（地球探测与信息技术专业论文）大同晚古生代含煤盆地演化研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 大同晚古生代含煤盆地演化研究 摘要 本文以大冈晚古生代含煤盆地演化特征为研究对象，以沉积作餍研 究为主线，运用“整体、动态、综合”的研究思路，结合板块构造理论、 沉积学观点和煤地质学知识对大同晚古生代含煤盆地的形成、演化、封 闭及后期演变傲了详缨研究，主臻取得如下一些认识： 1 、大同晚古生代含煤盆地为一克拉通边缘拗陷盆地，基底主要有两 部分组成：一部分是1 8 0 0 m a 吕梁期前的古老结晶基底，另一部分是下古 生界寒武一爽陶系，盆弛形成予华北和西伯稠亚板块发生陆一陆碰撞的隧 域构造背景，形成时代为早石炭世末至中石炭初。通过砂体古漉向测量 表明，物源区为其北侧的阴山隆起构造带，应用d i c k i n s o n 的q - f l 和 q m f l t 三角图解对砂岩碎屑颗粒统计结果做了分析，确定物源区的构造 背景为华北板块陆内隆升的构造：抒景。 2 、大同晚古生代含煤盆地从舷地开始沉积到趋于封闭主要经历了泻 湖潮坪、三角洲、陆相河流三大沉积环境的演化过程。大同晚古生代含 煤盆地在中石炭攫本溪期经历了泻潮潮坪、撬积阶段、碳酸盐台地边缘浅 滩沉积阶段、三角洲沉积环境阶段。太原早、中期为三角洲沉积阶段， 垂向上形成了2 - 3 个逆粒序旋回，形成了8 。、59 两层巨厚、稳定的可采煤 太愿璎工大学鞭酶究生学位论文 层。太原晚期演化为陆相曲流河沉积环境，沉积层序上形成了3 - 4 个正 粒序旋粒，在每个沉积旋鹭颗郝筠发生混炭沼泽袍，主要形成3 4 、24 稳定 霹采煤瀑。刭孚二叠整遗醐，本逸速久陆穑辫状浮型凌流河流稷黔段， 砂体侧超连缵眭较好，形成了4 个巫粒序旋网，仅在下部形成出。+ 可采煤 聪。早二叠截下石盒子裳，大同晚吉生代含煤盆地遴人辫状河沉积环境 阶段，河流发育，砂体衡逝涟续性较好。晚二叠世上露盒子期和石千峰 袈，本嚣演纯为河流体系的蠢蓥垮菝平溅沉投阶段，缝层骨絮潋含繇疆 砂表、粮砂岩炎主，气候炎热于漂，来彩成混炭堆积。 3 、大同魄古生代含煤盆地的封闭严格受控予区域地质梅造背景朔动 力学机制。西伯利弧板块与华北板块在早二叠谶末晚二叠世初进入强烈 陆一黯碰撞隆爵造出。大嗣魄吉生筏含爨盆追农堍二叠登上石盒子期漉 积分布范匿开始缩小，到荔千蜂期，沉鼗地层熬豳缩小至不足愿嚣缀懿 三分之一，盆地两侧均发生了大面积拾升，至二叠世末，盆地最终封闭。 说明大同晚古生代含煤盆地封闭与两大板块的强烈碰撞、隆升造山的区 蠛稳造背景有关。 4 、大圊魄古生代含煤盆地封阏詹予三叠邀整倦捻秀，发生了一次较 大规模的构造热事件活动，地下深处生成的煌斑岩岩浆在鹅毛口、吴家 窑一带慧岩墙状上侵，然后颓煤层侵入，使煤层结构遭到破坏并复杂纯， 并导致岩床上、下煤屡发生热接触变质，局部地区丧失工监价值。到燕 囊运凌初溪，大霹一警产生黻= | 艺霆一南系囊替遥为主的褥遣佟霭，在大 太鳆理工大学硕士辑究垒学位沦文 同口泉一鹅毛口带，产生向北西方向的逆冲推覆作用，使大同晚古生 代含煤盆邈鹰畚边缘连问翠吉生代、蕊积施鼷倾商海j 艺掰淹倾。在盆楚黥 孛郝形成辘趣为j 芝东惫翡宽缓褶皱，并在二l 艺秀方舞产生一系烈戴模大小 不等的正断层。同时述导致在大同晚古生代含煤皴地北部地区产生陆感 搦陷，沉裰形成了侏罗系陆成河湖楣含煤沉积建造，角度不整合于大阉 晚吉生代禽煤岩系之上。随着燕出运动的持续，慷罗系含煤沉积建造沉 积嚣仍残嫠寿大小不冠戆小型搦罄，在左云一带形成了淡砾岩势主鳇趣 墅系地层沉积。熬洄晚勰梅造运饕，使大隧晚古生代含漾岩系髯次抬舞， 遭受风化剥蚀至今。 关键镶：大两，晚专生代，客漂盆地，演谴， i i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 e v o l u t i o nr e s e a r c h0 fd a r o n g l a t ep a l e o z o l cc o a l b 嚣a r 斟gb a s i n a b s t r a c t t h i s p a p e r c o n s i d e r st h ee v a l u a t i o no f d a t o n gl a t e p a l e o z o i c c o a l - b e a t i n gb a s i na st h es t u d yo b j e c t , t a k et h es e d i m e n t a t i o ns t u d i e sa s m a i n l i n e ，a n du s et h e ”o v e r a l l ，d y n a m i c ，c o m p r e h e n s i v e ”r e s e a r c hi d e a s ， d e t a i l e dt h ee v o l u t i o nc h a r a c t e r so f d a t o n gl a t ep a l e o z o i cc o a l b e a r i n gb a s i n b yi n t e g r a t i n gp l a t e t e c t o n i c t h e