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        湘東北地區(qū)安源煤系三角洲沉積與演化特征

        2018-09-06 11:12:38劉海波劉石磊武志偉
        中國煤炭地質(zhì) 2018年8期
        關(guān)鍵詞:層理海灣三角洲

        劉海波,劉石磊,武志偉

        (湖南理工職業(yè)技術(shù)學(xué)院風(fēng)能工程系 湖南 湘潭 411200)

        0 地質(zhì)背景

        受拉丁大海退影響,中國南方的華南板塊與北方大陸連成了一片陸地[1],終于改變了我國長期存在的“南海北陸”古地理格局。但位于華南板塊內(nèi)部的楊子、華夏板塊碰撞拼接縫合帶[2]仍因地勢低洼而成為窄長的海灣。海水從湘粵淺海[3],經(jīng)北北東向的湘東海灣[4-5],在湘東北一帶轉(zhuǎn)向北東東向的萍(鄉(xiāng))-樂(平)坳陷帶[6-7],形成了晚三疊世的湘贛海灣,發(fā)育以安源煤系為典型代表的海陸交互相含煤沉積。

        湘東北地區(qū)的醴陵-瀏陽一帶在晚三疊世處于湘贛海灣西北部的轉(zhuǎn)折端,更西北則是湖南山地[8]或更大范圍的湘黔桂高地。湖南山地或湘黔桂高地的地表水不斷地向東南匯入湘贛海灣,在海灣濱岸地帶形成了一系列的三角洲,其中以瀏陽澄潭江礦區(qū)的澄潭江三角洲最為典型,其發(fā)展演化歷史可為代表。

        湘東瀏陽市澄潭江礦區(qū)位于羅霄山脈西麓。地質(zhì)構(gòu)造體系屬于湘東多字型構(gòu)造體系東端的上山嶺復(fù)式向斜主體。區(qū)域地層屬華南地層區(qū)湘中-湘南區(qū)邵陽-瀏陽小區(qū),出露地層主要有上元古界板溪群、泥盆系、石炭系、二疊系、上三疊統(tǒng)、白堊系及第四系。上三疊統(tǒng)安源煤系厚達2 000m以上。據(jù)巖性組合特征,可將其劃分四個巖組,自下而上依次為紫家沖組、三家沖組、三丘田組、造上組[9-11]。

        造上組(T3zs):底部為灰白色石英礫巖夾灰色粉砂巖、細砂巖;下部為石英粉砂巖夾粉砂質(zhì)泥巖;上部為粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖互層。

        ——三都運動

        三丘田組(T3sq):底部由灰色燧石石英細礫巖、砂礫巖和含礫粗砂巖組成;中、下部以灰黑色泥巖、深灰色粉砂質(zhì)泥巖為主,夾粉砂巖、煤線;上部以灰色砂巖為主,夾灰黑色粉砂巖、泥巖及煤層、煤線多層。

        ——三灣運動

        三家沖組(T3sj):底部為灰色燧石石英細礫巖或相變?yōu)楹[砂巖、粗砂巖;下部為灰色薄層狀石英粉砂巖夾細砂巖、粉砂質(zhì)泥巖;中、上部以灰黑色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖夾粉砂巖、少量細砂巖,富含菱鐵礦結(jié)核。

        紫家沖組(T3zj):底部為雜色至灰色燧石石英礫巖;下部以灰黑色粉砂巖、灰色細砂巖為主,夾粉砂質(zhì)泥巖及煤層、煤線多層;中、上部以韻律性強的灰黑色粉砂巖、黑色泥巖互層為主,偶夾灰白色石英砂巖和煤線。該組巖性的樅、橫向變化大,相變嚴重。

        1 三角洲體系的沉積特征

        澄潭江礦區(qū)安源煤系由近源碎屑沉積巖夾煤層組成,碎屑粒徑粗,具正、反粒序沉積系列,分選差至中等,水平及交錯層理發(fā)育,富有機質(zhì),化石豐富,常見泥裂、雨痕及波痕,負載變形構(gòu)造發(fā)育,底部沖刷構(gòu)造發(fā)育。經(jīng)研究,可識別出分流河道、水下分流河道、河口砂壩、分流間灣、泥炭沼澤等沉積相。

        1.1 三角洲平原

        澄潭江三角洲平原主要由分流河道和泥炭沼澤組成。

        分流河道的沉積物以粗碎屑沉積物為主,多為礫石、含礫砂巖,夾少量中、粗粒砂巖;槽狀交錯層理發(fā)育,常見底部沖刷構(gòu)造。三角洲沉積體系下部的分流河道沉積物由石灰?guī)r、燧石和石英礫石組成,礫石的圓度、球度低,分選差、層理不清或為塊狀層理,具紅色氧化圈,河流相的二元結(jié)構(gòu)顯著(圖1);體系上部的分流河道沉積物主要由石英和燧石礫石組成,礫石的圓度、球度較高,分選較差,疊瓦構(gòu)造常見,底部沖刷明顯,底面沖刷構(gòu)造發(fā)育。

