豫东地区石炭—二叠纪含煤岩系层序—古地理与聚煤规律^*

Characteristics of sequence-palaeogeography and coal-accumulating models of the Permo-Carboniferous coal-bearing series in eastern Henan Province

摘要

豫东地区位于华北盆地南缘,是目前中国进行煤系气勘探开发的主要地区之一,石炭—二叠纪是其主要聚煤期。在对钻孔岩心、露头剖面及测井资料分析的基础上,建立了豫东地区石炭—二叠纪海陆过渡相含煤岩系的层序地层格架,将含煤岩系划分为3个三级层序。并结合地层厚度、石灰岩含量、泥岩厚度、砂泥比、煤层厚度等值线图,恢复了各层序的古地理图,主要的古地理单元有三角洲、潮汐沙坝、潮坪—潟湖和碳酸盐岩台地等,层序Ⅰ和层序Ⅱ煤层形成于潮坪—潟湖环境,层序Ⅲ煤层形成于三角洲平原环境以及潮坪—潟湖环境。豫东地区层序Ⅰ底部的0号煤层以及顶部的一₅煤层和层序Ⅲ的二₁煤层发育较好,0号煤层和一₅煤层形成于浅水陆棚淤浅而成的泥炭沼泽环境中,位于层序Ⅰ的初始海泛面附近和高位体系域末期,此时海平面上升速率慢,较慢的可容空间增长速率与较慢的泥炭聚集速率相平衡,形成厚煤层,层序Ⅰ时期0号煤层在柘城一带发育较好,一₅煤层在淮阳附近发育较好; 二₁煤层形成于分流间湾淤浅而成的泥炭沼泽中,在层序格架中,位于层序Ⅲ最大海泛面附近,此时海平面上升速率较快,较快的可容空间的增长速率与较高的泥炭聚集速率相平衡,形成该厚煤层,二₁煤层在柘城以及太康、淮阳等地区发育较好。

Abstract

The eastern Henan Province is located at the southern edge of the North China Basin and is currently one of the main areas for coalbed methane exploration in China. The Permo-Carboniferous is the main coal-forming period in this area,and the coal measures were deposited in the marine-terrestrial transitional environments,being characterized by a wide and stable distribution. On the basis of drilling date,outcrop sections and geophysical logging date,the sequence stratigraphic framework was established for the Permo-Carboniferous coal measures in this area. Based on the regional unconformity surface,the coal-bearing series in the study area are subdivided into three third-order sequences. Combined with formation,percentages of limestones,mudstone thickness,sandstone to mudstone thickness ratios,coal thickness contour map,restore the sequence of the palaeogeographical maps,the main palaeogeographical unit with delta plain,barrier island,tidal-lagoon,and carbonate shelf. The coals in sequence I and sequence Ⅱ were mainly formed in the tidal-lagoon environment,while the coals in sequence Ⅲ were formed in the delta plain and tidal environment.Among them,the major coal seam(A-0,A-5)in sequence Ⅰ and the major coal seam(B-1)in sequence Ⅲ are well developed. The A-0 and A-5 coal seam were formed in a peat swamp developed from the offshore shelf settings,located near the initial flooding surface and the end of the HST in sequence Ⅰ where the slow rate of sea level rise and thus the slow rate of accommodation space growth was balancing with the slow rate of peat accumulation,A-0 coal seam developed well in Zhecheng area and A-5 coal seam developed well in Huaiyang area. The B-1 coal seam was formed in the peat swamp environment developed from of the fluvial-dominated shallow water delta plain,near the maximum flooding surface of sequence Ⅲ where the fast sea level rise and thus the fast growth rate of the accommodation growth was well matching the high rate of peat accumulation. The balance between the rates in peat accumulation and the rates in accommodation space creation is a key condition for coal accumulation in the sequence stratigraphic framework. The B-1 coal seam developed well in Zhecheng,Huaiyang and Taikang areas.

