延川南地區(qū)山西組和太原組煤與夾矸有機(jī)質(zhì)差異

李小越，龔 月

(中國(guó)石油化工股份有限公司華東油氣分公司勘探開發(fā)研究院，南京 210094)

0 引言

煤系烴源巖是我國(guó)的重要的含氣烴源巖，沉積環(huán)境為過渡環(huán)境，因此在我國(guó)的煤系地層中常見夾矸。前人對(duì)于夾矸的研究大多集中在礦物學(xué)特征、測(cè)井曲線、微量元素或開采條件等方面，而對(duì)煤和夾矸中有機(jī)質(zhì)母質(zhì)來源研究較少。該文在沉積相的基礎(chǔ)上結(jié)合顯微鏡下有機(jī)質(zhì)鑒定和鏡質(zhì)體反射率測(cè)試明確煤和夾矸的有機(jī)質(zhì)來源。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

延川南地區(qū)位于晉西撓曲帶和陜北斜坡的結(jié)合部，構(gòu)造平緩，構(gòu)成穩(wěn)定。受印支、燕山和喜山三期斷裂活動(dòng)的影響，斷裂活動(dòng)早期始于晚三疊世，早印支運(yùn)動(dòng)形成了區(qū)內(nèi)構(gòu)造的雛形，主要活動(dòng)期在燕山期。研究區(qū)北東向構(gòu)造展布是在燕山期形成并且受其控制，喜山期時(shí)期只是對(duì)前期形成的構(gòu)造進(jìn)行了改造，程度較弱，只在研究區(qū)塊東南部有改造痕跡，三期構(gòu)造形成了如今的構(gòu)造展布格局。延川南地區(qū)的2個(gè)主要含煤層系分別是石炭統(tǒng)—下二疊統(tǒng)太原組(C2-P1t)和下二疊統(tǒng)山西組(P1s)。太原組煤層含煤5～8層，中部有3層生物碎屑灰?guī)r，整體厚度約為60 m；山西組煤層含煤4～5層，上部有1～2層不穩(wěn)定薄煤層，下部有2～3層煤層，整體厚度約為45 m。

晚石炭世本溪期，由于地臺(tái)連續(xù)下沉，導(dǎo)致華北海水沿NNE方向侵入，從而形成受限陸表海。晚期，此陸表海和西部海域北部相連，從而整體展現(xiàn)出廣覆式填平補(bǔ)齊的現(xiàn)象，主要形成瀉湖-潮坪充填。晚石炭世末期，由于北方的西伯利亞板塊向南擠壓，進(jìn)而導(dǎo)致鄂爾多斯地區(qū)在內(nèi)的華北地臺(tái)區(qū)域構(gòu)造格局北升南降，由南隆北傾轉(zhuǎn)為北隆南傾[1]。在這段構(gòu)造轉(zhuǎn)型期，海平面上升過程中泥炭沼澤發(fā)育，形成了規(guī)模大、分布廣、區(qū)域穩(wěn)定的主煤層，即10號(hào)煤層。

二疊世早期，華北海水轉(zhuǎn)而改由南東方向侵入，在晚石炭世填平補(bǔ)齊的基礎(chǔ)上，陸表海擴(kuò)張并與西部祁連海連通，形成的連片潮下碳酸鹽巖規(guī)模較大，并且在漫長(zhǎng)的海水后退過程中形成障壁砂壩及淺水三角洲沉積，最終形成潮坪和泥炭沼澤相。此外，受控于潮汐，海平面一再升降，從而形成海相石灰?guī)r和粗碎屑巖混合的含煤沉積組合。從山西期開始，由于北部伊盟隆起且物源區(qū)也明顯抬升，導(dǎo)致海水逐漸南退，此時(shí)鄂爾多斯地區(qū)的充填沉積物以陸相沉積為主，只有東南部仍處在殘留海的演化階段。直至石盒子期，全面海退，研究區(qū)就完全進(jìn)入陸相沉積發(fā)展時(shí)期，至晚二疊世石千峰期完全轉(zhuǎn)化為內(nèi)陸湖盆沉積，形成紅色沉積建造[2-3]。

