神府南區(qū)直羅組下段古河道沖刷帶水動(dòng)力條件的定量表征

郭亮亮，胡 儉，張 池，榮 輝，任智智，王建英，鄭宇航，王宏科，孫 魁

(1. 中國(guó)地質(zhì)大學(xué) 構(gòu)造與油氣資源教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430074；2. 陜煤集團(tuán)神木張家峁礦業(yè)有限公司，陜西 神木 719300；3 .陜西陜煤陜北礦業(yè)有限公司，陜西 榆林 719000；4. 陜西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站 自然資源部礦山地質(zhì)災(zāi)害成災(zāi)機(jī)理與防控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054)

古河道沖刷帶是造成煤炭開采過程中水害的關(guān)鍵地質(zhì)因素，因此，對(duì)含煤巖系中古河道沖刷帶的研究引起了廣泛的關(guān)注[1-4]。目前對(duì)含煤巖系中古河道沖刷帶的研究主要集中在古河道沉積環(huán)境及空間分布預(yù)測(cè)等方面，主要采用研究方法包括沉積地質(zhì)分析、地球物理及地質(zhì)統(tǒng)計(jì)等[5-9]。然而，對(duì)古河道帶沖刷帶的古水動(dòng)力條件量化表征方面的研究卻很少，限制了對(duì)含煤巖系中河道沖刷帶形成過程的深入理解和精準(zhǔn)預(yù)測(cè)。

20世紀(jì)80年代勘探表明，鄂爾多斯盆地內(nèi)具有世界級(jí)超大型煤礦，煤層氣、天然氣資源儲(chǔ)量居全國(guó)首位，盆地內(nèi)還產(chǎn)有鈾礦、鉛鋅礦、石油和水資源等豐富的礦產(chǎn)資源[10-14]。神府南部礦區(qū)位于鄂爾多斯盆地東北部，延安組是該地區(qū)煤炭開發(fā)的主要目的層，但上覆直羅組具有穩(wěn)定的砂體，具備良好的含水條件，其古河道沖刷延安組煤層頂板造成突水問題，在陜西省檸條塔煤礦和紅柳林煤礦的礦井涌水量很大，可達(dá)到1 000 m3/h左右[15]，所以對(duì)直羅組古河道沖刷帶水害防治成為當(dāng)務(wù)之急。鑒于此，筆者以鄂爾多斯盆地東北部神府南區(qū)直羅組下段古河道沖刷帶為例，利用粒度分析方法獲取古河道砂體粒度分布直方圖、概率累積曲線、粒度參數(shù)，綜合判斷古河道砂體的沉積環(huán)境，在此基礎(chǔ)上，通過比較沉積學(xué)原理和方法量化表征古河道沖刷帶形成的古水動(dòng)力條件。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

鄂爾多斯盆地屬于克拉通盆地，是我國(guó)第二大沉積盆地，位于華北板塊西部，處于我國(guó)三大構(gòu)造的中部構(gòu)造域的中段[16]，盆地劃分為伊盟隆起、西緣沖斷帶、天環(huán)坳陷、伊陜斜坡、晉西撓褶帶和渭北隆起6個(gè)二級(jí)構(gòu)造單元[17]。神府南部礦區(qū)低灰、低硫、高熱值的低階煤，一直是我國(guó)主要的工業(yè)原料的來源[18-19]。神府南部礦區(qū)位于鄂爾多斯盆地東北緣，構(gòu)造上處于陜北斜坡[19](圖1(a))。地表出露和鉆探、井巷工程揭露的地層由老至新主要有三疊系上統(tǒng)永坪組、侏羅系中統(tǒng)延安組、直羅組、安定組及新近系、第四系地層。神府南部礦區(qū)直羅組下段古河道對(duì)延安組煤層的沖刷作用極為明顯[20](圖1(b),(c))。

2 樣品采集與實(shí)驗(yàn)方法

2.1 樣品采集

樣品選擇鄂爾多斯盆地東北部神府南部礦區(qū)直羅組下段SJ04，SJ06，SJ10和SJ11四口井(圖1(b))。根據(jù)鉆孔資料、巖性的分布規(guī)律及特點(diǎn)，將直羅組下段劃分為4個(gè)旋回：即a旋回(J2z1-a)、b旋回(J2z1-b)、c旋回(J2z1-c)和d旋回(J2z1-d)。采樣39個(gè)，每口井的旋回及樣品的垂向分布位置如圖1(d)所示。

將所選樣品在偏光顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，顆粒磨圓性表現(xiàn)為次棱角狀-次圓狀，顆粒主要是點(diǎn)接觸與面接觸，a,b,c旋回分選性較差，d旋分選性中等(圖2)。

