魯 靜,邵龍義,楊敏芳,李永紅,張正飛,王 帥,云啟成

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083;2.中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院,河北廊坊 065007;3.青海煤炭地質(zhì)局,青海西寧 810000)

陸相盆地沼澤體系煤相演化、層序地層與古環(huán)境

魯 靜1,邵龍義1,楊敏芳2,李永紅3,張正飛1,王 帥1,云啟成3

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083;2.中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院,河北廊坊 065007;3.青海煤炭地質(zhì)局,青海西寧 810000)

為了揭示陸相盆地沼澤沉積特征及沉積演化史,進(jìn)行了柴北緣大煤溝F煤層沉積學(xué)、層序地層學(xué)、煤巖學(xué)研究。以沉積濱線坡折帶、波浪能量耗盡點(diǎn)和浪基面為界,將沼澤體系劃分為湖濱平原、低能濱湖、高能濱湖和淺湖4個(gè)亞相,從沉積學(xué)、層序地層學(xué)和煤巖學(xué)角度提出了陸相湖盆沼澤沉積模式。建立了基于氧化還原性、水體能量和受陸源沉積物影響程度3個(gè)指標(biāo)的煤沉積相確定方法,識(shí)別出氧化-低能-低灰等5種特征沉積環(huán)境,應(yīng)用該方法恢復(fù)的煤相演化史表明F煤層主要沉積于波浪能量耗盡以上的湖濱平原和低能濱湖亞相。識(shí)別出陸源碎屑體系廢棄面、相對整合面、湖泛面、陸表暴露面4種關(guān)鍵層序界面、2種準(zhǔn)層序類型,將F煤層劃分為4個(gè)層序、5個(gè)準(zhǔn)層序組、10個(gè)準(zhǔn)層序,建立了該煤層等時(shí)地層格架及相應(yīng)的基準(zhǔn)面變化曲線。層序格架內(nèi)煤相演化與沼澤環(huán)境特征關(guān)系表明:氣候作用下的降雨量是沼澤基準(zhǔn)面變化及湖侵-湖退的主要驅(qū)動(dòng)力,正常湖退形成的整合面和強(qiáng)制性湖退形成的河道間暴露面為主要層序界面類型,沼澤環(huán)境特征受沉積相和基準(zhǔn)面變化雙重控制,從湖濱平原到濱、淺湖,水介質(zhì)鹽度降低、堿性增強(qiáng),木本植物先減少再增加,并發(fā)生高位沼澤—低位沼澤—高位沼澤的演化。

陸相盆地;沼澤;煤相;層序地層;沉積模式;古環(huán)境

如何從煤中提取聚煤期沼澤演化過程中古氣候、古水文、古植物等方面的地質(zhì)信息,一直是煤地質(zhì)學(xué)者研究的重要課題之一[1]。當(dāng)前國內(nèi)外學(xué)者對煤相的研究取得了豐碩成果,多集中于對煤相參數(shù)建立[2-3]、利用煤相參數(shù)確定沼澤沉積環(huán)境[4-7]、利用垂向煤相參數(shù)變化特征恢復(fù)沼澤水介質(zhì)古鹽度、酸堿性、水動(dòng)力條件、成煤植物類型等地質(zhì)演化信息[8-9]。其中在煤沉積相確定方法方面,Marchioni(1980)建立的雙三角圖解[9]和Diessel(1986)提出的GI-TPI雙對數(shù)坐標(biāo)圖解[4]兩種方法獲得廣泛應(yīng)用。但由于上述方法主要從煤巖學(xué)角度提出,沉積學(xué)、層序地層學(xué)等相關(guān)理論和方法考慮較少,利用上述方法確定的煤沉積相有時(shí)缺乏明確的地質(zhì)意義,如Diessel定義的上三角洲平原低位沼澤相與碎屑巖體系中的上三角洲平原的關(guān)系如何。同時(shí),利用上述方法確定的煤沉積相在垂向上往往出現(xiàn)相序的不連續(xù),與沉積學(xué)瓦爾特相率矛盾,這通常會(huì)給后續(xù)沼澤內(nèi)基準(zhǔn)面變化與古環(huán)境演化的解釋等帶來困難。基于以上問題,筆者以煤巖分析為基礎(chǔ),將聚煤沼澤作為與陸源碎屑相對獨(dú)立的沉積體系,應(yīng)用瓦爾特相律、氧化還原性、水體能量、基準(zhǔn)面、可容空間等沉積學(xué)和層序地層學(xué)原理和概念體系開展沼澤沉積模式和沼澤古環(huán)境恢復(fù)研究,以期能夠進(jìn)一步深化對陸相盆地聚煤過程的理解與認(rèn)識(shí)。

