石炭纪地层

1. 石炭纪地层

一、区域地层特征
石炭系沉积属统一海盆内不同沉积环境中的堆积物。自下而上分为下石炭统下部前黑山组、上部臭牛沟组和上石炭统下部羊虎沟组和上部太原组。
1.分布范围
下石炭统主要分布在南祁连盆地内。下石炭统作为南祁连盆地的第一套沉积盖层，主要分布在哈拉湖以北的乌兰达坂地区，以角度不整合覆于加里东期褶皱基底和前寒武系变质基底之上。
上石炭统主要分布在托来河-大通河以北地区，沿NW-SE向和南祁连盆地内断续零星分布着一些上石炭统。局部下石炭统和上石炭统平行不整合接触。
2.岩性岩相特征
(1)下石炭统
下部前黑山组:岩性为紫红色长石石英砂岩夹灰色石英砂岩、紫红色砾岩、含砾砂岩，底部有紫红色砾岩(底砾岩)。该地层纵向上显韵律特征，横向上岩性、岩相稳定，底部不厚的砾岩或含砾粗砂岩层到处可见它超覆于下伏的不同时代老地层之上。该地层下部以紫红色为主，上部变为灰绿色，反映沉积环境由氧化向弱还原转化的过程，为一套河流-滨海相沉积，前黑山组与下伏下奥陶统和中奥陶统以紫红色砾岩呈角度不整合接触，与上覆臭牛沟组为连续沉积。
上部臭牛沟组:下部灰色、紫色砂岩、页岩，底部为一层砾岩;主要为泥质岩夹薄层煤(线);上部灰白色灰岩、泥灰岩。岩性稳定，含丰富的动物化石，反映当时古地理环境稳定，有利于生物繁衍，生物灰岩到处可见。
(2)上石炭统
下部羊虎沟组为碳酸盐岩与炭质页岩、石英砂岩互层的岩性组合;上部太原组为以碎屑岩为主体夹薄层灰岩、泥灰岩的岩性组合。
3.沉积构造
石炭系下部蒸发岩中具有泥裂、波痕和盐类晶痕，白云岩中具有生物扰动构造，中上部石英砂岩中具有对称波痕、交错层理;炭质页岩中具有植物根迹和植物化石碎片及其生物扰动构造。
4.生物特征
灰岩中发育大量的珊瑚、腕足、及海百合等海相生物化石。化石呈碎片保存，很少具有完整的生物个体，生物特征反映沉积时的水体为温暖、清洁、透明、动荡的海岸-浅海陆棚环境。石炭系上部炭质页岩中具有大量的植物化石碎片，且与煤和灰岩共生，反映了潮湿气候的海岸平原的近海沼泽环境。
5.沉积相
根据沉积相识别原则和前述的沉积特征:
1)石炭系是一套海相碎屑岩-碳酸盐岩沉积和海陆交互相碎屑岩夹灰岩沉积。
2)臭牛沟组下段为干燥气候条件下的潮间台坪和蒸发潟湖沉积。
3)臭牛沟组上段为温暖气候条件下的台地碳酸盐岩夹滨岸碎屑岩沉积。
4)羊虎沟组为潮湿气候条件下的海岸及近海沼泽相碎屑岩和局限台地碳酸盐岩交互的混合沉积。
5)太原组为潮湿气候条件下的海岸及近海沼泽亚相碎屑岩夹碳酸盐岩沉积。
6.沉积环境及沉积过程
谢志清等(2001)通过对南祁连盆地石炭系剖面时空演化的特征研究，提出快速“倒灌式”的海侵模式很好地解释了石炭纪祁连海域的盆地沉积环境问题:祁连山的石炭纪不是海陆逐渐增加的渐进序列，而往往是浅海相突然大面积覆盖在下伏陆相沉积物之上，与下伏沉积物之间有明显的相序缺失，表现在臭牛沟组与前黑山组的海陆相沉积频繁交替出现，而且海相层在很大的范围内具有明显可追踪性与对比性，在横向上并无明显的相变关系。
在这种“倒灌式”的快速海侵过程中往往看不到经典的海侵序列，而是表现为浅海环境沉积物直接覆盖在陆相沉积物之上(图2-3)，虽然有些地方的海相层中可以见到极浅水的沉积标志，但并不代表前滨环境，而是受盆地地形控制的浅水高能带。
在海平面处于低水位期和南祁连隆起相对上升时，南祁连隆起露出水面，并阻挡了宗务隆海槽的海水向祁连陆地漫侵，从而形成陆相沉积层(图2-3A);当海平面处于高水位期和南祁连隆起相对下沉时，宗务隆海槽的海水将会漫过南祁连隆起快速“倒灌式”地漫侵入祁连受限海盆，从而形成海相沉积层(图2-3B)，这种海平面快速的下降与上升，可形成一系列海-陆交互相沉积层序(图2-3C)。

