鄂爾多斯盆地東南緣晚石炭系—早二疊系海陸過渡層序及聚煤模式

向英杰,婁 林,孫 靜

( 1. 中國石油新疆油田分公司 勘探事業部,新疆 烏魯木齊 830011; 2. 中國石油新疆油田分公司 準東采油廠彩南作業區,新疆 阜康 831511 )

0 引言

煤層作為非常規天然氣最重要的烴源巖和儲層之一,是特定古環境條件下形成的沉積巖,代表泥炭長期的埋藏和壓實,含煤地層保存豐富的地質信息[1-3]。煤層的形成環境廣泛,當環境中可容納空間的增長速率等于泥炭的堆積速率時,陸源有機物質才能保存下來形成煤[4]。從陸相到海相,人們研究河流—三角洲模式、障壁—潟湖模式、沖積扇模式和湖泊環境模式成煤等,解釋基本的成煤環境和煤層發育特征[5-9]。20世紀80年代,層序地層學概念引入含煤地層,被用來解釋不同沉積環境中的煤炭形成和保存,并可預測煤層厚度、連續性和質量[10]。DIESSEL C F將煤炭的提出和保存與EXXON層序地層學模型的概念整合,形成近海含煤層系的海侵—海退成煤模式[11]。BOHACS K等認為最主要的煤層發育在海侵體系域內,具有充足的可容納空間,建立層序內部煤層厚度分布與體系域關系的預測模型[4]。HOLZ M等強調層序理論在理解煤成因和預測煤特征的重要性[10]。李增學等提出陸表海聚煤盆地海侵事件成煤機制[12-13],邵龍義等提出幕式聚煤作用和海相層滯后時段成煤模型,解釋中國晚古生代灰巖為煤層頂板的含煤旋回層成因[5]。層序作為含煤地層研究的重要方法,延伸出不同的層序地層學模型、沉積體系和煤特征關聯性的解釋。

現有的成煤模式主要針對特定的層序或環境,完整海陸過渡層序地層下的聚煤環境演化和聚煤模式研究較少,且缺少對煤層發育特征的對比和聚煤規律分析。鄂爾多斯盆地晚石炭系—二疊系本溪組—山西組是中國典型的含煤層系,富含煤層氣資源,發育近海?！戇^渡層序,代表多個三級層序長期演化、整體海退過程,形成一套獨特的多環境成因、多層序疊置的聚煤層系,成為開展完整海陸過渡層序下成煤研究的對象[14-16]。筆者利用不同層位取心和測井資料,開展鄂爾多斯盆地東南緣的層序地層學和沉積學分析,劃分海陸過渡層序和海陸環境沉積序列,分析煤層發育特征及其分布規律,總結層序控制下的聚煤模式。該結果對于認識鄂爾多斯盆地海陸過渡層序演化及其沉積環境演替下的聚煤規律和模式,擴展盆地煤層氣勘探具有指導意義。

1 地質概況

鄂爾多斯盆地位于中國中北部,面積約為2.5×105km2,蘊藏石油、天然氣、煤、砂巖型鈾礦等多種資源[17-19]。盆地上古生界地層分布廣、含氣層位多,具有豐富的天然氣資源和巨大的勘探開發潛力[20-22]。鄂爾多斯盆地構造上隸屬于華北克拉通中西部,西側窄而陡,東側寬且微傾斜,整體結構特征呈南北向矩形、東緩西陡的不對稱箕狀向斜,是華北地區發育的克拉通多旋回大型盆地(見圖1(a))。盆地劃分為伊盟隆起、渭北隆起、晉西撓褶帶、伊陜斜坡、天環坳陷、西緣沖斷帶等6個二級構造單元,其中作為主要構造單元的伊陜斜坡的坡度小于6 m/km[23]。晚奧陶世至早石炭世,鄂爾多斯而受加里東造山運動抬升盆地經歷億年侵蝕,形成區域不整合古風化殼。隨后經歷海西造山運動而促使晚古生代鄂爾多斯盆地沉降,導致盆地從晚石炭世到晚二疊世的構造演化和海陸過渡變遷[24]。

圖1 鄂爾多斯盆地構造單元及地層綜合柱狀圖Fig.1 Tectonic unit and comprehensive stratigraphic profile of Ordos Basin

