吐哈盆地大南湖煤田西山窯組中段沉積環(huán)境與聚煤規(guī)律

摘? 要：吐哈盆地南緣大南湖煤田具有豐富的煤炭資源，但以往對沉積環(huán)境及聚煤規(guī)律的認識不夠完善，制約了煤層的綜合開采。本研究基于鉆孔與剖面露頭資料對大南湖煤田含煤巖系沉積特征、巖相古地理及聚煤規(guī)律進行分析。大南湖煤田主要含煤地層為西山窯組中段，包括礫巖、砂巖、粉砂巖、泥巖和煤5種巖石類型，可劃分出15種巖相類型。大南湖煤田在中侏羅世早期從東北至西南方向依次發(fā)育沖積扇、河流沖積平原、河流三角洲和淺湖沉積，聚煤作用受構(gòu)造沉降和物源供給的共同控制，在三角洲間灣和泛濫平原環(huán)境中最為發(fā)育。

關(guān)鍵詞：吐哈盆地;大南湖煤田;西山窯組中段;沉積環(huán)境;聚煤規(guī)律

吐哈盆地蘊含著豐富的油氣與煤炭資源[1-2]，是我國西北地區(qū)重要的能源盆地。中侏羅統(tǒng)西山窯組是煤炭主要賦存層位[3]，記錄了聚煤期吐哈盆地的沉積演化和古氣候變化[3-5]，已成為西北陸相盆地沉積演化與能源地質(zhì)學的熱點地區(qū)[6-8]。吐哈盆地大南湖煤田在煤層對比、地球物理勘探、煤層氣地質(zhì)等方面取得諸多進展[9-15]，但針對大南湖煤田沉積環(huán)境和聚煤規(guī)律仍有待進一步完善[16]，包括定量巖相古地理和聚煤控制因素。本次基于大南湖煤田西區(qū)的鉆孔與測井資料，分析聚煤沉積環(huán)境，重建定量巖相古地理，提出西山窯組中段煤層發(fā)育的控制因素，為下一步煤炭資源的地質(zhì)勘探和生產(chǎn)開發(fā)提供理論基礎(chǔ)。

1? 地質(zhì)背景

大南湖煤田位于吐魯番-哈密盆地南緣，區(qū)域構(gòu)造上屬于吐哈盆地的大南湖淺凹陷中，北鄰依沙爾湖隆起帶，南依F1斷層及覺羅塔格復背斜。地層發(fā)育受區(qū)域構(gòu)造演化的控制，燕山晚期羌塘地塊碰撞擠壓作用使得侏羅系中上部遭受剝蝕，喜山期哈爾里克山西南方向擠壓與南緣山系阻滯作用，形成一系列NE向延伸的斷裂與褶皺構(gòu)造（圖1）[17-20]。

區(qū)域出露地層主要為中侏羅統(tǒng)西山窯組與頭屯河組，及少量新近系與第四系（圖1）。主要含煤地層為中侏羅統(tǒng)西山窯組中段，總厚380～680 m，巖性主要為陸相碎屑巖與煤層，煤層總厚36.5～143.4 m，平均厚度93.2 m，含煤系數(shù)19%，發(fā)育可采煤層24層[9， 10]。

大南湖淺凹陷在早侏羅世晚期開始大幅沉降，來自北部物源區(qū)的碎屑物在南部湖泊充填堆積，盆地內(nèi)廣泛湖侵，泥碳沼澤未廣泛發(fā)育。西山窯早期，盆地內(nèi)沉降幅度仍較強，填平補齊作用使得地勢平緩，湖水變淺，湖侵范圍增大，湖泊周緣扇三角洲退積，煤層在部分扇三角洲平原中發(fā)育。西山窯中期隨著濱岸線向南推進，形成沖積扇-沖積平原-三角洲-湖泊沉積體系，此時構(gòu)造沉降與湖平面變化長期保持穩(wěn)定，泥炭沼澤持續(xù)穩(wěn)定發(fā)育，形成廣泛發(fā)育的特厚煤層。西山窯晚期湖盆持續(xù)沉降，湖侵作用使得聚煤作用逐漸終止[21-23]。

2? 西山窯組中段沉積特征及沉積環(huán)境

基于研究區(qū)鉆孔巖心的觀察描述，西山窯組中段可識別出礫巖、砂巖、粉砂巖、泥巖與煤5種巖石類型，結(jié)合巖石成分、結(jié)構(gòu)與構(gòu)造特征，可進一步劃分出15種巖相類型（表1）。據(jù)巖相類型的垂向序列組合及空間分布特征，西山窯組中段沉積環(huán)境可歸納為沖積扇、河流、三角洲與湖泊沉積體系（圖2）。

