东北地区早白垩世含煤岩系层序地层格架及聚煤规律

东北地区早白垩世含煤岩系层序地层格架及聚煤规律

早白垩世是中国地史上的一个重要聚煤期。集煤功能主要发生在中国东北部许多陆相沉降盆地，煤炭资源巨大。围绕东北白垩纪断陷盆地构造演化、聚煤模式及地层划分对比等,众多学者进行了深入研究,进行了大区域的地层划分对比,提出了断陷盆地构造演化模式,总结出东北早白垩世聚煤规律,这些成果虽然对东北地区煤田勘探及煤炭资源预测起到了积极的作用,但是东北地区大区域性的煤层对比、盆地内煤层成因模式及富煤带的展布规律仍然是大家争论的问题。近年来,层序地层学理论及新的聚煤作用理论的提出对不同构造背景下的聚煤盆地,从基准面旋回及可容空间变化规律方面重新认识聚煤作用机理提供了可能性。层序地层格架下的聚煤模式及富煤中心分布规律,为煤炭资源预测的客观性及煤田勘查准确性提供了可靠保证。笔者在参加新一轮全国煤炭资源潜力评价期间,有机会对整个东北地区早白垩世含煤岩系层序地层格架及聚煤作用规律进行研究。本文即根据煤炭资源潜力评价的资料,对东北地区早白垩世含煤岩系层序地层对比方案及相关的聚煤规律进行总结。1晚白垩世盆地沉积演化东北地区的含煤盆地分布在天山—兴蒙东西构造域和吉黑南北构造域两套拼贴增生褶皱带的交汇部位。在盆地的形成和演化过程中,除受到太平洋构造域的挤压俯冲与裂陷伸展的交替作用外,还受到北部和西南部周边板块碰撞效应及大陆内部各圈层的耦合作用。在中生代的早期,东北地区的板块拼合为统一的欧亚大陆。随后在东侧库拉—太平洋板块沿NW和NNW方向向欧亚大陆的俯冲挤压和欧亚大陆沿SE和SEE方向裂解拉伸的交替作用下,除了在黑龙江东部的三江—穆棱一带有海相沉积,其他地区形成了一系列的断坳、断陷盆地。东北地区早白垩世含煤盆地分布在黑龙江、吉林、辽宁及内蒙古自治区东部约160万km2的范围内。含煤盆地主要展布在西部带、中部带、东部带3个NNE向条带上:西部带以大兴安岭山脉以西的海拉尔群和二连盆地群为主,中部带以松辽盆地为主,东部带以三江—穆棱—延吉盆地群为主(图1)。该区含煤地层从西往东可分为:西部带海拉尔盆地群为主,含煤地层为大磨拐河组和伊敏组,二连盆地的含煤地层主要为阿尔善组、腾格尔组和赛汉塔拉组;中部带以松辽盆地东缘盆地群为代表,含煤地层主要为沙河子组和营城组;东部带以三江—穆棱盆地群为主,含煤地层为滴道组、城子河组和穆棱组(图2)。东北地区的早白垩世通常具有两个含煤层位,下含煤层和上含煤层。盆地的演化和主要沉积相总体分为5个演化阶段:第1阶段为初始裂陷期,相当于地层的义县阶到九佛堂阶,发育火山喷发—冲积扇相沉积;第2阶段为缓慢裂陷期,主要发育河流-湖泊相沉积;第3阶段为急速裂陷期,主要发育湖泊相沉积,这两个阶段相当于地层的沙海阶;第4阶段为缓慢回升期,主要发育湖泊-三角洲沉积;第5阶段为抬升消亡期,主要发育河流-冲积扇沉积相当于地层的,后两个阶段相当于地层的阜新阶。2陆相层序地层的标志在本次层序地层学研究中,层序的定义及体系域的划分以Exxon公司“Vail”学派的观点为基础,综合了邵龙义和魏魁生等对于陆相层序的研究,陆相层序地层的标志为不整合面,下切谷充填砂砾岩体的底面,垂相上沉积相序转换面,古生物特征间断面等。2.1层序层重要界面的识别和层序划分原则2.1.1下切谷充填岩的沉积相在层序界面常见的岩相标志主要是反映区域不整合面、下切谷砂砾岩体底面岩相的突变面等岩相标志。