菏澤地區晚古生代含煤地層沉積環境分析

鞏 固 王懷洪

（山東省煤田地質規劃勘察研究院，山東 濟南 250104）

魯西菏澤地區晚古生代煤系是我國重要的煤層發育層位，也是山東地區最為優良的煤層賦存地區之一，區內大部分以焦煤為主，為良好的工業用煤。隨著煤炭開采進行，菏澤地區中高變質煤層以及埋深相對較深預測著該區可能存在著煤成氣。為了研究其煤成氣，有必要對該區石炭-二疊系含煤地層沉積環境及其演化開展研究。

1 研究區地質背景

菏澤礦區為東西向構造帶，在魯西南隆起西北部，位于昆侖～秦嶺橫向構造帶的東偏北部和新華夏系第二沉降帶南端的復合部位。該研究區的范圍在汶泗斷層、單縣韓臺斷層、嘉祥斷層、聊考斷層之間。地層自上而下有新生界第四系，新近系、古近系；中生界侏羅系；古生界二疊系、石炭系、奧陶系、寒武系、震旦系、太古界泰山群。菏澤礦區是典型的斷塊型構造，其褶曲和斷層，皆與區域構造單元、大地構造位置的組合和變化有密不可分的關聯。

2 菏澤地區晚古生代含煤地層沉積環境

菏澤地區處于華北板塊，大致為大型陸表海沉積環境，其沉積體系及沉積相組合具備了華北板塊陸表海沉積的特征。按照巖性組合、沉積標志和測井曲線，可將菏澤礦區石炭-二疊系劃分成4類大的沉積體系：障壁-瀉湖沉積體系、潮坪沉積體系、河流-湖泊復合沉積體系、河控淺水三角洲沉積體系。河流-湖泊復合沉積體系是陸相盆地主要的沉積體系，其余三類則是陸表海煤系中主要的沉積體系。

2.1 潮坪沉積體系

潮坪沉積體系，海陸交替型含煤巖系中的沉積體系之一，主干處于潮間帶，其水動力條件，大致是自潮下帶至潮上帶漸漸變弱。潮流途經潮道與潮溝，水動力達到最強，且為雙向流動。

菏澤地區潮坪沉積體系常見于本溪組、太原組（圖1），包含潮坪泥炭沼澤、泥坪、砂坪和混合坪等沉積微相。泥坪相沉積物以細粒和泥質為主，多為暗色泥質、粉砂質，含大量的植物化石，沼澤和泥炭沼澤會新生成較薄泥炭層，當海進發生時，泥炭層往往會被保存下來，進而生成薄層煤。潮汐層理尤為常見，且以互層層理和透鏡層理更甚。砂坪相沉積物中，砂巖多穩定組分，分選性較好，磨圓度比較好，主要是床沙載荷，常為沙壟、沙丘形態，沙紋層理較為發育，同時大中型的交錯層理也較為發育。

圖1 菏澤地區張灣勘探區ZW19井泥坪沉積

2.2 障壁-瀉湖沉積體系

障壁-瀉湖沉積體系常見于太原組、本溪組（圖2），包含障壁島、潮汐三角洲及瀉湖等三種成因相組合，這其中又包含若干成因相。研究區中部分障壁壩砂體與潮汐三角洲砂體，其連續性好且分布廣闊，對煤成氣來說是良好的儲層。

障壁壩常見于太原組、本溪組頂部。主要是中粗粒石英砂巖，成分成熟度較高，分選性、磨圓度較好，板狀、楔形、雙向和波狀交錯層理較為發育，是較為明顯的自下往上漸變粗（進積）、自下往上漸變細（退積）的沉積層序。

潮汐三角洲常見于上石炭統，其特點是垂向上變粗再變細，自下向上有4個基本單元：砂壩、砂泥混合坪、潮汐水道、潮坪沼澤或混合坪，不難看出其結構為向上變粗，再往上變細，頂層主要是潮坪泥炭沼澤，底層主要是瀉湖泥質沉積。

瀉湖、沿岸潮坪常見于本溪組、太原組，是障壁砂壩和廣海隔絕或半隔絕而形成的淺水環境。瀉湖相中常見細粒與泥質沉積物，其中又以深灰色、灰黑色粉砂質泥巖、泥巖和頁巖為主，水平層理、水平狀紋層、塊狀（均勻）層理及生物擾動構造較為發育，也可發現水平生物潛穴。

潮道中沉積物多以中粗～中細粒巖屑石英砂巖為主，顏色為灰色至淺灰色或灰褐色，其中石英雖多為次棱角狀，但其分選性比較好。其中大型板狀交錯層理、雙向交錯層理、槽狀交錯層理、脈狀和波狀交錯層理頗為發育。而潮道充填沉積的上部，小型槽狀、脈狀和爬升層理較為發育。頂部多為薄泥炭層沉積，細粒和泥質沉積中可見到生物強烈擾動的痕跡，且發現植物根系。