o r y , s e d i m e n f l o g y a n dc o a l g e o l o g y k n o w l e d g e s o m ec o n c l u s i o n so b t a i n e da r el i s t e da sf o l l o w s ： 1 d a t o n gl a t ep a l e o z o i cc o a l b e a r i n gb a s i ni sac r a t o n i cf r i n g e g e o l o g i c a ld e p r e s s i o nb a s i n ，t h eb a s e m e n th a st w om a i nc o m p o n e n t s ：o n ei sa o l dc r y s t a l l i z e db a s e m e n tf o r m e db e f o r e18 0 0 m ao fl v l i n gp e r i o da n dt h e a n o t h e ri st h el o w e rp a l e o z o i c c a m b r i a n o r d o v i c i a n r e g i o n a lt e c t o n i c b a c k g r o u n do fb a s i nf o r m a d o ni ss i b e r i ap l a t ew i t hn o r 蠡c h i n ap l a t e c o n t i n e n t c o n t i n e n tc o l l i d e s ；t h e f o r m i n g t i m ei st h el a t eo f e a r l y c a r b o n i f e r o u st ot h eb e g i n n i n go fm i d d l ec a r b o n i f e r o u s t h em e a s u r e m e n to f i v 太缀理工太学硕士鼹究生学位沦文 s a n d - b o d ya n c i e n tf l o ws h o wt h a tt h eb a s i ns o u r c ei sy mm o u n t a i nr i s e t e c t o n i cb e l tw h o s et i e sa tt h en o r t ho fb a s i na n db ya p p l i e dd i c k i n s o n s q - f - l 秘q m - f - l tt e r n a r yd i a g r a mc o n f i r m e dt h et e c t o n i cb a c k g r o u n di s n o r t hc h i n a b l o c ki n s i d er i s i n g 2 f r o mt h eb e g i n n i n go fs e d i m e n tt ot h eb a s i n c l o s i n g ，d a t o n gl a t e p a l e o z o i cc o a l - b e a r i n gb a s i nm a i n l y u n d e r g o i n gt h r e ek i n d o fs e d i m e n t s e t t i n ge v a l u a t i o n s ：l a g o o nt i d a lf l a t ，d e l t aa n dl a n df a c i e sf l u v i a l t h e s e d i m e n ts e t t i n gi nm i d d l ec a r b o n i f e r o u sb e n x ip e r i o di sl a g o o nt i d a lf l a t ， c m b o n a tp l a t f o r mf r i n g el o wb a n ka n dd e l t as e d i m e n t a r ye n v i r o n m e n ts t a g e ； e a r l ya n d m i d d l et a i y u a np e r i o di sd e l t ad e p o s i ts t a g e ，f o r m e d2 - 3i n v e r s e g r a d e ds e q u e n c ec y c l ei nv e r t i c a la n dt h e8 n d 穸t w og r e a ts t a b l ec o a ls e a m s ； l a t et a i y u a ni st e r r e s t r i a lm e a n d e rr i v e rf a c i e st h a th a s3 4 彝l l i d s e q u e n c e c y c l e ，t h et o po fe a c hc i r c l eh a db e e np e a t ，a n df o r m e d3 8 、2 。