(1)区域不整合面。不整合面代表了沉积中断,可以将其作为层序界面。不整合面上下岩性往往发生突变,沉积旋回变化明显。研究区的西部带阿尔善组、腾格尔组、赛汉塔拉组之间存在不整合面,中部带的火石岭组、沙河子组、营城组之间均为不整合面接触;东部带的穆棱组、城子河组、滴道组之间也为不整合接触。这一些列不整合面均可作为该地区的层序界面。(2)下切谷充填砂砾岩体的底面。厚层的砂砾岩体经常代表一次明显的侵蚀底面,代表下切河道沉积。这一侵蚀面代表着低基准面下形成的层序界面,此时自然伽马曲线及视电阻率曲线有显著差异。例如东部带三江—穆棱盆地中的穆棱组下部段与上部段,和下部城子河组均以识别出的厚段下切谷河道砾岩的底面作为层序界面。(3)垂相上沉积相序转换面。在没有下切河道发育的地区,以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。例如西部带二连盆地群额合宝力格矿区腾格尔组,中部带松辽盆地的沙河子组,东部带的城子河组,均发现有从下段的深湖相厚层泥岩到上段的浅湖砂泥岩代表向上变浅的序列,再到厚层泥岩代表向上变深的序列,其间的界面代表河道间的层序界面。(4)古生物特征。古生物在层序界面上下表现为生物组合有明显变化,反映了生物演化的阶段性和环境突变。如在中部带的营城组下部植物组合为Pteridiopsis-Nilssoniasinensis组合,营城组上部植物组合为Neozamites-Ginkgo。东部带的三江—穆棱地区城子河组的古生物组合为:Cicatricosisporites-Pilosispoites,而在穆棱组的Cicatricosisporites-PinuspollenitesPiceaepollenites组合,可以作为研究区双鸭山盆地的层序划分的进一步依据。2.1.2细粒岩体的基底结构湖侵面指湖水体首次越过坡折带或者越过下切谷所形成的界面,岩性上显示为河道砂砾岩之上的湖相泥岩、粉砂质泥岩、粉砂岩等细粒岩体的底面。中部带的松辽盆地东缘盆地群的营城盆地层序Ⅲ中将河道砾岩之上的厚层湖相泥岩的底面定为湖侵面。2.1.3向上变细沉积相最大湖泛面是指湖平面达到最高、湖岸上超点达到向陆最远时期对应的湖泛面。在岩性上显示为一套向上变细的沉积序列中,代表水体最深的沉积。一般为滨、浅湖相泥岩、粉砂质泥岩。该特征在西部区的二连盆地群额合宝力格矿区的腾格尔组和中部区的沙河子组特征较为明显,最大湖泛面位均于一套区域内广泛发育的厚层湖相泥岩之上(图3,4)。2.2层序界面及标志特征根据上述原则,可研究区共识别出6个层序界面,把东北早白垩世含煤岩系划分为5个层序(图1)。根据国际地层委员会的全球地层对比表,研究区的含煤段主要相当于九佛堂阶、沙海阶和阜新阶,持续的年代从139Ma前到125Ma前,共持续14Ma。考虑到各层序不整合面所占据的时间,研究区的5个层序每个层序持续时间应该是3Ma左右,应该属于Vail等(1998)定义的三级层序。本次研究从西往东依次选取每个构造带中一个研究程度较高的盆地,进行沉积相和层序地层分析。其中西部带选取二连盆地群的额和宝力格盆地为例,中部带以松辽盆地东南缘的营城盆地为例,东部带以黑龙江东部三江—穆棱盆地群的双鸭山盆地为例。