第一作者简介 王东东,男,1983年生,中国矿业大学(北京)博士研究生,主要从事煤沉积学和层序地层学研究。E-mail:wdd02_1@163.com。
在系统收集陕北地区中侏罗统延安组野外露头、钻井、测井、古生物等资料的基础上,对延安组沉积期的沉积环境及其层序地层格架进行分析,并恢复了各层序沉积期的岩相古地理格局。将延安组划分为 3个三级层序,分层序绘制了关键单因素的等值线图,恢复了各层序沉积期的岩相古地理格局。层序 Ⅰ沉积早期主要为河流沉积;随着盆地沉降的加剧,中部地区逐渐变为湖泊沉积,东北部河流沉积演变为三角洲沉积;层序 Ⅱ沉积时期基本继承了层序 Ⅰ晚期的沉积格局,古地理格局相对较稳定;层序 Ⅲ沉积期,盆地基底不断抬升,湖泊逐渐萎缩成局限湖,河流沉积、三角洲沉积分别在研究区中部、东北部大规模发育。
About the first author Wang Dongdong,born in 1983, a Ph.D.candidate of China University of Mining & Technology(Beijing),is mainly engaged in coal sedimentology and sequence stratigraphy.
This paper systematically collected some basic data including outcrops, wells,loggings,paleontological data, etc. Based on those data,the sedimentary environments and sequence stratigraphic framework of the Middle Jurassic Yan'an Formation were analyzed,and the lithofacies palaeogeography map of each sequence was drawn.In this paper,the Yan'an Formation can be divided into 3 third-order sequences and taken as the drawing unit.Based on this,some key single factors isoline maps were drawn.By analyzing all the single factors synthetically,the lithofacies palaeogeographic maps of each sequence were reconstructed.During the early depositional period of the sequence Ⅰ,the fluvial deposits were developed.Then,the basin sedimentation aggravated,the deposits of the basin center gradually changed into lacustrine deposits. The sedimentary framework of the sequence II basically inherited that of the late period of sequence Ⅰ,and the palaeogeographic patterns were relatively stable.During the depositional period of sequence Ⅲ,the basin basement continuously lifted,the lake gradually changed into limited lake,and the fluvial and the delta deposits were mainly developed in the middle and northeastern area of the study area respectively.
