天津地區(qū)聚煤特征分析及勘查方向

付小錦，張長青

（1.中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所，北京 100037；2.天津華北地質(zhì)勘查局，天津 300170）

0 引 言

多年來，眾多石油、地礦隊(duì)伍在天津平原區(qū)開展了大量以尋找石油、地下水和地?zé)釣槟康牡牡刭|(zhì)勘探工作，發(fā)現(xiàn)天津賦存著豐富的煤炭資源，預(yù)測(cè)埋深在2 000 m 以淺的煤炭資源總量可達(dá)350 億t。但由于埋藏深、開采難度大、臨近城區(qū)等原因，天津市的煤田地質(zhì)勘探工作程度很低，僅下倉含煤區(qū)部分地段于上世紀(jì)60 年代開展過專門的煤田地質(zhì)勘探，提交探明的煤炭資源儲(chǔ)量3.82 億t。近年來，隨著煤炭資源清潔開發(fā)利用技術(shù)的發(fā)展，特別是煤炭地下氣化以及固體資源的流態(tài)化開采等第二代采煤技術(shù)的推廣應(yīng)用，使得清潔開發(fā)利用深部煤炭資源成為現(xiàn)實(shí)。因此，亟需開展天津地區(qū)聚煤特征研究，指導(dǎo)煤炭資源行之有效的勘探，以破解煤田地質(zhì)勘探工作程度低與第二代采煤技術(shù)快速發(fā)展不匹配的難題。

1 區(qū)域地質(zhì)特征

1.1 區(qū)域地層概述

天津地區(qū)地層發(fā)育較全，僅缺失古生界和新生界地層，由老至新分別為太古界(Ar)，中、新元古界(Pt2+3)的長城系、薊縣系和青白口系，古生界(Pz)的寒武系、奧陶系和石炭—二疊系，中生界(Mz)的侏羅系、白堊系，新生界(Kz)的古近系、新近系和第四系。基巖出露區(qū)面積較小，分布于薊州區(qū)北部山區(qū)。含煤地層主要為石炭—二疊系地層和侏羅系地層，埋深最淺處位于寶坻斷裂以北，約100～300 m，以南廣大平原區(qū)埋深均大于1 000 m。

1.2 區(qū)域構(gòu)造概述

天津的大地構(gòu)造位置為華北地臺(tái)（Ⅰ級(jí)構(gòu)造單元） 北部，以橫貫東西的寧河—寶坻斷裂為界，分為北區(qū)燕山臺(tái)褶帶（Ⅱ級(jí)構(gòu)造單元） 和南區(qū)華北斷坳區(qū)（Ⅱ級(jí)構(gòu)造單元） （如圖1 所示）。天津地區(qū)的基巖出露區(qū)和淺埋區(qū)主要分布在北區(qū)，斷裂以EW 向?yàn)橹?，次要斷裂有NW 向、NE 向和NNW 向三組。寧河—寶坻斷裂以南廣大地區(qū)為平原區(qū)，自東向西劃分為黃驊坳陷（Ⅲ級(jí)構(gòu)造單元）、滄縣隆起（Ⅲ級(jí)構(gòu)造單元） 和冀中坳陷（Ⅲ級(jí)構(gòu)造單元）三個(gè)構(gòu)造單元。三個(gè)Ⅲ級(jí)構(gòu)造單元之間以滄東斷裂和古近系尖滅線為界。在隆起和坳陷上發(fā)育有次一級(jí)的呈雁行式相間排列的凸起和凹陷，見表1，凸起和凹陷多以斷層或地層尖滅線為界。區(qū)內(nèi)斷層主要有8 條，分為EW 向和NNE 向兩組，主要為EW 向的寶坻—寧河斷裂、漢沽斷裂和海河斷裂；NNE 向的白塘口東斷裂、白塘口斷裂、白塘口西斷裂、天津斷裂、滄東斷裂。

圖1 天津地區(qū)構(gòu)造綱要圖Fig.1 Structural outline of Tianjin area

表1 天津市地質(zhì)構(gòu)造單元?jiǎng)澐直鞹able 1 Geological structure units division in Tianjin

2 古地理環(huán)境與含煤建造

2.1 石炭—二疊紀(jì)古地理環(huán)境與含煤建造

中奧陶世末期，華北地區(qū)受加里東運(yùn)動(dòng)影響，整個(gè)抬升為陸，經(jīng)歷了志留紀(jì)，泥盆紀(jì)，早石炭世約1.1 億年的沉積間斷。中石炭世早期，受海西運(yùn)動(dòng)影響，地殼再度下沉，海水時(shí)而侵入時(shí)而退出，形成了海陸交替變化的古地理環(huán)境。

