陜北侏羅系沉積控水規(guī)律與沉積控水模式

馮 潔，侯恩科，王蘇健，丁 湘，段會軍,王 磊

(1.中煤能源研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054; 2.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054; 3.陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710065; 4.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077; 5.三秦學(xué)者“礦山地質(zhì)學(xué)”創(chuàng)新團隊，陜西 西安 710065; 6.中煤西安設(shè)計工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054)

隨著我國西部煤炭資源大規(guī)模開采，煤層頂板水害問題越來越突出，生產(chǎn)實際揭露的礦井涌水量遠超出勘探階段預(yù)計礦井涌水量，改變了勘探階段對侏羅系含水層的認識，導(dǎo)致礦井排水系統(tǒng)重新布局，影響了礦井正常生產(chǎn)，造成巨大經(jīng)濟損失，而且破壞地下水動態(tài)平衡，阻礙當?shù)乜沙掷m(xù)發(fā)展。探尋侏羅系砂巖含水層富水性不均一的原因是當前亟須攻關(guān)的重要課題。由于受沉積環(huán)境及構(gòu)造運動等因素的影響，侏羅系砂巖含水層巖性、巖相、滲透性、富水性等特征在空間分布上存在差異，表征砂巖滲透性、富水性的水文地質(zhì)參數(shù)評價含水層富水性準確頂較差，水文地質(zhì)參數(shù)為數(shù)量有限的點狀數(shù)據(jù)，難以反映含水層空間連續(xù)變化規(guī)律。趙寶峰[1]以沉積學(xué)、水文地質(zhì)學(xué)為理論基礎(chǔ)，以沉積含水層為研究對象，定義了沉積控水的概念，研究了沉積相與富水性的關(guān)系。代革聯(lián)等[2]采用沉積學(xué)方法分析了檸條塔井田直羅組砂巖的沉積特征與富水規(guī)律，依據(jù)砂體展布規(guī)律對直羅組富水性進行了分區(qū)，認為砂質(zhì)河道及砂壩發(fā)育的厚度較大的砂層富水性相對較強，砂巖厚度越大，富水性越強。王洋等[3]將沉積環(huán)境影響指數(shù)引入礦井涌(突)水危險分區(qū)評價體系中，提出了深部侏羅系礦井水文地質(zhì)特征的礦井涌(突)水危險性分區(qū)評價方法。侯恩科等[4]系統(tǒng)研究了神府礦區(qū)紅柳林井田風(fēng)化基巖富水性影響因素，指出粗粒砂巖、厚度大、強風(fēng)化、裂隙孔隙發(fā)育的風(fēng)化基巖富水性較好。武強[5]、李新鳳[6-8]、趙寶峰[9]、石守橋[10-11]、代革聯(lián)[12]等采用定性、定量的方法研究了巖性及其組合與富水性的關(guān)系。砂體微觀孔隙結(jié)構(gòu)能夠反映巖石空隙大小、多少、連通程度及其分布的均勻程度，對水的儲容、滯留、釋出以及透過水的能力有影響[13]，成果集中于油氣系統(tǒng)致密砂巖孔喉特征研究，主要采用掃描電鏡法[14]、壓汞法[15-17]、核磁共振法[18-20]、微米/納米CT法[21]、鑄體薄片[22]、低溫氮吸附法[23-25]等測試手段研究油氣生產(chǎn)動態(tài)規(guī)律與儲層特征的關(guān)系，煤炭系統(tǒng)相關(guān)研究較少，王蘇健等[26]運用普通薄片、鑄體薄片、高壓壓汞、核磁共振等實驗測試技術(shù)研究了陜北侏羅紀煤田檸條塔煤礦侏羅系砂巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)與富水性的關(guān)系。目前，沉積控水機理尚不明確，也未系統(tǒng)、全面地研究沉積控水的影響因素，因此，筆者以榆神礦區(qū)中部侏羅系直羅組含水層、延安組含水層、風(fēng)化基巖含水層為研究對象，通過研究砂巖巖性及其組合、微觀孔隙結(jié)構(gòu)、沉積相與富水性的關(guān)系，揭示沉積控水機理，總結(jié)沉積控水規(guī)律，劃分沉積控水模式，為含水層富水性預(yù)測與礦井水害防治提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于鄂爾多斯高原毛烏素沙漠東南緣，陜西省榆林市西北部，隸屬榆林市榆陽區(qū)和神木市管轄，面積約3 480 km2。研究區(qū)總地勢西北高、東南低，標高950～1 385 m。區(qū)內(nèi)地層由老至新有上三疊統(tǒng)永坪組(T3y)、下侏羅統(tǒng)富縣組(J1f)、中侏羅統(tǒng)延安組(J2y)、直羅組(J2z)、安定組(J2a)、白堊系下統(tǒng)洛河組(K1l)、新近系(N)及第四系(Q)，地質(zhì)圖如圖1所示。延安組為含煤地層，主要可采煤層有7層，分別為1-2,2-2,3-1,4-2,4-3,4-4,5-2，構(gòu)造簡單。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)情況Fig.1 Geological map of the research area

