石炭纪古地理特征

华北和华南石炭纪的沉积相和古地理特征的异同~

华南地区寒武纪的古地理特征继承了震旦 纪的古地理、古构造格局;扬子板块以稳定 型陆表海为特征;东南部为被动大陆边缘;扬 子板块与华夏板块之间为裂谷盆地.扬子板 块内为稳定的陆棚海，地势西北高东南低， 西部的康滇古陆始终存在， 其范围不断扩大 华北板块寒武纪古地理特征华北板块主体 自晚元古代后期抬升后一直遭受风化剥蚀， 早寒武世开始海侵;寒武纪华北地区为稳定 的陆表海碳酸盐沉积， 其南缘以主动大陆边 缘与秦岭洋毗邻 华南地区寒武纪的古地理特征:继承了震旦 纪的古地理、古构造格局;扬子板块以稳定 型陆表海为特征;东南部为被动大陆边缘;扬 子板块与华夏板块之间为裂谷盆地;整体特 征：扬子板块内为稳定的陆棚海，地势西北 高东南低，西部的康滇古陆始终存在，其范 围不断扩大。 华北板块寒武纪古地理特征： 华北板块主体 自晚元古代后期抬升后一直遭受风化剥蚀， 早寒武世开始海侵； 寒武纪华北地区为稳定 的陆表海碳酸盐沉积， 其南缘以主动大陆边 缘与秦岭洋毗邻。 （1）∈1 中期：从南侧秦 岭洋向北海侵，淮南、豫西、陕北陇县和宁 县贺兰山地区最早波及； 沧浪铺晚期海水侵 入到燕山、辽南地区；馒头组沉积范围由东 向西逐渐扩大到太行山、 中条山一线和鄂尔 多斯、阿拉善西缘及南缘。

1.本溪期古地理（图1-3-45）
经长期准平原化的华北大地于中石炭世开始整体下沉，海水由东向西侵入形成广布的陆表海环境。基于本期沉积的石灰岩厚度一般为2～10m，以及它们的百分含量10%～30%，我们选择了基本相当于平均值的厚度（5m）作为相区分界线，即石灰岩累厚大于5m为碳酸盐台地环境，反之为滨岸过渡环境。本区此时在古地理上看可分为两大部分，东部为碳酸盐台地环境，形成了以石灰岩占绝对优势的沉积。其间又有零星的沙坝分布；西部为广布的过渡环境，堆积了碎屑滨岸的砂泥质沉积，包括潟湖相、潮坪相及堡坝相等；北部的兴隆—怀柔一带形成了三角洲沉积。可见，此时的物源区位于北部的阴山古陆。

图1-3-45 石炭纪本溪期岩相古地理图

2.太原期古地理（图1-3-46）
与本溪期相比，太原期的古地理面貌就显得较为复杂。然而，基于太原期沉积的石灰岩累积厚度一般为5～30m，其百分含量为5%～40%，我们也选择其平均厚度（20m）作为相区分界线，即石灰岩累厚大于20m为碳酸盐台地环境，小于20m的为非碳酸盐台地区。以此原则，仍可将本区此时的古地理环境分为两大区：中北部大部地区为非碳酸盐台地区；东南大部地区为碳酸盐台地区。沉积环境的详细分区是，靠近北部阴山古陆附近为山前冲积平原，形成了粒度较粗的碎屑堆积；西北部的大同—太原—石家庄一带则形成了以三角洲为主体的沉积；东北部的兴隆—廊坊—沧州—东营则为海湾环境，形成了泥质和细碎屑为主的沉积；中部的左权—邯郸—济南—潍坊一带则为过渡的潟湖潮坪环境，形成了碎屑岩-碳酸盐为主体的沉积：东南大部地区则为浅海的碳酸盐台地环境，形成了以含生物碳酸盐岩为主体、中夹薄层泥质的沉积。由此可见，此时的沉积物仍主要来自北方的阴山古陆。
3.山西期古地理（图1-3-47）

