华南地区晚三叠世含煤岩系层序—古地理
邵龙义1, 李英娇1,2, 靳凤仙1, 高彩霞1,2, 张超1, 梁万林3, 黎光明4, 陈忠恕3, 彭正奇4, 程爱国5
1 中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院,北京 100083
2 重庆地质矿产研究院,重庆 400042
3 四川省煤田地质局,四川成都 610045
4 湖南省煤田地质局,湖南长沙 411114
5 中国煤炭地质总局,北京 100039

第一作者简介 邵龙义,男,1964年生,中国矿业大学(北京)教授,博士生导师,主要从事沉积学及煤田地质学方面的教学与研究。E-mail:Shaol@cumtb.edu.cn。电话:010-62339303。

摘要

在对露头及钻孔剖面沉积特征研究的基础上,建立了华南地区晚三叠世含煤岩系层序地层格架,恢复了基于三级层序的岩相古地理,并分析了聚煤规律。根据岩相特征及岩相组合类型,在区内晚三叠世含煤地层中识别出陆相和海陆过渡相两大沉积类型,并可进一步识别出冲积扇、河流(包括辫状河和曲流河)、三角洲、湖泊、潮坪—潟湖、滨海平原和滨浅海等 7种沉积类型。陆相沉积主要发育在上扬子地区的四川盆地;海陆过渡相沉积主要发育在东南部湘赣粤滨浅海。在晚三叠世含煤岩系中识别出区域性不整合面和构造应力转换面、砂砾岩体底部冲刷面和岩性突变面等类型的层序界面,将含煤岩系划分为 5个三级层序。以三级层序为古地理作图单元,恢复了研究区的古地理格局。由煤层厚度与岩相古地理平面展布规律可知,最有利的成煤环境为三角洲沉积体系,其次为河流、潮坪—潟湖沉积体系,聚煤中心主要分部在四川盆地的乐威煤田以及华蓥山煤田、湘赣粤滨浅海地区的湘东南至赣西萍乡一带。

关键词: 层序地层; 岩相古地理; 晚三叠世; 四川盆地; 华南地区
中图分类号:P531 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2014)05-0613-18
Sequence stratigraphy and lithofacies palaeogeography of the Late Triassic coal measures in South China
Shao Longyi1, Li Yingjiao1,2, Jin Fengxian1, Gao Caixia1,2, Zhang Chao1, Liang Wanlin3, Li Guangming4, Chen Zhongshu3, Peng Zhengqi4, Cheng Aiguo5
1 College of Geoscience and Surveying Engineering, China University of Mining and Technology(Beijing),Beijing 100083
2 Chongqing Institute of Geology and Mineral Resources,Chongqing 400042
3 Sichuan Coalfield Geology Bureau,Chengdu 610045,Sichuan
4 Hunan Administration of Coal Geological Exploration,Changsha 411114,Hunan
5 China National Administration of Coal Geology,Beijing 100039;

About the first author Shao Longyi,born in 1964,is a professor of China University of Mining and Technology(Beijing). He is mainly engaged in research and teaching of sedimentology and coal geology. E-mail: Shaol@cumtb.edu.cn. Tel:010-62339303.

Abstract

The depositional characteristics and environments,and the sequence stratigraphy of the Late Triassic coal measures in South China were studied based on data from outcrops and borehole sections. The third-order sequence-based lithofacies palaeogeography of the coal measures was reconstructed,and the coal accumulation pattern of the Late Triassic in the South China was summerized. Two major facies types, i.e., continental and transitional,were identified within the coal measures based on characteristics of lithofacies and lithofacies associations. The continental facies types include alluvial fan,braided fluvial and meandering fluvial facies,and the transitional facies types include deltaic,lacustrine(mainly shallow lake),tidal-lagoon,coastal plain and neritic facies. The continental facies were mainly distributed in the Upper Yangtze Block,typically in the Sichuan Basin,whereas the transitional facies mainly distributed in the eastern South China,typically in the Hunan-Jiangxi-Guangdong littoral and shallow marine area. Sequence boundaries,including regional unconformities and tectonic stress switching surfaces,fluvial incision surfaces,and abrupt change surfaces of lithology were identified. According to these sequence boundaries,the Late Triassic coal measures were subdivided into five third-order sequences. The lithofacies palaeogeography map of each third-order sequence was reconstructed based on the distribution of facies. The favorable coal accumulating palaeogeographic units were recognized based on the coal thickness and lithofacies palaeogeography maps,and the most favorable coal accumulating palaeogeographic unit was the delta plain unit,followed by fluvial unit,and tidal flat-lagoon unit. It was predicted that the coal-accumulating centers were located in the Leshan-Weiyuan Coalfield and the Huayingshan Coalfield in the Sichuan Basin,and the southeastern Hunan and western Central Jiangxi in the Hunan-Jiangxi-Guangdong littoral and shallow marine area.

