東勝煤田延安組層序地層學(xué)特征及煤相演化主控因素分析

沈陽陽，呂大煒，張之輝

(山東科技大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島 266590)

0 引言

東勝煤田位于陜西省西北部和內(nèi)蒙古自治區(qū)南部，是我國已探明的最大煤田，世界大型煤炭。本文以東勝煤田東北部開采區(qū)為研究區(qū)，對區(qū)內(nèi)延安組層序地層學(xué)及巖相主控因素進(jìn)行研究分析。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地東北緣銅匠川地區(qū)，總面積約700km2，出露地層主要為中生代地層(圖1)[1]。地層近乎平緩，發(fā)育一個向西南傾斜1° ～ 3°的簡單單斜，地層厚度133～279m。

區(qū)內(nèi)含煤地層為下—中侏羅統(tǒng)延安組，與上下地層呈不整合接觸。煤層總厚度由西南向東北逐漸變薄，西南部煤層厚度較大[2]。延安組是主要含煤單元，巖性為砂巖/泥巖和煤，煤層分為6個主要單元，從上到下分別編號為2-2、3-1、4-1、5-1、6-1和6-2z。

2 層序地層劃分與沉積相識別

2.1 層序地層

根據(jù)鉆孔資料(圖1.B)，以地層不整合面以及巖性轉(zhuǎn)換面為識別標(biāo)志，對延安組地層進(jìn)行層序劃分，結(jié)合沉積特征進(jìn)行沉積相識別[3-4]。綜合分析得出東勝地區(qū)延安組可分為兩個三級層序：層序Ⅰ、層序Ⅱ。根據(jù)關(guān)鍵面以及地層疊加模式識別層序中的體系域：低位體系域(LST)，湖侵體系域(EST)、高位體系域(HST)(圖2)。

序Ⅰ對應(yīng)延安組下部。LST以厚層粗砂巖、礫巖為主，巖石的分選磨圓一般，表現(xiàn)出進(jìn)積的堆積模式，一般為曲流河沉積環(huán)境。在EST中細(xì)粒沉積物發(fā)育，泥砂互層較多，整體表現(xiàn)為退積特征，代表湖侵，為三角洲沉積環(huán)境。EST厚煤層發(fā)育，是延安組主要的成煤階段。HST以厚層砂巖為主，表現(xiàn)為砂、泥、煤互層，煤層較厚，呈現(xiàn)出進(jìn)積特征，代表湖退，沉積環(huán)境以湖泊三角洲為主。

層序Ⅱ?qū)?yīng)延安組上部。LST以砂巖為主，相比于層序Ⅰ砂巖的厚度減少，礫巖沉積較少，表現(xiàn)出進(jìn)積特征，為三角洲沉積環(huán)境，與層序Ⅰ相比三角洲的范圍明顯減少。EST以細(xì)粒沉積物為主，巖性多為細(xì)砂巖、粉砂巖，煤層和泥巖互層，煤層沉積厚度較大，顯示退積特征，表現(xiàn)為三角洲沉積環(huán)境。在HST中可以看出沉積物粒度向上變粗，整體顯示出進(jìn)積特征，沉積環(huán)境為曲流河、湖泊三角洲。

圖1 東勝地區(qū)區(qū)域概況(據(jù)參考文獻(xiàn)[1]修改)a.研究區(qū)位置；b.區(qū)域地質(zhì)簡圖Figure 1 Regional overview of Dongsheng district (modified from reference [1])a.Location of the study area; b.Regional geological diagram

2.2 沉積相類型及特征

根據(jù)鉆孔資料以及野外實際觀測，在延安組識別出曲流河和湖泊三角洲兩種沉積相(圖2)。

曲流河沉積相多位于低位體系域以及高位體系域的頂部。巖性特征以砂巖為主，具有向上變細(xì)的沉積演替和發(fā)育良好的側(cè)向加積的宏觀形態(tài)。底部的礫巖相5～6m厚，礫巖相中發(fā)育板狀交錯層理、水平層理，水動力條件較強(qiáng)，常代表河床滯留沉積環(huán)境；粗砂巖相與中砂巖、細(xì)砂巖互層，交錯層理、槽狀層理發(fā)育，砂巖中可見礫石顆粒，河流沖刷，判斷為點砂壩沉積環(huán)境；點砂壩環(huán)境和河床滯留沉積微相代表了曲流河河床亞相。粉砂巖、泥巖發(fā)育，以水平層理為主，泥巖厚度大，大量植物化石發(fā)育，可以認(rèn)為是天然堤沉積環(huán)境；頂部粉砂巖、泥巖以及薄煤層(0.3～0.4m)發(fā)育，伴隨水平層理、植物化石，厚度小，顯示為一種泛濫平原環(huán)境。曲流河沉積體系中下部的可容空間大，所以垂向沉積厚度大，側(cè)向遷移較弱；隨著補(bǔ)償性沉積，可容空間減少，垂向上沉積厚度變小，較易發(fā)生側(cè)向遷移[6]。

