晚古生代含煤岩系的沉积环境及资源潜力

根据岩石成因标志和宏观沉积特征，区内含煤沉积可划分为两大沉积体系，即障壁岛—潮坪—潟湖体系和河控三角洲体系，见图3-2-2。

（一）障壁岛—潮坪—潟湖体系

障壁岛—潮坪—潟湖体系主要发育在太原组下段，其沉积相的构成有：障壁岛相、潮道—潮汐三角洲相、潮坪相、潮下碳酸盐相、潟湖相和泥炭沼泽相。

1.障壁岛相

主要由灰白色细—中粒石英砂岩组成，局部含粗粒石英砂岩，成分成熟度高，碎屑颗粒为圆状，分选好，杂基含量少或无，颗粒间常有少量的高岭石淀晶胶结物充填，以硅质胶结为主，稳定重矿物含量一般较高，并常呈纹层状富集、砂岩的粒度概率曲线为三段式，斜率大，反映了受波浪作用强烈改造的特点。其最为特征的沉积构造是冲洗层理发育，同时常见有低角度大型交错层理、小型交错层理、平行层理及波痕、雹痕、雨痕等层面构造或暴露构造，有时可见较多的植物茎、干印痕。

2.潮道─潮汐三角洲相

潮道—潮汐三角洲相底部常与障壁岛相或潟湖相呈冲刷接触，并留有冲刷底面及残留粗粒沉积物，常含有炭化植物茎、干或硅化木。冲刷面之上一般为粗粒石英砂岩组成的深潮道沉积，具大型双向、板状、楔形及槽状交错层理和双黏土层等沉积构造。向上砂岩的粒度变细，一般为中、细粒石英砂岩，具小型的双向交错层理、槽状交错层理、平行层理及各种沙纹交错层理，还有波痕等沉积构造，系浅潮道沉积。

3.潮坪相

潮坪相广泛发育于潟湖靠陆一侧，障壁岛周围及潮汐三角洲之上，是形成泥炭沼泽的重要场所，根据水动力条件、方向及沉积物特征，又将其进一步划分为砂坪（靠水体一方）、混合坪（中间地带）、泥坪（向陆一方）。

4.潮下碳酸盐相

本区的太原组中含层位较稳定的泥晶灰岩、生物碎屑泥晶灰岩，局部为泥灰岩和砂屑灰岩的沉积，灰岩一般厚1～2m，含有各种海相动物化石及遗迹化石。潮下碳酸盐相根据沉积构造和水动力条件，其沉积环境又可分为局限潮下带和开阔潮下带。

（1）局限潮下带

图3-2-2　宁东煤田红墩子矿区H801井沉积相—层序地层综合柱状图

位于平均低潮面之下，为潮下低能环境。由于海水循环不畅，含盐度不很正常，其沉积物的特点是以泥晶灰岩为主，缺乏大量的各种颗粒，生物不甚发育，仅含少量的有孔虫和腹足类介形虫等具广盐性的生物碎屑，局部可出现较多的菱铁矿鲕粒或粉晶。灰岩在横向上的分布欠稳定，常呈透镜体产出，或相变为泥质灰岩。

（2）开阔潮下带

位于平均波基面以上，为受波浪作用影响的潮下高能带。沉积物主要为生物屑灰岩，并形成颗粒岩。颗粒多由生物碎屑和内碎屑组成，并且生物种类繁多，含量一般为15%～35%，颗粒多为中粗砂岩。分选、磨圆作用不显著，反映水动力条件为中等—偏弱的能量。

5.泥岩沼泽相

主要发育在潮坪沉积物之上，其次为潟湖淤浅的部位，为本区太原组的主要成煤环境之一。

（二）河控三角洲体系

含煤地层中的三角洲沉积体系是在陆表海环境下的障壁岛—潮坪—潟湖沉积的基础上随着海退逐渐向陆过渡，水动力从以潮汐作用为主逐渐转变为以河流作用为主的河控三角洲。在本区的河控三角洲体系中可划分出3种沉积相，即三角洲平原相、三角洲前缘相和前三角洲相，该区以三角洲平原相占优势。

1.三角洲平原相

三角洲平原为向海微倾斜的复杂环境单元，其沉积产物称作三角洲平原相。主要构成元素有：分流河道沉积组合、天然堤沉积组合、决口扇沉积组合、分流间湾沉积组合和沼泽沉积组合。