随着层序地层学研究的不断深入, 其应用领域也不断扩展, 尤其在能源地质勘探中发挥了越来越重要的作用。层序地层学突出的优点是其界面的等时性和地质体的成因连续性。将层序地层学的理论引入煤田地质勘探中, 结合“ 单因素分析多因素综合作图” 的定量岩相古地理作图方法(冯增昭, 2004), 以三级层序为单元恢复岩相古地理, 既保证了古地理单元的等时性, 又保证了地质体成因的连续性(田景春等, 2004), 加之定量的古地理作图方法, 势必能够更准确、更精细地恢复含煤盆地沉积期的古地理格局和演化, 对煤田地质勘探具有重要指导意义。
陕北地区位于鄂尔多斯盆地中部(图 1), 在侏罗纪地层沉积之前的晚三叠世发生了大规模的印支期构造运动, 造成三叠纪地层的强烈剥蚀。之后, 早侏罗世富县组沉积于该剥蚀面之上, 对凹凸不平的剥蚀界面起到了一定的“ 填平补齐” 作用。由于富县组沉积范围有限, 延安组沉积在富县组或晚三叠世延长组之上。延安组沉积时期经历了一个完整的拗陷湖盆发育过程, 经历了湖盆的初始沉降到稳定沉积一直到最后的萎缩充填阶段。延安组沉积末期, 燕山运动第Ⅰ 幕使得盆地东部、南部剧烈抬升, 延安组遭受了强烈的剥蚀(王双明, 1996)。燕山运动Ⅰ 幕之后, 直罗组沉积于延安组之上, 也对延安组造成较大程度的剥蚀。陕西省现存延安组分布在渭河以北、神木— 延安— 耀县— 陇县一线以西的地区, 以陕北地区地层保存最好。
对于鄂尔多斯盆地延安组的沉积环境, 许多学者进行过研究(王双明, 1996; 王双明和张玉平, 1999; 张泓等, 1995, 1998; 时志强等, 2003; 李增学等, 2006; 白卫卫, 2007; 陈洪德等, 2007; 梁积伟, 2007; 何善斌等, 2008; 赵俊峰等, 2008; 杨磊, 2008; 王东东等, 2011)。
陕北地区在延安组一段沉积早中期, 主要发育曲流河沉积; 延安组一段晚期到延安组四段晚期, 研究区主要发育三角洲沉积和湖泊沉积; 延安组五段沉积期再次以曲流河沉积为主(图 2)。
延安组沉积早、晚期, 河流沉积几乎遍布整个研究区; 沉积中期以三角洲、湖泊相为主, 三角洲主要发育在北部榆林— 神木— 府谷地区和西北部靖边— 定边— 志丹地区, 湖泊主要发育在南部的延安— 安塞一带。
鄂尔多斯盆地延安组的层序地层特征, 也有专家学者进行过研究(李思田, 1992; 李宝芳和李祯, 1995; 王双明, 1996; 赵俊兴等, 2003, 2007; 付国民等, 2005; 梁积伟, 2007; 陈洪德等, 2007; 王东东等, 2011)。通过钻孔资料进行层序地层划分与对比发现, 延一段底部的宝塔山砂岩、延三段中下部的裴庄砂岩、延五段底部真武洞砂岩和直罗组底部的直罗砂岩层位稳定、厚度较大且对下伏地层造成明显冲刷, 4套砂岩间不存在更明显的冲刷界面, 代表了4期较大规模的阶段性湖退、河流大规模进积的过程。据此, 可将延安组划分为3个三级层序, 各层序的3个体系域均发育较完整, 但东部和东北部地区遭受不同程度的剥蚀。
岩相古地理研究主要是在详细分析单井和连井剖面图沉积环境的基础上, 统计出各种能反映沉积环境的参数, 作出能独立反映沉积环境特征的单因素图, 再通过各单因素图的叠加和综合判断, 最终编制出岩相古地理图(冯增昭, 2004)。
本次研究筛选、统计了百余口钻井(剖面)中能够反映古地理面貌的多种参数, 包括地层厚度和砂岩总厚度、砂泥岩比值, 并给出了关键钻井(剖面)的单因素数值。在此基础上, 绘制相应的单因素等值线图, 从不同角度反映了不同的古地理信息。研究区为陆相湖盆沉积, 几乎不发育碳酸盐岩, 且钻孔资料点较多且分布均匀, 资料点对古地理单元的控制程度较高, 特别是砂泥岩比值等值线反映的古地理意义最为直接。本次作图以三级层序为作图单元, 保证了作图地层单元的等时性和成因的连续性(田景春等, 2004)。