研究區(qū)屬溫帶干旱半干旱大陸性季風(fēng)氣候，年極端最高氣溫38.9 ℃，年極端最低氣溫-28.1 ℃，2007—2019年降水量309.6～637.1 mm。研究區(qū)由禿尾河水流系統(tǒng)、窟野河水流系統(tǒng)和紅堿淖水流系統(tǒng)組成。含水層自上而下有第四系薩拉烏蘇組孔隙潛水含水層、白堊系洛河組裂隙孔隙承壓含水層、侏羅系安定組-直羅組-延安組基巖裂隙含水層、風(fēng)化基巖裂隙含水層及燒變巖含水層組成(表1)。隔水層主要有新近系上新統(tǒng)保德組紅土隔水層，厚度10～40 m，巖性以棕紅色、淺紅色黏土及亞黏土為主，隔水性較強。

表1 研究區(qū)含水層劃分及其參數(shù)Table 1 Aquifer division and its parameters in research area

2 沉積控水規(guī)律

如何實現(xiàn)沉積控水，如何建立沉積作用與地下水賦存規(guī)律的關(guān)系，必須首先理清沉積控水的關(guān)鍵要素，沉積控水具有豐富的內(nèi)涵，在探尋沉積作用、含水層富水性影響因素的基礎(chǔ)上，提出沉積控水的核心關(guān)鍵要素，研究以上關(guān)鍵要素對沉積控水的影響。

沉積作用是指被運動介質(zhì)搬運的物質(zhì)到達適宜的場所后，由于條件發(fā)生改變而發(fā)生沉淀、堆積的過程和作用。相是物理學(xué)名詞，成分、結(jié)構(gòu)相同的組織統(tǒng)稱為相。沉積相(巖相)是指沉積物在一定沉積環(huán)境中歷經(jīng)沉積作用形成的巖石組合。與沉積物大體同時生成的古地下水被稱為富水的沉積巖、含水層。

含水層“富水性”這一術(shù)語來自前蘇聯(lián)，我國水文地質(zhì)界沿用已久，雖然沒有人確切的定義過，但是含水層富水性的指標卻是統(tǒng)一的，通常根據(jù)鉆孔單位涌水量或天然泉流量進行分級?！睹旱V防治水細則》附錄1中列出了含水層富水性的等級標準，具體如下:按鉆孔單位涌水量(q)，含水層富水性分為以下4級:① 弱富水性,q≤0.1 L/(s·m);② 中等富水性,0.1 L/(s·m)5.0 L/(s·m)。

對供水水源地而言，含水層需要長期穩(wěn)定的產(chǎn)水量，富水性評價需要將含水層的補給條件和導(dǎo)水能力放在重要位置，但對礦井涌水、礦井水害防治來說，盡管補給條件很差，短期大量的靜儲量涌入礦井，也會造成礦井水害事故，富水性研究應(yīng)該強調(diào)含水層的儲存空間(靜儲量)和導(dǎo)水能力。因此，為服務(wù)于礦井水害防治，筆者主要研究含水層的儲存空間和導(dǎo)水能力。

因此，沉積作用與含水層富水性的主要研究對象有沉積相、巖性、巖石組合及巖石孔喉結(jié)構(gòu)。通過巖石的宏觀、微觀表征及其沉積相反映含水層的富水性。

2.1 沉積相

沉積相(巖相)是沉積環(huán)境的物質(zhì)表現(xiàn)，不同沉積環(huán)境形成砂體的巖石成分、顏色、結(jié)構(gòu)、展布等特點不同，儲水空間(孔喉)的儲水能力和水理學(xué)性質(zhì)差別較大。沉積相對含水層中地下水分布和儲集具有重要的控制作用。根據(jù)研究區(qū)直羅組、延安組地層巖石顏色、巖石結(jié)構(gòu)、巖石構(gòu)造、古生物標志及測井相標志等劃分沉積相，不同的沉積相富水性不相同。

2.1.1沉積相劃分標志

(1)巖石顏色。研究區(qū)直羅組主要是黃綠、灰綠色砂巖及藍灰、灰紫色等雜色泥巖、泥質(zhì)粉砂巖(圖2(a))，反映了一種弱還原—弱氧化—氧化環(huán)境交替，延安組地層顏色以灰色類為主，常見灰色、淺灰色、深灰色、灰白色、灰綠色(圖2(b))，僅在第1段底部和第5段頂部少數(shù)鉆孔中見到暗紫雜色，反映出沉積物中含有較多有機質(zhì)和還原鐵，在還原環(huán)境下形成。

圖2 研究區(qū)直羅組、延安組地層巖芯Fig.2 Formation cores of Zhiluo and Yan’an Formation in research area

