黄河北煤田石炭—二叠系山西组沉积特征
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黄河北煤田石炭—二叠系山西组沉积特征【摘要】利用传统方法和粒度分析，在研究区的沉积特征研究上实现了定量化，同时在前人的基础上对研究区进行了系统的深入的研究，通过研究得知黄河北煤田晚古生代山西组的地层沉积环境以海陆交互的三角洲沉积环境为主，海水整体的下退，而且未出现大的海侵，三角洲平原相最为发育，其中以分流河道相为主，为河控浅水三角洲沉积体系。
【关键词】黄河北煤田；山西组地层；沉积特征；沉积环境；沉积相；粒度分析概述1）位置和范围黄河北煤田位于华北地台山东台背斜西缘，鲁西断块鲁中断隆西北缘，在东阿—济南—临朐单斜凹陷的偏西部（如图1）。
其南为泰山断凸和肥城断盆，北部边界为著名的聊考大断裂，断裂上盘即济阳坳陷，西为阳谷茌平煤田预测区；东为章丘煤田。
该煤田地层系统属华北型[1]，基本构造形态为一单斜构造，地层走向N50°E，倾向北西，倾角5°～8°。
黄河北煤田全长50km，大体平行于黄河，呈NE～SW方向延伸。
自西向东分为旦镇、长清、袁庄、济西等勘探区。
区内山西组含煤岩系普遍受岩浆侵入影响，并使部分可采煤层变成天然焦及高变质的煤。
2）地层黄河北煤田地层区划属华北地层区鲁西地层分区的一部分。
石炭—二叠系含煤岩系假整合于中奥陶统石灰岩之上。
煤系基底为奥陶系与寒武系，出露于黄河南岸的长清至平阴一带，形成中、低山丘陵区。
石炭—二叠系全被厚度较大的第四系、上第三系所覆盖。
缺失中生界、下石炭统、泥盆系、志留系、上奥陶统与元古界。
根据最新地层划分方案，在对该研究区的地层分界时，将石炭系与二叠系的分界位置向下迁移，太原组上部地层要划入二叠系，下部地层要划为石炭系。
在研究区，前人对晚古生代地层的沉积特征作了一定程度的研究，但程度比较浅，而且只是利用了传统的研究方法，本次研究，作者利用了传统方法和粒度分析进行了综合的深入的研究，同时对研究区的晚古生代地层的沉积特征初步进行了定量化的研究。
1 岩性特征1.1 主要岩石类型黄河北煤田晚古生代含煤地层主要发育砂岩、泥质岩、碳酸盐岩、火山碎屑沉积岩和可燃性有机岩（煤）。
不同时代地层中岩石类型及丰度有一定差异，从剖面上看山西组沉积物主要为陆源碎屑沉积岩，以砂岩占优势，碳酸盐岩不发育，偶尔出现湖泊相的泥灰岩。
研究区各主要岩石类型及岩性特征叙述如下：1.1.1 砂岩砂岩是黄河北煤田山西组含煤地层中分布最广的岩石类型之一，约占整个煤系地层的三分之一，该地层从老到新砂岩丰度逐渐变大。
砂岩的主要是陆源碎屑性质，成分以石英、长石为主，其次是云母、岩屑和重矿物等。
研究区的砂岩以中、细粒居多，但靠近山西组上部砂岩粒度较粗，砂岩的成分成熟度一般较高，石英平均含量约占碎屑组分的80%左右，主要为单晶石英，含少量多晶石英和稳定的硅质岩岩屑。
长石在研究区风化比较严重，一般呈污浊的土黄色，或者呈灰白色；结构成熟度相对较好（但比石盒子组的结构成熟度差），主要表现为分选性较好（分选中等—好）、磨圆度较高（次圆状—圆状），填隙物除硅质、钙质、铁质等化学胶结物外，也有粘土胶结，常含不等量的泥质杂基，有时在砂裂隙被方解石脉充填。
1.1.2 泥质岩研究区内含煤地层中的泥质岩主要为杂色页岩、泥岩、碳质页岩、粉砂质泥（页）岩，以及以单矿物为主的高岭石粘土岩和蒙脱石粘土岩，研究区山西组地层中泥质岩的丰度则小于砂岩。
约占四分之一到三分之一之间。
在山西组下部地层中的泥质岩以黑、深灰、灰色为主上部以灰白、灰色为主，到顶部则以杂色为主（主要为紫色）。
