准噶尔盆地早-中侏罗世含煤岩系层序地层及聚煤古地理特征

准噶尔盆地早-中侏罗世含煤岩系层序地层及聚煤古地理特征

准噶尔盆地是一个大型复合叠加盆地，具有独特的构造沉积背景和丰富的煤炭和石油资源。前人一直受科学家的注意。笔者在借鉴前人的研究方法和研究思路的基础上,以准噶尔盆地早-中侏罗世含煤岩系为例,通过对该盆地3条剖面以及50个钻孔资料的整理,分析该盆地含煤岩系层序地层格架及古地理特征,并在此基础上探讨其层序地层格架下的煤层发育与聚集特征。1准噶尔盆地构造单元特征准噶尔盆地地处新疆北部,从大地构造上来说,位于天山以北,阿尔泰山以南,盆地形状近三角形。东西长约为500km,南北宽40~90km,面积约为30000km2,沉积厚度最厚可达4000多米,侏罗系沉积地层保存较为完整。该盆地在早二叠世末转为大型内陆盆地之后,先后经历了晚二叠世坳陷期、三叠纪断陷期、侏罗纪—古近纪坳陷期及新近纪—第四纪收缩期的发育、发展过程。根据盆地整体构造演化特征以及各区构造演化,将准噶尔盆地构造单元划分为8个一级构造单元(图1),主要包括:西部隆起区(克-乌断阶带和车排子隆起)、乌伦古坳陷、陆梁隆起区、中央坳陷区、中央隆起带、南部坳陷区、北天山山前坳陷带和准东构造区(卡拉麦里山前坳陷、奇台隆起和博格达山前坳陷)。准噶尔盆地早-中侏罗世的含煤岩系为一套陆源碎屑沉积,包括八道湾组(J1b)、三工河组(J1s)及西山窑组(J2x),合称水西沟群,其中八道湾组和西山窑组是该盆地主要含煤地层。八道湾组是由砾岩、砂岩、泥岩和煤层组成的具有明显旋回性的沉积,主要形成于河流-三角洲环境;三工河组以泥岩、泥质粉砂岩及泥灰岩为主,夹中、细砂岩,主要形成于湖泊环境;西山窑组以砾岩、砂岩夹炭质泥岩、泥岩及厚煤层为特征,主要形成于河流-三角洲环境。2对重要不整合面的识别前人对该盆地层序的划分提出过很多方案[5,6,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19],其中鲍志东等利用露头资料、区域大剖面地震资料、钻(测)井等资料对准噶尔盆地的侏罗系进行层序地层研究,将其划分为2个二级层序、7个三级层序;彭雪峰等通过对重要不整合面和局部不整合面、冲刷面的识别,将盆地南缘八道湾组划分为2个三级层序和6个体系域;姜科庆等通过钻孔资料、测井资料、野外露头及古生物化石资料,在准噶尔盆地南缘西山窑组识别出2个三级层序;田继军等将准噶尔盆地南缘下-中侏罗统划分为5个三级层序,识别出扇三角洲、三角洲、湖泊、沼泽等主要相类型。笔者通过对盆地钻孔资料和露头资料的深入分析,对早-中侏罗世含煤岩系进行了沉积环境和层序地层学研究。在前人研究成果的基础上,通过对整个西北地区层序地层对比和归纳总结,在准噶尔盆地早-中侏罗世共识别出3个三级层序,并进一步划分为低位体系域、湖侵体系域及高位体系域,其中层序I相当于侏罗系下统的八道湾组(J1b),层序II相当于侏罗系下统三工河组(J1s),层序III相当于侏罗系中统西山窑组(J2x)(图2)。2.1三、三级等级2.1.1沉积体系域和沉积层序内部分区在区域上大致对应于八道湾组。层序底界面为区域不整合面,与三叠系不整合接触,岩性突变,界面之上为河道砾岩、砂岩,界面之下为泥岩、粉细砂岩。