鄂爾多斯盆地石炭系—二疊系是典型的海陸過渡體系,上石炭統本溪組、下二疊統太原組和山西組發育砂巖、泥巖、碳酸鹽巖和煤巖互層,其中,本溪組與下伏奧陶系馬家溝組抬升,山西組與上覆下石盒子組區域河道侵蝕面不整合接觸[25-27](見圖1(b))。研究區位于盆地東南部伊陜斜坡和晉西撓褶帶交界處,由于海水從盆地東南方向退去,導致區域內的沉積環境多樣,出現海陸過渡的沉積相演化過程,并保存與之對應的海陸過渡層序。層序內部的煤層劃分為上煤組、中煤組和下煤組9個煤層,各煤層的連續性和厚度存在差異,主要發育中煤組和下煤組,平均厚度分別為3.2和6.4 m。

2 沉積序列

2.1 巖相類型

根據鄂爾多斯盆地東南部本溪組—山西組鉆孔巖心和測井分析,確定礫巖、砂巖、粉砂巖、泥巖、灰巖和煤巖6種巖性類型,代表海陸過渡層序中沉積環境的多樣性。根據沉積物的顏色、巖性及沉積構造,識別12個不同的巖相,總結沉積特征和成因解釋(見表1和圖2)。巖相的命名基于MIALL A D修改[28-29]。其中,礫巖類巖相主要發育于本溪組,灰巖類巖相僅發育于太原組,砂巖、粉砂巖和泥巖相各層有分布,煤巖相以山西組和本溪組為主。

表1 研究區巖相分類方案Table 1 Lithofacies classification scheme in the study area

圖2 研究區巖相類型Fig.2 Lithofacies type in the study area

2.2 聚煤環境類型

基于巖心觀察,識別特殊環境典型的指相標志,劃分障壁—潮坪—潟湖、碳酸鹽臺地、曲流河三角洲和辮狀河三角洲相類型,各相環境內部聚煤作用有差異,研究區內的碳酸鹽臺地相內部幾乎無煤層沉積。

2.2.1 障壁—潮坪—潟湖

研究區海陸過渡環境的相類型見圖3。FA-1代表近海海岸的障壁—潮坪—潟湖序列,障礙島是與海岸線平行的狹長島嶼或半島,由潟湖或沼澤與海岸隔開[30]。巖性以灰白色細礫巖和中粗砂巖為主,結構成熟度中等。障壁以交錯層理礫巖相(Gm)、槽狀和板狀交錯層理砂巖相(St、Sp)為主體,測井曲線形態以漏斗形的反粒序為主。大型交錯層理通常為障壁島向海一面波浪作用的高能水動力導致,潮坪以泥質粉砂巖或粉砂質泥巖為主,具有明顯的波狀層理(Sh),含菱鐵礦結核及云母,測井曲線上為中—低幅鋸齒形。潟湖以深灰色薄層狀粉砂質泥巖、泥巖和炭質泥巖為主,生物擾動明顯,發育水平層理或塊狀層理,富含植物碎屑(Mh、Mm、Mc),局部夾薄層反韻律砂巖(見圖3(a))。潟湖內通常水體較淺、安靜、低能,海侵過程中的潟湖是成煤泥炭沼澤發育的有利環境,堆積的煤層作為區域性標志層(C),平均厚度為2.5～6.8 m,但泥炭堆積過程在很大程度上受海平面波動的調節作用影響。該序列測井曲線為上低幅微齒形、中高幅齒形和高幅箱形組合,代表障壁—潮坪—潟湖序列疊加,厚層煤層在序列的頂部發育。

圖3 研究區海陸過渡環境的相類型Fig.3 Facies types of marine-continental transitional environment in the study area

2.2.2 碳酸鹽臺地

FA-2為碳酸鹽臺地序列,屬于淺水陸棚環境,內部海水相通正常循環,海域較為廣闊,形成多層灰巖標志層(L),研究區內可見3～4層,由深灰色塊狀泥巖隔開(Mm)(見圖3(b))?；規r內生物碎屑類型較多,大小混雜,層理較少發育,表明局部平靜到較為開闊的動蕩海水環境。