Graphical abstract

关键词

层序地层格架 / 岩相古地理 / 聚煤模式 / 石炭—二叠纪 / 海陆过渡相 / 豫东地区

Key words

sequence stratigraphic framework / lithofacies palaeogeography / coal-accumulating model / Permo-Carboniferous / marine and terrestrial transitional facies / easrern Henan Province

近年来,深部煤层气成为非常规油气资源勘探开发的热点领域(秦勇,2023;徐凤银等,2023)。豫东地区作为华北晚古生代聚煤盆地的一部分,其石炭—二叠系蕴含着丰富的煤炭资源,是未来南华北深部煤层气及页岩气勘探开发的主力地区(张小东等,2018;杨燕青等,2019;李延河等,2024),但是由于豫东地区含煤岩系埋深较大,未作为早期勘探重点地区,所以赋存非常规天然气的煤层和泥质岩的分布规律并不十分明确。

层序地层格架下厚煤层的分布模式引起了众多地质学者的兴趣(Diessel,1992;Bohacs and Suter,1997;李增学等,2000),尤其是可容空间增加速率与泥炭堆积速率的比率被用来解释在一个可容空间周期内泥炭/煤的厚度变化特征(Diessel et al., 2000)。邵龙义等(2021)认为近海环境的聚煤作用实际上是海平面(基准面)上升过程中发生的,同时提出煤层厚度取决于可容空间增加速率与泥炭堆积速率之间的相对平衡状态: 在靠陆一侧河流和三角洲平原沉积体系中,厚煤层主要出现在最大海泛面位置; 而在靠海一侧潮汐沙坝—潟湖或碳酸盐岩台地沉积体系中,厚煤层主要出现在初始海泛面的位置; 但就整个三级复合层序来说层序中厚度最大、分布最广的煤层主要分布于可容空间增加速率最大的最大海泛面附近的位置(Shao et al., 2003;邵龙义等,2021)。

近年来,等时性的层序地层格架的建立预测厚煤层的分布规律得到了广泛运用(张月等,2023;康世龙等,2024),此外,层序地层学方法也成功应用于富有机质细粒沉积岩分布规律(Bohacs and Lazar,2022)。豫东地区属于华北海陆过渡相聚煤盆地的一部分,主要目标煤层包括本溪组的0号煤层,太原组中部一₅煤层以及山西组下部的二₁煤层,运用层序—古地理方法可以获得煤层及泥质岩厚度变化规律,为未来深部煤层气及页岩气的勘探开发提供理论支撑。

以豫东地区石炭—二叠纪含煤岩系为研究对象,运用层序地层学方法建立等时地层格架,并进行岩相古地理分析,有助于了解研究区的煤及富有机质泥岩的聚集规律,为研究区未来深部煤层气及页岩气勘探开发提供依据。

1 区域地质概况

豫东地区位于河南省东部平原覆盖区(图 1-a),包括开封市、商丘市、周口市3个地级市。豫东地区在古构造上属于华北板块南缘,其基底属于华北地台的组成部分。中奥陶世开始,华北地台两侧板块在加里东运动作用下相向俯冲和挤压使得华北地台抬升、遭受剥蚀; 至石炭纪才开始重新下沉,接受沉积(尚冠雄,1997)。早石炭世,由于海西运动,秦岭造山带逐渐隆升,华北板块整体向北倾斜,形成“南高北低”的构造格局; 晚石炭世,北方西伯利亚—蒙古板块由北向南俯冲至华北板块北缘之下,形成内蒙古隆起,华北板块北部盆地开始接受沉积; 石炭世末期,华北板块南缘受到秦岭—大别造山带的挤压、形成了拗陷盆地并开始接受的陆表海沉积(Dong and Santosh,2016)。二叠纪,由于内蒙古隆起持续上升伴随着古亚洲洋的逐渐闭合和中亚造山带的形成,华北板块转变为“北高南低”的构造格局,后期又经过多期构造演化形成了现今棋盘格状的构造格局(何明喜等,2012)。

豫东地区位于华北板块南缘,北部为开封坳陷,中部为太康隆起,南部为周口坳陷,东部为徐蚌隆起(图 1-b),形成近东西走向的“两坳夹一隆”的构造格局(高建平等,2006;张小东等,2018)。豫东地区石炭—二叠纪自下而上发育的地层主要包括本溪组、太原组、山西组、下石盒子组、上石盒子组和石千峰组,主要含煤岩系为本溪组、太原组和山西组(河南煤田地质公司,1991)。本溪组以灰色、深灰色铝土质泥岩为主,含大量菱铁质鲕粒,与下伏中奥陶统马家沟组呈现平行不整合接触; 太原组为含煤地层,即一煤段,由薄、中厚层状石灰岩、泥岩、砂质泥岩、中细砂岩组成,含薄煤4~6层; 山西组为该区域主要含煤地层,二煤段,底部为黑色泥岩,上止于砂锅窑砂岩底界,由灰黑色泥岩、砂质泥岩、粉砂岩、中细粒砂岩组成,含煤1~4层,分布于中下部,其中二₁煤是本区主要可采煤层(图 1-c)。

