陜北侏羅系砂巖宏觀?微觀特征及其富水性響應(yīng)機制

馮 潔 ，丁 湘 ，蒲治國 ，李兆揚 ，段東偉 ，段會軍

（1.中煤能源研究院有限責(zé)任公司, 陜西 西安 710054；2.三秦學(xué)者“礦山地質(zhì)學(xué)”創(chuàng)新團隊, 陜西 西安 710065；3.中煤科工集團西安研究院有限公司, 陜西 西安 710077）

0 引 言

我國西部煤炭資源占全國煤炭資源總量的70%以上[1]，其中90%以上為侏羅系煤層，擔(dān)負著我國基礎(chǔ)能源自主供給的核心角色。隨著國家“一帶一路”戰(zhàn)略的實施與煤炭開發(fā)加速西移[2]，陜北侏羅紀煤田煤炭開發(fā)強度逐年加大，煤層頂板砂巖水害問題日益凸顯，實際礦井涌水量與預(yù)計值相差甚遠，頂板砂巖水疏放目標靶區(qū)難以科學(xué)獲取。陜北侏羅系砂巖含水層非均質(zhì)性、富水性等方面尚需深入系統(tǒng)的研究，砂巖非均質(zhì)性[3-4]及其與富水性的關(guān)系將是未來應(yīng)給予重點關(guān)注的關(guān)鍵性問題。

近些年，針對砂巖含水層富水性不均一的問題，眾多學(xué)者從沉積學(xué)角度研究砂體與富水性的關(guān)系，指導(dǎo)砂巖含水層富水性評價與礦井水害防治。武強[5-6]、侯恩科[7]、代革聯(lián)[8]、曾一凡[9]、王洋等[10]、郭小銘等[11]構(gòu)建了含有砂泥質(zhì)量比、含水層厚度、構(gòu)造等指標的含水層富水性評價模型，研究了不同地質(zhì)條件下煤層頂板含水層的富水性。巖體微觀孔隙結(jié)構(gòu)的研究成果多集中于油氣領(lǐng)域致密儲層孔喉特征，主要研究方法有掃描電鏡[12]、薄片鑒定[13-14]、壓汞法[15-17]、核磁共振法[18-20]、鑄體薄片[21]、微米/納米CT 法[22]、低溫氮吸附法[23]等，通過系統(tǒng)研究油氣生產(chǎn)動態(tài)規(guī)律，為油氣生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。筆者采取陜北侏羅紀煤田榆神府礦區(qū)侏羅系不同巖性砂巖樣品，采用壓汞法、鑄體薄片圖像分析、核磁共振法等方法劃分了砂巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)類型，系統(tǒng)研究了微觀孔隙結(jié)構(gòu)對含水層富水性的影響，提出了4 種沉積控水模式[24-25]，為含水層富水性的研究提供了一種新思路。陜北侏羅紀煤田煤層頂板上覆非均質(zhì)砂巖孔隙裂隙含水層，沉積相變頻繁，富水性極不均一，礦井涌水量大，砂巖沉積相、微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征及其與富水性的關(guān)系是必須首先研究的關(guān)鍵問題，也是頂板水疏放與礦井防治水的基礎(chǔ)。因此，以大海則煤礦侏羅系砂巖為例，在劃分侏羅系砂巖沉積相的基礎(chǔ)上，通過開展鑄體薄片圖像分析、壓汞、核磁共振等試驗測試，研究直羅組、延安組砂巖沉積相、微觀孔隙結(jié)構(gòu)及其與富水性的關(guān)系。

1 研究區(qū)概況

大海則井田屬于陜北侏羅紀煤田，位于陜西省榆林市西北約30 km，是中煤集團重點建設(shè)的蒙陜億噸級煤炭基地的主力礦井之一，面積265.66 km2，設(shè)計產(chǎn)能15.0 Mt/a。研究區(qū)處于毛烏素沙漠南緣，地表以沙漠灘地及半固定沙丘地貌為主，地形總體表現(xiàn)為東北高、西南低的特征，最大相對高差127.3 m。區(qū)內(nèi)地層由老至新有三疊系上統(tǒng)瓦窯堡組（T3w），侏羅系下統(tǒng)富縣組（J1f），侏羅系中統(tǒng)延安組（J2y）、直羅組（J2z）、安定組（J2a），白堊系下統(tǒng)洛河組（K1l）及新近系靜樂組（N2j）和第四系（Q）（圖1）。含煤地層為延安組，主要可采煤層為2 號煤和3 號煤。地層總體上向西微傾伏，局部發(fā)育寬緩的波狀起伏，地層傾角約1°，構(gòu)造簡單。