沖積扇沉積位于研究區(qū)西北部，鄰近物源區(qū)，可劃分為扇根相、扇中相、扇緣相。沉積序列底部多為分選、磨圓較差的雜基支撐礫巖，沖刷面發(fā)育，為以泥石流沉積為主的扇根相。沉積序列向上過渡為顆粒支撐礫巖與砂巖，單層厚度減小，礫石具疊瓦狀排列構(gòu)造，砂巖中可見槽狀交錯層理與平行層理，偶見樹干化石，為以辮狀河道沉積為主的扇中相。沉積序列上部為席狀砂巖與泥巖沉積，發(fā)育水平層理與塊狀層理，指示水體能量較低的重力流沉積，為以片流沉積為主、地形相對平緩的扇緣相（圖2-A）。

河流沖積平原沉積發(fā)育于研究區(qū)東部，據(jù)河道類型可分為辮狀河與曲流河沖積平原，可劃分為河道滯留、河道邊灘、岸后湖泊、河漫沼澤、河漫灘（辮狀河）、天然堤與決口扇（曲流河）沉積相。沉積序列底部一般為含礫粗砂巖，沖刷面發(fā)育，樹干化石與礫石定向排列，為河道滯留沉積。沉積序列向上過渡為中厚層中-細砂巖，發(fā)育槽狀與板狀交錯層理，為河道邊灘沉積。辮狀河道砂體相互疊置切割，曲流河道砂體疊置程度相對較低。沉積序列上部為薄層粉砂巖、泥巖與煤層，發(fā)育沙紋層理與水平層理，為河漫灘（天然堤與決口扇）與泛濫平原（岸后湖泊與河漫沼澤）沉積（圖2-B）。

三角洲沉積發(fā)育于研究區(qū)中西部，可分為三角洲平原與三角洲前緣相，前三角洲相過渡為濱淺湖沉積。三角洲平原可分為分流河道、分流間灣、天然堤、決口扇與間灣沼澤，三角洲前緣可分為河口壩與遠砂壩。沉積序列下部主要為向上變粗的泥巖、粉砂巖與細砂巖，可見植物葉片化石，下部具沙紋層理與水平層理的泥質(zhì)-粉砂質(zhì)沉積為遠砂壩，上部具塊狀層理、沙紋層理的砂質(zhì)沉積為河口壩。沉積序列上部為向上變細的砂巖、粉砂巖、泥巖，與煤互層，泥質(zhì)沉積多被上覆砂質(zhì)沉積沖刷侵蝕，砂質(zhì)沉積自下向上粒度與構(gòu)造規(guī)模均有變小趨勢。交錯層理砂巖為三角洲平原分流河道，沙紋層理砂巖、水平層理粉砂巖及泥巖互層為天然堤與分流間灣，間灣沼澤中煤層多夾于泥質(zhì)沉積或被分流河道砂體侵蝕（圖2-C）。

湖泊沉積發(fā)育于研究區(qū)西南部，主要為泥巖、粉砂巖與煤，可分為濱湖沉積與淺湖沉積。濱湖沉積為發(fā)育水平層理和沙紋層理的粉砂質(zhì)沉積、泥質(zhì)沉積與煤層互層，可見菱鐵礦結(jié)核與植物葉片化石。淺湖沉積主要為厚層泥質(zhì)沉積，單層厚度可超過10 m，水平層理與生物擾動構(gòu)造發(fā)育（圖2-D）。

3? 西山窯組中段巖相? ? ? 古地理

研究區(qū)西山窯組中段地層厚150～750 m，除去露天開采區(qū)地層缺失的影響，地層總厚度為380 ～750 m，平均約530 m。地層厚度整體自北向南逐漸增加，最厚處位于三礦區(qū)西南部，可超過600 m，其次為二礦區(qū)東南部，可超過500 m。地層厚度分布表明，沉降幅度整體上自北向南逐漸增大，最大處位于三礦區(qū)西南部，其次為一礦區(qū)南部（圖3-A）。

礫巖厚度為0～101 m，平均約10.5 m，由于礫巖分布于含煤地層中下部，礫巖厚度等值線圖未受露頭開采影響。礫巖厚度整體上自北東向西南逐漸增加，研究區(qū)東部礫巖厚度較大，普遍超過10 m，西北部最厚可達60 m以上;研究區(qū)西部礫巖不發(fā)育，厚度普遍未超過5 m。礫巖分布表明，沉積供給來自北部與東部兩個方向，一礦區(qū)南部較大的沉降幅度提供了充足的可容空間，阻礙礫質(zhì)碎屑繼續(xù)向西南方向搬運（圖3-A，B）。