1 研究區(qū)地質(zhì)背景

大煤溝礦區(qū)位于柴北緣東部魚卡-紅山斷陷二級(jí)構(gòu)造單元紅山向斜的南翼(圖1)。礦區(qū)內(nèi)侏羅紀(jì)地層出露完整,盆地基底為前震旦系達(dá)肯大坂群(Pt1dk)和震旦系全吉群(Zqn)變質(zhì)巖。研究區(qū)含煤地層為早侏羅世小煤溝組(J1x)、中侏羅世大煤溝組(J2d)和石門溝組(J2s),前者自下而上發(fā)育A～D煤,后者自下而上發(fā)育E煤、F煤和G煤(圖2)。其中F煤為區(qū)域性可采煤層,煤層結(jié)構(gòu)簡單,厚度一般在5.3～15.6 m,平均7.0 m。

圖1 大煤溝礦區(qū)地質(zhì)圖Fig.1 Geological map of Dameigou area

柴達(dá)木盆地為一中生帶斷坳疊合盆地,早侏羅世主要在東部大煤溝、西部冷湖、南八仙構(gòu)造帶以南等地沉積。早侏羅世末—中侏羅世初,柴北緣西部受擠壓、抬升,由區(qū)域拉張應(yīng)力場向區(qū)域擠壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變,盆地性質(zhì)也由早侏羅世斷陷盆地向中侏羅世坳陷盆地演化,形成了以大煤溝地區(qū)為沉積中心,向達(dá)肯大坂山、綠梁山等四周超覆的沉積特征[10-11]。大煤溝侏羅紀(jì)煤系主要發(fā)育一套河流-三角洲-湖泊沉積體系(圖2),F煤層形成于廢棄的辮狀河沖積平原環(huán)境[10]。

圖2 柴北緣大煤溝剖面綜合柱狀圖Fig.2 Integrated column of Dameigou outcrop

2 實(shí)驗(yàn)與研究方法

在大煤溝露天礦F煤層露頭,從煤層頂板到底板25 cm等間距刻槽采樣,采樣點(diǎn)煤層厚7.4 m,共采集28塊煤樣品、2塊炭質(zhì)泥巖樣品和1塊煤層頂板炭質(zhì)泥巖樣品。將各分層樣品粉碎并全部通過1.0 mm篩,縮分出2份,1份留作底樣,1份制作煤磚光片進(jìn)行煤顯微組分鑒定及鏡質(zhì)組反射率測量。剩余樣品粉碎至200目以下,縮分為3份,分別進(jìn)行工業(yè)分析,常量元素和微量元素測試。其中常量元素和微量元素測試分別采用X射線熒光光譜和電感耦合等離子質(zhì)譜方法。

