許圣傳，劉招君，董清水，柳世友，柳 蓉，孟慶濤

(1.石家莊經(jīng)濟(jì)學(xué)院 資源學(xué)院，河北 石家莊 050031;2.吉林大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，吉林 長春 130062;3.中國煤炭地質(zhì)總局吉林省煤炭地質(zhì)調(diào)查研究院，吉林長春 130033)

撫順煤田始新統(tǒng)沉積演化及其對煤和油頁巖發(fā)育的控制

許圣傳1，2，劉招君2，董清水2，柳世友3，柳 蓉2，孟慶濤2

(1.石家莊經(jīng)濟(jì)學(xué)院 資源學(xué)院，河北 石家莊 050031;2.吉林大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，吉林 長春 130062;3.中國煤炭地質(zhì)總局吉林省煤炭地質(zhì)調(diào)查研究院，吉林長春 130033)

通過野外露頭測量、沉積特征分析、沉積相恢復(fù)、孢粉組合和地球化學(xué)數(shù)據(jù)對比，對撫順煤田始新統(tǒng)沉積演化過程及其對煤和油頁巖發(fā)育的控制作用進(jìn)行研究。結(jié)果表明：撫順煤田始新統(tǒng)從古城子組扇三角洲和沼澤環(huán)境開始，經(jīng)歷了計軍屯組淺湖和半深－深湖環(huán)境，最終演化為西露天組旋回性沉積;古城子組煤層主要在氣候溫暖潮濕、河流輸入持續(xù)增加的淡水沼澤環(huán)境中沉積;計軍屯組油頁巖主要在氣候向寒冷干燥條件轉(zhuǎn)化、河流輸入減少、水體變咸的半深－深湖環(huán)境中沉積;貧礦油頁巖作為煤到富礦油頁巖的過渡層位顯示了高等植物和水生有機(jī)質(zhì)雙重輸入的特征;煤和油頁巖沉積條件的不同造成有機(jī)質(zhì)母質(zhì)來源的差異和水介質(zhì)條件的改變，引起與油頁巖共生煤系的“富氫化”和生油潛力的增大。

撫順煤田;沉積演化;油頁巖;始新統(tǒng);地球化學(xué)

世界范圍地層資料統(tǒng)計顯示，在古生代到新生代的地史演化過程中，煤和油頁巖可同時期賦存于陸相盆地并聚集成礦［1-3］。同樣，煤和油頁巖共生的地質(zhì)現(xiàn)象在中國東部眾多中—新生代斷陷中普遍存在［4-8］，撫順煤田始新統(tǒng)含煤、油頁巖地層單元即為典型實(shí)例之一。煤一般為沼澤環(huán)境下高等植物的最終產(chǎn)物，油頁巖主要起源于半深－深湖環(huán)境中的藍(lán)、綠藻類等浮游生物［9-12］。煤到油頁巖(或者油頁巖到煤)沉積過程記錄了沉積環(huán)境和古湖泊生態(tài)的漸進(jìn)演化。然而，在以往盆地勘探中，煤田地質(zhì)注重于聚煤環(huán)境分析和有利區(qū)帶預(yù)測;石油地質(zhì)偏向于油源對比和生烴潛力評價，綜合對比煤和油頁巖沉積環(huán)境的差異，進(jìn)而揭示沉積演化過程對煤和油頁巖發(fā)育的控制卻相對薄弱。筆者以撫順盆地為例，通過古城子組含煤地層和計軍屯組含油頁巖地層沉積條件對比，分析始新統(tǒng)沉積演化對煤和油頁巖形成及特征的影響，為中國東部中—新生代斷陷中垂向共生的煤和油頁巖成因提供一定參考。

1 地質(zhì)背景

撫順煤田(亦稱撫順盆地)地處華北地臺北緣，構(gòu)造上位于郯廬斷裂帶進(jìn)入下遼河盆地分支北部，撫順－敦密斷裂西側(cè)［13］。煤田現(xiàn)今呈橢圓狀，長軸近東西向(圖1)。受郯廬斷裂帶走滑及旋轉(zhuǎn)的影響［14］，煤田北部發(fā)育逆沖斷層，南部則出現(xiàn)一系列近南北向正斷層，并具有短斷距的走滑特征。盆地短軸方向剖面(圖1)顯示，撫順煤田總體呈現(xiàn)為樞紐近東西的向斜構(gòu)造，北翼產(chǎn)狀陡峭，傾角一般為30°～60°，甚至部分地層翻轉(zhuǎn)(白堊紀(jì)地層位于新生代地層之上)，南翼產(chǎn)狀平緩，傾角一般為15°～44°。

