通讯作者简介 邵龙义,男,1964年生,博士生导师,主要从事煤沉积学和层序地层学研究。E-mail:shaol@cumtb.edu.cn。
第一作者简介 郭彪,男,1985年生,博士研究生,主要从事煤沉积学和层序地层学研究。E-mail:guobiao511@163.com。
利用煤田钻孔资料,对内蒙古海拉尔盆地下白垩统含煤岩系层序地层格架及聚煤规律进行研究。根据区域不整合面、下切谷砂砾岩体底面、古生物组合突变面及沉积相转换面等层序界面,将海拉尔盆地下白垩统含煤岩系划分为 6个三级层序。铜钵庙组是盆地初始断陷阶段的产物;南屯组一段、二段是盆地快速沉降阶段,大磨拐河组一段、二段是盆地稳定拉张阶段,伊敏组是断陷萎缩阶段。盆地早白垩世含煤地层的煤层发育表现为东、北部好,中部次之,西南部差的特点;聚煤作用主要发生在伊敏组及南屯组二段,这 2个时期构造沉降表现出间歇性、震荡性及多旋回性,保证了可容空间增加速率与泥炭堆积速率之间的平衡关系,从而形成了区域性的厚煤层。
About the corresponding author Shao Longyi,born in 1964,a professor of China University of Mining and Technology(Beijing),is mainly engaged in coal sedimentology and sequence stratigraphy. E-mail: shaol@cumtb.edu.cn.
About the first author Guo Biao,born in 1985,a Ph.D. candidate of China University of Mining and Technology(Beijing),is mainly engaged in coal sedimentology and sequence stratigraphy. E-mail:guobiao511@163.com.
Sequence stratigraphy and coal accumulation pattern of the Early Cretaceous coal measures in Hailar Basin have been studied using outcrop and borehole data in this paper. Based on the regional unconformity surface,the erosional base of incise valley filled by sandstone and conglomerates, the vertical facies reversal surface and paleontological discontinuous surface,6 third-order sequences were divided in Hailar Basin. Tongbomiao Formation was developed at the initial subsiding stage. Nantun Formation was developed during the rapid subsiding stage. Damoguaihe Formation was formed in the strong extension stage and Yimin Formation was developed during the basin shrinkage stage. The distribution of the Early Cretaceous coal measures showed best in the eastern and northern, middle part come secondly, and southwest worst. Coal accumulated in the Yimin Formation and the second member