圖1 研究區(qū)水文地質(zhì)綜合柱狀圖Fig.1 Hydrogeological comprehensive histogram of the study area

該區(qū)屬于干旱溫帶高原大陸性氣候，日照豐富，干燥少雨，據(jù)榆林氣象站多年資料，研究區(qū)最高氣溫36.7 ℃，最低氣溫?29.7 ℃，年降水量279～541 mm，年蒸發(fā)量1 720～2 085 mm。

研究區(qū)無地表河流，水文地質(zhì)單元分區(qū)屬鄂爾多斯高原區(qū)，高原碎屑巖類孔隙裂隙水亞區(qū)。含水層自上而下依次為第四系松散孔隙含水層（Q）、白堊系下統(tǒng)洛河組孔隙裂隙含水層（K1l）、侏羅系中統(tǒng)安定組（J2a）、直羅組（J2z）、延安組（J2y）孔隙裂隙含水層、下統(tǒng)富縣組孔隙裂隙含水層（J1f）、三疊系上統(tǒng)瓦窯堡組孔隙裂隙含水層（T3w）組成（圖1、表1），其中，延安組三段與直羅組下段富水性較強。隔水層主要為新近系靜樂組局部隔水層和白堊系及以下巖層中泥巖、粉砂巖隔水層，前者主要為紅色黏土，后者以粉砂巖、泥巖為主，孔隙率小，膠結(jié)致密，隔水性較好。

表1 研究區(qū)含水層劃分及其參數(shù)Table 1 Aquifer division and its parameters in the study area

2 侏羅系地層沉積相特征

沉積相是沉積物的生成環(huán)境、生成條件和其特征的總和，反映古代原始沉積環(huán)境特征，不同沉積環(huán)境具有獨特物理、化學(xué)和生物特征的沉積巖（物），沉積環(huán)境控制和影響著地球水圈水的分布和流態(tài)性能，地層巖石顏色、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造及測井相等標志控制沉積砂體類型、形成不同沉積相，表現(xiàn)出不同的富水特征。

2.1 沉積相劃分標志

1）巖石顏色。研究區(qū)侏羅系直羅組地層巖石以灰綠色、紫紅色為主（圖2a），延安組主要為灰白色、灰色（圖2b），代表一種半氧化、半還原的環(huán)境。

圖2 研究區(qū)侏羅系地層巖心Fig.2 Jurassic strata core in the study area

2）巖石類型及其組合。研究區(qū)直羅組下段地層主要由灰綠色、青灰色中?粗粒長石砂巖（即“七里鎮(zhèn)砂巖”）、局部夾粉砂巖、砂質(zhì)泥巖組成；上段由灰綠色細粒長石砂巖（即“高橋砂巖”）、灰綠或黃綠色粉砂巖、砂泥巖互層組成。以上巖石組合特征預(yù)示其形成環(huán)境經(jīng)歷了湖泊三角洲向河流沉積的轉(zhuǎn)變。延安組主要由淺灰色、灰白色各粒級長石砂巖，灰色、深灰色砂質(zhì)泥巖、泥巖和煤層組成，反映其形成于河流和湖泊三角洲泥炭沼澤沉積環(huán)境。

3）巖石結(jié)構(gòu)與構(gòu)造。研究區(qū)直羅組下部以中?粗砂巖為主，次棱角狀，鈣泥質(zhì)膠結(jié)，分選較差，反映了沉積環(huán)境水動力較強。延安組巖石呈現(xiàn)細砂狀結(jié)構(gòu)，主要成分為長石、石英類碎屑，少量巖屑、方解石等，巖石中碎屑成分磨圓度較低，分選中等，整體成熟度較低，孔隙主要為粒間溶孔、粒間孔、長石溶孔等，反映出沉積環(huán)境水動力較直羅組弱。

