榆橫北區(qū)巴拉素井田沉積特征分析

徐圣集，劉 洋，方 剛,5

（1.中國礦業(yè)大學 礦業(yè)工程學院，江蘇 徐州221116；2.陜西延長石油巴拉素煤業(yè)有限公司，陜西 榆林719000；3.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安710077；4.陜西省煤礦水害防治技術重點實驗室，陜西 西安710077；5.西安科技大學 地質與環(huán)境學院，陜西 西安710054）

鄂爾多斯盆地內的陜北侏羅紀煤田賦存有大量優(yōu)質煤炭資源，但各礦井在其進行采掘過程中，大部分都受到不同程度的頂板水害影響[1-2]。隨著煤炭資源的不斷開發(fā)利用，位于煤田中部的榆橫北區(qū)各煤礦逐漸開始建設生產，而其煤層埋深在區(qū)內相對較大，自東向西埋深逐漸增加（有深部區(qū)域約400～500 m 埋深），其面臨的頂板水害問題也顯得日益嚴重[3-4]。但該礦區(qū)內大多數(shù)礦井尚未進行大規(guī)模生產，區(qū)域及各礦井的水文地質工作稍顯滯后，由此帶來的水害隱患或問題則亟需解決。

侏羅紀煤田頂板水害多為砂巖含水層充水所致[5-6]，區(qū)內煤層頂板富水性不均一，與成巖（煤）地質歷史時期沉積條件、沉積環(huán)境等有一定的關系[7-8]。因此，在礦井采掘前期，通過開展煤層覆巖沉積規(guī)律等研究，掌握頂板直接充水含水層沉積特征，可為后續(xù)開展的水文地質工作提供依據(jù)和基礎[9-10]。

多年以來，相關從業(yè)、研究人員及學者們對煤田地質沉積及沉積控水領域的多項問題開展有大量的分析研究工作。王妍妍[11]等應用有機碳同位素、鐵價態(tài)、DOM 光譜等指標對淺層含水層第四紀沉積環(huán)境演化進行概化分析。劉基[12]等基于沉積學原理對地層沉積相和砂體展布規(guī)律進行分析研究，并運用AHP 和GIS 方法劃分侏羅系煤層頂板含水層富水性。歐陽征健[13]等利用野外剖面考察、薄片鑒定、粒度分析等手段研究鄂爾多斯地區(qū)中元古界長城系沉積區(qū)的沉積環(huán)境、沉積構造和沉積相等特征。王永國[14]等通過分析侏羅紀礦井直接充水含水層沉積條件和環(huán)境、覆巖結構、頂板水化學特征等，研究了多相變條件下煤層頂板含水層富水性，發(fā)現(xiàn)含水層砂體呈條帶狀分布，富水性受沉積影響分布不均等特征。成沁梓[15]等通過對樣品進行磁學和碳、硫地球化學分析，研究了沉積物的磁性空間差異及沖淤指示影響，以此研究長江三角洲的水下淤積和侵蝕特征。田飛翔[16]等通過地球化學分析第四系沉積物樣品，研究砷的垂向分布規(guī)律及其對地下水的影響。王海軍[17]通過煤層覆巖進行精細劃分對比、巖心描述、巖樣測試、地球物理測井、抽水試驗等手段對其沉積環(huán)境進行研究，以此評價煤層頂板的穩(wěn)定性；并發(fā)現(xiàn)沉積環(huán)境不僅控制煤層頂板巖性分布，而且控制巖石力學參數(shù)及其含水層富水性分布，提出湖泊、沼澤相泥巖頂板區(qū)是頂板支護的重點部位，多期分流河道砂巖疊置頂板區(qū)是礦井未來防治水重點區(qū)域[18]。楊建[19]等從地形地貌和地質沉積方面開展研究，對鄂爾多斯盆地北部深埋煤田不同條件影響礦井涌水量的差異進行分析，獲取含水層富水性的相關影響因素。張鑫[20]等利用Fisher 基本原理得到河湖相判別模型，利用模型對研究區(qū)沉積環(huán)境演化進行分析，檢驗了模型對河流相、河湖過渡相、湖相的區(qū)分效果和實用性。

以上所述的關于地質沉積及煤層頂板富水沉積方面的研究觀點、內容、成果等對煤礦水害防治做出了一定的幫助和貢獻，但目前對于陜北侏羅紀煤田榆橫北區(qū)內礦井煤層頂板充水含水層的地質沉積條件和環(huán)境、沉積相等方面的實際研究與應用成果尚為不足，還需繼續(xù)進行更為深入的研究和探索。為此，主要以榆橫北區(qū)巴拉素井田先期開采地段為例，通過對其覆巖直接充水含水層開展沉積相、沉積環(huán)境等分析研究工作，掌握各主要充水含水層沉積規(guī)律和特征，以此為煤礦建設、生產工作中水文地質和防治水問題的有效解決提供理論支撐，同時也可為榆橫北區(qū)內其他條件類似礦井提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

