王海中,丁安明
(甘肅煤田地質(zhì)局一三三隊,甘肅白銀 730913)
甘肅省景泰盆地晚三疊世古地理環(huán)境及聚煤規(guī)律研究
王海中,丁安明
(甘肅煤田地質(zhì)局一三三隊,甘肅白銀 730913)
在甘肅省景泰盆地內(nèi)三疊系上統(tǒng)南營兒群(T3n)為一套巨厚的陸相碎屑巖沉積建造,極少形成具有工業(yè)價值的可采煤層,而近幾年在景泰盆地內(nèi)發(fā)現(xiàn)大量煤炭賦存,初步認(rèn)為成煤時代為晚三疊世,但對此盆地研究程度較低。通過對景泰盆地古地理環(huán)境及后期構(gòu)造的分析研究,將研究區(qū)內(nèi)的三疊系上統(tǒng)南營兒群(T3n)含煤巖系由下至上劃分為A、B、C、D四個巖性段,煤層主要賦存于煤系上部,即D、C、B三個巖性段;確定景泰盆地晚三疊世早期以河床相為主,中后期為淺湖相、堤岸亞相、河床相沼澤相及泥炭沼澤相的沉煤環(huán)境;盆地沉積從B→C→D段的過程中,成煤環(huán)境從B→C→D也逐漸變好,D段所含煤層最厚,含煤系數(shù)最大;確定景泰盆地內(nèi)煤層呈東西向帶狀分布,煤層主要分布于白巖子勘查區(qū)中部至郭家臺勘查區(qū)Ⅺ勘探線附近范圍內(nèi)。在郭家臺勘查區(qū)東部和白巖子勘查區(qū)的西部煤層含煤性最好;確定研究區(qū)為復(fù)式褶皺和斷裂并存的復(fù)雜構(gòu)造盆地。褶皺軸向與斷裂構(gòu)造線方向基本平行,近東西向平行展布,受褶皺構(gòu)造的影響,巖煤層傾角較大。
三疊系上統(tǒng)南營兒群(T3n)含煤地層;構(gòu)造;古地理背景;沉積環(huán)境;賦煤特征
景泰縣位于白銀市境西北端,東臨黃河,西接武威市,南鄰白銀市、蘭州市,北依寧夏回族自治區(qū)、內(nèi)蒙古自治區(qū)。景泰盆地位于景泰縣城西北邊,盆地東南部邊界與景泰縣城區(qū)相接,行政區(qū)劃屬景泰縣寺灘鄉(xiāng)管轄。景泰盆地北部為獵虎山,南部為老虎山,東西長40 km左右,南北寬3.0~8.0 km。郭家臺、白巖子及永泰川勘查區(qū)都位于景泰盆地內(nèi),這些勘查區(qū)已達到了普查-詳查階段,本文主要以郭家臺和白巖子勘查區(qū)資料為研究基礎(chǔ),研究景泰盆地內(nèi)主要含煤區(qū)(郭家臺和白巖子勘查區(qū)所在范圍)的沉積環(huán)境和聚煤規(guī)律。
1.1 構(gòu)造
研究區(qū)的大地構(gòu)造位置處于秦祁昆造山系北祁連褶皺帶內(nèi)(圖1)。區(qū)域構(gòu)造方向由NWW向、NW向漸轉(zhuǎn)為近SE、SEE向。在晚古生代末期,由于海西運動的影響形成巨型拗陷帶,并在拗陷帶內(nèi)沉積了巨厚的中生界。至中生代晚期,因印支運動影響,其內(nèi)部斷裂構(gòu)造相當(dāng)發(fā)育[1-2]。
圖1 區(qū)域構(gòu)造位置Figure 1 Regional tectonic setting
研究區(qū)總體是一向斜盆地,在此盆地內(nèi)發(fā)育了次級向背斜構(gòu)造,并伴有斷裂構(gòu)造,即形成為一不完整的緊密復(fù)式褶皺構(gòu)造,且沿褶皺軸部形成斷裂和位移的單斜構(gòu)造,地層傾角一般在45°以上。盆地總體形態(tài)為一向東西翹起中部凹陷,即白巖子勘查區(qū)自西向東逐漸翹起,郭家臺勘查區(qū)自東向西逐漸抬升,但保留了較完整的向、背斜構(gòu)造形態(tài)(圖2);盆地自北向南逐漸抬升,北部受F1斷層逆推,使盆地含煤地層抬升剝蝕[3,4]。
1.1.1 褶皺
研究區(qū)由復(fù)式褶皺和斷裂并存的復(fù)雜構(gòu)造格局所控制。褶皺軸向與斷裂構(gòu)造線方向基本平行,近東西向平行展布,褶皺在郭家臺勘查區(qū)Ⅴ-2線附近收緊,向西向東張開,平面呈“蝴蝶結(jié)”形態(tài)。受褶皺構(gòu)造的影響,巖煤層傾角較大。復(fù)式褶皺主要由三個向斜和兩個背斜組成[5],南北兩側(cè)褶皺緊閉。