2 煤與泥巖有機(jī)質(zhì)特征

2.1 取樣與實(shí)驗(yàn)方法

為了更加客觀的對(duì)比分析研究區(qū)內(nèi)煤和夾矸中的有機(jī)質(zhì)，采集時(shí)將同一口井中樣品的選擇深度定在100 m以內(nèi)；取樣范圍是研究區(qū)中21口井的煤巖樣品以及其中3口井的泥巖樣品。鏡下實(shí)驗(yàn)均通過蔡司顯微鏡Imager.A2m測(cè)試,實(shí)驗(yàn)條件為油浸反射光下放大500倍,測(cè)試內(nèi)容包括鏡質(zhì)體反射率測(cè)定以及顯微組分鏡下觀測(cè)。測(cè)量前校準(zhǔn)選擇4種標(biāo)樣,即Yttriumc-Aluminiumc-Garnet(Ro=0.90%)、釓鎵石榴石(Ro=1.72%)、立方氧化鋯(Ro=3.17%)和鉆石(Ro=5.41%)。對(duì)于每個(gè)煤巖樣品,至少選擇100個(gè)鏡質(zhì)體進(jìn)行隨機(jī)反射測(cè)量；對(duì)于每個(gè)泥巖樣品,至少選擇30個(gè)鏡質(zhì)體進(jìn)行30次隨機(jī)反射測(cè)量，以保證結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.2 有機(jī)質(zhì)成熟度

表1為延川南地區(qū)泥巖有機(jī)質(zhì)成熟度測(cè)試結(jié)果。由延川南地區(qū)Y21井煤巖有機(jī)質(zhì)成熟度測(cè)試結(jié)果可知，延川南地區(qū)2號(hào)煤的反射率測(cè)值為1.99%～2.94%，10號(hào)煤的反射率測(cè)值為2.03%～2.56%。研究區(qū)內(nèi)煤巖有機(jī)質(zhì)成熟度普遍較高。通過對(duì)Y3井、Y5井和Y21井中泥巖有機(jī)質(zhì)成熟度測(cè)試可知，與2號(hào)煤同屬于山西組的泥巖反射率為1.91%～2.52%，與10號(hào)煤同屬于太原組的泥巖反射率為1.89%～2.56%。選擇深度100 m以內(nèi)的煤巖樣品和泥巖樣品進(jìn)行反射率值比對(duì)，Y21井中山西組和太原組的煤巖樣品反射率遠(yuǎn)高于泥巖；Y3井中山西組的煤巖樣品反射率略高于泥巖，而太原組煤巖和泥巖樣品的反射率值則近似相等。煤巖反射率與泥巖反射率對(duì)比如圖1所示。由于100 m的平均地溫梯度為3 ℃，對(duì)于鏡質(zhì)體而言其反射率梯度應(yīng)該是100 m差0.04%。根據(jù)表1和圖1的測(cè)試結(jié)果可以看出，Y21井山西組、太原組和Y3井山西組中的煤巖與泥巖的有機(jī)質(zhì)成熟度差值要遠(yuǎn)超過應(yīng)有的反射率梯度。由此可見對(duì)于延川南地區(qū)相同井深范圍的煤巖有機(jī)質(zhì)成熟度要大于等于泥巖的有機(jī)質(zhì)成熟度。為進(jìn)一步分析產(chǎn)生這種差值的原因，首先排除了人員測(cè)量誤差和鏡下測(cè)量選點(diǎn)差異，其次兩者的古埋深和當(dāng)時(shí)所受的古地溫相同，所以可以排除受熱因素導(dǎo)致的反射率測(cè)值不同。因此導(dǎo)致煤巖的成熟度較大的原因可能是生成煤巖和泥巖的有機(jī)質(zhì)母源不同，從而使得生成的鏡質(zhì)體在鏡下反射出不同的光學(xué)強(qiáng)度。

表1 延川南地區(qū)泥巖有機(jī)質(zhì)成熟度測(cè)試結(jié)果Table 1 Test results of mudstone organic matter maturity in Yanchuannan Area

圖1 煤巖反射率與泥巖反射率對(duì)比圖Fig.1 Comparison of coal rock reflectivity and mudstone reflectivity

圖2 延川南區(qū)樣品中顯微組分(500倍油浸反射光)Fig.2 Macerals in samples from Yanchuannan Area(500 times the reflected light of oil immersion)

2.3 鏡下鑒定

烴源巖中有機(jī)質(zhì)類型的不同決定了烴源巖的生烴能力以及產(chǎn)物組成，因而其對(duì)地質(zhì)勘探意義重大[4-5]。為真實(shí)分析延川南地區(qū)煤和夾矸有機(jī)質(zhì)差異，對(duì)研究區(qū)的樣品進(jìn)行鏡下觀測(cè)拍照。煤中三大有機(jī)質(zhì)組分分別是鏡質(zhì)組、惰質(zhì)組和殼質(zhì)組，煤的成熟度是通過測(cè)量煤中均質(zhì)鏡質(zhì)體的反射率得到的。鏡質(zhì)體是高等植物的木質(zhì)纖維素經(jīng)過凝膠化作用形成的，在比較還原環(huán)境下進(jìn)行的一種生物化學(xué)反應(yīng)，是構(gòu)成煤的有機(jī)質(zhì)的主要組分，在鏡下觀測(cè)顆粒較大，呈均一狀，偶見與黏土礦物或黃鐵礦共存。