八道湾组顶界与层序边界重合;将下部砾岩、粗砂岩之上覆盖的粉、细砂岩底界面定为初始湖泛面;在一套向上变细、变深叠加的沉积层序中,以相对较大的厚度出现的泥岩底面为最大湖泛面位置。层序内部可划分为低位体系域、湖侵体系域和高位体系域。低位体系域为灰色、灰白色砂砾岩、粗砂岩组合的冲积扇沉积;湖侵体系域主要为细砂岩、粉砂岩及炭质泥岩、煤层组合,是主要含煤段,水体较浅,河漫滩和三角洲平原沼泽发育;高位体系域主要是由细粒的砂岩及泥岩组成的湖泊沉积,夹数层煤层。岩性总体为下粗上细的正旋回。2.1.2低层序地层格架在区域上相当于三工河组,层序底界面为河道底部冲刷面,也为三工河组与下伏八道湾组分界面。发育低位体系域、湖侵体系域和高位体系域。低位体系域岩性主要为扇三角洲平原沉积的灰色、灰白色砾岩、粗砂岩。湖侵体系域岩性主要为扇三角洲前缘-浅湖相厚层状细砂岩、粉砂岩、泥岩沉积,最大湖泛面位于向上变细的沉积序列中粉砂质泥岩、泥岩最厚的位置。高位体系域主要为中、细砂岩为主的滨湖沉积,发育向上变粗的序列,层序顶界面为三工河组与西山窑组的分界。该层序下部除局部此前发育三角洲退缩过程发育薄煤和煤线,一般不含煤。2.1.3层序界面及沉积相大致相当于西山窑组,是在充填层序II扩张了的湖盆过程中沉积的,岩性为灰绿色、灰白色砂岩、粉砂岩与灰绿色、灰黑色泥岩及菱铁矿层,含巨厚层状煤层。见植物化石及孢粉化石。层序底界面底界与层序II有岩性突变,界面之下为细砂岩、粉砂岩,界面之上为厚层状的含砾粗砂岩。层序顶界面为与头屯河组地层颜色突变面,界面以下地层以灰色为主,界面以上地层以杂色为主。层序底部低位体系域为分流河道砾岩、粗砂岩、中砂岩,其上覆粉砂岩、泥岩底界为初始湖泛面。最大湖泛面位于向上变深序列中出现煤层或炭质泥岩的位置。湖侵体系域主要由灰绿、灰色粉砂岩、砂岩、泥岩,灰黑色炭质泥岩和煤层组成,沉积地层正韵特征明显,砂岩厚度向上逐渐变薄,粒度变细,煤层厚度逐渐增大的正旋回沉积序列。由于水体较浅,三角洲发育,聚煤作用广泛发生,形成该盆地主要可采厚煤层。高位体系域为由灰色细粒的砂岩夹泥岩组成的曲流河三角洲沉积。该期由于盆地整体的振荡活动,在总体水退的基础上湖水仍有较频繁的进退变化。2.2冲积扇-曲流河-三角洲亚相准噶尔盆地自西向东在乌苏、玛纳斯、呼图壁、头屯河、乌-白普勘区、阜康四工河、巴里坤地区选取了7个钻孔连成剖面图(图3)进行层序格架下沉积相分析。从图3可以看出,该地区3个层序发育齐全。三级层序SⅢ1主要发育冲积扇-曲流河-三角洲沉积环境,冲积扇、曲流河主要发育在四棵树南部、石河子水沟及山前一带,向盆地中心水体加深,碎屑粒度变细,至头屯河地区水体最深。岩性以灰色、灰绿色砂岩和泥岩为主,湖侵体系域发育数层可采煤层。三级层序SⅢ2为盆地湖泊大规模扩张期,与层序SⅢ1相比,此前发育的一些大型河流、三角洲多已退缩或规模减小,砂砾岩分布范围也变得局限,以湖泊沉积为主,沉积了灰色泥岩、泥质粉砂岩及泥灰岩夹黄绿色中、细砂岩。在盆地边缘局部发育曲流河沉积,在准东奇台-巴里坤低位体系域最为发育。三级层序SⅢ3是在充填层序SⅢ2扩张了的湖盆过程中沉积的,主要为曲流河-三角洲相发育区,在三角洲平原沼泽沉积了多层可采煤层,聚煤以阜康最好。