中石炭世地殼升降振蕩頻繁，海水屢進(jìn)屢退，雖氣候溫暖，適宜植物生長，但每次升降間隔較短，形成的煤層厚度較小，一般不具工業(yè)意義。該時(shí)期主要沉積了一套海陸交互相的灰?guī)r、頁巖、砂巖夾煤層，其假整合于奧陶系之上。

總之，中、晚石炭世，本區(qū)以及南至河北大城，北到河北唐山，均為海陸交互相含煤沉積并夾4～6 層灰?guī)r，沉積中心位于唐山附近。本區(qū)主要的煤層有太原組：下部頂部含煤3 層，可采煤層1～2 層，中部一般無可采煤層；上部含最重要的煤層1～2 層。

早二疊世初期，華北地區(qū)地殼略有抬升，海水退出形成陸地，主要以陸相堆積為主，結(jié)束了海陸交互相的古地理環(huán)境。

早二疊世開始，古氣候仍然溫濕適宜，沉積主要為陸相灰黑色泥巖。粉砂巖、砂巖及煤層。隨著泥炭沼澤環(huán)境的更替，本區(qū)堆積了薄—中厚煤層共5 層左右。當(dāng)時(shí)雖亦是聚煤環(huán)境，但單一相環(huán)境存在時(shí)限短，故而表現(xiàn)出煤層層數(shù)多，但厚度一般較薄，可采煤層較少，且厚度變化大。

早二疊世含煤地層，在區(qū)域上相當(dāng)穩(wěn)定，沉積中心位于河北保定至大城以西一帶，普遍含煤在3層以上，亦是區(qū)域上和本區(qū)主要的含煤建造。

至早二疊世晚期開始，古氣候變?yōu)檠谉嵘儆辏灰酥参锎罅可L繁殖，因此無煤層發(fā)育，僅在局部見有少量炭質(zhì)泥巖。到晚二疊世，區(qū)域上沉積了一套以紅色為主的碎屑巖堆積，表明地殼活動(dòng)性增強(qiáng)，宣告了晚古生代聚煤環(huán)境的消失。

2.2 侏羅紀(jì)古地理環(huán)境和含煤建造

三疊紀(jì)開始由于地殼上升，本區(qū)大部分處于隆起狀態(tài)，只有黃驊坳陷、武清凹陷等處于下沉，沉積了厚約1 000 m 的紅色河湖相碎屑巖。晚三疊世本區(qū)均處于隆升剝失，缺失上三疊統(tǒng)，由于印支運(yùn)動(dòng)的影響，本區(qū)產(chǎn)生了褶皺形變。

至侏羅紀(jì)，本區(qū)又演變?yōu)闇嘏瘽駶櫟臍夂?，植物繁茂，受斷陷盆地的控制，區(qū)內(nèi)在武清地區(qū)和澗河一帶沉積了一套厚約1 000 m 的沼澤河流相內(nèi)陸盆地含煤碎屑巖建造。其中含煤最多時(shí)可達(dá)26 層，特征是煤層厚度和層數(shù)均不穩(wěn)定。本區(qū)侏羅系含煤建造主要發(fā)育在侏羅系下部巖性段，相當(dāng)于下—中侏羅統(tǒng)。侏羅紀(jì)亦為本區(qū)重要的成煤聚煤期。

3 地質(zhì)構(gòu)造與含煤建造的關(guān)系

石炭—二疊紀(jì)華北準(zhǔn)地臺(tái)上廣泛沉積的含煤建造，面積大、煤層穩(wěn)定，形成“泛煤田”的整體規(guī)模。但至三疊紀(jì)地殼活動(dòng)性增強(qiáng)，印支運(yùn)動(dòng)來臨，地殼由升降活動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橐运綌D壓為主。含煤地層隨蓋層構(gòu)造層一起形成褶皺形變。本區(qū)主要表現(xiàn)為較廣闊的縱彎褶皺，并總體以抬升為主。這就造成了高起部位煤層遭受風(fēng)化剝蝕而破壞，而較低部位由于沉積作用的掩埋得以完整保存。

進(jìn)入侏羅紀(jì)時(shí)，長期抬升部分經(jīng)剝蝕夷平作用，石炭—二疊系煤層往往在低洼處或向斜內(nèi)得以保存，形成一系列的孤立煤盆。同時(shí)，在山間盆地中又沉積了侏羅系含煤地層。繼而發(fā)生燕山運(yùn)動(dòng)，疊加在印支期褶皺、斷裂之上，形成了以斷裂控制的隆起和凹陷。隆起之上的煤層繼續(xù)遭受剝蝕和破壞，坳陷中一部分保存下來，使原華北“泛煤田”面貌皆非、支離破碎。

4) 試驗(yàn)結(jié)果表明，本煙苗剪葉器能夠達(dá)到規(guī)定的作業(yè)效率，起到很好地收集碎葉的作用，并能夠及時(shí)對(duì)煙苗剪葉器切刀進(jìn)行消毒。

