西南石油大学学报（自然科学版） ２０１１年１０月第３３卷第５期 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｅｄｉｔｉｏｎ） 、，０１．３３ Ｎｏ．５ ０ｃｔ．２０ｌ１ 讲替虫崴拈 编辑部网址：ｈｔｔｐ￣／／ｗｗｗ．ｓｗｐｕｘｂ．ｃｏｍ 文章编号：１６７４—５０８６（２０１１）０５—００１４—０７ 中图分类号：ＴＥ１３２；Ｐ５３９．２ ＤＯＩ：１０．３８６３／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７４—５０８６．２０１１．０５．００３ 文献标识码：Ａ 鲁西晚古生代海相凝缩层沉积特点及地质意义 术 吕大炜，李增学，魏久传，刘海燕，宁文峰 山东省沉积成矿作用与沉积矿产重点实验室．山东科技大学，山东青岛２６６５１０ 摘要：依据钻井资料、地层资料及相关地质资料，采用沉积学、层序地层学、煤地质学多学科相结合方法，对鲁西地 区晚古生代陆表海沉积进行层序划分，在此基础上分析了不同体系域与凝缩层的关系，探讨了凝缩层与成煤作用的耦 合特征，结果表明：鲁西陆表海沉积地层可划分为３个三级层序和２４个小层序，每个三级层序由海侵体系域和高位体 系域组成。凝缩层主要分布在海侵体系域顸部，即中期基准面旋回顶部，为１个短期基准面旋回，表现为微晶灰岩沉 积，局部地区是深水泥岩；该区凝缩层与被动边缘盆地浓缩层有着本质区别，可全区对比；凝缩层与煤层形成具有 重要的耦合关系，层序１凝缩层为十四灰和下伏炭质泥岩，层序２的为十灰和１６煤，层序３的为三灰和７煤组合，对 应煤层的煤化作用开始时间与灰岩形成时间一致，可以用海侵事件成煤模式来解释。 关键词：凝缩层；层序地层；体系域；鲁西地区；海侵事件成煤 网络出版地址：ｈｒｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／５１．１７１８．ＴＥ．２０１１１００９．１５５７．００３．ｈｔｍｌ 吕大炜，李增学，魏久传，等．鲁西晚古生代海相凝缩层沉积特点及地质意义［Ｊ］．西南石油大学学报：自然科学版，２０１１，３３（５）：１４～２０ 凝缩层段（ｃｏｎｄｅｎｓｅｄ ｓｅｃｔｉｏｎ）是现代层序地层 学研究的热点问题，其最初定义是依据被动边 缘盆地沉积而提出的【１－６］，指一种沉积速率极缓慢 拉通盆地层序地层学研究开展以来，不同层序划分 方案致使凝缩层研究对象不同，而凝缩层研究直接 影响高位体系域和海侵体系域的划分［１】，特别是事 的、由深海相一半深海相沉积物组成的、厚度极薄 件沉积区域内的层序地层界面的识别与划分，因此，的海相地层单元，强调了这种沉积物主要是由薄的 对克拉通盆地凝缩层进行研究具有重要的层序地层 半远洋或远洋沉积物组成，这种沉积物缺少陆源碎 学意义。屑物质，层内动物群的分异度和丰度是整个层序最 大的，生物种类众多、数量丰富的微体浮游生物和 底栖生物化石组合常成为该层的重要特色。由于凝 缩层段沉积速率很低，形成时间跨度大，且其问没 有出现剥蚀，因此，该层段沉积是连续的。 鲁西地区是我国重要的煤炭生产基地，位于华 ｌ鲁西地区晚古生代地质背景 北板块中东部，北靠渤海湾盆地，南邻两淮地区，区 内现今主采煤田主要包括：聊城煤田、黄河北煤田、 济东煤田、淄博煤田、肥城煤田、巨野煤田、汶宁煤 田、兖州煤田、济宁煤田、新汶煤田、临沂煤田、滕 国内外许多学者对被动边缘凝缩段沉积进 行了研究［１】，并取得了大量的成果和可喜的成绩。 