3准噶尔盆地早-中侏罗世岩相古地理特征3.1层序沉积岩相古地理本次对岩相古地理研究作图步骤如下:首先对研究区钻井和露头剖面资料进行分析、筛选,主要选用揭露地层全,有代表性,分布均匀的资料;其次,分别统计出每层序每一钻孔的地层厚度、泥岩+粉砂岩(简称泥岩)、砂岩+砾岩(简称砂岩)、砾岩厚度和煤层总厚度,并分别计算出每一钻孔的砂泥比、泥岩百分含量和砾岩百分含量;第3,分别绘制每一层序的地层厚度等值线图、砂泥比等值线图、砾岩百分含量等值线图、泥岩百分含量等值线图和煤层厚度等值线图。其中地层厚度等值线图反映了某一沉积期盆地的沉降中心、隆起和凹陷及盆地轮廓;砾岩百分含量等值线主要反映了冲积扇体的分布;砂泥比等值线图反映了主要水道、三角洲砂体以及主要岩相的分布特征,是划分相带和相区的主要依据;泥岩百分含量等值线图指示了盆地湖泊发育区。最后,以砂泥比等值线为基础,参考砾岩百分含量和泥岩百分含量等值线图,通过综合地质分析,绘制出某一沉积期岩相古地理。利用此方法笔者绘制了该层序沉积时期岩相古地理图(图4(a))。从图4(a)可以看出当时主要的古地理单元有冲积扇、泛滥平原、三角洲平原、三角洲前缘和滨浅湖等,砂泥岩比值分别为>2.0,2.0~1.0,1.0~0.5,0.5~0.3,<0.3。其中砂泥岩比值<0.5的地区属于当时的水下地区,这些地区泥岩含量也比较高,一般在50%~70%。分析表明,南部地区,西起四棵树以西,东到奇台、巴里坤,主要发育三角洲相、河流相及冲积扇相,呈近东西向条带状。碎屑粒度向盆地中心方向变细。相带内沼泽发育,普遍沉积了多层可采煤层。盆地东部地区,即现克拉美丽山以南,地形复杂,早期湖水较浅,存在奇台-木垒隆起、三台隆起及帐蓬沟隆起等,该区主要发育河流-三角洲相。克拉美丽山山前发育有冲积扇沉积,随着后期的填平补齐及湖水漫覆,滨浅湖相范围扩大,沼泽有短期存在。因此,该区以薄煤层为主,碎屑来源主要为南部与北部低山丘陵区。盆地北部,即车排子与现在的克拉美丽山一线以北地区,盆缘地带广泛发育冲积扇沉积以及河流-三角洲沉积,冲积扇分布于扎伊尔山前的克拉玛依—乌尔禾一带及青格里山前地带。在盆地腹地,为浅滨湖相区的分布范围。盆地的沉积中心位于玛纳斯以北-呼图壁一线,并大体作北西向展布。3.2扇三角洲亚相利用同样的方法笔者得出了层序II沉积期岩相古地理图(图4(b))。经早侏罗世早期沉积作用,盆地内部地势越趋平坦,但随着盆地的整体坳陷,湖盆扩张,湖平面抬升,沉积了以细碎屑及泥质为主夹粗碎屑滨浅湖沉积。其中砂泥比小于0.3的富泥区为当时的湖泊分布区,盆地腹地的玛纳斯以北至乌尔禾以南等地区;砂泥比小于0.1,为半深湖-深湖区。砂泥比大于0.5的富砂区为当时的河流-扇三角洲分布区,盆缘地带的百口泉、和布克赛尔、乌伦古河西南侧、奇台北山、玛纳斯以南—乌鲁木齐—阜康一带发育扇三角洲。扇三角洲环境中可能有一定的煤层形成。沉积中心与水盆地中心不一致,大致位于盆地南部山前地带,即安集海—玛纳斯—呼图壁。该期没有煤层发育。3.3层序iii-岩相古地理分析层序III的砂泥岩比及古地理图(图4(c))可知,除在盆地凹陷中心及盆地中部沉积了一套以泥质、粉砂质为主的滨浅湖相地层外,其外围广大区域内三角洲及河流相广泛分布,且泥炭沼泽普遍发育。盆地南部乌苏—阜康—奇台一带以三角洲相为主,砂泥比值大于0.5,向盆中则逐渐过渡为滨浅湖,该地区泥炭沼泽广泛分布在各种沉积体系之上,煤层发育最好。盆地东部主要为河流及三角洲环境,三台等隆起减弱了该区与盆地腹部的水力联系,使之处于半封闭状态。