通過觀察巖心，直羅組砂巖發(fā)育多種層面和層理構(gòu)造，沖刷構(gòu)造主要發(fā)育在直羅組底部砂巖及其與延安組的接觸面上；在粉砂巖和泥巖中常發(fā)育沙紋層理，這種層理主要出現(xiàn)在河流的上部邊灘及洪泛平原；常見的板狀、槽狀和波狀交錯層理反映了與河道相關(guān)的沉積環(huán)境。

4）測井相標志。通過分析研究區(qū)侏羅系地層測井曲線，認為直羅組下部測井曲線普遍表現(xiàn)為柱形箱狀或鋸齒狀、中上部為漏斗型鋸齒狀、鐘型鋸齒狀、卵形鋸齒狀，延安組三段測井曲線表現(xiàn)為漏斗型鋸齒狀、鐘型鋸齒狀。不同形態(tài)的自然伽馬和自然電位曲線反映出沉積物粒徑的大小，間接地反映水動力的強弱。

2.2 沉積相劃分及特征

利用研究區(qū)直羅組與延安組地層中期基準面旋回中的砂地比、巖石顏色、巖石結(jié)構(gòu)、巖石構(gòu)造及測井相等標志，結(jié)合地層厚度、砂層厚度、沉積基底特征及單井、連井的沉積微相展布，編繪研究區(qū)直羅組下段和延安組三段的沉積微相展布圖（圖3、圖4）。

圖3 大海則井田直羅組下段沉積相展布Fig.3 Sedimentary facies distribution of lower Zhiluo Formation in Dahaize Mine Field

圖4 大海則井田延安組三段沉積相展布Fig.4 Sedimentary facies distribution of three sections of Yan’an formation in Dahaize Mine Field

由圖3 可知，直羅組下段主體為曲流河沉積，亞相有河床亞相、河漫亞相和堤岸亞相，對應(yīng)的微相分別為河道砂壩微相、河漫灘微相和天然堤微相。本段底部常發(fā)育一段辮狀河相河道砂壩微相砂體。區(qū)內(nèi)共發(fā)育北西—南東向展布的6 條河道，主要發(fā)育于 ZK40?17、ZK40?14、ZK40?12、ZK38?12、ZK36?8 鉆孔沿線，ZK40?21、ZK35?16、ZK31?12鉆孔、ZK27?9 鉆孔沿線等，河道中心沉積物的砂地比為40%～60%。河漫灘微相不發(fā)育，沉積物的砂地比小于20%。

由圖4 可知，延安組三段主體為三角洲平原沉積，其上發(fā)育曲流河沉積。延安組三段發(fā)育3 條北東—南西向河道，沉積微相以分流河道、分流間灣、沼澤為主。分流河道主要分布于ZK28?34 鉆孔、ZK20?36 鉆孔一線，ZK40?16 鉆孔、ZK32?18 鉆孔、ZK28?24 鉆孔、ZK20?28 鉆孔、ZK24?22 鉆孔一線等，中部河道砂體發(fā)育，規(guī)模較大，砂地比在40%～50%；在3 條分流河道之間發(fā)育著分流間灣沉積，其砂地比小于30%。

綜上，大海則煤礦直羅組下段主要為河流沉積體系，辮狀河和曲流河沉積亞相，河流砂壩和河漫灘沉積微相；延安組三段主要為三角洲沉積體系，三角洲平原沉積亞相，分流河道和分流間灣沉積微相。與眾多學(xué)者對該區(qū)直羅組、延安組沉積相研究成果相符，以往沉積相劃分結(jié)果顯示，大海則所處的鄂爾多斯盆地東北部直羅組主要發(fā)育河流沉積體系，延安組主要發(fā)育三角洲沉積體系。

3 侏羅系砂巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征

巖石的孔隙結(jié)構(gòu)是指巖石內(nèi)部的孔隙和喉道的幾何形狀、大小、分布及其相互連通關(guān)系（圖5）。孔隙是孔隙系統(tǒng)中的膨大部分，決定了孔隙率大小，喉道是孔隙系統(tǒng)中的細小部分，決定了巖層水的儲存能力和滲透特征。連通孔隙率是滲透率的一個主要貢獻參數(shù)，復(fù)雜儲層中普遍存在孔隙率相近而滲透率差異較大的現(xiàn)象，李雄炎等[26]研究了相近孔隙率條件下，不同類型巖石滲透率變化，構(gòu)建了孔隙率指數(shù)模型，獲得孔隙率指數(shù)的分布范圍。