        圖1 三角洲底部礫巖Figure 1 Delta bottom conglomerate

        泥炭沼澤的沉積物多由富有機質(zhì)的炭質(zhì)泥巖與砂巖互層組成,夾煤線、薄煤層,發(fā)育水平或平行層理,負載構(gòu)造、雨痕、泥裂(圖2)常見,植物化石豐富。體系下部的煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜、甚至為復(fù)煤層,煤中夾矸向盆地中心逐漸變薄,巖性粒徑變小,夾矸層數(shù)減少并導(dǎo)致煤層合并。體系上部的煤層結(jié)構(gòu)簡單,煤中夾矸往盆地中心增厚,導(dǎo)致煤層分叉直至變薄、尖滅。

        圖2 泥裂Figure 2 Mud crack

        1.2 三角洲前緣

        澄潭江三角洲前緣主要由水下分流河道、河口砂壩和分流間灣組成。水下分流河道沉積物以中、細粒砂巖為主,分選性較差,槽狀交錯層理,槽底沖刷不顯著,但下部接觸關(guān)系突變,側(cè)向遷移顯著。三角洲沉積體系下部的水下分流河道沉積發(fā)育滑塌構(gòu)造,常見砂質(zhì)碎屑流巖(圖3)。沉積體系上部的砂巖層厚度穩(wěn)定,但單個砂體在剖面上呈狹長透鏡狀;槽狀交錯層理發(fā)育,槽底沖刷不顯著,但槽底沉積物粒度明顯粗于兩側(cè),側(cè)向遷移顯著(圖4)。

        圖3 砂質(zhì)碎屑流巖Figure 3 Sandy clastic flow rock

        圖4 側(cè)向遷移顯著的槽狀交錯層理Figure 4 Lateral migration obvious trough cross-bedding

        分流間灣沉積物以粉砂、泥巖互層為主,水平層理或交錯層理。三角洲沉積體系下部的間灣以河床漫溢沉積為主,沉積物粒度較粗,橫向上變化大,多具大型板狀交錯層理,泥炭沼澤沉積亦發(fā)育(圖5)。上部的間灣沉積物粒度較細,橫向上比較穩(wěn)定,水平層理,常見波痕,化石豐富。缺乏煤層,但泥巖多為富有機質(zhì)的炭質(zhì)泥巖。

        圖5 大型板狀交錯層理Figure 5 Large sized tabular cross-bedding

        河口砂壩由中厚層狀的細、粉砂巖組成。交錯層理或平行層理。砂體底部沖刷構(gòu)造不發(fā)育,變形構(gòu)造較發(fā)育。垂向上,砂體下部往往從砂泥巖互層開始,往上逐漸變?yōu)楹駥訝罴毶皫r層,砂粒徑逐漸變粗。

        2 三角洲演化特征

        澄潭江三角洲由初期的沖積扇、扇三角洲、淺水高建設(shè)性三角洲,逐步演化而成。其建設(shè)歷程復(fù)雜,旋回層次多,可劃分為4個大型旋回、6個中型旋回(Ⅰa、Ⅰb、Ⅰc)和19個小旋回(圖6)

        2.1 建設(shè)Ⅰ期

        從沖積扇沉積開始,逐漸轉(zhuǎn)化為扇三角洲[12-13],再到淺水高建設(shè)性三角洲[14-16]。

        Ⅰa1建設(shè)期為扇三角洲建設(shè)期。早期,粗碎屑直接堆積在干旱的風(fēng)化殼上,成熟度低,具紅色氧化圈,層序上具有河流相的二元結(jié)構(gòu)(圖1),應(yīng)是季節(jié)性河流的沖積扇沉積。平面上,沖積扇體由西北向東南呈扇狀分布(圖7),并側(cè)向東北方向緩慢遷移。Ⅰa1旋回破壞期的改造作用不強,但扇三角洲進積作用減弱,三角洲平原上加積作用顯著降低,并開始出現(xiàn)泥炭沼澤沉積。

