窯街礦區(qū)F19斷層以東地區(qū)找煤方向研究

高小明,馬國林,沈建林

(甘肅煤田地質局,蘭州 730000)

窯街礦區(qū)位于蘭州市紅古區(qū)，距蘭州市主城區(qū)約130 km，是甘肅省重要煤產(chǎn)地之一。礦區(qū)自1954年以來，經(jīng)過煤田地質工作者六十多年堅持不懈的勘探，在F19斷層以西已查明煤炭資源量7.18億t，但在F19以東地區(qū)，一直未取得實質性的突破，更未找到可供開發(fā)利用的煤產(chǎn)地。

窯街礦區(qū)原有38對生產(chǎn)礦井，近年來因資源不足，僅保留了1家鄉(xiāng)辦的炭洞溝煤礦和窯街煤電集團的3對礦井(三礦、金河、海石灣)。截止2015年底，期末保有儲量3.97億t，可采儲量2.65億t，除海石灣煤礦外，其它3對礦井剩余服務年限均不足10 a。區(qū)內(nèi)的煤炭資源儲備嚴重不足，保有資源儲量和可采儲量的急劇減少，已成為制約當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展的瓶頸，在研究區(qū)尋找埋深適宜的煤炭接替資源已成當務之急[1]。

1 地質概況

1.1 地層及煤層

礦區(qū)范圍內(nèi)的地層自下而上分別為：元古界長城系湟源群(Chhn)、中生界侏羅系下統(tǒng)炭洞溝組(J1t)、侏羅系中統(tǒng)窯街組(J2y)、侏羅系上統(tǒng)享堂組(J3x)、白堊系下統(tǒng)河口群(K1hk)、白堊系上統(tǒng)民和組(K2m)、古近系西寧群(Exn)及第四系(Q)。

侏羅系中統(tǒng)窯街組(J2y)是本區(qū)主要含煤地層，為一套灰色、灰黑色陸相含煤碎屑巖沉積，夾有油頁巖，巖石水平層理發(fā)育，動植物化石豐富，代表一個廣闊湖盆的沉積環(huán)境。該地層厚度57.90～324.53m，平均厚163.08m，含煤5層，自下而上為煤3、煤2、煤B、煤1及煤A層，其中煤1與煤2層為區(qū)內(nèi)主要可采煤層，礦區(qū)東部邊界F19斷層處煤層最厚，兩層主要可采煤層累計真厚達70余米[2]。本組地層按巖性組合的不同自下而上分為五段(圖1)，泥炭沼澤相主要發(fā)育在本組第二段，煤1層位于該段頂部，較穩(wěn)定，厚度0～11.79m，平均厚4.14m，結構簡單；煤2層位于本段下部，厚0.7～59.28m，平均厚19.61m，厚度變化大，但分布普遍，層位穩(wěn)定。煤3層位于本段底部，厚0.34～3.72m，平均厚2.27m，分布面積較小，屬于局部可采煤層。

1.2 構造

研究區(qū)在構造位置上位于中祁連地塊的民和盆地內(nèi)。根據(jù)盆地構造演化和現(xiàn)今構造格局之間的關系，民和盆地由北向南劃分為皋蘭隆起(Ⅰ)、永登坳陷(Ⅱ)、周家臺斷隆(Ⅲ)、巴州坳陷(Ⅳ)四個一級構造單元(圖1)，而中部的周家臺斷隆(Ⅲ)從西到東又劃分為海石灣斷鼻(Ⅲ1)、西捍廳凸起(Ⅲ2)和河口凸起(Ⅲ3)三個二級構造單元[3]。

窯街礦區(qū)位于海石灣斷鼻，總體上呈一向東傾覆的單斜構造。礦區(qū)范圍內(nèi)斷裂構造極其發(fā)育，使煤層的連續(xù)性受到嚴重破壞，斷裂構造以近南北向或北北西向為主，其性質為壓扭性和張性兼有[4]。礦區(qū)東部煤層邊界F19斷層極具代表性(圖2)。

圖1 窯街煤田構造單元劃分及侏羅紀原型盆地Figure 1 Structural elements partition and Jurassic prototype basin in Yaojie coalfield

圖2 窯街礦區(qū)F19斷層剖面Figure 2 Yaojie mining area fault F19 section

2 沉積環(huán)境與聚煤規(guī)律

2.1 沉積環(huán)境

研究區(qū)位于民和盆地，民和盆地在晚三疊世基本沒有接受沉積。早侏羅世盆地沉降緩慢，盆地基底凹凸不平，主要表現(xiàn)為“填平補齊”式的沉積。中侏羅世盆地進一步沉降，沉積范圍在早侏羅世沉積的基礎上進一步擴大，水體加深，中侏羅世接受了煤系的沉積。盆地邊緣沉積了一套水下扇、扇三角洲、河流相為主的沉積物；盆地中心沉積了油頁巖、鋁質泥巖及泥灰?guī)r等濱淺湖-深湖相沉積物；兩者之間的中間地帶沉積了一套以細粒碎屑巖為主的湖泊三角洲-淺湖相沉積物，發(fā)育炭質泥巖、煤層及油頁巖等(圖3)。