Key words: sequence stratigraphy; lithofacies palaeogeography; Late Triassic; Sichuan Basin; South China

晚三叠世是中国南方中生代的重要聚煤期, 含煤岩系主要分布在华南西部的云、贵、川三省及华南东部的湘赣地区(韩德馨和杨起, 1980; 中国煤田地质局, 1993; 钱大都等, 1996)。华南晚三叠世不仅蕴藏着丰富的煤炭资源, 并且伴生有丰富的油气资源, 其中四川盆地的晚三叠世一直是中国重要的含油气层系(马永生等, 2011)。研究区煤层厚度分布规律及控制因素引起许多学者的兴趣, 前人研究表明, 四川盆地晚三叠世含煤岩系是在河流— 三角洲及湖泊沉积体系中形成的, 湘赣粤以及下扬子地区晚三叠世属于海湾— 潟湖背景(韩德馨和杨起, 1980; 王鸿祯, 1985; 马永生等, 2009), 但是针对华南全区晚三叠世含煤岩系的层序地层及聚煤古地理研究还比较少见。研究表明, 厚煤层的分布受区域古地理背景及海平面变化规律的控制, 而等时性的层序地层格架的建立则有助于作者预测厚煤层的分布规律(邵龙义等, 2009)。

笔者在进行全国煤炭资源预测研究期间, 利用钻孔、露头等资料, 建立华南地区晚三叠世层序地层格架, 并以层序限定的等时地质体为古地理作图单元, 恢复研究区古地理格局, 并进一步分析有利聚煤的古地理单元及其分布, 在此基础上对聚煤规律进行总结。

1 地质背景

华南板块是在新元古代青白口纪晋宁运动时期(1000~800 Ma)形成于扬子古陆块基础上, 于早古生代加里东期向东南方向增生扩大形成的古大陆板块(夏玉成和侯恩科, 1996), 以江山-绍兴晋宁、加里东缝合带为界, 包括扬子板块和华夏板块两部分(图 1)。扬子板块在地质历史时期主体部分持续稳定发展, 接受稳定的盖层沉积, 其间虽然经历了数次构造运动, 但构造变形不很强烈, 主要接受陆表海碎屑岩和内源沉积岩。华夏板块在早古生代经受强烈的挤压收缩构造变形, 形成增生陆壳, 晚古生代以来又经受多次不同性质的构造变形。中— 新生代以来, 整个华南地区进入亚洲东部活动大陆边缘演化阶段, 强烈的挤压构造变形和伸展裂陷作用使区内构造更加复杂(童玉明等, 1994; 夏玉成和侯恩科, 1996; 赵宗举等, 2003)。

图1 晚三叠世华南地区沉积区分布及重要地质界线示意图(据王鸿祯等, 1985, 有修改)Fig.1 Distribution of depositional areas during the Late Triassic in South China Block(modified from Wang et al., 1985)

受印支运动的影响, 华南地区板内构造格局与古地理发生巨大转变。在晚三叠世, 以川黔桂高地为界分隔成东西2个不同的沉积区(图 1)。在西部区, 来自特提斯洋的海水侵入龙门山前及滇黔桂一带, 晚三叠世早期形成浅海碳酸盐及碎屑沉积, 随着板块的碰撞推挤, 晚三叠世晚期发生海退, 形成以陆相为主含煤沉积(须家河组), 但由于松潘甘孜地区(属巴颜喀拉印支褶皱带)的不断抬升, 须家河组向东大规模超覆, 形成大型的川滇近海盆地。川黔桂高地以东地区, 整个晚三叠世都发育以安源煤系为典型代表的滨浅海型海陆交互相含煤沉积, 其中所含的双壳类Bakevellia等动物群证明海侵来自东方的古太平洋(王鸿祯, 1985)。

华南地区晚三叠世主要含煤岩系有四川的须家河组、川滇的大荞地组和宝鼎组、云南的罗家大山组、黔滇的火把冲组、广东的红卫坑组和头木冲组、湘东南的出炭垅组和杨梅垅组、湘东和赣中西的紫家冲组、三家冲组和三丘田组(原安源群)、福建的焦坑组下段等(韩德馨和杨起, 1980; 《中国地层典》编委会, 2000), 共可划分出陆相含煤岩系和海陆过渡相2大沉积类型。陆相沉积主要分布于上扬子地区, 以四川盆地为主, 海陆过渡相沉积则主要分布于东南地区湘赣粤滨浅海, 其余广大地区则为陆相湖盆或山间盆地。

陆相含煤岩系又可分为2类(张滔, 1995):其一主要由陆相细碎屑岩组成, 是以湖泊作用为主的沉积, 以四川盆地小塘子组(须一段)、须家河组三、五段, 宝鼎盆地大荞地组、宝鼎组为代表; 其二主要由陆相粗碎屑岩组成, 是以河流三角洲作用为主的沉积, 以浙江义乌乌灶剖面、四川盆地须家河组二、四、六段以及广西东兴扶隆坳剖面为代表。海陆过渡相含煤岩系可进一步划分为3类(王佟等, 2011):第1类剖面三分性明显, 中段为富含半咸水— 咸水瓣鳃类化石的海相粉砂质泥岩, 常称“ 中部海相层” , 以江西萍乡安源剖面为代表; 第2类剖面二分性明显, 下段一般不具海相层, 上段夹多层含半咸水— 咸水瓣鳃类化石的海相层, 以福建漳平大坑剖面为代表; 第3类剖面则几乎全由陆相沉积物组成, 剖面中部偶见含半咸水瓣鳃类化石的海相夹层, 以福建邵武焦坑剖面为代表。