古地理单元边界的确定需要综合考虑沉积相、古生物、单因素特征等。沉积相分析最可靠的依据即为沉积构造, 研究区的野外和钻井剖面的沉积构造较丰富, 如河道砂岩底部的冲刷面和大型槽状、板状交错层理, 曲流河的二元结构, 三角洲前缘河口坝、滩坝、砂坝砂岩的底部渐变接触和逆粒序、湖湾的前积沙纹层理, 湖相暗色泥岩的块状层理等等, 都可以作为确定沉积相的标志。此外, 地层中的动植物化石也是指示环境的重要标志, 特别是双壳类化石组合, 如ferganoconcha-sibireconcha组合反映开阔湖环境、margaritifera组合反映前三角洲(或三角洲间湾)环境、unio组合反映分流间湾环境、pesudocardinia?反映了三角洲平原和泛滥平原上的河漫湖泊环境(卢宗盛等, 1992)。根据这些典型化石组合与钻井和露头剖面中的化石进行对比, 也可以指示沉积环境。此外, 古植物化石, 如植物茎叶、植物碎片、植物根等, 也具一定的环境指示意义。
综合上述沉积构造、古生物等因素的环境指示意义, 并将其与单因素相匹配, 最终确定古地理单元划分的基本原则为:砂泥岩比值大于1.0的区域划归为三角洲平原, 砂泥岩比值在1.0~0.4之间的区域划归为三角洲前缘, 砂泥岩比值小于0.4的区域划归为湖泊。局部地区考虑到沉积相的配置等因素, 则需要做一些调整。
层序Ⅰ 地层厚度在63.4~230, m之间, 其中, 中西部地层最厚, 可达230 m(S14), 反映了该地区相对低洼的地势; 向东北部部地层厚度迅速减小, 在DLH资料点位置达到最小(65.1, m), 反映了该地区在层序Ⅰ 沉积期为相对隆起区。再往东北部, 地层厚度有所增大但变化幅度不大, 反映了相对较为平坦的地貌。南部地层厚度较小, 为深水区欠补偿沉积所致(表 1, 图3)。该时期沉积的砂岩厚度在12.9~93.4, m之间, 砂岩厚度仍表现为中西部最厚、东北部次之, 砂岩厚度自西部、西北部向东部、东南部变薄, 大致反映了河流的位置和物源方向(表 1, 图4)。砂泥岩比值对于研究区这种陆相大型拗陷盆地而言, 其反映的古地理意义最为重大。研究区层序Ⅰ 沉积期砂泥岩比值在0.17~3.7之间, 砂泥岩比值大的区域仍然位于中西部和东北部, 砂泥岩比值将该时期的古地理面貌大致勾勒出来(表 1, 图5)。
根据上述古地理单元划分原则, 绘制了研究区层序Ⅰ 沉积期的定量岩相古地理图(图 6)。层序Ⅰ 沉积期处于盆地初始沉降— 快速沉降期, 主要的古地理单元为三角洲平原、三角洲前缘、局限湖和浅湖— 半深湖。沉积期前, 富县组的“ 填平补齐” 作用使得“ 崖高谷深” 的古地貌有所缓和, 延安组沉积期地势相对平坦。层序Ⅰ 沉积早期仍继承富县组的河流沉积为主, 但迅速的基底沉降、湖域扩张改变了前期的沉积格局。三角洲沉积体系大规模发育, 湖泊逐渐扩张, 古隆起大部分被淹没。东北部横山以北的广大区域广泛发育三角洲沉积群, 物源来自西北部的内蒙古境内; 中西部的靖边— 安塞— 吴旗地区发育大的三角洲沉积, 物源主要在西部的定边北部和宁夏盐池地区; 南部姬塬地区发育局限湖泊沉积; 广湖区发育在南部的志丹— 延安一线以南及东部的横山— 榆林— 神木地区。该时期南部发育湖泊沉积、北部发育三角洲沉积的宏观沉积格局已经形成。
层序Ⅱ 地层厚度在28.6~139.0, m(S14)之间(表2), 其中, 中部地层最厚, 中东部次之, 反映了该地区相对低洼的地势; 北部地层厚度略有减薄, 区域地层变化幅度不大, 反映了相对较为平坦的地貌。南部地层厚度较小, 为深水区欠补偿沉积所致。该时期沉积的砂岩厚度在2.1~76.0, m之间(表2), 砂岩厚度仍表现为中西部最厚、东北部次之, 砂岩厚度自西部、西北部向东部、东南部变薄, 大致反映了河道的位置和物源方向。研究区层序Ⅱ 沉积期砂泥岩比值在0.0~2.2之间(表2), 砂泥岩比值大的区域仍然位于西部、中部和东北部, 砂泥比等值线大致走向NW-SE, 仅东北端的砂泥岩比值等值线走向NE— SW, 反映了物源方向的差异。砂泥岩比值将该时期的古地理面貌大致勾勒出来。