湖泊三角洲沉積以細(xì)粒沉積物為主，沉積物主要是中砂巖、細(xì)砂巖、粉砂巖、泥巖和煤層。泥巖、煤層及大量的植物化石表明沉積環(huán)境能量較低，與前三角洲、深海或湖泊環(huán)境非常相似。MIALL(1996)將具有水平層理的粉砂巖相解釋為分流間灣的特征[7]；具有板狀交錯層理、槽狀交錯層理的細(xì)砂巖相解釋為河口壩沉積[8]；分流河道以中砂巖細(xì)砂巖為主，具有明顯的交錯層理沖刷面[9]；煤層和泥巖相組合指示泥炭-沼澤環(huán)境[10]。

3 樣品與分析方法

為了解東勝地區(qū)煤層的顯微組分特征、煤層形成環(huán)境、煤相類型等，對煤層進(jìn)行了煤巖學(xué)分析。選取延安組納源和高西溝煤礦的煤樣：采集高西溝煤礦2-2、3-1、4-1、5-1煤層煤樣，采集納源煤礦6-1、6-2z煤層煤樣。此外，在所有煤層中以10 cm為采樣間隔，共采集176個樣品進(jìn)行顯微組分分析。

煤樣風(fēng)干，壓碎至最大晶粒尺寸2mm，制備拋光環(huán)氧結(jié)合顆粒用于巖相分析。采用Zeiss Axio Scope A1反射光顯微鏡和MSP UV-VIS2000分光光度計[11-12]，在山東省沉積成礦作用與沉積礦物重點實驗室對各樣品的顯微組分含量和惰質(zhì)組反射率進(jìn)行測定。每個樣品的巖石學(xué)成分都通過計算至少500個點進(jìn)行測量，最后將顯微組分和礦物組成結(jié)果轉(zhuǎn)化為各顯微組分和礦物的百分比。煤的顯微組分觀察和定量統(tǒng)計根據(jù) GB/T8899—2013 《煤的顯微組分組和礦物測定方法》進(jìn)行。

常用的煤相參數(shù)有結(jié)構(gòu)保存指數(shù)(TPI)和凝膠化指數(shù)(GI)[13-14]。凝膠化指數(shù)(GI)=(鏡質(zhì)體+粗粒體)/(半絲質(zhì)體+絲質(zhì)體+惰屑體)：指煤中凝膠化組分與非凝膠化組分的比值，反映泥炭沼澤的覆水程度和植物殘體的凝膠化程度[15-16]。結(jié)構(gòu)保存指數(shù)(TPI)=(結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體+均質(zhì)鏡質(zhì)體+半絲質(zhì)體+絲質(zhì)體)/(基質(zhì)鏡質(zhì)體+粗粒體+惰屑體)：可用于指示泥炭的降解程度和埋藏速度，反映植物組織降解強(qiáng)度以及植物細(xì)胞結(jié)構(gòu)保存程度[13,17]。

4 結(jié)果分析

4.1 煤的顯微組分及煤相參數(shù)分析

煤的顯微組分分析結(jié)果表明，煤層自下而上顯微組分含量呈現(xiàn)規(guī)律性的變化：鏡質(zhì)組含量呈先增加后減少的趨勢，惰質(zhì)組含量則相反(圖3)。鏡質(zhì)組含量變化范圍在20.06% ～64.29%，6-2z煤層鏡質(zhì)組含量最低，4-1煤層鏡質(zhì)組含量最高；惰質(zhì)組的含量變化范圍在29.85% ～73.22%，6-2z煤層惰質(zhì)組含量最高，4-1煤層惰質(zhì)組含量最高。殼質(zhì)組含量在2.74% ～ 9.45%。煤中礦物質(zhì)含量為1.45% ～ 4.05%。與殼質(zhì)組一樣，礦物質(zhì)含量較低且相對穩(wěn)定(表1)。