s t a b l ec o a l s e a m s e a r l y p e r m i a ns h m l x ip e r i o d ，b a s i ns e d i m e n t a r yb e c o m e sb r a i d m e a n d e rr i v e rd e p o s i ts t a g e ，t h ec o n t i n u i t yo fs a n d - b o d ys u b s i d ei sb e t t e r c o n t a i nf o r e n o r m a l g r a i ns e q u e n c ec i r c l ea n do n l yf o r m e ds h a h 4 # c o a ls e a m a tt h eb l o wp a r t t i l lt h ex i a s h i h e z ip e r i o d ，t h ed e p o s i ts t a g et r a n s f o r m st o b r a i dr i v e rs e d i m e n t a r y , r i v e ri sd e v d o p m e n t ，a n dt h ec o n f i n u i t yo fs a n d - b o d y s u b s i d ei sb e t t e r a tt h el a t ep e r m i a ns h a n g s h i h e z ip e r i o da n ds h i q i a n f e n g p e r i o d ，b a s i nd e p o s i ts t a g ei sh i l la h e a da l l u v i a lp l a i ns e d i m e n t a r yo ff l u v i a l v 太愿理= 夫学硕士谬 究生学位论文 s y s t e m ，t h ef o r m o fs t r a t u mm a j o ri sc o a r s es a n d s t o n ea n dg r a v e l l yc o a r s e s a n d s t o n e ，a n dt h ec l i m a t ei sd r ya n dh o t ，n oa n yp e a ta c c u m u l a t i o n 3 t h ec l o s eo fd a t o n gl a t ep a i e o z o i cc o a l - b e a r i n gb a s i ni sc o n t r o l l e d s t r i c t l yb yt h er e g i o n a lg e o l o g yt e c t o n i ca n dt h ed y n a m i cm e c h a n i c s + s i b e r i a p l a t ew i t hn o r t hc h i n ap l a t ec o n t i n e n 扣c o n f i n e n tc o l l i d eb u l g et om o u n t a i n s f r o ml a t eo fe a r l yp e r m i a nt oe a r l yo fl a t ep e r m i a n 。t h ed i s t r i b u t i o na f e ao f b a s i ns t a r td e c r e a s i n gf r o ml a t ep e r m i a ns h a n g s h i h e z ip e r i o d 蛀囊s h i q i a n f e n p e r i o d ，t h es e d i m e n t a r ya r e ah a dd e c r e a s e dt ot h ei 3o ft h ef o r m e r , a 珏t h o s e s h o wt h a tt h et w os i d e so fb a s i nh a p p e n e dt h e g r e a tr a i s i n ga n dc l o s e df i l ll a t e p e r m i a n i ts h o wt h a tt h ec l o s eo fb a s i ni sr e l a t e dt ot h er e g i o n a lt e c t o n i c b a c k g r o u n do ft h ep l a t ec o l l i d e 4 。