2 地层层序格架的建立
2.1 层序地层关键界面的识别

层序地层的关键界面是指层序界面、湖(海)侵面和最大湖(海)泛面等, 这些关键界面的识别对于层序划分有着极其重要的意义(van Wagoner et al., 1990; Mitchum and van Wagoner, 1991; Posamentier and James, 1993)。

2.1.1 层序界面

根据钻孔、露头剖面对比分析研究, 在南方上三叠统含煤岩系中共识别出6个层序界面, 主要有以下3种:

1)区域性不整合面和构造应力转换面。古构造运动形成的区域性不整合面是层序地层划分重要界面。如四川盆地上三叠统须家河组底面即为中三叠统石灰岩长期暴露遭受风化侵蚀形成的古风化面; 宝鼎盆地上三叠统丙南组或上二叠统玄武岩与上覆大荞地组之间为一区域不整合面(邵龙义等, 2011); 盐源— 丽江盆地上三叠统冬瓜岭组与上覆古近系丽江组的不整合接触面; 宝鼎盆地上三叠统大荞地组与宝鼎组之间界面为一区域性构造应力转换面。

2)砂砾岩体底部冲刷面。区域性分布的砂岩代表低水位期的河流下切充填沉积, 其底部的侵蚀不整合面可作为层序界面。如四川盆地须家河组二、四、六段的厚层状砂岩底部冲刷面, 代表当时的河流下切充填沉积底面; 湖南资汝煤田紫家冲组中上部含有厚达20多米的砾岩, 此砾岩层横向上可延续至韶山煤田, 其底面为三级层序界面。

3)岩性突变面。岩性的突然变化, 在测井曲线上亦表现为突变, 可作为区域性的等时对比特征, 从而识别出层序界面。如四川盆地须家河组的泥岩以灰色、深灰色的色调为主, 而上覆下侏罗统珍珠冲组底部的紫色泥岩代表当时气候由晚三叠世温暖潮湿转变为早侏罗世炎热干燥的一次古气候变化(黄其胜, 2001); 又如宝鼎盆地上三叠统丙南组与上三叠统大荞地组, 界面之下为干旱气候下滨海平原紫红色砂泥岩, 界面之上为温暖潮湿气候下灰色煤系地层; 宝鼎组与下侏罗统冯家河组之间, 界面之下为灰色含煤岩系, 界面之上为紫红色内陆干旱气候下的非煤系地层, 具有区域等时的特征(邵龙义等, 2011)。

2.1.2 初始湖(海)泛面与最大湖(海)泛面

初始湖(海)泛面是湖水体首次漫过坡折带或漫过低位下切谷所形成的湖(海)泛面。在陆相沉积环境发育的地区, 初始湖(海)泛面指覆盖在河道砂砾岩之上的湖相泥岩、粉砂质泥岩、粉砂岩等细粒岩石的底面。如四川盆地须家河组三段、须家河组五段的底部界面, 均为初始湖泛面(高彩霞等, 2009, 2011)。在没有河道发育的地带, 初始湖(海)泛面与层序界面重合。

最大湖(海)泛面为一个基准面旋回内基准面或可容空间速率增加最快、水体最深时形成的沉积面。在一套向上变细、变深的沉积序列中, 代表最深的岩相一般为浅湖相泥岩、粉砂质泥岩, 这样的岩性一般以相对较大的厚度出现时, 可将其底面作为最大湖泛面的位置。

在其他很多情况下, 尤其是在纯陆相或在滨海冲积平原背景中, 向上变浅的准层序一般发育不好或难于辨认, 沉积作用多以垂向或侧向加积为主, 没有明显的进积和退积, 这时可通过地层序列的堆叠置样式的变化加以判断, 一般有从浅到深, 又由深变浅的旋回结构反转的现象, 反转面即代表最大湖(海)泛面的位置, 其下的湖(海)侵体系域一般表现为分流河道砂岩到滨湖沼泽及滨浅湖泥岩的向上变深序列, 其上的高位体系域则表现为从浅湖泥到滨湖砂坝的向上变浅的序列(李英娇等, 2011)。

2.2 层序地层格架

根据以上层序界面识别原则, 结合层序界面特征, 同时参考华南各省区域地质以及中国地层典相关资料, 本研究将华南晚三叠世含煤岩系划分为5个三级层序, 每个层序划分出相应的体系域, 即低位体系域(LST)、湖(海)侵体系域(TST)和高位体系域(HST)(表 1)。华南晚三叠世延伸年限从235~209.5 Ma, 持续25.5 Ma(《中国地层典》编委会, 2000), 平均每个层序大致5.1 Ma, 与Vail等(1977)划分的三级层序时间跨度大致吻合。由于四川盆地及湘赣粤滨浅海为晚三叠世华南2个重要沉积区, 故选取2个重要的剖面对华南晚三叠世的层序地层格架进行论述, 并分别以区域对比图展示上扬子地区和华南东部地区层序地层的分布特征。

表1 华南地区上三叠统含煤岩系层序地层格架 Table 1 Sequence stratigraphic framework of the Upper Triassic coal measures in South China