圖5 巖石孔隙結(jié)構(gòu)示意Fig.5 Schematic of the pore structure for rock

微觀孔隙結(jié)構(gòu)測試在大海則煤礦采集38 塊不同巖性巖樣，其中直羅組10 塊、延安組28 塊，運用鑄體薄片圖像分析、壓汞、核磁共振等技術(shù)研究巖樣孔隙結(jié)構(gòu)特征。鑄體薄片圖像分析采用JS?4 型巖石孔隙鑄體儀按照SY/T 6103?2004《巖石孔隙結(jié)構(gòu)特征的測定圖像分析法》中的要求對巖石孔隙結(jié)構(gòu)特征進行測定及分析，分析系統(tǒng)為西圖粒度圖像分析系統(tǒng)，壓汞選用YG?97A 型電容式壓汞儀，核磁共振采用Oxford-MARAN DRX 2 型核磁共振儀按照SY/T 6490?2014《巖樣核磁共振參數(shù)實驗室測量規(guī)范》進行測試。

3.1 巖石學(xué)特征

1）碎屑組分及特征。研究區(qū)直羅組、延安組地層巖石鑄體薄片鑒定結(jié)果（表2）顯示，直羅組巖石類型主要有長石粗砂巖、巖屑石英細砂巖、長石細砂巖、含泥質(zhì)粉砂質(zhì)長石細砂巖，其中，粗粒砂巖占比為33.3%，細粒砂巖占比為40.0%；延安組巖石類型主要有長石細砂巖、長石石英細砂巖、巖屑石英細砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖，其中，細粒砂巖占比為53.6%，粉粒砂巖占比為21.4%。直羅組、延安組地層石英、長石類碎屑巖平均含量分別為38.25%、37.15%，二者含量相差不大，直羅組較延安組稍高，而巖屑、其他碎屑、雜基、膠結(jié)物等組分含量延安組地層較直羅組地層高。

表2 不同時代地層陸源碎屑組分及含量Table 2 Statistics of terrigenous detrital composition and content in formation of different ages%

2）巖石結(jié)構(gòu)特征。研究區(qū)直羅組地層巖石以粗砂、細砂為主，主要粒徑0.01～0.76 mm，顆粒分選差—中等，次棱角?棱角狀磨圓，膠結(jié)類型主要為孔隙式膠結(jié)，樣品數(shù)占直羅組總樣品數(shù)的77.8%，顆粒之間主要為點接觸、少量點?線接觸；延安組地層巖石以細砂、粉砂為主，主要粒徑0～0.50 mm，顆粒分選較差?較好，次棱角?棱角磨圓，以孔隙式膠結(jié)為主，樣品數(shù)占延安組總樣品數(shù)的88.0%，少數(shù)基底式膠結(jié)，顆粒之間主要為點?線接觸，個別點接觸（表3）。

表3 不同時代地層巖石結(jié)構(gòu)特征測試結(jié)果Table 3 Test results of rock structure characteristics in different ages

3.2 巖層物性特征

根據(jù)研究區(qū)38 塊巖樣物性資料分析可知，直羅組孔隙率1.13%～18.10%，平均9.69%，延安組孔隙率1.81%～19.64%，平均10.06%，直羅組滲透率0.004×10?15～41.600 ×10?15m2，平均7.54×10?15m2，延安組滲透率0.009×10?15～132.000×10?15m2，平均7.19×10?15m2，直羅組平均孔隙率小于延安組，平均滲透率稍大于延安組，反映出孔隙率與滲透率正相關(guān)關(guān)系不明顯，表明影響孔隙率、滲透率因素眾多，物性并非由單一地質(zhì)因素決定，需要進一步開展孔隙結(jié)構(gòu)特征研究，為砂巖富水性的評價提供依據(jù)。

