湘東北地區安源煤系三角洲沉積與演化特征

劉海波，劉石磊，武志偉

(湖南理工職業技術學院風能工程系 湖南 湘潭 411200)

0 地質背景

受拉丁大海退影響，中國南方的華南板塊與北方大陸連成了一片陸地[1]，終于改變了我國長期存在的“南海北陸”古地理格局。但位于華南板塊內部的楊子、華夏板塊碰撞拼接縫合帶[2]仍因地勢低洼而成為窄長的海灣。海水從湘粵淺海[3]，經北北東向的湘東海灣[4-5]，在湘東北一帶轉向北東東向的萍(鄉)-樂(平)坳陷帶[6-7]，形成了晚三疊世的湘贛海灣，發育以安源煤系為典型代表的海陸交互相含煤沉積。

湘東北地區的醴陵-瀏陽一帶在晚三疊世處于湘贛海灣西北部的轉折端，更西北則是湖南山地[8]或更大范圍的湘黔桂高地。湖南山地或湘黔桂高地的地表水不斷地向東南匯入湘贛海灣，在海灣濱岸地帶形成了一系列的三角洲，其中以瀏陽澄潭江礦區的澄潭江三角洲最為典型，其發展演化歷史可為代表。

湘東瀏陽市澄潭江礦區位于羅霄山脈西麓。地質構造體系屬于湘東多字型構造體系東端的上山嶺復式向斜主體。區域地層屬華南地層區湘中-湘南區邵陽-瀏陽小區，出露地層主要有上元古界板溪群、泥盆系、石炭系、二疊系、上三疊統、白堊系及第四系。上三疊統安源煤系厚達2 000m以上。據巖性組合特征，可將其劃分四個巖組，自下而上依次為紫家沖組、三家沖組、三丘田組、造上組[9-11]。

造上組(T3zs)：底部為灰白色石英礫巖夾灰色粉砂巖、細砂巖；下部為石英粉砂巖夾粉砂質泥巖；上部為粉砂巖、粉砂質泥巖互層。

——三都運動

三丘田組(T3sq)：底部由灰色燧石石英細礫巖、砂礫巖和含礫粗砂巖組成；中、下部以灰黑色泥巖、深灰色粉砂質泥巖為主，夾粉砂巖、煤線；上部以灰色砂巖為主，夾灰黑色粉砂巖、泥巖及煤層、煤線多層。

——三灣運動

三家沖組(T3sj)：底部為灰色燧石石英細礫巖或相變為含礫砂巖、粗砂巖；下部為灰色薄層狀石英粉砂巖夾細砂巖、粉砂質泥巖；中、上部以灰黑色泥巖、粉砂質泥巖夾粉砂巖、少量細砂巖，富含菱鐵礦結核。

紫家沖組(T3zj)：底部為雜色至灰色燧石石英礫巖；下部以灰黑色粉砂巖、灰色細砂巖為主，夾粉砂質泥巖及煤層、煤線多層；中、上部以韻律性強的灰黑色粉砂巖、黑色泥巖互層為主，偶夾灰白色石英砂巖和煤線。該組巖性的樅、橫向變化大，相變嚴重。

1 三角洲體系的沉積特征

澄潭江礦區安源煤系由近源碎屑沉積巖夾煤層組成，碎屑粒徑粗，具正、反粒序沉積系列，分選差至中等，水平及交錯層理發育，富有機質，化石豐富，常見泥裂、雨痕及波痕，負載變形構造發育，底部沖刷構造發育。經研究，可識別出分流河道、水下分流河道、河口砂壩、分流間灣、泥炭沼澤等沉積相。

1.1 三角洲平原

澄潭江三角洲平原主要由分流河道和泥炭沼澤組成。

分流河道的沉積物以粗碎屑沉積物為主，多為礫石、含礫砂巖，夾少量中、粗粒砂巖；槽狀交錯層理發育，常見底部沖刷構造。三角洲沉積體系下部的分流河道沉積物由石灰巖、燧石和石英礫石組成，礫石的圓度、球度低，分選差、層理不清或為塊狀層理，具紅色氧化圈，河流相的二元結構顯著(圖1)；體系上部的分流河道沉積物主要由石英和燧石礫石組成，礫石的圓度、球度較高，分選較差，疊瓦構造常見，底部沖刷明顯，底面沖刷構造發育。