说明了沉积环境的改变，沉积环境由还原环境向氧化环境转变。
1.1.3 碳酸盐岩研究区山西组含煤地层中石灰岩以透镜状出现，且含量非常少，该区很难找到可对比的主要层位。
1.1.4 粘土岩研究区的粘土岩较多，一般具有滑面，在山西组发育较多，山西组的下部颜色以深色到灰白色为主。
层序Ⅲ下部的粘土岩成分主要是伊利石和蒙脱石，上部主要以高岭石为主，标志着沉积环境向陆相开始转化。
1.2 颜色沉积岩的自生颜色是地球化学特征的良好指标，在研究区可见到褐色粘土岩和灰白色粘土岩，反映了不同的水动力和水介质条件，自生色主要取决于岩石中含铁自生矿物及有机质的种类和数量，粘土岩、化学岩和生物化学岩的自生颜色对古水介质的物理化学条件有良好的反映，在研究区常见的含铁矿物主要是褐铁矿、黄铁矿、菱铁矿等。
沉积岩在形成过程中难免还会有次生变化，要注意区分。
自生的粘土矿物在研究区比较常见，它可以反映水介质条件，如大陆环境主要是酸性介质，以高岭石为主；湖泊相的粘土岩要根据覆水深度和水介质条件做具体分析；海洋环境粘土沉积多以伊利石和蒙脱石为主，具有良好的指相性。
本研究区层序Ⅲ的粘土矿物多指示过渡相环境，而层序Ⅳ则指示陆相环境，总体看来，在层序Ⅲ顶部开始发育指示陆相环境的沉积物，华北陆表海慢慢退出了研究区。
2 沉积构造黄河北煤田晚古生代含煤地层中常见的沉积构造类型有可以反映不同水动力条件和沉积环境特征的层理以及生物扰动等。
沉积岩的构造特征是沉积时水动力条件的直接反映，具有良好的指相性。
2.1 层理层理是沉积物沉积时在层内形成的成层构造。
沉积物在搬运和沉积时，由于介质（如水、空气）的流动，在沉积物的内部以及表面形成流动成因的构造，层理由沉积物的成分、结构、颜色、以及层的厚度、形状等沿垂向的变化而显示出来。
在研究区主要层理构造有水平层理、平行层理、交错层理、波状层理、韵律层理等。
2.1.1 水平层理水平层理主要产于细碎屑岩（粉砂岩、粉细砂岩互层和泥岩）和泥晶灰岩中，细层平直且与层面平行，细层可连续或断续，细层约0.1μm。
水平层理是在比较弱的水动力条件下，由悬浮物沉积而成，因此，它出现于低能的环境中，如湖泊深水区、泻湖、砂泥混合坪、分流河道间的低洼积水盆地及分流间湾环境。
在研究区水平层理和微波状水平层理较发育，尤其在泻湖相、混合坪相和分流间湾相常见。
2.1.2 平行层理平行层理主要产于砂岩中，在外貌上与水平层理相似，是在较强的水动力条件下（如河道、湖岸、海滩等环境），高流态中由平坦的床沙迁移，床面上连续滚动的砂粒产生粗细分离而显现出的水平细层。
细层侧向延伸较差，沿层理面易剥开。
2.1.3 大型交错层理交错层理是研究区最为常见的一种层理，在层的内部由一组倾斜的细层与层面或层系界面相交，所以又称斜层理。
研究区主要类型有板状交错层理、楔状交错层理、槽状交错层理、波状交错层理等，主要产于粉砂、细砂及中砂岩中，出现于分流河道、潮道、潮沟、决口扇、潮汐砂脊及混合坪。
主要成因是：①流水成因的交错层理，研究区多见板状、槽状交错层理，尤其在山西组砂岩中最为常见。
在泻湖环境的粉砂及粉细互层砂岩中多见小型的流水成因交错层理；②波浪成因的交错层理，多见浪成砂纹层理和波状交错层理；③研究区混合坪及远砂坝的含泥质粉砂、粉细互层砂岩中多见潮汐成因的脉状及透镜状层理。
2.1.4 波状层理、互层层理及复合波状层理波状层理实际也是一种交错层理类型之一，由于波状层理在黄河北煤田山西组地层中非常发育，对称波状层理较多，因此将其单独列出。