3.3 巖層孔隙結(jié)構(gòu)特征

聯(lián)合鑄體薄片圖像分析、壓汞、核磁共振等測試結(jié)果，將研究區(qū)直羅組、延安組地層38 塊巖樣孔隙結(jié)構(gòu)類型劃分為4 種類型，分別為大孔粗喉型（Ⅰ類）、中孔?中?細喉型（Ⅱ類）、小孔細喉型（Ⅲ類）、小?微孔?微細喉型（Ⅳ類），從Ⅰ類到Ⅳ類，孔隙結(jié)構(gòu)依次變差（表4），圖6 為直羅組與延安組典型毛管壓力曲線特征及孔隙類型劃分。

表4 研究區(qū)部分砂巖樣品微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征及類型劃分結(jié)果Table 4 Results of microscopic pore structure characteristics and classification for some sandstone samples in the study area

圖6 直羅組與延安組典型毛管壓力曲線特征及孔隙類型劃分Fig.6 Typical capillary pressure curves and pore types of Zhiluo and Yan’an Formation

1）大孔粗喉型（Ⅰ類）：屬于該種類型的巖樣有3 塊，毛管壓力曲線以緩坡狀偏向圖6 的左下方，中間平緩段較長，排驅(qū)壓力小，排驅(qū)壓力0.019～0.117 MPa，平均值為0.074 MPa，平均孔喉半徑1.368～4.507 μm，中值孔喉半徑0.143～4.018 μm，平均分選系數(shù)2.320。圖7 為Ⅰ類孔隙結(jié)構(gòu)類型巖樣鑄體薄片圖像。巖石多為粗粒、中粒砂巖，孔隙組合類型主要為粒間孔+粒間溶孔+長石溶孔，極個別發(fā)育微裂隙。具有此類孔隙結(jié)構(gòu)的巖層孔滲特性一般較好，其滲透率27.900×10?15～132.000×10?15m2，孔隙率6.15%～19.64%。

圖7 Ⅰ類孔隙結(jié)構(gòu)類型巖樣鑄體薄片圖像Fig.7 Casting thin section of type I pore structure rock samples

2）中孔?中?細喉型（Ⅱ類）：屬于該種類型的巖樣有8 塊，毛管壓力曲線以近45°直線狀相對偏向圖6 的左下方，排驅(qū)壓力較Ⅰ類孔隙結(jié)構(gòu)稍大，排驅(qū)壓力0.019～0.899 MPa，平均值0.208 MPa，平均孔喉半徑0.082～4.616 μm，中值孔喉半徑0.772～4.068 μm，平均分選系數(shù)1.563，圖8 為Ⅱ類孔隙結(jié)構(gòu)巖樣鑄體薄片圖像。巖石為粗粒、中粒、細粒砂巖，孔隙組合類型主要為粒間孔+粒間溶孔+長石溶孔，極個別發(fā)育微孔隙，圖9 為直羅組與延安組核磁共振典型T2譜分布特征及孔隙類型劃分。T2譜峰的位置靠后，反映出孔徑較大。具有此類孔隙結(jié)構(gòu)的巖層滲透率1.130×10?15～16.800×10?15m2，孔隙率1.84%～17.21%，孔滲特性相對較好。

圖9 直羅組與延安組核磁共振典型T2 譜分布特征及孔隙類型劃分Fig.9 Typical T2 spectrum distribution of nuclear magnetic resonance and pore types of Zhiluo and Yan’an Formation

3）小孔細喉型（Ⅲ類）：屬于該種類型的巖樣有9 塊，毛管壓力曲線向圖6 右上方凸，呈斜坡型，排驅(qū)壓力較Ⅰ、Ⅱ類顯著增大，普遍大于1 MPa，平均孔喉半徑與中值孔喉半徑則小于Ⅰ、Ⅱ類孔隙結(jié)構(gòu)巖樣，其中平均孔喉半徑0.022～0.131 μm。圖10 為Ⅲ類孔隙結(jié)構(gòu)巖樣鑄體薄片圖像。巖石主要為細粒砂巖，孔隙組合類型較Ⅰ、Ⅱ類增加了巖屑溶孔，微孔隙、微裂隙不發(fā)育；T2譜峰的位置較Ⅱ類孔隙結(jié)構(gòu)靠前，孔徑較其稍小。該類孔隙結(jié)構(gòu)的巖層滲透率均小于0.500×10?15m2，平均孔隙率14.03%，巖石的孔滲特性較差。

