伊寧凹陷侏羅系含煤巖系層序地層及聚煤規律

吳 員,李 璽 ,王 剛

(1.新疆煤炭綜合勘查院,烏魯木齊 830009;2.新疆煤田地質局煤層氣研究與發展中心,烏魯木齊 830009)

層序地層學能提供年代地層對比框架,有助于恢復古地理面貌和相關沉積礦產預測。近年來,很多學者嘗試將其引入陸相盆地的地層研究,尤其是在我國陸相斷陷湖盆的煤田地質領域,層序地層研究為地層對比提供精確的界面,提高煤層賦存規律及找煤遠景評價的精度,有利于煤層開發預測。伊犁盆地是西天山褶皺帶中的一個構造殘留盆地,伊寧凹陷是其最大的一個二級構造單元[1],盆地內煤炭、油氣及鈾礦等資源十分豐富,吸引國內學者的高度注意[2-8]。本文將針對伊寧盆地的侏羅系含煤地層,利用鉆孔、地震、測井等資料進行分析,研究該盆地含煤巖系的層序地層格架,并探討該區內含煤地層的聚煤規律。

1 地質背景

伊寧凹陷位于新疆伊寧市境內,北以博羅霍洛山為界,南以阿拉格爾山為界,東起野馬渡,西止中俄邊界霍爾果斯河,平面上呈三角展布,面積8 000 km2。凹陷基底受北天山的強烈的造山運動,其形態為北深南淺,成箕狀,盆地基底主要由中上元古界、古生界以及海西期中酸性花崗巖組成,蓋層主要由三疊系、侏羅系、白堊系、古近系、新近系和第四系構成。

含煤巖系為一套陸源碎屑沉積,主要分布于喀什河流域,包括八道灣組、三工河組及西山窯組,厚度約1 700 m;八道灣組和西山窯組是該凹陷主要含煤地層,在凹陷南北緣山前溝谷地帶零星出露,其它地區新生界覆蓋。受控盆地基底構造形態,八道灣組盆地南北緣巖相差異明顯,主要由暗色粉砂巖、泥巖和煤及礫巖層組成。北緣主要形成于濱-淺湖環境沉積體系,南緣則以沖積扇沉積為主;三工河組下部由含礫粗砂巖、淺色砂巖、泥巖及煤層組成,以辨狀河沉積為主;西山窯組主要由泥巖、粉砂巖、砂巖夾煤層組成,以三角洲平原沉積為主。

2 中下侏羅統層序地層格架

通過資料分析,參考前人劃分方案[3-4],共識別4個三級層序,并相應劃分了體系域。其中,層序Ⅰ相當于八道灣下段,層序Ⅱ相當于八道灣上段,層序Ⅲ相當于三工河組,層序Ⅳ則相當于西山窯組,下面分述其特點。

2.1 層序Ⅰ

根據巖性組合及測井曲線特征,將八道灣組中部的一套礫巖、粗砂巖的底部作為年代地層界面,將八道灣組分為上、下兩段,層序Ⅰ相當于八道灣組下段。層序的底界面為一區域不整合面,與三疊系地層不整合接觸,巖性突變,界面之下為一套深色泥巖,界面之上為辨狀河粗砂巖,層序Ⅰ界面即為八道灣組上下段分界面,其巖性為一套河道滯留沉積底礫巖。該層序發育湖擴體系域(EST)和高位體系域(HST),在層序中可將這套巖性中最厚的一套深色泥巖的底界面作為最大湖泛面。該層序巖性組合為下部灰粗粒的淺灰色河流相砂巖過渡到上部細粒深色沼澤相泥巖和粉砂質泥巖、碳質泥巖和煤層,總體為下粗上細的正旋回,南北巖相變化較大,北部為濱-淺湖沉積,南緣則為沖積相。總體上,該層序由南向北有逐漸增厚趨勢。

2.2 層序Ⅱ

層序Ⅱ相當于八道灣組上段,上界面為三工河組底界,沉積厚層深灰色泥巖和薄層淺白色粗砂巖,淺灰色粉砂巖泥沙比較大。底界為八道灣組上下段巖性突變分界處,為河道底部沖刷面,發育低位體系域、湖擴體系域和高位體系域,河道沙礫巖上的泥巖、粉砂巖為初始湖泛面,具有向上反旋回倒粒序。在向上變深序列中,較厚粉砂巖、泥巖為最大湖泛面,為湖水大規模的擴張,物源供給相對緩慢時沉積,可見較厚細粒沉積,湖擴體系域早期主要發育三角洲前緣,晚期則主要是湖泊沉積。

2.3 層序Ⅲ

層序Ⅲ相當于三工河組,沉積深灰色泥巖、粉砂質泥巖、細砂巖及淺白色粗砂巖。層序底界即為八道灣組的頂界面,為一套細粒粉砂巖沉積,發育湖擴體系域和高位體系域,可將最大湖泛面劃分在由下向上的第一套深色且厚的泥巖底界面處,頂界面為西山窯組底界面,是一套河流滯留沉積,高位體系域是由向上變粗的深色泥巖,淺色砂巖交替出現組成,沉積亞環境為三角洲沉積前緣,層序整個沉積環境為三角洲沉積環境。