由于后期擠壓抬升［13-14］，撫順煤田邊緣相遭受不同程度剝蝕。煤田現(xiàn)今殘存面積為76 km2，太古宇片麻巖、下白堊統(tǒng)龍鳳坎組以及中、酸性火山巖構(gòu)成了盆地基底。新生代沉積蓋層厚度最大可達(dá)2000 m，主要為一套河流、沼澤和湖相沉積組合(圖1)。盆地構(gòu)造樣式、沉積建造和巖性組合顯示了山間盆地的充填特征。其中，始新統(tǒng)充填顯示為從古城子組煤層開始，經(jīng)計軍屯組油頁巖層，最終進(jìn)入西露天組白云質(zhì)泥巖與灰綠色泥巖互層的演化過程(圖1)。

撫順煤田保存了豐富的動、植物化石。古城子組煤層含有 Lycoria succinea Hong sp、Eosciophila Hong gen和 Macrocera melanopoda Hong sp 等蚊類化石［15］及大量硅化木，局部地區(qū)產(chǎn)出淡水性龜類化石［15-16］。計軍屯組具有豐富的植物葉片和魚類化石。西露天組頁巖中含有螺類等底棲動物化石，綠色泥巖中具有廣鹽性介形蟲和葉肢介化石，白云質(zhì)泥巖中缺失動、植物化石。

圖1 撫順煤田地質(zhì)圖、典型剖面和綜合柱狀圖Fig.1 Geology map，typical profile and comprehensive diagram in Fushun Coalfield

2 煤和油頁巖沉積特征

2.1 古城子組含煤地層

古城子組為研究區(qū)主要含煤地層單元，煤層厚度一般為10～140 m，平均約為50 m。厚度等值線顯示(圖2(a))，煤田東部、北部和西部出現(xiàn)3個煤層最大厚度區(qū)域，與古城子組沉積中心相吻合。總體來看，古城子組煤層發(fā)育穩(wěn)定，并且可全盆地追蹤對比。朝向盆地邊緣，煤層逐漸分叉、變薄或者相變?yōu)樘抠|(zhì)頁巖、泥巖、砂巖和砂礫巖巖性組合，含煤地層呈現(xiàn)中心厚、邊緣薄的透鏡狀幾何形態(tài)。

圖2 撫順煤田始新統(tǒng)煤和油頁巖層厚度等值線Fig.2 Thickness contour of Eocene coal and oil shale in Fushun Coalfield

野外露頭古城子組底部發(fā)育分選差、雜基支撐的塊狀砂礫巖，顯示了快速堆積的特征(圖3(a))。砂巖－砂礫巖中出現(xiàn)煤屑撕裂現(xiàn)象，并且部分煤碎屑具有磨圓特征(圖3(b))，為原來沉積物搬運(yùn)、再沉積的結(jié)果，可能與山間盆地廣泛出現(xiàn)的河流作用相關(guān)［17］。靠近煤田邊界，局部可觀察到薄層(1～5 m)砂巖粒度向上變細(xì)，漸變成泥巖或者炭質(zhì)泥巖，暗示水動力條件的逐漸減弱。在細(xì)砂和粉砂巖中發(fā)育水平或波狀層理，泥巖或炭質(zhì)頁巖與砂礫巖突變接觸處偶見不清晰的沖刷面，可能為洪泛時期辮狀河道(分流河道)沖刷泛濫平原產(chǎn)生的結(jié)果［14］。