2.2.1 东南地区的晚三叠世层序地层特征

1)江西萍乡安源剖面晚三叠世层序地层特征

东南地区的晚三叠世含煤岩系以江西萍乡安源群为代表, 江西萍乡的安源剖面层序发育较为完整(图 2), 揭露的地层主要为安源群紫家冲组、三家冲组及三丘田组, 厚572.2 m, 由下至上发育区域上的层序Ⅰ 到层序Ⅴ 。

图2 江西萍乡安源剖面晚三叠世沉积相及层序地层柱状图Fig.2 Columnar section showing facies and sequence stratigraphy of the Late Triassic in Anyuan section of Pingxiang area of Jiangxi Province

层序Ⅰ :对应于紫家冲组和三家冲组, 低位体系域岩性主要为细砂岩、粉砂岩夹含砾中砂岩和泥岩, 底部为细砾岩, 沉积构造主要发育水平及波状层理, 含铁质结核, 植物及孢粉化石, 沉积相主要为潟湖、潮道、障壁砂坝及泥炭沼泽; 海侵体系域主要为潮道及潟湖相粉砂质泥岩、泥岩、粉砂岩及细砂岩, 发育波状层理, 含菱铁质结核, 下部见植物及孢粉化石, 上部见双壳纲及介形类化石; 高位体系域为潟湖相粉砂质泥岩、泥质粉砂岩夹薄层粉砂岩, 发育水平层理, 含菱铁质结核, 双壳类及介形类化石。

层序Ⅱ :对应于三丘田组下部, 低位体系域主要为潮道相粗砂岩、中砂岩、细砂岩夹薄层泥岩及细砾岩, 发育水平层理及小型沙纹层理; 海侵体系域主要为潮坪相砂质泥岩和粉砂岩。

层序Ⅲ :对应于三丘田组中部, 低位体系域主要为潮道相粗砂岩和中砂岩; 海侵体系域主要为潟湖及潮道相砂质泥岩夹粗砂岩和中砂岩; 高位体系域主要为潟湖及潮坪、潮道相粉砂岩夹粗砂岩、中砂岩, 局部见砾岩。

层序Ⅳ :对应于三丘田组上部, 低位体系域主要为潮道相砾岩、含砾砂岩及细砂岩, 发育小型沙纹层理, 含菱铁质结核; 海侵体系域主要为潮道相粉砂质泥岩和细砂岩; 高位体系域主要为潮坪相粉砂质泥岩, 发育水平层理及小型沙纹层理, 含介形类化石。

层序Ⅴ :对应于三丘田组顶部, 低位体系域主要为潮坪相细砂岩; 海侵体系域主要为海湾沉积相的泥质粉砂岩、粉砂岩、粉砂质泥岩夹薄层细砂岩, 发育水平层理, 含菱铁质结核, 见双壳类及介形类化石。

总之, 江西萍乡一带安源群发育5个三级层序, 每个层序的低位体系域一般以潮道相砂岩为主, 海侵体系域及高位体系域潮坪相泥岩、粉砂岩等细粒沉积为主含双壳类及介形类动物化石, 最大海泛面位于相对厚层的潟湖泥岩的底板。

2)东南地区南西— 北东向对比剖面层序地层特征

为说明华南东部地区晚三叠世层序地层展布特征, 作者绘制了南西— 北东向层序地层对比图(图3)。图3从南西到北东依次包括了广西灵山檀圩剖面— 湖南资兴宝源河剖面— 江西萍乡安源剖面— 福建漳平大坑井田27线公路剖面— 福建邵武晒口富屯溪剖面— 浙江义乌乌灶剖面, 该对比剖面贯穿整个华南东部地区, 主要发育5个层序, 每个三级层序又可以分为3个体系域, 其中低位体系域(LST)表现为以进积到加积为主的层序, 海侵体系域(TST)表现为以退积为主的层序, 而高位体系域(HST)表现为以加积到进积为主的层序。层序Ⅰ 发育于湖南资兴、江西萍乡以及福建漳平一带, 主要发育潟湖— 潮坪沉积, 仅在福建漳平的低位体系域和海侵体系域以河流三角洲沉积为主, 层序Ⅱ 、层序Ⅲ 、层序Ⅳ 和层序Ⅴ 在区内大部分地区都有发育, 表现出在西南部广西灵山以及东北部的福建邵武和浙江义乌地区发育冲积扇— 河流— 三角洲相粗粒沉积外, 湖南资兴— 江西萍乡— 福建漳平一带均发育潟湖— 潮坪相的细粒沉积。总体来看, 晚三叠世湘赣一带表现为早期以河流三角洲为主, 中晚期发育潟湖— 潮坪沉积, 反映出总体变深的过程。

图3 华南东部南西— 北东向晚三叠世沉积相及层序地层对比图Fig.3 SW-NE oriented cross section showing subcorrelation of the facies and sequence stratigraphy of the Late Triassic in the eastern part of South China