豫东地区作为南华北盆地的一部分,前人研究认为: 成煤环境以潟湖相和三角洲相为主(杨起等,1982;桑树勋等,2001)。近年来,新的研究表明华北石炭—二叠纪主要为海陆过渡沉积环境(邵龙义等,2014)。本溪组和太原组沉积期主要为碳酸盐岩台地—潮汐沙坝—潟湖沉积体系,本溪组铝土质泥岩和泥岩为潟湖相沉积,潮汐沙坝相沉积以细粒砂岩为主,太原组上部和下部的石灰岩为碳酸盐岩台地相沉积,中部的砂泥岩段为障壁岛相砂岩和潟湖相泥岩; 山西组二₁煤下部为潮坪沉积体系,根据岩相特征可识别出砂坪、混合坪、泥坪等微相; 山西组二₁煤及其上部到上石盒子组为三角洲沉积体系,主要发育三角洲平原相(宋建军等,2021)。

2 层序关键界面识别及划分原则

豫东地区石炭—二叠系含煤地层层序的划分,最重要的就是鉴别层序界面,综合华北盆地的沉积特点和区域地质背景,下面几类界面可以作为层序识别的关键界面:

2.1 三级层序界面(SB)

1)区域不整合面: 由古构造运动形成的不整合面,往往与构造运动相对应。例如研究区石炭系底面与中奥陶统石灰岩顶面之间的平行不整合面,是由于加里东运动导致华北地台的剧烈抬升,盆地无法继续接受奥陶纪碳酸盐沉积形成(刘波等,1999)。该界面在全区普遍发育并易于追踪对比,故将其作为识别研究区三级层序Ⅰ的底界面。

2)海侵方向的转换面: 在研究区太原组中部一₅煤(对应山西省太原西山剖面8号煤)沉积之后(图 2-a),在同生构造控制下,华北地台由原先的“南升北降”转为“北升南降”,南部地势降低,海侵方向由北东向转变为南东向。通过华北地区的古地理恢复,该海侵方向的转换面被识别出来,为研究区典型的层序界面(尚冠雄,1997)。

3)河流下切河谷冲刷面: 大型河流在随基准面下降,导致水体流速加大,对其下伏地层进行冲刷所形成的不整合面(邵龙义等,2014)。例如研究区的下石盒子组底部的砂锅窑砂岩,这些砂岩底面均属于河流下切冲刷形成的层序界面(图 3-a),其上下相邻的岩相组合、陆源碎屑成分、沉积环境以及地化指标等都有明显的变化。

4)沉积相转换面: 沉积相转换面是沉积相随基准面变化而发生转变的分界面,通常表现为岩性或地层颜色的突变,是一种易于识别的层序界面。豫东地区太原组和山西组之间存在沉积相转换面,沉积相由太原组的碳酸盐岩台地相石灰岩沉积突然转变为山西组底部的潮坪相泥质沉积(图 2-b),代表了一个沉积相转换型的层序界面。

5)古土壤层: 古土壤层通常指的是河道间的细粒沉积区暴露于地表后经历成土作用形成,代表着一段时间的沉积间断,常与河流下切谷共生,可作为不整合的层序界面(邵龙义等,2008)。研究区石炭—二叠系各地层单元均可见古土壤层,例如山西组底部的古土壤层,下石盒子组底部的根土岩等(图 3-b),均可作为缺少下切谷砂体的情况下的层序界面。

2.2 三级初始海泛面(IFS)

