豫东地区不甚发育, 多为泥岩或砂质泥岩所取代。

4)顶部层段为小紫泥岩段。由灰色、灰黄色、灰绿色泥岩、紫斑泥岩和粉砂质泥岩组成, 具紫斑及菱铁质鲕粒, 硅质胶结。与香炭砂岩的分布相同, 小紫泥岩在嵩箕地区也比较发育。

山西组底界置于太原组最上部一层灰岩或含腕足类化石的黑色海相泥岩或硅质泥岩之顶, 其顶界位于下石盒子组底部的中— 粗粒长石石英砂岩(砂锅窑砂岩)之底, 与上、下岩层均为整合接触关系(郭熙年等, 1991; 杜慧英和王家德, 1994)。

山西组中所含海相动物化石稀少, 仅在新郑、登封和禹县等地发现少量腕足类和双壳类动物化石。河南省煤田地质公司在登封李沟4201孔的山西组下部采到腕足类碎片, 在新郑矿区山西组大占砂岩中采到Neochonetes sabstrophomenoides, 山西组普遍赋存Lingula(郭熙年等, 1991)。双壳类在河南省境内二叠纪含煤地层中自下而上均有分布, 但过去研究程度较低。马庆元(1987)在禹县梁北山西组下部采集到了Palaeoneilo sp., 属于海相双壳类。植物化石在河南省大部分地区都很丰富, 据前人研究(郭熙年等, 1991; 杨关秀, 2006; 张海清等, 2008), 山西组的植物化石组合属于Emplectopteris triangularis-Emplectopteridium alatum-Cathaysiopteris whitei 组合带。该组合带分布在济源、新安、宜阳、巩义、登封、禹州等地, 计有43属109种, 其组合面貌以真蕨和种子蕨为主体, 次为节蕨植物(楔叶纲), 两者占52%, 石松纲仍发育, 少量苏铁分子开始出现, 蕨类植物和裸子植物的比例大致相近, 最突出的是大羽羊齿类和瓣轮叶开始出现分化。该组合带主要化石有石松纲的Lepidodendron polygonale, L.oculus-felis, Stigmaria fecoides, 楔叶纲的Sphenophyllum oblongifolium, S.verticallatum, S.rotundatus, S.minor, S.thonii, Annularia stellata, A.mucronata, Lobatannularia lingulata, L.sinensis; 飘叶目的Plagiozamites oblongifolius, Tingia carbonica, T.hamaguchii; 真蕨和种子蕨类的Sphenopteris tenuis, Pecopteris cardolleana, P.wongi, P.arcuata, P.orientalis, P.taiyuanensis, Fascipteris stena, Cladophlebis manchurica, Alethopteris norinii, A.ascedens, Protoblochnum wongi, Emplectopteris triangularis, Emplectopteridium alatum, Callipteridium koraiense, C.tachingshanense, Cathaysiopteris whitei, Progigantonoclea henanensis, Taeniopteris mucronata, T.serrulata, Odontopteris subcrenulata; 科达纲的Cordaites principalis及苏铁类植物Cathaysiocycas rectanervis和Procycas densinervis等。大部分都是该植物化石组合带的重要组成分子, 时代可归于中二叠世早期(栖霞期, 即Kungurian-Roadian期)(杨关秀, 2006)。

对于山西组的时代归属问题, 根据杨关秀(2006)根据植物化石组合特征的划分方案和河南省地质博物馆在2006年以来对河南省石炭、二叠纪地层提出的划分方案, 将山西组归为中二叠统(张海清等, 2008)。

山西期为二叠纪沉积环境变迁的重要转折时期, 也是从陆表海向三角洲环境过渡的时期。从山西组纵向沉积序列来看, 早期以潮坪、障壁岛、海湾和潟湖相沉积为主, 西部及西北地区为三角洲, 潮坪及三角洲间湾地区出现广泛的沼泽环境; 中晚期主要为三角洲、海湾— 潟湖及障壁岛沉积, 沼泽环境多见于三角洲分流间湾地区。

