滇东含煤区晚二叠世沉积迁移与聚煤规律分析

2024-01-17刘复焜

能源与环境 2023年6期

刘复焜

（福建省196地质大队福建漳州 363007）

晚二叠世作为全球地质历史时期重要的成煤—聚煤期［1］，在我国华南地区也形成了大量的可采煤层，尤以西南各省煤炭资源最为丰富，滇东、黔西、川南等含煤区已成为我国南方主要的煤炭生产基地［2］。滇东含煤区晚二叠世所形成的1 套易受海进—海退变化影响的近海型含煤岩系，呈现出陆相→海陆交互（过渡）相→海相的沉积相变特征，为分析该时期沉积环境变迁和聚煤规律提供了较为理想的地层基础［3-4］。康滇古陆东侧聚煤区晚二叠世沉积环境以及聚煤模式的研究，早在20 世纪80 年代初我国很多学者就已展开了相关的研究工作。而聚煤规律方面也同时得以获得较为广泛的关注，并取得了一大批成果。其研究方向主要聚焦于滇东地区煤系地层沉积环境、聚煤规律、聚煤环境、成煤模式、含煤性以及对煤储层的影响等［5-11］。此外，王基生等［12］还通过对沉积磷酸盐古盐度；刘晶晶［13］对煤中矿物质进行地球化学分析，均揭示了滇东晚二叠世含煤地层的古沉积环境与地质过程的指示意义。而且，我国含煤岩系沉积学的理论发展演进经历了旋回层理论→沉积模式→层序地层学理论阶段，并出现了各种聚煤理论体系以及成煤—聚煤模式［14-15］。但过去人们的研究一般只注重阐明不同沉积环境或体系下的聚煤规律，而针对沉积迁移及其对成煤作用与聚煤规律的影响所开展的专门性分析研究则相对鲜见。因此，笔者在充分借鉴前人研究成果的基础上，从区域构造背景入手，通过对滇东含煤区晚二叠世煤系地层沉积环境与沉积迁移规律的分析，初步总结了该区的成煤环境以及聚煤规律。

1 区域构造背景

我国西南晚二叠世含煤区属近海型聚煤区近陆部分，其沉积构造背景为：早晚二叠世末发生华力西期（海西期）第二幕东吴运动［3］，使康滇古陆及其两侧地幔物质上涌，地壳隆升，在川滇古陆东侧，原阳新海退到黔西南及桂西北地区，阳新灰岩面遭受短暂剥蚀。板块活动伴随沿古断裂形成川滇陆内张裂带，导致沿小江断裂带等南北向构造带为主要通道，同时发生大面积的玄武岩喷溢，在茅口灰岩上形成西厚东薄的玄武岩楔形斜坡。之后由于深部热衰减及冷缩，导致古陆边缘地壳持续缓慢沉降，为陆源碎屑物质供给创造了较为充分的条件，在川滇古陆东缘大致以小江断裂为界，持续沉降，形成滇东、黔西、川南广阔的晚二叠世聚煤沉积区。

康滇古陆东缘，有几个固定的大型古陆山口，不断向沉积区输送大量陆源物质（几乎全为玄武岩屑），形成几个古河流区，冲积物前方扩大，侧向相连，形成云南宣威—富源冲积平原陆相沉积。这些由古陆山口控制的河流，多为NW-SE 走向，其最靠南部的古河为寻甸河，其源头在今云南省寻甸县功山乡附近的支锅山，发现晚二叠世聚煤期砾岩厚度超200 m，一直延续到下三叠统下部。该河流砾石带，经过罗木矿区，北缘到达庆云矿区南侧石关，南缘到达大河-云山（营上）一带。

2 区域沉积环境及煤系地层特征

根据滇东等西南地区聚煤盆地的充填规律以及区域构造演化情况，可把煤系地层从上而下分为3 段：第1 段（P3l1）为海侵段；第2 段（P3l2）为沉积补偿过剩形成的海退段；第3 段（P3c）为长兴期海侵段。根据沉积作用以及海水进退规律，可将该区沉积环境成煤作用划分为3 个阶段。

（1）第1 段（P3l1）：为龙潭组沉积早期的1 次较大海侵，除了沉积开始各古山口河流带来的砾石形成扇三角洲（从邻近高地进来的冲积扇辫状河砾石，未经过冲积平原直接进入蓄水盆地的粗碎屑沉积体）之外，还包括几个古山口的冲积扇和紧接冲积扇前缘发育的辫状河砾石（粗砂砾），最后进入云贵2 省交界附近贵州火铺、水城、威宁一线的陆表、浅海、河口湾而中止。砾岩中止之处，是最早的海岸线，它的前方和侧向的河流间湾多为过渡相的泻湖—潮坪沉积体系。总体上是由于该时期海侵已发生，且海水尚未到达时，沉积在玄武岩斜坡陆面上的第1 个盖层岩石地层单位（专指底砾）。同时，由于地壳沉降运动以及早期新鲜坚硬的玄武岩风化碎屑产率较低，出现1 次大范围的欠补偿海侵，海水逼近沉积盆地构造边缘，淹没相对的高坡，不论地层厚度或是否含煤，下部普遍沉积有1 层含瘤状和圆珠状黄铁矿结核的粉砂质泥岩。