近几年来，部分专家［１－４］提出凝缩层不止能在深水 中形成，也不一定是低速率沉积物，而是能够出现 县煤田等。其晚古生代地层主要包括本溪组、太原 于任何可能的层序界面的收缩部位（ＨＳＴ）。虽然这 组、山西组、下石盒子组和上石盒子组，局部地区 种观点早已被人提及［７－１２】，但是没有真正进行应用 发育石千峰组，主采煤层位于上石炭统一下二叠统 分析。随着层序地层学的广泛应用，尤其是大型克 收稿日期：２０１０—１卜１６ 网络出版时间：２０１卜１Ｏ—Ｏ９ 的太原组和山西组，从前人研究成果来看，该区含 基金项目：国家自然科学基金项目（４０８７２１００）；中国博士后基金（２０１０４７１５６２）；山东省自然科学基金（Ｙ２０００Ｅ０７）。 作者简介：吕大炜（１９８０一），男（汉族），山东烟台人，讲师，博士，主要从事煤地质学研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｖｄａｗｅｉ９５＠１６３．ｃｏｒｎ 第５期 吕大炜，等：鲁西晚古生代海相凝缩层沉积特点及地质意义 １５ 煤地层主要沉积环境为陆表海沉积环境，发育了潮 长期基准面旋回，其中，每个三级层序对应海侵体 坪、障壁一滴湖及三角洲沉积体系，总体沉积环境 由海相向陆相逐渐演化。 系域和高位体系域，即四级基准面旋回，海平面总 体变化为先上升后下降。其中，层序１为海西运动 前人对该区进行了大量层序地层学研 开始后的陆表海沉积，其沉积特点表现为在大量的 究［ ，１０， －２６】，然而不同专家所采用的层序划分方 残积相基础上叠加了演湖和潮坪沉积，即研究区北 案不尽相同，对凝缩层的理解和识别也存在差异。 笔者认为凝缩层沉积研究将成为本区层序地层划分 的一个重要依据，因为它不仅是年代地层和层序地 层对比的关键…１，也是进行沉积矿产预测及沉积特 部为漓湖沉积，南部转换为潮坪沉积，沉积地层为 本溪组和太原组早期沉积序列，此时整个华北海侵 是由北东向南西方向侵人，海侵体系域表现为残积 相的铝土质沉积和十四灰沉积，其中，十四灰代表 征研究的核心内容。鉴于此，本文以鲁西地区晚古 生代地层沉积为例，探讨鲁西地区凝缩层段沉积特 征，分析其地质意义，这对鲁西地区乃至华北地区 的层序地层划分都具有重要意义。 ２层序地层划分 华北晚古生代海平面变化频繁，研究发现［１４］， 华北晚古生代海平面变化主要分２个阶段，即：短 期大规模海侵阶段及长时问海退阶段，其中，阶段 １主要是华北板块经历中奥陶世沉降后，其北部及 中部地区于晚石炭世早期开始接受广泛的海侵，其 海侵范围广泛，规模巨大、发生次数多，如在鲁西 南、河北、山西、辽宁等北华北地区，石炭统一下二 叠统的多套灰岩分布范围广泛，全区可对比。晚石 炭世晚期海侵发生后，华北板块发生了由北低南高 向北高南低的“跷跷板”式转换，造成了海侵的方向 转化，此时，海平面变化呈现复合型海侵与长期海 退特点。阶段２主要是指中二叠世，华北板块总体 抬升为陆，海水逐渐由北向南退出，北华北地区已 经成为近海内陆干旱的河流湖泊沉积环境，沉积了 ｌ套不含煤的灰色、杂色碎屑岩地层，南华北地区仍 与华南海相通（硅质海绵岩），主要为滨海三角洲沉 积，气候湿润，有利于植物生长，至晚二叠世，海水 完全退出南华北地区，气候更加干旱，全区已经演 变成陆相沉积环境，整个华北板块已经不受海域沉 积的影响，因此，该区沉积了１套红色的碎屑岩地 层。