圖2 菏澤地區青崗集勘探區QZK15井障壁壩沉積

2.3 河控淺水三角洲沉積體系

菏澤地區有廣闊的陸表海背景，其三角洲沉積體系多發育在此背景下的淺水區。這樣的淺水環境，波浪作用不會太大，強潮汐作用也不會存在，在該環境下出現的三角洲，被稱作淺水三角洲，常見于山西組。該地區的河控三角洲沉積體系，包含分流間灣、分流河道、天然堤、泥炭沼澤、決口扇、水下分流河道、水下分流間灣、水下天然堤、分流河口砂壩、遠砂壩、前緣席狀砂和前三角洲等沉積微相（圖3），其分流河道的砂體，連續性比較好，對煤成氣來說是良好的儲層。

菏澤地區的淺水三角洲沉積體系，多為河控三角洲，三角洲平原相尤其發育，分流河道相最為主要，不發育前三角洲，且其多與分流間灣、海灣相等共生，進而很難進行區別。在潮汐作用的影響下，三角洲受其影響程度不同，三角洲沉積序列發育潮坪沉積，河口砂壩受潮汐作用改造程度不同，發育潮汐層理。淺水三角洲沉積體系多與障壁島沉積體系組合成復合體系，隨著海平面變化，兩個沉積體系的沉積相，會進行相互疊置。淺水三角洲沉積體系，分布范圍廣闊，常見于山西組，分流河道相、三角洲平原相尤其發育。

圖3 菏澤地區張集勘探區ZK3-1井分流河道沉積

2.4 河流-湖泊復合沉積體系

發生大規模的海退事件，河流-湖泊復合沉積體系會在這樣的背景下逐漸形成，是一種陸相沉積組合序列，且其中不發育煤層，常見于上石盒子組、下石盒子組。河流沉積體系包含邊灘、河床滯留、天然堤、河漫沼澤、決口扇、河漫灘和河漫湖泊等沉積微相（圖4）。湖泊沉積體系包含淺湖和濱湖等沉積微相。運用沉積學理論分析，在張灣勘探研究區內，上石盒子組、下石盒子組河道的沉積砂體，沒有較好的連續性，由此可得出結論，區內河流沉積體系中的砂體，不是理想的煤成氣儲集體。

圖4 菏澤地區張集勘探區ZK3-1井河床滯留沉積

2.5 菏澤地區晚古生代含煤地層沉積環境演化

運用沉積學理論分析了巨野煤田早二疊世的沉積特征之后，把菏澤地區晚古生代含煤地層的沉積環境確認為五個演化過程：

第一過程：水下三角洲平原的沉積過程。在晚石炭世的末期，該地區由于受河流作用的影響，進而水下三角洲平原出現，而在距三角洲較遠的邊緣地帶，依然存在淺海碳酸鹽沉積。水下三角洲的邊緣，由于不斷加強的潮汐作用和填積作用，部分區域有邊緣三角洲潮汐平原出現，在適宜的環境下，就會發育成泥炭沼澤。在這一過程中，多以河流作用為主，同時也受作用于潮汐，從而就會形成水下三角洲平原沉積。

第二過程：邊緣三角洲潮汐平原演化過程。以發育較好的水下三角洲平原為依托，一方面填積作用不斷地加強，另一方面由于三角洲朵體的擺動，在潮汐作用的影響下，邊緣三角洲潮汐平原進而出現，形成潮坪沉積組合。潮汐在這個過程中，不僅有填積作用而且進一步改造了早期的水下三角洲平原的沉積物，從而該地區古地形漸漸地向準平原演變，這也成為后期出現大面積泥炭沼澤的基底。

第三過程：邊緣三角洲沼澤平原演化過程。在潮汐的填積作用和改造作用共同影響下，研究范圍內，高潮線周邊隨著時間推移，開始出現沼澤、泥炭沼澤，進而發育了穩定的三煤，其厚度可達10.5m，其硫分含量低。形成泥炭沼澤的過程中，三角洲朵體在中晚期開始自東向研究區內遷移，聚煤作用受到分流河道的影響，同時洪泛作用、決口扇作用、溢岸作用，也給予三煤一定的沖刷作用，導致其分散。

第四過程：下三角洲發育過程。發育了三煤，三角洲朵體仍自東向西遷移，轉入下三角洲平原演化過程，完成分流河道沉積進而生成S2砂體。在分流間灣濕地，因聚煤作用發生的速度較快，導致發育而來的二煤不穩定，厚度為0.2～0.8m，偏薄，灰分含量大。

第五過程：上三角洲平原演化過程。發育了二煤，三角洲朵體并未停止遷移，進而轉入上三角洲平原演化過程，高潮線上部逐漸出現決口扇、分流河道、天然堤及泛濫盆地。因該研究區是淺水三角洲體系，演化過程中進展很快，往上逐漸被沖積平原取代。

3 結論

菏澤地區晚古生代含煤系地層，可劃分為4種主要沉積體系：潮坪沉積體系，障壁-瀉湖沉積體系常見于本溪組、太原組，河控淺水型三角洲常見于山西組，河流-湖泊復合沉積體系常見于上、下石盒子組。

通過對沉積特征的分析，認為菏澤地區晚古生代含煤地層沉積環境有五個演化過程，分別為：水下三角洲平原沉積過程、邊緣三角洲潮汐平原演化過程、邊緣三角洲沼澤平原演化過程、下三角洲發育過程、上三角洲平原演化過程。