粗粒沉積（砂巖+礫巖）厚0～350 m，平均120.4 m，除去露天開采區(qū)影響，厚約80 ～300 m，整體從東向西逐漸增加。一礦區(qū)東北部粗粒沉積厚度最大，超過300 m，三礦區(qū)西南厚度較薄，為80 ～100 m。粗粒沉積分布反映碎屑供給來自東北物源區(qū)，碎屑沉積主要堆積在研究區(qū)西部，表現(xiàn)為三角洲沉積，或堆積在研究區(qū)南部，表現(xiàn)為河流沖積平原沉積（圖3-B）。

砂泥比范圍為0.01～4.75，平均為0.75，整體具北東向西南降低的趨勢。砂泥比在一礦區(qū)最高，為0.25～2.9，自北東向西南降低;其次為二礦區(qū)，一般為0.25～1.2，僅西部小于0.25，由東向西逐漸降低;三礦區(qū)最低，西南部普遍小于0.25（圖3-C）。粗粒沉積含量為1%～70%，整體自北東向西南逐漸降低，最大值位于一礦區(qū)東北部，三處極大值分別位于二礦區(qū)東部、三礦區(qū)東北部與東部（圖3-A）。煤層厚度范圍為15 ～158 m，平均70 m，除去露天開采影響，厚度范圍為50 ～158 m，平均80 m。煤厚最大處位于一礦區(qū)西部至3個礦區(qū)交界處，煤厚普遍超過80 m，向四周逐漸減薄至50 m（圖3-D）。

砂泥比與粗粒沉積含量平面分布特征反映沉積供給來自研究區(qū)東北部的近源沖積扇與東部遠源沖積體系，三角洲砂體分布于二、三礦區(qū)東部與東北部，沖積扇與三角洲砂體之間廣泛發(fā)育河流沖積平原，缺乏沉積供給的研究區(qū)西部及西南部為湖泊環(huán)境（圖3，圖4）。

4? 聚煤作用控制因素

大南湖煤田中侏羅世處于溫暖潮濕的氣候條件，成煤植物繁茂生長[21]，聚煤作用受到構(gòu)造沉降與物源供給的綜合影響，在扇緣、泛濫平原、三角洲間灣及濱湖環(huán)境中廣泛發(fā)育。

煤層厚度取決于可容空間增長速率與泥炭堆積速率之間的相對平衡狀態(tài)[24]，而可容空間增長速率則受到構(gòu)造沉降與沉積供給的綜合控制。西山窯中期地勢平緩，大南湖淺凹陷處于均衡充填狀態(tài)，地層厚度能夠較好地反映構(gòu)造沉降幅度，而沉積供給可通過粗粒碎屑含量反映[1， 23]。對比煤層厚度、地層厚度與粗粒沉積含量及砂泥比的空間分布關(guān)系可知（圖4），地層厚度在400 ～500 m時，煤層厚度普遍可達80 m以上，這反映構(gòu)造沉降為聚煤作用的一級控制因素;當?shù)貙雍穸葹?10～430 m且砂礫巖含量在介于18%～38% 時，煤層厚度可達140 m 以上，反映了最有利聚煤作用的構(gòu)造沉降-物源供給組合條件;當?shù)貙雍穸却笥?00 m且砂泥比介于0.5～1.5時，煤厚一般大于80 m，個別情況下可能小于40 m，表明砂泥比所指示的沉積環(huán)境因素及砂礫巖所指示的物源供給為聚煤作用的二級控制因素。

5? 結(jié)論

（1） 大南湖煤田西山窯組中段包括礫巖、砂巖、粉砂巖、泥巖和煤5種巖石類型，可劃分出15種巖相類型。西山窯組中期自東北向西南依次發(fā)育沖積扇、河流沖積平原、三角洲與湖泊沉積體系。

（2） 聚煤作用受到構(gòu)造沉降與沉積供給或沉積環(huán)境的雙重控制，中等構(gòu)造沉降條件最適宜于泥炭聚集，沉積供給強度適中的扇緣、泛濫平原、分流間灣及濱湖環(huán)境均可發(fā)生聚煤作用，以構(gòu)造沉降強度適中的河流沖積平原與三角洲平原過渡地帶聚煤作用最強。

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