表1 東勝煤田延安組煤層顯微組分及礦物平均含量Table 1 Average content of macerals and minerals in coal seams of Yan’an Formation in Dongsheng Coalfield %

凝膠化指數(shù)(GI)臨界值為1，凝膠化指數(shù)>1，表明氣候相對濕潤，泥炭沼澤覆水較深[18]，反之則代表成煤環(huán)境較干燥且泥炭沼澤覆水淺[15,19-20]。結(jié)構(gòu)保存指數(shù)(TPI)臨界值為1，TPI>1，表明成煤植物以木本植物為主，植物細(xì)胞結(jié)構(gòu)保存完好，遭受降解的強(qiáng)度低[21-22]；TPI≤1則表明成煤植物以草本植物為主，植物細(xì)胞結(jié)構(gòu)保存程度差，遭受降解的強(qiáng)度高[22]。從圖4可以看出，東勝地區(qū)延安組各煤層的GI指數(shù)在0.25～4.5變化。中部煤層(6-1、5-1、4-1和3-1煤層)的GI指數(shù)均>1，比頂?shù)酌簩拥母撸硎鞠鄬Τ睗竦沫h(huán)境。研究區(qū)煤相類型以潮濕森林沼澤相為主，頂?shù)撞恳愿稍锷终訚上酁橹?，成煤環(huán)境相對潮濕。TPI指數(shù)0.32～ 4.83，且大多>1，說明植物組織保存完好，木本植物為主要組成部分。

圖2 鉆孔145沉積相剖面及層序地層劃分對比圖Figure 2 Sequence stratigraphic division and comparison diagram of Sedimentary facies of borehole 145

V—鏡質(zhì)組；I—惰質(zhì)組；L—殼質(zhì)組；M—礦物質(zhì)圖3 各煤層顯微組分含量Figure 3 Bar diagram of maceral content of each coal seams

圖4 各煤層TPI-GI相圖Figure 4 Coal facies deciphered from TPI and GI

4.2 煤層垂向演化特征

煤層的煤相是多個參數(shù)共同作用的結(jié)果。鏡質(zhì)組含量和惰質(zhì)組含量多用來指示煤層的形成環(huán)境[23]。鏡質(zhì)組含量增加指示氣候相對濕潤，可容空間增加；惰質(zhì)組含量增加，指示氣候相對干燥，可容空間減少。鏡/惰比值(V/I)常用來解釋泥炭沼澤的形成環(huán)境。V/I可較為直觀地反映沼澤的水位變化及氣候的干濕情況，V/I是泥炭暴露還原條件程度的代表。當(dāng)V/I<1時，成煤泥炭暴露于氧化環(huán)境[13,24]。可容空間的增長速率與泥炭沉積速率的比值(AR/PPR)也是評價煤層的形成環(huán)境的重要指標(biāo)[19,25]。根據(jù)AR/PPR的值變化，可以推斷出可容空間的變化范圍，以此推斷基準(zhǔn)面的變化情況：AR/PPR>1，可容空間增加，基準(zhǔn)面上升；AR/PPR<1，可容空間減小，基準(zhǔn)面下降[26]。各煤層的V/I值、GI和TPI指數(shù)以及鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組的變化趨勢如圖5和表2所示。

表2 研究區(qū)煤層顯微組分特征Table 2 Maceral characteristics of coal seams in the study area

1) 6-2z煤層自下而上鏡質(zhì)組含量和V/I值先減少再增加，惰質(zhì)組含量先增加再減少，反映煤層先暴露于干燥的氧化環(huán)境中，再趨于潮濕的還原環(huán)境。GI指數(shù)先減少再增加，下部GI指數(shù)小于1，上部GI指數(shù)大于1；TPI指數(shù)總體大于1，反映木本植物占優(yōu)勢，聚煤環(huán)境由干燥變?yōu)槌睗?。AR/PPR<1，顯示可容空間增長速率小于泥炭堆積速率，且AR/PPR先減少再增加，表明基準(zhǔn)面呈上升趨勢，與湖泊擴(kuò)張相一致。推斷6-2z煤層沉積環(huán)境由干燥變濕潤，湖泊擴(kuò)張。