由此可见，在中晚二叠世，华北地区已经发生 多次海侵，且个别海侵规模比较大，凝缩段沉积主 要是针对华北海平面变化阶段１而言，因此，本文 着重划分晚石炭世一早二叠世凝缩层沉积。 在以上分析基础上，依据年代地层资料，将鲁 西地区晚石炭一早二叠划分为３个层序（图１），３个 达到了最大海侵，其沉积速率极低，沉积层段薄，富 含丰富的腕足类及蜒类化石，表明此时属于饥饿性 沉积。晚石炭世末，由于北部西伯利亚板块与华北 板块挤压，华北北部隆起，整个华北板块由最初的 北低南高转换为北高南低，因此，鲁西地区海侵方 向由北东转换为南东，此时，鲁西地区多次接受海 侵，形成了层序２沉积，此时整个华北接受陆表海 沉积，其后发生了海退，中间夹杂多次海侵，形成了 多套海陆沉积组合。 ３凝缩层的识别及与体系域的关系 ３．１凝缩层的识别标志 凝缩段也称饥饿段，由于沉积物供应不足，沉 积速率极低，是海相盆地缓慢沉积的产物，因此沉 积物相对较薄，在沉积体系域中位于海侵和高水位 体系域之间的最大洪泛面，通常为海平面最高时期 的沉积标志。经过大量的钻井测井资料分析，结合 地震资料研究，发现十下灰与１６煤沉积组合代表 了最大的海侵，厚度较厚，在淄博地区３￣６ ｍ，为生 物碎屑灰岩，富含蜓、牙形刺等海相化石，十下灰之 上有层十 灰，厚度小，分布稳定，厚度较薄，是良 好的凝缩层鉴别标志，该期沉积分布广泛，能够在 整个华北地区进行对比。至早二叠世末期，华北地 区海水逐渐向南退出，导致了鲁西地区也发生了海 退，间夹多次海侵，形成了１套向南退积的碎屑沉 积，划为层序３。其中，三灰与７煤、一灰与４煤、二 灰与５煤等组合成为重要的海侵产物，煤层横向上 不稳定，可能为海侵过程成煤［２４］，其中，三灰为灰褐 色一灰色，分布范围广泛，在整个鲁西地区能够进 行广泛对比，含大量蝗类、珊瑚、腕足类等门类动物 及其碎屑化石，发育少量斜交裂隙，充填方解石晶 体，局部被溶蚀，说明为最大海侵的产物，三灰与７ 西南石油大学学报（自然科学版） 地层系统 界ｌ系 统 组 柱状图 标志层 １ ２０１１丘 凝缩层 对海平面升降曲 沉积相 岩性特征 基准面旋回 ｌ 层序地层 中期ｌ长期 ２ 泛滥盆地 决口扇 天然堤 泥炭沼泽 山 ３ ３ 五９加 Ｓ３—９ 加六¨七 坨 八Ｈ九坫 三级 詈 摹 西 分流河道 四级 泥炭沼泽 ／ 层 组 囊 中 上 分流河道 Ｓ３—８ 序 水下分流河道 潮坪泥炭沼泽 潮汐水道 潮坪泥炭沼泽 Ｓ３—７ Ｓ３ ６ Ｓ３—５ 潮坪泥炭沼泽 潮汐水道 Ｓ３—４ 躺 叠 开阔台地 潮坪泥炭沼泽 砂坪 古 统 潮辱整袅牿 系 生 混合坪 潮汐水道 砂坪 泥坪 太原组上部：上自太原组顶部泥岩，下至五灰 顶，厚约６３ Ｄ０ｍ。以灰黑色泥岩、粉砂岩为 主，薄层细砂岩。含石灰岩３层（一、二、三、 四灰），其三灰呈浅灰至深灰色，致密、质较 纯，偶夹黑色燧石，含较丰富的海百合茎及科 化石，其层位、厚度稳定，为本区摄重要的标 志层之一。 砂坪 Ｓ２—８ ３ —２一ｌ ８； ■ ■■ Ｓ２—７ 太 界 原 太原组中部：自五灰预至ｌ５ 煤层厚约４７．