（1）分流河道沉积组合

底部常具明显的冲刷面，并在冲刷面附近留下细砾石、泥质包体和粗大的炭化植物茎、干等底部滞留沉积，向上沉积物粒度逐渐变细。其岩性特征多为中粗粒岩屑石英砂岩或含岩屑石英砂岩，成分成熟度为中等至良好，碎屑颗粒常呈次圆状，分选中等至良好。常发育有大型板状或收敛状交错层理，并且细层内具有正粒序性、层系厚度由下而上变小，表明以河流作用占优势。

（2）天然堤沉积组合

发育于分流河道两侧，以粉砂岩为主、夹细粒砂岩和泥岩沉积，其粒度组成以悬浮总体含量较高，常具波状层理、平行层理及各种小型交错层理。含植物化石及其碎片，在垂向上和横向上与分流河道密切共生。

（3）决口扇沉积组合

以细砂岩、粉砂岩和泥岩沉积为主，决口扇附近常含中、粗粒砂岩。沉积物常表现为多次复杂的互层，反映河流发生多次决口作用。其碎屑颗粒多为次棱角状，分选磨圆较差，杂基含量高，一般为基底式胶结。常具小型交错层理、透镜状层理和波状层理等，含植物化石及其碎片。

（4）分流间湾沉积组合

分流间湾位于三角洲平原分流河道间低凹地带、被天然堤或沼泽与河道隔开并与海水有一定连通的微咸水体。主要由黑灰色泥岩和粉砂岩组成的静水沉积物，局部夹细粒砂岩薄层或纹理。具水平层理和缓波状层理，含大量炭化植物化石碎片。向上逐渐过渡为炭质泥岩或煤层的沉积。

（5）沼泽沉积组合

发育在三角洲平原上分流间湾广大地区。主要由深灰色—黑色泥岩、粉砂质泥岩、炭质泥岩、煤层和根土岩组成，可形成泥炭沼泽沉积。具水平层理、缓波状层理或块状、均一状层理，常夹有洪水期沉积的薄层粉砂岩或细粒砂岩，含大量的植物化石和炭化碎片及植物根化石。

2.三角洲前缘相

三角洲前缘是三角洲的水下部分，呈环带状分布于三角洲平原向海洋一侧的边缘。三角洲前缘相的主要构成元素有：河口坝沉积组合、远端坝沉积组合和前缘席状砂沉积组合。

（1）河口坝沉积组合(www.xing528.com)

河口坝位于三角洲前缘分流河道入海的河口处，为三角洲前缘最大的沉积单元组合。岩性特征为中、细粒岩屑石英砂岩和石英砂岩，离河口较远时出现细粒砂岩和粉砂岩，其粒度在垂向上显示向上变粗和层系向上变厚的进积型小层序。发育有低角度交错层理、小型交错层理、波纹交错层理及块状层理。有时可见沙纹层理或透镜状层理。

（2）远端坝沉积组合

远端坝位于河口坝向海方向的末端，其沉积物变细，主要为粉砂岩、泥岩夹薄层细砂岩组成。沉积构造以水平层理为主，常见有透镜状、波状复合层理类型，反映沉积物受波浪及潮汐作用的影响和改造。远端坝沉积物的层面上常分布有较多的植物化石碎片和炭屑及大量的白云母片，反映水动力条件相对较弱。

（3）前缘席状砂沉积组合

前缘席状砂分布于三角洲前缘的边缘部分，是河口坝砂受海水作用重新分布而成的薄层席状砂层。以细粒砂岩为主，具平行层理和冲洗交错层理。受波浪和沿岸流的分选、簸扬，其砂质较纯、分选好至极好，粒度概率曲线亦表现为海滩型。

3.前三角洲相

位于三角洲前缘向海的方向，主要由暗色含有机质的泥岩的粉砂质组成，具水平层理，含少量海生动物化石。

（三）太原组沉积体系时空演化

石炭—二叠系太原组（CPt）属近海型含煤建造，为碎屑岩、碳酸盐岩的海陆交互相岩系。岩性组合由灰白色砂岩、灰、灰黑色泥岩、深灰色石灰岩、煤及少量黏土岩、沥青质泥岩组成，主要可采煤层一般位于中、下部，共含煤5～7层，上部一般煤层层数多，厚度较小，稳定性差；下部煤层厚度大，稳定性好，是本区主要含煤地层之一。以一层中细砂岩与山西组分界，底部以中粗砂岩底界与下伏土坡组地层呈整合接触分界。本组石灰岩和细碎屑岩中含大量动、植物化石。