图1-3-46 石炭纪太原期岩相古地理图

前已述及，山西组的沉积旋回为先上升后下降。基准面上升期间，研究区的古地理较太原期发生的重大变化是浅海碳酸盐环境的消失和三角洲环境的广泛发育。此时总的古地理景观是，宁武—北京—秦皇岛一线以北为山前冲积平原环境，堆积了以粗碎屑为主体的沉积；此线与长治—安阳—济南之间的广阔地区为三角洲环境，形成三角洲平原广为发育的一套砂泥质沉积，分流河间地区则发育泥岩沼泽，形成泥炭堆积；东南广大地区为碎屑滨岸带，堆积了以泥质为主的堡坝潟湖沉积物。
基准面下降期间，古地理格局并无重大改变，只是陆上冲积平原与三角洲的沉积更为发育，沉积体系向南进积，沉积相带随之南移。
4.下石盒子期古地理（图1-3-48）
与山西组一样，下石盒子组亦是由先期上升、后期下降的两个沉积半旋回构成。基准面由山西组晚期的下降转为下石盒子组早期上升后，总的沉积古地理格局并无太大变化，只是河流作用范围扩大，辫状河冲积体系沿北部盆地边缘广为发育，高弯度曲流河已向南进积到南部的平顶山—开封—菏泽—淮北一带，而三角洲环境则退缩到研究区东南隅的豫东和两淮地区。

图1-3-47 二叠纪山西期岩相古地理图

下石盒子组晚期，基准面开始下降，陆相沉积进一步增多。辫状冲积体系已推进至忻州—保定—唐山—秦皇岛一带；三角洲环境已向南退缩至淮南—合肥地区，其余广大区域为高弯度的曲流河所占据。
5.上石盒子期古地理（图1-3-49）
上石盒子组沉积期，总的沉积格局继承了下石盒子组的沉积古地理状况，只是辫状河向南进一步进积，碎屑滨岸带向北部推进，使得曲流河环境与三角洲环境的范围缩小。具体是，太原—石家庄—衡水—东营以北为低弯度的辫状河体系，形成了含砾或砾质的碎屑夹泥质沉积，阳城—焦作—新乡—枣庄以南为三角洲环境和碎屑滨岸带，形成了砂泥互层沉积；其余大部主要是曲流河环境。在上石盒子组沉积期间，曾发生多次由南而北的海侵形成了薄层含海绵燧石层。
通过前述各沉积期的地层厚度、沙体厚度、含砂率及沉积古地理的详尽研究，华北地区的沉积古地理特征体现在以下几个方面：
（1）沉积盆地总的古地理概貌是，中石炭世沉积盆地西高东低，海水由东向西侵入；晚石炭世，沉积盆地则为西北高东南低，海水由东南向西北侵入本区，这种古地理格局一直持续到二叠纪末。正是这种古地理格局，导致了本区石灰岩多分布于东部和东南部。随着古地理环境的不断演化，石灰岩和煤层的分布范围不断向东南退缩，层位也逐步抬高。

图1-3-48 二叠纪下石盒子期岩相古地理图

（2）华北石炭-二叠系地层是在稳定的克拉通盆地内的沉积，地形平缓，水体较浅。自北而南依次分布着冲积扇体系→砾质辫状河体系→砂质辫状河体系→曲流河体系→三角洲体系及碎屑滨岸体系。这几大沉积体系随着基准面的升降依次向北或向南迁移。
（3）从沙体等厚图、含砂率图及沉积古地理图上可以看出，各沉积期的河流均由北向南延伸，并逐渐分叉变为三角洲平原上的分流河道。沉积物正是由这些河流从北部阴山古陆经大同和锦西带入沉积盆地，但盆地西南部也有少量沉积物供给。
（4）华北晚古生代沉积建造总体上是在不断海退的过程中沉积而成的，因此，在时空上表现为：自下而上，陆相沉积不断增强，大陆环境由北向南逐步推进。但是，在总体海退的背景下，不时有海水的短期侵入，在地层中以薄而广布的海泛层（如硅质海绵岩）记录下来。
（5）在华北晚古生代古地理演化过程中，唐山、天津、任丘、沧州及东营一带一直处于较为封闭的海湾环境，很少受到外部碎屑的侵入，形成了一个稳定的沼泽（或浅水）凹地，堆积了较厚的富含有机质的泥质沉积，使得这一地区可能成为烃源岩产出的有利区域。

图1-3-49 二叠纪上石盒子期岩相古地理图

（6）研究区总体上可分为三大沉积区：中北部为冲积平原沉积区、中南部为三角洲平原沉积区、南部为碎屑滨岸沉积区。这三大沉积古地理环境导致了沉积储层原生组成、结构及物性的差异，进而影响到储层的后生成岩演化，最终影响到储集物性。

中国石炭纪的古地理面貌是泥盆纪的继续和发展。华北-柴达木和华南板块的相互对峙，其间的秦岭小洋盆继续存在。华北板块西缘的古特提斯多岛洋进一步扩张发展。华北、塔里木和西伯利亚板块间的古亚洲洋内部发生了重要造山运动，导致古地理格局的变革。晚石炭纪至早二叠世极地大冰盖几乎覆盖整个冈瓦纳大陆。随着极地冰盖的增长消融变化，海平面升降频繁。由于海陆变迁和陆地森林的首次大规模出现，石炭纪成为中国地史上第一个重要成煤时期。