1.1.2 斷層
受南北向地質(zhì)應(yīng)力的強力擠壓,研究區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造比較發(fā)育,斷裂性質(zhì)以走向逆斷層為主,其延伸方向由SWW—NEE逐漸折向NE,傾向北[2,4]。研究區(qū)內(nèi)及附近主要斷層9條,其中6條逆斷層,3條平移斷層,其中大于1000 m的大型斷層3條。
圖2 景泰盆地構(gòu)造綱要圖Figure 2 Structural outline map of Jingtai Basin
1.2 含煤地層
研究區(qū)地層屬華北地層大區(qū),秦祁昆地層區(qū),祁連-北秦嶺地層分區(qū),北祁連地層小區(qū)東南部。
根據(jù)研究區(qū)內(nèi)的白巖子勘查區(qū)發(fā)現(xiàn)的新蘆木Neocalamites植物化石(圖3)及白巖子和郭家臺勘查區(qū)巖石孢粉樣的鑒定結(jié)果[6],確定研究區(qū)含煤地層為上三疊統(tǒng)南營兒群(T3n),下伏地層為中下三疊統(tǒng)西大溝群(T1-2xd)。
按煤巖組合特征該地層自下至上劃分為A、B、C、D四個巖性段(圖4),地層總平均厚度大于2 000 m[3]。
圖3 地層綜合柱狀Figure 3 Comprehensive stratigraphic column
2.1 沉積期構(gòu)造古地理背景
景泰盆地位于柴達木-華北板塊之祁連早古生代造山帶的北祁連晚元古-早古生代海溝系內(nèi)[8],地層區(qū)劃屬華北地層大區(qū)秦祁昆地層區(qū),祁連-北秦嶺地層分區(qū),北祁連地層小區(qū)。
圖4 鉆孔巖性圖Figure 4 Borehole lithologic diagram
古生代受加里東期運動的影響,景泰南北隆起褶皺成山系,中部相應(yīng)成拗陷帶,中奧陶世末期景泰盆地基本形成?,F(xiàn)存的北部獵虎山和南部老虎山正是加里東期造山運動的產(chǎn)物。至晚二疊世晚期,地區(qū)進入構(gòu)造格局的重要轉(zhuǎn)型期,該時期發(fā)生的印支運動使地區(qū)構(gòu)造活動加劇,不僅造成了區(qū)域上的構(gòu)造變形,而且對區(qū)域上的沉積作用產(chǎn)生了重要影響。此時華北地塊整體抬升,海水完全退出,景泰地區(qū)也相應(yīng)進入陸相沉積發(fā)展階段,同時受印支運動的影響,景泰早期山系受南北地質(zhì)應(yīng)力的拉伸作用,景泰盆地中部逐漸下沉[6]。景泰盆地向斜,即干柴洼向斜正是印支運動的結(jié)果。但此褶皺屬“蓋層褶皺”,它的發(fā)育受加里東期運動而形成的基底構(gòu)造和形態(tài)的很大影響。早、中三疊世是景泰盆地處于相對穩(wěn)定期,古氣候為炎熱、干旱、少雨,盆地內(nèi)存水極少,大部分處于蒸發(fā)狀態(tài),此時盆地內(nèi)沉積了巨厚的紅色、紫紅色含石膏的陸相碎屑巖,厚度達1 000 m以上。早、中三疊世末期,古氣候由干旱、炎熱逐漸向溫暖潮濕過渡,晚三疊世末期大量植物興盛,為煤炭堆積準(zhǔn)備了物質(zhì)條件。
2.2 沉積環(huán)境
景泰盆地早、中三疊世早期受區(qū)域干旱、炎熱氣候的控制,降雨量稀少,蒸發(fā)量遠大于降雨量,如白巖子井田104鉆孔及郭家臺323、306鉆孔中的巖性,主要為灰綠色粉砂巖、灰綠色與紫紅色及雜色泥質(zhì)粉砂巖,紫紅色泥巖,灰綠色中粗粒砂巖、淺紅色粗粒砂巖,灰白色中粒及粗粒砂巖,塊狀,局部顯水平層理,裂隙中充填石膏,中細粒砂巖多為薄層狀或透鏡狀,是以河湖相的碎屑巖沉積建造[9];早、中三疊世晚期古氣候由干旱、炎熱逐漸向溫暖潮濕過渡,雨量增多,但地殼處于相對上升階段,水系發(fā)育,主要水系受古地理的影響,由北向南、由西向東流動,且搬運能力強大,陸源碎屑物質(zhì)顆粒較粗,此時沉積了一套巨厚層的灰藍色、灰綠色夾淺紅色、紫紅色,紫紅和藍灰、灰綠夾雜的砂礫巖、含礫粗粒砂巖(圖4)。