沼澤沉積相的確定主要有3個(gè)指標(biāo):①氧化還原條件,泥炭有機(jī)質(zhì)對氧氣反應(yīng)最為敏感。在偏氧化環(huán)境絲炭化作用占優(yōu)勢,煤顯微組分中惰質(zhì)組含量高;在偏還原環(huán)境,凝膠化作用占優(yōu)勢,煤顯微組分中鏡質(zhì)組含量增加。因此,鏡惰比(V/I)可以反映泥炭沉積的氧化還原環(huán)境。湖盆沼澤體系中,偏氧化的環(huán)境主要有兩種,一是泥炭經(jīng)常暴露環(huán)境,二是泥炭沉積于水下,但水體能量高、溶解氧含量高的環(huán)境。前者如湖岸線以上大范圍的湖濱平原,后者如河流入湖口的河口灣、濱淺湖波浪作用帶等。②環(huán)境能量(水動(dòng)力)條件,該條件是陸源碎屑體系沉積相確定的關(guān)鍵指標(biāo)之一,同樣該指標(biāo)也適用于湖盆沼澤環(huán)境。湖濱平原的河道、濱湖波浪作用帶都屬于較高能環(huán)境。論文環(huán)境能量(水動(dòng)力)特征采用馬興祥(1989)創(chuàng)建的搬運(yùn)指數(shù)(TI)來表征[2],TI=(殼屑體+鏡屑體+惰屑體+團(tuán)塊鏡質(zhì)體+樹脂體+孢子體+角質(zhì)體)/(絲質(zhì)體+結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體+基質(zhì)鏡質(zhì)體+粗粒體)(各有機(jī)顯微組分的體積分?jǐn)?shù),下同)。③陸源物質(zhì)影響(灰分)條件,由于煤層灰分主要為陸源物質(zhì),所以灰分含量可以反映與物源的關(guān)系。

沼澤古鹽度采用鈣鐵(Ca-Fe)元素含量法獲得,應(yīng)用Nelson(1967)年建立的公式y(tǒng)=0.09+0.26S,可以估算泥炭沼澤水介質(zhì)鹽度(S,‰)[12],其中y= w(Ca)/[w(Ca)+w(Fe)][13]。同時(shí),根據(jù)分層煤樣微量元素測試結(jié)果,計(jì)算可指示沼澤水介質(zhì)鹽度的Sr/Ba參數(shù)。水介質(zhì)酸堿性采用凝膠化指數(shù)來表示(GI?),水介質(zhì)酸堿性是控制泥炭凝膠化作用的最主要因素。植物木質(zhì)素與纖維素凝膠化產(chǎn)物主要是腐殖酸,該反應(yīng)使水介質(zhì)pH值迅速降低并會(huì)反過來抑制木質(zhì)素和纖維素的進(jìn)一步凝膠化,進(jìn)而有利于植物結(jié)構(gòu)的保存。當(dāng)水介質(zhì)富含堿金屬離子(如Ca2+)或有大量淡水注入沼澤時(shí),水介質(zhì)pH值升高,凝膠化反應(yīng)速率增加。因此,鏡質(zhì)組的凝膠化組分與非凝膠化比值可以反映沼澤水介質(zhì)的酸堿性。由于Diessel(1986)年建立的凝膠化指數(shù)(GI)公式中包含了絲炭化作用形成的惰質(zhì)組分[4],所以該公式不但反映了腐殖化作用過程中凝膠化作用強(qiáng)弱,還包括了泥炭氧化還原條件因素。為了精細(xì)表示凝膠化作用強(qiáng)弱及其所揭示的沼澤水介質(zhì)酸堿性,論文定義的凝膠化指數(shù)GI?=(基質(zhì)鏡質(zhì)體+團(tuán)塊鏡質(zhì)體+膠質(zhì)鏡質(zhì)體)/(結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體+均質(zhì)鏡質(zhì)體)。

高位沼澤與低位沼澤最明顯的差別表現(xiàn)為水分補(bǔ)給方式不同,前者主要靠大氣降水來補(bǔ)給,養(yǎng)分貧乏;后者靠地表水或地下水補(bǔ)給,養(yǎng)分豐富。因此,煤層植物養(yǎng)分(P2O5+K2O)含量差異是區(qū)分高位沼澤和低位沼澤的有效指標(biāo)。成煤植物主要包括木本和草本2類,森林指數(shù)(WI)可以用來區(qū)分兩類植物類型[14],一般認(rèn)為WI＞0.5時(shí)以木本植物為主,＜0.5時(shí)以草本植物為主。WI=(結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體+均質(zhì)鏡質(zhì)體)/(基質(zhì)鏡質(zhì)體+鏡屑體)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