2.2.2 四川盆地晚三叠世层序地层特征

1)上扬子地区四川盆地乐威煤田单剖面晚三叠世层序地层特征

上扬子地区晚三叠世层序Ⅰ 在四川盆地主要对应于晚三叠世早期卡尼期沉积的礁滩相垮洪洞组和马鞍塘组, 由于印支运动造成盆地的抬升和剥蚀, 垮洪洞组和马鞍塘组仅在四川盆地的西部局部地区保存下来, 四川盆地东部及东南部主要发育小塘子组(须一段)和须家河组。下面以四川盆地西南部的乐威煤田金带场37-2孔为例论述四川盆地晚三叠世层序地层特征(图 4)。

图4 四川盆地乐威煤田金带场37-2号孔晚三叠世沉积相及层序地层柱状图Fig.4 Columnar section showing facies and sequence stratigraphy of the Late Triassic in Borehole 37-2 section of Lewei coalfield of Sichuan Basin

乐威金带场37-2号孔揭露小塘子组和须家河组地层453.81 m, 缺失层序Ⅰ 。小塘子组底部直接与下伏中三叠统雷口坡组呈侵蚀不整合接触, 将该不整合面作为层序Ⅱ 的底界面, 由于须家河组二段、须家河组四段和须家河组六段大段砂体发育, 则初始湖泛面划在这些砂岩段之上泥岩段的底部, 最大湖泛面主要以须家河组三段、须家河组五段和须家河组六段上部的厚层湖湘泥岩、粉砂岩的底板为标志。通过以上研究, 可以在乐威金带场37-2号孔中共识别出4个三级层序。

层序Ⅱ :对应小塘子组(须一段), 只发育湖(海)侵体系域和高位体系域。湖(海)侵体系域以滨湖砂坝相的深灰色、灰色粉砂岩、粉砂质泥岩为代表, 发育水平层理、小型沙纹层理。高位体系域以三角洲前缘的远砂坝相的深灰色泥质粉砂岩、粉砂质泥岩为代表, 发育水平层理、沙纹层理。

层序Ⅲ :对应须家河组二段和须家河组三段, 低位体系域岩性主要为浅灰色、灰白色粗砂岩、中— 细砂岩及粉砂岩为代表, 发育平行层理、板状交错层理, 代表底部三角洲前缘的河口坝向上过渡到三角洲平原的分流河道再过渡到河床的边滩的沉积相序列。湖侵体系域岩性以灰色、灰白色中— 细砂岩、粉砂岩、粉砂质泥岩为主, 发育水平层理、小型沙纹层理, 见生物扰动构造, 代表的相序为三角洲平原的分流间湾向上过渡到三角洲前缘的河口坝。高位体系域岩性以灰色、深灰色细砂岩、粉砂岩、泥质粉砂岩及泥岩为主, 发育小型沙纹层理及水平层理, 沉积相主要表现为滨湖的滨湖砂坝— 三角洲前缘的远砂坝— 三角洲平原的分流河道、分流间湾的沉积序列。

层序Ⅳ :对应须家河组四段和须家河组五段, 低位体系域以河流相浅灰色、灰白色中粗粒砂岩为代表, 发育大型板状交错层理及大型槽状交错层理。沉积相为辫状河道沉积湖侵体系域以深灰色中粗粒砂岩、细砂岩、粉砂岩、碳质泥岩为代表, 局部夹含煤层, 发育水平层理、沙纹层理, 见生物潜穴, 局部含泥砾, 沉积相主要表现为三角洲平原分流间湾、三角洲前缘远砂坝、河口坝沉积。高位体系域岩性以深灰色细砂岩、粉砂岩、泥质粉砂岩为主, 发育水平层理, 沉积相为三角洲平原分流间湾。

层序Ⅴ :对应须家河组六段, 低位体系域浅灰色、灰白色中粗粒砂岩为主发育平行层理及交错层理, 沉积相主要为由三角洲平原的分流河道向上过渡到河床相的边滩沉积。湖侵体系域岩性主要为深灰色、灰黑色泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、粉砂岩、泥岩, 局部见细砂岩, 沉积构造以水平层理和小型沙纹层理为主, 含植物碎片化石, 砂岩中见煤砾, 沉积相序表现为三角洲平原分流间湾沉积向上过渡到河床的边滩沉积。高位体系域岩性主要为灰黑色、灰色泥岩、粉砂岩, 局部见中砂岩, 泥岩中见水平层理。沉积相主要为泛滥平原沉积。