圖10 Ⅲ類孔隙結(jié)構(gòu)巖樣鑄體薄片圖像（YP-40，延安組，長石細砂巖）Fig.10 Casting thin section of type Ⅲ pore structure rock samples

4）小?微孔?微細喉型（Ⅳ類）：屬于該種類型的巖樣有18 塊，毛管壓力曲線分布于圖6 的右上部，曲線形態(tài)呈陡坡狀，排驅(qū)壓力平均值高達9 MPa，平均孔喉半徑與中值孔喉半徑均小于0.050 μm，圖11為Ⅳ類孔隙結(jié)構(gòu)巖樣鑄體薄片圖像。巖石主要為細粒、粉粒砂巖，孔隙組合類型較Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類增加了雜基溶孔；T2譜峰的位置最靠前，孔徑小。該類孔隙結(jié)構(gòu)的巖層滲透率平均值為0.029×10?15m2，平均孔隙率6.30%，表明巖石的孔滲特性差。

圖11 Ⅳ類孔隙結(jié)構(gòu)巖樣鑄體薄片圖像（YP-46，延安組，粉砂巖）Fig.11 Casting thin section of type Ⅳ pore structure rock samples

4 侏羅系砂巖宏觀?微觀特征與富水性的響應(yīng)機制

影響含水層富水性的因素眾多，沉積相是含水層富水性大小的宏觀表征，微觀孔隙結(jié)構(gòu)是含水層富水性大小的微觀表征。綜合《煤礦防治水細則》（2018 年）附錄一含水層富水性的等級標準劃分標準與研究區(qū)實際情況，按照鉆孔單位涌水量q大小將含水層富水性劃分為五級，極弱富水性（q≤0.01 L/（s·m））、弱富水性（0.01 L/（s·m）＜q≤0.1 L/（s·m））、中等富水性（0.1 L/（s·m）＜q≤1.0 L/（s·m））、強富水性（1.0 L/（s·m）＜q≤5.0 L/（s·m））、極強富水性（q＞5.0 L/（s·m））。

4.1 侏羅系砂巖沉積相與富水性的關(guān)系

影響研究區(qū)煤層頂板含水層富水性的因素眾多，其中，沉積（微）相類型及其展布規(guī)律決定了煤層頂板含、隔水層的發(fā)育程度與空間配置樣式，成為地下水富集和水循環(huán)條件的重要控制因素。

通過對比沉積相類型與鉆孔單位涌水量大小，研究侏羅系砂巖宏觀特征與含水層富水性的關(guān)系，見表5。

表5 研究區(qū)主要含水層沉積相與單位涌水量Table 5 Sedimentary facies and drilling units-inflow statistics of main aquifers in the study area

由表5、圖2、圖3 可知，沉積體系相同，河道砂壩沉積微相較河漫灘沉積微相富水性強，分流河道沉積微相較分流間灣沉積微相富水性強，河道砂壩巖性以粗砂巖、中砂巖為主，河漫灘巖性以中砂巖、細砂巖為主，且河道砂壩砂地比較河漫灘砂地比大，分流河道砂巖厚度、砂地比較分流間灣砂巖厚度、砂地比大。例如，ZL-6 與P25 鉆孔中均為河流沉積體系，沉積微相前者為河道砂壩，后者為河漫灘，前者砂地比（ZL-6 鉆孔砂地比為0.635）大于后者（P25 鉆孔砂地比為0.401），富水性前者（鉆孔單位涌水量為0.271 0 L/（s·m））大于后者（鉆孔單位涌水量為0.073 3），前者巖性主要為粗砂巖、中砂巖、細砂巖，后者巖性主要為中砂巖；ZK30-11 與ZK33-17 鉆孔中均為三角洲沉積體系，沉積微相前者為分流間灣，后者為分流河道，前者砂巖厚度、砂地比（ZK30-11 鉆孔砂巖厚度為17.69 m、砂地比為0.337）小于后者（ZK33-17 鉆孔砂巖厚度為95.47 m、砂地比為0.698），富水性前者（鉆孔單位涌水量為0.009 5 L/（s·m））小于后者（鉆孔單位涌水量為0.058 0 L/（s·m））。