图2-3 石炭纪快速“倒灌式”盆地充填模式(据谢志清，2001)

二、研究区地层特征
本区仅出露石炭纪臭牛沟组(Cc)岩石地层。
1.地层分布
该区臭牛沟组(Cc)主要分布在观山河—丰乐河之间，与金佛寺花岗岩呈不整合接触，不整合面产状245°∠40°，不整合面以下有一层厚2～6m花岗岩古风化壳，风化壳由松散的花岗岩碎屑组成，具较强的高岭土化、绢云母化、绿泥石化、褐铁矿化等次生蚀变。
2.影像特征
该组影像特征表现为棕灰色均匀色调，条带状、线状影纹，宏观光滑，水系总体不发育，局部为简单树枝状，U形谷底中—浅切割，次浑圆状山脊直线延伸，多凸形坡，构成中山地貌。向东至大草滩一带，该组地层植被发育，呈灰绿色均匀色调，其他影像特征与吊大坂一带相近。
3.岩性特征
下部岩性为紫红色砂砾岩夹砂岩、砾状灰岩;中部为灰色页岩、粉细砂岩夹砾岩;上部灰色砾岩夹含砾细砂岩、炭质页岩、生物碎屑灰岩。
4.沉积环境分析
区域上广泛分布的下部砂页岩段在该区内不发育，上部灰岩及碎屑岩段直接超覆于早古生代不同地层之上，且粗碎屑含量较东部有明显增高之趋势，反映了陆源碎屑供应充分，近物源沉积充填的古地理格局。
臭牛沟组在经历了晚泥盆世准平原化的夷平作用后开始接受沉积，海水自ES向NW侵入，在大陆边缘地带具明显超覆沉积现象，表明海侵范围不断扩大，为全球海平面上升期沉积充填的产物。

2. 石炭纪地层划分

(一)石炭纪地层区划
新疆北部在中国石炭纪地层分区图上属于准噶尔-兴安地层大区中的准噶尔地层区(金钰玕等,2000),并以额尔齐斯缝合带和中天山-康古尔塔格缝合带为界,自北而南分为阿勒泰、准噶尔和天山3个地层分区。依据次一级构造及沉积特点,准噶尔地层分区分为7个地层小区,天山地层分区分为2个地层小区(图2-2)。

图2-2 新疆北部石炭纪地层区划图

新疆北部石炭系研究历史较长,但不同时期、不同研究单位或作者建立和使用的岩石地层单位名称非常庞杂,存在较多同物异名、同名异物现象。依据国际及中国地层规范,兼顾生产应用的习惯,对石炭系地层名称进行了清理和厘定,建立了新疆北部石炭系划分对比表(表2-1)。
(二)石炭系地层划分与对比
上述地层小区中,以卡拉麦里地层小区研究程度最高,石炭系发育也相对较全。 因此,主要沿用该小区石炭系地层序列及岩石地层单位名称建立了新疆北部石炭系二分地层综合柱状图(图2-3),特征如下:
表2-1 准噶尔盆地及周缘石炭纪地层划分与对比


