鄂爾多斯盆地延安組層序地層格架與煤層形成

王東東，邵龍義，李智學(xué)，胡一鴻

1.山東科技大學(xué)山東省沉積成礦作用與沉積礦產(chǎn)重點實驗室，山東 青島 266590

2.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京 100083

3.陜西能源集團公司，西安 710054

鄂爾多斯盆地是我國中新生代重要的能源盆地，蘊藏著豐富的煤炭、石油等資源，其中陜西省盆地內(nèi)的侏羅紀煤是重要的組成部分。盆地內(nèi)資源勘探、開發(fā)歷史悠久，不斷更新的地質(zhì)學(xué)新理論、新方法指導(dǎo)著能源地質(zhì)勘探工作。隨著層序地層學(xué)研究的不斷深入，其應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴展，尤其在能源地質(zhì)勘探中發(fā)揮了越來越重要的作用。隨著層序地層學(xué)的發(fā)展，經(jīng)典的層序地層學(xué)模式被逐漸修訂、完善[1-3]，使得層序地層格架真正實現(xiàn)了等時性。層序地層學(xué)的研究，特別是可容空間概念的提出，以及其對煤層發(fā)育的動態(tài)控制作用和聚煤模式[4-5]，成為煤田地質(zhì)研究的熱點。研究等時地層格架下可容空間控制的聚煤模式，為煤田地質(zhì)研究提供了新的契機，能夠更為有效地指導(dǎo)煤田地質(zhì)勘探。

1 經(jīng)典層序地層模式的修訂

層序地層學(xué)自20世紀40年代提出以來，其理論得到了迅速的發(fā)展，各種學(xué)派、模式也蓬勃發(fā)展，特別是Exxon公司提出的經(jīng)典層序地層學(xué)，為廣大專家和學(xué)者所接受，并由海相環(huán)境推廣和應(yīng)用到陸相環(huán)境，在能源勘探領(lǐng)域起到了巨大的推動作用。

但是，隨著層序地層學(xué)的發(fā)展和應(yīng)用，經(jīng)典的層序地層學(xué)理論也逐漸暴露出存在的問題和不足，有待于進一步完善。特別是強迫海退的提出[1]和層序四分法的提出[2]，是對Exxon經(jīng)典層序地層學(xué)的一個修正，使得層序地層模式更具等時性，利于更加準確地指導(dǎo)能源地質(zhì)勘探。

1.1 強制海退的提出

Posamentier等[1]通過對海退的詳細研究，將海退進一步劃分為正常海退和強制海退，提出了2種海退發(fā)生的條件：1）輸入海岸的沉積量超過可容空間的增加量，即ΔVs／Δt＞ΔVa／Δt。其中，Vs為注入海岸的沉積物體積，Va為沉積物作用的現(xiàn)有空間，t為時間。2）相對海平面下降。這2種情況下均會導(dǎo)致海岸線向海遷移[6]。

Hunt等[2]認為，在三級相對海平面下降期，高級別旋回的相對海平面變化可能疊加在總體基準面下降之上，導(dǎo)致三級基準面下降減速或加速：1）在減速下降階段，高級別層序可能沉積在斜坡上，即濱面準層序，隨著三級下降的持續(xù)發(fā)展，而出現(xiàn)沉積體的廢棄、出露或下切；2）在加速下降階段，斜坡上可能不發(fā)育濱面準層序，只發(fā)生河道下切，這種相對于海平面下降期的海退稱為強制海退。

1.2 經(jīng)典層序地層模式修訂與層序四分法

根據(jù)Exxon經(jīng)典層序的定義，層序邊界應(yīng)在海平面最低點附近形成，那么斜坡上沉積的濱面準層序應(yīng)位于層序界面之下。但是與之同時期沉積的盆底沉積物（LSF）被劃在層序界面之上，那么這個層序界面就出現(xiàn)了相對位置與地質(zhì)年代之間的互相矛盾，需要出現(xiàn)新的方案修正這種模式。

Hunt等[2]針對Exxon的經(jīng)典層序模式提出了修改方案：將經(jīng)典的低水位體系域劃分為強制海退楔體系域（FRWST）和低水位進積楔體系域（LPWST），后者與經(jīng)典層序中的盆底沉積物相對應(yīng)。將層序邊界位置確定在FRWST之上。這樣，在海平面最低之后的任何沉積物都位于層序邊界之上。這個層序邊界才是一個真正的等時界面，它消除了經(jīng)典模式中與相對海平面下降和低水位有關(guān)的矛盾與不確定性[6]。