a f t e rt h ec l o s eo fd a t o n gl a t ep a l e o z o i cc o a l - b e a r i n gb a s i n ，b a s i n r a i s i n gi nt r i a s s i c f o l l o w i n gag r e a tt e c t o n i ct h e r m a le v e n t s ，t h el a m p r o p h y r e l a v ai nf o r mo fd i k ef r o mt h eu n d e r g r o u n du pi n t r u d e da tt h ea r e ao fe m a o k o u a n dw u j i a y a o ，a n dt h e ni n t r u d ei nt h ec o a ls e a md e s t r o y e dt h ec o a lm e a s u r e s t e x t u r ea n dm a d ei tm o r ec o m p l i c a t e 。t h eu pa n dd o w nc o a lm e a s u r e s 醭璐e 受 b e do c c u r st h et h e r m a lt o u c hm e t a m o r p h i s m ，l e a dp a r t so fc o a ls e a m sl o s et h e i n d u s t r i a lw o r t h y , e a r l yy a n s h a nm o v e m e n t ，t h e r ei st h en o r t h w e s t s o u t h e a s t e x t r u d e rt e c t o n i c ，e s p e c i a l l ya tt h ea r e ao fk o u q u a na n de m a o k o u ，t h e w e s t n o r t ht h r u s t - n a p em a d et h es o u t h - e a s tf r i n g eo f d a o n gl a t ep a t e o z o i c v i 太原理工大学硕士硐究生学位论文 c o a l b e a r i n g b a s i na n dt h ee a r l yp a l e o z o i cs e d i m e n t a r ys t r a t u m w a r p i n g t on o r t h w e s ta b r u p t l y f o r m e dt h en o r t h e a s ta x i s f o l di nt h ec e n t r a lo fb a s i n a n dc a u s e das e r i e sn o r m a lf a u l ti nd i f f e r e n ts i z e 1 e a dt h en o r t ho fb a s i n p r o d u c e t h ei n n e rg e o l o g i c a ld e p r e s s i o n ，f o r m e dt h ec o a l - b e a t i n g s e d i m e n t a r yc o n s t r u c t i o no ft h ej u r a s s i ca n dc o v e r e do v e rt h ed a t o n g l a t e p a l e o z o i cc o a l - b e a r i n gs t r a t u m s f o l l o w i n gt h el a s t i n go fy a n s h a nm o v e m e n t ， a f t e rc o a l b e a r i n gs e d i m e n t a r yc o n s t r u c t i o nt h e r ea l s oi sm a n yl i t t l es t y l e g e o l o g i c a ld e p r e s s i o n a tt h ea r e ao fz u o y u nt o w nd e p o s i t e dt h ec r e t a c e o u s s t r a t u m st h a tf e a t u r e so fg r a v e lr o c k 。a f t e rt h el a t ey a n s h a np e r i o dt e c t o n i c m o v e m e n t ，d a t o n gl a t ep a l e o z o i cc o a l b e a r i n gm c k s e r i e su p r a i s e da n d s u f f e r e dt h ew e a t h e re r o s i o na g a i nu pt on o w k e y w o r d s ：d a t o n g , l a t ep a l e o z o i c ，c o a l - b e a r i n gb a s i n ，e v o l u t i o n v 硅 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 引言 第一章绪论 沉积盆地是指地球表面长期接受沉积的沉降区，它与造山带构成了大陆结构中两 个最基本的构造单元，是当前进行岩石圈研究不可缺少的重要组成部分，两者共同记 录了地壳岩石圈形成演化的过程，一直是人类了解和认识固体地球和岩石圈的重要窗 口。