巴拉素井田位于陜西省榆林市榆陽區(qū)，地處陜北侏羅紀煤田榆橫北區(qū)中西部。井田先期開采地段面積近61 km2，為主要研究區(qū)域。區(qū)內首采的侏羅系延安組2 號煤，平均埋深近500 m、平均煤厚約3.81 m，設計產能10 Mt/a。區(qū)內地表大部分被第四系松散層覆蓋，地形主要為沙漠灘地，地勢東北高、西南低，地表無水系發(fā)育[3-4，21]。

區(qū)內2 號煤上覆有侏羅系延安組第四段（78 m）、直羅組（125 m）、安定組（97 m），白堊系洛河組（195 m）和第四系（41 m）等地層[21]，各地層中不同層位發(fā)育有若干含水層組（上述地層厚度為平均數(shù)值）。通過頂板導水斷裂帶高度預計[6，21]，區(qū)內首采的2 號煤導水斷裂帶發(fā)育高度約107 m（裂采比28 倍計算）。由此可知，煤層頂板的延安組第四段和直羅組含水層均將受到導水斷裂帶的波及，該2 層含水層水為后期煤礦生產階段的主要充水來源。故主要對以上2 層直接影響礦井采掘活動的含水層進行沉積相特征分析研究。

2 地層劃分與對比

標志層對比法是地層劃分過程中行之有效的手段之一[21-23]。區(qū)內侏羅系延安組含煤巖系中，可采煤層由新到老具體為2、3、4-1、4-2、5、7、8 號煤層，在空間上具有良好的可對比性；河流沖刷作用最明顯的表現(xiàn)是河道砂體底部對下部堆積物的影響，區(qū)內侏羅系延安組一段底的“寶塔山”、延安組四段中上的“真武洞”、直羅組一段底的“七里鎮(zhèn)”、直羅組二段的“高橋”等段的砂巖層，沉積層厚度較大、粒度較粗，被作為地層劃分的輔助標志層對待[21-24]，研究區(qū)侏羅系直羅組、延安組地層對比劃分見表1。

表1 研究區(qū)侏羅系直羅組、延安組地層對比劃分Table 1 The stratigraphic correlation of Jurassic Zhiluo Formation and Yan’an Formation in the study area

1）侏羅系直羅組。侏羅系直羅組地層在區(qū)內分布廣泛，無地表露頭區(qū)，地層由黃-灰綠色砂巖，藍-紫灰色等雜色泥巖、泥質粉砂巖和粉砂巖等組成，層厚在83.6～194.4 m。該組是本區(qū)煤層頂板的主要含水層，從下到上構成2 個完整的沉積旋迴，對應2個段，每個旋迴底段都有含礫粗砂巖或細礫巖等。

2）侏羅系延安組。侏羅系延安組作為全區(qū)分布的主要含煤地層，且地表未出露，由1 套灰白-淺灰色各粒級的砂巖，灰-深灰色砂質泥巖、泥巖和煤層所共同組成，發(fā)育有平行層理及波狀層理，含煤10余層（包括煤線），產植物莖、葉等化石碎片。根據(jù)巖石組合、含煤特征、旋迴結構等進一步劃分為4 個段，以可采煤層、砂巖標志層為地層劃分對比的特殊指示，驗證了區(qū)域內各級沉積旋迴發(fā)育及賦存的規(guī)律性。

3 沉積特征

鄂爾多斯盆地所處的我國大陸中部，是以古生代華北克拉通盆地為基礎而逐漸發(fā)育演化的中生代沉積盆地。在中侏羅世早期，該盆地內受印支運動末期華北板塊整體的抬升作用，風化剝蝕和沖刷侵蝕使得在三疊系上統(tǒng)延長組頂面河谷縱橫、殘丘廣布的古地貌背景下開始沉積延安組，而后隨著地殼的持續(xù)穩(wěn)步下降，連續(xù)沉積了復陸屑碎屑巖建造的直羅組等地層，由此，主要對形成于侏羅世早期的研究對象進行沉積構造演化分析[21-22]。