2 關(guān)鍵的層序地層界面和強制海退的識別

雖然層序地層學(xué)是起源于海相環(huán)境的層序概念，但是經(jīng)過必要的修改后，可以應(yīng)用于完全屬于非海相成因的層序，盡管不存在可對比的海相界面。研究區(qū)鄂爾多斯盆地中侏羅世延安組沉積期，湖泊范圍巨大，與海相的層序地層特征極為類似。

鄂爾多斯盆地延安組的層序地層研究歷史已久。有的專家將延安組作為1個三級層序來研究[7-9]；有的學(xué)者則將延安組劃分為5個層序（準層序組或小層序組）和若干準（?。有騕10-11]；隨著研究的不斷深入，越來越多的專家將延安組劃分為3個三級層序或長周期基準面旋回[12-18]。以往的層序地層研究大多局限于某個地區(qū)，缺少全盆地宏觀的研究；且采用的理論體系不同、劃分標(biāo)準不同，導(dǎo)致層序的劃分因人而異，至今未形成統(tǒng)一的認識。筆者將在識別強迫湖退體系域的基礎(chǔ)上，采用層序“四分法”，建立全盆地范圍等時的層序地層格架。

2.1 研究區(qū)關(guān)鍵的層序地層界面

2.1.1 層序界面（SB）

1）區(qū)域不（假）整合面：延安組底部或沉積于早侏羅世富縣組之上，或沉積于晚三疊世延長組之上，其間為一不整合面；延安組與上覆直羅組之間的古剝蝕面，為燕山運動I幕造成了延安組強烈剝蝕，均為典型的層序地層界面。

2）河流下切谷及典型的河道沖刷面：基準面下降期間，河道砂體對下伏地層造成強烈的沖刷。這種河道砂體一般厚度較大、分布穩(wěn)定、延伸范圍較廣，代表了基準面的劇烈下降，之后代表一個新層序的開始，可對比性強。研究區(qū)延安組底部的寶塔山砂巖、延三段中下部的裴莊砂巖、延五段底部的真武洞砂巖和上覆直羅組底部的直羅砂巖等，均為典型的層序界面（圖1）。

3）古土壤層：一般形成于河流泛濫盆地的厚層紫紅色或雜色泥巖。它們的出現(xiàn)代表了河流泛濫的間歇期，也是地表暴露的一個主要標(biāo)志，代表一段時間的沉積間斷。因而這些古土壤層出現(xiàn)的位置是與河流下切谷或典型河道沖刷面可對比的河道間的層序界面。

4）沉積相轉(zhuǎn)換面：主要是存在于覆水未暴露的地區(qū)，由于一直有水體覆蓋，無法形成暴露面或沖刷面，但隨著湖平面的升降，沉積相也會隨之發(fā)生轉(zhuǎn)換。如葫蘆河剖面，沉積相由濱湖-淺湖-半深湖-濱湖-淺湖-半深湖的轉(zhuǎn)換，其中半深湖-濱湖轉(zhuǎn)換面即代表了層序界面。

5）地層顏色突變界面：也為重要的層序界面。如：考考烏素溝地區(qū)下伏富縣組與延安組界面，地層顏色由暗紅色變?yōu)榛野咨?；陜北地區(qū)延安組到上覆直羅組，地層顏色由灰白色變?yōu)榫G黃色。

6）古生物組合的變化：也在一定程度上反映了層序基準面的升降變化，特別是雙殼類化石組合。如：ferganoconcha-sibireconcha組合反映開闊湖環(huán)境；margaritifera組合反映前三角洲（或三角洲間灣）環(huán)境；unio組合反映分流間灣環(huán)境；pesudocardinia？反映了三角洲平原和泛濫平原上的河漫湖泊環(huán)境等[19]。

圖1 延安組內(nèi)部典型的河道沖刷層序界面Fig.1 Typical river erosion sequence surfaces of the internal of the Yan’an Formation

圖2 鄂爾多斯盆地延安組縱剖面煤層向湖盆延伸程度Fig.2 Extension degree of longitudinal profile through coal seam to the lake basin of Yan’an Formation in Ordos basin