晚三疊世古氣候變得越來越潮濕,但湖盆地升降速度變化較快,不利于植物生長,煤系下部的巖相旋廻變化明顯,從河流相的灰白色、淺灰色中粗粒砂巖開始,湖泊相的灰黑色、深灰色粉砂巖、泥巖結(jié)束,不含植物化石或含植物化石碎屑。晚三疊世中后期,短期的地殼振蕩上升和下降中仍很活躍,湖盆內(nèi)覆水較淺的地段,湖沼、沼澤及泥炭沼澤環(huán)境較發(fā)育,尤其是泥炭沼澤環(huán)境下有利于植物的生長、死亡與堆積,形成了薄層的、透鏡狀的煤層,如郭家臺勘查區(qū)B、C組煤。晚三疊世末期,地殼處于穩(wěn)定期,其上升與下降的頻率甚小,湖盆邊緣地帶次一級小凹陷,覆水較淺,植物生長繁茂,持續(xù)時間長,堆積了大量的泥炭,泥炭的堆積速度與地殼的沉降速度相一致,有利于泥炭堆積保存,隨著盆地的沉降,泥炭被泥沙所覆蓋,由于盆地沉降緩慢,水動力較弱,上覆蓋層以粉砂、泥質(zhì)為主,泥質(zhì)顆粒對水中陽離子具有很強的吸附作用,煤層以上的泥質(zhì)巖類中往往夾有鋁土質(zhì)泥巖(圖5),還有較多的菱鐵質(zhì)泥巖薄層及結(jié)核(圖6),郭家臺勘查區(qū)D組煤就是在這種條件形成的厚煤層和特厚煤層。
圖5 鉆孔鋁土質(zhì)泥巖Figure 5 Bauxitic mudstone in borehole
圖6 菱鐵質(zhì)泥巖薄層Figure 6 Sideritic mudstone thin beds
景泰盆地三疊系南營兒群(T3n),B、C、D段在郭家臺勘查區(qū)都被鉆探所揭露,但A段在盆地區(qū)內(nèi)沒有完全出露或鉆探揭露,而在盆地附近的福祿村出露有上三疊統(tǒng)南營兒群,相當(dāng)于盆地A巖性段。本次結(jié)合郭家臺勘查區(qū)鉆探資料及福祿村剖面對三疊系南營兒群(T3n)沉積環(huán)境進行分段分析。
2.2.1 A段沉積環(huán)境
據(jù)福祿村剖面[2],南營兒群A段上部巖性主要以灰色、深灰色粉砂巖、砂質(zhì)泥巖為主,次為灰色中、細粒砂巖、黑色砂質(zhì)泥巖、泥巖夾炭質(zhì)泥巖薄層及煤層,底部為不穩(wěn)定含礫粗粒砂巖。炭質(zhì)泥巖中有黃鐵礦結(jié)核(代表一般還原條件下的產(chǎn)物)[9],富含植物化石碎片;中部砂巖具交錯層理及分布不均勻泥質(zhì)團塊,所夾泥巖含植物化石;下部砂巖具斜層理。屬于河床相、淺水湖泊相及沼澤相沉積。據(jù)此反應(yīng)初研究區(qū)晚三疊世早期,古氣候變得越來越潮濕,盆地以淺灰綠色、淺灰色中粗粒砂巖的河床相沉積開始,以湖相、沼澤相交替的沉積環(huán)境,但巖相旋廻變化明顯,湖盆地升降速度較快,不利于植物生長。
2.2.2 B段沉積環(huán)境
南營兒群B段夾多層煤層、菱鐵質(zhì)泥巖薄層及條帶,局部夾透鏡狀、豆?fàn)盍忤F質(zhì)結(jié)核,顯水平層理及緩波狀層理較發(fā)育。菱鐵質(zhì)結(jié)核;水平層理及緩波狀層理的發(fā)育,說明當(dāng)時沉積環(huán)境為弱還原條件的淺水湖泊相沉積環(huán)境。
盆地南營兒群B段自下而上,由粗到細;由河床相→堤岸亞相、河漫灘相→湖泊相→沼澤相、泥炭沼澤的順序交替沉積(圖7)。盆地內(nèi)B段主要發(fā)育河床相、淺水湖泊相及堤岸亞相,其次為河漫灘相、沼澤相及泥炭沼澤相。河漫灘相呈透鏡狀,其余巖相呈帶狀或條帶狀出現(xiàn)。盆地B段底部主要為河床相及堤岸亞相,隨著盆地的不斷沉積,湖泊相及沼澤相也有所增加,這反映出隨著B段的不斷沉積,其成煤環(huán)境越來越好。
煤層主要以帶狀分布于淺湖相或沼澤相帶內(nèi),下部一般為河床相沉積。煤層頂?shù)装宥紴闇\湖相或沼澤相沉積環(huán)境,煤層以上的泥質(zhì)巖類中往往夾有鋁土質(zhì)泥巖,還有較多的菱鐵質(zhì)泥巖薄層及結(jié)核。