巴拉素井田地處鄂爾多斯盆地陜北斜坡的南緣，其沉積演化受區(qū)內的構造和沉積活動影響強烈。對于研究區(qū)侏羅系四段的2 號煤層沉積演化史而言，根據(jù)區(qū)域內的沉積特征，其受曲流河的側蝕作用影響較大，表現(xiàn)為沉積過程中所處環(huán)境的持續(xù)和穩(wěn)定性相對較差；在其地質歷史后期，由于地殼垂向活動變弱，沉積環(huán)境逐漸平穩(wěn)，泥炭沼澤的環(huán)境較為發(fā)育，最終沉積形成了結構簡單、厚度和層位穩(wěn)定的全井田可采煤層[21-22]。

燕山運動Ⅱ幕的構造應力作用是東部和南部強、北部和西部弱。這種構造應力環(huán)境勢必造成鄂爾多斯陸塊的差異性抬升與剝蝕改造，而直羅組就是在此背景下沉積形成的。該組地層在早期沉積時物源充分，主要以辮狀河沉積為主，并在晚期向曲流河進行過渡。雖在局部有煤系發(fā)育，但大部分地段由多個大型砂巖復合體構成的河流沉積，河床亞相粗粒砂巖底沖刷侵蝕面發(fā)育，向上出現(xiàn)發(fā)育槽狀和板狀交錯層理的邊灘相細砂巖。漫灘相泥巖分布局限，側向連續(xù)性差，未能構成區(qū)域穩(wěn)定的隔水層。

直羅組沉積晚期，沉積環(huán)境氣候干旱、物源不足，造成了其范圍逐漸縮減。目前分析主要為湖泊和曲流河沉積，不具備聚煤沉積條件。三角洲平原亞相分流河道砂體不發(fā)育，邊灘亞相中-細粒砂巖（高橋砂巖）和漫灘亞相粉砂巖和砂質泥巖組成典型的“二元結構”。同時，漫灘亞相也成為區(qū)內較穩(wěn)定的隔水層[21-22]。

3.1 沉積相劃分標志

相標志即為可反映沉積條件和特征的標志，其既是沉積相分析的基礎，也是重建古地理環(huán)境主要研究方法。識別沉積相的標志主要包括：巖石學標志、測井相標志、生物標志等[21-23]。

3.1.1 沉積學標志

1）巖石類型及顏色。①區(qū)內直羅組的巖石基本色調為灰白色、灰色、灰綠色為主，反映其沉積過程中的一種弱還原-還原環(huán)境；②區(qū)內延安組主要由淺灰-灰白色各粒級砂巖，灰-深灰色砂質泥巖、泥巖和煤層組成，反映其形成于河流環(huán)境和湖泊三角洲泥炭沼澤環(huán)境；③直羅組下部由灰綠-青灰色（含礫）中-粗砂巖（俗稱“七里鎮(zhèn)砂巖”），局部夾粉砂巖、砂質泥巖組成；上部由灰綠色砂質泥巖、泥巖與灰-黃綠色粉砂巖、細粒長石砂巖組成。這種巖石組合特征預示其形成環(huán)境經歷了曲流河向湖泊三角洲環(huán)境的轉變。延安組、直羅組鉆孔巖心照片如圖1。

2）沉積構造。原生沉積構造可直接對沉積時水動力條件進行反映，它是沉積介質的性質和能量條件等方面的信息表征，是區(qū)分沉積環(huán)境以及劃分沉積相、沉積亞相、沉積微相的重要標志之一[21-22,25]，本次區(qū)內的常見原生沉積構造有：①平行層理；②槽狀交錯層理；③過渡性層理；④沖刷面。研究區(qū)常見的沉積構造（平行層理、沖刷面）如圖2。

圖1 鉆孔巖心照片F(xiàn)ig.1 Borehole core photograph

圖2 研究區(qū)常見的沉積構造Fig.2 Common sedimentary structures in the study area

3.1.2 測井相標志

通過巖心歸位和沉積微的相識別、解譯，結合各測井系列響應的特征，在綜合對比研究的基礎上構建研究區(qū)目的層段沉積微相的測井相模式，并以此為基礎進行具體的劃分[22,25-26]。研究區(qū)河流相及三角洲平原亞相沉積測井相標志見表2。

表2 研究區(qū)河流相及三角洲平原亞相沉積測井相標志Table 2 Sedimentary logging facies markers of fluvial facies and delta plain subfacies in the study area

3.2 沉積相類型及特征

3.2.1 河流沉積體系

河流沉積是研究區(qū)內侏羅系地層中主要的沉積類型之一[27-28]。按照砂體的形態(tài)、相序和相變等特征，主要將區(qū)內的河流沉積分為辮狀河沉積、曲流河沉積，研究區(qū)曲流河與辮狀河特征對比表見表3。

