彬長(zhǎng)礦區(qū)延安組煤層發(fā)育特征及其控制因素分析

陳曉智，湯達(dá)禎，許 浩，鄧春苗，何 偉，田 沖

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)能源學(xué)院，北京 100083；2.教育部海相儲(chǔ)層演化與油氣富集機(jī)理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

我國煤炭資源量巨大，煤層氣產(chǎn)業(yè)也已經(jīng)進(jìn)入快速發(fā)展階段[1-3]。煤層氣在煤田中普遍存在，但要成功地對(duì)其進(jìn)行大規(guī)模的商業(yè)化開發(fā)，需具備并認(rèn)清煤層氣地質(zhì)條件。作為煤層氣的生氣與儲(chǔ)氣載體，煤層的地質(zhì)特征制約著煤層氣的形成、運(yùn)移與富集成藏[4-5]。對(duì)于地質(zhì)條件復(fù)雜、經(jīng)歷多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的含煤地層，準(zhǔn)確地對(duì)其進(jìn)行劃分與對(duì)比，是煤層氣開發(fā)的理論依據(jù)。因此，認(rèn)清煤層發(fā)育特征，確定煤層對(duì)比的準(zhǔn)確性以及分析煤層發(fā)育特征的控制因素，是今后采煤與采氣綜合勘探開發(fā)的一項(xiàng)非常重要的基礎(chǔ)工作。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

彬長(zhǎng)礦區(qū)是國家規(guī)劃的十三個(gè)煤炭基地——黃隴基地的主力礦區(qū)之一，礦區(qū)位于陜西省黃隴侏羅紀(jì)煤田中部的彬縣-長(zhǎng)武縣境內(nèi)，面積3011.788km2。構(gòu)造位置處于鄂爾多斯盆地西南緣，分屬陜北斜坡旬邑坳陷西部，渭北隆起帶北緣，西部褶皺帶東側(cè)。礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，總體形態(tài)為一個(gè)NW向緩傾的單斜構(gòu)造[6]，其上發(fā)育少量的短軸背斜與寬緩向斜組成的褶皺構(gòu)造，軸向近NEE-SWW，地層傾角一般小于10°，區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造較不發(fā)育。

2 彬長(zhǎng)礦區(qū)煤層發(fā)育特征

2.1 含煤地層

彬長(zhǎng)礦區(qū)區(qū)域范圍波及到彬縣全境和長(zhǎng)武縣南部的主要含煤區(qū)域。區(qū)域地質(zhì)調(diào)查和鉆孔深部地質(zhì)揭露表明，礦區(qū)西南外緣出露古生界地層，向內(nèi)依次為三疊系、侏羅系、白堊系、新近系和第四系地層。

彬長(zhǎng)礦區(qū)主要的含煤地層為侏羅系中統(tǒng)延安組。根據(jù)巖性、巖相及含煤性，可將其自下而上分為延一段、延二段和延三段三個(gè)含煤段，含煤系數(shù)為17.4%[7]。

2.2 煤層對(duì)比

彬長(zhǎng)礦區(qū)由高家堡、楊家坪、大佛寺等近20個(gè)勘查區(qū)或煤礦組成，由于勘探時(shí)間及勘查隊(duì)伍的不同，各個(gè)勘查區(qū)或煤礦發(fā)育煤層編號(hào)不盡相同，這為煤層的開采及煤層氣的勘探開發(fā)帶來了極大的困難。利用基準(zhǔn)面旋回與沉積相、巖性組合、測(cè)井曲線組合及煤層自身特征多種方法，綜合分析4號(hào)煤層發(fā)育規(guī)律，得出了彬長(zhǎng)礦區(qū)發(fā)育煤層對(duì)比結(jié)果，即延一段發(fā)育4#煤層；延二段發(fā)育4上、4上-1和4上-2煤層；延三段發(fā)育3#、2#和1#煤層。其中，延一段的4#煤層單層厚度大，為研究區(qū)的主采煤層。

(1)基準(zhǔn)面旋回與沉積相

經(jīng)典層序地層學(xué)原理認(rèn)為，海平面的升降變化是層序演化的主要機(jī)制，而基準(zhǔn)面旋回是海平面升降變化的反映[8]。受多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，延安組地層與下伏富縣組和上覆直羅組均為局部平行不整合接觸，巖性剖面上表現(xiàn)為上覆地層底部的粗粒沉積(粗砂巖或細(xì)砂巖)對(duì)下伏地層發(fā)育的煤層或泥巖層的強(qiáng)烈切割作用，測(cè)井曲線上為幅值突變現(xiàn)象，可劃分為三級(jí)層序界面。與整個(gè)鄂爾多斯盆地延安組發(fā)育特征相比，彬長(zhǎng)礦區(qū)缺失上部第四段和第五段沉積[9]，三級(jí)層序旋回表現(xiàn)為基準(zhǔn)面上升半旋回，并劃分為兩個(gè)四級(jí)上升半旋回，分別對(duì)應(yīng)初始充填體系域和超覆充填體系域。