００ｍ， 以泥岩、粉砂岩、细砂岩为主，含石灰岩５层 局限台地 （五、六、七、八、九灰），其中五、八、九 潮坪泥炭沼泽 灰均全区可见，八灰厚度较大，呈灰色，厚层 状，见有腕足类、科、介形虫等动物化石，为 局限台地 本区标志层之一 泥坪 潮坪泥炭沼泽 潮汐水道 Ｓ２ ６ 层 Ｓ２—５ 序 潮汐水道 组 砂坪 混合坪 ｌ５ Ｓ２—４ 泥炭沼泽 潮汐水道 障壁岛 Ｓ２ ３ 十 十 １６ 满湖 开阔台地 泥炭沼泽 滴湖 障壁岛 泥炭沼泽 Ｓ２—２ 十一 １７ １８ Ｓ２一ｌ 漓湖 ｌ８ Ｓ１—６ Ｓ１—５ Ｓｌ一４ 障壁岛 漓湖 泥炭沼泽 层 石 十二 １９ 漓湖 局限台地 炭 系 十三 ２Ｏ Ｓ１—３ 序 泥炭沼泽 局限台地 漓湖 十四 本溪组：主要由灰、灰绿、紫色泥岩组成，并 夹有少量细砂岩。常有一层以浅灰及紫红色 为主的铁铝质泥岩（相当于Ｇ层铝土岩及山西 式铁矿）。与下伏奥陶系地层呈假整合接触。 Ｓ卜２ Ｓｌ ｌ Ｇ层铝土 中 残积相 统 目泥质岩Ｅ 细砂岩 团中砂岩 国砂质泥岩 圄碳质泥岩 目煤层［ 砂砾岩 目石灰岩 图１ 鲁西地区晚石炭世～早二叠世层序地层划分及海平面变化 Ｆｉｇ．１ ｔｈｅ ｓｅｑｕｅｎｃｅ ｄｉｖｉｓｉｏｎ ａｎｄ ｓｅａ－ｌｅｖｅｌ ｃｈａｎｇｅ ｏｆ ｌａｔｅ Ｃａｒｂｏｎｉｆｅｒｏｕｓ ｅｐｏｃｈ－－Ｅａｒｌｙ Ｐｅｒｍｉａｎ ｏｆ Ｌｕｘｉ Ａｒｅａ 第５期 吕大炜，等：鲁西晚古生代海相凝缩层沉积特点及地质意义 １７ 煤组合成为良好的凝缩层。其上，多套煤层与砂岩 交互沉积，为重要的下三角洲平原成煤，即３煤层， 煤层分叉，局部合并，是重要的高位体系域成煤［２ ４ｌ。 以上石灰岩沉积表现为重要沉积组合——盐酸盐 岩与暴露沉积（煤层）组合共生，其产出形态常呈连 续的、具有生物潜穴的薄层，以水下硬底形式产出， 常见生物潜穴、钻孔和各种深水遗迹构造。灰岩主 要由灰泥沉积物组成，常具生物扰动构造，典型的 是薄层状泥灰岩、微晶灰岩、生物扰动灰岩和蠕虫 在最大海侵范围内广泛分布的、较先前沉积速率低 的１套沉积物。 ３．２体系域与凝缩层 华北板块晚古生代为陆表海沉积，盆地内部构 造稳定，海平面升降成为层序发育的主控因素。由 于其基底平坦，河流下切作用不明显，微小的海平 面变化就能引起全盆内部大规模的海水进退，因此， 层序１ 层序３主要由海侵体系域和高位体系域组 成。凝缩层分布在海侵体系域顶部，在区域上具有 面旋回，表现为向上变深不对称的半旋回，沉积特 征表现为微晶灰岩沉积，局部地区是深水泥岩，表 状灰岩等，单层厚仅数毫米到数厘米［２５］。煤层常含 对比性，即中期基准面旋回顶部，为一个短期基准 丰富的浮游和底栖生物组合，并常表现为沉积作用 和生态环境的转换层，由下伏的浅水沉积及与海侵 作用相伴生的底栖生物群落变为深水或较深水沉积 及与之伴生的浮游生物组合。其产生机制主要是相 对海平面变化、沉积物供给、构造及气候等因素的 明最大海侵之后，该区沉积了１套海相层滞后沉积， 该套沉积时间长，速率慢，能在全区甚至整个华北 地区进行对比（图２），因此，对于华北地区晚古生代 综合作用，应该说，凝缩层是时间与沉积物的综合 沉积来说，找到这套沉积组合，就代表找到了最大 体，代表了某一个时间段的多因素综合作用造成的 海侵面，也就是海侵体系域顶界。 ／Ｎ．一 Ｉ ． ／ —、 ‘～ —————一一 许瞳 祁东 潘 ■ —］ｌ／，■ ■ 士； ■ 一士 一 一十 Ｉ 一 罔 ＿ 土一— ｉ 蕊 ／充卅Ｉ、 滕南 一一一 ■ｌ ＿２ 嘲 ； 宁阳 图２ 山东及邻区十灰与１６煤的等时对比图 Ｆｉｇ．