2.2.3 曲流河三角洲

FA-3為曲流河三角洲前緣序列,三角洲前緣由水下分流河道、河口壩、水下分流間灣和席狀砂組成。巖性以中厚層中—細砂巖、粉砂巖和泥巖為主。厚層砂巖底部發育的連續不規則沖刷面和下切槽狀交錯層理指示水下分流河道沉積(St)。分選磨圓較好、平行層理巖相、板狀交錯層理巖相,以及垂向上上粗下細的反粒序代表河口壩沉積(Sp、Sh)?；液谏抠|泥巖和煤層發育在低水動力條件的水下分流間灣中,并包含深灰色塊狀泥巖,煤層厚度為0.5～2.3 m(Mc、Mm、C)(見圖3(c))。此外,席狀砂受海浪和河流動力交互作用而具有中薄層砂泥交互的特點,砂質較純,分選磨圓好。該序列在測井曲線上表現為中—高幅鐘形、箱形及低幅指形的組合,代表三角洲前緣水下分流河道、深色細粒沉積和煤層構成的序列。

2.2.4 辮狀河三角洲

FA-4為辮狀河三角洲前緣序列,內部水下分流河道是前緣沉積的主體,垂向上下細上粗,厚度為2.3～5.5 m,由水下分流河道、河口壩、水下分流間灣和漫溢沉積組成。垂向上表現出正旋回特點,下部多見河道粗粒滯留沉積物。厚層疊置砂體發育槽狀、板狀交錯層理相(St、Sp),代表水下分流河道的持續堆積,內部通常含有漫溢流水紋層的粉砂質夾層(Sr),向上過渡為厚層的水下分流間灣細粒沉積(見圖3(d))。研究區普遍發育疊置的水下分流河道砂體和河口壩,厚度范圍最大超過8 m。水下分流間灣為泥巖粉砂巖和粉砂質泥巖互層,發育水平層理、塊狀層理相(Mh、Mm),局部見炭質泥巖(Mc),代表水體淺且水動力閉塞。內部形成薄煤層或煤線(C),成煤作用有限。該序列測井曲線上呈低幅指形,與曲流河三角洲差異在于聚煤作用減弱。

3 層序地層格架和煤層分布

根據巖心、測井資料對層序內部關鍵面進行識別,將鄂爾多斯盆地東南部石炭統—二疊統自下而上細分為?！戇^渡的SQ1-SQ4 4個層序,每個層序顯示不同的特征,代表不同環境類型,可細分為低位體系域(LST)、海侵體系域(TST)和高位體系域(HST),但并非所有體系域在層序中發育(見圖4)。

圖4 研究區海陸過渡層序劃分Fig.4 Division of marine-continental transitional sequence in the study area

3.1 巖心—測井層序界面類型

3.1.1 洪泛面

初始洪泛面(IFS)。IFS為層序內部第一個顯著洪泛面,測井曲線上數值迅速增加,聲波曲線上數值迅速減小,巖性上表現為砂巖段上部的厚層泥巖、粉砂質泥巖和粉砂巖[31],標志低位體系域到海侵體系域的轉換,并將下方的進積層與上方的退積層分開(見圖4)。

最大洪泛面(MFS)。MFS為層序內海侵位置最遠的洪泛面,標志海侵的結束和海岸線軌跡的變化,從海侵體系域到高位體系域的轉換[31]。巖性中發育在厚層粉砂巖和泥巖段上部,代表河口壩砂體和間灣泥巖之間。該界面在測井曲線上具有幅度最低的自然伽馬響應,表示垂直砂巖、粉砂巖和泥巖夾層中最厚的泥巖和粉砂巖的頂部(見圖4)。

3.1.2 區域不整合面

通常構造運動形成最重要的層序邊界,如加里東運動使盆地抬升剝蝕,導致奧陶系頂部古風化面在盆地內廣泛分布,代表區域性分布的大型不整合面[32],具有等時性,作為二級層序界面,也是本溪組的底界面(見圖4)。