圖2 神府南區(qū)直羅組古河道砂體鏡下特征Fig.2 Microscopic characteristics of paleo-channel sandbodies of Zhiluo Formation in Shenfu south area

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

(1)觀察樣品薄片并拍照。將樣品逐個(gè)放置在顯微鏡下，對(duì)于中砂和粗砂使用單倍鏡觀察、拍照，對(duì)于細(xì)砂和粉砂則采用5倍鏡。在拍照時(shí)不僅要保證照片的清晰度，還應(yīng)注意照片應(yīng)當(dāng)具有代表性，可以代表整個(gè)薄片的粒度特征，進(jìn)而保證后期的統(tǒng)計(jì)工作的意義。

(2)顆粒粒徑統(tǒng)計(jì)。使用Ipp軟件進(jìn)行粒徑測(cè)量，每個(gè)樣品統(tǒng)計(jì)碎屑顆粒300～500個(gè)。具體操作方法為：首先設(shè)定標(biāo)尺，1X,5X各設(shè)定1個(gè)，然后逐個(gè)測(cè)量碎屑顆粒的粒徑，統(tǒng)計(jì)數(shù)目達(dá)到要求后，將數(shù)據(jù)導(dǎo)出。

(3)統(tǒng)計(jì)結(jié)果數(shù)據(jù)處理。將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算出頻率以及累積頻率。同時(shí)，通過這些數(shù)據(jù)也可進(jìn)行各種粒度參數(shù)的計(jì)算。

3 直羅組下段砂體粒度特征

3.1 直方圖

直方圖中特征：a,b,c旋回的直方圖較d旋回分布相對(duì)靠左，粒徑相對(duì)較粗；a旋回到c旋回直方圖粒徑主要分布于1φ～5φ(φ為粒度分析時(shí)常用的粒徑單位[21]，φ=-log2D，D為顆粒直徑，mm)，粒徑分布相對(duì)離散，而d旋回粒徑分布于1.5φ～3.5φ，粒徑分布相對(duì)集中(圖3)。

3.2 概率累積曲線

概率累積曲線主要表現(xiàn)為兩段式：跳躍總體與懸浮總體，a旋回的概率累積曲線中，跳躍總體比較發(fā)育，一般占比50%～60%，分選中等，懸浮總體斜率較小，分選差，截點(diǎn)S對(duì)應(yīng)的粒徑為2φ～4φ，截點(diǎn)沒有明顯的緩和過渡(S為懸浮總體和跳躍總體的交點(diǎn)，表示懸浮的最粗顆粒)；b，c旋回中還是以跳躍總體含量較高為特征，逐漸出現(xiàn)較多懸浮總體特征，截點(diǎn)S對(duì)應(yīng)的粒徑為2φ～5φ，d旋回跳躍總體的含量達(dá)到峰值，與懸浮總體的截點(diǎn)進(jìn)一步變大(圖4)。

3.3 直羅組下段粒度參數(shù)特征

粒度參數(shù)能指示一定的沉積環(huán)境其成因意義，為了提高參數(shù)對(duì)環(huán)境的判別能力，采用兩兩參數(shù)組合，做出粒度參數(shù)的散點(diǎn)圖來區(qū)分環(huán)境，分別為標(biāo)準(zhǔn)偏差(σ)-平均粒度(Mz)、標(biāo)準(zhǔn)偏差(σ)-偏度(Sk)、標(biāo)準(zhǔn)偏差(σ)-峰度(Kg)、C-M圖(C為累積概率曲線上顆粒含量1%處對(duì)應(yīng)的粒徑，M為累積概率累積曲線上50%處對(duì)應(yīng)的粒徑),如圖(5(a)～(d))所示。

直羅組下段砂體粒度參數(shù)特征為：平均粒徑(Mz)在1.13～3.43，其平均值為2.56，平均粒徑表現(xiàn)為細(xì)砂，含有部分極細(xì)砂(表1);標(biāo)準(zhǔn)偏差(σ)在0.50～1.16，變化范圍較大，據(jù)Folk分選劃分，其中位于0.71～1.00為分選中等，占56.4%、小于0.71為分選好，占28.2%、大于1.00分選差，占15.4%，主要表現(xiàn)為中等-較好，少量分選差。

圖4 直羅組下段砂巖粒度概率累積曲線Fig.4 Probability cumulative curves of sandstone grain size in the lower member of Zhiluo Formation