造山带是人类寻找和开发矿产资源的基地，是研究岩石圈地质作用过程最重要的 天然实验室，一直是地质科学研究的前沿课题之一；沉积盆地则是地球演化的档案库， 蕴藏着丰富的石油、天然气、煤炭等能源矿产，与人类生活息息相关。造山带既是古 盆地的充填区，由盆地发展转化而成，又是新盆地的物源区，对沉积盆地的形成与演 化，沉积建造类型以及煤层和油气藏的形成与改造都具有重大控制作用，它们在空间 上相互依存、在时间上相互转化，在物质上相互转移和补充“。沉积盆地的形成、演 化与周边造山带存在着密切的耦合关系，因为造山带与盆地的形成演化在深部是统一 动力学过程的不同时空表现，有着紧密的动力学成生关系，盆地中的沉积记录能够反 映造山作用的性质、特征、强度和过程以及隆升时代、速度及其变化。 盆地演化实质是构造过程与充填过程的辩证统一，盆地演化分析是沉积盆地进行 整体研究的理论与方法体系，其内容涉及地学领域的许多学科。进行盆地研究对于寻 找石油，天然气，煤及许多重要的沉积及层控矿产都有着重要的意义。沉积盆地作为 地球上最基本的构造单元，在它的演化过程中，其沉积充填记录了海陆变迁、构造格 架演化及与周围环境相互作用的具体历史，特别是沉积盆地与造山带结成的“盆山耦 合”关系，共同反映了地球局部乃至全球的地球动力学过程，因此，沉积盆地演化分 析已经成为当代大陆动力地质学的研究热点之一。现代沉积盆地分析的理论是建立在 板块构造框架基础上，强调将沉积盆地作为一个整体进行研究，盆地演化史分析则特 太原理工大学硕士研究生学位论文 别强调盆地形成时的背景分析，注重时空之间相互配置的关系以及盆地后期改造的恢 复，即动态研究”1 。盆地的形成、发展演化、沉积相转变、沉积充填均受构造背景控 制。在控制沉积作用的诸多因素中，构造活动的影响最为重要，构造活动一方面开辟 了碎屑物质的来源，另一方面又为沉积物提供沉积场所。同时盆地沉积特征及其时空 变化，在一定程度上又可以反映出区域活动的性质、强度、延续或转变时间等。沉积 盆地的物质组成、古地理和古气候面貌、沉积环境、沉积的构造演化趋势等往往决定 着盆地演化的性质和方向。 正是由于沉积盆地对于研究地球发展历史的重要性，使得沉积盆地演化分析成为 地质学科中发展最快的领域之一。上世纪6 0 年代以前，对沉积盆地的认识、分类与 研究都是以地槽学说为基础的，当时，盆地分析也只是作为沉积学的一个分支而产生 和发展的。直到6 0 年代，随着多学科的相互渗透，特别是板块构造学说的问世，使 得这一领域研究无论在深度上还是广度上都取得了长足的进步，p o t t e r 。1 和 p e t t i j o h n ”1 首先提出了盆地分析的概念，即指将盆地作为统一的整体进行系统研究 的方法。p o t t e r ”1 古流与盆地分析中指出：“把盆地作为一个整体考虑为沉积学 研究提供了一个真正统一的办法”。整体分析包括从整个原型沉积盆地范围和整个盆 地充填序列进行分析，整个盆地充填过程中，盆地的范围、沉积体系和沉积环境单元 配置会发生时问的演变和空间的迁移，相应地与一定的沉积相带、沉积体系相共生的 各种沉积矿产则集中分布于盆地充填的一定层位和部位，或在整个盆地范围发生迁移 或运移。7 0 年代后，国外学者a d m i a l l 5 1 、a s q u i t h g ”1 、d k d a v i e s ”1 才真正提 出盆地充填的研究思想，并作为盆地综合研究方法，构成目前盆地研究分析的最新发 展方向，特别是环境分析与相模式、沉积体系、成岩作用等方面的发展，使盆地充填 实体的研究又有了新的思路和方法。a d m i a l l ”1 在其盆地分析原理一书中对此 做了系统的介绍，确定了盆地分析成为地质学中- - l q 独立学科的地位，尽管介绍的方 法多为定性或半定量的描述与分析，但是为以后盆地分析的发展提供了宝贵的思想。 与此同时，物源区分析成为盆地分析中发展最快的一个分支，d i c k i n s o n 发表了有关 这方面的一系列文章”。1 ”，构建了碎屑岩物源区与板块构造之间的关系，编绘出三角 图解作为判断物源区及其构造背景的模式图，通过砂岩的骨架颗粒组分定量统计，可 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 探知物源区的构造背景。9 0 年代以来，沉积学家强调要加强三维沉积形态体系研究 1 1 2 - 14 1 ，这与8 0 年代以来侧重于垂向研究的相模式研究相比有了很大的进步。当今， 盆地的定量化分析、盆地的地层序列分布及其与构造演化的关系，盆地充填过程等的 研究，特别是山盆耦合关系的研究，成为盆地演化分析的发展潮流，尤其是高新技术 如地震发射剖面、高分辨率事件地层学、层序地层学、测井技术等在盆地研究中得到 了广泛的应用，为盆地地层层序和构造分析的准确测定提供了强有力的保证。 大同晚古生代含煤盆地发育在华北克拉通聚煤盆地的北部，阴山隆起构造带的南 侧。从区域构造背景分析来看，大同含煤盆地的形成、沉积充填、发展演化必定受控 于整个华北克拉通盆地基底及其南北两侧的秦岭一大别造山带和兴蒙一阴山造山带，因 毗邻华北北缘，故与北侧的兴蒙一阴山造山带更是密切相关。