1.太原组含煤岩系沉积环境演化特点

根据对本区太原组含煤岩系中各种沉积特征、沉积相及其旋回结构的研究，认为太原组含煤岩系沉积环境在时间和空时上的演化具有以下特点。

（1）太原组下段

即从太原组底界至K3灰岩，全区大多属于障壁—潮坪—潟湖至潮下碳酸盐相的沉积。这一阶段继承了石炭系土坡组的沉积特点和古地理的总体面貌，继续构成对贺兰山晚石炭世再生性拗拉槽或贺兰山海湾的垂向填积，使沉积盆地的隆坳差异进一步减少，地势更趋平缓，同时伴随有中厚—厚煤层的出现。

（2）太原组上段

已经在区内李家沟、石炭井、沙巴台、石嘴山、横城等矿区出现河控三角洲体系的沉积。此时，河流作用的影响逐渐增强，海水的影响逐渐减弱，随着时间的推移，海域已逐渐向南或西南侧退缩，大致在呼鲁斯太矿区及其两侧，仍然保持着障壁—潮坪—潟湖环境的沉积特点，空间上与河控三角洲沉积体系相共存。随着晚石炭世末期海侵的到来，海域又向上述三角洲沉积方向侵进，使三角洲沉积体系向北或东北方向暂撤退，全区大部又逐渐地演化为以潟湖海湾为主的环境。

（3）早二叠世

早期的沉积已经演化为大规模的三角洲体系沉积，并且仍然沿东北或北向西南或南不断伸展，横向上变化规律十分明显，自李家沟向石炭井、呼鲁斯太矿区，沉积环境由三角洲平原沉积体系为主，逐步变为以三角洲前缘及局部潮坪沉积。随着时间的推移，三角洲的沉积不断向西南方向推进。

2.太原组沉积环境演化的主要控制因素

控制太原组沉积环境演化的主要因素有以下几点。

太原组中3个中级旋回的海侵部分大都以大范围内稳定分布的潮下碳酸盐为标志或以障壁岛相砂岩为界，它们说明本区太原组的旋回结构主要起因于区域海平面的变化，反映本区晚石炭世有3次较大规模的海侵。区域海平面的变化和灰岩层的分布决定了各旋回的相互独立性。值得说明的是，尽管海侵时海水淹没的范围较大，但沉积盆地却始终未达到很大的深度。但在空间上，有从东北向西南呈现海水相对变深变清澈、含盐度变正常、生物种类逐渐增加，同时灰岩厚度增大、层位越趋稳定的总趋势。

贺兰山北段的马莲滩矿区，在土坡组沉积时处于局部隆起的岛屿或半岛屿状态。至太原组沉积时，则逐渐演化为水下古隆起，并接受了太原组的沉积。由于受沉积基底古隆起的影响，故太原组的地层厚度在各矿区均表现为向南部逐渐减薄、垂向上逐渐超覆的总趋势。显示出当时在本区南端存在着向北或西北方向倾斜的古斜坡，南端地势上隆，而北部的呼鲁斯太、石炭井矿区则相对坳陷，沉积厚度较大。在沉积环境演化上，南端马莲滩矿区太原组下段主要表现为潮坪沉积，而向北石炭井、呼鲁斯太矿区则以潟湖、潮坪沉积为主体，并含有较多的障壁岛、潮道—潮汐三角洲的沉积，相对的海水较深。太原组上段，河控三角洲发育时，南部马莲滩矿区由于远离海岸，虽积水较浅，但受河流作用影响甚小，与北部的石炭井、李家沟矿区有着明显的环境差别。马莲滩矿区的沉积厚度薄、砂体不发育、含煤性差的沉积特点及沉积环境的总体演化与其基底的水下古隆起的存在有着十分密切的关系。

根据太原组沉积环境的分析，并结合太原组厚度及其含煤性的变化趋势，认为本区土坡组至太原组沉积期间，始终存在着同沉积构造的控制作用。土坡组地层在本区北部呼鲁斯太、石炭井、李家沟一带厚达590m左右，其中含煤10～15层，含灰岩8～10层；而向南部地层厚度逐渐变薄，煤层与灰岩层数也大为减少，直至马莲滩矿区，土坡组仅剩下20余米。说明区内土坡组地层厚度变化极大，并呈向南逐渐超覆在奥陶系及更老地层之上的分布趋势。太原组沉积时基本上继承了土坡组的沉积格局，呼鲁斯太和石炭井一带厚度可达160～220m，而向南部马莲滩矿区明显地超覆变薄，平均厚度50～70m。这一变化趋势同样可以从煤层层数、厚度、分叉尖灭情况及灰岩层数、厚度变化等得到说明。上述变化正是由于马莲滩矿区基底的相对隆起和呼鲁斯太、石炭井矿区一带的同沉积坳陷而引起的向北或西北倾斜的古斜坡所造成的。