of Nantun Formation,where the tectonic subsidence was showing the characters of intermittence,concussion and multi-cyclicity,providing the balance between the increasing rate of accommodation space and the peat accumulating rate favored the accumulation of the regional thick coal seams.
海拉尔盆地位于内蒙古自治区东部, 大兴安岭以西, 是中国重要的煤炭和油气资源产地之一(李思田, 1988; 张长俊和龙永文, 1995; 张吉光, 2002; 陈均亮等, 2007), 很多学者对海拉尔盆地早白垩世沉积环境、岩相古地理、聚煤规律及油气成藏模式等进行研究, 发现煤炭资源多集中在海拉尔盆地的北部(如呼伦湖凹陷、赫尔洪德凹陷和东明凹陷等)和东部(伊敏凹陷、旧桥凹陷和呼和湖凹陷), 而油气资源则集中在海拉尔盆地的西南部(查干诺尔凹陷、贝尔凹陷和乌尔逊凹陷)(徐美娥, 2005; 张成等, 2005; 彭威等, 2006; 刘春芳, 2007; 袁红旗等, 2008; 李军辉, 2010; 曹瑞成等, 2011; 韩莹, 2011); 另外就含煤性而言, 伊敏凹陷、呼和湖凹陷发育有上、下2个含煤段, 而呼伦湖凹陷、查干诺尔凹陷则不发育下含煤段, 这种含煤性及油气赋存的差异性是各凹陷沉降差异的结果, 而这种差异给海拉尔盆地内部全区范围的煤层对比、层序地层的划分与统一造成困难, 因此海拉尔盆地含煤岩系层序地层的研究是一个需要进一步探讨的课题。海拉尔盆地内部相互孤立的凹陷其沉积充填序列的相似性说明这些存在差异沉降的凹陷在构造演化上具有同步性或渐步性, 这就为盆地全区的层序地层对比提供可能。
作者在前人研究的基础上, 通过对海拉尔盆地早白垩世含煤岩系露头剖面及钻孔资料综合研究, 分析含煤岩系层序地层格架, 及煤层在层序格架中的分布模式, 并进行海拉尔盆地的沉积演化研究, 旨在为海拉尔盆地煤田勘探预测提供依据。
海拉尔盆地为海西褶皱基底上发育起来的中新生代断— 坳陷盆地, 位于中朝板块与西伯利亚板块的缝合线上(吴根耀等, 2006)。海拉尔盆地东以大兴安岭隆起为界; 西临西北隆起, 与蒙古国乔巴山盆地相望; 北部与布拉达林盆地相连; 东南以巴音宝力格隆起为界与二连盆地相对。盆地分为“ 两隆三坳” 5大构造单元, 由西向东依次为扎赉诺尔坳陷、嵯岗隆起、贝尔湖坳陷、巴彦山隆起和呼和湖坳陷, 盆内凹凸相间(图1, 图2), 有16个断陷, 且构造样式多以半地堑为主, 地堑型和复合型为辅(张长俊和龙永文, 1995; 张吉光, 2002; 陈均亮等, 2007; 张帆, 2007)。
海拉尔盆地下白垩统地层划分自20世纪80年代开始, 先后有地矿系统、煤炭系统及石油系统的各单位做了大量研究工作, 提出了各自的划分方案, 以“ 海拉尔盆地地层讨论会” (1990)的划分方法使用较为广泛, 即下白垩统扎赉诺尔群自下而上划分为铜钵庙组、南屯组、大磨拐河组和伊敏组(图2; 张长俊和龙永文, 1995; 万传彪, 2006), 即为文中采用的地层划分方案(表 1)。海拉尔盆地早白垩世有2个含煤层位— — 下含煤层和上含煤层, 分别与南屯组二段和伊敏组对应(图 3)。
文中的诸多层序、体系域的划分方式以Exxon公司“ Vail” 学派的观点(Van Wagoner et al., 1988)为基础, 综合邵龙义等(2008, 2009)和魏魁生等(1996)等对于陆相层序研究的成果。
3.1.1 层序界面
1)区域性不整合面。代表沉积间断, 往往出现岩性突变, 在研究区广泛存在, 表现为铜钵庙组底部的不整合, 界面之下为兴安岭群的火山岩。如在查干诺尔凹陷、呼和湖凹陷及乌尔逊凹陷, 铜钵庙组底界为明显的区域性不整合面(图 4)。