1. 主要地质界线
(1)石炭系底界
石炭系与下伏老地层主要为不整合接触,在不同地区可与泥盆系、奥陶系乃至更老地层接触。 判定石炭系底界多以牙形刺Siphonodella sulcata的首现为标志,但新疆北部大多缺失早石炭世早期地层。 该化石并不发育,多以菊石、腕足、孢粉等化石依据来判定石炭系与下伏地层的关系。 野外露头区资料较丰富,石炭系底界相对易确定,覆盖区尚没有钻井钻穿石炭系,化石资料极为有限。 另外,下石炭统及其以下地层地震资料反射极差,石炭系底界目前常无法识别。
(2)上、下石炭统界线
上、下石炭统界线以牙形刺Declinognathodus noduliferus的首现为标志,该化石主要出现于天山地层分区碳酸盐岩夹碎屑岩地层中。 上石炭统与下石炭统主要以不整合接触,准噶尔地层分区下石炭统上部多为海相碎屑岩,且顶部被广泛剥蚀,多缺失谢尔普霍夫期地层,与上石炭统底部广泛发育的火山岩之间为不整合关系,覆盖区钻井及地震资料均已证实,在伊犁小区和觉罗塔格小区上、下石炭统以整合接触关系为主。
(3)石炭系顶界
石炭系与上覆地层以不整合接触关系为主,在不同地区分别可与二叠系、三叠系、侏罗系甚至更新地层接触,野外露头及地震资料均可证实,局部地区可出现整合或假整合接触关系。 新疆北部多以晚石炭世最晚期的 Triticites化石带判断上石炭统与上伏地层的界线,该化石在博格达小区苏穆克组和伊犁小区科古琴山组产出。
2. 下石炭统划分对比
新疆北部下石炭统总体发育一套海相、海陆过渡相碎屑岩、火山岩及碳酸盐岩,自下而上大致可以分为3段,时代分别与杜内期早期、杜内期晚期及维宪期至谢尔普霍夫期对应。

图2-3 卡拉麦里地层小区石炭系综合柱状图

下段主要发育一套海相碎屑岩,主要分布在准噶尔地层分区,卡拉麦里山东部发育一套滨海相砂岩、砾岩,含大量腕足类、双壳类、腹足类、孢粉及植物Leipidodendropsis dilo-phodes,Sublepidodendron sp.等,时代属杜内期早期(闫存凤等,1995)。 准噶尔地层分区西北部的黑山头组下部、三塘湖地区的东古鲁巴斯套组下部均含杜内期早期的海相化石。除了以上地区,其他地区基本缺失本期地层(图2-4)。
中段发育一套海相中、酸性火山碎屑岩及火山熔岩、海相碎屑岩,准噶尔地层分区卡拉麦里地层小区的松喀尔苏组下段发育一套安山岩和玄武岩,中间夹一套砾岩,其中产有杜内期管孔石燕Syringothysis cf. altaica等多种腕足类化石,北准噶尔地层小区黑山头组上部和三塘湖小区姜巴斯套组的下部发育正常海相碎屑岩沉积夹较多火山碎屑岩,所产化石均对应杜内期晚期。 天山地层分区广泛发育火山岩序列,觉罗塔格小区小热泉子组为浅海相中、酸性火山岩夹火山碎屑岩及少量灰岩、泥质硅质岩,产珊瑚Dibunophyllum sp., Carci-nophyllum sp. 等,伊犁地层小区大哈拉军山组以安山质喷发岩、凝灰岩为主,灰岩夹层中产腕足Echinoconchus elegans等(蔡土赐等,1999),化石时代为杜内期晚期。

