Ⅰ 煤段系指K₁砂岩底至K₂灰岩(L₁灰岩)底之间的岩性段(图2)。该段底部的K₁砂岩为灰白色中厚层— 厚层状细粒石英砂岩, 石英含量占90%以上, 细粒— 中粒结构, 分选较好, 次圆状, 发育平行层理、大型楔状交错层理, 显示其为高能环境下的产物, 应属于障壁岛砂体沉积。向上过渡为灰色(风化为灰白色)薄层状铝土质泥岩, 发育水平层理, 属于典型的潟湖沉积。再向上为浅灰色细粒砂岩、粉砂岩, 细粒砂岩分选中等, 次棱角状, 杂基含量明显增大, 含丰富的菱铁矿鲕粒, 且由下向上, 砂岩粒度变细, 鲕粒含量减小、直径变小, 应属于溢流扇远端沉积。在溢流扇砂体之上为灰色薄层状泥岩夹薄煤层(16^#煤), 发育水平层理, 属于泥炭坪沉积。随后水体又变深, 又沉积了潟湖相的铝土质泥岩, 后期随着陆源物质注入, 潟湖被充填淤浅, 发育了大量的粉砂岩透镜体。随着水体持续变浅, 向上又沉积了粉砂岩与泥岩的薄互层, 发育脉状层理和透镜状层理, 产丰富的植物化石Annularia sp., Sphenophyllum sp., Calamites sp., Pecopteris sp.和Neuropteris sp., 属于混合坪沉积。向上又过渡为具水平层理的灰色薄层状泥岩, 产植物化石Neuropteris ovata和Asterophyllites equisetiformis(候吉辉等, 1987), 属于泥坪沉积。此后, 随着植被的繁盛和泥沼(碳质泥岩)的发育, 从而形成了15^#煤层, 属于泥炭坪沉积。随着水体加深, 在15^#煤之上又沉积了硅质泥岩、铝土质泥岩, 发育水平层理, 属于潟湖相沉积。之后, 沉积了14^#煤, 属于泥炭坪沉积。由此可见, Ⅰ 煤段是一套潟湖、潮坪和障壁岛的沉积, 自下向上依次为障壁岛— 潟湖— 溢流扇— 潮坪— 潟湖— 潮坪— 潟湖— 潮坪沉积。Ⅰ 煤段发育本区重要开采煤层(15^#煤层), 并赋存有价值的煤层气资源, 其形成背景与障壁岛— 潟湖— 潮坪沉积体系有明显的关联。

Ⅱ 煤段系指K₂灰岩(L₁灰岩)底至K₃灰岩(L₃灰岩)底之间的岩性段(图 2)。L₁灰岩, 又称松窑沟灰岩, 为深灰色中厚层— 厚层状生物碎屑灰岩, 发育断续波状层理和不规则丘状交错层理, 含大量团块状或条带状燧石结核, 产纺锤虫类、珊瑚、介形类、腕足类、三叶虫、牙形刺等实体化石及Chondrites、Nereites、Thalassinoides、Zoophycos等遗迹化石。该灰岩总体为正常浅海(开阔台地)沉积, 其顶部泥质含量明显增大、生物含量显著减小, 过渡为局限海湾(局限台地)沉积。值得强调的是, L₁灰岩自下而上可细分为7个分层, 其中, L₁-5分层产黑色充填的Zoophycos遗迹化石, 之上的 L₁-6分层产Chondrites和Nereites遗迹化石, 这表明在L₁-5和L₁-6两个分层沉积时, 水体相对较深, 沉积底层处于还原环境, 也说明本区在此时的海水较深, 海侵规模较大。在L₁至L₂灰岩之间的层段, 由灰黑色薄层状粉砂岩与砂质泥岩互层组成, 发育水平层理、脉状层理、透镜状层理, 属于中— 上潮坪(混合坪至泥坪)沉积。该潮坪沉积之上的L₂灰岩主要为浅灰色(风化为土黄色)薄层状(单层厚度小于5 cm)的泥质灰岩或泥灰岩, 发育水平层理, 含大量菱铁矿结核, 生物化石稀少, 属于局限海湾(局限台地)沉积, 但顶部变为灰色厚层状灰岩, 并含有遗迹化石Helminthopsis(拟蠕形迹)和Palaeophycus(古藻迹), 系正常浅海(开阔台地)沉积。在L₂至L₃灰岩之间的层段, 主要为灰色薄层状砂质泥岩与粉砂岩互层, 发育脉状层理、透镜状层理, 属于混合坪沉积, 但在中上部夹有灰色薄层— 中厚层状中粒砂岩, 并发育楔状交错层理, 砂岩厚度从0.5~1.5 m不等, 可解释为局部潮渠沉积, 而顶部变为碳质泥岩和13^#煤层(薄煤层), 发育水平层理, 含丰富的植物化石, 属于泥炭坪沉积。上述沉积特征和序列表明, K₂段形成的沉积环境, 自下向上依次为开阔台地— 局限台地— 潮坪(混合坪至泥坪)— 局限台地— 开阔台地— 潮坪(混合坪至泥炭坪)。该层段沉积大部分形成于水体相对较深的环境, 泥炭沼泽沉积不太发育, 无可采煤层。