总的来看, 乐威金带场一带晚三叠世小塘子组(须一段)以滨浅湖沉积为主, 须家河组则表现为从河流— 三角洲到滨浅湖的3个旋回沉积。

2)上扬子地区南西— 北东向对比剖面层序地层特征

为说明上扬子地区晚三叠世层序地层展布特征, 作者绘制了南西— 北东向层序地层对比图(图5)。图5从南西到北东依次有包括了云南宾川祥云煤田干甸煤矿剖面— 云南华坪河东矿区12号孔剖面— 四川红坭煤田红2号孔剖面— 四川乐威煤田金带场37-2号孔剖面— 重庆合川炭坝剖面— 四川达县铁山剖面— 重庆巫溪郑家坪剖面, 该对比剖面贯穿整个上扬子地区, 沿该对比剖面, 晚三叠世主要发育层序Ⅱ 到层序Ⅴ 等4个层序, 每个三级层序又可以分为低位体系域(LST)、湖侵体系域(TST)及高位体系域(HST)。该对比剖面在其西南部的云南宾川干甸到华坪一带, 发育海陆交互相三角洲平原沉积, 向西北方向到四川宝鼎— 红坭煤田则主要为近海的河流— 三角洲— 湖泊相沉积, 再向西北方向到四川盆地东部则主要是内陆河流— 三角洲— 湖泊相沉积, 西北端的重庆巫溪一带则主要为内陆河流冲积平原沉积。海陆过渡相三角洲发育于云南宾川层序Ⅱ 到层序Ⅴ 以及云南华坪一带的层序Ⅱ 和Ⅲ 。从云南宾川和华坪地区来看, 上扬子地区在晚三叠世有水体逐渐变浅、并逐渐脱离海洋环境的趋势, 在四川盆地上三叠统小塘子组(须一段)和须家河组主要发育内陆湖盆三角洲沉积。

图5 华南西部上扬子区南西— 北东向晚三叠世沉积相及层序地层对比图Fig.5 SW-NE oriented cross section showing subcorrelation of facies and sequence stratigraphy of the Late Triassic in Upper Yangtze area of western South China

3 岩相古地理格局

基于上述沉积环境和层序地层研究, 本次研究运用优势相法对华南晚三叠世层序格架内的岩相古地理格局进行了恢复, 各层序古地理格局详述如下。

3.1 层序Ⅰ

层序Ⅰ 沉积期(卡尼期及早诺利期)岩相古地理如图6所示, 由于受到来自于秦岭造山带的强烈向南挤压, 华夏板块的北西向推挤, 上扬子区发育着2个残留海相盆地, 即四川残余海盆和滇黔残余海盆。四川残余海盆由发育缓坡型灰岩台地相的礁滩和潮坪相地层所组成的马鞍塘组所表征; 滇黔残余海盆则由与右江盆地的浊积岩系相变的“ 法郎组” 缓坡型灰岩台地相的浅海、瓦窑组(或小凹组)浅海至泥页岩组成的深水盆地、赖石科组浊积岩系或发育砂页岩的浅海所代表(梅冥相, 2010)。在研究区东南地区, 则以湘赣粤滨浅海沉积为代表。其中湘赣粤滨浅海北部, 发育有三角洲沉积及潮坪潟湖沉积, 潮坪潟湖相向南延续至湖南一带; 而在湘赣粤滨浅海的西南部, 发育有滨海平原沉积, 表明当时海侵范围并不向北深入; 在湘赣粤滨浅海的东部, 发育有闽粤三角洲沉积, 盆地边缘发育有河流冲积平原及冲积扇。研究区内本期各类小型沉积盆地并不发育, 在研究区东北方向发育有皖中南内陆湖盆沉积; 在湘赣粤滨浅海的西北方向、湘赣粤滨浅海的西南方向及湘赣粤滨浅海西部发育有内陆湖盆沉积(湘西桑植内陆湖盆、粤中南内陆湖盆群、赣东闽西内陆湖盆群); 在湘赣粤滨浅海西南方向发育有一小型山间盆地, 以粗粒的扶隆坳组砾岩沉积为代表。

图6 华南地区晚三叠世层序Ⅰ 岩相古地理Fig.6 Lithofacies palaeogeography of sequence Ⅰ of the Late Triassic in South China

3.2 层序Ⅱ

层序Ⅱ 沉积期(晚诺利期及早瑞替期)岩相古地理如图7所示。该时期研究区西北部的四川前陆湖盆和东南部的湘赣粤滨浅海范围显著扩大。四川内陆湖盆以西以小塘子组(须一段)海陆过渡相沉积向东、向北、向南超覆和相变较为清楚地表明了一个从卡尼期以来的持续性海侵过程, 垮洪洞组向东逐渐被小塘子组(须一段)超覆。整个四川盆地仍然以河流三角洲及滨浅湖沉积为主, 四川内陆湖盆的北部及南部边缘发育有冲积扇沉积。研究区西南部, 仍然以滇黔残余海盆为代表, 其中, 滇黔残余海盆的北部仍然持续层序Ⅰ 期海相三角洲格局, 但总体范围有所扩大。在滇黔残余海盆北部出现了小型内陆湖盆(盐源— 丽江内陆湖盆、滇中内陆湖盆)。研究区的东南方向的湘赣粤滨浅海显著扩大, 向北延伸至南昌地区; 皖中南内陆湖盆和南昌地区潮坪潟湖沉积消失, 而出现大范围的皖中南滨海平原沉积, 向北延伸到南京地区。三角洲沉积不再发育, 仅在长沙东南方向的沿湘赣粤滨浅海边缘发育有潮坪潟湖沉积。湘赣粤滨浅海东部的陆相冲积扇、河流冲积平原及闽粤三角洲沉积范围也有所减小, 表明当时海侵程度达到最大。其余小型内陆湖盆总体格局与层序Ⅰ 类似, 在研究区南部南宁一带发育一小型的河流— 三角洲— 滨海平原沉积盆地, 在湘赣粤滨浅海的西部发育有小型陆相湖盆(湘西怀化内陆湖盆、湘西桑植内陆湖盆、粤中南内陆湖盆群)。