總體上,地層由A段到B段沉積的過程中盆地震蕩上升,盆地水體變淺,同時被河床相的中粗粒砂巖不斷填充沉積。后盆地基底發(fā)生震蕩沉降,盆地內(nèi)水體增多,植物大量生長。當(dāng)有機物質(zhì)供給速率與沉降速率達到平衡時,發(fā)育了廣泛分布的泥炭沼澤,形成煤層。直至盆地又發(fā)生震蕩上升,打破了聚煤環(huán)境,開始新一輪的由河床相→堤岸亞相、河漫灘相→湖泊相→沼澤相、泥炭沼澤順序的沉積旋廻。
2.2.3 C段沉積環(huán)境
南營兒群C段巖性為厚層狀淺灰色、灰白色中粗粒砂巖,含黃鐵礦結(jié)核,局部鈣質(zhì)膠結(jié),致密堅硬;黑灰色粉砂巖、黑色泥巖夾菱鐵質(zhì)泥巖條帶、煤線及可采煤層,泥巖中含有較豐富的炭化植物化石碎片,水平層理及緩波狀層理較發(fā)育,這也說明當(dāng)時沉積環(huán)境為弱還原條件的淺水湖泊相沉積環(huán)境。
盆地南營兒群C段巖性巖相大致自下而上,由粗到細;由河床相→堤岸亞相、河漫灘相→湖泊相→沼澤相、泥炭沼澤的順序交替沉積,據(jù)此說明該段沉積過程中,地殼活動頻繁,引起湖面反復(fù)升降而導(dǎo)致沉積環(huán)境在平面的反復(fù)更替。主要發(fā)育河床相、淺水湖泊相,其次為堤岸亞相、河漫灘相、沼澤相及泥炭沼澤相,巖相呈帶狀或條帶狀。盆地C段底部主要為河床相及堤岸亞相,隨著盆地的不斷沉積,湖泊相及沼澤相也不斷增加,這反映出隨著C段的上部成煤環(huán)境優(yōu)于下部地層。
圖7 B段巖性巖相圖Figure 7 Lithologic and lithofacies map of B sector
總體上,C段沉積環(huán)境和巖相沉積順序與B段大致相同,即地層由B到C沉積的過程中盆地震蕩上升,盆地水體變淺,同時被河床相的中粗粒砂巖不斷填充沉積。后盆地基底發(fā)生震蕩沉降,盆地內(nèi)水體增多,植物大量生長。當(dāng)有機物質(zhì)供給速率與沉降速率達到平衡時,發(fā)育了廣泛分布的泥炭沼澤,形成煤層。直至直到盆地又發(fā)生震蕩上升,打破了聚煤環(huán)境,開始新一輪的由河床相→堤岸亞相、河漫灘相→湖泊相→沼澤相、泥炭沼澤順序的沉積旋廻。但是,C段內(nèi)淺水湖泊相的成煤環(huán)境要多于B段;煤層厚度,可采煤層層數(shù)及含煤系數(shù)均大于B段,所以C段成煤環(huán)境好于B段。
2.2.4 D段沉積環(huán)境
南營兒群D段在郭家臺勘查區(qū)Ⅳ線以東賦存較全,Ⅳ以西漸被剝蝕。該段地層層位較穩(wěn)定,厚度216.74~595.32 m,平均厚度372.07 m。該段巖性以灰色、深灰色粉砂巖、砂質(zhì)泥巖為主,次為淺灰色中粗粒砂巖、灰色細粒砂巖、灰黑色砂質(zhì)泥巖、泥巖夾炭質(zhì)泥巖薄層及煤層。泥巖及粉砂巖中含有較豐富的炭化植物化石化石碎屑,水平層理及緩波狀層理較發(fā)育,代表了湖泊相沉積環(huán)境的特征。
盆地南營兒群D段巖性巖相旋廻比較清楚,大致自下而上由粗到細;由河床相、堤岸亞相→湖泊相→沼澤相、泥炭沼澤的順序交替沉積,據(jù)此說明該段地層沉積過程中,地殼活動頻繁,引起湖面反復(fù)升降而導(dǎo)致沉積環(huán)境在平面的反復(fù)更替。盆地內(nèi)D段主要發(fā)育淺湖相、堤岸亞相及河床相,其次為沼澤相及泥炭沼澤相。盆地D段下部主要為河床相及堤岸亞相,隨著盆地的不斷沉積,湖泊相、沼澤相及泥炭沼澤相也有所增加,尤其是上部煤層厚度明顯大于下部,這反映出隨著D段的不斷沉積,其成煤環(huán)境越來越好。另外,D段中每個巖相旋廻厚度、淺湖相及沼澤相都要大于C段,由此說明D段沉積過程中,地殼活動持續(xù),引起湖面反復(fù)升降而導(dǎo)致沉積環(huán)境在平面的反復(fù)更替,但是該段沉積環(huán)境反復(fù)更替的頻率要小于C兩段,其成煤環(huán)境也優(yōu)于C兩段地層。