(2)巖石結(jié)構(gòu)。根據(jù)普通薄片測試結(jié)果，研究區(qū)直羅組碎屑顆粒的粒度0.01～1.44 mm，延安組碎屑顆粒的粒度0.01～1.12 mm，直羅組與延安組磨圓度次棱—次圓，分選性中等～好，基質(zhì)主要為黏土、白云石等，黏土質(zhì)量分數(shù)2%～37%。研究區(qū)內(nèi)直羅組以河流相沉積為主，巖石類型主要為礫巖、砂巖、粉砂巖和泥巖，其中礫巖分布范圍較小。延安組以三角洲相沉積為主，巖石類型主要為泥質(zhì)細粉砂巖、極細砂質(zhì)粉砂巖、含云中粗粒巖屑長石砂巖等。

(3)沉積構(gòu)造。通過對研究區(qū)直羅組、延安組地層巖芯觀察，識別出典型的層理構(gòu)造包括:塊狀層理、小型交錯層理、大型交錯層理、水平層理、波狀層理等。塊狀層理不具任何紋層構(gòu)造，快速堆積形成，在直羅組上段中砂巖、細砂巖中較發(fā)育，多出現(xiàn)在辮狀河道中(圖3(a))。交錯層理由一系列斜交于層系界面的紋層組成，常見于直羅組上段與延安組中砂巖、細砂巖中，是波痕遷移的結(jié)果(圖3(b))。

圖3 塊狀層理與小型交錯層理Fig.3 Massive bedding and small cross-bedding

水平層理的特點是紋層平直、相互平行，且平行于層面，又稱水平紋層，在直羅組粉砂巖、砂質(zhì)泥巖與延安組粉砂巖中較發(fā)育，形成于較低能的沉積環(huán)境(如前三角洲)，由細粒沉積物經(jīng)緩慢沉降形成(圖4(a))。波狀層理總的方向平行于層面，紋層呈對稱或不對稱的波狀，多出現(xiàn)在直羅組粉砂巖與延安組細砂巖、粉砂巖中，形成于水介質(zhì)稍淺的環(huán)境，如河漫灘(圖4(b))。

圖4 水平層理與波狀層理Fig.4 Horizontal bedding and ripple bedding

(4)古生物。研究區(qū)古植物化石種類較多，古動物化石種類較少。在野外見到最多的是蕨類植物節(jié)類新蘆木、真蕨類錐葉蕨枝脈蕨，裸子植物蘇鐵類側(cè)羽葉、蓖羽葉，銀杏類擬刺葵、拜拉、銀杏等。以高大喬木為主，反映了溫暖、潮濕的氣候特點，在三角洲間湖灣、淺湖等平靜水體的細碎屑沉積中常見有順層分布保存完好的植物葉化石，如考考烏素溝檸條塔3號煤層頂板粉砂巖與泥巖互層中，沿層理面具有豐富、完整的葉化石，碳化程度很低，淺黃色、富有彈性，說明在平靜水體環(huán)境中保存，見到的大樹桿則是分流河道將其帶到湖灣或河口處沉積下來的。

(5)測井相。測井相分析是利用測井資料來評價或者解釋沉積相，測井曲線形態(tài)能夠定性地反映地層巖性、物性、粒度及泥質(zhì)含量的變化，可以作為沉積環(huán)境研究的重要依據(jù)。

2.1.2沉積相劃分

參考趙俊峰[27-28]、梁積偉[29]等的研究成果，根據(jù)研究區(qū)沉積相劃分標志，通過建立地層對比的地質(zhì)與測井標志準確判識多級層序界面，精細構(gòu)建巖石地層格架，將研究區(qū)直羅組自下而上分為直羅組下段、直羅組上段兩個層系，在基準面旋回控制的等時地層格架內(nèi)，研究直羅組、延安組上部(第4段、第5段，下同)地層沉積體系與沉積微相(表2)。

表2 研究區(qū)直羅組、延安組上部沉積相類型及劃分Table 2 Types and division of sedimentary facies of Zhiluo Formation and upper Yan’an Formation in research area

圖10 YS46-YS48-YS49-YS50-ZNX5-5-YS53鉆孔沉積微相連井剖面Fig.10 Sedimentary micro-facies well profile of drilling YS46-YS48-YS49-YS50-ZNX5-5-YS53

(1)單井沉積相。本次選取典型單井開展了直羅組與延安組地層沉積微相劃分，YS38鉆孔揭露直羅組厚度較大，可達120 m，直羅組下段為辮狀沉積，下段下部發(fā)育厚層中砂巖，電測曲線呈現(xiàn)齒狀箱型，為辮狀河河道沉積微相，下段上部厚層粉砂巖沉積，電測曲線為齒狀線型，為辮狀河河漫灘沉積微相;直羅組上段為曲流河沉積，中砂巖構(gòu)成的曲流河道與厚層粉砂巖構(gòu)成的河漫灘交替疊置發(fā)育形成了典型的曲流河沉積的正韻律特征(圖5)。

圖5 YS38鉆孔直羅組沉積微相劃分Fig.5 Sedimentary microfacies division of Zhiluo Formation in drilling YS38