Ⅲ 煤段系指K₃灰岩(L₃灰岩)底至K₄灰岩(L₅灰岩)底之间的岩性段(图 2)。L₃灰岩, 又称老金沟灰岩, 为深灰色中厚层— 厚层状生物碎屑灰岩和含生物碎屑灰岩, 局部夹有燧石结核或条带, 产纺锤虫类、珊瑚、介形类、牙形刺等实体化石及Helminthopsis, Ophiomorpha, Palaeophycus, Teichichnus和Zoophycos等遗迹化石, 属于正常浅海(开阔台地)沉积。在L₃至L₄灰岩之间的层段, 按岩性特点可分为上、中、下3部分, 下部为灰色薄层状泥岩与粉砂岩互层, 发育脉状层理、透镜状层理, 属于混合坪沉积; 中部为灰色薄层— 中厚层状中粒砂岩, 发育楔状交错层理, 横向上该砂岩呈透镜状产出, 厚度1 m左右, 可解释为潮渠沉积; 上部为灰黑色薄层状碳质泥岩和12^#煤层, 发育水平层理, 含植物化石碎片, 属于泥炭坪沉积。L₄灰岩, 又称K₃^上灰岩或俗称崇福寺灰岩, 下部为深灰色含生物碎屑灰岩, 偶夹燧石团块, 产纺锤虫类、珊瑚等动物化石, 为正常浅海(开阔台地)沉积; 上部灰岩含铁质结核, 产Zoophycos和Thalassinoides遗迹化石, 为局限海湾(局限台地)沉积。在L₄至L₅灰岩之间的层段, 按岩性特点可分为上、下2部分, 下部为灰色薄层状粉砂岩与砂质泥岩互层, 发育脉状层理、透镜状层理, 属于混合坪沉积; 上部为灰色、深灰色薄层状泥岩, 灰黑色碳质泥岩和11^#煤层, 发育水平层理, 属于泥坪— 泥炭坪沉积。此外, Ⅲ 煤段的粉砂岩和泥岩中产有Sphenophyllum cf. verticillatum和Pecopteris sp.等植物化石。该Ⅲ 煤段的沉积特征和沉积序列显示, 自下向上经历了开阔台地— 潮坪(混合坪至泥炭坪)— 开阔台地— 局限台地— 潮坪(混合坪至泥炭坪)的沉积过程。该段潮坪环境中的泥炭坪沉积较薄, 11^#煤层和12^#煤层均不可采。