晚三疊世景泰盆地經(jīng)歷了4個大的沉積旋廻,每個大的旋廻中又有很多小的旋廻,反映出當(dāng)時地殼活動比較頻繁、持續(xù),引起湖面反復(fù)升降而導(dǎo)致沉積環(huán)境在平面的反復(fù)更替。但是盆地由A→B→C→D的沉積過程中每個巖相旋廻厚度,尤其是淺湖相及沼澤相都逐漸增大;煤層厚度、煤層層數(shù)及含煤系數(shù)也相應(yīng)增大,這反映出晚三疊世盆地在震蕩中不斷沉積,但震蕩頻率越來越小,成煤環(huán)境越來越好。
2.3 聚煤特征
研究區(qū)煤層呈東西向帶狀分布,煤層分布范圍東起白巖子勘查區(qū)中部,西至郭家臺勘查區(qū)Ⅹ勘探線以西,北以斷層F1或煤層露頭為界,南部以F2斷層下盤煤層露頭為界。煤層賦存范圍東西長約18.70km,南北寬0.40~2.10 km,煤層賦存面積約23.60 km2(圖8),具體含煤性詳見表1。
表1 研究區(qū)煤系地層含煤情況一覽表Table 1 Data sheet of study area coal measures strata coal-bearing situations
圖8 研究區(qū)煤層賦存情況示意圖Figure 8 A schematic diagram of study area coal seam hosting
在研究區(qū)內(nèi)南營兒群(T3n)A段局部夾煤線或不含煤,其余各段地層從白巖子勘查區(qū)中部至Ⅺ勘查線均有可采煤層沉積,地層自東向西隨著基底的隆起,煤層也自東向西,由上到下逐漸被剝蝕(圖9)。
煤層從下到上厚度由薄變厚,其中下部的B組煤分布面積最大、厚度較小,上部的D組煤分布面積最小,厚度較大。三個含煤段平均層間距變化不大,平面上煤層分布基本呈東西向條帶狀,煤層主要聚集在郭家臺勘查區(qū)東部及白巖子勘查區(qū)西部區(qū)域。
①景泰盆地自早中三疊世到晚三疊世,古氣候由干旱、炎熱逐漸向溫暖、潮濕過渡,到晚三疊世末期大量植物興盛。
②盆地晚三疊世含煤煤系由下至上劃分為A、B、C、D四個巖性段,煤層主要賦存于煤系上部,即D、C、B三個巖性段。晚三疊世早期(A段)以河床相為主,之后(南營兒群B、C、D段)以淺湖相、堤岸亞相及河床相為主,其次為沼澤相及泥炭沼澤相。盆地沉積從B→C→D段的過程中,成煤環(huán)境從B→C→D也逐漸變好,D段所含煤層最厚,含煤系數(shù)最大。
③盆地內(nèi)煤層呈東西向帶狀分布,煤層主要分布于白巖子勘查區(qū)中部至郭家臺勘查區(qū)Ⅺ勘探線附近范圍內(nèi)。在郭家臺勘查區(qū)東部和白巖子勘查區(qū)的西部煤層含煤性最好。
④確定研究區(qū)為復(fù)式褶皺和斷裂并存的復(fù)雜構(gòu)造盆地,褶皺軸向與斷裂構(gòu)造線方向基本平行,近東西向平行展布。受南北向地質(zhì)應(yīng)力的強力擠壓,區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造比較發(fā)育,斷裂性質(zhì)以走向逆斷層為主,由于逆沖斷層的推覆作用,使復(fù)式向斜兩翼地層和煤層成迭瓦狀分布;受褶皺構(gòu)造的影響,巖煤層傾角較大。
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Study on Late Triassic Paleogeographical Environment and Coal Accumulation Pattern in Jingtai Basin,Gansu Province
Wang Haizhong,Ding Anming
(No.133 Exploration Team,Gansu Bureau of Coal Geological Exploration,Baiyin,Gansu 730913)