表1和圖3為F煤層實(shí)驗(yàn)測試分析結(jié)果及各參數(shù)垂向變化特征。F煤層為低變質(zhì)氣煤,其鏡質(zhì)組最大反射率平均0.53%。煤層有機(jī)顯微組分變化大,鏡質(zhì)組含量在5.4%～94.6%,平均43.5%,其主要顯微組分為結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體,其次為基質(zhì)鏡質(zhì)體、碎屑鏡質(zhì)體。惰質(zhì)組含量在5.0%～93.7%,平均54.7%。惰質(zhì)組以半絲質(zhì)體和碎屑惰質(zhì)體為主,其次為絲質(zhì)體。殼質(zhì)組含量很少,以小孢子體為主。礦物含量在4.0%～43.2%,平均13.1%,主要為黏土礦物,其次為碳酸鹽巖礦物。F煤鏡惰比(V/I)、灰分、凝膠化指數(shù)(GI?)、古鹽度、P2O5+K2O含量、森林指數(shù)(WI)變化特征如表1和圖3所示。其中古鹽度與Sr/Ba比值相關(guān)性達(dá)到95%的置信水平(R=0.35)(圖4),說明Ca-Fe法計(jì)算出的古鹽度可靠性高。

4 湖盆沼澤沉積模式

盡管陸相盆地具有基底沉降不穩(wěn)定、物源多、沉積體系復(fù)雜等特點(diǎn),但當(dāng)區(qū)域厚煤層沉積時(shí),陸相盆地具有:①湖盆陸源碎屑體系廣泛廢棄,盆地內(nèi)沉積界面大范圍暴露,盆地內(nèi)及物源區(qū)植被覆蓋良好;②經(jīng)過區(qū)域性厚煤層沉積前陸源碎屑體系的填平補(bǔ)齊作用,盆地沉積界面坡度平緩,基準(zhǔn)面升降可影響盆地很大范圍;③在煤層沉積的較短時(shí)間內(nèi),盆地基底可近似于均勻沉降,該背景下,盆地內(nèi)基準(zhǔn)面變化主要受控于湖盆水的體積變化,而水體積的變化又受控于氣候變化造成的降雨量的多少;④由于盆地內(nèi)和物源區(qū)植被發(fā)育良好,物源區(qū)水土流失弱,主要為清水河流,再加上盆地內(nèi)沉積界面平緩,流入盆地的河流很容易分叉和改道,一般不會(huì)形成大的河道;⑤區(qū)域性厚煤層沉積環(huán)境與其下伏陸源碎屑沉積間沒有必然聯(lián)系[15-17],但煤層和下伏碎屑巖體系在沉積演化方面具有一定的連續(xù)性和繼承性。沉積學(xué)和層序地層學(xué)原理和方法也適用于沼澤環(huán)境。

表1 大煤溝F煤層實(shí)驗(yàn)與分析數(shù)據(jù)Table 1 Data of experiment and analysis of F coal seam in Dameigou

注:V為鏡質(zhì)組;I為惰質(zhì)組;E為殼質(zhì)組;M為礦物。

圖3 大煤溝F煤層煤相參數(shù)變化特征Fig.3 Map showing the characteristics of coal facies parameters F coal seam in Dameigou

圖4 古鹽度與Sr/Ba相關(guān)性及F煤微相分布特征Fig.4 Correlation analysis between palaeosalinity and Sr/Ba, microfacies distribution of F coal seam

基于以上認(rèn)識(shí),從沉積學(xué)和層序地層學(xué)角度分析,區(qū)域性厚煤層沉積時(shí),沿沉積傾向從盆地邊緣向盆地中心,可以識(shí)別出3個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)(界面)(圖5),第1個(gè)界面為沉積濱線坡折帶,位于湖岸線或河流入湖口附近,該界面向物源方向基準(zhǔn)面與沉積界面基本一致,該界面向盆地沉積中心方向,基準(zhǔn)面高于沉積界面。第2個(gè)點(diǎn)為波浪能量耗盡點(diǎn),由于盆地沉積界面平緩,湖浪在向湖岸方向傳播過程中,在浪基面以上,湖浪與基底作用導(dǎo)致波浪能量不斷損耗,當(dāng)湖浪能量消耗殆盡時(shí)的位置就是能量耗盡點(diǎn)。第3個(gè)界面為正常浪基面,大概位于1/2波長水深位置。