该时期发育的古地理单元和层序Ⅰ 沉积期基本一致, 根据古地理单元确定原则可以划分为三角洲平原、三角洲前缘和浅湖— 半深湖3个大的古地理单元(图 7)。层序Ⅱ 沉积时期处于盆地的稳定沉降阶段, 相对于层序Ⅰ 研究区湖泊的沉积范围有所扩大, 受构造影响三角洲位置有所迁移。东北部发育两个大的三角洲— — 榆林三角洲和神木三角洲, 由于层序Ⅱ 沉积初期陕北地区构造抬升(李宝芳和李祯, 1995), 使得三角洲相对层序Ⅰ 沉积期向湖中心有所迁移; 榆林三角洲继承了层序Ⅰ 沉积期的特点, 物源来自西北部的内蒙古境内; 神木三角洲则有所改变, 物源由西北方向转变为东北部方向。中西部地区由原来的一个大三角洲分解为两个三角洲— — 定边三角洲和靖边— 吴旗— 安塞三角洲, 定边三角洲物源主要来自西部的宁夏地区, 靖边— 吴旗— 安塞三角洲物源主要来自西北部的内蒙古地区, 与层序Ⅱ 相比, 西南部的甘肃华池地区不再提供物源。湖泊沉积有所扩展, 西南部地区与层序Ⅰ 沉积期的姬塬局限湖相连, 北部神木的东北部出现浅湖沉积, 神木三角洲西北部出现了三角洲前缘, 也说明了湖泊沉积范围的扩展。
层序Ⅲ 沉积期地层厚度在16.5~117.0, m(S1)之间(表3), 其中, 中部地区地层最厚, 东北部和西北部次之, 反映了该地区相对低洼的地势; 南部、西南部地层厚度较小, 为水体相对较深欠补偿沉积所致。该时期沉积的砂岩厚度在4.0~66.0, m(S1)之间(表3), 砂岩厚度仍表现为中部最厚、东北部次之, 北部整体厚度变化不大, 南部、西南部厚度小, 砂岩厚度自西部、西北部向东部、东南部变薄, 大致反映了河道的位置和物源方向。研究区层序Ⅲ 沉积期砂泥岩比值在0.3~5.0之间(表3), 由于资料点的不均匀, 砂泥岩比值大的区域主要位于中部和东北部, 走向以NW-SE为主, 主要为河道沉积砂体。
层序Ⅲ 沉积时期, 研究区处于湖盆萎缩到消亡阶段。该时期基底不断抬升, 广阔的湖盆逐渐萎缩, 取而代之的是范围较小、相对孤立的局限湖; 三角洲、河流较发育, 并逐渐占主导地位。研究区东北部横山— 榆林— 神木地区有5条河流自西北部内蒙古地区流入该区, 并在研究区发育大范围的冲积平原区。在靖边— 横山的西北部和榆林— 神木各发育一个规模较小的局限湖。在研究区中部地区发育2条规模巨大的湖流, 北部河流自靖边流向安塞地区, 南部河流自定边经志丹流向延安地区。研究区南部资料点较少, 但根据少量的控制点和沉积演化来推测, 吴旗南部、甘泉一带发育规模相对较大的局限湖(图 8)。
通过对陕西省中侏罗世延安组的沉积环境、层序地层和古地理研究, 获得以下认识:
1)延安组沉积早期和晚期, 整个研究区以河流体系为主; 延安组沉积中期, 研究区中西部、东北部主要发育三角洲体系, 南部主要发育湖泊体系。依据识别出的4个关键层序界面, 将延安组划分为3个三级层序和9个体系域。层序的保存程序西部、北部较好, 东部、东北部上部地层遭受不同程度的剥蚀。
2)以三级层序为古地理作图单元, 分别绘制了各层序关键的单因素等值线图, 在综合分析各单因素的基础上, 结合沉积构造、古生物等的指相意义, 恢复了各层序沉积期的古地理格局。层序Ⅰ 沉积早期主要发育河流沉积; 随着盆地沉降的加剧, 中部地区逐渐变为湖泊沉积, 东北部西部河流沉积演变为三角洲沉积; 层序Ⅱ 沉积时期基本继承了层序Ⅰ 沉积晚期的古地理格局; 层序Ⅲ 沉积期, 盆地基底不断抬升, 湖泊逐渐萎缩成局限湖, 河流体系、三角洲体系分别在研究区中部、东北部大规模发育。
作者声明没有竞争性利益冲突.
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