7）煤層一般發(fā)育在泥炭沼澤環(huán)境：該時期研究區(qū)的古氣候、古植物和古構(gòu)造條件均有利于成煤作用的發(fā)生，且湖泊外圍曲流河、三角洲廣泛發(fā)育，成煤作用發(fā)生的范圍廣闊。李寶芳等[12]在研究鄂爾多斯盆地延安組聚煤規(guī)律時指出，根據(jù)湖泊周圍成煤作用發(fā)生的范圍圈定湖岸線，在一定程度上，可以將煤層向湖泊延伸的邊界作為湖岸線的位置。

煤層向湖盆或陸地方向的遷移，在一定程度上反映了湖水的進退；煤層向湖／陸延伸范圍的周期性變化，反映了延安組湖平面的擴張與退縮。圖2中大致反映了3期大的湖平面升降周期：延安組沉積之初湖水開始擴張，到5煤組發(fā)育末期湖擴張達到最大，之后湖水開始退縮，直到發(fā)育4煤組及上部地層，湖泊萎縮到極限；4煤組上覆的厚層裴莊砂巖可能對下伏地層造成一定程度的沖刷，之后湖水再次擴張，且擴張速度較快，該過程成煤強度較弱，而在湖水緩慢退縮階段成煤較好，發(fā)育了3煤組和2煤組及上部地層，湖水退縮到極限；2煤組上覆的厚層真武洞砂巖對下伏地層造成較強的沖刷，之后湖水整體以萎縮為主，小范圍的擴張發(fā)育了1煤組的兩套厚煤層，上覆的直羅組砂巖對1煤組地層沖刷嚴重。

2.1.2 最大湖泛面（Mfs）

研究區(qū)最大湖泛面主要有兩種類型。一種是在湖盆濱岸坡折帶外側(cè)的泛濫平原或三角洲平原上發(fā)育的厚煤層的頂界面。由于延安組沉積期，鄂爾多斯盆地是一個大型陸相的坳陷盆地，主要發(fā)育河流-三角洲-湖泊沉積。在湖泊的濱岸處勢必存在一個濱岸坡折帶，在坡折帶靠近湖泊一側(cè)坡度相對較大，而坡折帶外部靠近陸地一側(cè)，特別是盆地北部榆林-東勝等廣大地區(qū)，地勢極為平緩（坡度＜1°），隨著湖水的不斷擴張，濱岸坡折帶外側(cè)平坦的泛濫平原或三角洲平原上廣泛發(fā)生成煤作用，當(dāng)達到最大湖泛期時，湖水淹沒大部分的泥炭沼澤，進而成煤作用終止。該時期形成的厚煤層的頂面可認為是等時的，即代表了最大湖泛面（圖3），這些厚煤層頂界面代表了基準面上升晚期到下降初期的轉(zhuǎn)折，且厚煤層區(qū)域穩(wěn)定性好，是層序地層區(qū)域追蹤對比的一個重要標(biāo)志。另一種是湖盆坡折帶內(nèi)側(cè)水體相對較深的區(qū)域厚層泥巖的中部。這些區(qū)域一般不發(fā)育煤層，而泥巖凝縮層的發(fā)育代表了最大湖泛面，一般位于厚層泥巖的中部，在測井曲線上表現(xiàn)為高GR值和低電阻率值，即俗稱的“泥脖子”段頂部。

圖3 泛濫平原／三角洲平原區(qū)煤層頂界面作為最大湖泛面Fig.3 Coal roof interface as maximum flooding surface in flood／delta plain area

2.2 強制湖退體系域的識別

在延安組層序地層格架中，高位正常湖退之后，基準面正常為負值，陸地區(qū)表現(xiàn)為地層的剝蝕，而在湖區(qū)則沉積了一套粒度較粗的強迫湖退沉積物。由于該時期湖平面下降較快，這套沉積物與下伏地層在沉積相上表現(xiàn)為突變特征。圖4中強迫湖退沉積之前主要為淺湖泥巖沉積，之后突然變?yōu)榱６容^粗的濱湖灘壩沉積或水下河道沉積。在測井曲線上，最高位正常海退表現(xiàn)為測井曲線向上呈漸變狀態(tài)，而強制湖退沉積物的測井表現(xiàn)為與下伏地層測井曲線呈突變接觸。