通常,地層記錄中河谷內疊置河道的下切沖刷面代表基準面的下降和上升形成的向下切割和垂向填充過程。這種具有區域性沖刷的砂巖侵蝕面可解釋為層序邊界[33],代表相對海平面下降的低位體系域早期在低可容納空間下的強烈河道侵蝕作用,如山西組底部北岔溝砂巖和下石盒子組底部駱駝脖子砂巖的底面(見圖4)。

3.1.4 地表暴露面

暴露面指示陸上河流—三角洲環境的暴露層序邊界[34]?？筛鶕芯繀^巖心中鈣質結核、干裂紋、瘤狀植物和根土巖等識別,代表不連續、局部追蹤的古土壤,該界面可與區域性河道砂體對應(見圖4)。

3.2 海陸過渡層序演化

建立由近海到陸相湖盆演化的?！戇^渡層序。SQ1層序底界為灰巖,是大規模海侵的開始,為統一陸表海階段,發育近海海岸障壁—潮坪—潟湖體系。SQ2層序太原組沉積時期為盆地晚石炭系—早二疊系期間的最大海侵期,發育碳酸鹽臺地環境;SQ3層序山西組沉積時期是海陸過渡相曲流河三角洲沉積階段,層序底界代表區域海退的河道下切侵蝕面;SQ4層序為辮狀河三角洲、陸相湖盆沉積階段,層序底部為區域性河道下切面及暴露面。

3.2.1 SQ1層序

SQ1層序相當于整個本溪組,層序底界面為本溪組底部鋁土巖與下伏中奧陶世早期馬家溝組的灰色厚層—巨厚層灰巖組成巖性突變面,代表區域不整合面(見圖5)。層序內低位體系域下部,發育一套區域分布的指示長期暴露的厚層灰黃色鋁土質泥巖以及障壁島為主體的障壁—潮坪—潟湖環境,障壁砂體較厚,厚度為5～10 m,分布范圍廣,指示該時期海浪沿岸搬運的物源供給穩定及加積速率較高。海侵體系域期,海平面越過大多數障壁,主要以潮坪和潟湖的粉細砂沉積為主,含大量炭質泥巖(見圖6)。高位體系域發育大面積區域性的1～2套厚煤層,分布在廣闊的潟湖內部,疊置厚度超過6 m,為鄂爾多斯盆地東南部厚度和規模最大的煤層,也是主要的煤層氣來源(見圖7(a))。

圖5 研究區順物源剖面層序地層格架Fig.5 Sequence stratigraphic framework of longitudinal section in study area

圖6 研究區切物源剖面層序地層格架Fig.6 Sequence stratigraphic framework of cross section in study area

圖7 研究區不同層序內煤層厚度Fig.7 Thickness map of coal in different sequences in study area

3.2.2 SQ2層序

SQ2層序代表太原組泥灰巖和灰巖沉積,形成于陸表海碳酸鹽臺地環境。內部灰巖與泥巖層的沉積序列記錄多次海水侵退過程?；規r層數為3～4層,厚度較大,是多次大規模海侵事件的結果,其與泥炭堆積作用呈負相關關系,層序內部基本無泥炭和煤層聚集(見圖5)。層序內部不發育低位體系域和高位體系域,僅可劃分多次疊加的海侵體系域,表明盆地范圍的大規模、多期次、長期持續的陸表海海侵階段,缺乏有效的泥炭有機質供給(見圖6)。

“呼哧”，卡爾松的兩只鼻涕蟲縮回了黑洞洞的大鼻孔里，現在他完全忘了足球，腦中只有軍事任務。他雙目炯炯地說：

3.2.3 SQ3層序

SQ3層序為山西組下部山2段,層序底界面為三角洲水下分流河道的下切沖刷面,對局部的下伏太原組灰巖和泥巖形成侵蝕,具有下切谷形態和復合河道砂體充填。這套砂體區域性分布,為北岔溝砂巖,由盆地北部到東南部可連續追蹤,代表層序內部的低位體系域的沉積主體(見圖5-6)。海侵體系域以粉砂和泥巖為主,海侵體系域晚期多發育深灰色炭質泥巖和薄煤層。高位體系域早期發育水下分流間灣,巖性上發育多套薄—中層煤及兩套連續分布的煤,表明較強的聚煤作用(見圖7(b))[35]。