古城子組煤層含有大量硅化木，部分垂直煤層層面產(chǎn)出，顯示了盆地演化初期快速充填埋藏的特征。煤層富含琥珀顆粒，垂向向上含量逐漸增加，靠近計軍屯組底部富集成層(厚度為1～3 cm)，并且可全盆地追蹤對比。沿剖面向上，煤巖特征顯示濁煤成分增加，富含鏡質(zhì)體的光亮煤成分減少，與撫順煤田古城子組時期植物群落演化和有機(jī)質(zhì)來源特征一致［16］。琥珀顆粒脂類物質(zhì)的富集以及濁煤成分的增加引起了撫順煤質(zhì)相對富氫化［16］，不僅解釋了干酪根從Ⅲ型向Ⅱ2型變化的原因，同樣可以說明一些煤樣干酪根顯微描述中樹脂體的存在。

圖3 撫順煤田野外露頭巖石類型及沉積特征Fig.3 Lithology type and deposit characteristic of outcrop in Fushun Coalfield

2.2 計軍屯組含油頁巖地層

計軍屯組沉積了厚層的油頁巖，厚度一般為34～195 m，平均為113 m。與古城子組煤層類似，油頁巖地層同樣呈現(xiàn)中心厚、朝向盆地邊緣減薄的透鏡狀幾何形態(tài)。根據(jù)含油率變化［18］，剖面上油頁巖礦體可劃分為貧礦層和富礦層，其中貧礦層約占油頁巖總厚度的1/3。地層厚度顯示(圖2(b)、(c))，貧礦層與富礦層沉積中心一致，與古城子組沉積中心相比，具有繼承性。

在計軍屯組底部貧礦油頁巖中，薄煤層透鏡體普遍存在(圖3(c))，局部區(qū)域形成可采煤層。手標(biāo)本上，貧礦層油頁巖結(jié)構(gòu)致密，富含植物葉片化石，并且發(fā)育由灰白色粉砂質(zhì)泥巖和油頁巖顯示的水平層理(圖3(d))。進(jìn)入富礦層，油頁巖紋層發(fā)育，風(fēng)化后呈紙片狀。野外露頭上，計軍屯組油頁巖直接上覆在煤層之上(圖3(e))，向上漸變成由白云質(zhì)泥巖、綠色泥巖和灰黑色頁巖組成的西露天組旋回性沉積(圖3(f))。計軍屯組砂巖和砂礫巖相對不發(fā)育，粗碎屑巖性組合只在少量鉆孔中出現(xiàn)(圖4，老虎臺55-12鉆孔)，顯示穩(wěn)定沉降時期雖然盆地呈現(xiàn)饑餓狀態(tài)，但是仍有部分點(diǎn)物源的存在［19］。

在計軍屯組油頁巖中經(jīng)常出現(xiàn)魚類、魚鱗等化石，但是富礦層缺少螺類、腹足類等底棲動物化石，暗示計軍屯組時期盆地底部水體長期處于缺氧狀態(tài)。保存完好的植物葉片、莖干化石在計軍屯組底部含量豐富，向上進(jìn)入富礦層后逐漸減少或者消失(圖4)。剖面上，古城子組與計軍屯組平行整合接觸及巖性變化記錄了盆地水體逐漸加深的過程，并且伴隨著高等植物的退化和水生生物的發(fā)展。此外，油頁巖中炭質(zhì)頁巖夾矸的逐漸消失與含油率從小于3%到8%的變化一致，同樣說明了湖泊水生有機(jī)質(zhì)輸入的逐漸增加［16］。

圖4 撫順煤田始新統(tǒng)東西向沉積斷面圖Fig.4 East-west sedimentary cross section of Eocene strata in Fushun Coalfield

3 始新統(tǒng)沉積演化

3.1 古城子組沉積時期

古城子組沉積時期主要發(fā)育扇三角洲和沼澤兩種沉積相。垂向上(圖4)，古城子組沉積環(huán)境由扇三角洲平原逐漸演化成沼澤，顯示了盆地沉降增加和盆地水體的加深。平面上(圖5(a))，扇三角洲平原分布范圍有限，這可能由山間盆地范圍小、相變快、部分沉積相未被鉆孔鉆遇有關(guān)［19］，或者與盆地邊緣原始沉積相遭后期抬升剝蝕有關(guān)［14，16-17］。由粉砂巖、泥巖和炭質(zhì)泥巖構(gòu)成的扇三角洲前緣主要出現(xiàn)在盆地東部、南部和西部，朝向盆地中心逐漸相變?yōu)榇蠓秶植嫉恼訚森h(huán)境。