圖1 三角洲底部礫巖Figure 1 Delta bottom conglomerate

泥炭沼澤的沉積物多由富有機質的炭質泥巖與砂巖互層組成，夾煤線、薄煤層，發育水平或平行層理，負載構造、雨痕、泥裂(圖2)常見，植物化石豐富。體系下部的煤層結構復雜、甚至為復煤層，煤中夾矸向盆地中心逐漸變薄，巖性粒徑變小，夾矸層數減少并導致煤層合并。體系上部的煤層結構簡單，煤中夾矸往盆地中心增厚，導致煤層分叉直至變薄、尖滅。

圖2 泥裂Figure 2 Mud crack

1.2 三角洲前緣

澄潭江三角洲前緣主要由水下分流河道、河口砂壩和分流間灣組成。水下分流河道沉積物以中、細粒砂巖為主，分選性較差，槽狀交錯層理，槽底沖刷不顯著，但下部接觸關系突變，側向遷移顯著。三角洲沉積體系下部的水下分流河道沉積發育滑塌構造，常見砂質碎屑流巖(圖3)。沉積體系上部的砂巖層厚度穩定，但單個砂體在剖面上呈狹長透鏡狀；槽狀交錯層理發育，槽底沖刷不顯著，但槽底沉積物粒度明顯粗于兩側，側向遷移顯著(圖4)。

圖3 砂質碎屑流巖Figure 3 Sandy clastic flow rock

圖4 側向遷移顯著的槽狀交錯層理Figure 4 Lateral migration obvious trough cross-bedding

分流間灣沉積物以粉砂、泥巖互層為主，水平層理或交錯層理。三角洲沉積體系下部的間灣以河床漫溢沉積為主，沉積物粒度較粗，橫向上變化大，多具大型板狀交錯層理，泥炭沼澤沉積亦發育(圖5)。上部的間灣沉積物粒度較細，橫向上比較穩定，水平層理，常見波痕，化石豐富。缺乏煤層，但泥巖多為富有機質的炭質泥巖。

圖5 大型板狀交錯層理Figure 5 Large sized tabular cross-bedding

河口砂壩由中厚層狀的細、粉砂巖組成。交錯層理或平行層理。砂體底部沖刷構造不發育，變形構造較發育。垂向上，砂體下部往往從砂泥巖互層開始，往上逐漸變為厚層狀細砂巖層，砂粒徑逐漸變粗。

2 三角洲演化特征

澄潭江三角洲由初期的沖積扇、扇三角洲、淺水高建設性三角洲，逐步演化而成。其建設歷程復雜，旋回層次多，可劃分為4個大型旋回、6個中型旋回(Ⅰa、Ⅰb、Ⅰc)和19個小旋回(圖6)

2.1 建設Ⅰ期

從沖積扇沉積開始，逐漸轉化為扇三角洲[12-13]，再到淺水高建設性三角洲[14-16]。

Ⅰa1建設期為扇三角洲建設期。早期，粗碎屑直接堆積在干旱的風化殼上，成熟度低，具紅色氧化圈，層序上具有河流相的二元結構(圖1)，應是季節性河流的沖積扇沉積。平面上，沖積扇體由西北向東南呈扇狀分布(圖7)，并側向東北方向緩慢遷移。Ⅰa1旋回破壞期的改造作用不強，但扇三角洲進積作用減弱，三角洲平原上加積作用顯著降低，并開始出現泥炭沼澤沉積。

Ⅰa2期,受河流改道的影響，三角洲建設大舉向東側遷移，使三角洲的建設規模迅速擴大(圖8)。三角洲東部的底礫巖之下至不整合面之間普遍具有10 m以上的泥質沉積，層序上為反粒序沉積序列，且普遍發育砂質碎屑流巖[17-20](圖3)。這些表明此時的三角洲東部應建設速度快且水淺，經常發生滑塌。西部呈半廢棄狀態的三角洲體上形成了泥炭沼澤沉積。