（2）第2 段（P3l2）：为龙潭组沉积晚期的1 次较大规模海退，区域构造沉降较平缓，但陆源物质供给充分，处于沉积补偿过剩阶段，是滨海平原向海的方向扩大，呈现进积型特征。自下而上冲积扇与曲流河逐渐向沉积边缘退缩，平原化程度越来越高，河水分流快，滨海平原网状河发育，前方与潮坪相接，形成广阔的沼泽环境，持续时间较长。区域上部的主采煤层M7、M9的沉积延伸范围，既向西部沉积边缘超覆，同时也向东部海的反向倒扩，即双向发育扩展。由此形成滇东地区沉积范围最广、煤层厚度最大、稳定性最好、煤质灰分最低的可采煤层。

（3）第3 段（P3c）：为长兴期海侵段。该段在离陆源碎屑供给区相对较远的云南富源老厂矿区和镇雄煤田东部海侵特征表现的最为明显。其中在老厂矿区长兴组各沉积煤层的顶板，几乎都含海相动物化石，有时见有薄层灰岩；而在镇雄煤田东部，则夹有2～4 层灰岩，含煤性不好，向西减少并出现钙质粉砂岩等岩性变化，煤层层数增加，并有可采煤层，该时期煤层主要为低硫煤与高硫煤交替出现。但在宣威、富源一带，因处在冲积平原上，恩洪矿区此时受牛首山古陆的影响，海侵特征不甚明显，但在M7、M6、M2+1煤层顶板偶见有海相动物化石，煤层几乎全为低硫煤［16］。

3 区域煤层沉积与迁移规律

滇东等西南聚煤区晚二叠世主要以康滇古陆东缘小江断裂为边界，由于处于板块构造边缘，地壳运动较为活跃，沉积基底持续沉降，煤系连续沉积的海侵式成煤序列，属近海型煤田。其沉积古地理单元自西向东依次为：川滇古陆剥蚀区→陆相沉积区→海陆过渡相区→海相区的顺序变迁。而近海型聚煤区或含煤区基底的连续沉降，意味着会发生海侵事件，但由于距陆缘区较近，碎屑物质补给充分，因而滇东地区含煤地层的沉积环境主要以陆相或海陆过渡相为主。滇东陆相区煤系地层一般称为宣威组，而海陆过渡（交互）相区含煤地层则称为龙潭组，其实际包含龙潭期、长兴期2 个同期异相含煤沉积。长兴组（期）与龙潭组（期）的界线，以滇东统一编号的M7主采煤层顶板为界。该煤层中部含有上细下粗等正粒序的2 层火山灰蚀变粘土岩夹矸，具有明显的粒度韵律结构特征和等时性，可在滇东、黔西、川南广大聚煤区内进行地层对比。M7煤层顶板在云南富源老厂矿区有薄层灰岩发育；在滇东北镇雄—宣威一带，C5煤层顶板发育硅质灰岩、泥灰岩或钙质粉砂岩，含古（Paleofuslino sp.）柯兰尼虫（Colaniella sp.）；在黔西含煤区的相同层位发现假提罗菊石，均为长兴阶标准化石，代表长兴期海侵的开始。总体上，在上述矿区二叠系长兴组各煤层顶板，常见海相化石，偶见碳酸盐潮下沉积环境。但在滇东宣威至富源云山（营上）一带，因受冲积平原河流淡水的持续冲刷影响，煤系地层第3 段（长兴组）海侵特征不够明显，但在云南恩洪、后所、庆云等矿区M6煤层顶板或M7煤层附近的1 层黑色泥岩中，有时发现有海相瓣鳃类动物化石，表明其在沉积的过程中曾局部受到海水入侵。