至喜馬拉雅階段，基本繼承和發(fā)展了燕山期構(gòu)造格局，主要受裂谷體制控制，形成大型隆起和坳陷。坳陷內(nèi)煤層往往被深埋于地下，而隆起上的煤層經(jīng)受古近系的風(fēng)化剝蝕后，在新近系以來也同地殼的整體下降被掩埋在地下，但埋深相對(duì)較淺。

因此，區(qū)內(nèi)石炭—二疊系、侏羅系煤層，前者最少經(jīng)受了印支期、燕山期、喜馬拉雅期構(gòu)造作用的疊加改造，后者也經(jīng)受了燕山期、喜馬拉雅期的疊加改造。現(xiàn)今表現(xiàn)為在不同的地區(qū)和構(gòu)造單元內(nèi)其發(fā)育程度、破壞程度、展布特征、埋深情況以及煤化作用等差異較大。

4 煤質(zhì)特征和煤化作用

4.1 煤質(zhì)特征

區(qū)內(nèi)石炭—二疊系和侏羅系的煤炭特征，基本屬于中等變質(zhì)，以氣煤、肥煤為主，個(gè)別地帶受動(dòng)力變質(zhì)疊加或巖漿巖熱接觸變質(zhì)，煤質(zhì)牌號(hào)增高，高者可達(dá)無煙煤甚至天然焦。

本區(qū)三套含煤地層中的煤層，從其經(jīng)成巖作用形成煤層之后，都至少經(jīng)歷一次以上的煤化作用(主要指變質(zhì)作用），由于煤層形成時(shí)代、經(jīng)歷的構(gòu)造期次以及所處構(gòu)造位置不同，必然造成煤化作用的差異。侏羅系含煤地層主要分布在斷陷盆地內(nèi)，在燕山晚期白堊紀(jì)時(shí)經(jīng)短暫的抬升，繼而進(jìn)入喜馬拉雅期后，由于斷陷盆地的繼承性發(fā)展仍分布在現(xiàn)今的坳（凹） 陷內(nèi)，因而至少經(jīng)歷一次煤化作用。而石炭—二疊系含煤地層受多期構(gòu)造作用的疊加改造，煤層經(jīng)受的煤化作用較復(fù)雜。

4.2 首次煤化作用

從中石炭世至三疊紀(jì)中期，石炭—二疊系煤層的煤化作用，是以區(qū)域靜力變質(zhì)作用為主導(dǎo)，是由上覆地層之壓力和自然地溫梯度而引起。

在沉積厚度2 000～3 000 m，或大地?zé)崃髟龈撸a(chǎn)生古地溫70～100 ℃時(shí)，鏡煤反射率可達(dá)0.748～0.994，煤變質(zhì)程度為中等，屬氣煤—肥煤階段。寶坻凹褶中的下倉煤田和其它淺埋的“煤盆”均屬這一變質(zhì)范疇。

4.3 再次煤化作用

主要是針對(duì)石炭—二疊系煤層而言。指喜馬拉雅的深斷埋藏作用。區(qū)內(nèi)由于黃驊坳陷和冀中坳陷的大幅度沉陷，石炭—二疊系及侏羅系煤層均被深埋于地下，上覆有巨厚的新生界，靜壓力增強(qiáng)，使得再煤化作用較為突出。黃驊坳陷中的北塘凹陷、板橋凹陷和岐口凹陷，即漢沽以南沿海一帶，含煤地層最大埋深達(dá)7 200 m，煤的變質(zhì)程度加深；冀中坳陷中的武清凹陷，在大黃堡—武清農(nóng)場—葛漁城一帶以北地段，含煤地層（包括侏羅系在內(nèi)） 一般埋深5 000～6 000 m，最大埋深達(dá)11 000 m，據(jù)地溫梯度變化分析，當(dāng)埋深達(dá)7 000 m 時(shí)，煤化溫度可達(dá)200 ℃，煤可演化為貧煤階。因此預(yù)計(jì)黃驊坳陷和武清凹陷中心地帶的煤層發(fā)生了再次煤化作用，煤質(zhì)變化較大，變質(zhì)程度加深，有利于煤成氣的生成。

而位于寶坻凹陷內(nèi)的淺埋的“煤盆”。埋深小于1 000 m，在第三紀(jì)時(shí)還處于隆起抬升狀態(tài)，再次煤化作用不會(huì)發(fā)生，煤質(zhì)的變化主要由局部巖漿巖侵入所引起。

滄縣隆起上的含煤地層，晚第三紀(jì)前以抬升剝蝕為主，后來雖整體下沉接受沉積，但新生界厚度一般小于1 600 m，不易發(fā)生再次煤化作用，仍以氣—肥煤為主，這已被鉆探所證實(shí)。