Ⅳ 煤段系指K₄灰岩(L₅灰岩)底至K₅灰岩(L₇灰岩)底之间的岩性段(图 3)。L₅灰岩, 又俗称红矾沟灰岩, 为深灰色中厚层— 厚层状生物碎屑灰岩, 顶部和底部夹有黑色燧石条带, 产纺锤虫类、珊瑚等实体化石, 属于正常浅海(开阔台地)沉积。顶部灰岩泥质含量显著增大, 含铁质结核, 层面所产Zoophycos丰度低、个体小(剖面直径一般小于2 mm), 为局限海湾(局限台地)沉积。在L₅至L₆灰岩之间的层段, 按岩性特点可分为上、中、下3部分, 下部为灰色薄层状泥岩、砂质泥岩与粉砂岩互层, 发育脉状层理、透镜状层理, 属于混合坪沉积; 中部为灰色中厚层— 厚层状中粒石英砂岩, 发育大型楔状交错层理, 在横向上呈透镜状展布, 厚度超过2 m, 可解释为障壁岛沉积; 上部为粉砂岩与砂质泥岩薄互层, 发育透镜状层理, 属于混合坪沉积; 顶部为灰黑色薄层状碳质泥岩和9^#煤层, 发育水平层理, 产有植物化石Sphenopteris sp., Pecopteris sp., Neuropteris ovata, Taeniopteris sp., Cordaites principalis等, 属于泥炭坪沉积。

图3

Fig.3

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	图3 山西沁水盆地东南部太原组Ⅳ — Ⅵ 煤段沉积相剖面图Fig.3 Sedimentary facies division of lithological members Ⅳ -Ⅵ of the Taiyuan Formation in southeastern Qinshui Basin, Shanxi Province

L₆灰岩, 又称K₄^上灰岩或俗称滩山洼灰岩, 为深灰色薄层— 中厚层状生物碎屑灰岩, 偶含燧石团块, 产纺锤虫类、珊瑚等实体化石及Zoophycos遗迹化石, 下部还发育多期风暴沉积, 该层灰岩属于正常浅海(开阔台地)沉积。在L₆至L₇灰岩之间的层段, 含多层煤层, 中、下部为细粒砂岩、粉砂岩与泥岩、碳质泥岩薄互层、含8-2^#和8-1^#煤层, 发育水平层理、脉状层理和透镜状层理, 属于混合坪和泥炭坪沉积; 上部为灰色厚层状中粒石英砂岩, 发育大型楔状交错层理, 属于障壁岛沉积; 顶部为7^#煤和碳质泥岩, 属于泥炭坪沉积。上述沉积特征和沉积序列表明, 自下而上, Ⅳ 煤段依次为开阔台地— 局限台地— 潮坪(混合坪)— 障壁岛— 潮坪(混合坪、泥炭坪)— 开阔台地— 潮坪(混合坪、泥炭坪)— 障壁岛— 潮坪(泥炭坪)沉积。进一步分析发现, 该Ⅳ 煤段发育多层煤层(9^#、8-1^#、8-2^#和7^#煤层), 其中9^#煤层部分可采并含有可供抽采的煤层气资源, 这与局限台地— 障壁岛— 潮坪沉积体系有密切的关系。

Ⅴ 煤段系指K₅灰岩(L₇灰岩)底至K₆灰岩(L₈灰岩)之下的厚层细粒石英砂岩顶面之间的岩性段(图 3)。L₇灰岩, 又俗称附城灰岩, 为深灰色中厚层— 厚层状生物碎屑灰岩, 中上部夹3~4层燧石结核条带, 含纺锤虫类、珊瑚、介形类、腕足类、三叶虫、牙形刺等实体化石及Chondrites, Rhizocorallium, Zoophycos等遗迹化石, 总体上属于正常浅海(开阔台地)沉积, 但顶部泥质含量增大, 常风化为土黄色, 分析认为是过渡为局限海湾(或潟湖)沉积。值得强调的是, L₇灰岩可进一步细分为6个分层(自下而上编号为L₇-1至L₇-6), 其中L₇-3分层产有个体细小并具有黑色充填物的Zoophycos遗迹化石, 显示其形成时水体较深, 代表着本区又经历一次较大规模的海侵(胡斌等, 2013)。