圖3 中侏羅統(tǒng)窯街組綜合沉積層序及沉積環(huán)境Figure 3 Middle Jurassic Yaojie Formation comprehensive sedimentary sequence and environment

2.2 聚煤規(guī)律

由于本區(qū)中侏羅統(tǒng)窯街組為沖擊扇-湖泊-湖泊三角洲相沉積，因此依次有多種聚煤方式。中侏羅世早期，盆地沖擊扇上的河流發(fā)育，由于河漫沼澤環(huán)境本身穩(wěn)定性差，物質來源欠豐，在局部范圍內(nèi)沉積形成泥炭和煤3層，其特點是煤層厚度小、穩(wěn)定性差、結構復雜；在沖擊扇向湖泊發(fā)育過程中，形成大面積的濱湖沼澤化，濱湖環(huán)境水體較深，物源豐富，形成巨厚煤層——煤2層，夾矸少，且延展好；隨著湖泊的發(fā)育，水體進一步變深，發(fā)育穩(wěn)定的淺湖沼澤環(huán)境，多低等植物繁殖，形成煤1層，賦存穩(wěn)定，但灰分高。

3 控煤構造F19斷層特征

含煤盆地形成之后，由于地殼運動，地應力急劇變化，往往在盆地內(nèi)形成大型斷裂構造，故研究成盆后的構造對煤田的改造作用，對預測和勘探煤炭資源具有重要意義。

窯街礦區(qū)最大的斷裂為F19正斷層，走向近SN，傾向E，傾角35°～65°。北起連城以西，經(jīng)連城鋁廠過大通河，進入海石灣，向南延伸到下旋子。F19斷層是一條長期發(fā)育、多期活動的深大斷裂，而它的多期活動又呈現(xiàn)了張性、壓性和壓扭性等多種力學性質組合。這條斷層何時開始發(fā)育還沒有定論，可以肯定的是該斷層切割了侏羅系及白堊系，因此，F(xiàn)19斷層在燕山運動晚期還在活動，可能終止于新近紀末期。最關鍵的是F19斷層切割了煤系及煤層，下盤的煤系因受牽引作用，靠近斷層帶形成明顯的直立或倒轉，使煤層擠壓加厚；遠離斷層，煤層則變薄。而在礦區(qū)西部、南部及北部，煤系不僅變薄，而且超覆于震旦系之上，邊界輪廓十分清楚，卻在礦區(qū)的東部邊界F19斷層處，未見煤系的邊緣相沉積，顯然，把F19斷層作為煤層的自然沉積邊界是不合理的。

根據(jù)煤系與煤層的沉積規(guī)律[5]，窯街礦區(qū)東部邊界F19斷層處不但未見煤系的邊緣相沉積物，而且該處兩層主采煤層厚度達到最大后斷然尖滅。為了合理解釋這一現(xiàn)象，筆者認為，在地質歷史時期，F(xiàn)19斷層的東西兩側應是一個完整的沉積盆地，煤盆地形成后，由于地殼運動，地應力發(fā)生劇烈變化，才形成F19斷層，改變了原始煤盆地的形態(tài)，使原本完整的煤盆地被F19斷層分成了東西兩塊。因此，推斷F19斷層以東也具有煤系及煤層賦存，通過一定的勘探手段可以發(fā)現(xiàn)另一個“窯街礦區(qū)”。若F19斷層為同沉積邊界斷層，則在F19斷層以東就不會發(fā)現(xiàn)煤系及煤層，但石油地質人員在F19斷層以東10km的小錢家盤1井中發(fā)現(xiàn)了中侏羅統(tǒng)窯街組的含煤地層，這充分表明筆者的推斷是合理的?，F(xiàn)有礦區(qū)僅為窯街煤田的西南隅，窯街煤田的另一部分應該在F19斷層東側(上盤)，但因靠近該斷層處而致使煤層埋藏較深，所以，目前窯街礦區(qū)僅在F19斷層以西探明了可供開發(fā)利用的煤產(chǎn)地，并未在F19斷層以東發(fā)現(xiàn)煤炭資源。

4 找煤方向分析

通過對民和盆地侏羅紀原型盆地分析，窯街組煤系可能沿中侏羅世古湖泊邊緣呈弧形條帶狀不同程度的分布。再根據(jù)分析整個民和盆地的構造格局關系，周家臺斷隆(Ⅲ)構造單元內(nèi)或鄰區(qū)，存在埋藏深度相對較淺的煤炭資源靶區(qū)。在上述宏觀聚煤規(guī)律的基礎上，可以圈定小錢家與河口2處煤炭預測區(qū)(圖4)。