圖5 直羅組下段粒度參數(shù)散點(diǎn)圖Fig.5 Scatter diagram of grain size parameters in lower member of Zhiluo Formation

平均粒徑主要位于標(biāo)準(zhǔn)偏差(σ)0.8～1.0，表現(xiàn)分選中等(圖5(a))；偏度(Sk)為-0.23～0.26，主要為對(duì)稱和正偏，還有部分負(fù)偏(圖5(b));峰度(Kg)在0.73～1.09，變化范圍小，整體為近正態(tài)，極少量表現(xiàn)平坦(圖5(c))；C-M圖表現(xiàn)為PQ段與QR段，主要集中于PQ段，與牽引流沉積的C-M圖解模式的PQ和QR段相符且不與C=M基線平行(圖5(d))。

4 討 論

4.1 沉積環(huán)境分析

沉積物的粒度是碎屑顆粒沉積過程的最基本的特征，是定量表征搬運(yùn)營(yíng)力的度量尺度和判別沉積環(huán)境及水動(dòng)力條件的良好標(biāo)志之一[21-25]。前人對(duì)該地區(qū)直羅組下段沉積環(huán)境研究較多，如：焦養(yǎng)泉等[26-27]、易超等[28]認(rèn)為，鄂爾多斯盆地東北部直羅組下段為三角洲沉積成因；程先鈺等[29]、王善博等[30]、薛銳等[31]認(rèn)為，該區(qū)直羅組下段為河流沉積成因。筆者根據(jù)粒度分析特征對(duì)該地區(qū)沉積環(huán)境進(jìn)行判別：① 砂巖分選中等-好；以跳躍總體為主，滾動(dòng)總體不發(fā)育，牽引流沉積特色明顯。②C-M圖對(duì)應(yīng)牽引流的QR和PQ段—河流-三角洲沉積特色。③ 偏度除正偏外，一部分屬于負(fù)偏——沉積物受波浪改造。通過粒度分析的以上3個(gè)特征，初步判斷直羅組下段是三角洲沉積體系。從野外露頭、鉆孔巖心及砂體展布資料來看[20,26-27]，直羅組下段以礫巖、粗砂巖、中砂巖及細(xì)砂巖發(fā)育為主，細(xì)粒沉積物很少，說明其主要以三角洲平原分流河道發(fā)育為主；而對(duì)比旋回a,b,c,d，可以發(fā)現(xiàn)，a,b,c三個(gè)旋回粒度粗，分選相對(duì)差，而d旋回粒度細(xì)，分選好，因此綜合判斷a,b,c旋回為辮狀河三角洲平原分流河道，而d旋回為曲流河三角洲平原分流河道。

4.2 古水動(dòng)力條件分析

沉積物粒度分布是物質(zhì)來源、沉積區(qū)水動(dòng)力環(huán)境、輸移能力和輸移路線的綜合反映[32]。根據(jù)泥沙起動(dòng)速度公式，可計(jì)算沉積環(huán)境中沉積物開始運(yùn)動(dòng)的速度(即起動(dòng)速度)，該方法雖不能精準(zhǔn)計(jì)算古水流速度，但可粗略估計(jì)其大小，為定量表征古水動(dòng)力條件提供一種思路[33-36]。根據(jù)霍中遷和李甲榮等[34]總結(jié)的泥沙起動(dòng)流速(式(1))計(jì)算了直羅組下段各旋回中砂巖沉積的起動(dòng)流速(表1)，(其中d為對(duì)應(yīng)樣品實(shí)測(cè)粒徑；h，k在下文中公式說明)，可以看出，直羅組下段從a旋回到d旋回，起動(dòng)速度依次減小，說明古水動(dòng)力逐漸減弱。弗勞德數(shù)反映水流的慣性力與重力之比，其大小可反映水流的流態(tài)特征，根據(jù)式(2)計(jì)算弗勞德數(shù)(表2)可知，F(xiàn)r都小于1，屬于低流態(tài)(Fr>1為高流態(tài)，F(xiàn)r=1為臨界狀態(tài)，F(xiàn)r<1為低流態(tài)[37])。根據(jù)岱海步量河三角洲粒度分析特征與沉積環(huán)境對(duì)比[38-39]，其與直羅組下段沉積相似，所以平均水深取自岱海步量河三角洲平原分流河道水深。

表1 直羅組下段樣品的粒度參數(shù)和起動(dòng)速度

v=kd1/3h1/6

(1)

(2)

式中，v為起動(dòng)流速；d為顆粒粒徑；h為水深，取0.3 m；k為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)(文中系數(shù)k取霍中遷等[34]總結(jié)系數(shù)的平均值為5.18)；g為重力加速度，取9.8 m/s2。