根據(jù)以上3個(gè)界面(點(diǎn)),可以將沼澤沉積體系劃分為3個(gè)亞相,從盆地邊緣到沉積濱線坡折帶為湖濱平原A亞相。當(dāng)有河道發(fā)育時(shí),可以劃分出河道A1微相,由于河道水體溶解氧含量高,水具有流動(dòng)性,且陸源碎屑、泥質(zhì)也通過河道向湖盆輸送,所以河道沉積物具有氧化、高能和高灰分特征。在湖侵高水位時(shí)期,河道普遍抬升,河道間就會(huì)長時(shí)間被水覆蓋,形成間灣湖泊A2微相。間灣湖泊氧化還原特征不明顯,但水體能量較低,若河道經(jīng)常決口,煤層灰分通常較高。湖濱平原亞相除去河道和間灣湖泊微相外,其余部分為A3微相。其沉積物總體具有強(qiáng)氧化、低能和低灰分特征。沉積濱線坡折帶至波浪能量耗盡點(diǎn)間為低能濱湖B亞相。湖岸附近若有河流注入,則會(huì)在入湖口形成內(nèi)緣河口灣B1微相和外緣河口灣B2微相。前者以弱還原、高能和高灰為特征,后者以還原、高能和低灰為特征。除去河口灣微相剩余部分為B3微相,該微相水流不暢、受陸源物質(zhì)影響小,具有還原、低能、低灰的特征。

能量耗盡點(diǎn)至浪基面間為高能濱湖C亞相,該亞相波浪作用強(qiáng)、水體循環(huán)通暢、富含氧氣。因波浪對泥炭較強(qiáng)的破壞作用,該亞相會(huì)產(chǎn)生大量碎屑組分。同時(shí)該亞相遠(yuǎn)離陸源影響,所以具有氧化、高能和低灰特征。浪基面以下為低能淺湖D亞相,該亞相上部靠近浪基面可劃分出D1微相,C亞相產(chǎn)生的泥炭碎屑會(huì)滑落到D1微相,使D1微相中碎屑組分增加(TI指數(shù)增高),該微相與C亞相的主要區(qū)別是灰分含量高。D1微相向湖盆中心方向?yàn)镈2微相,因水體變深,主要為浮游植物和藻類在這里生活,以腐泥煤為主。需要指出的是,沼澤體系中各沉積微相寬度主要受沉積界面坡度控制,坡度越緩,相帶寬度越大。

圖5 湖盆沼澤沉積模式及沉積特征Fig.5 Sedimentary model and characteristics of lacustrine mire

5 沼澤體系煤相演化與層序地層格架

以F煤層鏡惰比值1作為泥炭沉積氧化還原條件的中值,＞1為偏還原環(huán)境,＜1為偏氧化環(huán)境。同理,以搬運(yùn)指數(shù)(TI)和灰分平均值為臨界點(diǎn),大于該值為較強(qiáng)水動(dòng)力條件和高灰分,小于該值為較弱水動(dòng)力條件和低灰分。根據(jù)該指標(biāo)體系,F煤層識(shí)別出氧化-低能-低灰(OLL)、還原-低能-低灰(RLL)、還原-高能-高灰(RHH)、還原-高能-低灰(RHL)和氧化-低能-高灰(OLH)5種沉積特征。其中OLL,RLL和OLH與沉積微相具有一一對應(yīng)關(guān)系,分別對應(yīng)于A3、B3和A2微相。RHH和RHL與沉積微相不具有一一對應(yīng)關(guān)系,如RHH即可能是濱湖B1微相,也可能是D1微相,此時(shí)需要根據(jù)瓦爾特相率來最終確定其沉積微相。根據(jù)以上煤沉積微相識(shí)別確定方法,恢復(fù)了F煤層煤相演化序列(圖6)。結(jié)果表明,F煤層主要沉積微相為A3(11個(gè))和A2(10個(gè)),其次為微相B1(4個(gè))、B3(3個(gè))和B2(2個(gè)),沒有C和D亞相。從沉積亞相看(圖4),湖濱平原A亞相21個(gè)點(diǎn),占70%;低能濱湖B亞相9個(gè)點(diǎn),占30%。所以,F煤層主要沉積于波浪能量耗盡點(diǎn)以上湖濱平原亞相和低能濱湖亞相。