5 煤的區(qū)域分布特征

5.1 石炭—二疊系煤的區(qū)域分布特征

以寧河—寶坻斷裂為界，分北、南分別論述，其北相當(dāng)于燕山臺(tái)褶帶，以南相當(dāng)于華北斷坳區(qū)。

（1） 燕山臺(tái)褶帶。主要分布于薊州區(qū)南部下倉鎮(zhèn)和寶坻區(qū)北部的王卜莊鎮(zhèn)，埋深100～1 000 m。煤層主要賦存于下倉向斜和車抽山向斜核部。下倉向斜北部埋藏較淺，約為100～450 m，工部斷裂以南地區(qū)，埋藏深度逐漸增加，最深處約1 000 m 左右；車抽山向斜煤層埋深約650～730 m。區(qū)內(nèi)煤層厚度較穩(wěn)定，開采較容易，具有很好的工業(yè)價(jià)值。

（2） 華北斷坳區(qū)。區(qū)內(nèi)煤層分布廣泛，3 個(gè)Ⅲ級(jí)構(gòu)造單元均有分布，涉及寧河區(qū)、武清區(qū)、西青區(qū)、大港區(qū)、靜海區(qū)、津南區(qū)等6 區(qū)，埋深900～11 000 m。

武清區(qū)位于Ⅲ級(jí)構(gòu)造單元冀中凹陷上，含煤面積較大，但煤層埋藏最深為11 000 m，工業(yè)意義不大。津南區(qū)、西青區(qū)和靜海區(qū)含煤區(qū)域位于Ⅲ級(jí)構(gòu)造單元滄縣隆起上，含煤地層主要分布于隆起北端和兩側(cè)。津南區(qū)東部的白塘口附近，含煤地層保存良好，位于隆起偏南部，煤層埋深1 250～1 350 m，煤層較穩(wěn)定，工業(yè)價(jià)值較好。西青區(qū)全域和靜海區(qū)西部為主要含煤區(qū)，位于Ⅳ級(jí)構(gòu)造單元大城凸起上，含煤地層為向北西傾伏的單斜坡，煤層埋深為900～2 000 m，煤層厚度大，分布廣泛，具有較好的工業(yè)價(jià)值。大港區(qū)中南部為煤層主要賦存區(qū)域，位于黃驊坳陷上，分布范圍大，煤層多，但埋深均大于2 000 m，最深處約為4 500 m，目前工業(yè)意義不大。

5.2 侏羅系煤的區(qū)域分布特征

區(qū)內(nèi)侏羅系含煤地層主要分布在冀中坳陷中的武清凹陷，分布面積廣，隱伏在新生界之下，不整合于石炭—二疊系含煤地層之上，由南東向北西埋深逐漸增大，煤層較多，一般可達(dá)15 層，層數(shù)和厚度變化較大，大部分埋深在2 000 m 之下，目前工業(yè)意義不大，但可成為煤成氣良好的生氣母巖。

6 結(jié) 論

（1） 根據(jù)天津地區(qū)石炭—二疊系、侏羅系地層分布情況，結(jié)合區(qū)內(nèi)古地理環(huán)境與含煤建造等煤田地質(zhì)特征，從北至南劃分出六個(gè)含煤有利區(qū)，依次為邦均含煤有利區(qū)、下倉含煤有利區(qū)、岳龍莊含煤有利區(qū)、武清—靜海含煤有利區(qū)、白塘口含煤有利區(qū)和漢沽—塘沽—大港含煤有利區(qū)，找煤工作在6 個(gè)含煤有利區(qū)中開展。

（2） 廣泛收集天津地區(qū)地震測(cè)深等地球物理資料、鉆探資料，運(yùn)用各種有效手段進(jìn)行綜合分析與評(píng)價(jià)。對(duì)已收集到的地震時(shí)間剖面進(jìn)行反復(fù)類比，選出地震信息相對(duì)豐富，反射特征明顯的資料，作為地震解釋的基礎(chǔ)。對(duì)已有地震資料進(jìn)行二次開發(fā)，并結(jié)合已知鉆孔進(jìn)行驗(yàn)證，用現(xiàn)行規(guī)范重新整理，用近年來發(fā)展起來的新技術(shù)、新方法重新解釋。在此基礎(chǔ)上，補(bǔ)充地震工作，遵循點(diǎn)試驗(yàn)—線試驗(yàn)—地震數(shù)據(jù)采集—資料處理—資料解釋依次開展，進(jìn)一步了解工作區(qū)的煤田地質(zhì)特征。

（3） 在地震勘探成果基礎(chǔ)上，確定鉆孔位置，開展鉆探和測(cè)井工作，查清工作區(qū)地層層序，煤系地層含煤層數(shù)、厚度等，結(jié)合采樣試驗(yàn)大致查清煤類和煤質(zhì)，了解煤層水文情況，了解其他有益礦產(chǎn)情況，估算資源量。