Ⅰa3期,隨著水位的上升，盆地可容空間的擴大，供應碎屑物的粒度逐漸降低，三角洲的建設速度也明顯下降。三角洲東部的建設環境仍然復雜，分流河道遷移頻繁。西部環境相對穩定，地勢較高處多為泥炭沼澤地，形成了多層可采的、結構復雜的復煤層；且可能在中期出現過一次較大范圍的粗碎屑沉積過程。

Ⅰb期,三角洲建設規模進一步擴大，其東、西部的差異性迅速縮小，但內部地形仍有較大差異。

Ⅰc期,隨著湘贛海灣水位的上升，三角洲建設的進積作用明顯減小，但加積作用增強，東、西部建設的差異性也進一步減小。

Ⅰc2未期，整個三角洲被水淹，偶爾露出水面的三角洲即形成沼澤地。與紫家沖組下部各煤層相比，此期所形成的煤層即便層薄、但分布范圍較廣且穩定性較高， 說明三角洲經過幾個旋回的建設已經使三角洲體寬廣且地形趨于平坦。

圖6 三角洲建設旋回分析圖Figure 6 Delta constructive cycle analytical chart

圖7 三角洲Ⅰa1建設期古地理圖Figure 7 Delta Ⅰa1 constructive stage paleogeographic map

圖8 三角洲Ⅰa2建設期古地理圖Figure 8 DeltaⅠa2 constructive stage paleogeographic map

2.2 建設Ⅱ期

以破壞期的改造作用為主。此時，湘贛海灣水位維持高位，與湘粵淺?；ネ?，使得澄潭江三角洲主體大部時間處于水面之下，其建設周期短而破壞周期長。

Ⅱa1初期，海灣水位下降，三角洲體系重新活躍起來，開始了新一輪的、短暫的建設并隨后轉入破壞期的改造過程。經過三、四次較小的建設改造旋回，至Ⅱa1中后期，整個三角洲又一次被水淹而遭受著較長期的改造過程。

Ⅱa2、Ⅱa3期的建設情況和Ⅱa1期的基本相似，但破壞期可能更長，改造作用更強烈。

經過建設Ⅱ期數輪的改造作用，澄潭江三角洲的建設規模雖然沒有擴大，但其地形更趨于平坦，內部建設差異性進一步縮小。

2.3 建設Ⅲ期

三角洲的建設更趨穩定，且主要受海灣水位的控制。

Ⅲa1初，受三灣運動的影響，湘贛海灣水位迅速下降，澄潭江三角洲主體再次露出水面，并開始新的建設。底部細礫巖具大型槽狀交錯層，呈現強烈的側向遷移特性，表明其時三角洲地勢平坦，水位稍微下降后，側向遷移迅速的分流河道將碎屑物散布在整個三角洲體上。

Ⅲa2、Ⅲa3、Ⅲa4期的建設類似Ⅲa1期，但海灣水位仍然較高，使得三角洲露出水面的時間有限，三角洲的建設周期較短。

Ⅲb期，海灣水位較Ⅲa期更淺，破壞期的改造作用也更加弱化，特別是Ⅲb2期的改造作用更弱，該期所形成的每段砂巖向上相變為泥巖時都含煤層或煤線，即便是薄煤層、甚至煤線均保存較好。

Ⅲb2期的五煤層形成時，三角洲主體由水下逐漸露出水面，迅速沼澤化而形成五煤層。

五煤層形成中期，海灣水位曾一度上升，沼澤地退卻，區域性地形成了五煤層中部的夾矸。顯然，夾矸的碎屑物不是直接來自三角洲上的分流河道，而是分流河道帶入海灣水體后，由海灣水體間接供給的(圖9)。

