研究区位于山西省沁水盆地东北部的昔阳县至阳泉市一带(图 1), 属太行山系, 海拔高度处在900~1300m之间。在中生代以前, 沁水盆地为大华北克拉通盆地的一部分(琚宜文等, 2009), 古构造上属于华北地台中带, 在晚古生代主要呈现出海陆交互相的古地理背景。该盆地晚古生代含煤地层自下而上包括石炭系和二叠系的本溪组、太原组以及山西组、下石盒子组和上石盒子组, 下与中奥陶统峰峰组呈平行不整合接触, 上与上二叠统石千峰组整合接触。沁水盆地太原组沉积期主要发育障壁— 潟湖、潮坪、滨外陆棚(碳酸盐岩台地)和三角洲沉积体系, 山西组和下石盒子组沉积期主要为三角洲沉积体系, 上石盒子组沉积期则主要为冲积平原沉积体系(邵龙义等, 2006)。

图 1

Fig.1

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	图 1 山西沁水盆地东北部位置和研究井位及剖面分布Fig.1 Location of northeastern Qinshui Basin, Shanxi Province and distribution of studied wells and sections

本研究主要采用沉积学理论与方法, 对野外露头剖面和钻孔岩心的沉积特征, 包括岩性特征、沉积构造和化石特征进行详细描述, 并拍摄典型沉积特征照片200余张, 采集灰岩样品76个并制作成薄片, 经偏光显微镜观察和鉴定, 确定微观成分及化石类型, 根据宏观和微观沉积特征的综合分析, 划分出多种沉积序列类型和沉积相, 在此基础上绘制相柱状图并分析沉积序列及其沉积环境的垂向变化规律, 从而提出本区太原组的沉积环境模式。

山西昔阳县附近黑土岩村露天煤矿一带太原组出露良好(图 2), 其顶界与山西组底部的北岔沟砂岩呈整合接触, 底界以晋祠砂岩之底与本溪组呈整合接触, 实测地层厚度约为145m。该地区太原组岩石类型主要包括灰岩、砂岩、粉砂岩、砂质泥岩、泥岩、碳质泥岩以及煤层, 自下而上, 可分为下部碎屑岩段、中部灰岩段(图 3)与上部碎屑岩段(图 4)。下部碎屑岩段以灰色细砂岩、粉砂岩、灰黑色泥岩和黑色碳质泥岩为主, 产有植物化石, 含有16^#、15^#和14^#煤层, 其中15^#煤层最厚, 为半暗煤和半亮煤, 是全区稳定可采煤层, 中部夹1层不稳定且含生物碎屑的灰岩(L₁), 横向上呈透镜体分布。在本段底部为灰色中厚— 厚层状的细— 粗粒砂岩(俗称晋祠砂岩), 常见平行层理、楔状交错层理和槽状交错层理。中部灰岩段由多层灰岩(L₂-L₅)组成, 夹薄层泥岩、细砂岩、粉砂岩、砂质泥岩和煤层(13^#、12^#和11^#)。灰岩中均含有丰富的䗴类、海百合茎、有孔虫、介形虫、腕足类等化石。上部碎屑岩段由灰白色、灰色粗砂岩、中砂岩、细砂岩、粉砂岩、灰黑色泥岩、黑色碳质泥岩及多层煤层(9-3^#、9-2^#、9-1^#、8-4^#、8-3^#、8-2^#和8-1^#)组成, 其底部为灰白色厚— 巨厚层状及块状粗— 细粒砂岩(俗称黑土岩砂岩), 具平行层理、楔状交错层理和槽状交错层理。

图 2

Fig.2

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	图 2 山西昔阳黑土岩村剖面宏观照片及地层划分Fig.2 Stratigraphic division and macroscopic photo of Heituyan Village section in Xiyang area, Shanxi Province

图 3

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	图 3 山西昔阳黑土岩村实测露头剖面太原组下部碎屑岩段和中部灰岩段地层和沉积特征柱状图Fig.3 Stratigraphic-sedimentary column of the lower clastic rock member and middle limestone member of Taiyuan Formation of Heituyan Village section in Xiyang area, Shanxi Province

图 4

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	图 4 山西昔阳黑土岩村剖面太原组上部碎屑岩段相柱状图Fig.4 Stratigraphic-sedimentary column of the upper clastic rock member of Taiyuan Formation of Heituyan Village section in Xiyang area, Shanxi Province

基于研究剖面及钻孔岩心的岩性特征、沉积构造及化石特征, 沉积序列的组成与分布特征, 太原组含煤岩系可识别出5种沉积相、3种亚相和5种微相(图 3, 图 4), 各种沉积相及其沉积序列类型分述如下。