4.1 小錢家煤炭預測區(qū)

從區(qū)域上分析，自中侏羅世以來，民和盆地內(nèi)中生代主應力場為來自南北向的擠壓力。擠壓作用的結果一方面形成了盆地內(nèi)周家臺低隆起構造帶的雛形，另一方面產(chǎn)生北北東或北東向的扭動平移，從這個角度上考慮，尋找F19斷層上盤的煤炭資源，應在F19斷層的東北方向，即小錢家含煤區(qū)。據(jù)石油地質資料，小錢家南側楊家?guī)X附近已鉆遇到埋深2 000 m以內(nèi)的可采煤層。另外，在F19斷層以西窯街礦區(qū)南北兩側深部，基底埋深在2 500 m以內(nèi)的范圍內(nèi)，分別探明了埋深在1 200 m以內(nèi)的煤炭資源1.33億t(北側-深部擴大區(qū))、2億t(南側-海石灣南)。因此，推斷位于F19斷層以東小錢家含煤區(qū)在埋深2 500 m的范圍內(nèi)，也應賦存埋深在1 200 m以內(nèi)的煤炭資源，應優(yōu)先作為下一步勘查工作的靶區(qū)。

4.2 河口煤炭預測區(qū)

在侏羅紀時期，河口與窯街、阿干鎮(zhèn)及榆中水岔溝等三個礦區(qū)沉積環(huán)境相似，同為民和盆地中沖擊扇-濱湖相，均處于環(huán)湖邊緣或濱湖地帶。運用類比方法推測，河口一帶聚煤方式應該與其相似，煤系和煤層賦存的可能性較大。從構造上講，河口與窯街礦區(qū)分別位于河口凸和海石灣斷鼻兩個二級構造單元中，但兩者同位于周家臺斷隆(Ⅲ)，基底相對較高，基底埋深均在2 500m以內(nèi)，根據(jù)盆地的沉積基底埋深及沉積環(huán)境，有望找到埋藏深度適宜的煤炭資源。

5 結論與建議

(1)研究區(qū)在中侏羅世盆地邊緣地帶，屬于沖擊扇-湖泊三角洲-淺湖相沉積，從聚煤盆地演化和沉積環(huán)境方面分析，應與F19斷層以西的窯街礦區(qū)成煤環(huán)境相同，且石油勘探成果也證實該地區(qū)有煤系及煤層存在，從而擴大了窯街煤田煤層的賦存范圍。

圖4 窯街礦區(qū)F19斷層以東沉積基底埋深Figure 4 Sedimentary basement buried depth to the east of fault F19 in Yaojie mining area

(2)近南北向的F19斷層附近未見煤系的邊緣相沉積，因此不是窯街煤田的東部邊界，正好驗證了F19斷層的多期活動改變了原始煤盆地的形態(tài)。窯街礦區(qū)開發(fā)的煤炭資源只是F19斷層下盤的煤層，在其東側一定范圍內(nèi)應有上盤煤層賦存。

(3)通過對研究區(qū)侏羅紀含煤沉積特征及賦煤構造的研究，提出小錢家含煤預測區(qū)與河口含煤預測區(qū)，為下一步資源勘查提供了方向。

(4)研究區(qū)內(nèi)第四系黃土覆蓋層巨厚，溝谷發(fā)育，地形相對高差較大，煤層埋藏較深，構造發(fā)育，采用地震勘探方法采集的原始資料質量不高，可以利用研究區(qū)煤系與元古界震旦系變質巖間距小且電阻率及密度差別大的特點，建議首先選用電法或重力勘探大致探測其基底深度，再沿第四系較薄的溝谷采用地震勘探了解煤系地層的賦存情況，后用鉆探驗證，以達到較好的找煤成果。

參考文獻:

[1]高小明,權有,張德仲,等.甘肅省永登縣散馬池～上吳家煤炭資源預查總結[R].蘭州:甘肅煤田地質局一四九隊,2009.

[2]周文昭,畢金先.甘肅省蘭州市窯街礦區(qū)海石灣井田煤炭勘探報告[R].蘭州:甘肅煤田地質局一四九隊,1988.

[3]衛(wèi)平生,張虎權,陳啟林,等.民和盆地多種能源礦產(chǎn)共存成藏機理[M].北京:石油工業(yè)出版社,2007.

[4]黃載忠,周文昭.甘肅省阿干～窯街找煤地質報告[R].蘭州:甘肅煤田地質局一四九隊,1990.

[5]劉志剛.煤礦構造學兼工作手冊[M].北京:世界圖書出版社,1990.