在盆地東緣延安組平剖面上，以層序Ⅰ為例，可以看到（圖5）：低位正常湖退期，基準面增加速率逐漸增大到與沉積物堆積速率相等，以發(fā)育砂巖沉積為主；在湖侵期，基準面增加速率大于沉積物堆積速率，砂體逐漸向北部陸地區(qū)退積；在高位正常湖退期，基準面增加速率開始與沉積物堆積速率相等，之后逐漸減小至0，砂體逐漸向湖區(qū)進積；高水位期之后，相對湖平面下降，基準面增加速率為負值，北部陸地區(qū)（ZK459，考考烏素溝）開始出現(xiàn)剝蝕；向南部湖域區(qū)，隨著湖平面的下降，逐漸在湖區(qū)淺湖泥（ZK2337，大理河、延水河）、半深湖泥（葫蘆河）沉積的上部沉積了粒度較大的水下河道沉積（ZK2337，大理河、延水河）、濱岸灘壩（葫蘆河）沉積，表現(xiàn)為較深水沉積物上直接覆蓋較淺水沉積物，沉積物特征的突變反映了湖平面的快速沉降；而這些粒度較粗的較淺水沉積物，即為強制湖退階段發(fā)育的沉積物，代表了基準面（湖平面）下降到最低階段的產(chǎn)物，為一個層序的結(jié)束階段；之后，基準面（湖平面）再次上升，則進入了下一個層序沉積期，開始發(fā)育低位正常湖退沉積。

圖4 延安組強制湖退體系域在垂向上的測井相和沉積相變化Fig.4 Vertical change of logging facies and sedimentary facies of forced regressive system tracts of Yan’an Formation

圖5 鄂爾多斯盆地東緣延安組層序I層序地層發(fā)育斷面圖Fig.5 Sequence stratigraphy section of SQI of Yan’an Formation strata eastern margin in Ordos basin

3 研究區(qū)層序組成樣式與層序地層劃分

3.1 內(nèi)陸盆地層序地層組成樣式

鄂爾多斯盆地延安組的層序組成，以平均濱岸線為界，向湖方向和向陸方向有所不同。向陸方向包括3個體系域，即低位正常海退體系域、湖侵體系域和高位正常湖退體系域；而向湖方向則主要在此基礎(chǔ)上，在頂部還發(fā)育一個強迫湖退體系域（圖6）。關(guān)鍵的層序地層界面是陸表不整合面、可對比整合面、最大湖泛面和最大湖退面，其中最易于識別的是陸表不整合面和最大湖泛面。由于區(qū)內(nèi)延安組的標(biāo)志層較為發(fā)育，包括砂巖標(biāo)志層、泥巖標(biāo)志層和煤層標(biāo)志層，區(qū)域可對比性強，使得層序地層格架的劃分和對比相對比較清楚（表1）。

3.2 延安組層序地層劃分方案

圖6 鄂爾多斯盆地延安組層序內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.6 Sequence internal structure of Yan’an Formation in Ordos basin

表1 鄂爾多斯盆地延安組層序地層劃分方案Table1 Sequence stratigraphic division scheme of the Yan’an Formation in Ordos basin