2)下切谷砂砾岩体的底面。这种砂体或直接覆盖在基底之上, 或发育在沉积岩之上, 常代表1次明显的侵蚀底面, 这一侵蚀面代表基准面下降而形成的层序界面。研究区三级层序边界常以这种下切谷砂体为特征, 且砂体厚度大, 具多重叠置结构。如呼和湖凹陷伊敏组与大磨拐河组分界线表现为下切河道形成的冲刷面(图 4)。
3)沉积相序转换面。在层序边界之下, 沉积物向上变粗, 代表水体逐渐变浅, 而层序边界之上, 沉积物向上变细, 反映水体逐渐变深。这种垂向上的反映沉积环境向上变浅再变深的沉积相转换面可作为层序界面。如乌尔逊凹陷大磨拐河组一段顶部为一套进积型的辫状河三角洲沉积, 而大磨拐河二段则表现为一套退积型的曲流河三角洲— 滨浅湖体系(图 3)。
4)古生物标志。层序界面上的古生物组合有明显的变化, 反映了环境的突变。如在查干诺尔凹陷、乌尔逊凹陷均有古生物组合突变的现象(图 3)。
3.1.2 初始湖泛面
此界面即为湖水首次越过坡折带或者下切河道所形成的界面, 主要表现在沉积范围的扩大和沉积水体的加深, 研究区一般将下切河道的砂砾岩之上发育的湖相泥岩或粉砂岩等细粒沉积的底界面作为初始湖泛面(图 3)。在没有河道发育的地带, 初始湖泛面与层序界面重合, 此时古土壤可能比较发育(Aitken and Flint, 1995; 杨利军等, 2002), 如查干诺尔凹陷大磨拐河组一段底界面。
3.1.3 最大湖泛面
最大湖泛面发育时期湖平面达到最高, 湖面积达到最大, 岩性上表现为一套向上变细的沉积序列, 代表水体最深的沉积, 若代表水体最深的岩性岩相在剖面上重复出现, 则为厚度向上变到最大的那个层位的底面即为最大湖泛面(鲁静等, 2007)(图 4)。
依据岩心、测井及古生物资料, 可将海拉尔盆地下白垩统地层划分为6个三级层序(图 3), 各层序分析如下(以乌尔逊凹陷为例):
层序Ⅰ :对应于铜钵庙组, 与下部兴安岭群呈角度不整合接触, 是凹陷初始裂陷期的产物, 断裂活动频繁, 且差异沉降明显, 湖泊范围较小且水体浅, 沉积岩性粒度较粗, 且分选较差, 主要发育冲积扇和扇三角洲沉积, 局部发育浅湖沉积, 表现出近缘快速堆积的特点。在层序的下部及上部均存在着表现水退的进积型的粗碎屑岩沉积, 岩性以砂砾岩为主; 层序中部岩性以泥岩为主, 说明该段是水进环境下的产物。该段孢粉组合为Cicatricosisporites-Cyathidites-Appendicisporites, 组合中蕨类植物孢子占93.1%, 裸子植物花粉占6.9%。
层序Ⅱ :与南屯组一段相当, 底部界面为一分布较广的区域不整合界面; 该时期凹陷快速沉降, 并出现第1次大规模的水进:底部发育大规模的扇三角洲、辫状河三角洲及湖底扇沉积, 即为该层序的低位体系域, 湖泊面积较小; 湖侵体系域沉积一套灰黑色粉砂岩和泥岩, 反映了浅湖到半深— 深湖的沉积环境, 湖泊面积明显扩大, 水体也逐渐加深。高位体系域发育扇三角洲沉积。孢粉组合为Piceaepollenites-Pinuspollenites-Abietineaepollenites, 组合中裸子植物花粉占绝对优势, 蕨类植物含量小于4.0%。
层序Ⅲ :对应于南屯组二段, 为凹陷的一套含煤岩系, 该时期凹陷仍处于快速沉降阶段, 岩性主要为一套灰黑色粉砂岩和深黑色泥岩, 夹煤层、灰白色细砂岩及灰色砾岩。该时期虽仍是凹陷的快速沉降阶段, 但是总体上位于伸展断陷阶段的晚期, 特点是凹陷断裂活动逐渐变缓, 这一特点明显区别与铜钵庙组和南屯一段的沉降特征, 层序Ⅲ 的这种特点导致可容空间变化速率与沉积物供给速率趋于平衡, 沉积了一套主要以细碎屑为主的湖泊— 扇(辫状河)三角洲沉积, 且地势差异不大, 出现了有利于成煤的古地理和古构造条件。低位体系域沉积时期, 受到东部断裂的影响, 在盆地边缘发育扇(辫状河)三角洲沉积以加积和进积方式向盆地中心推进, 在湖盆边缘的辫状河三角洲平原地带及滨浅湖区发育大片泥炭沼泽; 湖侵体系域沉积时期, 湖泊范围扩大, 且水体逐渐加深, 水体向湖盆边缘方向上超, 在辫状河三角洲平原低洼地带沼泽较为发育, 是该层序聚煤作用最为有利的时期; 高位体系域时期, 构造活动趋于稳定, 湖泊水体趋于稳定, 辫状河三角洲以加积和进积的方式向盆地中心推进, 湖泊面积缩小, 水体逐渐变浅, 同时湖盆边缘也有泥炭沼泽发育。该段孢粉组合为Classopollis-Pinuspollenits-Piceaepollenites, 组合以裸子植物占绝对优势, 蕨类植物较少出现, 同时偶见被子植物花粉。