YS16鉆孔揭露延安組發(fā)育三角洲平原沉積，分流河道沉積微相由厚層中砂巖組成，測井響應(yīng)特征為齒狀鐘型或齒狀箱型，分流間灣沉積微相由粉砂質(zhì)泥巖夾煤層組成，測井響應(yīng)特征為，粉砂巖為齒狀線型，煤層處出現(xiàn)指狀低值，反映了煤層低Gr，低密度的特點(圖6)。

圖6 YS16鉆孔延安組沉積微相劃分Fig.6 Sedimentary microfacies division of Yan’an Formation in drilling YS16

(2)沉積相特征。由圖7(a)可知，研究區(qū)中部直羅組上段被剝蝕，直羅組下段的辮狀沉積逐漸過渡為直羅組上段的辮狀沉積與曲流河沉積共存的特點，這兩種類型沉積的河道呈北西—南東向展布，辮狀河河道的規(guī)模較曲流河河道規(guī)模大，辮狀河河道與相鄰的曲流河呈彎曲狀，自上游向下游彎曲度變大，說明當時的地形東北部高，西南地區(qū)較平坦的特點。

圖7 研究區(qū)直羅組上段和下段沉積微相平面Fig.7 Sedimentary microfacies plan of the upper and the lower Zhiluo Formation in research area

由圖7(b)可知，研究區(qū)東南部直羅組下段被剝蝕，西北部的直羅組下段屬辮狀沉積，主要發(fā)育辮狀河河道，局部見辮狀河河漫灘沉積，辮狀河河道規(guī)模大，物源來自盆地河套地區(qū)的古隆起，該地區(qū)的剝蝕提供了研究區(qū)的沉積物，物源也主要為北西方向，水流作用強，形成各期河道頻繁疊加的特點，因而區(qū)域大范圍為河道沉積，局部為河漫灘沉積。

由沉積微相平面圖8可知，研究區(qū)延安組屬三角洲沉積體系，因延安組上部處于盆地萎縮期，區(qū)內(nèi)的3個三角洲呈裙帶狀匯聚于此，西部發(fā)育的三角洲呈北西—南東向展布，東部的三角洲呈北東—南西向展布，東部見剝蝕區(qū)，總體方向由北向南。由于北西方向物源供應(yīng)充足，研究區(qū)內(nèi)該物源方向三角洲規(guī)模較大，發(fā)育兩支分流河道，河道呈順直狀，表明水動力較強。

圖8 研究區(qū)延安組上部沉積微相平面Fig.8 Sedimentary microfacies plan of the upper Yan’an Formation in research area

沉積微相連井剖面如圖9，10所示。

圖9 YS16-YS30-YS39-YS50-YS68-YS58鉆孔沉積微相連井剖面Fig.9 Sedimentary micro-facies well profile of drilling YS16-YS30-YS39-YS50-YS68-YS58

2.2 巖性及其組合

沉積相和沉積環(huán)境的演化創(chuàng)造了良好的巖相及巖性組合條件，篩選研究區(qū)直羅組有抽水試驗資料的鉆孔柱狀9個、延安組有抽水試驗資料的鉆孔柱狀69個、風(fēng)化基巖含水層有抽水試驗資料的鉆孔柱狀113個，采用鉆孔柱狀圖地學(xué)信息統(tǒng)計與灰色關(guān)聯(lián)理論定性、定量研究侏羅系含水層巖性及其組合與富水性的關(guān)系，巖性及其組合包括砂地比(砂地比，即砂巖厚度與地層總厚之比)、粗砂巖厚度、中砂巖厚度、細砂巖厚度、粉砂巖厚度、砂巖厚度、砂巖層數(shù)、泥巖與砂質(zhì)泥巖厚度之和、泥巖與砂質(zhì)泥巖層數(shù)之和。

由圖11可知，砂巖巖性為粗粒度的粗砂巖、中砂巖厚度越大，鉆孔單位涌水量越大，富水性越強;泥巖與砂質(zhì)泥巖厚度和、層數(shù)和越大，鉆孔單位涌水量越小，富水性越弱。例如，砂地比相近、砂巖總厚度相近、砂巖層數(shù)相近、泥巖不發(fā)育，粗砂巖與中砂巖厚度之和大的YS3鉆孔(厚度之和為62.7 m)單位涌水量大于粗砂巖與中砂巖厚度之和小的YS38鉆孔(厚度之和為46.97 m)單位涌水量(圖11(a)，(d));砂地比相同、砂巖層數(shù)相同、砂巖總厚度相近、泥巖不發(fā)育，粗砂巖與中砂巖厚度之和大的YS28鉆孔(厚度之和為59.8 m)單位涌水量大于粗砂巖與中砂巖厚度之和小的YS38鉆孔(厚度之和為46.97 m)單位涌水量(圖11(b)，(d));泥巖厚度最大(厚度為14.17 m)、層數(shù)最多(4層)的YS53鉆孔單位涌水量最小，富水性最弱，主要原因是泥巖具有很強的親水性，遇水膨脹、泥化，裂隙被壓實彌合，使?jié)B透性減弱。