图7 华南地区晚三叠世层序Ⅱ 岩相古地理Fig.7 Lithofacies palaeogeography of sequence Ⅱ of the Late Triassic in South China

3.3 层序Ⅲ

层序Ⅲ 沉积期(瑞替期)岩相古地理如图8所示。该时期由于秦岭造山带的强烈隆升以及自北而南的强烈挤压, 研究区西北部地区形成一个典型的以陆相碎屑地层(须家河组二段至六段)所填充内陆盆地。本期四川内陆湖盆范围较层序Ⅱ 有所减小, 但总体变化不大, 滨浅湖汇水中心显著缩小, 河流及三角洲沉积范围扩大, 以须家河组二段砂岩为代表。研究区的西南方向的黔西南及昆明西部残留海连成一片, 以滇黔三角洲沉积为主, 盆地边缘发育带状的河流冲积平原沉积。研究区的东南地区湘赣粤滨浅海范围缩小, 湘赣粤滨浅海东北方向的闽粤三角洲沉积及河流冲积平原范围较层序Ⅱ 有所扩大; 湘赣粤滨浅海北部, 南昌东部发育有河流— 三角洲沉积(赣中北三角洲); 而湘赣粤滨浅海北部, 长沙东南方向主要发育广阔的滨海平原沉积。研究区南部南宁一带的冲积扇— 河流— 三角洲沉积范围较层序Ⅱ 范围扩大, 表明当时开始经历第一次海退过程。研究区东北方向再次发育皖中南内陆湖盆。在湘赣粤滨浅海东部发育赣东闽西内陆湖盆群, 在四川内陆湖盆的东部且湘赣粤滨浅海西部发育有众多小型陆相湖盆(鄂中当阳内陆湖盆、湘西怀化内陆湖盆、闽中南内陆湖盆群)。

图8 华南地区晚三叠世层序Ⅲ 岩相古地理Fig.8 Lithofacies palaeogeography of sequence Ⅲ of the Late Triassic in South China

3.4 层序Ⅳ

层序Ⅳ 沉积期(瑞替期中期)岩相古地理如图9所示。该时期上扬子地区古地理格局发生显著变化, 沉积范围明显扩大。研究区西北部地区的须家河组向东向南超覆, 逐渐与川西南盐源— 丽江盆地及云南西部沉积盆地连成一片, 主要发育滇黔三角洲及湖泊沉积, 而四川内陆湖盆的范围有所扩大, 并且不同地区发育有零星的汇水中心。黔西残余海盆逐渐过渡为以滨海沉积为主的残留海。本期东南地区湘赣粤滨浅海再次扩大, 其沉积范围向北扩大至江南南昌一带; 仅在湘赣粤滨浅海以西发育小范围的潮坪— 潟湖沉积; 在湘赣粤滨浅海以东, 且福州以西发育海相三角洲沉积, 冲积扇及河流相不再发育, 表明整个晚三叠世海侵程度在本期达到最大。

图9 华南地区晚三叠世层序Ⅳ 岩相古地理Fig.9 Lithofacies palaeogeography of sequence Ⅳ of the Late Triassic in South China

3.5 层序Ⅴ

层序Ⅴ 沉积期(瑞替期末期)岩相古地理如图10所示。该时期印支运动第4幕在研究区西北部地区表现得更加明显, 表现为四川盆地西北部龙门山及米仓山— 大巴山前的沉积剥蚀。该期研究区西北部地区已经形成了较大范围的以河流沉积为主的四川内陆湖盆, 且河流沉积与川西南及云南西部广大地区相连, 湖泊范围跨度较大, 呈北东— 南西相的带状分布, 也是受到西北构造抬升的影响。而昆明西部发育滇黔河流三角洲沉积, 黔西残余海盆三角洲范围有所缩小, 总体上以滨海沉积为主。研究区东南部湘赣粤滨浅海范围与层序Ⅳ 相比变化不大, 但总体以滨海平原沉积为主, 在湘赣粤滨浅海东部发育有闽粤三角洲沉积。其余地区小型湖盆及山间盆地格局总体变化不大。

图10 华南地区晚三叠世层序Ⅴ 岩相古地理Fig.10 Lithofacies palaeogeography of sequence Ⅴ of the Late Triassic in South China

总的来看, 南方晚三叠世的古地理格局主要为四川盆地陆相湖盆、黔西南及云南西部残留海盆、湘赣粤滨浅海以及零星分布于江南古陆的山间盆地及陆相湖盆, 沉积区物源主要为龙门山、米仓山— 大巴山、康滇古陆和江南古陆等。其中, 在华南西部, 除层序Ⅰ 沉积期(卡尼期及早诺利期), 发育四川残余海盆和滇黔残余海盆, 其余各层序发育以河流— 三角洲— 湖泊为主的内陆盆地; 华南东部地区则以湘赣粤滨浅海地区为代表, 晚三叠世各层序均为以三角洲及潮坪潟湖为代表的海陆过渡相沉积。