在L₇灰岩之上的含煤碎屑岩层段, 按岩性特点可分为上、中、下3部分, 下部为钙质泥岩、泥岩, 发育水平层理, 含大量腕足类化石, 如Derbyia sp., D. gruenewaldti, Juressania cf. juressanensis, Rugosochonetes sp., Marginifera sp.等, 属于潟湖沉积; 中部主要为灰色薄层— 中厚层状细粒砂岩, 发育中型— 小型波状交错层理, 其下为薄层状粉砂岩夹泥岩, 其上为薄层状粉砂岩夹泥岩、碳质泥岩和6^#煤层, 发育水平层理和脉状层理, 属于障壁岛砂坪、混合坪、泥坪和泥炭坪沉积; 上部主要为中厚层— 厚层状细粒砂岩, 发育大型楔状交错层理, 属于障壁岛沉积。

上述特征表明, V煤段自下向上依次发育的沉积环境为开阔台地— 局限台地— 潟湖— 潮坪(混合坪、砂坪、混合坪、泥坪、泥炭坪、混合坪)— 障壁岛沉积(图3)。该段发育6^#煤层, 该煤层局部可采并含有可供抽采的煤层气资源, 其沉积背景为局限海湾。

Ⅵ 煤段系指K₆灰岩(L₈灰岩)之下的厚层细粒石英砂岩顶至K₇砂岩底之间的岩性段(图 3)。L₈灰岩, 又俗称山垢灰岩或小东沟灰岩, 为一层浅灰色泥质灰岩或泥灰岩, 在陵川县附城镇松窑沟太原组剖面露头上不甚发育, 厚度仅0.2 m, 含纺锤虫类Schwagerina sp., 瓣鳃类Astartella cf. orientalis, Streblochondria?sp.以及腹足类Bellerophon sp.和 Anomphalus sp.等生物化石, 为局限海湾(局限台地)沉积。L₈灰岩之下为薄层状泥岩夹粉砂岩和5^#煤层, 发育水平层理和透镜状层理, 属于混合坪和泥炭坪沉积; L₈灰岩上为黑色泥岩, 含大量菱铁矿结核或透镜体, 属于潟湖沉积。因此, 该Ⅵ 煤段自下而上依次为潮坪(混合坪和泥炭坪)— 局限台地— 潟湖沉积。

这种聚煤环境形成的沉积背景与障壁岛— 潟湖— 潮坪沉积体系密切相关。太原组中出现的障壁岛, 也可以称之为障壁砂岛或砂坝, 是平行或近平行于海岸并高出海面的狭长形砂体, 因其对广海海水的隔挡作用而成为潟湖的屏障。潟湖水体由于处于局限流通状态, 水动力条件以潮汐为主, 波浪作用微弱, 所以水能量较小。在潟湖周围的宽缓地带, 往往形成潮坪沉积。在该沉积区, 由于地形平缓, 加之潮汐水位升降的幅度一般为2~3 m(最大可超过10 m), 所以在平面上往往形成广阔的潮间带。潮上坪位于潮坪的潮上部分, 其分布范围比潮间坪更为广泛, 在气候湿润和植被繁盛的条件下, 可发育泥炭沼泽, 从而形成良好的聚煤环境。

在这种聚煤环境下, 发育有5种沉积类型(图 4)。类型1由潟湖、混合坪和泥炭坪沉积构成(图 4-A), 见于陵川剖面L₁之下的Ⅰ 煤段, 如图2中的5— 9层, 顶部泥炭坪沉积发育15^#煤层; 类型2由潟湖和泥炭坪沉积组成(图 4-B), 下部的潟湖沉积为灰色、深灰色薄层状铝土质泥岩, 上部为煤层或碳质泥岩夹煤线, 如图2中的第9层, 顶部泥炭坪沉积发育14^#煤层; 类型3由障壁岛、潟湖、溢流扇和泥炭坪沉积组成(图 4-C), 其中的溢流扇沉积为细粒砂岩和粉砂岩, 具正粒序层理, 之上为泥炭坪沉积, 往往形成薄煤层或碳质泥岩夹薄煤层或煤线, 如图2中的1— 4层(16^#煤层); 类型4为障壁岛加泥炭坪沉积(图 4-D), 下部的障壁岛沉积为中厚层— 厚层状中、细粒石英砂岩, 发育平行层理、大型楔状和板状交错层理, 上部的泥炭坪沉积常见薄煤层或碳质泥岩夹煤线(7^#煤层), 如图3中的44— 45层; 类型5由障壁岛、混合坪和泥炭坪沉积组成(图 4-E), 此沉积类型与类型4总体特征几乎相同, 但上部的泥炭坪沉积之下发育砂泥薄互层为代表的混合坪沉积, 如图3中的29— 31层(9^#煤层)及53— 54层(5^#煤层)。

