沁水盆地東北部太原組巖相古地理演化特征分析

張 野，高 迪

（河南理工大學 資源環境學院，河南 焦作 454003）

沁水盆地位于山西省東南部，為中生代末形成的構造盆地，主要的含煤地層有太原組、山西組和本溪組等。前人曾對沁水盆地不同區域的沉積環境進行研究，并有部分學者在含煤巖系沉積環境研究的基礎上，分析了其對煤層氣儲層特征的影響。然而，因沁水盆地西北及東南方向煤炭勘探開發程度高，以往的研究大多集中在這兩個區域，而對其東北部所做工作不多，對該區域的巖相古地理演化研究較少[1-4]。

本研究主要基于沁水盆地東北部部分鉆孔巖心數據，識別出主要的沉積體系及多種沉積亞環境類型，對含煤地層沉積相的垂向和平面展布特征進行分析，重建了沁水盆地在晚古生代石炭——二疊紀主要含煤地層太原組的巖相古地理格局，歸納出區域沉積環境的演化過程，指出了有利于聚煤作用發生的場所，對尋找和開發煤炭等沉積礦產資源具有重要的指導意義。

1 區域地質背景

沁水盆地位于山西省東南部，自古元古代山西陸臺形成，該盆地東西長約120.0 km，南北長約330.0 km，面積約 30 000.0 km2。研究區地處沁水盆地東北部，在陽泉——昔陽一帶，東西長約9.4 km，南北長約18.0 km，面積約169.2 km2，海拔約1.1 km，屬太行山系。沁水盆地構造綱要及鉆孔分布如圖1所示。

圖1 沁水盆地構造綱要及鉆孔分布

沁水盆地位于華北克生拉通中部的東南側，構造形態總體上呈NNE延伸的復式向斜構造，軸線大致位于陽泉——沁縣——沁水一線，主要受晚古生代成煤期之后近水平擠壓作用形成，盆地東臨太行山隆起，南接秦嶺——大別造山帶，西為呂梁山隆起，北依五臺山隆起。在華北板塊構造運動的控制作用下，沁水盆地構造演化先后經歷了華力西期、印支期、燕山期和喜山期。沁水盆地主要發育的含煤地層為本溪組、太原組和山西組。從太原組底部向上到山西組頂部K8砂巖，主要包括以下標志層：晉祠砂巖（K1）、廟溝灰巖（K2）、毛兒溝灰巖（K3）、斜道灰巖（K4）、東大窯灰巖（K5）、砂巖（K6）、北岔溝砂巖（K7）、1#～15#煤層等。

2 含煤地層沉積學特征

基于西山煤田鉆孔巖心數據，識別出該區石炭——二疊系太原組的巖石類型。根據巖性組合、沉積構造和古生物化石等特征，解釋沉積環境，劃分沉積體系。

2.1 巖石類型

主要巖相類型為砂巖、粉砂巖、泥巖、灰巖、鐵礦和煤。

2.2 沉積體系

以野外踏勘的數據采集、鉆孔的數據分析、巖石類型的統計描述和沉積環境初步分析為基礎，結合研究區巖性在垂向上的組合關系，識別出的主要沉積體系如下。

2.2.1 潟湖——潮坪——障壁島

潟湖是以障壁砂壩為屏障，與濱海隔絕或半隔絕的水流不暢通淺水環境，分布多變，以細粒陸源物質和化學沉積物質為主，環境比較安靜，水動力能量較弱。本研究區內以泥巖和砂質泥巖為主，水平層理發育。研究區障壁島巖性以細粒砂巖、粉砂巖和中粒砂巖為主，分選磨圓較高，可見平行層理。潮坪相主要發育在具有明顯潮汐周期且波浪能量低的平緩傾斜的海岸地區，沉積物粒度偏細，分選較好。巖性以砂質泥巖、細粒砂巖及煤為主，砂質泥巖為灰黑色，含塊狀黃鐵礦，分選磨圓中等；細粒砂巖為灰色，成分以長石為主，石英次之，分選磨圓差，部分地層含菱鐵礦、黃鐵礦結核；煤層為半亮型黑色塊狀煤，似金屬光澤。

2.2.2 濱外陸棚

濱外陸棚的淺海環境有利于灰巖的形成，封閉的地理環境加上干燥的氣候，水的蒸發量超過補給量，所以在太原組發育多層灰巖，其中巖性以灰色石灰巖為主，質純，含大量方解石，富含黃鐵礦星點及動物化石碎片。障壁砂壩、潟湖及其周圍的潮坪等沉積相組成障壁海岸沉積，含煤巖系中除發育潮坪、潟湖、障壁砂壩外，還發育了濱外泥質陸棚和濱外碳酸鹽巖陸棚等沉積相類型，共同構成了障壁——潟湖沉積體系。