        Ⅰa2期,受河流改道的影響,三角洲建設(shè)大舉向東側(cè)遷移,使三角洲的建設(shè)規(guī)模迅速擴大(圖8)。三角洲東部的底礫巖之下至不整合面之間普遍具有10 m以上的泥質(zhì)沉積,層序上為反粒序沉積序列,且普遍發(fā)育砂質(zhì)碎屑流巖[17-20](圖3)。這些表明此時的三角洲東部應(yīng)建設(shè)速度快且水淺,經(jīng)常發(fā)生滑塌。西部呈半廢棄狀態(tài)的三角洲體上形成了泥炭沼澤沉積。

        Ⅰa3期,隨著水位的上升,盆地可容空間的擴大,供應(yīng)碎屑物的粒度逐漸降低,三角洲的建設(shè)速度也明顯下降。三角洲東部的建設(shè)環(huán)境仍然復(fù)雜,分流河道遷移頻繁。西部環(huán)境相對穩(wěn)定,地勢較高處多為泥炭沼澤地,形成了多層可采的、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的復(fù)煤層;且可能在中期出現(xiàn)過一次較大范圍的粗碎屑沉積過程。

        Ⅰb期,三角洲建設(shè)規(guī)模進一步擴大,其東、西部的差異性迅速縮小,但內(nèi)部地形仍有較大差異。

        Ⅰc期,隨著湘贛海灣水位的上升,三角洲建設(shè)的進積作用明顯減小,但加積作用增強,東、西部建設(shè)的差異性也進一步減小。

        Ⅰc2未期,整個三角洲被水淹,偶爾露出水面的三角洲即形成沼澤地。與紫家沖組下部各煤層相比,此期所形成的煤層即便層薄、但分布范圍較廣且穩(wěn)定性較高, 說明三角洲經(jīng)過幾個旋回的建設(shè)已經(jīng)使三角洲體寬廣且地形趨于平坦。

        圖6 三角洲建設(shè)旋回分析圖Figure 6 Delta constructive cycle analytical chart

        圖7 三角洲Ⅰa1建設(shè)期古地理圖Figure 7 Delta Ⅰa1 constructive stage paleogeographic map

        圖8 三角洲Ⅰa2建設(shè)期古地理圖Figure 8 DeltaⅠa2 constructive stage paleogeographic map

        2.2 建設(shè)Ⅱ期

        以破壞期的改造作用為主。此時,湘贛海灣水位維持高位,與湘粵淺?;ネ?,使得澄潭江三角洲主體大部時間處于水面之下,其建設(shè)周期短而破壞周期長。

        Ⅱa1初期,海灣水位下降,三角洲體系重新活躍起來,開始了新一輪的、短暫的建設(shè)并隨后轉(zhuǎn)入破壞期的改造過程。經(jīng)過三、四次較小的建設(shè)改造旋回,至Ⅱa1中后期,整個三角洲又一次被水淹而遭受著較長期的改造過程。

        Ⅱa2、Ⅱa3期的建設(shè)情況和Ⅱa1期的基本相似,但破壞期可能更長,改造作用更強烈。

        經(jīng)過建設(shè)Ⅱ期數(shù)輪的改造作用,澄潭江三角洲的建設(shè)規(guī)模雖然沒有擴大,但其地形更趨于平坦,內(nèi)部建設(shè)差異性進一步縮小。

        2.3 建設(shè)Ⅲ期

        三角洲的建設(shè)更趨穩(wěn)定,且主要受海灣水位的控制。

        Ⅲa1初,受三灣運動的影響,湘贛海灣水位迅速下降,澄潭江三角洲主體再次露出水面,并開始新的建設(shè)。底部細礫巖具大型槽狀交錯層,呈現(xiàn)強烈的側(cè)向遷移特性,表明其時三角洲地勢平坦,水位稍微下降后,側(cè)向遷移迅速的分流河道將碎屑物散布在整個三角洲體上。

        Ⅲa2、Ⅲa3、Ⅲa4期的建設(shè)類似Ⅲa1期,但海灣水位仍然較高,使得三角洲露出水面的時間有限,三角洲的建設(shè)周期較短。

        Ⅲb期,海灣水位較Ⅲa期更淺,破壞期的改造作用也更加弱化,特別是Ⅲb2期的改造作用更弱,該期所形成的每段砂巖向上相變?yōu)槟鄮r時都含煤層或煤線,即便是薄煤層、甚至煤線均保存較好。

        Ⅲb2期的五煤層形成時,三角洲主體由水下逐漸露出水面,迅速沼澤化而形成五煤層。

        五煤層形成中期,海灣水位曾一度上升,沼澤地退卻,區(qū)域性地形成了五煤層中部的夾矸。顯然,夾矸的碎屑物不是直接來自三角洲上的分流河道,而是分流河道帶入海灣水體后,由海灣水體間接供給的(圖9)。