圖11 直羅組含水層巖性與富水性柱狀Fig.11 Lithology and water-enrichment column of the Zhiluo Formation aquifer

采用灰色關(guān)聯(lián)理論計算了侏羅系砂巖含水層巖性及其組合對富水性的關(guān)聯(lián)度

ξ0i(k)=

(1)

(2)

式中，參考數(shù)列(鉆孔單位涌水量)為x0={x0(k)|k=1,2,…,j|};比較數(shù)列(巖性及其組合因素)為xi={xi(k)|k=1,2,…,j};ρ為分辨系數(shù)，通常取ρ=0.5;ξ0i(k)為關(guān)聯(lián)系數(shù);r0i為比較數(shù)列與參考數(shù)列的關(guān)聯(lián)度。

計算結(jié)果顯示:直羅組含水層的關(guān)聯(lián)度順序為粗砂巖與中砂巖厚度之和>泥巖與砂質(zhì)泥巖厚度之和>砂巖層數(shù)>泥巖與砂質(zhì)泥巖層數(shù)之和>細砂巖與粉砂巖厚度之和>地層厚度>砂巖厚度>砂地比，延安組含水層的關(guān)聯(lián)度順序為粗砂巖與中砂巖厚度之和>砂巖厚度>砂巖層數(shù)>地層厚度>細砂巖與粉砂巖厚度之和>泥巖與砂質(zhì)泥巖層數(shù)之和>泥巖與砂質(zhì)泥巖厚度之和>砂地比，風(fēng)化基巖含水層的關(guān)聯(lián)序為泥巖與砂質(zhì)泥巖厚度之和>砂巖厚度>地層厚度>粗砂巖與中砂巖厚度之和>細砂巖與粉砂巖厚度之和>砂地比>砂巖層數(shù)>泥巖與砂質(zhì)泥巖層數(shù)之和。

通過定性、定量研究巖性及其組合對富水性的影響，表明含水層中粗砂巖、中砂巖等粗碎屑巖厚度越大，富水性越強，泥巖與砂質(zhì)泥巖等細碎屑巖厚度越大，富水性越弱。

2.3 微觀孔隙結(jié)構(gòu)

聯(lián)合砂巖孔隙度、滲透率、普通薄片、鑄體薄片、高壓壓汞、核磁共振、Matlab圖像分析等手段研究了侏羅系砂巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)與富水性的關(guān)系，依據(jù)含水層巖性、孔隙大小、分布、連通性等將侏羅系砂巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)劃分為大孔粗喉型(Ⅰ類)、中孔-中-細喉型(Ⅱ類)、小孔細喉型(Ⅲ類)、小-微孔-微細喉型(Ⅳ類)等4種類型(表3,4)。

表3 研究區(qū)侏羅系砂巖含水層孔隙結(jié)構(gòu)分類標準Table 3 Classification standard of pore structure for Jurassic sandstone aquifer in study area

通過對比砂巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)與鉆孔單位涌水量大小，認為風(fēng)化程度相同時，砂巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)分類級別越低，粒度越粗，含水層富水性越強，例如風(fēng)化程度均為弱風(fēng)化的18CJ17-6樣品與18CJ17-3樣品，前者微觀孔隙結(jié)構(gòu)分類級別(微觀孔隙結(jié)構(gòu)類型屬Ⅰ類)低于后者(微觀孔隙結(jié)構(gòu)類型屬Ⅲ類)，前者為粗中粒巖屑長石砂巖，后者為含灰質(zhì)粉砂巖，前者富水性(鉆孔單位涌水量q=0.070 7 L/(s·m))較后者富水性(鉆孔單位涌水量q=0.034 6 L/(s·m))強，主要原因是前者砂巖孔隙度、滲透率(孔隙度為28.3%，滲透率為1 662×10-15m2)較后者(孔隙度為8.7%，滲透率為0.114×10-15m2)大，前者膠結(jié)(膠結(jié)類型為薄膜，填隙物含量為2%，顆粒之間為點-線接觸)較后者(膠結(jié)類型為孔隙，填隙物質(zhì)量分數(shù)為17%，顆粒之間為點接觸)差;風(fēng)化程度不同時，同時代地層風(fēng)化程度越強，砂巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)分類級別越低，粒度越粗，含水層富水性越強，例如，直羅組地層18CJ17-7風(fēng)化程度(中等風(fēng)化)強于18CJ17-3風(fēng)化程度(弱風(fēng)化)，前者砂巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)分類級別(微觀孔隙結(jié)構(gòu)類型屬Ⅱ類)低于后者(微觀孔隙結(jié)構(gòu)類型屬Ⅲ類)，前者為粗中粒巖屑長石砂巖，后者為含灰質(zhì)粉砂巖，前者富水性(鉆孔單位涌水量q=0.165 3 L/(s·m))較后者富水性(鉆孔單位涌水量q=0.034 6 L/(s·m))強，究其原因，主要是因為前者風(fēng)化程度強，砂巖粒度粗，孔隙度、滲透率較后者大，前者孔隙度為25.1%、滲透率為11.9×10-15m2，后者孔隙度為8.7%，滲透率為0.114×10-15m2，前者膠結(jié)(膠結(jié)類型為薄膜，填隙物含量為2%，顆粒之間為點-線接觸)較后者(膠結(jié)類型為孔隙，填隙物含量為17%，顆粒之間為點接觸)好(表5)。