圖6 大煤溝F煤層煤相演化序列與層序地層格架Fig.6 Coal facies evolution and sequence stratigraphic frame of F coal seam in Dameigou

根據(jù)各沉積微相間接觸關(guān)系,F煤層內(nèi)可識(shí)別出的關(guān)鍵層序界面有(圖6):①陸源碎屑體系廢棄面(Dsa),為陸源碎屑體系與沼澤體系的轉(zhuǎn)換面;②相對整合面(cc),表示該界面上、下煤微相在平面上相鄰、有成因聯(lián)系[18];③湖泛面(lfs),是由層序地層學(xué)“海泛面”引申而來,跨過該界面水深有突然增加的證據(jù),即上下沉積微相突變,相序不連續(xù);④陸表暴露面(sae),主要發(fā)育在沉積濱線坡折帶以上的湖濱平原A亞相,當(dāng)湖平面下降速率超過盆地基底沉降速率時(shí),基準(zhǔn)面下降,沉積濱線坡折帶以上河道開始下切,形成河道侵蝕面,河道間則形成陸表暴露面。該界面由強(qiáng)制性湖退形成,代表了基準(zhǔn)面下降[19]。

根據(jù)準(zhǔn)層序定義,F煤層主要發(fā)育2種準(zhǔn)層序類型,10個(gè)準(zhǔn)層序(圖6)。第1種準(zhǔn)層序界面為湖泛面,主要發(fā)育于沉積濱線坡折帶以下;第2種準(zhǔn)層序以與海泛面相對應(yīng)的界面為界,如河道侵蝕面、陸表暴露面等。該類型準(zhǔn)層序主要發(fā)育在沉積濱線坡折帶以上。根據(jù)F煤準(zhǔn)層序疊置樣式,可以識(shí)別出進(jìn)積、退積2種準(zhǔn)層序組類型、5個(gè)準(zhǔn)層序組(圖6)。由于Pss5僅發(fā)育一個(gè)準(zhǔn)層序,所以不能確定其準(zhǔn)層序組類型。體系域是等時(shí)地層單元內(nèi)一系列有成因聯(lián)系的沉積體系集合體,包括低位體系域(LST)、湖侵體系域(TST)和高位體系域(HST)。在沒有明顯湖盆坡折的沼澤環(huán)境,體系域主要依據(jù)準(zhǔn)層序疊置樣式(準(zhǔn)層序組類型)來識(shí)別[20]。LST以弱進(jìn)積準(zhǔn)層序組特征,形成于基準(zhǔn)面上升早期的正常湖退時(shí)期; TST以退積式準(zhǔn)層序組為代表,向上水越來越深; HST以進(jìn)積式準(zhǔn)層序組為代表,向上水越來越淺但沉積范圍增大。根據(jù)以上體系域識(shí)別方法及層序結(jié)構(gòu)特征,將F煤層劃分為4個(gè)層序。其中Sq1底界面為陸源碎屑體系廢棄面,Sq2-Sq3底界面為正常湖退形成的整合面。Sq4底界為強(qiáng)制性湖退形成的陸表暴露面,該界面上下發(fā)生了明顯的巖相、沉積相向盆地方向的遷移。

由于缺少直接、精確的同位素定年數(shù)據(jù),煤層內(nèi)層序級(jí)別的劃分及成因一直是煤田地質(zhì)領(lǐng)域的一個(gè)難點(diǎn)。筆者采用平均沉積速率方法估算了F煤層的大致沉積時(shí)間。柴北緣中侏羅統(tǒng)地層平均360 m厚[10],沉積時(shí)間約10.6 Ma,每米地層沉積時(shí)間約為2.9萬a,F煤層沉積時(shí)間大概為21.8萬a,每個(gè)層序大概對應(yīng)于5.4萬a。該周期與米蘭科維奇天文周期大致處于同一數(shù)量級(jí)別。