4 层序— 古地理单元对聚煤的影响

层序地层格架控制煤层的垂向发育, 而岩相古地理单元的分布则制约煤层横向上的展布。在华南晚三叠世含煤地层层序格架内, 低位体系域大体为冲积扇、河道及潮道为主的砂砾岩沉积, 几乎不成煤; 湖(海)侵体系域主要为岸后沼泽、分流间湾及潮坪沼泽环境成煤, 但由于可容空间增加速率快, 沉积区常常处于过补偿的状态, 因此不利于煤层的保存; 高位体系域早期具有较高的可容空间增加速率与泥炭堆积速率, 因此最有利于成煤, 而晚期则由于基准面或海平面的再次下降, 常常受到下一层序界面的冲刷, 不利于煤层的保存。华南地区陆相的古地理单元中, 成煤较好的为滨湖和三角洲, 其次为河流邻近三角洲的一侧, 零星分布的小盆地成煤较差。湘赣粤滨浅海盆地中, 滨海— 海湾及潮坪— 潟湖等古地理单元最有利于煤层的聚集。

华南西部地区, 四川盆地整个晚三叠世的煤层厚度多在1~10 m之间变化, 在各层序的分布不一, 层序Ⅰ 主要对应于西部马鞍塘组, 为礁滩和潮坪沉积, 不含煤。层序Ⅲ 和层序Ⅳ 煤层发育较好。煤层主要形成于三角洲平原分流间湾环境, 滨湖沼泽也可形成局部可采煤层, 在河流相的岸后湖泊及沼泽中发育煤线。华南西部聚煤中心主要有龙门山前聚煤中心、广元— 旺苍聚煤中心、达竹— 华蓥山聚煤中心、乐山— 威远聚煤中心、宝鼎聚煤中心、宾川— 祥云聚煤中心(图 11)。

图11 华南地区晚三叠世聚煤中心分布Fig.11 Distribution of coal-accumulating centers of the Late Triassic in South China

华南东部地区晚三叠世聚煤中心主要沿湘赣粤滨浅海湾盆地分布(图 11), 主要有滨海— 海湾型及潮坪— 潟湖型, 海湾周缘零星分布的小型陆相盆地含煤性不佳。滨海— 海湾型富煤单元主要分布于赣中、粤中及粤南等地; 潮坪— 潟湖型富煤单元主要分布于赣北、湘东及粤中、闽南一带。潮坪— 潟湖— 海湾环境的含煤性最佳, 基本上大面积连续发育有可采煤层, 可采总厚度一般2~5 m, 最厚可达10 m以上, 湘东南至赣西萍乡一带是晚三叠世聚煤作用最好的地区; 滨海— 海湾环境含煤性次之, 较大面积断续发育有可采煤层, 可采总厚度一般为2~4 m, 富煤单元分布于粤中一带; 滨海平原含煤性较差, 可采总厚度一般为1~3 m, 主要发育于赣中等地; 内陆湖盆河流三角洲环境和山间盆地粗碎屑沉积中含煤性最差, 前者仅于局部地区见有约2 m厚的煤层, 后者仅见孤立的可采煤点。总体上看, 当时的聚煤中心主要有乐平聚煤中心、丰城聚煤中心、浏阳— 萍乡聚煤中心、郴州— 耒阳聚煤中心、粤中聚煤中心、漳平聚煤中心、龙岩聚煤中心(图 11)。

5 结论

1)华南晚三叠世含煤岩系共发育陆相含煤岩系和海陆过渡相两大沉积类型, 包括冲积扇、河流(包括辫状河和曲流河)、三角洲、湖泊(主要为滨浅湖)、潮坪— 潟湖、滨海平原和滨浅海等7种沉积类型; 陆相沉积主要以四川盆地为主, 海陆过渡相沉积则主要分布于东南地区湘赣粤滨浅海, 其余广大地区则为零星的陆相湖盆或山间盆地。

2)在华南晚三叠世含煤岩系中共识别出区域性不整合面和构造应力转换面、砂砾岩体底部冲刷面、岩性突变面等3种主要的层序界面, 将华南晚三叠世含煤岩系共划分为5个三级层序, 并在每个层序中划分出相应的低位体系域、湖(海)侵体系域和高位体系域。

3)运用优势相法对华南晚三叠世的古地理格局进行了恢复, 华南晚三叠世的古地理格局主要为四川盆地陆相湖盆、黔西南及云南西部残留海盆、湘赣粤滨浅海以及零星分布于江南古陆的山间盆地及陆相湖盆, 沉积区物源主要为龙门山、米仓山— 大巴山、康滇古陆和江南古陆等。

4)在华南西部, 除层序Ⅰ 沉积期(卡尼期及早诺利期), 发育四川残余海盆和滇黔残余海盆外, 其余各层序发育以河流— 三角洲— 湖泊为主的内陆盆地; 华南东部地区则以湘赣粤滨浅海地区为代表, 晚三叠世各层序均发育以三角洲及潮坪潟湖为代表的海陆交互相沉积。

5)层序格架和古地理单元同时控制着煤层的赋存。高位体系域早期的滨湖、三角洲、滨海— 海湾及潮坪— 潟湖等古地理单元中最利于煤层的发育及保存。四川盆地聚煤中心主要位于盆地西南部乐威煤田以及东部华蓥山煤田, 湘赣粤滨浅海地区的聚煤中心主要位于湘东南至赣西萍乡一带。

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