根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在測(cè)試泥巖中鏡質(zhì)體反射率時(shí)，其測(cè)定對(duì)象可以選擇均質(zhì)鏡質(zhì)體、基質(zhì)鏡質(zhì)體、均勻凝膠體以及充分分解腐木質(zhì)體，如圖2所示。通過對(duì)延川南地區(qū)夾矸中鏡質(zhì)體測(cè)定可以發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)夾矸成熟度常見測(cè)定對(duì)象為：均質(zhì)鏡質(zhì)體，無細(xì)胞結(jié)構(gòu)，呈寬窄不一的條帶狀或透鏡狀(如圖2d和圖2f所示)；基質(zhì)鏡質(zhì)體，無細(xì)胞結(jié)構(gòu)，無固定形態(tài)，質(zhì)地不一，呈均勻或不均勻狀，膠結(jié)其他顯微組分和礦物(如圖2h、圖2j和圖2l所示)；均勻凝膠體，均一致密且有干裂紋(如圖2b所示)。從圖2中可以看出，煤巖的各個(gè)顯微組分之間界限分明，且各

種顯微組分特征明確，很容易辨其母質(zhì)來源。而泥巖中的顯微組分個(gè)體較小，特征不明確，油浸反射光下均呈深灰色至淺灰色，無明顯突起和顏色灰度變化。形成鏡質(zhì)體的成分以藻類為主，高等植物較少。泥巖中的鏡質(zhì)體無明顯細(xì)胞結(jié)構(gòu)等特征，對(duì)比煤巖中的鏡質(zhì)體，其邊緣糊化，呈鋸齒狀，沒有清晰的界限。在相同的光強(qiáng)下，泥巖中的鏡質(zhì)體較煤巖中的暗沉，導(dǎo)致其反射率測(cè)值較低。

在顯微鏡下可以直觀地看出形成煤巖和夾矸鏡質(zhì)體的母源差異，不同于煤巖全是由高等植物形成的，夾矸中的鏡質(zhì)體以藻類為主，高等植物較少。Y21井中夾矸的有機(jī)質(zhì)母源基本都是藻類，Y3井中夾矸的有機(jī)質(zhì)母源大部分為藻類，少部分是高等植物。導(dǎo)致Y21井中山西組和太原組的煤巖反射率遠(yuǎn)高于泥巖，而Y3井由于母源有高等植物，其山西組的煤巖與泥巖反射率值略有差異，太原組近似相等。所以煤巖和泥巖的有機(jī)質(zhì)反射率的差值的大小取決于泥巖有機(jī)質(zhì)母源中高等植物占比。

3 有機(jī)質(zhì)來源差異

烴源巖的沉積環(huán)境不同也會(huì)導(dǎo)致其有機(jī)質(zhì)類型有較大區(qū)別，因此應(yīng)結(jié)合研究區(qū)內(nèi)煤和夾矸有機(jī)質(zhì)類型與沉積環(huán)境資料，綜合分析夾矸反射率值低于煤巖的原因。結(jié)合前人的研究資料可知，在研究區(qū)太原組—山西組共識(shí)別出碳酸鹽潮坪、障壁砂壩—瀉湖和淺水三角洲3種沉積相、6種亞相和10種微相類型。將太原組自10號(hào)煤層底至北岔溝砂巖底劃分為太2段、太1段2個(gè)小層，太2段是指10號(hào)煤層底至斜道灰?guī)r底之間的1套巖層，太1段是指斜道灰?guī)r底至北岔溝砂巖底之間的1套巖層；將山西組自北岔溝砂巖底至駱駝脖子砂巖底共劃分為山23段、山22段、山21段和山1段4個(gè)小層，山23段是指北岔溝砂巖底至2號(hào)煤層頂板之間的1套巖層，山22段從2號(hào)煤層頂至1號(hào)煤層頂，山1段從04煤線頂?shù)今橊劜弊由皫r底[6-8]。

對(duì)于同井段具有泥巖和煤巖的3口井，Y3井和Y21井位于研究區(qū)的西區(qū)，Y5井位于研究區(qū)的中區(qū)。結(jié)合取樣深度和分層深度的比對(duì)，太原組的夾矸取自太2段，山西組的夾矸取自山23段。