图2-4 新疆北部不同地区地层对比

上段发育一套海相、海陆过渡相碎屑岩及碳酸盐岩,准噶尔地层分区多发育正常碎屑岩沉积,如卡拉麦里小区松喀尔苏组上段。 该组在卡拉麦里山西端和陆东—五彩湾覆盖区相变为细碎屑的纯泥岩或白云质泥岩,称滴水泉组,产早石炭世维宪期早期孢粉化石(王蕙,1989);北准噶尔地层小区那林卡拉组为正常海相碎屑岩,产菊石Goniatites sp., Sudetic-eras nigxiaense, Dombarites sp.等维宪期海相化石;三塘湖小区姜巴斯套组上部产植物化石Sublepidodendron mirabile, Lepidodendropsis sp.;天山地层分区多发育碳酸盐岩,如伊犁小区阿克沙克组和觉罗塔格小区雅满苏组,阿克沙克组产腕足类、珊瑚等,雅满苏组含有菊石、腕足及珊瑚等。
下石炭统地层在覆盖区钻井钻遇较少,主要分布在准噶尔盆地,如陆南1井,钻遇下石炭统白云质泥岩,对应上段滴水泉组;滴西10井钻遇一套酸性流纹岩,同位素测年为早石炭世,对应中段松喀尔苏组。 三塘湖盆地方1井钻遇一套凝灰岩,目前认为属下石炭统,但缺乏充足的古生物及测年证据。 利用钻遇下石炭统钻井标定地震,发现下石炭统的地震反射以杂乱、弯褶地震相为主,明显有别于上石炭统及以上地层地震反射特征,不整合接触关系比较明显(图2-5)。 下石炭统底界地震难以识别,与下伏地层关系不明。
3. 上石炭统划分对比
新疆北部上石炭统总体特征为下部发育一套陆相、海陆过渡相火山岩、碎屑岩及碳酸盐岩,准噶尔分区广泛发育为火山岩序列,如巴塔玛依内山组;天山地层分区以发育碳酸盐岩和碎屑岩为主,如伊什基里克组及白鱼山组;上石炭统上部主要发育正常碎屑岩、碳酸盐岩及凝灰质碎屑岩,如准噶尔地层分区卡拉麦里小区的石钱滩组。 三塘湖小区以发育巨厚火山岩及碎屑岩夹层为特征区别于其他分区。

图2-5 过陆南1井地震剖面

(1)巴塔玛依内山组特征及其对比
巴塔玛依内山组岩性特征总体表现为上、下两套火山岩中间夹一套碎屑岩,具有明显的三段性,以准噶尔盆地陆东-五彩湾及北三台地区最为典型(图2-6),下段以中酸性火山熔岩、凝灰质火山碎屑岩为主,上段以中基性火山熔岩夹凝灰质火山碎屑岩为主,中部碎屑岩段为火山活动间歇期的正常沉积,局部地区夹煤层或煤线,含有丰富的植物和孢粉化石,植物化石为典型安加拉植物群,孢粉以单气囊Noeggerathiopsidozonotriletes高含量为主要特征(欧阳舒等,2003)。
根据准噶尔盆地井震标定,巴塔玛依内山组岩性三分特征在地震剖面具有明显的对应关系,下段在地震剖面上表现以弱振幅断续杂乱反射为主,局部有较强振幅、较连续反射特征出现,其底界面( )反射波与下伏反射呈不整合接触关系;中段沉积岩在地震剖面上表现为较连续、亚平行、中强振幅等反射特征,在凸起翼部可见沉积岩底部反射波向凸起高部位超覆尖灭反射特征(底界反射 );上段在地震剖面上均表现为一组反射能量较强、连续性较好的层状反射特征,底界反射对应 (图2-7)。
北准噶尔小区的吉木乃组和博格达小区柳树沟组与巴塔玛依内山组特征相似,均为火山岩夹厚度不等的正常碎屑岩或煤层(线),产有安加拉植物群的分子。 三塘湖地区露头巴塔玛依内山组亦具有三分特点,三塘湖盆地内钻遇的巴塔玛依内山组尚未钻遇中段碎屑岩夹层,其时代及地震层序划分尚待进一步研究。
天山地层分区及西准噶尔地层小区上石炭统下部岩性特征不同于巴塔玛依内山组,以发育碳酸盐岩夹陆源碎屑岩为主要特征,如伊犁小区的也列莫顿组和觉罗塔格小区白鱼山组及小区西部底坎儿组下段;局部也发育火山岩,如伊犁小区的伊什基里克组和觉罗塔格小区东部底坎儿组下段。 西准噶尔小区哈拉阿拉特组以细粒碎屑岩夹灰岩为主,局部发育火山岩。