沉積體系不同，河流沉積體系沉積微相普遍較三角洲沉積體系沉積微相富水性強。例如，ZL-6、P25 鉆孔為河流沉積體系，鉆孔單位涌水量為0.073 3～0.271 0 L/（s·m），富水性為弱—中等，ZK30-11、ZK33-17 鉆孔為三角洲沉積體系，鉆孔單位涌水量為0.009 5～0.058 0 L/（s·m），富水性為極弱—弱，河流沉積體系富水性較三角洲沉積體系富水性強。

4.2 侏羅系砂巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)與富水性的關(guān)系

聯(lián)合典型巖樣鑄體薄片、壓汞、核磁共振等微觀孔隙結(jié)構(gòu)試驗測試成果與鉆孔單位涌水量，探究侏羅系砂巖微觀特征與富水性的關(guān)系，見表6。

表6 研究區(qū)主要含水層孔隙結(jié)構(gòu)分類與鉆孔單位涌水量Table 6 Classification of pore structure and units-inflow of drilling for the main aquifer in study area

由表6 可知，砂巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)分類級別越低，粒度越粗，含水層富水性越強。相同地層時代的JC2021116A064 樣品與JC2021116A010 樣品，前者微觀孔隙結(jié)構(gòu)分類級別（微觀孔隙結(jié)構(gòu)類型屬Ⅱ類）低于后者（微觀孔隙結(jié)構(gòu)類型屬Ⅳ類），前者為長石細砂巖，后者為含泥質(zhì)粉砂長石細砂巖，前者富水性（鉆孔單位涌水量q=0.041 7 L/（s·m））較后者富水性（鉆孔單位涌水量q=0.011 7 L/（s·m））強，主要原因是前者砂巖孔隙率、滲透率（孔隙率為17.21%，滲透率為16.500×10?15m2）較后者（孔隙率為7.45%，滲透率為0.021×10?15m2）大，前者粒徑（最大粒徑0.35 mm，主要粒徑0.07～0.25 mm）較后者（最大粒徑0.29 mm，主要粒徑0.04～0.20 mm）大，前者膠結(jié)（膠結(jié)類型為孔隙式膠結(jié)，填隙物含量為12%，顆粒之間為點?線接觸）較后者（膠結(jié)類型為孔隙式膠結(jié)，填隙物含量為18%，顆粒之間為點接觸）差。不同地層時代的JC2021116A064 樣品與JC2021116A066 樣品，前者微觀孔隙結(jié)構(gòu)分類級別（微觀孔隙結(jié)構(gòu)類型屬Ⅱ類）低于后者（微觀孔隙結(jié)構(gòu)類型屬Ⅲ類），前者富水性（鉆孔單位涌水量q=0.041 7 L/（s·m））較后者富水性（鉆孔單位涌水量q=0.001 2 L/（s·m））強，主要原因是前者砂巖孔隙率、滲透率（孔隙率為17.21%，滲透率為16.500×10?15m2）較后者（孔隙率為16.68%，滲透率為0.240×10?15m2）大，前者最大粒徑與后者接近，依次為0.35、0.41 mm，前者主要粒徑較后者大，依次為0.07～0.25 mm、0.05～0.21 mm，兩者膠結(jié)程度接近，孔隙式膠結(jié)，填隙物含量為12%～15%，顆粒之間為點?線接觸。

4.3 侏羅系砂巖宏觀?微觀特征與富水性響應(yīng)機制

不同的沉積相（沉積微相）由不同巖性及其組合的巖層經(jīng)沉積作用形成，不同巖性及其組合巖層具有不同的微觀孔隙、喉道大小及其連通性，也即微觀孔隙結(jié)構(gòu)類型不同，侏羅系地層砂巖粒度大小、排列組合等影響砂巖孔隙中地下水的流通與富集，例如，由于膠結(jié)作用使得巖體孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，顆粒大的組分含量與地下水流通性、地下水儲存量并非成正比，砂巖地層中顆粒大的組分越多，孔隙率可能降低，主要原因是死端孔隙的增加降低了地下水的流通性，從而影響含水層的富水性。