微量元素顯示，古城子煤層釩鎳比(w(V)/w(Ni))一般小于1.5，鍶鋇比(w(Si)/w(Ba))小于0.5，鍶銅比(w(Si)/w(Cu))為 1～10(圖 6)，無機(jī)地球化學(xué)特征揭示煤層為淡水沉積［20］。與中國東部大部分新生代煤系地層類似［21］，古城子組伴隨著粗碎屑的砂礫巖沉積，為河流輸入陸源物質(zhì)快速充填埋藏的結(jié)果。河流的持續(xù)作用不僅建造了扇三角洲沉積，并且使盆地地形趨于平坦，有利于高等植物繁茂的沼澤形成。此外，持續(xù)的河流作用使盆地水體穩(wěn)定淡化和不斷加深，引起淡水性動物化石群出現(xiàn)和退積型地層疊加方式。

3.2 計軍屯組沉積時期

計軍屯組沉積時期，盆地中水體深度持續(xù)增加，研究區(qū)以半深－深湖沉積相為主，扇三角洲相零星分布。垂向上(圖4)，淺湖環(huán)境在計軍屯組初期廣泛分布，但隨著盆地沉降的增加，逐漸變化為半深－深湖沉積環(huán)境。平面上(圖5(b))，扇三角洲沉積環(huán)境出現(xiàn)于盆地東部，濱淺湖沉積環(huán)境在盆地北部和東部出現(xiàn)，朝向盆地中心漸變?yōu)榘肷睿詈练e環(huán)境。

計軍屯組油頁巖微量元素顯示，w(V)/w(Ni)為1.5～3，w(Si)/w(Ba)為 0.5～1.5，w(Si)/w(Cu)為5～50，由貧礦到富礦呈現(xiàn)增大趨勢(圖6)。無機(jī)地球化學(xué)特征表明，計軍屯組沉積時期湖泊水體處于咸化狀態(tài)［20］，上覆西露天組相似變化趨勢的地球化學(xué)指標(biāo)和白云質(zhì)泥巖的旋回性沉積可以作為一個額外的證據(jù)。結(jié)合砂礫巖的消失和相對喜干孢粉(櫟粉、榆粉和脊榆粉)的出現(xiàn)(圖4)，計軍屯組時期湖泊水體的咸化主要由干燥氣候條件下河流輸入減少和蒸發(fā)量增加引起。河流退化和陸源碎屑物質(zhì)的減少造成古城子組地層呈現(xiàn)退積－加積疊加方式。

3.3 斷層活動和構(gòu)造演化

受喜山運(yùn)動二－三幕及隨后抬升作用影響［22］，煤田邊緣斷層受到不同程度剝蝕，并且盆地北部出現(xiàn)一系列逆沖推覆斷層(圖1，F(xiàn)1和F1A)?，F(xiàn)今煤田中可識別斷層多為同沉積斷裂［14］，按照走向可劃分為近東西和近南北向兩組。近東西向正斷層主要為基底斷裂，斷面向北傾斜，穿透新生代蓋層，顯示出控盆斷層特征。近南北向正斷層斷面西斜，部分?jǐn)鄬踊顒咏K止于西露天組沉積時期，生長過程中走滑運(yùn)動切割近東西向正斷層，引起東西向正斷層不連續(xù)。煤田中典型代表是中部六號斷層(圖2，F(xiàn)6)，傾角為22°～35°，上盤向南移動約400～500 m，垂距為56 m。該斷層橫向切斷古城子組煤層，并將油頁巖礦分割成東西兩部分。

以計軍屯組為轉(zhuǎn)換層位，撫順煤田構(gòu)造演化呈現(xiàn)下斷上坳的二元特征［14，17-18］。古城子組沉積時期，近東西和近南北向同沉積斷層切割基底，引起盆地出現(xiàn)多個沉積和沉降中心(圖3(a))。由于同沉積斷層差異沉降產(chǎn)生的可容納空間小，加之河流搬運(yùn)碎屑物質(zhì)充填，這個時期湖泊水體淺并且具有開放盆地水文特征［23］。計軍屯組沉積時期，盆地表現(xiàn)為快速的總體基底沉降，同時孢粉組合顯示氣候相對干燥、降雨量減少(圖4)，由河流輸入的陸源碎屑供給下降，封閉盆地的饑餓狀態(tài)造成盆地水體不斷加深。