初始海泛面指的是在基准面上升的过程中,盆地中由海退作用转变为海侵作用的转换面,标志着海侵体系域(TST)的开始,沉积水体开始变深,沉积粒度逐渐变细(Catuneanu,2006)。初始海泛面在豫东地区石炭—二叠纪沉积地层中通常是三角洲分流河道砂体顶面,也是该粗粒碎屑沉积之上的分流间湾相(泛滥盆地相)泥质岩或泥炭沼泽相的煤层的底面; 在一些河道砂体不发育的地区,初始海泛面直接覆盖在河道间的古土壤(根土岩)上,与层序界面基本重合,造成低位体系域不发育的情况(图 4)。

2.3 三级最大海泛面(MFS)

最大海泛面指的是一个层序中达到最大海侵范围时的界面,标志着海侵体系域(TST)的结束同时开始高位体系域(HST)沉积的界面,在该界面之上沉积粒度逐渐变粗。在碳酸盐岩沉积序列中,最大海泛面指的是向陆地延伸最远一层石灰岩的底面,豫东地区通常发育7~12层石灰岩,其中根据石灰岩发育期次将太原组分为3段,分别是下部石灰岩段(L1-L4)、中部砂泥岩段(L5-L7)、上部石灰岩段(L8-L12),其中下部的L2石灰岩和上部的L8石灰岩较厚且在全区普遍分布,其底面可作为层序划分的最大海泛面(图 2-c)。而在研究区石炭—二叠系上部大面积分布的三角洲平原沉积环境中,最大海泛面通常被置于最厚层泥质岩沉积的底面或相对最厚煤层的底板或顶板(Aitken and Flint,1995)。例如山西组的二₁煤层,厚度大、层位稳定、在研究区分布广泛,可将其顶面作为最大海泛面(图 2-d)。

3 层序地层格架的建立

本次层序地层学研究,采用的是以Exxon公司的Vail等人提出的观点,即海平面变化是层序演化的主要驱动机制(Van wagoner,1990)。通过对禹州大风口剖面测量数据以及胡襄、睢西和永城等钻井资料进行高分辨率层序地层分析,划分了三级复合层序,以睢西ZK6404钻井为例(图 4),以本溪组底部区域不整合面、太原组一₅煤层顶部的海侵方向转换面和山西组底部沉积相转换面为界,将研究区石炭—二叠含煤岩系划分为3个三级层序(Ⅰ~Ⅲ),研究区钻井剖面对比见图 5。

3.1 层序Ⅰ

层序Ⅰ厚度自豫东地区的西北向东南先减小再增大(图 5),包括本溪组和太原组一₅煤层顶面以下的地层,发育海侵体系域(TST)和高位体系域(HST)。层序底界为一区域平行不整合面,在海侵体系域(TST)首先沉积本溪组潟湖相的铝土质泥岩在测井曲线上表现出高幅的齿形和漏斗形的组合,指示潟湖沉积,随后太原组沉积1套由煤层、石灰岩、泥岩和砂岩组成的地层,煤层厚度较薄,在测井曲线上表现为箱型、指型和漏斗型的组合(图 4),指示以碳酸盐岩台地相为主导沉积环境; 高位体系域(HST)主要发育潟湖相泥岩和潮汐沙坝相砂岩,在测井曲线上表现为齿型和指型的组合(图 4),指示其为潟湖相和潮汐沙坝相沉积,研究区太原组下部最厚L2石灰岩的底面被视为最大海泛面。

3.2 层序Ⅱ

层序Ⅱ的厚度变化较大,表现为由西北向东南先变薄再变厚(图 5),该层序对应太原组一₅煤层以上的地层(图 4),发育海侵体系域(TST)和高位体系域(HST),层序界面为海侵方向的转换面,该界面之下海水由北东向侵入,界面之上海侵方向转为南东向。海侵体系域(TST)沉积泥岩和砂岩,且在垂向上表现为退积的序列,石灰岩发育较少且较薄,在夏邑一带可见多层石灰岩发育,在测井曲线上表现为指型、箱型和漏斗型的组合,一₅煤的在测井曲线表现出高阻反应和低伽马值异常; 高位体系域(HST)发育碳酸盐岩台地相的石灰岩和潟湖相的泥岩,在测井曲线上表现为由箱型向齿型和指型的转变(图 4),太原组上部发育最厚且最稳定的L8石灰岩的底面被视为最大海泛面(图 5)。