（一）华北-东北南部区

华北板块自奥陶纪晚期开始。一直处于隆起状态遭受缓慢剥蚀。早石炭世除大别山北麓出现较厚的近海和海陆交互含煤碎屑堆积以及辽东地区可能接受沉积之外，主体部分仍然是一个近乎准平原的低地，到晚石炭世开始缓慢沉陷，普遍接受海陆交互相沉积。因此上石炭统直接覆于下中奥陶统侵蚀面之上。

本区晚石炭世时，由于经历了长期的风化侵蚀，地形平坦，趋于准平原化。在地壳缓慢下降的条件下，引起海水不时内侵，形成一片“汪洋”；由于泥砂堆积充填（或地壳有微弱上升），又迫使海水退去，形成广阔的海滨低地，因气候湿润，植物繁盛，森林沼泽密布。这种极短暂的海侵、海退，造成薄的海相地层和陆相地层交替出现，即“海陆交互相”，它是重要的含煤地层。上石炭统下部以浅海相为主，夹部分陆相地层，不含重要的可采煤层；上石炭统上部是典型的海陆交互相沉积，其中常含重要可采煤层，形成许多大煤田，成为华北重要成煤时期之一。

1.山西太原西山石炭系

太原西山上石炭统剖面为一套典型的海陆交互相含煤岩系，厚度不大，界线清楚，是华北地区研究最早和最详的石炭系，可作为华北地区的标准剖面。与下中奥陶统灰岩间，地层不连续，缺失中上奥陶统至下石炭统；风化壳及残积铁矿分布于下中奥陶统灰岩侵蚀面上。上界以含海相晚石炭世的Pseudoschwagerina灰岩而与下二叠统底部陆相砂岩分界。

上石炭统本溪组下部铁铝岩层是含矿层位，在中奥陶统风化面上首先看到的是松散的粘土中含不规则团块状褐铁矿或赤铁矿层，即一般所谓的“山西式”铁矿。其下部不具层理（可能是残积成因的）；上部稍具层理。向上铁质逐渐减少，铝质成分不断增加，逐渐过渡为浅灰色具豆状或鲕状结构、层次较为清楚的铝土矿层（即“G层铝土矿”），在所夹的页岩中曾发现属于晚石炭世的植物化石碎片，同时亦有海相腕足动物化石。这说明在晚石炭世早期，在中奥陶统的风化壳上开始了新的沉积。这种含铁铝质的沉积，是由于长期的风化侵蚀，铁铝等矿物相对富集的结果，当地壳重新下降海水侵进时，这些物质在适当的环境下最先沉积，因此这是代表海侵开始的滨浅海沉积。铁铝矿层以上为滨海砂岩、沼泽相页岩和煤层以及浅海相灰岩，产小型腕足动物和珊瑚，页岩中产有植物化石。

如上所述，上石炭统本溪组就是由古风化壳的陆相残积物开始→滨浅海铁、铝沉积→滨海沼泽含煤沉积→浅海沉积（灰岩）→滨海沼泽沉积所组成，构成一明显沉积旋回。

上石炭统上部太原组为一套典型的海陆交互相含煤地层，包括3个沉积旋回，反映3次海侵，可用上述同样方法进行分析。每一旋回底部内陆相或滨海相砂岩开始，向上为滨海沼泽含煤沉积到浅海相灰岩。其中第二旋回上部实际包含3层较稳定的灰岩和含煤沉积，反映次一级的韵律性。太原组含重要的可采煤层，经济价值大（图8-4）。