2)6-1煤層自下而上鏡質(zhì)組含量和V/I值先減少后增加。惰質(zhì)組含量相反，反映煤層早期處于相對干燥的環(huán)境，后期趨于潮濕環(huán)境。GI指數(shù)先減小后增大，GI和TPI指數(shù)均大于1，表明木本植物占優(yōu)勢，支持了環(huán)境由干向濕變化的觀點。AR/PPR值在1附近波動，表明基準(zhǔn)面的上升導(dǎo)致了湖泊的擴(kuò)張。與6-2z煤層相比，6-1煤層的聚煤環(huán)境更為濕潤，湖泊擴(kuò)張。

3)5-1煤層中鏡質(zhì)組含量高，V/I值大于1，說明聚煤環(huán)境較為潮濕，但5-1煤層自下自上鏡質(zhì)組含量和V/I值呈兩個減少的趨勢，惰質(zhì)組含量相反，反映了聚煤環(huán)境逐漸干燥。TPI和GI指數(shù)均大于1且GI指數(shù)呈減小的趨勢，說明木本植物占優(yōu)勢，環(huán)境由濕潤向干燥轉(zhuǎn)變。AR/PPR值在1～1.18波動，呈上升趨勢，反映了基準(zhǔn)面上升，可容空間增加。與6-1煤層比較，可以判斷出5-1煤層雖然處于相對濕潤的聚煤環(huán)境，但湖泊收縮。

4)4-1煤層自下而上鏡質(zhì)組含量和V/I值先減少再增加，且V/I值大于1，說明該煤層的聚煤環(huán)境由干燥轉(zhuǎn)為潮濕還原環(huán)境。TPI指數(shù)和GI指數(shù)大于1且GI指數(shù)呈上升趨勢，說明木本植物占優(yōu)勢，聚煤環(huán)境更加濕潤。AR/PPR由下部的小于1到上部的大于1，反映基準(zhǔn)面先下降后上升，湖泊在擴(kuò)張。4-1煤層聚煤環(huán)境比5-1煤層濕潤，湖泊擴(kuò)張。

圖5 煤層顯微組分以及煤相參數(shù)的垂向變化特征對比(長偏心率曲線據(jù)參考文獻(xiàn)[1]修改)Figure 5 Comparison of vertical variation characteristics of coal macerals and coal facies parameters (long eccentricity curve modified from reference [1])

5)3-1煤層自下而上鏡質(zhì)組含量和V/I值逐漸減小，惰質(zhì)組含量相反，下部V/I值大于1，上部V/I值小于1，說明聚煤環(huán)境由濕潤變?yōu)楦稍?。TPI和GI指數(shù)從大于1變到小于1，顯示木本植物占優(yōu)勢，氣候由濕潤向干燥變化。AR/PPR值變化較大，初期AR/PPR值大于1，后期AR/PPR值小于1，說明可容空間減小，基準(zhǔn)面降低。3-1煤層較4-1煤層干燥，但與5-1煤層條件相似。3-1煤層處于逐漸干燥的聚煤環(huán)境，湖泊收縮。

6)2-2煤層自下而上鏡質(zhì)組含量和V/I值減少，惰質(zhì)組含量相反，且V/I值小于1，說明該煤層的聚煤環(huán)境逐漸干燥。TPI和GI指數(shù)說明木本植物占優(yōu)勢，聚煤環(huán)境干燥。AP/PPR值小于1，說明可容空間減少，基準(zhǔn)面下降。與下部3-1煤層相比，2-2煤層處于逐漸干燥的聚煤環(huán)境，湖泊收縮。

5 成煤作用的控制因素

5.1 氣候控制聚煤作用

氣候、沉積輸入、構(gòu)造和湖平面升降是控制沉積基準(zhǔn)面變化的四個地質(zhì)變量[27]。與海相盆地的海平面變化和聚煤作用的關(guān)系所不同，陸相盆地煤層的垂向演化規(guī)律由湖平面波動、沉積物供應(yīng)和氣候決定[28-30]。這些因素不是相互獨立的：氣候和構(gòu)造通過影響侵蝕風(fēng)化進(jìn)而影響沉積物供給，湖平面波動受控于局部構(gòu)造運動及其影響下的沉積物供給，以及氣候變化。

在低位體系域，湖水后退，湖平面下降，可容空間減少，河道發(fā)育，砂巖向湖盆進(jìn)積覆蓋湖相沉積。晚期，隨著湖平面緩慢上升，局部植被覆蓋率增加，河流流域擴(kuò)大，可容空間增加為泥炭的沉積提供條件。低位體系域基準(zhǔn)面低，無足夠的可容空間供泥炭堆積，低位體系域含煤巖系的煤層厚度較薄。