根據(jù)各標(biāo)志層及其對應(yīng)的層位，延安組可以劃分為3個層序、9個體系域（陸上）或11個體系域（湖區(qū)）（表1）。

層序I底界面為延安組與下伏富縣組或延長組的界面，也為延一段底部寶塔山砂巖底界面及其對應(yīng)界面；頂界面為延三段中、下部裴莊砂巖底界面及其對應(yīng)界面，大致與延一段、延二段和延三段底部相對應(yīng)。在近盆緣一側(cè)以5-1煤的頂界面作為最大湖泛面，大范圍的湖侵導(dǎo)致成煤作用的結(jié)束；在近湖心的一側(cè)，最大湖泛面應(yīng)在5-1煤上部的泥巖段中，可根據(jù)巖性粒度變化、充填序列、準層序的疊置樣式或測井曲線等輔助識別；在湖區(qū)沒有煤層發(fā)育的地區(qū)，最大湖泛面一般存在于厚層泥巖的中部，也是根據(jù)前述的方法識別。強制湖退體系域，在測井曲線上表現(xiàn)為高位正常湖退體系域上部測井曲線突變的粗碎屑巖段，缺少測井曲線的情況下，則主要根據(jù)巖性的突變來識別。例如，層序I中湖層序頂部與下伏地層呈突變接觸的粗砂巖段，可以認為是強迫湖退體系域沉積。層序Ⅱ的底界面為延三段中、下部裴莊砂巖底界面及其對應(yīng)界面，頂界面為延五段底部的真武洞砂巖及其對應(yīng)界面相對應(yīng)，基本與延三段中、上部以及延四段相對應(yīng)。在近盆緣一側(cè)以3-1煤的頂界面作為最大湖泛面；在靠近湖泊的一側(cè)，最大湖泛面一般在3-1煤的下部。由于延三段湖擴張達到鼎盛時期，近湖心一側(cè)水體相對較深，在最大湖泛期之后湖水逐漸變淺的情況下，才能夠大范圍地發(fā)育煤層；在湖區(qū)不發(fā)育煤層的地區(qū)，最大湖泛面一般發(fā)育在厚層泥巖中；強制湖退體系域仍為湖區(qū)內(nèi)層序頂部發(fā)育的與下伏地層突變接觸的粗碎屑巖沉積。層序Ⅲ底界面為延五段底部真武洞砂巖的底界面及其對應(yīng)界面，頂界面為延安組與直羅組之間的界面，直羅組底部一般發(fā)育厚度較大、粒度較粗的直羅砂巖，顏色也與延安組有許多不同，因此，此界面易于識別。該層序內(nèi)發(fā)育兩套厚度較大的砂巖，下部的真武洞砂巖和上部的衛(wèi)星砂巖，每套砂巖上部發(fā)育泥巖、煤層沉積，以真武洞砂巖上部的1-2煤（東勝地區(qū)稱2-2煤）的頂界面或與之對應(yīng)的厚層泥巖段中部為最大湖泛面，有測井曲線的地區(qū)可以根據(jù)測井曲線進行識別，主要表現(xiàn)為極高的伽馬值，俗稱的“泥脖子”。該時期湖泊強烈萎縮為數(shù)個范圍不大的局限湖泊，因此該時期基本不發(fā)育強制湖退體系域。

3.3 層序地層的區(qū)域發(fā)育特征

3.3.1 延安組南北向?qū)有虻貙犹卣?/p>

鄂爾多斯盆地延安組在南北方向上（圖7），地層發(fā)育表現(xiàn)為北部厚、向南部減薄的特征；南部地層薄的原因除了沉積早期地勢較高、構(gòu)造沉降較弱外，還受到后期強烈剝蝕，導(dǎo)致延安組上部地層保存較差。從層序的發(fā)育和保存程序來看：盆地中北部地區(qū)3個層序發(fā)育較為齊全，且各層序的體系域發(fā)育較齊全；向盆地南部層序保存程度明顯變差；盆地中南部葫蘆河地區(qū)，層序Ⅲ基本沒有保存；盆地南部焦坪地區(qū)，層組Ⅱ保存不完整，頂部受到一定程度剝蝕，且層序I不發(fā)育低位體系域。

層序的組成在最大湖退期湖岸線兩側(cè)有所不同：在層序I和層序Ⅱ發(fā)育期，在非湖泊沉積區(qū)，即盆地的南部和北部地區(qū)，每個層序由低位正常湖退、湖侵和高位正常湖退3個體系域組成；而在湖泊沉積區(qū)，即盆地中部湖域區(qū)，在陸地方向發(fā)育的3個體系域的上部還發(fā)育一個強迫湖退體系域，該體系域為最大湖退期在湖泊區(qū)的沉積產(chǎn)物，一般沉積物粒度較粗且與下伏地層明顯接觸。層序Ⅲ沉積期，研究區(qū)主要發(fā)育河流體系，范圍廣闊的的湖泊幾乎消失，僅發(fā)育一些范圍較小的河漫湖泊，全盆地范圍均不發(fā)育強迫湖退體系域。

在層序格架中，煤層主要發(fā)育在盆地南部和北部地區(qū)，中部湖區(qū)不發(fā)育煤層。盆地北部地勢平緩，在湖侵和高位正常湖退體系域發(fā)育了厚度中等、分布穩(wěn)定的數(shù)層煤層；盆地南部地勢相對凹凸不平，湖侵期在地勢低洼處發(fā)育了厚度巨大的煤層，但煤層穩(wěn)定性較差，分布范圍有限。