滇东等西南地区晚二叠世的聚煤作用，总体表现为海进（海侵）—海退成煤的特征。其中滇东沉积区海侵方向是由E向W、由S 向N 推进，其合成海进方向是由SE 向NW 推进。体现在煤层层位及其沉积范围，自下而上由SE 向NW 方向超覆迁移，层位逐渐抬升，呈叠瓦状分布。即含煤岩系下部煤层，首先在东部滨海地区接受沉积，之后向西逐渐尖灭而不含煤（如沾益罗木、宣威羊场矿区西部下段含煤性极差甚至不含煤）；而煤系上段的可采煤层在沉积区偏西位置开始向西部延伸最远，成为沉积区边缘的卡居、来宾、倘塘唯一的可采煤层段；煤系第2 段因海退引发的沉积性过剩补偿，泥炭沼泽同时向陆和向海的方向双向扩大，两侧延展发育，使龙潭组晚期含煤性最好、成煤层位最稳定、煤层分布范围最广（如滇东的M7、M9和滇东北的C5煤层），出现多个富煤区，与黔西、川南一带的富煤区相连，构成了滇东地区主要的聚煤区。而云南富源大河、云山（营上）及恩洪矿区恰好处在煤系地层3 段均含可采煤层的叠加区，整体上以下、中段赋煤为主，其中下段煤层组合结构较为复杂，厚度变化较大，层位较不稳定，含硫较高；中段煤层结构较为简单，稳定性较好，为低硫和特低硫煤；上段煤层层位也较不稳定且可采煤层数少。区域上，煤系地层含煤性出现由上段向中下段变好迁移；自SE 向NW 方向迁移的规律，该区煤层沉积迁移与海侵推进的发育趋势基本一致（图1）。

图1 滇东含煤区晚二叠世含煤岩系沉积岩相与古地理

4 滇东聚煤规律分析

滇东地区晚二叠世含煤区处在陆相冲积平原与海陆过渡区相交接处，其初始的过渡区界线大致位于云贵2 省交界处。沉积盆地为浅陆表海，由古陆边缘一系列位置固定的山口陆源河供给大量碎屑物质，由于地壳连续沉降，物质补偿与海水进退等因素的综合作用，形成三角洲。三角洲是近海型煤田成煤的必要条件，但它是多相叠加的综合体，在一定程度上可反映成煤环境。

4.1 成煤环境

滇东海陆过渡相区常规的成煤环境是冲积平原，是河流沉积体系的堆积产物，在其上面发育的潮坪—泥炭沼泽对成煤作用有较大的影响。但其成煤环境主要取决于河流型式变迁所形成的泥炭沼泽发育程度。龙潭组与长兴组的海陆过渡相或陆相的煤系地层，总体表现为近海型煤田海侵序列的成煤、聚煤环境［16］。而且，海进海退交替出现也会影响成煤作用的程度，尤其是每次短暂的海侵均可把沉积界面夷平，与海平面接近，从而形成平坦开阔、泥炭沼泽发育、含煤性较高的平原成煤环境。

其中冲积平原上一般发育完整的河流，流向均为西部边缘往东部近海方向迁移，呈现条带状相间发育，均控制着各种沉积岩相在空间上的组合关系。从上游到下游河流类型变化的模式主要为：古陆山口冲积扇→高能量的辫状河→中能量的曲流河→低能量的网状河（图2）。具体为：

图2 滇东含煤区晚二叠世含煤岩系河流变化模式与沉积体系

（1）辫状河：上游与冲积扇相接，河床坡度大，水流能量高，沉积粒度粗，不成煤。

（2）曲流河：上游以辫状河平直河道发生蛇曲摆动开始至发生分流河道终止，地形较平缓，下游更平。上段河曲发育，河床常因淤积而高出两岸，发生决口而不断迁移，并形成泛滥平原、废弃河道及沼泽化成煤。河道砂层呈“之”字形上升，煤层层位交替上升，成煤环境不连续、不同期，很难对比，成煤条件差。下游段多为分流河道，河道间区沼泽成煤，煤层在平面上常被河流砂体分隔，但尚能对比清楚，是较好的成煤环境。

（3）网状河：发育在河流的下游，地形十分平坦，从曲流河分流河道开始，不断分流扩大，并出现多源头网状河并网，联结成巨大的体系，流水高度分散，通过细小水沟及渗透缓慢流动，全面沼泽化，前方与潮坪沼泽连接，在最大海岸线（高潮线）两侧发育高度相近，面积广阔的泥炭沼泽所形成的M7、M9煤层走向长几百公里、宽几十公里，是滇东等西南各聚煤区最好的成煤沼泽类型。