如同整个华北大地块一 样，大同晚古生代含煤盆地沉积充填之时，正值北侧古亚洲洋逐渐封闭，西伯利亚板 块与华北板块陆陆碰撞阶段，随着北侧俯冲碰撞造山的隆起剥蚀，盆地随同整个华 北地块发生拗陷并接受沉积，形成了大同晚古生代含煤沉积地层，因此盆地的演化与 北侧的俯冲碰撞构造活动有着极为密切的关系。从而也说明了沉积盆地演化研究，不 仅要与盆地的基底构造等自身因素相联系，而且应尽可能将其与造山带置于统一的动 力学系统加以研究。 1 2 选题的目的和意义 每一种盆地类型都有其独特的构造背景、沉积发育与构造演化，这些特征也就 成为判断盆地的准则“”。盆地发育演变过程通常包括四个阶段：成盆、充填、封闭、 后期演变。大同晚古生代含煤盆地的构造演化，严格受区域构造背景下的内蒙古造山 带主造山期板块运动的控制。盆地的构造演化与内蒙古造山带的造山作用均经历了长 期而复杂的演化过程。单一的研究盆地演化并不能完整的反映该地区的构造演化过 程，因此须结合内蒙古造山带统一进行考虑，从基底性质、区域内沉积构造、区域大 地构造等诸多因素综合进行分析。多年来，众多学者对大同盆地乃至整个华北地块石 炭一二叠纪聚煤盆地进行过详细的研究，取得了不少有见解的成果。 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 远自1 9 1 7 年，我国地质学家王竹泉就对大同煤田进行地质勘查，并著有? 山西大 同、左云、怀仁、右玉地质报告? 一文，调查煤炭储量为9 6 亿吨。1 9 1 8 年保晋公司 对大同矿区进行了勘查，划分为1 2 个井田，同年日本人门仓三能氏做过局部调查， 著有? 山西大同煤田地质报告? ，调查储量为1 1 7 亿吨。1 9 2 4 年大同军人煤厂在口泉 附近勘探1 1 处，选定永定庄作为开采区。1 9 2 9 年地质学家翁文与胡博澜又对煤田做 过地质调查，1 9 3 9 年日本人森田次子对本区进行了地质测量和钻探工作，对部分地 区做了初步评价。真正大规模的调查和勘探工作，是在新中国成立之后，1 9 5 2 年组 建的大同矿务局钻探公司，国家地质调查所，1 1 5 煤田勘探队，原大同矿务局地测处， 原山西矿业学院、原河北地质学院等先后参与大同煤田地质研究工作。 当前对大同晚古生代含煤盆地研究主要有以下一些最新成果。杨美霞“6 1 通过研究 认为：晚古生代时，欧亚板块做缓慢的顺时针转动，地处欧亚板块的我国东部的华北 大型聚煤盆地，亦随之倒顷时针转动。在转动力的作用下，煤盆地北侧的阴山古陆与 秦岭古陆相比有所抬起。因此便将华北石炭一二叠纪时北低南高的面貌，改变成为南 低北高的局面。因此，南部灰岩比例增大，北部陆相碎屑物增多。大同晚古生代含煤 盆地由于当时受控华北大地块的影响呈现南低北高的局面，往北陆相地层逐渐增多。 尚冠雄认为华北地块由于受加里东运动的影响，西部的寒武、奥陶、志留系的冒地 槽沉积在志留纪末褶皱成山，即祁连山，它的褶起导致了华北地台西端的抬升，使华 北地块出现了西隆东倾的古地理格局，这是华北晚古生代聚煤盆地形成的一个定型格 局，一直占据主导位置，同样大同晚古生代含煤盆地也是如此。因此南低北高、西隆 东倾成为当时大同含煤盆地的主要构造格局。 任文忠“”把我国华北石炭一二叠纪含煤沉积盆地确定为克拉通内拗陷盆地，其形 成于广阔的陆表海环境，盆地总体成东西向展布，南、北两侧均为经多次拼接的汇聚 型板块边缘，但在成煤期盆地基本上是处于均衡调整阶段的伸展构造环境，盆地基底 主要为中奥陶统灰岩的侵蚀夷平面。大同晚古生代含煤盆地位于华北克拉通聚煤拗陷 盆地的北部，受控华北大地块和其具有相似的构造演化史。 赵省民”和扬含禄”通过对大同聚煤盆地石炭一二叠纪煤田沉积相的研究，认为 大同晚古生代煤田毗邻华北聚煤盆地北缘，含煤岩系是一组大陆环境十分显著、陆相 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 地层占很大比例的含煤沉积，由碎屑一碳酸盐混合滨岸带体系，三角洲体系及河流体 系三大沉积类型组成。其中，本溪组全为混合滨岸沉积；太原组中下部为三角洲沉积， 中上部为河流沉积；山西组是一套纯河流相的沉积，物源区为其北侧的阴山隆起构造 带。 山西省地质矿产局编著的? 山西省区域地质志? ”一书中，对山西盆地在晚古生代 海水进退做了详细的分析。认为在本溪期和太原期早期，海水主要来自北东方向；在 太原期后期，海水主要来自东南方向，并且开始了海退。大同盆地也受这两次海侵海 退的影响，部分地区沉积有灰岩地层。 前人的研究成果无疑为后人的研究奠定了坚实的基础，并且为后人研究提供了丰 富的资料，然而，大同晚古生代含煤盆地作为华北巨型克拉通聚煤盆地的重要组成部 分，尽管曾有多名地质科研工作者进行过大量研究，但迄今为止，对大同晚古生代含 煤盆地仍然没有一个整体认识，有一些问题尚未得到解决，还未取得统一认识。如： 大同晚古生代含煤盆地大地构造位置位于华北板块北部、“阴山古陆”南侧，那么 大同晚古生代含煤盆地是在什么地质构造背景下形成? 盆地形成之后的聚煤规律 是什么? 盆地各期微相究竟是如何变化的? 微相说明了盆地演化中一些什么变 化? 盆地中局部地区煤层为什么会合并( 3 和5 煤层合并) ? 煤层厚度与砂体厚度 有什么关系? 盆地地层充填序列是什么情况? 