3.3.2 延安組東西向?qū)有虻貙犹卣?/p>

鄂爾多斯盆地延安組在東西方向上的層序特征與南北方向相似，地層發(fā)育整體表現(xiàn)為中部厚、西部次之、東部最薄的特點，地層大都保存不全，缺失延五段，僅在中西部和中部地層保存較全。

從層序的發(fā)育和保存層序來看：層序Ⅰ、Ⅱ保存較全，各層序地層厚度仍為中部厚、西部次之、東部最?。粚有颌笤谥形鞑亢椭胁康貙颖４孑^全，發(fā)育3個體系域，在西部和東部地區(qū)，已經(jīng)剝蝕殆盡。

層序Ⅰ和Ⅱ發(fā)育期，在向陸一側(cè)，即盆地的西部地區(qū)，每個層序由低位正常湖退、湖侵和高位正常湖退3個體系域組成；而在向湖一側(cè)，即盆地東湖域區(qū)，在陸地方向發(fā)育的3個體系域的上部還發(fā)育一個強迫湖退體系域。層序Ⅲ沉積期，研究區(qū)主要發(fā)育河流體系，全盆地范圍均不發(fā)育強迫湖退體系域。

在層序格架中，煤層主要發(fā)育在盆地中西部地區(qū)、層序的湖侵和高位正常湖退體系域；盆地西部坳陷速度較快，沉積地層厚度較大，發(fā)育的煤層層數(shù)較多，單煤層厚度薄-中等，煤層累積厚度較大，僅次于盆地南部華亭地區(qū)的巨厚煤層厚度，但大于盆地北部地區(qū)的煤累計厚度。

4 層序格架下的聚煤特征與聚煤模式

4.1 層序地層格架下的聚煤特征

通過對研究區(qū)內(nèi)眾多鉆孔，特別是典型鉆孔和典型連孔剖面進行分析發(fā)現(xiàn)：煤層主要發(fā)育在層序I和層序Ⅱ的湖侵體系域中期和晚期、高位正常湖退體系域的中期和晚期，這兩個體系域的早期也有少量煤層發(fā)育；層序Ⅲ中煤層主要發(fā)育在湖侵體系域的晚期，在高位正常湖退體系域的中晚期也有部分煤層發(fā)育（表2）。此外，厚度較大的煤層一般發(fā)育在體系域的晚期，局部地區(qū)厚煤層也發(fā)育在層序Ⅰ湖侵體系域的早、中期。

研究發(fā)現(xiàn)，控制煤層發(fā)育的并非三級基準面升降，而是更高級別的四級基準面升降。因此，三級層序中煤層在各體系域中發(fā)育的位置，是四級基準面升降和三級基準面升降疊加后的結(jié)果。在三級層序內(nèi)，煤層可以發(fā)育在三級層序的湖侵或高位體系域，因為它疊加了更高級別的基準面升降；但就煤層的成因?qū)有騿卧裕簩又饕l(fā)育在基準面上升期間，也就是湖侵體系域。

在層序格架中，煤層的發(fā)育來源于早期泥炭的堆積，而泥炭的堆積需要有保存的空間。在層序地層格架中，只有基準面的增加速率適宜，能夠提供適宜的空間堆積泥炭，才可能發(fā)育煤層；如果可容空間增加速率與泥炭堆積速率達到某種平衡，且這種平衡能夠維持泥炭堆積速率達較長的時間，那么就可以堆積巨厚層泥炭，進而發(fā)育為厚煤層。當(dāng)可容空間增加速率過快或過慢，或者速率適宜但持續(xù)時間較短時，均不利于厚煤層的發(fā)育。