圖9 三角洲5煤層形成期古地理圖Figure 9 Delta coal No.5 forming stage paleogeographic map

2.4 建設Ⅳ期

更大規模的一次建設期。

Ⅳa1初期，印支期的三都運動使得湘贛海灣的水位迅速下降，三角洲幾乎全部露出水面。分流河道在平坦的三角洲平原上呈現出強烈的游蕩性，在其上留下2～3層河床粗碎屑沉積物的同時，將三角洲沉積體系迅速推向東南部的海灣，迅速擴張了三角洲的建設規模。

Ⅳa2期，游蕩性強的分流河道隨著下蝕作用的不斷進行，已經下切原三角洲體(圖10)，并最終留下兩條相對穩定的主河流(圖11)。東邊一條規模較大，沖刷寬度可達1 000m左右，最終下蝕深度達到了Ⅲb2期所形成的五煤層上部；西邊一條規模較小，沖刷寬度僅300m左右，下蝕較淺，僅沖刷了Ⅲb2期所形成的三煤層上覆地層，基本上沒有破壞三煤層。

圖10 分流河道的下蝕Figure 10 Distributary channel downward scouring

圖11 三角洲Ⅳa2建設期古地理圖Figure 11 Delta IV a2 constructive stage paleogeographic map

Ⅳa3期，隨著主河道向東部發展，三角洲的建設也斷續向東推進。致使以澄潭江鎮造上村命名的造上組，最終采用發育更全的文家市鎮石康剖面作為標準剖面。

3 海灣水位升降特征

Ⅰa1初期，湘贛海灣水位很淺，本三角洲形成的河口一帶幾乎處于干旱的盆地邊緣，河流帶來的碎屑物呈沖積扇堆積。隨著水位上升，三角洲逐漸轉化為扇三角洲。至Ⅰa1期未，水位繼續上升，可能淹沒了雛形三角洲的主體。

Ⅰa2初期，水位迅速下降，主河道被Ⅰa1期所形成的雛形三角洲所封堵而被迫向東遷移，從而將三角洲的建設規模迅速擴大。至未期，終于形成了原始三角洲。

Ⅰb期，海灣水位比Ⅰa期已有明顯的上升，并抬升了三角洲的建設高度，降低了河流碎屑物的粒度，而三角洲的建設也以加積作用為主，進積作用明顯減弱。

Ⅰc期，海灣水位繼續上升，且上升速度逐漸超過三角洲建設速度，使三角洲由高建設期逐漸轉變為以破壞期為主的進程。

建設Ⅱ期初，海灣水位迅速下降，三角洲主體短暫出露水面，遭受過一定程度的風化剝蝕；隨后水位逐漸上升，再次淹沒了整個三角洲。整個Ⅱ期中，比較大的波動周期可分為三期，對應著三角洲的三個(Ⅱa1、Ⅱa2、Ⅱa3)建設旋回周期。后期波動周期的高水位期逐漸增長，而淺水時期縮短。

建設Ⅲ期，盆地水位總體下降。Ⅲa期，三角洲主體在大多數的時候仍處于水面之下；Ⅲb期，海灣水位進一步下降，三角洲平原時而露出水面、時而位于水面之下。水位上升緩慢，三角洲露出水平部分沼澤化，往往能形成煤層；但水位下降則迅速，很少發現煤層甚至煤線。

建設Ⅳ期的初始期，受到三都運動影響，盆地水位迅速下降。從造上組底礫巖對三丘田組的沖刷情況分析，這次水位下降至少在70m以上。

綜上所述，海灣水位升降的特點是水位上升進程都比較緩慢，而下降進程往往迅速。

4 結論

1)湘贛海灣西部地形平坦、坡降平緩，適合于大型三角洲的形成和發育。

2)湘贛海灣西部沉積環境穩定，如區域性的印支期三灣運動對本區沉積作用的影響不顯著。

3)湘贛海灣西部的三角洲環境有利于煤層的形成，但往東南的盆地中心，顯然不利于煤層的形成。將澄潭江礦區煤層發育特征作為深部煤田預測的依據是不可靠的。

4)安源煤系的三家沖組是頁巖氣生成和貯存的有利層段。