2.2.3 三角洲平原分流間灣和分流河道

太原組三角洲相主要由分流間灣組成，分流間灣巖性以粉砂巖、泥巖、砂質泥巖及煤層為主，含少量植物碎屑，可見水平層理。分流河道巖性以細粒砂巖為主。

2.2.4 沼澤

研究區內多為間灣半咸水閉流的泥炭沼澤，巖性以砂質泥巖和煤層為主，部分含菱鐵礦、黃鐵礦結核；煤層為黑色塊狀煤，裂隙發育，似金屬光澤。

2.3 沉積相的垂向疊置

結合圖1所示的鉆孔位置分布，選取166號鉆孔作為標準井，繪制西山煤田石炭——二疊紀含煤地層沉積相柱狀圖（見圖2）。

圖2 沁水盆地東北部太原組166號鉆井地層沉積柱狀圖

2.4 沉積相的水平展布

從沁水盆地東北部太原組南北向連井對比圖（見圖3）上看，太原組從北向南整體先變薄，后逐漸增厚，下段從北向南障壁島砂體逐漸變薄。潮坪——澙湖相地層逐漸增厚，全區發育可采的15#煤，中部灰巖段發育全區穩定的濱外陸棚相K2、K3、K4灰巖，自北向南灰巖厚度呈現先增厚后減薄的趨勢，與太原組整體厚度規律一致；從垂相上看，自下而上3層灰巖逐漸減薄，表明海水進退速率加快，3層穩定連續的灰巖也說明了太原組更接近濱海的沉積環境；上部碎屑巖段自北向南煤層逐漸尖滅合并，障壁——澙湖相逐漸增強。

圖3 沁水盆地東北部太原組南北向連井對比

3 太原組巖相古地理格局重建

本次巖相古地理作圖采用單因素分析多因素綜合作圖法，該方法由馮增昭[5]先生提出并得到了廣泛應用。沁水盆地東北部太原組參數等值線及巖相古地理如圖4所示。

圖4 沁水盆地東北部太原組參數等值線及巖相古地理

沁水盆地東北部太原組為一套過渡相碎屑巖沉積，發育了典型的灰巖標志層。太原組地層最大值在研究區最南部中心和東南角附近，地層最厚達163.00 m，往研究區中心去，地層逐漸變薄，西北部分地區厚度超過115.00 m，最大超過120.00 m，而研究區北部中心位置的地層最薄，這表明盆地的沉降中心位于研究區南部。平面上灰巖厚度高值區位于研究區的西北和東南位置，向研究區中心及北部逐漸變薄，灰巖最厚的位置表明研究區海侵主要來自西北和東南方向。太原組砂泥比值較高，總體變化在0.03～1.63，平均為0.57，在研究區的東南部最高值達1.63，結合砂泥比和砂巖厚度可以看出物源方向為研究區東部。太原組砂巖厚度變化在3.00～70.00 m，平均值為33.00 m，砂巖厚度最大區域在研究區最南部、東部偏下和西北角，地層最厚達到70.00 m。太原組煤層厚度變化在12.49～1.13 m不等，平均值在7.34 m左右，厚度最大的區域分布在研究區的東北部和東部中心位置。

沁水盆地東北部地區發生了區域性海退，海水沿潮道逐漸向西北和西南方向退去，換句話說，來自西面的海侵程度明顯降低。以灰色-灰黑色厚層砂質泥巖及煤層為主的相沉積和以灰白色厚層細粒砂巖為主的障壁島相沉積，均是海退作用下的產物，共同構成了碳酸鹽巖臺地障壁島——澙湖——潮坪沉積體系。煤層的發育往往受到很多地質條件的制約，最重要的是基底沉降和沉積環境。構造活動的強弱、頻率以及巖相古地理條件、古地貌、古植被、古氣候、泥炭沼澤類型和沼澤中的水體深度、地球化學條件等因素共同影響了成煤作用。因此，可以用砂泥比與煤層厚度的相關性對其加以反映。聚煤中心主要位于澙湖——潮坪和三角洲分流間灣等環境，沿海侵方向聚煤作用減弱。其中，障壁島阻止了海水的進一步入侵，導致水動力條件減弱，障壁島后地勢降低，水體深度增加，有利于泥炭沼澤和潮坪環境的發育，煤得以形成和保存。太原組沉積的后期，逐步由澙湖和濱淺海過渡為淺水三角洲。

4 結論

以沁水盆地東北部晚古生代含煤巖系為研究對象，結合鉆孔巖心數據，綜合分析了含煤地層沉積相的垂向疊置和平面展布特征，恢復了古地理格局，主要得到以下結論。

（1）沁水盆地東北部晚古生代含煤巖系識別出障壁——濱外陸棚和三角洲兩種沉積相，進一步將其劃分為障壁島、澙湖、潮坪、濱外陸棚（碳酸鹽巖臺地）、分流河道、分流間灣等6種亞相（微相）。

（2）研究區石炭——二疊紀的太原組垂向上呈現障壁島——潟湖——潮坪——濱外陸棚到三角洲沉積體系演化特征。太原組為一套海陸交互相沉積，早期以障壁——濱外陸棚沉積環境為主，到晚期逐漸過渡到三角洲平原沉積環境。

（3）從巖相古地理來看，太原組澙湖——潮坪占優勢古地理單元，太原組物源主要來自沁水盆地東部的古隆起高地，海侵來自盆地西北和西南方向，與該時期沁水盆地的整體海侵和物源方向不一致，這可能與盆地的次級隆起和凹陷分布有關。