表5 研究區(qū)直羅組與2-2煤層上覆延安組含水層孔隙結(jié)構(gòu)分類與單位涌水量統(tǒng)計Table 5 Pore structure classification and drilling units-inflow statistics of Zhiluo Formation and Yan’an Formation overlying 2-2 coal seam in the study area

2.4 沉積控水各要素之間的關(guān)系

2.4.1沉積相與巖性及其組合之間的關(guān)系

沉積相是指沉積物在一定沉積環(huán)境中歷經(jīng)沉積作用形成的巖石組合，不同的沉積相/亞相/微相形成不同的巖石組合，不同的沉積相/亞相/微相在宏觀上反映出不同的巖石組合，具體表征為厚度不同、巖性不同的地層交替疊置。

研究區(qū)直羅組地層沉積相有辨狀河和曲流河，沉積微相有河道、河漫灘，辨狀河沉積相巖性主要為厚層粗砂巖、中砂巖、細砂巖，中砂巖構(gòu)成的曲流河道與厚層粉砂巖構(gòu)成的河漫灘交替疊置發(fā)育形成了典型的曲流河沉積的正韻律特征(圖5)，曲流河沉積相巖性特征為中砂巖、細砂巖與粉砂巖交替發(fā)育，粉砂巖厚度較大;辨狀河沉積的地層粗粒度巖石比例較曲流河沉積的粗粒度巖石比例大，分流河道沉積較分流間灣沉積的地層粗粒度巖石比例大(表6)，例如，YS38鉆孔中辮狀河沉積相粗粒度砂巖比例為45.76%(表6，粗粒度砂巖厚度27.79 m，總厚度60.73 m)，曲流河沉積相粗粒度砂巖比例為37.45%(表6，粗粒度砂巖厚度24.04 m，總厚度64.2 m)。

表6 研究區(qū)直羅組沉積相與鉆孔單位涌水量統(tǒng)計Table 6 Sedimentary facies and drilling units-inflow statistics of Zhiluo Formation in the study area

研究區(qū)延安組三角洲平原亞相沉積微相有分流河道和分流間灣，地層巖性主要為中粒、細粒砂巖為主，地層由中砂、粉砂巖組成的分流河道沉積微相與多套厚層粉砂、細砂巖構(gòu)成的分流間灣微相疊置組成(圖6)，延安組三角洲平原沉積亞相中分流河道較分流間灣粗粒度砂巖比例大，例如，YS16鉆孔中分流河道沉積微相中幾乎均為粗粒度中砂巖，而分流間灣沉積微相中發(fā)育粉砂巖、細砂巖(表7、圖6)。

表7 研究區(qū)延安組上部地層沉積相與鉆孔單位涌水量統(tǒng)計Table 7 Sedimentary facies and drilling units-inflow statistics of upper strata of Yan’an formation in the study area

2.4.2沉積相與微觀孔隙結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系

沉積相的微觀表征為孔隙結(jié)構(gòu)，不同的沉積相/亞相/微相的微觀孔隙結(jié)構(gòu)不同。

研究區(qū)直羅組地層辮狀河沉積相較曲流河沉積相微觀孔隙結(jié)構(gòu)等級低，例如，直羅組辮狀沉積鉆孔W1-2(圖7(a))微觀孔隙結(jié)構(gòu)等級(Ⅰ類，見表4巖樣18CJ17-6)較曲流河沉積鉆孔DZ1(圖7(a))微觀孔隙結(jié)構(gòu)等級(見表4，巖樣19CJ6-1微觀孔隙結(jié)構(gòu)等級為Ⅱ類、巖樣19CJ6-2微觀孔隙結(jié)構(gòu)等級為Ⅲ類、巖樣19CJ6-3微觀孔隙結(jié)構(gòu)等級為Ⅱ類、巖樣19CJ6-4微觀孔隙結(jié)構(gòu)等級為Ⅱ類、巖樣19CJ6-5微觀孔隙結(jié)構(gòu)等級為Ⅱ類)低;河道沉積微相較河漫灘沉積微相微觀孔隙結(jié)構(gòu)等級低，例如，河道沉積微相鉆孔K8(圖7(b))微觀孔隙結(jié)構(gòu)等級(表4，巖樣18CJ17-7微觀孔隙結(jié)構(gòu)等級為Ⅱ類)較河漫灘沉積微相鉆孔DZ1(圖7(b))微觀孔隙結(jié)構(gòu)等級(表4，巖樣19CJ6-2微觀孔隙結(jié)構(gòu)等級為Ⅲ類)低。