太2段水介質(zhì)條件自北西向南東方向漸趨于咸化，反映沉積環(huán)境由障壁-瀉湖向碳酸鹽潮坪環(huán)境演變。太2段沉積期，研究區(qū)發(fā)育以碳酸鹽潮坪-障壁砂壩-瀉湖為主體的古地理格局。碳酸鹽潮坪呈北西-南東向展布，整體呈枝杈狀。此時(shí)Y3井屬于潮坪相，Y5井和Y21井屬于碳酸鹽潮坪相。潮汐作用是潮坪主要的水動(dòng)力條件，含少量的植物化石碎片，植物根化石發(fā)育。碳酸鹽潮坪相主要形成于潮下-潮間環(huán)境，屬陸源碎屑影響的緩坡型陸表海清水-渾水混合沉積模式，由于水體隔絕導(dǎo)致缺乏高等植物的輸入。結(jié)合前述反射率測(cè)試以及鏡下組分鑒定結(jié)果可以看出(見表1和圖2)，太原組中Y3井的10號(hào)煤與夾矸反射率值近似相等，是因?yàn)閅3井中形成鏡質(zhì)體的有機(jī)質(zhì)來源中有部分植物碎片(有機(jī)質(zhì)組分較大，鏡質(zhì)體上可隱約看到植物結(jié)構(gòu))，所以兩者反射率近似相等；而Y21井和Y5井由于沉積相的控制沒有高等植物輸入[9]，形成鏡質(zhì)體的有機(jī)質(zhì)成分以浮游生物和藻類為主，因此Y21井和Y5井的夾矸反射率值較10號(hào)煤低。

山23段沉積期主要為三角洲前緣沉積。整個(gè)地區(qū)因沉積基底下降，沉積物供給不同等因素控制，從而形成了不同時(shí)期沉積相組合類型，以及區(qū)域沉積格局的相應(yīng)變化。北部物源區(qū)抬升，構(gòu)造活動(dòng)顯著，區(qū)域上形成了以三角洲相沉積為主的巖相古地理格局[10]。Y21井和Y5井為分流間灣與泥炭沼澤沉積，Y3井為水下分流河道與泥炭沼澤沉積。水下分流河道屬于該沉積環(huán)境的骨架部分，其作為河水及其所攜帶的沉積物的主要運(yùn)移通道，常對(duì)下伏地層造成沖刷。由于三角洲前緣的沉積物輸入量是瞬時(shí)甚至是突發(fā)性的，從而導(dǎo)致該區(qū)域的沉積物由于流水的作用很少存在高等植物[11-15]。鏡下顯微組分觀測(cè)可以看出，Y3井中常見粗枝藻類碎片(如圖3所示)，葉體呈圓柱狀或棒狀，整體可以分為鈣化較弱的內(nèi)部和鈣化較強(qiáng)的皮層，中央莖在頂部有收縮，側(cè)枝與中央莖基本垂直，橫截面為圓形，并有少量基質(zhì)鏡質(zhì)體(見圖2)；Y5井中常見葉狀藻碎片(如圖4所示)，似葉片狀，有明顯的層狀結(jié)構(gòu)，垂直層面疊層生長(zhǎng)[16-18]。由此可以得出，Y3井中形成鏡質(zhì)體的有機(jī)質(zhì)來源有少部分植物碎片(有機(jī)質(zhì)組分較大，鏡質(zhì)體上可隱約看到植物結(jié)構(gòu))，大部分以藻類為主，所以山西組反射率略小于2號(hào)煤的反射率。而Y21井和Y5井由于沉積相的控制沒有高等植物輸入，形成鏡質(zhì)體的有機(jī)質(zhì)成分以浮游生物和藻類為主，因此反射率值較2號(hào)煤低。綜上可以得出，同時(shí)期高等植物形成的有機(jī)質(zhì)反射率值要高于浮游生物和藻類為主形成的鏡質(zhì)體。

圖3 粗枝藻類碎片(Y3井)Fig.3 Fragments of coarse branch algae(well Y3)

圖4 葉狀藻碎片(Y5井)Fig.4 Fragments of phylloid(well Y5)

4 結(jié)論

1)延川南地區(qū)煤巖有機(jī)質(zhì)成熟度要略高于夾矸。

2)延川南地區(qū)夾矸中鏡質(zhì)體測(cè)定對(duì)象常見均質(zhì)鏡質(zhì)體、基質(zhì)鏡質(zhì)體和均勻凝膠體3種。

3)太2段Y3井屬于潮坪相，Y5井和Y21井屬于碳酸鹽潮坪相；山23段Y21井和Y5井為分流間灣與泥炭沼澤沉積，Y3井為水下分流河道與泥炭沼澤沉積。

4)煤巖的有機(jī)質(zhì)成熟度較夾矸高，是由于夾矸沉積相的控制沒有高等植物輸入，形成鏡質(zhì)體的有機(jī)質(zhì)成分以浮游生物和藻類為主，因此反射率值較2號(hào)煤低。同時(shí)期高等植物形成的有機(jī)質(zhì)反射率值要高于浮游生物和藻類為主形成的鏡質(zhì)體。