在層序Ⅰ和層序Ⅱ中，研究區(qū)內(nèi)發(fā)育湖泊、三角洲和內(nèi)陸河流沉積，泥炭堆積與可容空間增加之間的平衡在靠近湖泊一側(cè)的濱岸區(qū)和靠近陸地一側(cè)的內(nèi)陸區(qū)有所不同。在湖侵過程中，湖侵的發(fā)生導(dǎo)致可容空間增大的區(qū)域首先出現(xiàn)在湖區(qū)。濱岸區(qū)，在湖侵期間，基準面上升幅度大、速率快，可容空間增加速率較快，在湖侵的早、中期可容空間的增加速率可能與泥炭堆積速率達到平衡，即達到了均衡補償，進而發(fā)育厚度較大的煤層，該地區(qū)厚煤層大都位于湖侵體系域的中下部；而靠近內(nèi)陸區(qū)則為過度補償，發(fā)育煤層厚度不大；隨著湖侵的繼續(xù)，濱岸區(qū)的基準面上升過快，可容空間增加速率明顯大于泥炭堆積速率，即出現(xiàn)泥炭堆積的欠補償狀態(tài)，且湖平面的上升不利于植物的生長，成煤作用逐漸減弱或終止；然而在內(nèi)陸區(qū)，基準面增加速率逐漸增大，泥炭由過度補償逐漸向平衡補償轉(zhuǎn)變，并在最大湖泛期達到均衡補償或最接近均衡補償，所以該時期內(nèi)陸地區(qū)發(fā)育的煤層最厚，該地區(qū)厚煤層大都位于湖侵體系域上部，即隨著湖水的不斷向陸擴張，富煤帶也隨之向陸地遷移。

層序Ⅲ發(fā)育期間，湖泊大范圍萎縮為局限性河漫湖泊，研究區(qū)內(nèi)以河流體系為主。煤層主要發(fā)育在河流泛濫平原的沼澤和河漫湖泊環(huán)境，成煤機理與前兩個層序基本一致；但由于沒有范圍較大的湖泊發(fā)育，泥炭堆積難以達到欠補償，而以過度補償和均衡補償為主，即在最大湖泛面附近達到或最接近均衡補償，所以厚煤層一般發(fā)育在湖侵體系域晚期的最大湖泛面附近。

4.2 可容空間控制的聚煤模式

坳陷型盆地與被動大陸邊緣的近海型含煤巖系類似，其中大面積分布的煤層亦主要形成于可容空間增加速率與泥炭堆積速率保持平衡或略高于泥炭堆積速率時[20]。由于陸相含煤盆地影響可容空間的因素（如古氣候、基底沉降、湖平面變化等）遠比海相地層復(fù)雜，煤層在層序格架內(nèi)的發(fā)育也具有多樣性[21-22]。鄂爾多斯盆地延安組含煤巖系，從曲流河沖積平原到三角洲平原再到湖泊環(huán)境，層序與煤層的發(fā)育呈有規(guī)律變化（圖8）。

在曲流河沖積平原（圖8a），三級層序主要由多個四級層序基準面上升半旋回低位體系域和湖侵體系域疊置組成，自下而上四級層序低位體系域砂巖層數(shù)和厚度減少、減小，而湖侵體系域煤層和粉砂巖等細碎屑巖較少，總體它們構(gòu)成三級層序基準面上升半旋回的湖侵體系域。此時，煤層發(fā)育于四級層序的湖侵體系域，自下而上煤層厚度減小趨勢明顯，厚煤層靠近上部最大湖泛面發(fā)育。

表2 研究區(qū)典型鉆孔煤層在層序地層格架中的位置Table2 Coal beds location in sequence framework of typical boreholes of study area

圖8 鄂爾多斯盆地延安組含煤巖系層序格架內(nèi)煤層發(fā)育特征Fig.8 Map showing the characteristics of coal accumulation in the sequence framework of the Yan’an Formation coal measures in Ordos basin

在曲流河三角洲平原（圖8b），三級層序主要由多個基本對稱的四級層序基準面旋回疊置組成，但自下而上四級層序低位體系域砂巖層數(shù)和厚度增加、增厚，而湖侵體系域煤層和粉砂巖等細碎屑巖減少、減薄，總體構(gòu)成三級層序的高位正常湖退體系域，而三級層序高位正常湖退體系域發(fā)育較差。此時，煤層也主要發(fā)育于四級層序的湖侵體系域。

在濱湖平原（圖8c），三級層序以高位體系域為主，其次為湖侵體系域和低位體系域。高位體系域中、后期由多個四級層序基準面上升半旋回湖侵體系域和基準面下降半旋回高位體系域疊置而成，煤層發(fā)育于每個四級層序湖侵體系域下部，煤層底板為四級層序初始湖泛面。自下而上，煤層厚度減薄，煤層間距也逐漸縮小。