2.4 層序Ⅳ

層序Ⅳ為西山窯組,底界與層序Ⅲ泥巖整合接觸,頂界與頭屯河組整合接觸,發育湖擴體系域和高位體系域,最大湖泛面位于向上變粗的最厚一套泥巖位置,湖擴體系域為淺灰色粗砂巖、深灰色泥巖和煤,高位體系域由灰色塊狀砂巖、含礫砂巖及深灰色泥巖以及黑色煤組成。在層序Ⅳ沉積時期,基準面下降,湖區逐漸發生萎縮,坡降比小,陸上的物源供給充足,在凹陷內延伸遠,范圍廣,使大面積湖區淤塞、變淺、沼澤化,發育有分流河道砂巖和湖相泥巖。

3 聚煤作用及控煤因素分析

煤層是泥炭在適宜的氣候、海(湖)平面、沉積古地理和構造條件下不斷聚集的產物,可歸納為構造演化、沉積環境的演化和海平面變化的差異造成,下面就這三個方面來概括研究區內聚煤作用。

3.1 盆地的構造演化對聚煤作用的控制

伊寧凹陷主要形成于石炭-二疊紀[5],主要是由北天山造山帶向南緣盆地逆沖斷裂,南側是有恰普恰勒山向凹陷朝北高角度的逆沖推覆斷裂,造成凹陷呈北深南淺的箕形,表明物源供給充足前期,凹陷內部主要發育沖積和洪積體系;橫向上,盆地邊緣沉積厚,朝盆地中心變薄,泥炭沼澤不發育,局部形成薄煤層或煤線;凹陷基底快速沉降初期,凹陷內部將持續存在和擴大湖區,物源供給充足情況下,含煤碎屑巖段增厚,具有可開采的工業煤層,但在濱-淺湖區,不含重要的煤層,如圖1所示。

圖1 伊寧凹陷中下侏羅統層序地層、沉積斷面圖Fig.1 Stratigraphic and sedimentary sections of the middle and lower Jurassic sequence in Yining Sag

3.2 沉積成環境對聚煤作用的控制

通過對八道灣組地層含沙率的統計,凹陷內部的物源供給主要來源為北天山和恰普恰勒山兩個方向,結合基底構造形式,在八道灣沉積時期時,凹陷的南側由于地勢較緩主要發育三角洲沉積體系,且延伸很遠,是凹陷內的主要的物源供給。

結合圖1和圖2(a)看,層序Ⅰ內有工業價值的煤層主要在北側,主要發育在三角洲前緣和三角洲平原上,部分在及濱-淺湖里;南側地勢較緩,且主要發育辨狀三角洲,物源持續供給,導致河流不停遷移,破壞前期沉積的泥炭和煤層,故南缺少有價值煤層;層序Ⅱ內大部分煤層主要發育在濱-淺湖中,煤層層數多,卻相對較薄,這是由于濱-淺湖區有利于泥炭堆積,但由于物源的進積破壞其穩定性,不利于厚煤層發育。在沉積層序Ⅲ時期,凹陷內的沉積中心逐漸被淤平、填滿。層序Ⅳ西山窯組地層沉積時期,地勢較平坦,凹陷內部發育辨狀河三角洲。對該組含沙率的統計圖2(b),北天山物源供給對凹陷內沉積影響最大,在凹陷內分布范圍廣,煤層主要發育在辨狀河平原上。層序Ⅰ、Ⅱ和層序Ⅳ的富煤區均發育在三角洲平原區,辨狀河平原區以及濱-淺湖區。總結煤層沉積環境可發現,煤層主要發育于可容納空間增加速率與泥炭堆積速率平衡時期,有利于煤層快速聚集發育。

圖2 含沙率等值線圖Fig.2 Sediment concentration contour map

3.3 湖平面變化對聚煤作用的影響

湖平面變化直接影響可容納空間,間接影響著沉積物和成因相的變化,對聚煤作用產生著重要的影響,湖平面變化受控于基底構造沉降和古氣候變化影響。湖平面上升期,沉積體不斷進積,沉積距離延伸較遠,河道不停分叉、遷移不利于泥炭的堆積,甚至有可能破壞前期沉積的泥炭堆積,致使煤層分叉或被削蝕,如層序Ⅰ中在南側發育的煤層;層序Ⅱ中沉積是在湖平面上升時期形成,有大范圍湖相沉積,利于煤層發育,且煤層數量多,但都難有較好的工業煤層出現;層序Ⅲ,三工河組沉積時期,是湖平面相對下降期,沖積作用越來越明顯,沉積物供給過快,砂體愈來愈多,不利于泥炭物質堆積,煤層發育相對少,僅薄煤層和煤線;層序Ⅳ,西山窯時期,沉積界面稍高于湖平面,主要為三角洲平原相,沉積物的供給速度明顯減緩,水體能量相對較弱,泥炭質物質才得以沉積,從圖2可以看到,北緣的砂體較多,煤層較薄,且發育不穩定,而南緣砂體較少,煤層相對較厚且穩定。

4 結論

1)伊寧凹陷中下侏羅統含煤巖系為河流-三角洲-湖泊沉積體系,共發育4個三級層序,分別對應八道灣組上、下段,三工河組和西山窯組。伊寧凹陷內層序Ⅰ、Ⅱ由南往北相變巨大,南緣主要沉積河流相,北緣則是湖相沉積為主;層序Ⅲ,Ⅳ則為三角洲沉積體系。

2)煤層穩定性與河流發育作用有關:泥炭沉積厚度大,砂巖厚度小時煤層很穩定且厚;砂體很厚,煤層穩定性較差,有分叉尖滅現象。淺湖、三角洲平原、間灣等地泥炭沉積厚度大有利于煤的形成,層序Ⅰ、Ⅱ和層序Ⅳ內的煤層均是在這種環境下發育的。