        圖9 三角洲5煤層形成期古地理圖Figure 9 Delta coal No.5 forming stage paleogeographic map

        2.4 建設(shè)Ⅳ期

        更大規(guī)模的一次建設(shè)期。

        Ⅳa1初期,印支期的三都運動使得湘贛海灣的水位迅速下降,三角洲幾乎全部露出水面。分流河道在平坦的三角洲平原上呈現(xiàn)出強烈的游蕩性,在其上留下2~3層河床粗碎屑沉積物的同時,將三角洲沉積體系迅速推向東南部的海灣,迅速擴張了三角洲的建設(shè)規(guī)模。

        Ⅳa2期,游蕩性強的分流河道隨著下蝕作用的不斷進行,已經(jīng)下切原三角洲體(圖10),并最終留下兩條相對穩(wěn)定的主河流(圖11)。東邊一條規(guī)模較大,沖刷寬度可達1 000m左右,最終下蝕深度達到了Ⅲb2期所形成的五煤層上部;西邊一條規(guī)模較小,沖刷寬度僅300m左右,下蝕較淺,僅沖刷了Ⅲb2期所形成的三煤層上覆地層,基本上沒有破壞三煤層。

        圖10 分流河道的下蝕Figure 10 Distributary channel downward scouring

        圖11 三角洲Ⅳa2建設(shè)期古地理圖Figure 11 Delta IV a2 constructive stage paleogeographic map

        Ⅳa3期,隨著主河道向東部發(fā)展,三角洲的建設(shè)也斷續(xù)向東推進。致使以澄潭江鎮(zhèn)造上村命名的造上組,最終采用發(fā)育更全的文家市鎮(zhèn)石康剖面作為標準剖面。

        3 海灣水位升降特征

        Ⅰa1初期,湘贛海灣水位很淺,本三角洲形成的河口一帶幾乎處于干旱的盆地邊緣,河流帶來的碎屑物呈沖積扇堆積。隨著水位上升,三角洲逐漸轉(zhuǎn)化為扇三角洲。至Ⅰa1期未,水位繼續(xù)上升,可能淹沒了雛形三角洲的主體。

        Ⅰa2初期,水位迅速下降,主河道被Ⅰa1期所形成的雛形三角洲所封堵而被迫向東遷移,從而將三角洲的建設(shè)規(guī)模迅速擴大。至未期,終于形成了原始三角洲。

        Ⅰb期,海灣水位比Ⅰa期已有明顯的上升,并抬升了三角洲的建設(shè)高度,降低了河流碎屑物的粒度,而三角洲的建設(shè)也以加積作用為主,進積作用明顯減弱。

        Ⅰc期,海灣水位繼續(xù)上升,且上升速度逐漸超過三角洲建設(shè)速度,使三角洲由高建設(shè)期逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐云茐钠跒橹鞯倪M程。

        建設(shè)Ⅱ期初,海灣水位迅速下降,三角洲主體短暫出露水面,遭受過一定程度的風(fēng)化剝蝕;隨后水位逐漸上升,再次淹沒了整個三角洲。整個Ⅱ期中,比較大的波動周期可分為三期,對應(yīng)著三角洲的三個(Ⅱa1、Ⅱa2、Ⅱa3)建設(shè)旋回周期。后期波動周期的高水位期逐漸增長,而淺水時期縮短。

        建設(shè)Ⅲ期,盆地水位總體下降。Ⅲa期,三角洲主體在大多數(shù)的時候仍處于水面之下;Ⅲb期,海灣水位進一步下降,三角洲平原時而露出水面、時而位于水面之下。水位上升緩慢,三角洲露出水平部分沼澤化,往往能形成煤層;但水位下降則迅速,很少發(fā)現(xiàn)煤層甚至煤線。

        建設(shè)Ⅳ期的初始期,受到三都運動影響,盆地水位迅速下降。從造上組底礫巖對三丘田組的沖刷情況分析,這次水位下降至少在70m以上。

        綜上所述,海灣水位升降的特點是水位上升進程都比較緩慢,而下降進程往往迅速。

        4 結(jié)論

        1)湘贛海灣西部地形平坦、坡降平緩,適合于大型三角洲的形成和發(fā)育。

        2)湘贛海灣西部沉積環(huán)境穩(wěn)定,如區(qū)域性的印支期三灣運動對本區(qū)沉積作用的影響不顯著。

        3)湘贛海灣西部的三角洲環(huán)境有利于煤層的形成,但往東南的盆地中心,顯然不利于煤層的形成。將澄潭江礦區(qū)煤層發(fā)育特征作為深部煤田預(yù)測的依據(jù)是不可靠的。

        4)安源煤系的三家沖組是頁巖氣生成和貯存的有利層段。

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