3.1 障壁岛相、潟湖相、潮坪相沉积特征及其沉积序列类型

障壁岛相沉积出现于太原组下部碎屑岩段, 主要是一套灰色中厚— 厚层状细粒和中、粗粒石英砂岩。该砂岩的分选性和磨圆度较好, 成熟度较高, 常见平行层理、楔状、板状和槽状交错层理, 未见完整的实体化石和遗迹化石。

潟湖相沉积也产于太原组下部碎屑岩段, 主要由灰色、灰黑色泥岩、粉砂质泥岩和生物碎屑质泥晶灰岩组成, 常见水平层理和植物碎片, 泥岩中含有大量的菱铁质结核(图 6-a)。生物碎屑质泥晶灰岩是本区太原组中出现的第1层灰岩(L₁), 区域上不稳定, 呈透镜体产出, 岩石结构整体以泥晶(粒径小于0.005mm)为主, 局部可见细粉晶和重结晶现象, 生物碎屑含量介于25%~50%之间, 种类主要有棘皮类、䗴类、有孔虫类、介形类和藻类等, 较破碎(图 5)。

图 5

Fig.5

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	图 5 山西昔阳黑土岩村剖面太原组L1灰岩中的生物碎屑特征 a— 棘皮类碎屑及重结晶现象; b— 䗴类(明显的旋壁具有致密层和蜂巢层和隔壁褶皱, 房室亮晶充填); c— 介形虫类(层纤结构, 亮晶充填)、棘皮类和藻类; d— 有孔虫类与介形类碎屑Fig.5 Bioclastic characteristics in the L1 limestones of Taiyuan Formation of Heituyan Village section in Xiyang area, Shanxi Province

图 6

Fig.6

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	图 6 山西昔阳黑土岩村剖面部分沉积构造及遗迹化石特征 a— 水平层理及菱铁质结核; b— 透镜状层理及脉状层理; c— 泥坪中的水平层理; d— Zoophycos遗迹化石; e— 碎屑岩潮坪中的透镜状层理及水平层理; f— 分流河道砂岩中的楔状交错层理; g— 混积潮坪中的透镜状层理及水平层理Fig.6 Characteristics of the partial sedimentary structures and ichnofossils in the Taiyuan Formation of Heituyan Village section in Xiyang area, Shanxi Province

潮坪相沉积主要由混合坪(包括混积潮坪)、泥坪或泥炭坪亚相组成, 呈多层出现在太原组中、下部层段中, 岩性以灰色、深灰色、灰黑色粉砂岩、泥岩、碳质泥岩和煤为主, 常见植物碎片和水平层理、微波状层理、透镜状层理和脉状层理等(图 6-b, 6-c, 6-e, 6-g)。

混合坪沉积主要为灰色薄层状的粉砂岩、泥岩, 灰黑色薄层状的粉砂质泥岩和灰色薄层状细砂岩, 常呈不等厚互层产出。泥坪沉积主要为灰黑色、黑色薄层状泥岩, 含较多植物碎屑, 而泥炭坪沉积则主要为黑色薄层状碳质泥岩和煤层, 均发育水平层理。

上述障壁岛、潟湖和潮坪相沉积在垂向上的沉积序列变化显示出以下4种不同的类型, 分别划分为太原组沉积序列类型Ⅰ (障壁岛+泥炭坪+混合坪沉积序列, 图 7)、类型Ⅱ (潟湖+泥炭坪+泥坪沉积序列, 图 8)、类型Ⅲ (混合坪+泥炭坪+泥坪沉积序列, 图 9)和类型Ⅳ (浅海+混积潮坪+泥炭坪沉积序列, 图 10)。

图 7

Fig.7

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	图 7 山西昔阳黑土岩村剖面太原组沉积序列类型Ⅰ 的沉积特征Fig.7 Sedimentary characteristics of the sedimentary succession type Ⅰ in the Taiyuan Formation of Heituyan Village section in Xiyang area, Shanxi Province

图 8

Fig.8

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	图 8 山西昔阳黑土岩村剖面太原组沉积序列类型Ⅱ 的沉积特征Fig.8 Sedimentary characteristics of the sedimentary succession type Ⅱ in the Taiyuan Formation of Heituyan Village section in Xiyang area, Shanxi Province

图 9

Fig.9

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	图 9 山西昔阳黑土岩村剖面太原组沉积序列类型Ⅲ 的沉积特征Fig.9 Sedimentary characteristics of the sedimentary succession type Ⅲ in the Taiyuan Formation of Heituyan Village section in Xiyang area, Shanxi Province