本钻孔选取揭露的含煤地层为阿尔善组、腾格尔组和赛汉塔拉组,其中阿尔善组划分为1个三级层序,腾格尔组和赛汉塔拉组分别划分为2个三级层序(图3)。层序Ⅰ对应阿尔善组,岩性在二连盆地群的西部和北部地区主要为杂色、紫红、砂砾岩夹棕红色、红色泥岩,在隆起带的盆地基本未接受沉积。底部与侏罗系地层呈以不整合面为代表的层序界面,层序内部以冲积扇相粗粒沉积为主。该时期无煤层发育。层序Ⅱ对应腾格尔组的砂砾岩段和含煤段,腾格尔组与下部的阿尔善组区域不整合面为层序Ⅱ的底面,以腾格尔组底部的灰白色砂砾岩或粗砂岩的底面作为区域地层对比标志和与下段地层分界的标志层。湖侵面的识别是通过砂砾岩和粗砂岩之初次出现的泥岩为标志,最大湖泛面的标志为厚层湖相泥岩、粉砂岩的顶部。该层序的低位体系域岩性以深灰、褐、棕褐色粉砂岩、含砾粗砂岩与深灰、灰绿色泥岩互层为特征,分选较差,可见植物化石,当时的沉积环境为扇三角洲的环境。湖侵体系域岩性以深灰绿色泥岩与劣质油页岩、钙质砂岩以及不稳定的泥灰岩,可见水平层理,沉积环境为滨湖环境,该时期可发育厚段煤层;高位体系域岩性为大套深灰、黑灰色泥岩为主体的岩性组合,部分地区的岩性为有浅灰、褐色泥岩和粉砂岩。有水平层理发育,沉积环境为依旧为湖泊环境,部分地区发育煤层。层序Ⅲ对应腾格尔组上部的砂泥岩段。底部界面为底部为灰白色砂砾岩或粗砂岩,发育比较稳定,可作为区域地层对比标志和与下段地层分界的标志层,顶界面为赛汉塔拉组和腾格尔组之间的区域不整合面。层序Ⅲ的低位体系域为灰白色砂砾岩或粗砂岩,可见交错层理和植物化石,主要沉积环境为曲流河环境;湖侵体系域一般以灰白、浅灰色砂砾岩、粗砂岩夹层、深灰色泥岩和煤层组成,东部个别盆地中夹层状玄武岩。在水位较深的湖盆或湖盆内的深水部位,为灰绿、浅灰、黑灰色泥岩夹砂质泥岩和粉砂岩,主要沉积环境为滨浅湖到深湖环境。随着湖盆深度的加大,聚煤作用开始减弱。高位体系域以灰、灰绿、深灰色泥岩为主,水平层理发育,在多数盆地中普遍赋存,可作为区域地层对比标志层。沉积相为发育水平层理的厚段湖相泥岩,无煤层沉积。层序Ⅳ对应赛汉塔拉组的含煤段。层序的底面为赛汉塔拉组与下部的腾格尔组的区域不整合面。湖侵面的识别为底部的砾岩段之上的厚层泥岩的底面,最大湖泛面的识别标志为厚层泥岩向粉砂岩转换的泥岩段的顶面。低位体系域岩性以灰白、灰、深灰色泥岩、粉砂岩为主,底部为灰色砂砾岩或粗砂岩,中、上部含煤层及炭质泥岩,上部泥岩和粉砂岩中富含炭屑;湖侵体系域岩性由浅灰、绿灰、棕红色泥岩、粉砂岩和粉砂质泥岩,可见水平层理和平行层理,沉积环境为滨浅湖环境,在多数地区有煤层发育,煤层的层位较稳定;高位体系域岩性由浅灰色的泥岩,泥质粉砂岩,粉砂岩泥岩互层组成,沉积环境为三角洲环境。层序Ⅴ对应于赛汉塔拉组的中部粗砂岩段和上部细砂岩,泥岩,砂岩段。本层序段仅在部分盆地中发育完整,岩性以粗碎屑岩为特征,以浅灰色、灰白色砂砾岩、粗砂岩为主,夹细、粉砂岩和泥岩。底部以砾岩段底面为界。该段岩性变化明显,底部的粗砂岩段为低位体系域,细砂岩段为湖侵体系域,上部的泥岩段和砂岩段为高位体系域。无煤层发育。2.2.2顶面层序岩石学特征营城盆地含煤地层为火石岭组,沙河子组,营城组。火石岭组发育层序Ⅰ,该地区主要含煤地层沙河子组,对应层序Ⅱ和层序Ⅲ两个三级层序,营城组发育层序Ⅳ和层序Ⅴ。各层序分析如下:层序Ⅰ:对应火石岭组,与下部二叠系地层角度不整合,与上部的沙河子组为角度不整合接触,其接触面可以作为层序界面。