表3 研究區(qū)曲流河與辮狀河特征對比表Table 3 Comparison table of characteristics of meandering river and braided river in the study area

1）辮狀河相。辮狀河沉積主要發(fā)育于直羅組的底段，其河道砂壩主要由巨厚的塊狀砂巖構成，其粒度較粗，可見在其沉積過程中具有較強的水動力環(huán)境。砂/地值為65%～85%，局部可達90%以上。在剖面上具有明顯的“砂包泥”特征；在平面上呈連片狀分布，并互相反復疊置。河道沉積自上而下顯示了由細到粗的正旋迴層序。該沉積頂部和底部呈突變形態(tài)，總體呈現(xiàn)為鐘狀和箱狀的自然電位曲線。垂向上有多個旋迴相互疊置，各旋迴均呈正旋迴層序，發(fā)育有平行層理、槽狀層理、板狀層理、粒序層理及部分沙紋層理等。研究區(qū)河流沉積特征圖（曲流河、辮狀河）如圖3。

2）曲流河相。直羅組中上部發(fā)育有曲流河相沉積，該沉積旋迴厚度基本在20 m 以內，部分區(qū)段可能存在2 個及以多個砂體疊置情況，導致其厚度可達15 m。從剖面上看，砂體基本呈下凸上平的形態(tài)發(fā)育，側向延伸可達成百上千米，與其交織發(fā)育的主要為泥巖。河道砂壩與河道間的沉積在垂向上都較為發(fā)育，砂地比在0.3～0.5 范圍左右，上部結構為以垂向加積為主的河道間沉積，下部結構為以側向加積為主的河道砂壩沉積，其比例一般各占50%左右。

圖3 研究區(qū)河流沉積特征Fig.3 Fluvial sedimentary characteristics in the study area

3.2.2 三角洲沉積體系

區(qū)內侏羅系延安組第四段為湖泊三角洲平原亞相沉積構成，其中，分流河道沉積為骨架支撐作用；分流河道之間散布有分流間洼，主要進行越岸沉積和決口沉積這2 種充填作用[27-28]。

1）分流河道。分流河道是三角洲平原主要微相組成之一，砂體呈現(xiàn)出主要由泥巖、泥質砂巖和粉砂巖等向下逐漸變粗為細砂巖所構成的正粒序狀態(tài)，單體砂巖厚度不超過10 m，分布有泥礫的沖刷構造在其河道底部可見。分流河道的微相組合主要分2 類：①單一分流河道+其它微相的組合；②多期分流河道共同組合。研究區(qū)內分流河道砂體主要呈差異明顯的箱狀或鐘狀（中～高幅）自然電位曲線形態(tài)，具體表現(xiàn)為：箱狀形態(tài)是在河道主體的巨厚砂體，而天然堤則發(fā)育不明顯；鐘狀形態(tài)是在河道側緣的沉積減薄，天然堤的沉積發(fā)育層較厚。研究區(qū)三角洲沉積特征圖（分流河道、分流間洼）如圖4。

2）分流間洼。分流間洼常分布于分流河道之間的低洼地段，主要由懸浮細粒垂向加積和洪泛決口時河道沉積共同作用形成的。其巖性主要為薄層的深灰～黑色的泥質粉砂巖和泥巖的交互層結構，厚度差異明顯。以水平層理為主，波狀層理、沙紋層理、變形層理為輔的沉積構造；沉積構造受沉積微相及其組合影響差異明顯，在分流河道間的水道間微相巖性主要為粉砂巖（相對較粗），一般發(fā)育有波狀層理和變形層理，自然電位曲線呈齒形（低幅），而位于各河口壩相互之間、河口壩與分流河道的水道微相主要為泥巖、粉砂質泥巖（相對較細），自然電位曲線呈微齒或平直形（低幅）。

圖4 研究區(qū)三角洲沉積特征Fig.4 Delta sedimentary characteristics in the study area

3.3 沉積相平面展布

通過地層特征、物源分析，結合砂體厚度、砂地比值統(tǒng)計，繪制侏羅系直羅組及延安組第四段沉積相圖，而后根據(jù)其展布特征，結合電測曲線特征，生成不同級次的砂地比等值線圖，構建沉積微相分布圖。沉積相圖能夠通過所統(tǒng)計各類數(shù)據(jù)的變化情況，對砂體發(fā)育的疊置或連續(xù)程度進行判別，由此可相對較為準確地預測井田含水層（砂體）的發(fā)育位置，提高含水層富水情況的預精度。

結合鄂爾多斯盆地內侏羅紀煤田開采經驗和生產實際[4-6，21，27-28]，砂巖含水層以河流-三角洲沉積中的三角洲平原分流河道砂體和河道砂壩為主，其它類型的砂體占含水層的比重較小。