图 10

Fig.10

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	图 10 山西昔阳黑土岩村剖面太原组沉积序列类型Ⅳ 的沉积特征Fig.10 Sedimentary characteristics of the sedimentary succession type Ⅳ in the Taiyuan Formation of Heituyan Village section in Xiyang area, Shanxi Province

值得注意的是, 本区混积潮坪沉积层段(图 10)的沉积序列特征表现为: 下部为2层深灰色薄层状灰岩与灰黑色薄层状泥岩互层, 中部为灰黑色薄层状粉砂质泥岩层, 上部为灰色、深灰色、灰黑色薄层状灰岩与泥质粉砂岩互层, 顶部为碳质泥岩与煤层组成的泥炭坪沉积。该层段共发育8层薄层灰岩。泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩和碳质泥岩中发育水平层理, 细砂岩具平行层理。灰岩的岩石结构以粗粉晶(粒径大小为0.01~0.05mm)为主, 含有孔虫类、海百合茎、介形虫类、腕足类及三叶虫等化石及碎屑(图 11)。以往的研究表明, 该层段的混积潮坪沉积是混积层系中常见的一种类型, 主要发育在靠近物源区的盆地边缘(杨永剑等, 2011; 孙娇鹏等, 2014)。从图 10中可以看出, 在该混积潮坪沉积序列中, 出现8次海进和陆源碎屑进积的过程。这为了解和恢复太原组沉积期华北盆地经历的海进和海退旋回次数提供了新的线索和依据。

图 11

Fig.11

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	图 11 山西昔阳黑土岩村剖面太原组L2和L5灰岩中的生物碎屑特征 产自L2灰岩: a— 海百合茎; b— 苔藓虫和介形类碎屑; c— 海百合茎和介形类; d— 有孔虫。产自混积潮坪中的薄层灰岩: e— 三叶虫碎片; f— 有孔虫和棘皮类碎屑; g— 䗴类; h— 介形虫。产自L5灰岩: i— 腕足类棘刺和苔藓虫碎屑; j— 䗴类和非䗴类有孔虫、棘皮类碎屑; k— 棘皮类和腕足类碎屑; l— 䗴类和非䗴类有孔虫, 腕足类和棘皮类碎屑Fig.11 Bioclastic characteristics in the L2 and L5 limestones of Taiyuan Formation of Heituyan Village section in Xiyang area, Shanxi Province

3.2 浅海相沉积特征及其沉积序列类型

浅海相沉积发育在太原组中部灰岩段, 主要为深灰色、灰黑色中厚— 厚层状含生物碎屑灰岩, 灰岩中均含有丰富的䗴类、海百合茎、有孔虫类、介形虫类、苔藓虫类、珊瑚、腕足类和棘皮类等实体化石和碎屑(图 11)以及动藻迹(Zoophycos)遗迹化石(图 6-d)。通过对灰岩的晶粒大小、生物颗粒类型和含量等微相特征分析, 得知本区浅海相沉积中常见2种碳酸盐岩类型: 一种为含生物碎屑细粉晶灰岩, 产自本区L₂灰岩中, 岩石结构以细粉晶为主, 粒径大小为0.005~0.01mm, 生物碎屑含量介于10%~25%之间, 主要包括有孔虫类, 苔藓虫类、介形类和棘皮类, 所含生物类型多为盐度正常的浅海生物, 产生于浅海中— 低能沉积环境; 另一种为生物碎屑质细粉晶灰岩, 主要出现在L₅灰岩中, 为深灰色细粉晶灰岩, 岩石结构为细粉晶, 生物碎屑含量占25%~50%, 主要为腕足类和棘皮类, 腕足类包括平行片状的腕足类壳体碎片和腕足类棘刺, 其次为䗴类和非䗴类有孔虫类、苔藓虫类等。由于腕足类的生长需要一种浑浊度低且略有动荡的水体, 所以该类型的出现代表一种远岸浅海的中— 低能沉积环境。

根据剖面上沉积特征的变化, 本区浅海相与潮坪相往往形成互层沉积, 可划分出3种沉积序列类型, 分别确定为太原组沉积序列类型V(浅海+泥坪+泥炭坪+泥坪+泥炭坪沉积序列, 图 12、类型Ⅵ (浅海+混合坪+泥炭坪沉积序列, 图 13)和类型Ⅶ (浅海+混合坪沉积序列, 图 14)。

图 12

Fig.12

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	图 12 太原组沉积序列类型Ⅴ 沉积特征Fig.12 Sedimentary characteristics of the sedimentary succession type Ⅴ in the Taiyuan Formation of Heituyan Village section in Xiyang area, Shanxi Province