层序Ⅳ :对应于大磨拐河组一段, 该时期断陷活动逐渐减弱, 但仍然受到早期主要断裂的继承性活动的影响, 湖泊范围进一步扩大, 物源区后退, 陆源碎屑物供应不足, 岩性以厚层灰黑色泥岩为主, 夹粉砂岩和砂岩。低位体系域沉积时期, 主要以湖泊相为主, 辫状河三角洲零星分布于湖盆边缘; 湖侵体系域时期, 湖泊面积达到最大, 深湖— 半深湖相较为发育, 并可见滑塌、浊流作用产生的湖底扇; 高水位体系域时期, 辫状河三角洲逐渐向凹陷中心推进, 仍以湖泊相为主, 局部地区可见湖底扇。孢粉组合Concentrisporites-Perinopollenites-Pinupollenites以裸子植物花粉占优势, 蕨类植物含量较少, 被子植物花粉并未发现。
层序Ⅴ :对应于大磨拐河组二段, 层序底界面表现为湖底扇或水下分流河道的冲刷面; 该时期凹陷仍为断坳转化阶段, 且大面积处于湖泊环境, 层序厚度较大, 岩性为灰色粉砂岩、黑色泥岩夹砂岩, 粒度向上变粗, 整体表现为反旋回特征。孢粉组合Cyathidites-Concentrisporites-Pinuspollenites, 特点是裸子植物占绝对优势, 蕨类植物次之, 被子植物花粉未见(蒙启安等, 2003; 万传彪, 2006)。
层序Ⅵ :即对应于伊敏组, 该时期为断陷萎缩期, 构造活动减弱, 低位体系域水体较浅, 前积作用明显, 河道沉积十分发育; 湖侵体系域主要以滨浅湖沉积为主, 以滨湖泥、砂坝沉积为主; 高位体系域主要以扇三角洲或辫状河三角洲沉积为主, 晚期主要为河流沉积。该时期也是乌尔逊凹陷的重要成煤期, 且主要的成煤阶段主要是湖侵体系域的早期和晚期以及高位体系域的中期。伊敏组一段孢粉组合Cicatricosisporites-Cyathidites-Leiotriletes, 特点是以蕨类植物占绝对优势, 裸子植物次之, 被子植物花粉零星出现。伊敏组二、三段孢粉组合Cyathidites-Leiotriletes-Pinuspollenites, 组合中蕨类植物含量略高于裸子植物, 被子植物花粉仍可零星出现(李春柏等, 2007)。
在参考前人研究的基础上, 对海拉尔盆地早白垩世几个重要断陷进行层序格架对比(图 4)。研究表明, 该时期各个断陷盆地沉积序列基本相近(周江羽等, 1996; 张金亮和沈凤, 1991), 全区的三级层序基本上可以对比。
铜钵庙期为海拉尔盆地的初始断陷期, 为海拉尔盆地各凹陷的层序Ⅰ , 该时期研究区内部各断陷均较小且相互隔绝, 从沉积特征上来看, 各断陷形成的层序Ⅰ 均以紫红色粗碎屑冲积扇沉积为主, 具干旱气候形成的紫红色磨拉石建造, 不含煤层, 孢粉组合亦证明了这一特征。
南屯组为断陷快速沉降阶段的产物, 此时, 海拉尔盆地内部各断陷水体普遍加深扩宽, 出现第1次大规模的湖侵。但是由于海拉尔盆地各断陷的沉降差异, 导致研究区东部和西部的层序发育特征明显不同。以嵯岗隆起为界, 以西的断陷盆地, 即扎赉诺尔坳陷(以查干诺尔凹陷为代表; 图4), 下降速率较大, 南屯组一段和二段之间沉积间断不太明显, 沉积相以扇三角洲、辫状河三角洲和湖泊相为主; 以东的坳陷沉降速率较小, 且有间歇性, 在南屯二段顶部发育有大规模下切河道(图 4; 乌尔逊凹陷), 层序界面明显; 另外在呼和湖坳陷, 各内部断陷在南屯二段发育有煤层, 这也表现了该时期沉降的间歇性和多旋回性, 此时期贝尔湖坳陷内部各断陷相互连通; 总而言之, 南屯组沉积时期, 海拉尔盆地自西向东, 沉降幅度逐渐减小, 沉积体系也由扇(辫状河)三角洲— 滨浅湖— 深湖向扇(辫状河)三角洲— 浅水沼泽湖泊相过渡。