层内的细层成连续的波状、断续波状或薄的泥纹层和砂纹层成波状的互层，多见小型波状层理、复合波状层理和缓波状层理等，在细砂岩中也发育波状层理，例如粉砂岩和细砂岩的互层构成的波状交错层理。
2.1.5 韵律层理由层与层间平行或近于平行的、从数毫米至数十厘米的等厚或不等厚、两种或两种以上的岩性层的互层重复出现所组成，韵律层理的成因很多，可以由潮汐环境中潮汐流的周期性变化形成潮汐韵律层理，也可以由气候的季节变化形成季节性韵律层理，还可以由浊流沉积形成复理石韵律层理。
在黄河北煤田中韵律层理多为潮汐流形成的潮汐韵律层理。
2.2 生物扰动构造由于生物的活动使沉积物原始构造受到破坏，最常见的类型是虫孔和动物爬行迹，研究区的生物扰动构造，多产于粉细互层砂岩中，尤其在混合坪及远砂坝环境中发育，一般以浑浊状层理出现。
2.3 古生物特征2.3.1 动物化石类型研究区主要发育的生物有蜓类海百合茎、双壳类和腕足类化石，这些生物主要发育在台地相的灰岩中，且个别地区的化石个体较大。
从地层上看，主要位于本溪组、太原组和山西组下部，这些特征都表明海水还没有完全退出该地区，但已经出现了海陆的交互环境。
2.3.2 植物化石类型黄河北煤田主要发育的植物有轮叶泛分布，其中，浅海相的本溪组和海陆交互相的太原组以及山西组下部沉积物中均发育以上植物化石，在山西组上部的过渡相沉积物中主要含有苛达叶，鳞木以及轮叶等化石，多出现在细砂岩、粉砂岩、泥岩粘土岩中，粘土岩中则常见植物根化石。
在石盒子组中植物化石多呈化石碎屑，细粒碎屑岩中常见植物根化石Colamitea Svckowi等，说明海水意境完全退出该研究区，这些植物碎片代表了河道或湖泊环境沉积物的发育。
3 粒度分布特征在研究区砂岩丰度较高，为了确定沉积环境，对研究区的典型砂岩进行分析，砂岩粒度分析是一种定量的分析方法。
在传统情况下需要通过切片在显微镜下，测量颗粒粒径大小并进行分区间统计，然后绘制出概率累积曲线和概率直方图，通过计算和分析来解释沉积环境。
利用计算机成图和分析是近年来新发展的粒度分析的一种方法和手段。
但是计算机直接编制的曲线需要通人工参与来纠正成三段式形状。
通过以上数据及相关资料判定为河控浅水三角洲沉积环境。
从以上综合分析知道，太原组沉积环境是海相为主的沉积环境，并且海进海退较快，沉积的连续性、过渡性差；山西组的沉积环境以海陆交互的三角洲沉积环境为主，海水整体的下退，而且未出现大的海侵，三角洲平原相最为发育，其中以分流河道相为主，为河控三角洲；到石盒子组海水整体退出华北地区，华北总体进入陆相环境，沉积环境以陆相三角洲为主。
4 小结研究区的山西期下部为海陆交互沉积，在上部发育大型三角洲复合沉积体系，是一套从海到陆的过渡相沉积，主要沉积相包括：分流河道相、决口扇相、废弃分流河道相、天然堤坝相、分流间泛滥平原相、分流间湾相、分流间沼泽相及泥炭沼泽相等。
在山西期沉积时总体海平面下降，沉积物性质开始发生改变，开始沉积陆相物质，沉积环境从海陆交互沉积环境开始转化为陆相的河流—湖泊沉积环境。
通过以上分析，研究区晚古生代地层的沉积特点是：山西组的沉积环境以海陆交互的三角洲沉积环境为主，海水整体的下退，而且未出现大的海侵，三角洲平原相最为发育，其中以分流河道相为主，为河控三角洲；发育河控浅水三角洲沉积，此沉积体系具有以下显著特点：三角洲平原上分流河道十分发育；三角洲前缘沉积厚度小，或被分流河道冲蚀变薄，甚至缺失；分流间沼泽成煤条件好，是重要的聚煤场所。
总体说来研究区在晚古生代是一个海水逐渐退出的沉积过程，沉积物逐渐由海相向陆相转变。
沉积相由海相向海陆过渡相和陆相转变，最终变为陆相环境海水整体退出华北地区，到中生代研究区全部变为陆相环境。