The upper Triassic Nanyinger Group(T3n)in the area is a set of very thick terrigenous clastic sedimentary formation,rarely formed industrial value mineable coal seams.But during recent years,substantial coal resources have been found in the Jingtai Basin, and tentatively determined the coal-forming age is Late Triassic Epoch,but research degree is low.Through analytic study of paleogeo?graphical environment and subsequent structures in the basin,partitioned the Nanyinger Group coal-bearing rock series into D,C,B and A four lithologic sectors from top to bottom.Coal seams are mainly hosted in D,C and B three sectors.During the early Late Trias?sic Epoch deposited mainly channel facies;middle and late stages mainly shallow lacustrine facies,levee subfacies,channel facies, swamp facies and peat bog facies coal-forming environments.During the basin sedimentary process from B→C→D,coal-forming envi?ronment become gradually better;D sector contains thickest coal seams with largest coal-bearing coefficient.Coal seams in the basin present EW zonal distribution,mainly distributed in the range from the middle Baiyanzi exploration area to XI line nearby in the Guoji?atai exploration area.Best coal-bearing property coal seams are in the eastern Guojiatai exploration area and western Baiyanzi explora?tion area.The study area is determined as a complex structural basin with coexistence of compound folds and faults.Fold axial and fault structural lineament are basically parallel,extending near EW;impacted by folded structures,dip angles of strata and coal seams are rather large.
upper Triassic Nanyinger Group(T3n);coal-bearing strata;structure;paleogeographical background;sedimentary environ?ment;coal hosting features
P618.11
A
10.3969/j.issn.1674-1803.2016.12.03
1674-1803(2016)12-0014-07
王海中(1984—),男,甘肅臨夏人,工程師,從事地質(zhì)勘查工作。
2016-08-29
責(zé)任編輯:宋博輦