图 13

Fig.13

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	图 13 山西昔阳黑土岩村剖面太原组沉积序列类型Ⅵ 沉积特征Fig.13 Sedimentary characteristics of the sedimentary succession type Ⅵ in the Taiyuan Formation of Heituyan Village section in Xiyang area, Shanxi Province

图 14

Fig.14

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	图 14 山西昔阳黑土岩村剖面太原组沉积序列类型Ⅶ 沉积特征Fig.14 Sedimentary characteristics of the sedimentary succession type Ⅶ in the Taiyuan Formation of Heituyan Village section in Xiyang area, Shanxi Province

3.3 三角洲相沉积特征及其沉积序列类型

三角洲相沉积发育于太原组上部碎屑岩段, 主要为三角洲平原亚相, 可以分为分流河道、天然堤和沼泽、决口扇和分流间湾微相。分流河道沉积为灰白色厚— 巨厚层状粗— 细粒砂岩, 常见平行层理、楔状和槽状交错层理(图 6-f)。天然堤沉积主要为灰色薄层状细砂岩与深灰色薄层状粉砂岩互层, 常见平行层理、波状层理以及植物化石碎片。分流间湾和沼泽沉积主要由灰色薄层细砂岩、灰黑色泥质粉砂岩、黑色薄层状泥岩和碳质泥岩及煤层组成, 常见水平层理、波状和透镜状层理及植物化石。决口扇沉积主要为灰色薄层状细砂岩, 具平行层理。根据剖面垂向上岩性组合变化特征, 可将该三角洲平原亚相沉积划分为2种沉积序列类型, 分别确定为太原组沉积序列类型Ⅷ (分流河道+天然堤+沼泽沉积序列, 图 15)和类型Ⅸ (决口扇+沼泽+分流间湾+沼泽沉积序列, 图 16)。

图 15

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	图 15 山西昔阳黑土岩村剖面太原组沉积序列类型Ⅷ 的沉积特征Fig.15 Sedimentary characteristics of the sedimentary succession type Ⅷ in the Taiyuan Formation of Heituyan Village section in Xiyang area, Shanxi Province

图 16

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	图 16 山西昔阳黑土岩村剖面太原组沉积序列类型Ⅸ 的沉积特征Fig.16 Sedimentary characteristics of the sedimentary succession type Ⅸ in the Taiyuan Formation of Heituyan Village section in Xiyang area, Shanxi Province

上述太原组5种沉积相中9种沉积序列类型的沉积特征分析表明, 类型Ⅰ -Ⅲ 形成于障壁岛— 潟湖— 潮坪沉积环境, 类型Ⅳ -Ⅶ 产生于无障壁海岸的滨岸潮坪及浅海沉积环境, 类型Ⅷ -Ⅸ 出现在三角洲沉积环境(图 17)。

图 17

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	图 17 山西沁水盆地东北部太原组沉积序列类型的古环境分布模式Fig.17 Palaeoenvironmental distribution model of the sedimentary succession types of the Taiyuan Formation in northeastern Qinshui Basin, Shanxi Province

上述沉积相、沉积序列类型和碳酸盐岩微相分析表明, 沁水盆地东北部太原组沉积期的沉积背景主要为有障壁和无障壁海岸沉积体系以及三角洲沉积体系。从剖面垂向沉积序列特征的变化来看, 下部碎屑岩段产生于有障壁海岸沉积环境, 中部灰岩段形成于无障壁海岸沉积环境, 上部碎屑岩段则出现于三角洲沉积环境(图 18)。

图 18

Fig.18

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	图 18 山西沁水盆地东北部太原组沉积环境模式Fig.18 Sedimentary environment model of the Taiyuan Formation in northeastern Qinshui Basin, Shanxi Province

下部碎屑岩段如图 3所示, 自下而上依次经历了障壁岛— 潮坪— 潟湖— 潮坪环境的演变。该段底部的障壁岛相为灰色中厚— 厚层状砂岩, 向上变为由泥质粉砂岩、泥岩和煤组成的泥炭坪沉积, 随后水体变深, 沉积了大量由粉砂岩与泥岩的薄互层构成的混合坪沉积, 随后水体进一步变深, 沉积了潟湖相泥晶灰岩。然后水体变浅, 发育了较厚的泥坪、泥炭坪和混合坪沉积, 从而形成了本研究区厚度较大且全区稳定的15^#煤层。因此, 下部碎屑岩段沉积时的水体经历了由浅变深再变浅的变化过程。