图2-6 准噶尔盆地重要探井上石炭统对比图


图2-7 滴水泉凹陷上石炭统巴塔玛依内山组地震反射特征

(2)石钱滩组特征及对比
石钱滩组建立于卡拉麦里小区石钱滩地区,为一套海相地层,自下而上可进一步分为弧形梁碎屑岩段、双井子灰岩段、平梁绿色泥岩段以及孔雀屏杂色凝灰碎屑岩段。 石钱滩组含有丰富的牙形石等海相化石(赵治信等,1986),时代为莫斯科期至卡西莫夫期,牙形石带可下延至晚巴什基尔期。 顶部孔雀屏段缺乏指示性化石,本书暂将其归于格舍尔期。
准噶尔盆地覆盖区大部分地区缺失石钱滩组,多数钻井直接钻遇巴塔玛依内山组,仅在东部大5井钻遇石钱滩组,岩性为一套碎屑岩夹煤线,未发育灰岩。 西北缘车25井钻遇车排子组,上部为沉凝灰岩和凝灰质砂岩(与早期划为佳木禾组下亚组的地层对应);下部以灰黑色泥岩及灰绿色粉砂岩为主,产丰富的海相动物化石,时代为巴什基尔晚期至莫斯科期,可与石钱滩组对比。
三塘湖小区哈尔加乌组和卡拉岗组时代可与石钱滩组对比,哈尔加乌组为一套正常碎屑岩夹火山岩,所产孢粉化石面貌与车排子组一致,为晚石炭世中期,基本可与石钱滩组下部三段对比。 井下钻遇的卡拉岗组为一套巨厚中基性火山熔岩,由于缺乏可靠的古生物及同位素测年证据,时代归属仍存在争议,目前暂划为晚石炭世顶部地层与石钱滩组孔雀屏杂色凝灰碎屑岩段对比。
吐哈盆地北部属准噶尔地层分区博格达地层小区,与石钱滩组对比的地层为祁家沟组及奥尔吐组,祁家沟组为稳定沉积的海相陆源碎屑岩、碳酸盐岩,可三分为下部灰岩段、中部碎屑岩段和上部灰岩段;中段夹少量凝灰岩、灰岩及玄武岩,可与石钱滩组下部三段对比。奥尔吐组为浅海相陆源细碎岩沉积,以灰黑—灰绿色粉砂岩、粉砂质细砂岩为主,夹少量薄层灰岩或透镜体,与孔雀屏杂色凝灰碎屑岩段对比。 吐哈盆地南部属天山地层分区觉罗塔格地层小区,上石炭统上部发育底坎尔组和苏穆克组,底坎尔组具有三段性,下段以灰岩、泥灰岩、生物碎屑灰岩为主,中段由凝灰质砂岩、粉砂岩和泥岩组成韵律性互层,上段为浅灰色碳酸盐岩沉积,基本可与石钱滩组下部三段对应。 苏穆克组以灰绿色、灰黑色凝灰质碎屑岩为主,夹有少量薄层灰岩和泥岩,可与石钱滩组孔雀屏杂色凝灰碎屑岩段对比。
伊犁盆地属天山地层分区伊犁小区,上石炭统上部地层包括东图津河组和科古琴科组。东图津河组为一套海相碳酸盐岩、碎屑岩沉积,上部产 类Fusulina-Fusulinella带,下部为Profusulinella带和Pseudostaffella带,时代指示为卡西莫夫期,与祁家沟组及石钱滩中下部可以对比;科古琴山组以灰色、灰褐、紫褐色砾岩、砂岩等粗碎屑岩为主,夹少量灰岩、凝灰质碎屑岩,暂与石钱滩组孔雀屏杂色凝灰碎屑岩段对比。
新疆北部时代上可与石钱滩组对比的地层还有北准噶尔地层小区恰其海组,为一套海相陆源碎屑岩,以灰绿色粗砂岩、细砂岩、粉砂岩和硅质粉砂岩为主;西准噶尔地层小区阿腊德依克赛组,为一套紫红、紫灰、灰绿色砂岩、页岩及玄武岩、安山岩夹灰岩透镜体;玛依力山地层小区希贝库拉斯组,以凝灰岩为主,夹生物碎屑灰岩。
准噶尔盆地大井地区大5、大9井钻遇了石钱滩组,其地震反射特征表现为大套中强振幅、连续平行反射,与下伏火山岩地震反射特征具有明显区别,顶部沿高部位方向有削蚀反射特征,底界面( )在古构造高部位与下伏地层有削蚀不整合接触关系(图2-8)。