3.3.1 直羅組

區(qū)內侏羅系直羅組發(fā)育以河漫灘沉積、河道砂壩沉積為主。其中，河道砂壩以NW-SE 方向在井田的4 個區(qū)域進行展布：第1 個古河床位于井田西南部，沿ZK1601、ZK2805 一線斜穿井田，河道砂地比值大于0.25，河道規(guī)模中等，鉆孔控制程度較低；第2 個古河床 位于ZK106、ZK1801、ZK0902、ZK1003、ZK1101、ZK1201 等鉆孔一線斜穿井田，與第1 個古河床中心大致平行，在ZK0901、ZK1001 鉆孔附近過度為漫灘沉積；該古河道中心直羅組一段砂地比為0.4～0.68，河床規(guī)模大；第3 個、第4 個古河床位于井田東北部，分別由ZK0009、ZK0409、ZK0411、ZK0812、ZK0013、ZK0415、ZK0615、ZK0816 等鉆孔控制，在ZK1014、ZK1016、ZK1217 鉆孔附近，2 條古河道相互拼接。

區(qū)內第1～第3 個古河床分布廣泛，且互相銜接，主體位于中部和西南部區(qū)域，后又頻繁分叉。

3.3.2 延安組第四段

與直羅組沉積相對應，區(qū)內侏羅系延安組第四段為三角洲平原向河流相演變時期，并沉積發(fā)育有4條古河道，其微相概括為以分流河道與分流間洼為主。

第1 條古河道位于井田西北角，由ZK0001 鉆孔、ZK0403 鉆孔控制，古流向向北東-南西，砂地比值在0.3～0.4 之間，周邊為分流間洼沉積；第2 條古河道位于井田中部偏西，呈近南北向縱貫全區(qū)，由ZK0409、ZK0609、ZK0607、ZK0601 等鉆孔控制，河床寬緩平坦，是區(qū)內古河道規(guī)模較大的1 個，古河道兩側為邊灘沉積，河道內巖石組合中砂地比值為0.3～0.47，反映了碎屑物分選好，而堆積緩慢的特點；第3 條古河道位于井田東北部，由ZK0417、ZK0617、ZK0615、ZK0816 等鉆孔等控制，是區(qū)內古河道規(guī)模最大的1 個，古河道以NNE-SSW 方向展布，河床邊部或分流河道的砂地比值為0.3～0.4，古河道中部或分流河道部位的砂地比為0.4～0.5，古河道核部砂地比為0.5～0.6；第4 條古河道位于井田東部，由ZK1617、ZK2017、ZK2013 等 鉆 孔 控 制，以NNE-SSW 方向展布，兩側分流間洼微相較為發(fā)育。

井田內分流河道沉積廣布，復合砂體發(fā)育狀態(tài)呈現(xiàn)為平面銜接、剖面疊置的特征，且其連通性在橫向上表現(xiàn)較好。同時，各分流河道由于沉積條件差異而不斷分叉、改道、拼,,接，最終形成的網狀結構和現(xiàn)代河流的三角洲平原發(fā)育態(tài)勢較為相似。從整體上看，區(qū)內分流河道以NE-WS 方向為主，次之為近SW 方向。巴拉素井田先期開采地段內，4 條古河道的分布范圍較大，結合連續(xù)，主體位于中部及東-西北部區(qū)域。研究區(qū)直羅組、延安組第四段沉積微相平面展布圖如圖5。

圖5 研究區(qū)直羅組和延安組第四段沉積微相平面展布圖Fig.5 Planar layout of sedimentary microfacies in Zhiluo Formation and the fourth section of Yan’an Formation in the study area

4 結 論

1）根據(jù)巴拉素井田未來采掘2 號煤層覆巖破壞結果預計，確定礦井頂板直接充水含水層來源，具體以井田先期開采地段內侏羅系直羅組、延安組第四段地層為主要研究對象，從而對其開展沉積環(huán)境、沉積相等特征分析研究。

2）根據(jù)區(qū)域及井田資料、鉆孔巖心、各沉積標志等判斷研究對象主要形成于弱還原～還原沉積環(huán)境，常見有平行、槽狀交錯和過渡性層理，沖刷面等沉積構造。

3）通過對沉積旋迴地層進行對比劃分，發(fā)現(xiàn)直羅組由河道砂壩和河漫灘構成，古河道NW-SE 向展布；延安組四段為三角洲平原向河流相演變時期，主要為三角洲平原亞相，微相以分流河道和分流間洼為主，分流河道分布呈NE-SW 方向。