6 沼澤體系煤相演化與古環(huán)境特征

在湖濱平原,間灣湖泊微相鹽度偏低,而A3微相偏高鹽度(圖7(a))。同樣,在低能濱湖B亞相,B1和B2微相偏低鹽度,而B3微相偏高鹽度。說明河道決堤對間灣湖泊、河流對河口灣經(jīng)常性的淡水補(bǔ)是造成同一亞相不同微相間古鹽度變化的主要因素。從不同亞相間古鹽度變化看,A亞相高鹽度微相數(shù)量占62%、B亞相占56%,前者稍微高于后者。A亞相代表了相對較低湖平面,B亞相代表相對較高湖平面,從A亞相到B亞相代表了一個(gè)湖侵過程。所以A亞相到B亞相湖侵過程中古鹽度呈現(xiàn)出降低趨勢。即隨著基準(zhǔn)面上升,水介質(zhì)鹽度降低。其原因主要與氣候控制下的湖盆水體積的變化有關(guān)。在聚煤期盆地基底均勻沉降背景下,氣候潮濕,降雨量增多,水體積增加速率超過湖盆體積增加速率,基準(zhǔn)面上升速率超過泥炭產(chǎn)生速率時(shí),發(fā)生湖侵。由于稀釋作用,水體鹽度降低。在氣候較干燥,降雨量減少,水體積增加速率小于湖盆體積增加速率,基準(zhǔn)面下降,造成蒸發(fā)量大于河水注入量,水體鹽度增加。因此,古鹽度與沉積微相、基準(zhǔn)面間的密切相關(guān)性說明氣候控制下的降雨量變化是沼澤水介質(zhì)古鹽度變化的原因,同時(shí)也是沼澤基準(zhǔn)面變化及湖侵-湖退的主控因素。

圖7(b)說明沼澤水介質(zhì)酸堿性同樣受基準(zhǔn)面變化和沉積微相雙重控制,湖濱平原A亞相偏酸性微相占76%,水介質(zhì)偏酸性,低能濱湖B亞相偏酸性微相占44%,水介質(zhì)偏堿性。說明沼澤水介質(zhì)酸堿性受基準(zhǔn)面變化控制明顯。低能濱湖B亞相中B1和B2微相總體偏堿性,B3微相偏酸性。這與河流在對河口灣補(bǔ)給淡水過程中發(fā)生的對腐殖酸的稀釋作用密切相關(guān)。

從圖7(c)可以看出,F煤層主要來源于木本植物,從A2微相到B1微相,木本植物逐漸降低,草本植物上升。由B2微相到B3微相隨著水深增加,木本植物呈逐漸升高趨勢。說明沼澤成煤植物類型主要與沉積環(huán)境有關(guān)。在湖濱平原間灣湖泊微相,低位沼澤與高位沼澤數(shù)量相當(dāng)(圖7(d)),而A3微相以高位沼澤為主。這與湖侵過程中間灣湖泊經(jīng)常被決堤的河水淹沒有關(guān)。低能濱湖亞相中B1微相以低位沼澤為主,而遠(yuǎn)離入湖口的B2和B3全部為高位沼澤。這可能與入湖口河流對沼澤的侵蝕破壞有關(guān),而遠(yuǎn)離入湖口,水體能量減弱,泥炭產(chǎn)生速率大于基準(zhǔn)面上升速率,容易形成高位沼澤,這說明沼澤類型主要受沉積環(huán)境控制。

圖7 古鹽度、酸堿性、成煤植物和沼澤類型與沉積微相關(guān)系Fig.7 Relationship between the sedimentary micro-faces and palaeosalinity,acidity-basicity,coal-forming plant,bog type

7 結(jié) 論

(1)以沉積濱線坡折帶、波浪能量耗盡點(diǎn)和浪基面為界,將湖盆沼澤體系劃分為湖濱平原、低能濱湖、高能濱湖和淺湖4個(gè)亞相、8個(gè)微相,從沉積學(xué)、層序地層學(xué)和煤巖學(xué)角度建立了陸相湖盆沼澤沉積模式。

(2)從氧化還原性、水體能量和受陸源沉積物影響3方面建立了確定陸相盆地沼澤沉積微相的指標(biāo)體系。識(shí)別出氧化-低能-低灰、還原-低能-低灰、還原-高能-高灰、還原-高能-低灰和氧化-低能-高灰5種沼澤沉積環(huán)境,恢復(fù)了F煤層煤相演化序列,指出該煤層主要沉積于湖濱平原和低能濱湖亞相。