中部灰岩段为无障壁海岸背景下的沉积, 记录了4次海进与海退旋回(图 3)。第1次海侵形成了L₂灰岩, 然后海退发育混积潮坪沉积和泥炭坪沉积; 第2次海侵形成了L₃灰岩和之上的混合坪与泥炭坪沉积; 第3次海侵产生了较厚的L₄灰岩和之上的泥坪与泥炭坪沉积; 第4次海侵形成了厚度更大的L₅灰岩与之上的混合坪沉积, 此后, 海水退出本区。由此可见, 中部灰岩段经历了浅海— 混积潮坪— 浅海— 碎屑岩潮坪— 浅海— 碎屑岩潮坪— 浅海— 碎屑岩潮坪的沉积过程。

上部碎屑岩段是本区在大规模海退后形成的一套三角洲平原沉积。本段下部的分流河道沉积主要为灰白色细— 粗砂岩, 然后是由薄层细砂岩与粉砂岩互层组成的天然堤沉积, 最后发育了薄层泥质粉砂岩与泥岩或煤互层的沼泽及分流间湾沉积, 中间夹决口扇沉积。

综上所述, 研究区太原组沉积经历了从障壁岛— 潟湖— 潮坪到浅海— 潮坪, 最后到三角洲环境的演变过程。从区域上看, 本研究区太原组沉积环境与太原西山和沁水盆地东南部陵川地区有一定的差异。据宋慧波等(2015)和陈东锐等(2016)研究, 太原市西山地区的太原组主要由砂岩、粉砂岩、泥岩、页岩、灰岩及煤层组成, 自下而上可以分为晋祠、毛儿沟和东大窑3段, 含有5层灰岩和多层可采煤层, 系一套以障壁岛、潟湖和潮坪为主的障壁海岸沉积, 其次发育碳酸盐台地相和沼泽相沉积。与本研究区相比, 西山地区太原组沉积环境的主要差异表现在中部未发现混积潮坪沉积, 上部发育的七里沟砂岩为三角洲平原亚相、分流河道微相沉积, 其上还发育东大窑灰岩; 而本研究区太原组上部发育以黑土岩砂岩为主的三角洲平原亚相沉积, 但其上部未发育灰岩。在沁水盆地东南部的陵川地区, 据胡斌等(2013b)研究, 太原组自下而上可以分为下部碎屑岩段、中部灰岩段、上部碎屑岩段和上部灰岩段, 发育7层灰岩, 也含有多层煤层, 系一套障壁岛、海湾、潟湖、潮坪和浅海碳酸盐沉积。与本研究区相比, 主要差异表现在陵川地区的太原组既没有发现混积潮坪沉积, 也没有发育三角洲平原亚相沉积。整体上看, 沁水盆地在太原组沉积期中南部主要为障壁岛、潟湖、潮坪和浅海碳酸盐沉积, 北部发育三角洲沉积(图19), 这与邵龙义等(2006)绘制的沁水盆地太原组古地理图基本一致, 文中依据阳泉和昔阳一带太原组剖面资料, 仅做了局部修改。

图 19

Fig.19

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	图 19 山西沁水盆地太原组沉积期古地理略图(据邵龙义等, 2006; 局部修改)Fig.19 Palaeogeographic sketch of the depositional period of Taiyuan Formation in Qinshui Basin, Shanxi Province (partly modified from Shao et al., 2006)

以沁水盆地东北部昔阳黑土岩村上石炭统— 下二叠统太原组露头剖面为主要研究对象, 结合邻区部分钻孔资料, 对太原组的岩性特征、沉积构造、化石组成、沉积序列类型及沉积环境演化进行了详细分析, 取得以下几点新认识:

1)研究区太原组主要由含生物碎屑灰岩、砂岩、粉砂岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、泥岩、碳质泥岩和煤层组成。依据垂向岩性变化与组合特征, 将本区太原组划分为下部碎屑岩段、中部灰岩段和上部碎屑岩段, 建立了9种沉积序列类型及其古环境分布模式。

2)在综合分析沉积特征的基础上, 将太原组的沉积背景划分出3种沉积体系, 包括有障壁海岸沉积体系、无障壁海岸沉积体系和三角洲沉积体系, 划分出5种沉积相(浅海、障壁岛、潟湖、潮坪和三角洲), 3种亚相(混合坪、泥坪或泥炭坪和三角洲平原)和5种微相(分流河道、天然堤、决口扇、分流间湾和沼泽), 并在本区太原组中部层段发现混积潮坪沉积。

3)基于沉积特征和沉积序列分析, 提出了3个层段的沉积环境模式并绘制了模式图, 总结了太原组的沉积环境演化过程。自下而上, 太原组经历了从障壁岛— 潟湖— 潮坪到浅海— 潮坪, 最后到三角洲环境的演变过程。