在滇东恩洪矿区，因有牛首山古陆屏障，受滇东古河流影响较小，冲积平原不发育，多为泻湖—潮坪沉积体系，海侵特征较明显：①岩层呈深灰～灰黑色，岩层与煤层普遍含侵染状、斑状和瘤状、姜结状黄铁矿结核，煤层含硫高达4%以上，反映为较强的还原环境；②岩层中常见砂泥薄互层状、脉状、透镜状、双黏土层和“之”字型的潮汐层理，有时还夹有薄层灰岩；③常见瓣鳃类、蜿足类动物化石及生物活动的痕迹化石；④底部岩层中常夹有1 层厚0.10～1.00 m 的蜡黄色水云母泥岩，矿物成份为伊利石和蒙脱石，是火山灰降落在海水碱性介质中蚀变而成（火山灰降落到泥炭沼泽酸性环境中，则蚀变为高岭石），此层断续分布在威信、羊场、富源大坪、恩洪一线，在靠近西部沉积边缘的宣威、来宾、鲁甸等地也有发现，说明海侵影响的范围很大；⑤煤层除含硫较高外，煤层结构较复杂，变化大，稳定性较差。⑥在恩洪矿区、阿岗、扯土、色戈一带，底部的2 层煤中发现有海相动物化石，煤层及其顶底板为含结核状和星散状的黄铁矿层，是云南省与含煤地层有关的泥积型硫铁矿矿区。在滇东北镇雄东部黑树庄、威信顺河等地含煤地层底部的硫铁矿层都是同一成因，上述均为受海侵影响的特征。而在宣威-富源冲积平原上，因受古河流影响，海水被淡化，底部岩层和煤层仍见黄铁矿结核，煤层含硫低一些，一般为含硫1.5%～2.5%的中硫～中高硫煤。在宣威羊场、来宾、彝良、昭通等地，虽然下段已不含煤，但岩层中黄铁矿结核依然存在。就各个主采煤层而言，海侵事件发生时，成煤环境形成一般由海向陆方向推进，相应的成煤条件逐渐增强。该区东侧因海相地层增多而引起成煤条件消减，即上部煤层相较于下部的分布范围存在向西或北西移动的趋势，这种现象在该区恩洪或镇雄矿区表现得尤为显著。

4.2 聚煤规律

煤层的形成一般由沉积岩性、古地理、古环境、古气候以及古构造的控制，还受海侵海退频率的影响。康滇古陆边缘由于地壳持续沉降，滇东地区沉积平原化程度逐渐增高，河流类型变化形式往成熟度更高的曲流河、网状河发展演化，泥炭沼泽沉积相也同时向陆地和海洋方向双向迁移扩展。而冲积平原上各河流在时间和空间上，河流型的发育程度与河流入海前的长度有关。因此，一般层序（层次的）聚煤作用，取决于何种河流沼泽类型与潮坪沼泽相接，从而控制着聚煤沼泽的大小和含煤性的好坏。辫状河直接入海（过渡区）与潮坪沼泽相接，陆相区不含煤，多见于滇东煤系下段。曲流河沼泽与潮坪沼泽相接，陆相区含煤较好，整体成煤也较好。网状河沼泽与潮坪沼泽相接，在高潮线两侧广大地区聚煤，成煤条件好。

根据滇东含煤地层的3 个成煤阶段（时期），可认为其沉积作用大致经历了1 个大旋回，在垂向上各煤层的成煤环境由曲流河沼泽开始，以网状河沼泽告终，而且网状河超覆曲流河，出现一次最佳聚煤时间窗口，以龙潭组第2 段（P3l2）为代表，M7、M9中段主采煤层最为明显，还包括一些沉积小旋回，如M12等较稳定煤层的出现，属于典型的网状河沼泽大范围聚煤模式。而第1 段（P3l1）则出现冲积扇前缘的辫状河以及前方、侧向局部发育的河流间湾，成煤作用也大多集中于个别海陆交互相的泻湖—潮坪过渡环境，常受到海侵的影响，一般形成薄煤层且不稳定。第3 段（P3c）海侵事件发生的频率不稳定，造成该区的成煤作用分布不均，只是局部地区出现可采煤层。总体聚煤规律呈现出：横向上，从南东至北西含煤性逐渐变好，含煤程度由海往陆出现增强迁移；纵向上，海侵（第1 段）→海退（第2 段）→海侵（第3 段）均形成了厚度、稳定性不一的煤层，但海退阶段成煤作用最强，故第2 段含煤系数、可采系数及厚度都大且较为稳定，而海侵的早、晚期间地壳一般不稳定，所形成的煤层薄且大多是不稳定煤层。相对应的是早期（第1 段）海水进退频繁，成煤基底不稳定，属于退积型聚煤，小旋回多，厚煤层难形成；中期（第2 段）海水进退频率低，海平面下降，基底稳定，属于进积型聚煤，沉积旋回厚度大，厚煤层及富煤区易于形成；晚期（第3 段）海水进退次数较多，海平面渐升且动荡，基底较不稳定，也属于退积型聚煤，旋回完整性较差，但局部可形成厚煤层。