图2-8 大井地区上石炭统石钱滩组地震反射特征

3. 石炭纪地质简史

石炭纪为古生代第五个纪，名称乃1922年创用于英国，由于这个时期的地层中蕴藏着丰富的煤层而得名。石炭纪开始于距今3.54亿年，延续了59Ma。
嵩山地区中奥陶世上马家沟组沉积早期海水向东北退走以后，在长达一亿三千多万年的时期里，南秦岭虽然仍在海进海退中，继续演义着志留纪—泥盆纪的历史，而嵩山一直是陆地。早古生代形成的碳酸盐岩地层遭受了长期的风化剥蚀，在湿热的亚热带气候条件下，形成了红土风化壳喀斯特地形。中石炭世本溪期，海水由东北方向侵入嵩山地区。海水刚来时，首先进入喀斯特洼地，形成了一系列面积较小、封闭滞流的海漫潟湖，潟湖内发育黄铁矿、铁质岩、铝质岩、粘土岩，它们对地形起了填平补齐的作用。海水继续南侵，嵩山地区成了滨岸潟湖环境（图8-20）。沉积物主要为铝质岩、粘土岩。顶部为沼泽形成的炭质页岩或煤层。未发现动物化石，植物化石也不很丰富，但已经出现了高大的鳞木。

图8-20　河南省中晚石炭世古地理图

晚石炭世太原期至山西期早期，嵩山地区气候潮湿，海水时进时退。对于这一阶段的地理环境，有两种看法：一种认为是海陆交替，时而是陆，时而是海，此时形成灰岩、碎屑岩和薄煤层；另一种看法认为灰岩形成于开阔的陆表海潮下环境，碎屑岩及煤层形成于障壁海岸中的潮坪、潮道、泥炭坪环境。后一种看法认为嵩山地区这一时期一直处在海平面上下波动频繁的陆表海中。海水时进时退，开阔陆表海与障壁海岸环境交替出现，总体都在水下。此期海相生物十分发育，计有  、有孔虫、腕足、珊瑚、双壳、介形虫、棘皮类、苔藓类、腹足类、藻类、牙形石、海绵类、头足类等。
山西期晚期，受中华里西运动的影响，海水向东南方向缓慢退出，嵩山地区由潮坪、潮道环境逐渐发展为宽阔平坦的海滨平原，气候温暖湿润、鳞木、科达树、真蕨以及羊齿植物茂盛，在滨海平原形成了大面积的淡水森林沼泽环境，沉积了较厚的二1煤煤层，煤质优良而且稳定。
上述太原期和山西期形成的煤层（线）很多，但仅二1煤大面积可采，其他多数不可采或偶尔可采，原因是它们的生成环境不同。如上所述，二1煤是在滨海沼泽环境下生成的，这种淡水森林沼泽地形平坦宽阔，因之煤层分布广而稳定。海水退出后形成滨海沼泽早，生成的煤层较厚。而它以前的薄煤层都是在泥炭坪环境中生成的，泥炭坪环境形成的煤层分布面积大，层位稳定，但由于海水频繁进退，开阔陆表海与障壁海岸环境反复交替出现，造成泥炭坪不断发育和破坏（淹没），所以形成的煤层较薄。受潮道的侧向侵蚀，煤层还常常尖灭。

4. 石炭系各个地层含义

石炭系各个地层含义
在西欧多为二分。在中国及俄罗斯曾为三分，分为下、中、上三个统，当前随国际上统一二分。在中国，全国地层委员会2001年将下石炭统（曾称丰宁统）自下而上分为岩关阶、大塘阶和德坞阶；上石炭统（曾称壶天统）自下而上分为罗苏阶、滑石板阶