煤是在潮濕的沼澤環(huán)境由植物腐爛變質(zhì)演變而來[10]，延一段4#煤層和延三段3#煤層均發(fā)育在四級(jí)上升半旋回的頂部，沉積環(huán)境處于有利于煤層發(fā)育的河漫沼澤相、三角洲平原的沼澤相和湖相的泥炭沼澤相中，煤層沉積穩(wěn)定，可全區(qū)對(duì)比。

(2)巖性組合

巖性組合特征是沉積環(huán)境的物質(zhì)反映。煤屬于一種特殊的巖石類型，煤層的發(fā)育必然與煤層頂?shù)装灏l(fā)育的巖石類型有著較為密切的關(guān)系，而煤層氣的富集程度，更受其頂?shù)装鍘r性的致密程度及厚度的嚴(yán)格控制[11]。彬長(zhǎng)礦區(qū)延一段發(fā)育4#主力煤層，其底板巖性多為鋁土質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖等細(xì)粒碎屑巖，頂板表現(xiàn)為碳質(zhì)泥巖薄層(圖1)。通過識(shí)別這兩個(gè)巖性標(biāo)志層，可有效地指導(dǎo)4#煤層的發(fā)掘開采。

(3)測(cè)井曲線組合特征

測(cè)井曲線具有連續(xù)性好、可比性強(qiáng)、不受巖心采樣率的影響、人為干擾因素小的特點(diǎn)[12]。

利用測(cè)井曲線可以較真實(shí)地再現(xiàn)地下地層巖性組合特征，進(jìn)一步提高煤巖層對(duì)比的可靠程度。

彬長(zhǎng)礦區(qū)4#煤層物性特征明顯，由于煤層厚度與結(jié)構(gòu)不同，各種測(cè)井曲線的形態(tài)與圍巖物性差異明顯。測(cè)井曲線組合，一般表現(xiàn)為“三高一低一負(fù)”的形態(tài)特征。電阻率曲線呈“箱形”或“鐘形”，與上下圍巖表現(xiàn)為突變特征，為陡值高異常；聲波時(shí)差為異常高值的“箱形”特征；伽馬伽馬曲線顯示為陡值高異常，呈多峰齒的“箱形”；自然伽馬為低值異常，呈“低凹箱形”，與電阻率曲線形成“巨箱形”組合；自然電位曲線一般為負(fù)異常。

(4)煤層自身特征

彬長(zhǎng)礦區(qū)延安組各煤層的厚度差異性、沉積穩(wěn)定性及煤層自身結(jié)構(gòu)的不同，給煤層對(duì)比提供了良好依據(jù)[13]。4#主采煤層由于聚煤環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定，整體來講，具有單層厚度大、夾矸少的特點(diǎn)。煤層厚度有規(guī)律變化，南部較厚，北部較薄，由西向東煤層減薄并發(fā)生分岔現(xiàn)象，厚度0.78～22.34m，平均厚度9.91m。煤層均呈現(xiàn)黑色，具褐黑色條痕，以瀝青光澤為主，斷口為階梯狀、參差狀，少量平坦?fàn)?，煤巖類型多為暗淡型、半暗型和半亮型。

3 煤層發(fā)育的控制因素

3.1 構(gòu)造作用

煤系的現(xiàn)代展布及賦存狀態(tài)，主要受聚煤期后地質(zhì)構(gòu)造的控制。鄂爾多斯盆地屬于發(fā)育在克拉通之上，經(jīng)印支運(yùn)動(dòng)不同程度改造而形成的前陸盆地，為沉積和聚煤作用提供了良好場(chǎng)所[14]。彬長(zhǎng)地區(qū)煤系地層沉積后，主要經(jīng)歷燕山期擠壓逆沖、抬升剝蝕，以及喜山早期逆沖擠壓和晚期伸展斷陷作用。延安組煤系沉積后，地殼仍然處于穩(wěn)定狀態(tài)，該區(qū)在煤系沉積基礎(chǔ)上，接受連續(xù)沉積。在侏羅紀(jì)末期，燕山運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈作用，延安組煤系經(jīng)歷了第一次強(qiáng)烈的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，同時(shí)產(chǎn)生了許多褶皺和斷裂，煤系上覆地層遭受嚴(yán)重剝蝕，煤的演化及生氣停止。早白堊世時(shí)期，地殼相對(duì)穩(wěn)定，研究區(qū)以持續(xù)沉降為主，延安組煤層幾乎均發(fā)生變質(zhì)演化及生氣作用；到早白堊世末期，燕山運(yùn)動(dòng)使地殼全面隆升，晚白堊世和古近紀(jì)幾乎沒有接受沉積，煤的演化、生氣處于終止?fàn)顟B(tài)。