(3)識(shí)別出陸源碎屑體系廢棄面、相對整合面、湖泛面、陸表暴露面4種關(guān)鍵層序界面,認(rèn)為正常湖退形成的整合面及強(qiáng)制性湖退形成的河道間暴露面為主要層序界面類型。將F煤層劃分為4個(gè)層序、5個(gè)準(zhǔn)層序組、10個(gè)準(zhǔn)層序,建立了F煤層等時(shí)地層格架及相應(yīng)的基準(zhǔn)面變化曲線。

(4)沼澤水介質(zhì)古環(huán)境特征受沉積相和基準(zhǔn)面變化雙重控制,從湖濱平原到濱湖,水介質(zhì)鹽度降低、堿性增強(qiáng)。指出氣候控制下的降雨量是沼澤基準(zhǔn)面變化及湖侵-湖退的主要驅(qū)動(dòng)力。

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Coal facies evolution,sequence stratigraphy and palaeoenvironment of swamp in terrestrial basin

LU Jing1,SHAO Long-yi1,YANG Min-fang2,LI Yong-hong3,ZHANG Zheng-fei1,WANG Shuai1,YUN Qi-cheng3

(1.State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining,China University of Mining and Technology(Beijing),Beijing 100083,China;2.Langfang Branch,Petroleum Exploration and Development Research Institute,Petrochina,Langfang 065007,China;3.Qinghai Coalfield Geologic Bureau,Xining 810000,China)

To reveal the depositional characteristics and evolution history of a swamp during coal seam accumulation in terrestrial basins,sedimentology,sequence stratigraphy,and coal petrology of the Middle Jurassic aged coal seam F in Dameigou mine of the Qaidam Basin were investigated.Results show that the peat swamp depositional system can be subdivided into four subfacies,namely lakeside plain,low energy lakeshore,high energy lakeshore,and shallow lake based on identification of the sedimentary shoreline break belt,wave energy depletion point and position of wave base.A depositional model for the peat swamp is suggested from the perspective of sedimentology,sequence stratigraphy and petrography and a new method for determining coal facies is proposed based on the identification of environmental pa-rameters including oxidation-reduction levels,energy conditions and the influence of terrigenous sediments.These environmental parameters have permitted seven distinct sedimentary regimes to be recognized,such as oxidation,low energy and low ash,et al.The evolution history of the swamp shows that the peat that comprises coal seam F was deposited mainly in the lakeside plain and low energy lakeshore microfacies.Four types of key sequence stratigrpahic surface and two types of parasequence were identified in the coal seam F,and the sequence stratigraphic framework of coal seam F comprises a total of four sequences,five parasequence sets and ten parasequences.The relationship among base-level changes,coal facies evolution,and the environmental features in the swamp shows that the rainfall affected by paleoclimate was the main driving force of base level changes and the lacustrine transgression-regression,and the environmental features of the swamp were controlled by both base-level changes and coal facies.Accompanying depositional environment changes from a lakeside plain to lakeshore and shallow lake water paleosalinity and acidity lower,the percentage of woody plants decreases followed by increases,and the bog type alters from the raised bog to low marsh,and then raised bog.

terrestrial basin;swamp;coal facies;depositional model;sequence stratigraphy;palaeoenvironment

P539.2

A

0253-9993(2014)12-2473-09

2013-12-03 責(zé)任編輯:韓晉平

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41472131);國家科技重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2011ZX05009-002);教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才資助項(xiàng)目(2013102050020)

魯 靜(1976—),男,河北保定人,副教授,博士。Tel:010-62331248-8523,E-mail:lujing@cumtb.edu.cn

魯 靜,邵龍義,楊敏芳,等.陸相盆地沼澤體系煤相演化、層序地層與古環(huán)境[J].煤炭學(xué)報(bào),2014,39(12):2473-2481.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.1779

Lu Jing,Shao Longyi,Yang Minfang,et al.Coal facies evolution,sequence stratigraphy and palaeoenvironment of swamp in terrestrial basin [J].Journal of China Coal Society,2014,39(12):2473-2481.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.1779