岩性主要为暗绿色安山岩,夹杂灰色砂砾岩,仅有部分地区有不可采煤层发育,不详细论述。层序Ⅱ:对应沙河子组的火山岩段和含煤段。其底界为沙河子组和火石岭组之间角度不整合接触,火石岭组的火山岩或者砾岩的顶面为界面,湖侵面为砂岩之上、厚层泥岩的底部;最大湖侵面为厚套泥岩与上部砂岩之间的顶面。该层序的低位体系域岩性为灰色,灰白色,局部地区为红色,杂色砾岩,砂砾岩,粗砂岩,及凝灰质碎屑岩组成。成层性差,很少显示沉积构造。砂体形状上表现为整体上变细的序列,沉积环境为冲积扇环境;湖侵体系域岩性由灰色,灰白色的粗砂岩,细砂岩,黑色泥岩及煤层组成。岩性在垂相为表向上变细的序列,沉积环境为扇三角洲和湖泊。在扇三角洲上的泛滥平原及扇三角洲和湖泊的交汇地区发育了本地区的主要煤层;高位体系域的下部岩性为灰色的砾岩,上部过渡为灰色的细砂岩,可见低中角度的交错层理,有植物根化石。沉积环境为扇三角洲的分流河道和分流间湾环境。层序Ⅲ:对应沙河子组的砂泥岩段,层序的底部界面以两段砾岩之间出现的泥岩层视为岩性的突然转换面,这一界面与该时期局部构造因素有关,盆地的突然沉降导致沉积物的快速充填,顶部界面为沙河子组和营城组之间的角度不整合面。层序Ⅲ的低位体系域,岩性主要由充填灰色灰白色的粗砂岩沉积,向上过渡为灰色的泥岩和粉砂岩的沉积互层,有板状或者波状层理。在形态上总体向上变细再变粗,沉积环境为扇三角洲环境,在沼泽环境中发育薄煤层。湖侵体系域岩性由一套厚层的黑色泥岩组成,具有水平层理,部分层段可见植物化石,沉积环境为湖泊环境,无煤层发育;高位体系域岩性主要由灰白色的粗砂岩组成,含黄铁矿,无层理发育,沉积环境为辫状河道的泥石流沉积。层序Ⅳ和层序Ⅴ对应营城组,无可采煤层发育。其中层序Ⅳ对应营城组下部的安山质凝灰岩,安山岩,凝灰质角砾岩,砂岩;层序Ⅴ对应营城组上部的凝灰质砂岩,砾岩,部分地区可见薄煤层,顶部被泉头组不整合接触。2.2.3层序界面和沉积环境双鸭山盆地的位于黑龙江省的东部三江—穆棱盆地群,关于该盆地群当时为一个盆地还是多个断陷盆地,学者有不同见解。笔者综合文献[18,23-24]的观点,认为在早白垩世时期,虽然区域内盆地有海相沉积,但主要含煤段发育在陆相环境,盆地构造类型属于断陷盆地范畴。该地区地层为滴道组、城子河组和穆棱组,滴道组划分为一个三级层序,城子河组和穆棱组分别可以划分出两个三级层序。层序Ⅰ对应滴道组,主要岩性为火山岩夹杂砂砾岩,分选较差。受钻孔深度影响,本地区可识别的主要沉积相为冲积扇相,无厚煤层发育,不作重点讨论。层序Ⅱ以城子河组底部的与滴道组的局部不整合面为界,顶部以城子河组中部的厚层砾岩为界。湖侵面为一套灰白色粗砂岩上部的厚层粉砂岩、细砂岩的底部作为界面。最大湖泛面为:厚煤层的顶部或者区域内的厚层泥岩的顶部。该层序低位体系域的岩性为灰白色砂岩为主,夹杂有煤线。可见波状层理,沉积环境为辫状河环境;湖侵体系域的岩性为浅灰色的细砂岩,粉砂岩和煤层,可见波状和水平层理,垂相上表现为加积到退积的沉积序列,沉积环境为三角平原环境;高位体系域的岩性从底部的灰白色粗砂岩过渡到为灰色细砂岩,粉砂岩,可见水平层理,波状层理,沉积环境在三角洲平原,可以识别出分流河道和分流间湾环境,其中在间湾地区有薄煤层发育。层序Ⅲ的底面发育一套河床滞留沉积作为层序Ⅲ和层序Ⅱ的界面,顶部以城子河组和穆棱组之间的厚层砾岩底面为界面。