盆地在晚古生代末是如何封闭 的? 盆地封闭之后又经历了哪些地质构造变化? 显然，以上诸多问题的解决，对掌 握和了解盆地究竟是如何开始形成到最后的封闭乃至后期所遭受的地质构造变化，丰 富板块边缘海陆交互相一陆相含煤建造的研究内容，了解大同含煤盆地石炭一二叠系煤 层的赋存规律和特点，以及对指导大同晚古生界煤炭资源开采具有一定的理论和现实 意义。 1 3 学术指导思想及研究内容 沉积盆地与造山带是在统一的构造框架和动力学体制下形成的孪生体，是进行 岩石圈研究和大陆动力学研究的两个重要方面。越来越多的事实表明，盆地的形成及 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 演化受控于深部的构造作用及其板块构造背景，尤其是大陆动力学背景，通过研究盆 地演化过程，可以重现岩石圈动力学过程和板块相互作用的历史过程。盆地演化分析 的实质是构造过程和充填过程的辨证统一，因此笔者在进行大同晚古生代含煤盆地演 化分析时，以盆地自身的微相演变为主并力求结合其所处的大地构造背景进行分析。 本论文以大同晚古生代含煤盆地演化为研究对象，在充分学习和借鉴前人研究成 果的基础上，本着实事求是的原则和严谨的科学态度，从活动论观点出发，应用“整 体、动态、综合”的研究思路，以沉积作用研究为主线，以板块构造理论、沉积学观 点和煤地质学知识为学术指导思想，通过本课题的研究，拟解决如下一些问题： 1 、了解大同晚古生代含煤盆地形成时的地质构造背景及物源区构造背景； 2 、分析盆地聚煤沉积的规律以及厚煤层形成的主要环境和原因； 3 、通过钻孔资料的分析，确定盆地沉积微相的演化史； 4 、分析局部煤层合并分叉的原因以及砂体厚度对煤层的影响； 5 、野外观察与砂岩显微镜鉴定相结合，认识盆地充填序列特点； 6 、探讨盆地形成、演化、封闭及后期地质构造变化。 通过以上工作，深入的分析大同含煤盆地的演化发展史，从而对大同晚古生代含 煤盆地有一个全面系统的认识。 1 4 完成的工作量 1 、收集到绝大部分的大同含煤盆地钻孔资料，共5 9 1 张，并完成了盆地所辖范 围内的煤层等标志层的厚度信息统计。 包括：塔山井田钻孔柱状图1 6 5 张；同忻井田钻孔柱状图1 1 4 张；小峪井田钻孑l 柱状图4 0 张；增子坊井田钻孔柱状图2 1 张；南阳坡井田钻孔柱状图3 8 张；东周窑 井田钻孔柱状图4 8 张；燕子山井田钻孔柱状图5 张；左云南井田钻孔柱状图1 6 0 张。 2 、收集有6 份大同煤田晚古生代的煤炭勘探地质报告。 包括：燕子山井田石炭一二叠系煤炭勘探地质报告一份；左云南普查勘探区地质 报告一份；左云南勘探区( 南区) 详查报告一份；增子坊井田扩界石炭一二叠系煤炭勘 6 太原理工大学硕土研究生学位论文 探地质报告一份；同忻井田石炭一二叠系煤炭勘探( 精查) 地质报告一份；塔山井田石 炭一二叠系煤炭勘探( 精查) 地质报告一份。 3 、实侧大同口泉沟和怀仁吴家窑两条地层剖面，共计5 2 0 m ；采集样品并磨制出 2 0 0 个岩石薄片，做了详细的显微镜下鉴定；测量了1 3 9 组砂岩板状交错层理的细层 产状；拍摄有6 8 张野外相片。 4 、室内整理资料、绘制各种图件、撰写论文，共计9 6 0 工时。 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 1 引言 第二章大同晚古生代含煤盆地区域地质背景 大同煤田是我国著名的煤田之一，位于山西省最北部，包括大同市、怀仁、左云、 右玉、山阴等县，含煤面积约1 9 0 0 k m 2 ，煤田走向长8 5k i n ，宽3 0k i n ，为一不对称 复式向斜盆地”。晚古生代的含煤地层主要集中在上石炭统太原组和下二叠统山西 纪。煤田内地质构造比较简单，总体为一开阔的大型向斜，断裂构造发育，绝大部分 为高角度正断层，倾角多在6 5 0 以上，落差一般小于2 0 m 。区内岩浆活动不均衡，部 分井田比较剧烈，岩浆侵入时期为印支期。盆地在漫长的地质发展史中，经历了多次 的抬升、下沉等发展阶段。 2 2 大同晚古生代含煤盆地区域地层概况 大同晚古生代含煤盆地地层自老至新分别为： 一、太古代一桑干片麻岩系 桑干片麻岩系是大同煤田的最老地层，构成了含煤盆地的基底。岩性一般为肉红 色花岗片麻岩、灰黑色角闪片麻岩及黑云母角闪片麻岩，其中贯穿有各种不同时代的 小侵入体，内以粗粒玄武岩、花岗岩及辉长岩为主。 二、下古生界寒武系及奥陶系 1 、中寒武统 本区没有发现震旦系和下寒武系的沉积，中寒武系地层直接覆盖在桑干片麻岩系 之上。底部为硬砂岩，厚。一2 m ，由桑干系花岗片麻岩碎屑组成，岩性主要为紫红色 页岩、砂质页岩夹薄层灰绿色页岩及4 - 5 层薄层石灰岩。页岩中发现有三叶虫化石及 岩盐假晶，全统厚1 1 0 1 6 0 m 。 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 、上寒武统 上寒武统整合于中寒武统之上，岩性为深灰色、灰色厚层鲕状灰岩、竹叶状灰岩， 并夹薄板状灰岩，有三叶虫化石，本统在鹅毛口区厚4 0 0 m ，并向北逐渐减薄。 3 、下奥陶统 下奥陶纪地层岩性主要灰色厚层状灰岩、粉红色白云质灰岩，在煤田南部的朔州 一带最为发育，在煤盆地北部尖灭。 三、上古生界一石炭二叠系 l 、中石炭统本溪组 奥陶纪灰岩经历了长久的风化剥蚀后，至中石炭统开始沉积本溪组地层，二者之 间呈平行不整合接触。