3.3 层序Ⅲ

层序Ⅲ自西北向东南逐渐变厚,在夏邑县骆集地区减薄(图 5),该层序地层由山西组构成,主要发育有海侵体系域(TST)和高位体系域(HST),局部地区发育低位体系域(LST),底部黑色泥岩的底板或分流河道砂岩的底面被识别该层序的底界面,顶界面为砂锅窑砂岩(K₃)底面(图 4;图 5)。海侵体系域(TST)发育细砂岩、泥岩、粉砂岩、砂质泥岩互层的潮坪沉积序列,在测井曲线上表现出连续的微齿型、指型和漏斗型的组合,指示泥坪、砂坪、混合坪微相; 高位体系域(HST)由下三角洲平原相的分流间湾泥岩和分流河道砂岩组成,在测井曲线上表现出小段齿型和钟型的组合(图 4)。层序Ⅲ发育厚度较大、层位稳定的二₁煤层,在测井曲线表现出高阻电阻率和低伽马值异常,该煤层在豫东部分地区可划分为二 { }_1^1煤和二 { }_1^2煤,二₁煤自西北向东南逐渐变薄(图 5),二₁煤层或二 { }_1^1煤层的顶面被识别为最大海泛面。

4 层序格架下的岩相古地理

在筛选了豫东地区胡襄、睢西、永城煤普查区百余口揭露石炭—二叠纪地层较全的典型钻孔数据的基础上,分别绘制各层序的地层厚度、石灰岩含量百分比、泥岩厚度、煤层厚度、砂泥比等单因素的等值线图,再通过各单因素图的叠加和综合分析,最终恢复出豫东地区石炭—二叠纪各层序岩相古地理。

4.1 层序Ⅰ古地理特征

层序Ⅰ是一套由铁铝质岩、碳酸盐岩以及滨岸碎屑岩沉积,主要由泥岩、石灰岩、砂岩以及薄煤层组成。层序Ⅰ的地层厚度由东北向西南由厚变薄,由东南向西北逐渐由厚变薄,在夏邑北部达到最厚,变化范围34.48~97.84 m(图 6-a);层序Ⅰ的石灰岩含量在12%~55%,石灰岩含量由西北向东南逐渐增加,海侵方向来自东北向(图 6-b);层序Ⅰ砂泥比变化范围在0~0.67之间,研究区大部分地区砂泥比值较低,仅在睢县、柘城县、虞城南部以及永城北部明显偏高(图 6-c)。

结合地层厚度、石灰岩百分含量以及砂泥比等值线变化特征,对层序I岩相古地理进行恢复(图 6-d),层序I在豫东地区东北部和东南部石灰岩百分比含量较高,海侵方向来自东北向,以石灰岩含量40%的等值线来划分碳酸盐岩台地相,西北大部分地区砂泥比小于0.2,古地理单元为潮坪—潟湖相。柘城和睢县等砂泥比大于0.2的地区,钻孔岩心沉积构造常表现为砂泥互层层理,判断其为潮汐沙坝沉积(图 7)。

豫东地区层序Ⅰ的煤层总厚度在0~17 m之间,平均4.8 m,层序Ⅰ发育2个聚煤中心,分别位于柘城县和淮阳区北部,柘城地区的厚煤层主要为本溪组的0号煤层,而淮阳地区的厚煤层为太原组中部的一₅煤层。柘城地区聚煤中心煤层最厚可达9.3 m,以柘城为中心,向四周减小; 淮阳北部聚煤中心,煤层总厚度可达17 m。层序Ⅰ时期,海侵方向来自东北向,聚煤中心总体位于潮坪—潟湖古地理单元,层序Ⅰ时期,海侵方向来自东北向,聚煤中心总体位于潮坪—潟湖相区,潮坪—潟湖环境水动力条件较弱,有利于泥炭沼泽发育,形成厚煤层。

4.2 层序Ⅱ古地理特征

层序Ⅱ岩性由石灰岩、泥岩、砂岩、粉砂岩、砂质泥岩和煤层组成,层序Ⅱ时期地层厚度由西北向东南逐渐变厚,在淮阳县北部达到最厚(图 8-a),变化范围25.6~112.73 m;层序Ⅱ石灰岩含量区间在22%~52%,石灰岩含量由南向北逐渐减少(图 8-b),海侵方向来自东北向; 层序Ⅱ时期研究区总体砂泥比值依然较低,变化范围在0~0.71之间,在睢县和虞城县以及鹿邑县西北一带南部地区偏高(图 8-c)。