（四）山西组沉积体系时空演化

二叠系下统山西组（P1s）沉积建造上属于华北型陆相碎屑岩系，岩性主要为灰白色粗粒砂岩、灰黑色细粒砂岩、粉砂岩、泥岩夹煤层。底部普遍发育一层较稳定的细—粗粒长石石英砂岩，砂岩层中常见大型板状交错层理，含粗大植物茎、干，含煤2～10层，上部多为局部可采的不连续的薄煤层，下部发育有厚煤层，但受上部砂岩冲刷严重，与下伏地层太原组呈整合接触。

1.山西组含煤岩系沉积环境演化特点

山西组继太原组沉积之后，其下段是一套以河流作用为主的河控三角洲沉积体系，依据其岩性、岩相及空间分布特征，可以划分成2～3个在空间上相互叠置的三角洲小旋回。下部的三角洲小旋回以三角洲前缘和三角洲平原沉积为主，并且三角洲前缘具有厚度小、不发育的特点，是典型的河控三角洲沉积；上部的三角洲小旋回则以三角洲平原的河口砂坝和分流河道沉积为主体，三角洲前缘的沉积不发育。在每个三角洲朵叶的废弃阶段，都有重要的可采煤层形成，煤层厚度大，层位稳定。山西组上段以上三角洲平原和滨海平原的河湖相碎屑岩沉积为主，岩性、岩相不稳定，旋回结构变化大，含煤性差。

山西组发育的三角洲在空间上存在着自北或东北向南或西南逐渐推进的特点。碎屑物源区位于本区北侧或东北侧，低凹的浅水海湾或潟湖位于本区的南部或西南隅，整个山西组的沉积演化，表现为对低凹浅水海湾或潟湖的不断填积过程，直至向滨海河湖相沉积发展。

结合区域古地理分析，本区山西组在贺兰山北段的马莲滩矿区一线，厚度明显变薄，厚30～50m，同时砂体发育差，煤层层数少，含煤性差，向北至李家沟、石炭井和呼鲁斯太矿区，山西组的厚度为90～120m，同时砂体发育广泛，厚度巨大，粒度变粗，含煤层数增多，厚度大，稳定性好。山西组三角洲朵叶的迁移叠置存在着自沙巴台向李家沟、石炭井和呼鲁斯太矿区逐渐发育的总趋势。同时，山西组上段的沉积，沙巴台矿区主要以河流沉积为主，而石炭井和呼鲁斯太矿区则含有较多的湖泊沉积产物。

2.山西组沉积环境演化的主要控制因素

山西组是在晚石炭世晚期大规模海退的基础上逐渐发育的一套以三角洲沉积为主体的含煤沉积，其沉积厚度不大，但分布广泛，厚度变化不大。说明晚石炭世贺兰山再生坳拉槽已经基本上停止了发育。在土坡组、太原组沉积的填平补齐作用下，区内的隆坳幅度和古地理差异进一步缩小。因而山西组的沉积更趋于稳定，其中厚—特厚煤层的广泛发育便是极好的佐证。

贺兰山北段羊虎沟期存在的马莲滩—沙巴台一线的古隆起，虽然在晚石炭世已逐渐消失并为太原组沉积所超覆，但对山西组的沉积仍存在着同太原组相似的控制作用。沿马莲滩至沙巴台南段一线，山西组的沉积厚度薄（正义关、石嘴山、马莲滩一线仅30～50m），含煤层数少、厚度小，并逐渐合并直至尖灭，而且砂体发育差，大多为不连续的透镜体状，分布局限。因而，可以说明矿区南端的古隆起一线，其沉积环境与北端有着显著的差别。

根据山西组岩性、岩相的展布规律及区域古流向的综合分析，山西组沉积时的古地理格局仍然是：陆源区位于本区北侧或东北侧，河流自北而南或自东北向西南向海湾或潟湖进积，区内自始至终存在着南高北低向北或西北方向倾斜的古斜坡。三角洲的发育由北或东北方向向南或西南方向依次叠置，发育于三角洲废弃朵叶上的煤层也基本是沿上述方向厚度变薄，间距变小，煤层数减少。