图8-4 中国石炭系柱状剖面对比图

（转引自刘本培等，1996）

1—豆状灰岩；2—鲕状灰岩；3—白云质灰岩；4—铝土矿（其他图例参见图8-2）

2.横向变化和古地理

华北-东北南部地区经长期风化侵蚀后，晚石炭世海侵时，迅速淹没了除周围古陆以外的广大地区（见图8-5），并将风化作用产生的铁、铝氧化物富集，普遍形成含矿层。

在晚石炭世早期，华北-东北南部地区犹如山西太原一样，屡经多次海侵、海退，普遍形成厚度不大（数十米至300m）的海陆交互相含煤地层。上石炭统（本溪组）厚度和岩性变化有着明显的规律，东北部厚度大、地层全，向西和向南厚度变小，常缺失早期地层。如辽宁太子河流域本溪组厚达160～300m，含海相灰岩5～6层之多；河北开平一带厚70～80m，含海相灰岩3层；山东一带本溪组厚40～30m，具海相灰岩两层；山西太原一带，本溪组厚度一般不超过30m，含海相灰岩仅一层，再往南到河北峰峰，河南焦作，洛阳及安徽淮南等地，一般缺失本溪组的沉积。同时，在辽宁太子河流域本溪组包含两个化石带，下部是Eostaffella带，上部是Fusulina-Fusulinella带。在太原西山本溪组仅见上部化石带，由此看来太子河流域本溪组下部在接受沉积时，太原西山一带还没有接受海侵和沉积。以上事实证明华北-东北南部地区晚石炭世时，地势北低南高，海水自北而南的侵入规律。与当时整个北半球晚石炭世的海侵方向是吻合的。

晚石炭世晚期，海侵范围要广泛得多，在皖北、豫南、陕南及鄂尔多斯一带又有明显的超覆现象，华北地区晚石炭世太原组沉积的主要特点是厚度极为稳定，除淮南地区较薄，只有140m左右外，其他地区一般均为160～190m，说明当时地壳下降幅度微弱，不时遭受海侵。东南部淮南地区上石炭统含海相灰岩12层；贾汪地区含灰岩11层，淄博地区含灰岩4～5层，太原西山含灰岩4～5层，河北开平一带含灰岩2层，至北京西山即缺失晚石炭世海相灰岩，而主要为陆相沉积。这说明当时本区南部，尤其是东南部淮南一带，地势低凹，因此受海侵的时间较长，太原组以浅海相沉积为主，因而含煤性差。由此往北的广大地区，地形逐渐有所增高，不时遭受短暂的海侵，形成典型的海陆交互相沉积，并成为主要的含煤地层之一。本区最北部内蒙古陆南侧的大青山、京西、兴隆一带地势更高，太原组以陆相沉积为主。

由上所述，华北-东北南部地区晚石炭世晚期海侵主要自东南方向侵入，并在淮南一带与华南晚石炭世海侵相连。

（二）华南区

早石炭世的地层分布、岩相类型和晚泥盆世相似，海域主要分布于滇、黔、桂、湘地区，华夏古陆西缘的浙西-江西大部-粤东一带主要为陆源沉积物。与晚泥盆世不同的是下扬子地区开始出现海相沉积。晚石炭世海侵范围明显扩大，滨浅海成因的白云岩、灰岩广泛分布于除华夏古陆和上扬子古陆以外的广大地区，岩性岩相较为单一。

1.华南板块石炭纪地层序列

贵州南部都匀独山一带石炭纪地层剖面，黔南都匀、独山一带的下石炭统发育极好，化石丰富，研究详尽，最具有代表性。该区下石炭统自下而上分为汤粑沟组、祥摆组、旧司组、上司组、摆佐组；上石炭统为滑石板组、达拉组、马平组。国际上石炭系—二叠系的分界一般置于Pseudoschwagerina带之底，即位于马平组的中部。因此马平组属于跨越石炭系—二叠系的岩石地层单位（图8-4）。

本剖面下石炭统主要为厚层泥晶灰岩夹砂页岩，含海相底栖生物化石，主体为滨岸-浅海陆棚沉积。汤粑沟组下部具脉状-透镜状层理，含藻球粒灰岩，为潮坪沉积，代表石炭纪海侵开始。祥摆组的砂页岩夹煤层，上司组下部所夹砂岩及摆佐组上部白云岩反映海平面的变浅。从上述地层在黔桂地区的空间分布看，祥摆组和旧司组及摆佐组分布范围分别大于其下的汤粑沟组和上司组，为两次较大的海侵超覆，组成两个大的沉积旋回。上石炭统基本上由潮坪碳酸盐岩组成。不过马平期海侵规模相对缩小。马平组顶部与上覆梁山组之间的假整合代表一次重要的海平面下降，可能与冈瓦纳冰盖的极盛有关。

图8-5 中国晚石炭世（含P₁初期）古地理图

（转引自刘本培等，1996）

2.华南板块古地理及横向变化

上述黔南都匀、独山一带下石炭统的划分在华南普遍适用，各地虽有特点，各不尽相同，但层位皆可对比。

湘中地区岩关阶底部的邵东组，含Cystophrentis kolaohoensis（革老河泡沫内沟珊瑚）的孟公坳组之下，层位上相当于黔南革老河组的下部（含Cystophrentis 层位之下，以含Syringopora为特征的部分）。邵东段组中的生物群既含有泥盆纪的分子（如Cyrtospirifer），也含有早石炭世的分子（如Camarotoechia kinligensis、Caninia等），属于过渡性的混合生物群。因此邵东组具有“过渡层”性质。