5. 石炭纪古地理特征

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）。

6. 石炭纪—二叠纪中期盆地演化

石炭纪—二叠纪中期盆地的演化分为塔里木台地和西昆仑边缘海槽两部分。在塔里木台地，盆地继续了泥盆纪的演化格局；西昆仑地区则从石炭纪开始，出现新的海进。
（一）塔里木台盆演化
塔里木台地的沉积演化格局是泥盆纪海盆基础上的继续，但生物（碎屑）碳酸盐岩明显增多，克里塔克组的大套含珊瑚和大型长身贝灰岩可视为上泥盆统—下石炭统奇自拉夫组的上韵律；从早石炭世至晚石炭世，即有和什拉甫组紫红色碎屑岩至卡拉乌依组（产珊瑚和有孔虫的）生物灰岩韵律组合，所产珊瑚有Donophyllum irregulare，Heterocanin-ia abnomis，Palaeosmilia stutchbury var.merophyllum，Dibunophyllum stereoseptatum，Yuano-phyllum hunanense，Clisiophyllum vesiculosum，Lithostrotion asiaticum 等，有孔虫中出现Eostaffella  化石；其上沉积的阿孜干组，可与中国南方扬子大陆区同期海盆沉积相对比；二叠纪富含有孔虫灰岩的沉积盆地中出现黑色页岩和砂岩，沉积环境有较明显变化，造礁生物大幅度减少，浮游性有孔虫生物占绝对优势。应该说盆地从二叠纪开始，出现较多白云质灰岩或白云岩，即意味着盆地海水变浅，出现局限湖盆地环境；到中二叠世的棋盘组沉积阶段，即有水道相砂岩及滩相介壳层，砂岩中有大型斜层理及包卷层理，介壳层中生物多为长身贝类，其次是腹足和双壳，纹饰保存较好，显示原地生长的低能环境。整个盆地沉积厚度约4400m。
（二）西昆仑边缘海盆演化
从晚泥盆世（？）—早（中）二叠世，西昆仑地区出现新的海侵，沉积物以大套三角洲相陆源粗碎屑砾岩沉积开始，底界超覆于蓟县纪花岗岩或震旦-寒武系灰岩和硅质岩之上。砾岩具复成分特征，中有花岗岩、石英（砂）岩、硅质岩、脉石英等，砾径大小不等，一般多为8～20cm，少量达30～40cm，次滚圆状，具基底式或孔隙式钙泥质胶结特点，显示近陆源快速堆积。砾岩层由下往上变细并减少，随之是砂泥质增多，即出现中厚层状岩屑砂岩和泥质页岩（后期变质为板岩）。靠中-上部出现多个含生物碎屑灰岩夹层，生物有珊瑚、海绵和有孔虫等。在砂岩底面因出现有少量槽模和鲍马序列，即有小斜坡浊流沉积的特点。上部的沉积砂、泥岩密集韵律组合亦有类复理石特征，故认为是浊流类复理石沉积盆地。整体沉积厚度可达3294m。盆地阶段性关闭时间估计是在早-中二叠世，因目前近地没有发现晚二叠世地层，故视为东吴运动造成其沉积盆地关闭。纵观西昆仑北缘恰尔隆一带晚二叠世浊流盆地的滑塌堆积生物灰岩块体，在较大程度上是由塔里木这一新生陆地提供。

7. 石炭纪的特征

什么是石炭纪？

8. 石炭纪全球烃源岩分布图

全球古板块再造、岩相古地理及古环境图集

板块再造时间节点为320Ma，浅海形成时间为306Ma，造山带时间范围为338～323Ma，岩相时间范围为311～299Ma，古气候与蒸发岩时间范围为318～306Ma，烃源岩时间范围为380～340 Ma，煤时间范围为359～299Ma，洋流时间范围为318～299Ma，冰盖形成时间为310 Ma。造山带据 Golonka，2011；俯冲带、洋流参考 Scotese,2002；冰盖范围据 Mullins and Servais，2008；煤分布据 Trappe，2000；烃源岩据 IHS数据库，2009；古气候、蒸发岩据 Tabor and Poulsen，2008；沉积岩相据Golonka and Ford,2000