3.4 始新統(tǒng)沉積演化

從古城子組沉積時期到計軍屯組沉積時期，由于水體的不斷加深和河流作用的逐漸退化(圖4)，撫順煤田沉積相從扇三角洲和沼澤相組合逐漸變化為濱淺湖和半深－深湖相組合(圖5)。盆地的持續(xù)沉降控制了沉積相的發(fā)育，進(jìn)一步控制了煤和油頁巖的厚度和沉積范圍(圖2)。不同沉積條件下古城子組含煤地層和計軍屯組含油頁巖地層巖性、沉積構(gòu)造、原生沉積礦物、古生物和沉積相組合方面的差異見表1。

表1 撫順煤田始新統(tǒng)地層單元特征Table 1 Characteristic of Eocene strata units in Fushun Coalfield

4 沉積演化對煤和油頁巖發(fā)育的控制

撫順煤田古城子組斷層差異沉降時期是主要的聚煤時期，并且與相對潮濕的氣候條件和河流作用輸入的豐富陸源碎屑物質(zhì)相關(guān)。主要表現(xiàn)為：①大量陸源碎屑充填于淺盆地沉積和沉降中心，產(chǎn)生廣泛的沼澤環(huán)境;②豐富的河流作用使水體呈現(xiàn)淡化狀態(tài)，引起高等植物繁茂，為煤層聚集提供物質(zhì)基礎(chǔ);③部分高等植物降解引起湖泊水體酸化和細(xì)菌等低等有機(jī)質(zhì)輸入，保護(hù)煤層沉積并且引起煤質(zhì)相對“富氫化”。

盆地基底總體快速沉降時期，河流的退化和干燥的氣候條件對計軍屯組油頁巖的形成具有重要的影響：①減少進(jìn)入盆地的無機(jī)礦物含量，造成有機(jī)質(zhì)含量的相對增加，使油頁巖從貧礦向富礦轉(zhuǎn)變;②增加盆地水體營養(yǎng)物質(zhì)的濃度，造成藻類等浮游生物的大量繁殖［24］，使盆地具有高的原始生產(chǎn)力;③引起盆地水體的分層，造成盆地水體缺氧，有利于已沉積有機(jī)質(zhì)的保存。

與上覆西露天組頁巖類似，計軍屯組油頁巖氯仿瀝青“A”含量均小于1.0，明顯低于古城子組煤層氯仿瀝青“A”含量(表2)，暗示不同沉積環(huán)境對巖石可溶有機(jī)質(zhì)含量的控制。然而，計軍屯組油頁巖具有高的飽和烴+芳香烴含量，并且從貧礦層到富礦層 w(飽和烴)/w(芳香烴)從0.22變化到1.72，表明起源于半深－深湖環(huán)境的水生有機(jī)質(zhì)比沼澤環(huán)境下的高等植物更加富含脂類物質(zhì)。氯仿瀝青“A”族組分變化特征與垂向上高等植物葉片化石減少、油頁巖紋層結(jié)構(gòu)變化趨勢相一致，顯示了古湖泊水體的加深和水生生產(chǎn)力的增加。

表2 撫順煤田始新統(tǒng)巖石氯仿瀝青“A”及族組分特征Table 2 Chloroform bitumen“A”and group compositions of Eocene rocks in Fushun Coalfield