3.2.4 SQ4層序

SQ4層序為山西組上部山1段,下部界面為山2段頂部暴露面,頂部界面為駱駝脖子砂體的下切河道沖刷面。由于海水從盆地東南部開始退出,持續的海退導致海水作用減弱而河流作用增強,陸表海逐漸向內陸湖泊水體性質轉換(見圖5)。辮狀河三角洲前緣在該時期廣泛分布,低位體系域以連片的透鏡狀河道砂體為主,海侵體系域和高位體系域內泥巖的有機質含量降低,局部發育煤線和炭質泥巖,累計厚度小于2 m,表明聚煤作用持續減弱(見圖7(c))。

4 層序地層聚煤規律及模式

由巖心、測井和分析資料可知,研究區晚石炭系—早二疊系的本溪組—山西組經歷近海環境到三角洲沉積體系的演替,?！戇^渡層序內部的聚煤規律存在顯著差異。應用層序地層學理論,分析近海含煤地層中煤的空間分布和特征:一方面,相對海平面變化造成的可容納空間增長速率差異,導致層序內部不同體系域的煤層分布;另一方面,根據區域構造效應造成的盆地本身可容納空間大小,區分為高可容納空間和低可容納空間層序類型,造成不同三級層序內的聚煤規律差異。

4.1 聚煤規律

BOHACS K等[4]和CROSS T A[36]強調煤炭形成和保存的基本控制是與泥炭堆積相關的可容納空間,煤層沉積厚度受控于可容納空間增長速率與泥炭堆積速率之間的相對平衡狀態。海陸過渡沉積體系中泥炭形成環境的可容納空間主要受相對海平面變化作用。當相對海平面上升速率過快時,可容納空間增長大于泥炭的堆積過程,相對海平面具有過低的上升速率,泥炭缺少足夠的堆積空間,導致聚煤過程受到干擾,難以形成最有利的聚煤條件。

SQ1層序中,由于海岸外側障壁島阻擋,潟湖環境保持低能水動力條件,且缺乏外來的碎屑物質的直接供給,處于緩慢的沉積速率階段。當可容納空間增加速率和泥炭堆積速率在海平面下降時期保持同步時,聚煤高峰期發生,形成穩定廣泛分布的厚層煤。SQ2層序穩定的高海平面使區內處于淺海陸棚的碳酸鹽臺地環境,海水流通,灰巖和泥灰巖發育,缺乏泥炭的直接來源(見圖8)。

圖8 研究區海陸過渡層序內的聚煤規律Fig.8 Coal accumulation in the marine-continental transitional sequence in the study area

SQ3層序屬于曲流河三角洲環境,受明顯海侵影響,且內陸物源供給較充足,碎屑物質和泥炭的堆積速率超過可容納空間的增長速率,薄煤層在海侵晚期分布,最大厚煤層出現在高位體系域早期,發生最大的聚煤作用,中等厚度和連續的煤形成。由于持續發生海退過程,SQ4層序內河流作用繼續增強,盆地基本由陸表海轉變為半封閉的陸相湖盆,豐富的泥砂物源供給速率遠大于可容納空間的增長速率,層序內部不具備厚層煤的發育條件,僅分布炭質泥巖和少量的薄煤或煤線(見圖8)。

4.2 聚煤模式

海相層序(SQ1—SQ2)發育于克拉通陸表海環境,海水較淺且進退頻繁,盆地東南緣大范圍為障壁—潮坪—潟湖及碳酸鹽臺地環境,為高可容納空間[37-38]。過渡相及陸相層序(SQ3—SQ4)為曲流河三角洲和辮狀河三角洲,沉積地形坡度平緩,為低可容納空間。高、低可容納空間的三級層序類型和層序內的海平面變化造成煤層分布規律的差異。

高可容納空間層序下,A/S大于1,可容納空間的增長速率長期等于或高于泥炭堆積速率,沉積物形成較穩定,因此保存較厚且穩定的煤層[39]。SQ1層序發育在陸表海的高可容納環境中,由于早期的暴露侵蝕及快速海侵,形成障壁—潟湖環境。低位體系域時期,可容納空間形成可迅速垂直填充的空間,厚層的障壁砂體沿岸線分布并垂向加積,未形成保存的煤層。海侵體系域時期,可容納空間的增長形成最厚的煤層,橫向上更連續。最厚的煤層出現在該層序的海侵體系域內,平均厚度為2.5～6.8 m,累計厚度可達8 m(見圖9(a))。SQ2層序具有高可容納空間,但缺乏有機質的輸入,區內未保存煤層(見圖9(b))。