表4 研究區(qū)砂巖孔隙結(jié)構(gòu)類型綜合劃分結(jié)果Table 4 Results of comprehensive classification of sandstone pore structure types in the study area

研究區(qū)延安組三角洲平原沉積亞相中，分流河道沉積微相較分流間灣沉積微相微觀孔隙結(jié)構(gòu)等級低，例如，分流河道沉積鉆孔DZ1(圖8)微觀孔隙結(jié)構(gòu)等級(表4，巖樣19CJ6-7微觀孔隙結(jié)構(gòu)等級為Ⅱ類)較分流間灣沉積微相鉆孔K8(圖8)微觀孔隙結(jié)構(gòu)等級(表4，巖樣18CJ17-8微觀孔隙結(jié)構(gòu)等級為Ⅲ類)低。

2.4.3沉積相、巖性及其組合及微觀孔隙結(jié)構(gòu)與富水性之間的關(guān)系

不同的沉積相/亞相/微相由不同巖性及其組合的巖層經(jīng)沉積作用形成，不同巖性及其組合巖層微觀孔隙、喉道大小及其連通性不同，也即微觀孔隙結(jié)構(gòu)不同，砂巖中粒度大小、排列組合影響砂巖孔隙中地下水的流通與富集，例如，砂巖地層中顆粒大的組分含量多不一定地下水的流動好、儲存量大，原因在于膠結(jié)作用使得孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，孔隙度降低，死端孔隙的增加降低了地下水的流通性(滲透性)，從而影響富水性大小。

研究區(qū)直羅組地層辮狀河沉積相較曲流河沉積相富水性強，孔隙度、滲透率大，前者巖性主要為厚層粗砂巖、中砂巖、細砂巖疊置，后者巖性主要為中砂巖、細砂巖與粉砂巖交替發(fā)育，前者粗粒度巖石占比較大，微觀孔隙結(jié)構(gòu)分類級別較低。例如，直羅組辮狀河道沉積鉆孔W1-2(圖7(a)，見表4巖樣18CJ17-6)較曲流河沉積鉆孔DZ1(圖7(a)，見表4巖樣19CJ6-2)的孔隙度、滲透率大，富水性強，前者孔隙度28.3%，滲透率1 662×10-15m2，后者孔隙度17.1%，滲透率0.366×10-15m2，原因在于前者直羅組粗粒度的粗砂巖與中砂巖占比(鉆孔柱狀圖統(tǒng)計粗粒度砂巖厚度為18.74 m，地層厚度為29 m，比值為64.62%)大于后者粗粒度的粗砂巖與中砂巖的占比(鉆孔柱狀圖統(tǒng)計粗粒度砂巖厚度為16.7 m，地層厚度為67.1 m，比值為24.89%)，前者微觀孔隙結(jié)構(gòu)分類級別(Ⅰ類，見表4巖樣18CJ17-6)低于后者(Ⅲ類，見表4巖樣19CJ6-2)。

研究區(qū)延安組三角洲平原亞相中分流河道沉積較分流間灣沉積富水性強，前者巖性主要為中細粒砂巖，后者巖性主要為粉細砂巖、泥巖等，前者粗粒度巖石占比較大，微觀孔隙結(jié)構(gòu)分類級別較低。例如，延安組三角洲平原亞相分流河道沉積鉆孔DZ1(圖8，見表4巖樣19CJ6-7)較分流間灣沉積鉆孔K8(圖8，見表4巖樣18CJ17-8)的孔隙度、滲透率大，富水性強，前者孔隙度15.7%，滲透率31.7×10-15m2，后者孔隙度11.9%，滲透率1.38×10-15m2，原因在于前者粗粒度的粗砂巖與中砂巖占比(鉆孔柱狀圖統(tǒng)計粗粒度砂巖厚度為19.6 m，地層厚度為36.2 m，比值為54.14%)大于后者粗粒度的粗砂巖與中砂巖的占比(鉆孔柱狀圖顯示該層段均為粉砂巖、細砂巖)，前者微觀孔隙結(jié)構(gòu)分類級別(Ⅱ類，見表4巖樣19CJ6-7)低于后者(Ⅲ類，表4巖樣18CJ17-8)。

3 沉積控水模式

沉積相的宏觀表現(xiàn)是巖相及其組合，微觀表征為孔隙結(jié)構(gòu)。圖12顯示巖性及其組合、微觀孔隙結(jié)構(gòu)、沉積相3者之間及其與富水性的關(guān)系，巖石骨架與空隙、地下水組成了含水層，即砂巖巖性及其組合，孔隙結(jié)構(gòu)決定了孔隙、喉道及其連通性，2者之間通過巖石粒度大小、巖石骨架排列組合、孔喉分布及其連通性等聯(lián)系起來綜合反映富水性;成分、結(jié)構(gòu)相同的沉積物在一定沉積環(huán)境中經(jīng)沉積作用形成巖石組合，也即沉積相，不同沉積相巖性、巖石組合不同，富水性不同;巖石結(jié)構(gòu)、構(gòu)造是沉積相的相標志，不同的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造反映不同的沉積環(huán)境，形成不同的沉積相，反映不同的富水性。巖性及其組合、微觀孔隙結(jié)構(gòu)、沉積相相互作用、相互聯(lián)系，形成有機統(tǒng)一體，共同表征富水性。