通过对已知的各露头和剖面资料的沉积组合类型分布特征的分析, 并结合地层厚度等值线、砂泥比等值线和指相化石分布特征等多因素综合分析, 勾绘出河南省中二叠世山西期岩相古地理图(图 7)。如图7所示, 研究区岩相古地理具有明显的分布格局, 西北部新安— 洛阳— 济源— 焦作— 安阳一带主要为三角洲沉积环境, 其余地区为障壁岛— 潟湖— 潮坪间或三角洲复合沉积分布区。研究区中部和东南部为障壁岛— 潟湖沉积区, 潟湖较广泛分布于研究区的东部和东南部地区。以上沉积环境的分布格局, 反映了该时期古地形呈北西高、南东低的趋势, 三角洲由北西向南东方向进积, 主要物源来自于西北部的古地理面貌。在单因素和多因素综合分析的基础上, 可以将研究区山西组在平面上划分出3种类型的岩相区(图 7)。

图7

Fig.7

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	图7 河南省中二叠世山西期岩相古地理图Fig.7 Lithofacies palaeogeography of the Middle Permian Shanxi Age in Henan Province

相区Ⅰ 为三角洲泥岩、砂岩相区, 主要分布在研究区西北部新安— 洛阳— 济源— 焦作— 安阳一带, 如安阳— 鹤壁、焦作— 巩义— 新郑、济源下冶— 洛阳— 偃师等地区均发育三角洲沉积体系, 以砂岩、砂质泥岩、泥岩和煤为主。

相区Ⅱ 为海湾(潟湖)— 潮坪粉砂岩、泥岩相区, 主要分布在研究区西部的三门峡— 宜阳— 汝州— 鲁山一带和中部的登封— 新密— 郑州— 开封一带至东北部的新乡— 鹤壁— 濮阳一带。以粉砂岩、泥岩和煤为主, 夹薄层砂岩。

相区Ⅲ 为障壁岛— 潮坪— 潟湖(海湾)砂岩、泥岩相区, 主要分布在平顶山— 许昌— 开封— 长垣一线以南以东地区, 分布面积较大, 多为障壁岛沉积体系, 以砂岩、泥岩和煤为主, 相区的分布特征显示:西北部地区以三角洲沉积为主, 砂/泥比值为0.7~1.5, 以0.7的等值线为三角洲相区的分界线; 豫西地区、豫中、豫东北地区以海湾(潟湖)和潮坪沉积为主, 砂泥比不超过0.7, 腕足类和双壳类半咸水化石也集中在这个相区, 综合考虑, 以0.6的等值线作为该相区与障壁岛— 海湾(海湾)— 潮坪相区的分界线; 豫中南和豫东地区为障壁岛、潟湖和潮坪沉积为主, 砂泥比为0.4~1.1。相区分带由西北向东南呈三带型分布, 即三角洲相区→ 海湾(潟湖)— 潮坪相区→ 障壁岛— 海湾(潟湖)— 潮坪相区。根据对河南省山西组成煤环境分析, 三角洲相区靠海湾一侧和潮坪相区范围内, 是寻找新煤田的理想远景预测区。

1)河南省中二叠统山西组沉积区位于华北盆地南部北秦岭褶皱带栾川— 固始深断裂以北地区, 当时的沉积受华北地块南部北西高、南东低的构造格局的影响, 主要为陆表海向三角洲过渡的沉积, 区内发育了一套以滨海相、三角洲相为主的陆源碎屑含煤岩系。

2)对研究区典型地质剖面进行了沉积特征、沉积类型和沉积相的分析, 共总结出10种沉积组合类型。

3)采用冯增昭教授倡导的单因素分析法、多因素综合编制岩相古地理图的方法及原则, 绘制了地层厚度、砂泥比等值线图和指相化石的分布图, 在此基础上, 结合沉积组合类型的分布特征, 编制了河南省中二叠世山西期岩相古地理图, 划分出3种岩相区, 包括三角洲泥岩、砂岩相区、海湾(潟湖)— 潮坪粉砂岩、泥岩相区和障壁岛— 潮坪— 潟湖(海湾)砂岩、泥岩相区。

4)山西组沉积期的古地理特征表现为:豫西南为伏牛古陆, 豫西三门峡— 济源一线以北为中条古陆, 总体地势呈北西高, 南东低; 海水由北西向南东方向退去; 物源主要来自盆地西侧的中条古陆; 最大厚度沉积区位于东北部及东部。

值得提出的是, 山西组沉积期盆地西缘和西南缘的边界问题, 由于栾川— 固始深断裂的出现, 实际上现在采用的编图边界不是原始沉积盆地边界, 恢复原型盆地的沉积边界还有待今后做进一步深入细致的研究工作。