华南早石炭世地层分布、海侵范围和泥盆纪相似。东南地区和上扬子地区（四川盆地）仍为一古陆，海水限于西南一带，向北止于黔中；向东止于湘赣地区。泥盆纪时没有受到海侵的下扬子地区，早石炭世重新下降遭受海侵，说明海侵范围的加广。

早石炭世的海侵历程是比较复杂的，各地也不尽相同，一般说来为两次大海侵。一次在岩关期、另一次在大塘期和德坞期。岩关期海侵自早石炭世初开始，岩关期中后期达到顶峰，海洋中繁殖着 Cystophrentis、Pseudouralinia、Eochoristites（始分喙石燕）等，沉积物以灰质、泥灰质为主。此后海退，各地海退开始时期各有不同，都匀、独山一带开始较早，而桂北、湘中一带开始较晚。但总的看来，大塘期早期（或稍后）是一个海退的时期，各地均有反映，表现为此期沉积（旧司组及其相当地层）砂、页岩较为发育。在靠近古陆的边缘地区（如滇东、黔西北、桂北、湘中），由于海退形成滨海沼泽，发育了海陆交互相煤系地层，如湘中的测水组、桂北的寺门组、滇东的万寿山组等。大塘期后期至德坞期海侵比岩关期广，都发育了以石灰岩为主的浅海相沉积摆佐组及其相当地层，其中生物化石十分丰富，以Yuanophyllum、Dibunophyllum、Gigantoproductus等为代表，并在一些地区形成超覆。

华南晚石炭统远比下石炭统分布广泛，且几乎完全为浅海相碳酸盐相地层。在湘、粤、桂和下扬子地区称黄龙组和船山组。晚石炭统黄龙组（威宁组）主要为灰白色灰岩，下部常具白云岩。化石群以富含

类为主，以Fusulina（纺锤

）、Fusulinellum（小纺锤

），Pseudostaffella（假史塔夫

）等为代表；此外伴有少量的珊瑚，如Koninchophyllum（康宁珊瑚）及腕足类，如Choristites（分喙石燕）等，厚度一般为100～400m。江南古陆以东的湖南、广东、浙江等皆有出露，一般皆为浅海相碳酸盐类沉积，说明晚石炭世海侵广泛，向东以超覆到东南一带的原古陆区上。船山组主要为一套富含

类化石的石灰岩层，有时具豆状结构，下部产Triticites，上部产Pseudofusulina foecunda等。向上与下二叠统为假整合接触，说明石炭纪末地壳上升，沉积间断。灰岩层由于遭受剥蚀，各地厚度不等，一般为数十米左右（图8-5）。

（三）其他地区

古地磁资料反映塔里木板块自早石炭世起迅速北移并作顺时针方向旋转，至晚石炭世晚期已达到北纬30°位置。本区石炭纪海侵范围扩大，仍以西北部柯坪地区发育最好，下石炭统为滨浅海碎屑岩和灰岩，产 Kueichouphyllum（贵州珊瑚），Striatifera（细线贝），和华南地区同属热带类型。上石炭统以碳酸盐岩为主，含

类化石。在柯坪以北南天山托木尔峰南坡，上石炭统下部碎屑岩中发现的植物化石Neuropteris，Pecopteris，属欧美区分子，也反映与华南、华北板块华夏植物区之间存在海洋隔离。

塔里木-祁连山-华北地块以北的天山-兴安地区，石炭纪时仍为一活动的海槽。本区石炭系主要为一套巨厚的含有中酸性，中基性火山岩的碎屑岩系（夹灰岩）地层，含腕足类、珊瑚、

、菊石等化石，局部发育有较厚的碳酸盐岩地层。

昆仑山、柴达木地区的石炭系研究程度低，沉积类型比较复杂，一般与下伏地层不整合接触。主要是一套厚度较大的碎屑岩系，夹灰岩、有时具含煤地层及中酸性火山岩及火山碎屑岩。总的看来，大部分地区，在石炭纪的大部分时期处于活动状态。

藏北、川西地区石炭系以碳酸盐岩及细碎屑为主，局部发育火山岩。珠穆朗玛峰北麓石炭系也较完整，以浅海碎屑岩为主，厚达2600m。近年研究表明，从喀喇昆仑、冈底斯到滇西腾冲一带，已多处发现杂砾岩和冷水动物群，证明上述地区当时部属冈瓦纳板块的北侧陆源带，为陆源浅海区（图8-5）。

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