本溪组底部有0 - 0 0 7 m 的褐铁矿层，即山西式铁矿，呈鸡窝状 分布在煤田东南及南部边缘，向上为灰色铝土页岩及紫色页岩，中上部为深灰色页岩、 砂质页岩及灰白色石英砂岩的互层。中部有厚2 5 m 的灰色石灰岩一层，即口泉灰岩。 上部为砂岩、泥岩互层。 2 、上石炭统太原组 本组为主要含煤地层。底部为灰褐色鹅毛口中粗粒砂岩( k 2 ) ，上为砂、泥互层， 含9 、1 0 两层薄煤，再上为主要可采8 煤层，厚度为2 6 m ，顶层为一层含腕足类动物 化石碎片的玉井泥灰岩、泥岩。 中部以两层灰白色含砾粗砂岩、粗中砂岩为主，即悟道砂岩、铁匠沟砂岩。韵律 分选明晰，大型交错层理，具有冲刷面。其间夹6 、7 。煤层，局部具有工业价值，横 向上多变为灰白色砂质泥岩、粉砂岩。再上为大同煤田中部主要巨厚的5 煤层。此段 厚2 0 4 0 m 。 上部主要为一层巨厚的砂砾岩、含砾粗砂岩、中粗砂岩，与砂质泥岩、泥岩互层。 沉积韵律明晰，砂岩中发育大型交错及水平层理，底部多具冲刷面。其间夹4 、3 。 和2 煤层，从下而上，有代表性的砂岩分别为东山砂岩、小峪砂岩、偏岭砂岩。此段 厚2 0 5 0 m 。 太原组厚度一般为8 0 1 0 0 m ，最厚在楼子沟附近达1 8 6 m 。总的趋势南厚北薄，由 1 3 0 5 0 m 逐向北被剥蚀变薄，至云岗十里河以北尖灭。含煤总厚0 0 6 4 7 4 5 m ，一般 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 7 m 含煤系数2 0 。 3 、二叠系 下二叠统山西组底界为一套灰白色砂砾岩、含砾粗砂岩、中粗砂岩，即窑子头砂 岩( k 3 ) ，厚度一般为4 m ，在鹅毛口、雁崖以北为最后。其上为灰、深灰、灰白色粗 砂岩、中粒砂岩、细砂岩、粉砂岩、泥岩、砂质泥岩互层。夹4 层薄煤层，只有靠下 部的山4 号煤层具有工业价值。本组厚2 0 8 0 m ，一般5 0 6 0 m ，最后在鹅毛口北魏家 沟达9 0 m ，大致呈南、南东厚，北、北西薄的趋势，至忻洲窑一新、旧高山以北隆起 剥蚀尖灭。含煤总厚0 1 6 1 0 6 3 m ，一般3 m ，含煤系数4 。 下二叠统下石盒子组为灰绿、灰黄、灰白色砂岩、泥岩，厚度为6 4 6 8 m ，上二叠 统上石盒子组为灰绿、黄绿、灰紫色砂岩、含砾石英砂岩，厚度为1 6 8 2 3 1 m 。 上二叠统石千峰组地层主要是砂岩和泥岩，厚度为4 0 一1 1 0 m ，全区大面积缺失。 四、中生界侏罗系 下侏罗统永定庄组，顶部为杏黄、灰绿、黄褐、灰白色砂岩、泥岩，厚度为8 4 - 1 1 5 米；下侏罗统大同组，岩性为陆相沉积碎屑岩、煤层、粘土岩及少量混积岩，含煤 3 2 层，可采煤层1 4 1 7 层，地层厚度为1 5 0 - 2 6 4 m ，一般为2 2 0 m 。中侏罗统云岗组为 紫红、黄绿、灰白色砾岩和粗、中、细粒砂岩及泥岩，靠底部局部含可采煤层一层， 厚度为6 9 2 9 0 m 。 五、中生界一白垩系 岩性为紫灰色凝灰块集岩、安山岩及安山块集岩等组成，厚度为5 3 0m ，在煤田 北部高山镇北、旧高山一带比较发育。 六、新生界 i 、第三系红色粘土 在大同煤田南部一带，见有红色粘土层，以粘土为主，并有砂砾，富含钙质结 核，厚2 0 一3 0m ，平铺于一切老地层之上，均做不整合接触。 2 、第四系黄土 黄灰色黄土，在南部有底砾石，厚度为5 1 0 m ，砾石为石灰岩，多钙质结核，在 北部煤田则富含砂质，厚度变化大，有的达5 0m 。 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 大同煤田区域地质如图2 - 1 所示。上述大同含煤盆地区域地层表明，区内分布有 太古界古老变质岩，如同华北地块一样，是最古老的结晶基底，所不同之处就是大同 图2 - 1 大同煤田区域地质图 f i g 2 - id a t o n gc o a lf i e l dr e g i o ng e o l o g ym a p 1 一第四系沉积；2 新生代玄武岩；3 一白垩系；4 一中侏罗统云岗组；5 一下诛罗统大同组；6 一下 侏罗统永定庄组上、下石盒子组；7 一山西组、太原组；8 一寒武一奥陶系；9 一太古界桑干群( 片麻岩) 一带缺失元古界地层，而下古生界寒武一奥陶系地层直接呈角度不整合覆于太古界桑 干片麻岩之上；另一特点是大同一带大面积缺失中奥陶统地层，中石炭统地层平行不 整合于下奥陶统地层之上；特点之三是大同一带尤其是大同煤田范围内局部缺失上二 叠统石千峰组和三叠系地层，相比之下，侏罗系煤系地层却十分发育。上述这些特点 毫无疑问与大同含煤盆地地处华北地块北部、毗邻北侧阴山隆起造山带的位置有关， 太原理工大学硕士研究生学位论文 同时也说明在这个特殊位置上，所经历的构造运动与整个华北地块有所差异，大同晚 古生代含煤盆地的形成、演化等绝不等同于整个华北晚古生代巨型克拉通聚煤盆地。 2 3 大同晚古生代含煤盆地区域构造概况 大同晚古生代含煤盆地为一东南陡、西北缓的向斜盆地，盆地走向长8 5k m ，宽 3 0k m ，断裂构造发育，绝大部分为高角度正断层，倾角多在6 5 0 以上，落差一般小 于2 0 m 。其大地构造位置属华北断块内二级构造