图4

Fig.4

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	图4 岛湖潮坪聚煤环境模式及沉积序列类型(A— E)Fig.4 Coal-accumulating environment model and depositional sequence types(A-E) of tidal flat associated with barrier island and lagoon depositional system

上述沉积序列表明, 岛湖聚煤环境中的潮坪地带可形成2种类型的泥炭坪, 即:潟湖后泥炭坪和岛后泥炭坪。潟湖后泥炭坪, 位于潟湖靠陆地一侧, 分布面积广, 所形成的煤层厚度大、层位稳定, 大多数可采, 其沉积序列通常是, 底部以障壁岛砂体沉积开始, 向上依次过渡为潟湖— 潮坪沉积, 有时伴随着水深变化, 可再次发育潟湖— 潮坪沉积, 最后过渡为碳酸盐岩台地沉积。岛后泥炭坪, 位于障壁岛后靠潟湖一侧, 分布面积相对较小, 往往形成薄煤层, 局部形成较厚的可采煤层, 但容易因潮道的侧向迁移而发生破坏或被冲蚀, 其沉积序列显示下部为障壁岛砂体沉积, 上部为潮坪沉积, 最后过渡为碳酸盐岩台地沉积。根据沁水盆地东南部煤层气勘探开发钻孔分析, 属于岛湖聚煤环境形成的15^#煤层最厚(一般5 m以上), 9^#煤层部分可采, 并且都含具有工业开采价值的煤层气资源。由此可以推断, 高含量煤层气的生成环境与局限或封闭的滞留环境有关。

该模式是指沿海湾靠陆一侧发育的潮坪成煤环境, 与上一种模式的不同之处在于, 一般不发育水面之上的障壁岛(或砂岛), 而是在水面之下或附近的碳酸盐岩浅滩或沿岸浅砂滩(砂岛)。这种浅滩是指能量高、水体相对较浅(位于正常浪基面之上)的沉积环境。沉积物有碳酸盐鲕粒、藻粒、内碎屑、生物碎屑和砂等多种类型。浅滩形态多样, 可以呈丘状、席状或堤状, 且规模变化较大。浅滩可露出水面, 也可处于水下, 并可随着海水进退而向陆地或海方向迁移。浅滩向陆一侧为局限海湾, 当海退水体变浅时会演变为潟湖, 这时会出现潟湖、潮坪沉积。向海一侧为开阔海。由于浅滩对广海海水的隔挡作用, 其内侧局限海湾(潟湖)的水动力条件较弱, 主要受潮汐作用影响, 所以在局限海湾(潟湖)周围便形成了潮坪沉积。在局限海湾(潟湖)靠陆一侧, 由于河流携带陆源碎屑物质的注入, 形成碎屑岩潮坪沉积, 在适宜的条件下可发育泥炭坪, 称之为局限海湾(潟湖)后泥炭坪(图 5)。局限海湾(潟湖)后泥炭坪沉积序列起始于局限台地沉积, 向上过渡为潟湖、潮坪沉积, 或直接过渡为潮坪沉积, 最后演化为碳酸盐岩台地沉积。

图5

Fig.5

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	图5 局限海湾(潟湖)潮坪聚煤环境模式及沉积序列类型(A、B)Fig.5 Coal-accumulating environment model and depositional sequence types(A, B)of tidal flat alongside restricted bay(lagoon)