湖侵體系域形成于湖水面快速上升時期。該時期氣候濕潤，降雨量豐富，植被覆蓋率高，湖平面上升，可容空間增加達(dá)到泥炭地形成條件，湖相沉積不斷向陸地方向推進(jìn)，當(dāng)可容空間與沉積物堆積速率達(dá)到平衡，厚煤層發(fā)育。6-2z、6-1、4-1煤層形成于湖侵體系域時期，其垂向演化具有鏡質(zhì)組含量和V/I、TPI含量增加的特征，植物保存完好，可容空間增加速率與泥炭堆積速率相適應(yīng)，有利于成煤。晚期，湖平面持續(xù)上升，可容空間增加速率遠(yuǎn)大于沉積物堆積速率，基準(zhǔn)面變深，泥巖沉積，湖侵終止，聚煤過程結(jié)束。

高位體系域形成于湖平面下降初期，可容空間依舊很大，可滿足泥炭地的發(fā)育條件，煤層較厚。5-1、3-1、2-2煤層形成于高位體系域時期，垂向上顯示鏡質(zhì)組含量和V/I值減小，TPI大于1，表明該時期雖然湖平面下降，但是植物保存較好，可容空間與泥炭堆積相平衡，有利于厚煤層發(fā)育。后期，氣候逐漸干旱，湖平面下降，植被減少，煤層逐漸變薄，陸源碎屑物不斷向盆地內(nèi)部沉積，可容空間逐漸被河道沉積物充填，聚煤作用終止。

東勝地區(qū)位于鄂爾多斯盆地東北緣，地勢兩邊高，中間低。鄂爾多斯盆地是典型的克拉通內(nèi)坳陷盆地，延安組時期東勝地區(qū)位于湖盆的東北邊緣，構(gòu)造沉降穩(wěn)定,無明顯的斷裂[31-32]?？拷镌磪^(qū)，沉積物豐富[33]，東勝地區(qū)湖平面變化的直接控制因素為氣候。通過對煤層的顯微組分分析，同樣發(fā)現(xiàn)聚煤環(huán)境不斷在潮濕和干燥之間轉(zhuǎn)換，可推斷氣候是控制煤相演化的主要因素。

5.2 長偏心率影響聚煤作用

根據(jù)延安組旋回地層學(xué)研究，發(fā)現(xiàn)主要煤層的發(fā)育層位與天文軌道參數(shù)中的長偏心率405ka的最小值相對應(yīng)(圖5)，而在長偏心率405ka的最大值對應(yīng)的是碎屑巖發(fā)育[1]。在長偏心率的高值期間，氣候的季節(jié)性差異大，會造成河流流量和碎屑輸入增加，在長偏心率的低值期間，氣候的季節(jié)性差異小，提供了穩(wěn)定的氣候條件，植被的覆蓋率高，物源供應(yīng)減少。在侏羅紀(jì)時期，長偏心率最大值期間通常為常年干旱氣候并伴隨著短時期的密集降雨，季節(jié)性差異大；長偏心率最小值期間通常為溫暖濕潤的氣候，季節(jié)性差異適中，有利于植被生長，適合泥炭堆積。

綜上所述，氣候是控制延安組煤相變化的主要因素。

6 結(jié)論

1)東勝煤田延安組識別出兩種沉積相曲流河和湖泊三角洲。根據(jù)地層的疊加方式和沉積演替劃分出低位體系域、湖侵體系域、高位體系域。

2)延安組煤層的顯微組分以鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組為主，鏡質(zhì)組的含量變化范圍在20.06% ～64.29%，惰質(zhì)組的含量變化范圍在29.85% ～73.22%，殼質(zhì)組和礦物質(zhì)的含量較少。煤相類型以潮濕森林相為主，成煤植物以木本植物為主。

3)延安組為典型的陸相湖盆沉積環(huán)境，東勝地區(qū)構(gòu)造環(huán)境穩(wěn)定，沉積物供給豐富。煤層的垂向演化特征主要受湖平面波動的影響。通過V/I、GI指數(shù)、AR/PPR值分析得出煤層的垂向特征，成煤環(huán)境由早期的干燥轉(zhuǎn)變?yōu)槌睗裼众呌诟稍?。顯微組分以及長偏心率分析得出氣候是控制煤相演化的主要因素。