彬長(zhǎng)礦區(qū)侏羅系地層整體以持續(xù)沉降和抬升剝蝕為主，斷層很少發(fā)育，礦區(qū)內(nèi)部自北向南發(fā)育七里鋪-西坡背斜、雅店背斜和孟村向斜等褶皺構(gòu)造[15]。這些褶皺均形成于印支期，且在燕山期構(gòu)造層具有一定的繼承性。4#主采煤層表現(xiàn)為向斜區(qū)厚，背斜區(qū)薄，其含氣量則呈向斜或兩背斜之間區(qū)域高、背斜區(qū)偏低的特征。

3.2 沉積古地理

彬長(zhǎng)礦區(qū)延安組沉積時(shí)期，古地形地貌發(fā)育特征明顯，受三疊系末期的剝蝕作用控制。研究區(qū)整體地勢(shì)平坦，局部地區(qū)發(fā)育的古隆起形成了無煤區(qū)。

延一段地層是在富縣組地形填平補(bǔ)齊的基礎(chǔ)上沉積的。中下侏羅統(tǒng)地層沉積早期，地殼因長(zhǎng)期夷平，在低洼地區(qū)形成廣闊的濕地沼澤，為4#煤沉積提供了良好的聚煤場(chǎng)所。整體來看，在南部大佛寺礦區(qū)與北部雅店礦區(qū)煤層厚度較大，在由東南至東北方向，由于古河道的下切沖刷作用或沉降幅度發(fā)生變化引起成煤條件變差，煤層發(fā)生分岔、變薄或尖滅。

延二段沉積時(shí)期，由于地形起伏差異逐漸變小，巖相古地形環(huán)境以河沼相為主，河床相、河漫相及沼澤相交替出現(xiàn)，形成了該段地層以沉積河流體系的河道、河漫灘沉積為主的中粗粒砂巖。零星分布的薄煤層形成于短暫而不穩(wěn)定的泥炭沼澤相，煤層薄，且厚度極不穩(wěn)定。

延三段沉積時(shí)，區(qū)域地形趨于平坦，主干河流已經(jīng)遠(yuǎn)離成煤區(qū)，從而形成了湖沼化沖積平原，巖相古地理環(huán)境以湖沼相為主。煤層形成于濱湖泥炭沼澤。隨后，地殼整體抬升，成煤作用結(jié)束。

3.3 古氣候

氣候條件不僅控制著大氣降水，同時(shí)也控制著地表水的蒸發(fā)、陸表風(fēng)化作用以及植被發(fā)育等情況，從而控制著沉積環(huán)境演化及煤層發(fā)育特征。彬長(zhǎng)礦區(qū)生長(zhǎng)多種古植物，其中，銀杏類約占33.8%，松柏類約占18.5%[16]，結(jié)合古地磁資料[17]，總體反映了亞熱帶～暖溫帶氣候條件。此外，研究區(qū)Classopollis花粉分布面積較大[18]，反映了在氣候濕潤的條件下，富含Classopollis花粉的母體植物生活在泥炭沼澤環(huán)境中，并參與了成煤作用，形成了延安組一段沉積時(shí)期的富煤帶。延安組晚期，古濕氣流減弱，氣候向干燥化方向發(fā)展，成煤作用下降至結(jié)束。

4 結(jié)論

(1)依據(jù)基準(zhǔn)面旋回與沉積相、巖性組合、測(cè)井曲線組合及煤層自身特征等多種煤層對(duì)比方法的綜合運(yùn)用，確定了4#煤層對(duì)比的準(zhǔn)確性。煤層主要發(fā)育在四級(jí)層序上升半旋回的頂部，沉積于河漫沼澤、三角洲平原的沼澤或湖相的泥炭沼澤環(huán)境中。4#煤層頂?shù)装逡蕴假|(zhì)泥巖、鋁土質(zhì)泥巖或泥質(zhì)粉砂巖為主，煤層在組合測(cè)井曲線上表現(xiàn)為“三高一低一負(fù)”的特征，具有單層厚度大、橫向變化有規(guī)律的特點(diǎn)，煤巖類型多為暗淡型、半暗型和半亮型。

(2)彬長(zhǎng)礦區(qū)雖經(jīng)歷了印支、燕山及喜馬拉雅多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，但侏羅系地層總體以持續(xù)沉降和抬升剝蝕為主，褶皺構(gòu)造控制了煤層厚度變化規(guī)律，而晚期的喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)是造成礦區(qū)煤層含氣量偏低的主要原因。

(3)煤層發(fā)育受古地形的控制，研究區(qū)4#煤層主要沉積于地勢(shì)較低的泥炭沼澤環(huán)境中，古隆起和古河道的發(fā)育形成了無煤區(qū)。古氣候條件分析表明，亞熱帶～暖溫帶的濕潤氣候，為富含Classopollis花粉的植物提供了生存條件，有利于成煤作用的形成。

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