盆地北部夏子街一带、克拉玛依—乌尔禾一带三角洲相仍较发育,东北部发育扇三角洲。综上所述,准噶尔盆地在早中-侏罗世经历了沼泽—湖泊—沼泽过程,层序I和层序III沉积时湖盆水体很浅,河流-三角洲体系发育,之前均有陆源碎屑的充填过程。层序II沉积时,占有重要地位的是大面积的湖泊相(尤其是半深湖相)沉积,在湖水较深的背景下,沼泽多已消失。煤层则主要形成于湖退三角洲,垂向上发育三角洲平原分流河道和间湾沼泽为特征,分流河道主要沉积中—细砂岩,煤层出现在三角洲平原正旋回上部;平面上煤层在乌鲁木齐—白杨河最厚,向西部、东部变薄。盆缘的短程河流注入湖盆,形成三角洲,在湖盆水体不断后退,三角洲不断向盆中进积的过程中,被废弃三角洲平原大面积泥炭沼泽化,形成厚煤层。准噶尔盆地早-中侏罗世沉积古地理演化过程,即在最初阶段接受浅水沉积的基础上,经历一次大规模的水体加深过程之后,湖盆又被淤浅。4聚煤作用的坚持和演化煤层发育受很多地质条件的控制,最重要的是基底沉降和沉积环境。前者包括构造活动的强度和频率,后者包括沉积时的岩相古地理条件、古地貌、古植被、古气候、泥炭沼泽类型和沼泽中的水体深度以及地球化学条件等,泥炭的堆积和保存需要水位足够的高,足以覆盖正在腐烂的植物并阻止其被氧化,同时水位又要足够的低,以确保活着的植物不被淹死,即可容空间变化速率必须与泥炭沉积速率保持某种平衡关系,才有利于泥炭的堆积和保存。层序地层学分析的核心内容是可容空间的变化速率,陆相盆地可容空间的变化速率主要取决于湖平面的变化速率,而湖平面的变化速率与盆地基底沉降速率密切相关。可容空间产生速率与泥炭堆积速率之间的平衡关系是聚煤作用的充分条件,这种平衡关系保持时间的长短决定了煤层的厚度亦即聚煤作用强度。在准噶尔盆地早-中侏罗世含煤岩系中(图3),无论是层序Ⅰ,还是层序Ⅲ,煤层大多分布在最大湖泛面附近的湖侵体系域末期和高位体系域早期,该时期较快的可容空间增加速率与较快的泥炭堆积速率之间相平衡,从而有利于厚煤层的聚集。自三叠纪后,准噶尔盆地经历了半干燥—温暖潮湿—干燥炎热的气候演变。早-中侏罗世为温暖潮湿古气候,植物大量繁殖。晚三叠世盆地收缩后,开始扩张的条件下先沉积了下侏罗统八道湾组含煤碎屑岩层,燕山运动早期挤压作用强化,盆地逐渐抬升,在水退的环境下沉积了中侏罗统西山窑组含煤碎屑岩层。层序I沉积早期的聚煤作用主要发生在盆地边缘地势低缓及活动微弱的地区,即主要在盆地南部阜康―吉木萨尔一带(图4(a)),成煤环境以泛滥平原、三角洲平原沼泽为主,其他地区聚煤作用较差。沉积晚期聚煤作用以盆地东部克拉玛依、和什托洛盖拗陷区、南部四棵树一带较为明显,聚煤作用与三角洲平原关系密切。层序Ⅲ沉积中心位于盆地南缘的昌吉—玛纳斯一带,沉积时期的聚煤作用几乎遍布整个盆地,且作用时间长,强度大,分布广,以盆地南部尤为明显。早期地势平坦,覆水浅而广阔,三角洲发育,在广阔的湖缘,泛滥平原、三角洲平原常发育较稳定的泥炭沼泽,形成的煤层多、厚、稳定,以准南煤田乌鲁木齐一带煤层富集程度最高,局部可达200m(图4(c));晚期随构造变动频繁及气候条件的变化,聚煤作用有所减弱。该期聚煤作用在盆地的南部表现为东强西弱,在盆地北部则有向东迁移的趋势。5早-中侏罗世煤岩系早期煤岩中煤层的分布格局(1)准噶尔盆地早中侏罗世含煤岩系形成于河流-三角洲-湖泊沉积体系,共发育3个三级层序