大磨拐河组一段沉积期为盆地的稳定拉张阶段, 拉张强度与南屯组相比有所加大, 各断陷水体继续扩宽变深。该时期是盆地最大范围的一次水进, 各断陷沉积相均以湖泊相为主, 岩性以黑色泥岩为主, 偶夹浊积砂, 贝尔湖坳陷中各断陷相通(图 2), 是海拉尔盆地的重要烃源岩。
大磨拐河组二段沉积期仍为盆地的稳定拉张阶段, 但盆地总体上仍然沿袭了前一阶段西强东弱和南强北弱的构造格局, 东部、北部断陷水体较浅, 西部、南部偏深, 东北部各断陷可容空间的变化速率与沉积物供应基本平衡, 沉积环境多为扇(辫状河)三角洲— 滨浅湖, 为泥炭的堆积创造了良好的条件, 如呼和湖凹陷、伊敏凹陷、旧桥凹陷、东明凹陷及赫尔洪德凹陷; 而西部坳陷带如查干诺尔凹陷、呼伦湖凹陷及南部断陷带如贝尔凹陷、乌尔逊凹陷, 沉降速率仍然较大, 岩性仍以大段的灰黑色泥岩及泥质粉砂岩为主。
伊敏期是盆地各断陷萎缩阶段, 也是断陷发育的最后阶段, 此时海拉尔盆地整体隆升, 伊敏组全区分布, 嵯岗隆起以东地区不少断陷相互连通, 如贝尔凹陷经乌尔逊凹陷与新宝力格凹陷— 红旗凹陷— 赫尔洪德凹陷连通, 鄂温克凹陷与莫达木吉凹陷、旧桥凹陷及伊敏凹陷也连在一起, 均沉积了一套以河流沼泽相为主的含煤地层, 这样在嵯岗隆起以东地区构成了一个大型的伊敏期“ 含煤盆地” 。
通过上述对海拉尔盆地几个典型凹陷的层序地层对比分析及沉积相研究, 可将海拉尔盆地构造、沉积演化归纳如下(图 5):
海拉尔盆地主要经历了断陷的初始强烈拉张阶段、快速沉降阶段、稳定拉张阶段和萎缩阶段, 而作为盆地演化的历史记录, 盆地的充填序列自下而上呈现出4套沉积组合, 依次为底部粗碎屑冲积物段、含煤碎屑岩段和湖相段、湖相泥岩段、含煤碎屑岩段, 沉积环境也经历着以洪积— 冲积相为主的沉积物— 扇(辫状河)三角洲为主— 湖泊相为主— 河流、湖沼相为主的演化。煤层多发育于古气候相对潮湿的伊敏组(断陷萎缩阶段)和南屯组二段, 而生油层则主要发育在断陷的稳定拉张阶段和快速沉降阶段的南屯组及大磨拐河组的灰色泥岩段。
研究表明, 泥炭的堆积和保存需要足够高的水位以覆盖正在腐烂的植物并阻止其被氧化, 同时水位又要足够低以确保活着的植物不被淹死(Stach et al., 1982)。这说明要形成有可采价值的煤层的根本要素是可容空间的产生速率需长时间与泥炭堆积速率保持平衡, 确保泥炭不会因为基准面过低而被氧化, 也不会因为基准面过高而导致成煤植物死亡进而终止泥炭的堆积。扎赉诺尔群的主要含煤层段主要位于南屯组二段(层序Ⅲ )和伊敏组(层序Ⅵ )的湖侵体系域, 高位体系域次之, 这些位置具备了大规模泥炭堆积和保存的条件。
从层序Ⅲ 、Ⅵ 中煤层的发育情况(表 2)可以看出, 层序Ⅵ 聚煤最为有利, 煤层主要位于湖侵体系域, 高位体系域次之; 因为此时是断陷萎缩阶段, 海拉尔盆地整体隆升, 可容空间产生速率与泥炭堆积速率基本相同, 这样层序Ⅵ 全区分布, 嵯岗隆起以东地区不少断陷相互连通, 均沉积了一套以河流沼泽相为主的含煤地层; 而层序Ⅲ 位于断陷沉降虽出现短暂的间歇性和多旋回性, 但整体位于断陷的快速沉降阶段, 煤层多分布在凹陷浅湖周缘扇(辫状河)三角洲平原和湖滨带, 即位于湖侵体系域中, 往凹陷中心与湖湘泥岩指状交叉。
1)海拉尔盆地可识别出区域不整合面、下切谷砂砾岩及沉积相突变面等层序界面。共识别出6个三级层序, 其中铜钵庙组对应层序Ⅰ , 南屯组一段对应于层序Ⅱ , 南屯组二段为层序Ⅲ , 大磨拐河组一段对应于层序Ⅳ , 大磨拐河组二段对应于层序Ⅴ , 伊敏组对应于层序Ⅵ 。
2)铜钵庙组(层序Ⅰ )属于盆地初始强烈拉张阶段, 南屯组(层序Ⅱ 、Ⅲ )是盆地快速沉降阶段的产物, 大磨拐河组(层序Ⅳ 、Ⅴ )是盆地稳定沉降阶段, 伊敏组(层序Ⅵ )为断陷萎缩阶段的产物。层序Ⅲ 位于盆地快速沉降阶段的晚期, 层序Ⅵ 位于盆地萎缩阶段的早期, 这2个时期能够保证可容空间产生速率与泥炭堆积速率之间的相对平衡, 从而形成了区域性的厚煤层。
3)海拉尔盆地聚煤特征受到西强东弱、南强北弱这种差异沉降的影响, 导致海拉尔盆地早白垩世含煤地层的煤层发育表现为东部和北部好、中部次之、西南部差的特点。
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