本区太原组的局限海湾(潟湖)后泥炭坪沉积出现2种沉积序列, 即图5中的类型A和类型B(图 5)。类型A(图 5-A)由局限台地、混合坪和泥炭坪沉积组成。此沉积类型下部为局限台地沉积, 岩性为(含)生物碎屑灰岩, 含广盐性动物化石; 中部为混合坪沉积, 岩性为灰色、深灰色薄层状粉砂岩与泥岩互层, 发育脉状层理、波状层理和透镜状层理等潮汐层理, 含动物、植物化石; 上部直接为煤层或泥岩夹煤层(线), 发育水平层理, 有时泥岩中可夹薄层砂质沉积, 具透镜状层理。此沉积类型比较常见, 如图2剖面中L₁— L₂之间含煤层段、L₄— L₅之间含煤层段(11^#煤层)。类型B(图 5-B)自下而上为局限台地、潟湖、混合坪、砂坪、混合坪和泥炭坪沉积(6^#煤层), 局限台地主要是灰泥岩或泥灰岩沉积, 潟湖沉积主要是灰色薄层状铝土质泥岩、钙质泥岩和泥岩, 混合坪沉积为灰色粉砂岩与泥岩薄互层, 发育脉状层理、透镜状层理等典型的潮汐层理, 砂坪沉积一般为薄层— 中厚层状细粒石英砂岩, 发育波状交错层理。从该研究区太原组剖面各含煤层段的煤层发育特征来看, 局限海湾(潟湖)潮坪聚煤环境可出现可采煤层(6^#煤层), 并含有可抽采的煤层气资源, 但也有无开采价值薄煤层(如11^#煤层), 前者与局限环境有关, 后者可能与环境的开放程度有关。

这种聚煤模式与前2种模式的显著不同在于未出现障壁岛或浅滩沉积, 潮坪直接发育于无障壁的滨岸地带。由于没有障壁岛或浅滩的障壁作用, 所以在沉积序列上无潟湖和障壁岛沉积。这种情况下的滨岸地带具有如下特征:海底坡度极为平缓, 波浪作用微弱, 潮汐作用较强, 主要为粉砂淤泥质沉积, 属于低能滨岸带的潮坪沉积。因为沉积基底极为平缓, 加之潮汐作用显著, 所以往往形成广阔的潮坪沉积。在适宜的条件下, 低能滨岸带也可形成泥炭坪, 称之为滨岸泥炭坪。

本区太原组的滨岸潮坪聚煤环境出现4种沉积序列, 即图6中的类型 A— D(图 6)。类型A(图 6-A)由开阔台地、混合坪和泥炭坪沉积组成。此沉积类型下部为开阔台地灰岩沉积, 含窄盐性动物化石; 向上变为砂泥薄互层的混合坪沉积, 发育脉状层理、透镜状层理, 顶部为薄煤层(8-2^#煤层), 见于陵川剖面L₆— L₇之间含煤层段, 如图6中的32— 35层。类型B(图 6-B)由砂坪、混合坪和泥炭坪沉积组成, 见于陵川剖面L₆— L₇之间含煤层段(8-1^#煤层), 如图6中的36— 42层。类型C(图 6-C)

图6

Fig.6

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	图6 滨岸潮坪聚煤环境模式及沉积序列类型(A— D)Fig.6 Coal-accumulating environment model and depositional sequence types(A-D)of coastal tidal flat

自下而上为开阔台地、混合坪、潮渠和泥炭坪沉积, 其中, 潮渠沉积主要为薄层— 中厚层状中粒砂岩, 发育中型— 大型楔状交错层, 往往呈透镜状穿插于混合坪或泥坪之中, 在横向上延伸不远即尖灭, 该类型见于陵川剖面L₃— L₄之间含煤层段(12^#煤层), 如图2中17— 20层。类型D(图 6-D)自下而上为开阔台地、混合坪、潮渠、混合坪和泥炭坪沉积, 此沉积类型与类型C的显著区别在于潮渠与泥炭坪之间出现混合坪沉积, 但潮渠沉积类似。此沉积类型也见于陵川剖面L₂— L₃之间含煤层段(13^#煤层), 如图2中 12— 16层。该研究区太原组沉积期滨岸潮坪聚煤环境形成的煤几乎都不可采, 这可能与频繁的潮汐和海浪作用有关, 这种水流作用会对泥炭沼泽沉积产生破坏或影响。