礫石主要在a旋回底部，由直羅組下段古河道中礫巖厚度展布(圖6(a))可知，河道中心礫巖最厚，可達(dá)8 m左右。由于測(cè)量粒徑數(shù)量有限，不便做粒度分析，測(cè)量野外露頭及巖心中(圖6(b)，(c))的礫石直徑，測(cè)得鉆孔SJ-06礫石平均粒徑66.70 mm，SJ-11礫石平均粒徑70 mm，露頭礫石平均粒徑88.3 mm(表2)，根據(jù)式(1)計(jì)算鉆孔SJ-06，SJ-11和露頭礫石的起動(dòng)流速依次為1.72，1.75，1.86 m/s，平均起動(dòng)流速為1.78 m/s。根據(jù)式(2)算得鉆孔SJ-06,SJ-11和露頭礫石的弗勞德數(shù)依次為1.00，1.02，1.08(表2)，弗勞德數(shù)的平均值為1.05>1，屬于高流態(tài)。

圖6 神府南區(qū)礫巖平面分布及鉆孔礫巖特征Fig.6 Plane distribution of conglomerate and characteristics of drilling conglomerate in Shenfu south area

事實(shí)上，河道形成時(shí)期的水動(dòng)力是比沉積物所反映的水動(dòng)力更強(qiáng)，才能搬動(dòng)最大沉積物，可見直羅組下段底部礫巖沉積時(shí)期的水動(dòng)力條件最強(qiáng)，表現(xiàn)為古河道對(duì)延安組煤層的侵蝕作用(圖1(b)，(c))，是形成河道沖刷帶形態(tài)的關(guān)鍵時(shí)期，而a旋回到d旋回砂巖沉積時(shí)期的水動(dòng)力條件均較弱，表現(xiàn)為對(duì)早期形成的古河谷的充填作用。

5 結(jié) 論

(1)直羅組下段從下到上分為a，b，c，d四個(gè)沉積旋回。從a旋回到d旋回，粒徑逐漸分布集中；概率累積曲線以兩段式為主，懸浮總體含量逐漸增多；顆粒粒徑(Mz)表現(xiàn)為以細(xì)砂主要，含少量極細(xì)砂、粗砂；標(biāo)準(zhǔn)偏差(σ)集中在0.50～1.16，指示分選性呈中等-較好；偏度(Sk)以對(duì)稱和正偏為主；峰度(Kg)主要表現(xiàn)為中等到尖銳；在C-M圖上對(duì)應(yīng)為PQ和QR段。

表2 泥沙起動(dòng)流速公式計(jì)算值

(2)a旋回到c旋回為辮狀河三角洲平原分流河道沉積，而d旋回為曲流河三角洲平原分流河道沉積。證據(jù)：①C-M圖表現(xiàn)為牽引流；② 偏度(Sk)還有少量的負(fù)偏，少量受波浪改造；③ 概率累積曲線以跳躍總體與懸浮總體為主，跳躍總體含量50%，分選中等，屬于三角洲沉積；④ a旋回底部沉積礫石，碎屑顆粒較粗，a旋回到d旋回平均粒徑逐漸變?。籥，b，c旋回分選差于d旋回。

(3)a旋回底部礫石的平均起動(dòng)流速為1.78 m/s，弗勞德數(shù)平均值為1.05，屬于高流態(tài)河道搬運(yùn)；a旋回到d旋回砂巖平均起動(dòng)流速依次減小，說明a旋回到d旋回水動(dòng)力逐漸減弱，弗勞德數(shù)均小于1，屬于低流態(tài)河道搬運(yùn)，其中直羅組下段a旋回底部礫巖沉積時(shí)期的水動(dòng)力條件最強(qiáng)，表現(xiàn)為古河道對(duì)下伏延安組煤層的侵蝕作用，是形成河道沖刷帶形態(tài)的關(guān)鍵時(shí)期，而a旋回到d旋回砂巖沉積時(shí)期的水動(dòng)力條件均較弱，表現(xiàn)為對(duì)早期形成的古河谷的充填作用。

致謝本文在撰寫過程中，得到了陜西陜煤陜北礦業(yè)有限公司遲寶鎖總工程師、陜煤集團(tuán)神木張家峁礦業(yè)有限公司高彬副總經(jīng)理、地測(cè)部楊帆主任，陜西省一八五煤田地質(zhì)有限公司蔣澤泉教授級(jí)高級(jí)工程師、郭亮亮和曹虎生高級(jí)工程師等專家的熱情幫助，在此深表謝意。