研究區(qū)直羅組地層河道砂壩相較河漫灘沉積微相富水性強，孔隙率、滲透率大，前者砂巖巖性主要為粗粒度的粗砂巖、中砂巖，后者巖性主要為中砂巖、細砂巖，前者巖石粒徑較后者粒徑大，微觀孔隙結(jié)構(gòu)分類級別較低。例如，直羅組河道砂壩沉積微相鉆孔ZL-9（圖2，表4 巖樣JC2021116A064）較河漫灘沉積微相鉆孔ZL-10（圖2，表4 巖樣JC2021116A010）的孔隙率、滲透率大，富水性強，前者孔隙率17.21%，滲透率16.500×10?15m2，后者孔隙率7.45%，滲透率0.021×10?15m2，原因在于前者為長石細砂巖，后者為含泥質(zhì)粉砂長石細砂巖（表6），前者微觀孔隙結(jié)構(gòu)分類級別（Ⅱ類，表6 巖樣JC2021116A064）低于后者（Ⅳ類，表6 巖樣JC2021116A010），前者富水性（鉆孔單位涌水量q=0.041 7 L/（s·m））較后者富水性（鉆孔單位涌水量q=0.011 7 L/（s·m））強。

綜上所述，巖石骨架、空隙（孔隙）、水構(gòu)成了含水層地層，成份、結(jié)構(gòu)相同的沉積物在一定沉積環(huán)境中經(jīng)沉積作用形成巖石組合，在不同的沉積環(huán)境條件下形成不同的沉積相，其砂巖巖性、巖石組合不同，富水性不同，即沉積相是富水性的宏觀表征；砂巖巖性及其組合與孔隙結(jié)構(gòu)決定了孔喉及其連通性，通過巖石粒度大小、巖石骨架排列組合、孔喉分布及其連通性等綜合反映含水層富水性，即巖石孔隙結(jié)構(gòu)是富水性的微觀表征。巖石宏觀沉積相、微觀孔隙結(jié)構(gòu)相互作用、相互聯(lián)系，形成有機統(tǒng)一體，共同表征富水性。

5 結(jié) 論

1）陜北侏羅系砂巖富水性差異大，通過沉積相劃分、砂巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)測試研究砂巖宏觀沉積與微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征，聯(lián)合鉆孔抽水試驗單位涌水量，揭示了直羅組、延安組砂巖含水層沉積相、微觀孔隙結(jié)構(gòu)與富水性的響應(yīng)機制，能夠為砂巖含水層富水性預(yù)測與礦井水巖防治提供理論依據(jù)。

2）通過沉積相劃分可知，大海則煤礦直羅組下段主要發(fā)育河流沉積體系，河流砂壩和河漫灘沉積微相，延安組三段主要發(fā)育三角洲沉積體系，分流河道和分流間灣沉積微相；對比鉆孔單位涌水量認為，河流沉積體系普遍較三角洲沉積體系含水層富水性強，以粗砂巖、中砂巖為主的河道砂壩富水性相較以中砂巖、細砂巖為主的河漫灘富水性強，砂巖厚度、砂地比較大的分流河道較砂巖厚度、砂地比較小的分流間灣富水性大。

3）采用鑄體薄片圖像分析、壓汞、核磁共振等試驗測試技術(shù)對大海則煤礦38 塊不同巖性的巖樣進行微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征研究，將砂巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)類型劃分為大孔粗喉型（Ⅰ類）、中孔?中?細喉型（Ⅱ類）、小孔細喉型（Ⅲ類）、小?微孔?微細喉型（Ⅳ類）等四種類型，從Ⅰ類到Ⅳ類，孔隙結(jié)構(gòu)依次變差，含水層富水性依次增強，粒度依次變粗。

4）綜合大海則煤礦侏羅系地層宏觀沉積特征、砂巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)與鉆孔抽水試驗單位涌水量成果認為，河道砂壩較河漫灘富水性強、微觀孔隙結(jié)構(gòu)分類級別低、孔隙率與滲透率大、砂巖粒徑大；巖石宏觀沉積特征、微觀孔隙結(jié)構(gòu)相互作用、相互聯(lián)系，形成有機統(tǒng)一體，共同表征富水性。