低可容納空間層序下,A/S小于1,沉積速率遠大于可容納空間增長速率,可容納空間持續處于填充的進積狀態,即使海侵體系域時期的相對海平面上升帶來可容納空間增長,也不足以補償[40]。SQ3和SQ4層序分別代表淺水環境下的曲流河三角洲和辮狀河三角洲沉積,具有較低的可容納空間。SQ3層序低位體系域早期,由于受強烈的進積作用,低可容納空間和高碎屑物質輸入,沉積過路及河道的廣泛侵蝕,低位體系域的三角洲環境中幾乎沒有形成煤,但在低位體系域晚期保留炭質泥巖層或少量煤線。海侵體系域時期,可容納空間增加,形成薄且分散較少的煤層,因為泥炭的積累與可容納空間的增加保持同步。高位體系域早期,三角洲中有利于橫向連續煤的聚集,在晚期海侵體系域煤層更薄且有些分散(見圖9(c))。SQ4層序低可容納空間和高的沉積物供給促使微弱的聚煤作用(見圖9(d))。

高可容納空間和低可容納空間兩類層序中,高位體系域之間煤層厚度和連續性的差異,可解釋為更高的可容納空間允許形成厚且連續性較高的煤層,在高位體系域晚期泥炭的積累與可容納空間的增加保持同步。低容納空間只能在高位體系域早期形成中等連續和厚度的煤,在晚期體系內阻止泥炭的長期積累,容易被碎屑物質填滿,形成相對較薄和分散的煤。與低可容納空間相比,高可容納空間海侵體系域的聚煤差異在于高可容納空間的增長速率大于泥炭的積累速度,難以形成泥炭的堆積,而低可容納空間在海侵體系域晚期形成薄層且孤立的煤。

不同層序類型內部煤層厚度和連續性存在差異,廣闊的高可容納空間提供泥炭堆積環境,形成區域的標志性厚層連續煤,在低可容納空間中,由于碎屑物質的輸入變化和海平面、河流動力的頻繁變化,可能中止或減緩泥炭的堆積過程,形成中等厚度且分布連續的煤層及伴生的薄層煤。當層序可容納空間進一步降低時,即使相對海平面上升,所有體系域也只能發育孤立的薄層煤。

5 結論

(1)鄂爾多斯盆地東南部晚石炭系—早二疊系發育一套完整的?！戇^渡層序,可劃分4個三級層序。SQ1層序對應本溪組,底界為中奧陶統馬家溝組頂部的不整合古風化殼;SQ2層序為太原組,底界面為厚層煤頂面;SQ3層序與山2段對應,底部為區域河道下切侵蝕界面;SQ4層序與山1段對應,底界面為暴露面和河道下切侵蝕面,頂界面為下石盒子組的大型河道侵蝕面。

(2)研究區識別4類沉積環境序列,分別為近海海岸的障壁—潮坪—潟湖、淺海陸棚的碳酸鹽臺地、海陸過渡的曲流河三角洲和陸相湖盆的辮狀河三角洲,分別與SQ1到SQ4層序相對應,其中主要的聚煤環境微相為潟湖沼澤和水下分流間灣。

(3)建立?！戇^渡含煤層序地層模型。SQ1層序主要發育高位體系域晚期聚煤,煤層具有厚、高連續性和層數少特征;SQ2層序中,煤層基本不發育;SQ3層序中煤層分布在海侵體系域晚期和高位體系域早期,其中后者表現煤層數量多、中厚層和中等連續特點;SQ4層序內煤層發育有限,僅可見稀少的孤立的薄層煤或煤線。高可容納空間下的障壁—潮坪—潟湖環境主要發育HST晚期聚煤,低可容納空間下的海陸過渡三角洲發育HST早期聚煤。層序的可容納空間差異和相對海平面變化控制海陸過渡層序地層格架內的聚煤規律。