２ Ｔｈｅ ｉｓｏｃｈｒｏｎａｌ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｌＯｔｈ ａｎｄ １６ｔｈ ｃｏａｌ ｉｎ Ｓｈａｎｄｏｎｇ ａｎｄ ｉｔｓ ａｄｊａｃｅｎｔ 高位体系域代表了相对海平面开始下降阶段形 盆地凝缩层表现为整一性，沉积组合表现为浅水与 成的进积小层序，以最大海泛面为底界，下超在最 大海泛面之上。该界面一般表现为Ｓ型至斜交的沉 深水沉积物的组合，中间出现无沉积的间断，华北 地区为煤层与灰岩组合，二者之间是连续沉积，但 相序表现为间断陛，该组合在整个鲁西乃至华北地 区都存在，可以全区对比（图３）；而在经典层序地层 学中，凝缩层表现为在被动边缘盆地向海一侧， 海平面上升时造成了盆地内部出现低速率沉积物， 积特征。研究区高位体系域主要发育障壁一漓湖、 潮坪及三角洲沉积体系，表现为海相层的厚度逐渐 变小，小层序的厚度具有向上变薄又变粗的趋势， 反映出当时陆表海盆地地势平坦、开阔，沉积体系 的迁移规律不甚明显，往往表现为同类沉积体系的 更迭，而这种更迭能够表现出海平面变化的特点。 ３．３陆表海盆地凝缩层特点 在盆地内部能够进行广泛对比，而靠近盆地边缘的 陆相或过渡区无明显特点；其次，经典层序中凝缩 层由盆地内部向盆源表现出一定的特征，即受物源 总之，凝缩层是区分三级层序中海侵体系域和 高位体系域的重要标志，其沉积特征表现为海相沉 积与陆相沉积的直接接触，即灰岩与煤层直接接触， 影响较大，沉积序列组合呈现一定差异，而在陆表 海盆地中沉积物组合差异相对较小，甚至不明显。 为障壁一漓湖、台地滴湖沉积等海平面上升产生的 相带向物源扩张，经分析发现，陆表海盆地与被动 边缘地区凝缩层有着本质区别：首先，陆表海 ４凝缩层段沉积与聚煤关系 凝缩层沉积代表了盆地内由于海平面升高致 第５期 吕大炜，等：鲁西晚古生代海相凝缩层沉积特点及地质意义 １９ 目赌 誉一 层 序 ３ 层 序 ３ 层 序 ３ 层 序 ３ 层 序 ２ 层 序 ２ 层 序 １ 层 序 １ 兖州煤田 济宁煤田 宁汶煤田 临沂煤田 淄博煤田 聊城煤田 圆细砂岩 四中砂岩 日国国炭质泥岩 目煤层 田圜囤铝土岩囡ＴＳＴ 囤ＨＳＴ 田 ＣＳ 粗砂岩 砂质泥岩砂砾岩 石灰岩 图４高位体系域小层序划分 Ｆｉｇ．４ Ｔｈｅ ｐａｒａｓｅｑｕｅｎｃｅｓ ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｏｆｈｉｇｈ ｓｙｓｔｅｍ ｔｒａｃｔ 海侵体系域和高位体系域组成，其中，三级层序对 应１个长期基准面旋回，体系域相当于中期基准面 旋回，而小层序相当于短期基准面旋回。凝缩层沉 积为障壁一漓湖沉积、台地漓湖沉积等。 （２）鲁西地区凝缩层一般发生在大规模海侵 后，主要分布在海侵体系域顶部，即中期基准面旋 回顶部，为一个短期基准面旋回，表现为向上变深 不对称的半旋回，沉积特征表现为微晶灰岩沉积， 局部地区是深水泥岩，其沉积时间长、速率慢，是良 好的对比层。 参考文献 ［１］葛铭，孟祥化，陈荣坤，等．海绿石质凝缩层一克拉通 盆地层序地层划分对比的关键一华北寒武系凝缩层的 特征和含义［Ｊ］．沉积学报，１９９５，１３（４）：卜１５． ［２】陈荣坤．华北地台寒武纪沉积层序中关键地层单 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