鄂爾多斯盆地延安組沉積期表現(xiàn)為“北緩、南陡、中部坳陷、坳中有隆”的地形特征：盆地南部地區(qū)為相對狹窄的斜坡帶，地勢較高，沉積開始較晚，地層厚度變化較大，受到后期剝蝕嚴重，煤層主要發(fā)育在古地貌的洼陷區(qū)，煤層厚度大但穩(wěn)定性差；北部為寬緩的斜坡帶，且構(gòu)造穩(wěn)定，沉積的地層厚度變化不大且保存較好，發(fā)育的煤層（組）穩(wěn)定性較好；中部為湖域區(qū)，沉積中心位于凹陷中南部，北部為次級沉積中心，中北部砂巖較發(fā)育，為相對隆起區(qū)。

盆地南部和北部斜坡帶的層序構(gòu)成包括3個體系域，即低位正常湖退、湖侵和高位正常湖退體系域。南部斜坡在延安組沉積早期，由于地勢較高，僅在河道沉積區(qū)發(fā)育低位體系域，其余地區(qū)一般不發(fā)育低位體系域；北部斜坡層序的構(gòu)成較齊全。中部湖區(qū)，在湖水退卻、陸上區(qū)域已經(jīng)不再接受沉積甚至發(fā)生剝蝕的時候，在湖區(qū)仍沉積了一套粒度較粗的沉積物，為強迫湖退沉積。自盆地邊緣向中部坳陷區(qū)，盆地基底的構(gòu)造沉降速率逐漸增加，在中南部沉積中心達到最大，北部次級沉積中心次之，坳陷內(nèi)隆起沉降速率相對較低。沉積物充填速率在南北部斜坡帶速率較大，向兩個沉積中心沉積速率明顯減小，坳陷內(nèi)隆起的充填速率相對較大。該時期可容空間的增加速率，從南北斜坡向中部坳陷區(qū)明顯增大，南部斜坡高于北部斜坡，坳陷內(nèi)隆起相對較小。聚煤作用強度從盆地邊緣向南北部斜坡逐漸增大，向中部坳陷區(qū)逐漸減小為0；沉積早期南部的聚煤強度最大，單煤層厚度較大，晚期聚煤強度較小；北部斜坡發(fā)育多個煤組，整體聚煤強度較大（圖9）。從盆地邊緣到沉積中心等時地層格架下巖相、沉積相和聚煤作用有規(guī)律地遷移，為斷陷盆地煤礦區(qū)深部和礦區(qū)外圍煤炭資源勘探提供了科學(xué)依據(jù)和指導(dǎo)。

5 結(jié)論

圖9 鄂爾多盆地延安組殘存區(qū)東部南北向?qū)有虬l(fā)育及可容空間控制的聚煤模式圖Fig.9 North-south profiles sequence and coal accumulating model controlled by accommodation room diagram of the remnants of strata at the eastern of Yan’an Formation in Ordos basin

通過對鄂爾多斯盆地延安組含煤地層的層序地層分析以及層序格架下煤層的發(fā)育和聚集特征分析，得到如下結(jié)論：

1）延安組含煤地層可以劃分為3個三級層序，自下而上依次為層序I、層序Ⅱ和層序Ⅲ，并在湖區(qū)識別出了強迫湖退體系域。層序I和層序Ⅱ發(fā)育期，盆地內(nèi)大范圍地發(fā)育湖泊，以平均湖岸線為界：向陸一側(cè)層序由低位正常湖退、湖侵和高位正常湖退3個體系域組成；向湖盆一側(cè)，層序由4個體系域組成，在層序的頂部還發(fā)育一個強迫湖退體系域。在層序Ⅲ沉積期，大的湖泊基本消失，主要發(fā)育河流體系，全盆地范圍內(nèi)均不發(fā)育強迫湖退體系域。

2）在層序地層格架中，煤層主要發(fā)育在層序I、層序Ⅱ的湖侵和高位正常湖退體系域的中、晚期和層序Ⅲ的湖侵體系域晚期。盆地北部地勢較為平坦，發(fā)育中等厚度的煤層，煤層區(qū)域穩(wěn)定性較好，分布范圍廣；盆地南部發(fā)育巨厚煤層，但煤層的穩(wěn)定性較差，分布較局限。從濱湖平原再到三角洲平原到河流泛濫平原，厚煤層從位于四級基準面上升半旋回的底部逐漸過渡到中上部；不同沉積區(qū)可容空間增加速率與泥炭堆積速率達到平衡的位置不同，厚煤層主要發(fā)育在二者近似處于平衡狀態(tài)的位置。

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