结合地层厚度、石灰岩百分含量以及砂泥比等值线变化特征,对层序Ⅱ岩相古地理进行恢复(图 8-d),层序Ⅱ在豫东地区东南部石灰岩百分比含量较高,石灰岩含量大于40%的地区判断为碳酸盐台地相; 西北方向砂泥比值低于0.2,古地理单元为潮坪—潟湖相; 潮汐沙坝相位于睢县—柘城一带和永城市砂泥比大于0.2的地区。

层序Ⅱ发育一个聚煤中心,煤层厚度最厚可达10.5 m,以周口市淮阳区为中心向四周递减,层序Ⅱ时期的聚煤中心总体位于碳酸盐岩台地相的位置,但其成煤环境为潮坪—潟湖环境。

4.3 层序Ⅲ古地理特征

层序Ⅲ时期,豫东地区北部以河流三角洲沉积体系为主,向南过渡为潟湖—潮坪—潮汐沙坝沉积体系,岩性主要由泥岩、粉砂岩、砂岩及煤层组成。层序Ⅲ的地层厚度范围在由北向南先减小再增加,由西向东,地层厚度先减小再增加(图 9-a);泥岩厚度由北向南逐渐增加,由西向东,泥岩厚度先减小再增加,地层厚度先降低再升高(图 9-b);层序Ⅲ砂泥比变化范围在0.14~2.13之间,总体上,豫东地区北部的砂泥比值高于南部的砂泥比,在北部民权县一线地区达到最大值(图 9-c),推测物源方向来自北部。

结合地层厚度、泥岩厚度以及砂泥比等值线变化特征,对层序Ⅲ岩相古地理进行恢复(图 9-d),层序Ⅲ沉积时期,砂泥比值大于0.6的区域判断为三角洲平原相,主要分布于豫东地区北部广大地区,可分为上三角洲平原相和下三角洲平原相,由北向南发育多条分流河道; 砂泥比0.3~0.6的区域判断为三角洲前缘相,位于尉氏—睢县—夏邑一线与扶沟—太康—永城一线之间区域,呈条带状分布; 砂泥比小于0.3的区域位于扶沟—太康—鹿邑一线以南以及永城市南部,判断为潮坪—潟湖相。

层序Ⅲ时期,豫东地区北部发育河流三角洲体系,南部发育潟湖—潮坪体系,该时期聚煤作用较强,全区形成大规模的可采煤层,层序Ⅲ的煤层厚度范围为0.3~12.5 m,发育有4个聚煤中心,分别分布在太康县西南部、柘城县北部、鹿邑县北部以及淮阳区南部区域。其中太康县西南和淮阳区南部的聚煤中心,位于潟湖—潮坪相和三角洲前缘的交界部分,煤层厚度大于10 m;鹿邑县和柘城县北部的聚煤中心的位于三角洲平原的分流间湾处,煤层厚度大于6 m。

5 厚煤层在层序地层格架中的分布模式

煤层在层序格架中的分布模式依赖于Jervey(1988)提出的可容空间概念,即可容空间是可供潜在沉积物堆积的空间,与全球海平面变化和盆地基底的沉降有关,而与盆地沉积物供给无关,在层序地层格架中,可容空间的增加速率从初始海侵面到最大海泛面处越来越大,到最大海泛面处达到最大值。邵龙义等(2021)提出煤层厚度的变化取决于可容空间增加速率(R_A)与泥炭聚集速率(R_P)的变化,当海平面上升速率过慢时,可容空间增长速率过慢,造成泥炭所需可容空间不足,从而使泥炭地受到暴露和侵蚀难以形成厚煤层; 相反,海平面上升速率过快导致泥炭堆积速率远小于可容空间的增加速率,造成泥炭地的淹没,终止沉积,也难以形成厚煤层(邵龙义等,2021)。因此只有适当的海平面上升速率,将泥炭堆积速率和可容空间增长速率维持在一种平衡的状态下时,才能形成厚煤层。在距物源区较近的冲积体系或滨海平原过渡相靠陆一侧的背景下,因有丰富的陆源碎屑供给,只有可容空间增加速率最快时(最大海泛面处),相对海平面上升速率才会与泥炭堆积速率保持平衡,从而形成厚煤层; 相反,在远离陆源区的滨外陆棚和碳酸盐岩台地的环境中,由于缺少物源供给,泥炭的聚集速率较小,因此厚煤层往往形成在可容空间增长速率较低的海侵面或相对海平面下降时期形成(图 10-a)(Shao et al., 2003)。