圖12 沉積控水要素之間的關(guān)系Fig.12 Relationship between sedimentary water control factors

按照巖性及其組合、微觀孔隙結(jié)構(gòu)、沉積相與富水性強弱的關(guān)系，將研究區(qū)沉積控水模式劃分為4種，分別為辮狀沉積強富水性型、曲流河沉積中等富水性型、三角洲平原分流河道沉積弱富水性型、三角洲平原分流間灣沉積弱富水性型。具體如下:

(1)沉積控水模式1。辮狀沉積強富水性型。該種沉積控水模式主要發(fā)育于研究區(qū)直羅組下段含水層，巖性主要有礫巖、粗砂巖、中砂巖，砂巖厚度較大，一般為20～50 m;砂巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)類型屬Ι類，滲透率高，壓汞與核磁共振測試結(jié)果顯示孔隙半徑大，范圍為1～40 μm，例如，位于研究區(qū)東北部Y-W1-2-2-2巖樣滲透率高達1 662×10-15m2，平均孔隙半徑為6.739 μm;沉積相屬河流沉積體系辮狀河沉積，相較其他類型富水性強(圖13(a))。

圖13 沉積控水模式Fig.13 Diagrams of sedimentary water control model

(2)沉積控水模式2。曲流河沉積中等富水性型。該種沉積控水模式主要發(fā)育于研究區(qū)直羅組上段含水層，少量延安組含水層，巖性主要有直羅組上段粉砂巖、細砂巖與延安組粗砂巖、中砂巖，砂地比較大，一般0.88～1;砂巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)類型多屬Ⅱ類，滲透率較高，范圍為1.38×10-15～1 207×10-15m2，壓汞與核磁共振結(jié)果顯示孔隙半徑較大，為0.02～20 μm;沉積相以河流沉積體系曲流河沉積為主，富水性較模式1弱(圖13(b))。

(3)沉積控水模式3。三角洲平原分流河道沉積弱富水性型。該種沉積控水模式主要發(fā)育于研究區(qū)延安組含水層，少量直羅組上段含水層，巖性主要有延安組細砂巖、粉砂巖，直羅組細砂巖、中砂巖，砂地比較小，一般0.84～1;砂巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)類型多屬Ⅲ類，滲透率較低，范圍為0.114×10-15～1.38×10-15m2，壓汞與核磁共振結(jié)果顯示孔隙半徑較小，為0.01～0.60 μm;沉積相以三角洲沉積體系分流河道沉積為主，富水性較弱(圖13(c))。

(4)沉積控水模式4。三角洲平原分流間灣沉積極弱富水性型。該種沉積控水模式主要發(fā)育于研究區(qū)延安組含水層，巖性主要有粉砂巖、炭質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖等;砂巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)類型屬Ⅳ類，砂巖滲透率低，范圍為0.051×10-15～1.01×10-15m2，壓汞與核磁共振結(jié)果顯示孔隙半徑小，為0.005～0.090 μm;沉積相屬三角洲沉積體系分流間灣沉積，富水性弱(圖13(d))。

研究區(qū)沉積控水模式匯總見表8。

表8 研究區(qū)沉積控水模式Table 8 Sedimentary water control model in research area

4 結(jié) 論

(1)受沉積環(huán)境及構(gòu)造運動等因素的影響，陜北侏羅系砂巖含水層富水性不均一，沉積控水的核心關(guān)鍵要素為沉積相、巖性及其組合、微觀孔隙結(jié)構(gòu)。

(2)陜北侏羅系砂巖含水層中粗砂巖、中砂巖等粗碎屑巖厚度越大，富水性越強，泥巖與砂質(zhì)泥巖等細碎屑巖厚度越大，富水性越弱;風(fēng)化程度相同時，砂巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)分類級別越低，粒度越粗，含水層富水性越強，風(fēng)化程度不同時，同時代地層風(fēng)化程度越強，砂巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)分類級別越低，粒度越粗，含水層富水性越強;直羅組曲流河(辮狀河)沉積相中河道沉積微相較河漫灘富水性強，延安組上部地層三角洲平原沉積相中分流河道沉積微相較分流間灣富水性強。

(3)綜合陜北侏羅系沉積相、巖性及其組合、微觀孔隙結(jié)構(gòu)與富水性的關(guān)系，將沉積控水模式劃分為4種，分別為辮狀沉積強富水性型、曲流河沉積中等富水性型、三角洲平原分流河道沉積弱富水性型、三角洲平原分流間灣沉積極弱富水性型。