不同的沉積條件控制了撫順煤田古城子組煤和計軍屯組油頁巖的沉積，并且顯示為一個連續(xù)的演化過程。古城子組地層具有明顯河流作用(圖6)，w(V)/w(Ni)、w(Si)/w(Ba)、w(Si)/w(Cu)等地化指標(biāo)顯示了淡水大量輸入、水體相對氧化的沼澤沉積特征。經(jīng)計軍屯組進(jìn)入西露天組，w(V)/w(Ni)、w(Si)/w(Ba)、w(Si)/w(Cu)則呈現(xiàn)持續(xù)的增加(圖6)，表明半深－深湖沉積條件下水體鹽度的升高。由于沉積環(huán)境引起湖泊生態(tài)的改變，有機(jī)地化指標(biāo)上則表現(xiàn)為TOC和芳香烴的相對減少、飽和烴的不斷增加，以及w(飽和烴)/w(芳香烴)的持續(xù)增大(表2)。與計軍屯組油頁巖富礦相比，油頁巖貧礦氯仿瀝青“A”具有更加豐富的芳香烴，顯示了高等植物起源的有機(jī)質(zhì)和水生有機(jī)質(zhì)在含氧水體中的沉積。向上進(jìn)入富礦層，芳香烴相對減少、飽和烴增加，顯示了內(nèi)源有機(jī)質(zhì)在更加咸化和缺氧條件下的沉積［25-26］。

5 結(jié)論

(1)撫順煤田始新統(tǒng)古城子組到計軍屯組經(jīng)歷了一個漸變的沉積演化過程，古城子組煤質(zhì)的“富氫化”和計軍屯組貧礦沉積為從煤到油頁巖在沉積特征、主要巖性組合、地層疊加方式和古生物群等方面演化的一個過渡特征。

(2)古城組煤層主要沉積在氣候溫暖潮濕、河流輸入增加的淡水條件中，計軍屯組油頁巖則主要沉積在氣候開始轉(zhuǎn)向干燥、河流輸入減少的階段。氣候和物源輸入的改變引起盆地沉積條件和水體性質(zhì)的變化，進(jìn)而影響了有機(jī)質(zhì)的母質(zhì)類型和來源。

(3)從古城子組沉積時期到計軍屯組沉積時期，撫順煤田沉積相組合從扇三角洲和沼澤相組合逐漸漸變成濱淺湖和半深－深湖相組合。從煤到油頁巖沉積環(huán)境和沉積條件的改變引起撫順煤田與油頁巖共生煤系的“富氫化”特征和生油潛力的增加。

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Eocene sedimentary evolution and its control over coal＆oil shale development in Fushun Coalfield

XU Sheng-chuan1，2，LIU Zhao-jun2，DONG Qing-shui2，LIU Shi-you3，LIU Rong2，MENG Qing-tao2
(1.College of Resources，Shijiazhuang University of Economics，Shijiazhuang 050031，China;2.College of Earth Sciences，Jilin University，Changchun 130062，China;3.Jilin Coal Geologic Survey，China National Administration of Coal Geology，Changchun 130033，China)

Eocene sedimentary evolution and its control over development of coal and oil shale in Fushun Coalfield were investigated through out-crop measurement，deposit character analysis，facies reconstruction，as well as pollen assemble and geochemistry data comparison.The results indicate that the sedimentary evolution started from fan delta and swamp facies associations of the Guchengzi formation，then underwent shallow lake and semi-profundal to profundal facies associations of Jijuntun formation，eventually evoluted into cycle deposit of the Xilutian formation.Coal seam of Guchengzi formation was deposited in fresh-water swamp with increasing river inflow under warm and humid climate.However，oil shale of Jijuntun formation was deposited in saline semi-profundal to profundal lake with decreasing river inflow under relatively cold and arid climate.Lean oil shale as transitional layer from coal to rich oil shale implies organic input of aquatic organism together with high plant.Sedimentary environment changes of coal and oil shale cause variation of organic origin and water condition，resulting in"hydrogen-enrichment"and increasing hydrocarbon potential of coal deposit associated with oil shale in Fushun Coalfield.

Fushun Coalfield;sedimentary evolution;oil shale;Eocene;geochemistry

P 618.1;TE 121

A

10.3969/j.issn.1673-5005.2012.02.008

1673-5005(2012)02-0045-08

2011－08－25

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(40972076);國土資源部“十一五”重大科技創(chuàng)新項(xiàng)目(20080106)

許圣傳(1983－)，男(漢族)，山東高密人，講師，博士研究生，主要從事盆地分析方面的教學(xué)和科研工作。

(編輯 徐會永)