该层序的低位体系域岩性为灰白色的厚层粗砂岩,分选磨圆较差,发育槽状交错层理,沉积环境为辫状河环境;湖侵体系域岩性为多层的砂岩,夹杂粉砂岩,发育多层可采煤层,可见波状层理和植物碎屑,沉积环境为上三角洲环境,可以识别出分流河道和间湾沼泽等。在分流间湾地区发育了本地区重要的可采煤层;高位体系域的岩性从下到上为灰白色的粗砂岩到灰白色的中砂岩,粉砂岩互层,再到灰色细砂岩,粉砂岩,可见波状和水平层理;主要沉积环境为下三角洲的分流河道和分流间湾环境。层序Ⅳ和层序Ⅴ对应穆棱组,层序Ⅳ的底界面为穆棱组和城子河组之间的平行不整合界面,顶部界面为穆棱组中部的厚层砾岩的底面。层序Ⅴ的顶面为穆棱组的顶面。主要岩性为灰白色的粗砂岩、中砂岩、细砂岩、粉砂岩,可见交错层理和水平层理。沉积环境为扇三角洲环境,可以区分出上三角洲平原,和下三角洲平原,在分流间湾地区有薄煤层发育,由于层序Ⅳ和层序Ⅴ在双鸭山盆地内无工业可采煤层发育,不作为重点论述。但对于三江穆棱地区的勃利以及鸡西盆地,均发育有可采煤层(图5)。2.3沉积型聚煤沉积期根据上述的层序划和沉积相划分方法,对东北地区的早白垩世重点含煤盆地进行层序格架对比(图6)。研究发现,虽然在该时期研究区内的盆地都是各自独立的,但是盆地的沉积序列十分相近,全区的5个三级层级基本可以对比。层序Ⅰ为盆地的初始断陷期,对应的主要地层为九佛堂阶及同期相对应地层。该时期区域内盆地基底尚不稳定,部分地区夹杂有厚段砾岩沉积,沉积环境为冲积扇或者辫状河沉积,多数地区受火山作用影响,基本无厚煤层发育。层序的充填主要以粗碎屑岩为主,湖盆面积较小,层序的旋回发育不明显。层序Ⅱ为盆地的缓慢裂陷期,对应于和沙海阶同期的下部地层。底面为含煤岩系与下部火山岩地层的界面,上部界面为层序内部的岩性转换面,或区域不整合面。在研究区的西部带的二连盆地和海拉尔盆地群中,发育的主要沉积相为湖泊相和三角洲相,而在中部带的松辽盆地的东缘地区主要发育了扇三角洲相和辫状河三角洲相;在东部带的三江—穆棱盆地群该时期有海水进入,聚煤环境为海陆过渡相的三角洲沉积。低位体系域中难以发现湖相沉积,或者仅发育小型的湖泊,多有冲积扇,辫状河和泛滥盆地组成。随后在湖侵体系域和高位体系域依次发育浅湖沉积、扇三角洲沉积、河流三角洲沉积。一般缺乏深湖沉积和浊积岩沉积。该时期为有利聚煤时期,形成了该地区传统意义上的下含煤段。在黑龙江省的鹤岗煤田煤层累计厚度达到140余米。煤层厚度受各断陷盆地的沉降速度影响发育很不均衡。层序Ⅲ为盆地的急速裂陷期,对应于和沙海阶同期的上部地层。层序Ⅱ末期发育的河流下切冲刷面或沉积相转换面,可以作为层序Ⅱ和层序Ⅲ的界面。低位体系域发育的时间较短,在部分盆地中甚至难以识别出低位体系域,沉积厚度较小。湖侵体系域和高位体系域时期,湖泊盆地内广为发育,厚层的湖相泥岩沉积和浊积扇沉积为湖侵体系域主要特征。在沉积物供应充足的条件下,在湖盆的陡坡带容易形成厚层的扇三角洲沉积,在缓坡带容易形成厚层的河流三角洲沉积。该时期盆地下陷速度大于堆积速度,西部区的二连盆地在海拉尔盆地所选钻孔中主要以厚段的泥岩为主,形成深水湖泊,可见油页岩段,不利于厚煤层发育在松辽盆地群也能看到沉积相以湖相和三角洲相为主,在水体较浅的盆地边缘有煤层发育;三江—穆棱盆地群中主要以陆相的湖泊沉积为主,煤层数量少,粉砂岩,泥岩比例高,表