豫东地区的发育的厚煤层包括层序Ⅰ底部的本溪组的0号煤和上部的太原组的一₅煤以及层序Ⅲ(山西组)的二₁煤,0号煤和一₅煤主要为潮汐沙坝—潟湖以及滨外陆棚的成煤环境,此时,缺乏陆源碎屑供给,对应图 10-b中R_A/R_P>1的情况,即较低的泥炭聚集速率与可容空间增加速率相平衡,形成厚煤层。层序Ⅲ沉积环境可分为2个类型,二₁煤或者二 { }_1^2煤顶板以下至层序Ⅲ底部泥岩段属于潮坪沉积环境,二₁煤或者二 { }_1^2煤顶板到砂锅窑砂岩底部为三角洲沉积环境,整体来看,层序Ⅲ整体的沉积环境以三角洲环境为主导,物源供给较为丰富,泥炭聚集速率较快,对应图 10-c中R_A/R_P<1的情况,即只有在最大海泛面附近的时期,可容空间增长速率和泥炭堆积速率达到平衡,煤层沉积最厚。在豫东地区内,二₁煤作为层序Ⅲ最大海泛期的标志层,厚度大、层位稳定、连续性好、分布面积广,是该区主要勘探和开采对象。

6 结论

1)根据豫东地区睢县、胡襄及永城等钻井资料结合露头剖面进行分析层序地层分析,将豫东地区石炭—二叠纪含煤岩系共划分出3个三级层序。层序界面以区域不整合面、海侵转换面、河流下切谷砂岩底面或共生的古土壤间断面等为代表,三级层序中可进一步划分出低位体系域(LST)、海侵体系域(TST)及高位体系域(HST)。

2)豫东地区石炭—二叠纪层序Ⅰ古地理单元由潮坪—潟湖、潮汐沙坝、碳酸盐岩台地相组成,石灰岩含量在东北和东南区域最高,整体海侵方向来自北东方向; 层序Ⅱ古地理单元由潮坪—潟湖、潮汐沙坝、碳酸盐岩台地相组成,石灰岩含量由东南向西北逐渐减少,海侵方向来自南东方向; 随着华北地台的抬升,层序Ⅲ时期,豫东地区北部转变为三角洲平原,潮坪—潟湖相向南萎缩,碳酸盐岩台地相消失。

3)豫东地区石炭—二叠纪含煤岩系层序Ⅲ聚煤作用最强,层序Ⅰ其次,层序Ⅱ较差,层序Ⅰ的底部的本溪组0号煤层在商丘市柘城县一带发育较好,顶部的一₅煤在周口市淮阳区发育较好; 层序Ⅲ时期发育多个聚煤中心,分别分布在周口市太康县西南部、淮阳区西南部、鹿邑县北部以及商丘市柘城县北部。

4)厚煤层的形成与可容空间的增长速率和泥炭沼泽聚集速率的平衡状态有关,在不同成煤环境中表现出不同规律。层序Ⅰ的成煤环境为潮汐沙坝—潟湖和滨外陆棚的环境,厚煤层(0号煤,一₅煤)位于层序Ⅰ的初始海泛面以及高位体系域(HST)的末期附近,此时海平面上升速率过慢,较慢的可容空间增长速率与较慢的泥炭聚集速率相平衡,形成厚煤层; 山西组的二₁煤层形成于分流间湾淤浅而成的泥炭沼泽中,位于层序Ⅲ最大海泛面附近,此时海平面上升速率较快,较快的可容空间的增长速率与较高的泥炭沼泽聚集速率相平衡,形成该厚煤层。

参考文献

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基金资助

* 河南省地质研究院院管科研项目“豫东地区深部煤系气有利区优选方法研究及示范”(2023-331-XM022-KT03)

“南华北盆地深部煤系气储层物性特征及立体压裂模拟研究”(2024-352-XM025-KT05)