南華北二疊系含煤地層沉積環(huán)境與煤層彈性參數的關系

摘" "要：為揭示不同成煤環(huán)境下煤層彈性參數變化，以南華北盆地二疊系海陸過渡相成煤環(huán)境為研究區(qū)域，對采自不同古地理單元的煤樣在常溫常壓下進行三維超聲測試實驗，同時以含煤巖系砂泥比值作為確定古地理單元的主要依據，對研究區(qū)內含煤地層沉積環(huán)境與煤層彈性參數的關系進行研究。結果表明：各煤樣縱波速度均大于橫波速度，走向上縱橫波速＞傾向＞垂向，3個方向縱橫波速隨砂泥比值的增大呈先降后升的趨勢；各煤樣走向上的楊氏模量＞體積模量＞剪切模量，三者隨砂泥比值的增大呈先降后升的趨勢，而泊松比隨砂泥比值的增大則先升后降；隨海岸線由北向南不斷前移，沉積環(huán)境由三角洲分流平原到三角洲前緣，縱橫波速、楊氏模量、體積模量和剪切模量呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，而泊松比正好相反，呈先增大后減小的趨勢，預測相應的煤層氣含氣量先增大后減小，煤層裂隙密度先增高后降低。

關鍵詞：南華北盆地；二疊系；沉積環(huán)境；彈性參數；超生實驗；煤層氣

沉積環(huán)境是指在物理、化學及生物上不同于相鄰地區(qū)的一個地貌單元[1]，是沉積巖形成的決定因素，沉積巖的巖性、古生物及地球化學特征等相標志又可重塑當時古地理特征。在沉積環(huán)境下發(fā)育泥炭沼澤或泥炭坪進而演變成現(xiàn)今煤層，對煤層中眾多有益信息的挖掘一直是地質學家不斷進行的工作[2-4]，而煤層彈性參數作為其中一種重要信息，在煤炭開采、瓦斯防治、煤層氣勘探開發(fā)及地震反演等眾多領域有著廣泛應用[5-7]。

含煤地層沉積環(huán)境有多種沉積體系，同時各沉積體系又包括諸多具體的沉積相和沉積類型，不同沉積環(huán)境有不同的古氣候、古鹽度、古水深、古水流等沉積背景，形成不同巖性、厚度及組合類型[8-9]。不同巖性對應不同彈性參數，一般認為，砂巖和石灰?guī)r的縱、橫波速度一般高于砂質泥巖、泥巖和煤[10]，因此含煤巖系沉積環(huán)境與在該環(huán)境下形成煤層的彈性參數應有某種關聯(lián)，而這種內在聯(lián)系未見報道。

本文以南華北二疊系海陸過渡相成煤環(huán)境為研究區(qū)，對不同古地理單元的5個煤樣在常溫常壓下分別進行超聲實驗，并經過換算獲取各自煤樣的縱橫波速度及楊氏模量等彈性參數，通過沉積相指示參數與彈性模量間的回歸分析，探討兩者之間內在聯(lián)系，為利用地震反演屬性預測成煤環(huán)境和煤層氣參數提供依據。

1" 區(qū)域地質概況及樣品采集

研究區(qū)位于河南省和安徽省境內，大地構造位置位于華北板塊南部，西南部以秦嶺-大別造山帶為界，東部和南部與郯廬斷裂帶及下?lián)P子區(qū)相鄰，北部與北華北盆地南緣相連。從圖1可看出，NW-NWW向展布的構造受控于秦嶺-大別造山帶，而NE-NNE向展布構造則受控于郯廬走滑斷裂系，在這兩大構造方向的影響下形成諸多二級和三級構造單元[11]。

南華北二疊系含煤地層由下至上包括山西組、下石盒子組和上石盒子組，其中，山西組與下石盒子組的界限由一套灰色中粗粒石英砂巖或長石砂巖組成，統(tǒng)稱為砂鍋窯砂巖，而下石盒子組底界為田家溝砂巖，為一套灰白色含礫中粗粒長石石英砂巖[12]。對研究區(qū)內各主采煤層進行原生結構煤井下原位采樣，包括鶴壁和焦作礦區(qū)山西組二1煤、平頂山礦區(qū)山西組己15煤和下石盒子組戊9-10煤及淮南礦區(qū)上石盒子組13-1煤，同時對各煤樣走向、傾向和垂向3個方向進行標定（表1）。

2" 含煤巖系沉積環(huán)境特征及古地理單元的確定

南華北地區(qū)二疊系含煤沉積作為我國晚古生代重要成煤期，其沉積環(huán)境一直是眾多地質學者研究的重點[13-17]，而不同古地理單元作為成煤場所與當時沉積背景有很大關聯(lián)。

2.1" 研究區(qū)沉積環(huán)境演化

研究區(qū)在經歷長期風化夷平的中奧陶世石灰?guī)r頂面上，早二疊世太原組時期，盆地整體接受了來自NE向海侵，開始了陸表海的演化歷史，古地形北高南低，主要物源區(qū)為北面陰山古陸，呈高聳山地或高原，導致該沉積期南部地層厚度大于北部，而濱外碳酸鹽陸棚相和瀉湖相構成了該期巖相古地理沉積的主要格架，局部發(fā)育潮汐砂壩相。

二疊世中晚期，由于華北板塊不斷向北仰沖，海平面一直處于下降階段，從而進入海陸過渡相環(huán)境[18]。具體來說，山西組沉積相類型主要有濱海平原、潮坪、下三角洲平原的分流河道和分流間灣及有利于煤層發(fā)育的泥炭沼澤相，主要發(fā)育于濱海平原和下三角洲平原。下石盒子組時期海水大面積向南退縮，廣大地區(qū)均已演化為三角洲平原環(huán)境，發(fā)育的古地理單元有上三角洲平原、下三角洲平原和三角洲前緣等，但各單元間的界線已大幅向南移動，由于下三角洲平原分流間灣局部發(fā)育沼澤化，形成局部分布的煤層和炭質泥巖。上石盒子組沉積期，隨海岸線繼續(xù)向南遷移，區(qū)內巖相古地理及沉積環(huán)境進一步演化，物源來自于北緣陰山古陸和南部秦嶺中條古陸，總體呈北高南低的三角洲沉積體系，三角洲平原和三角洲前緣發(fā)育，泥炭堆積形成具有工業(yè)價值的煤層（圖2）。

2.2" 研究區(qū)古地理單元的確定

巖相古地理分析是通過現(xiàn)存地層的地質特征來恢復沉積期的古地理面貌[20]，而單因素分析和多因素綜合作圖法是確定古地理單元最常用的定量方法[21]，地層厚度、砂巖厚度、砂泥比值、煤層厚度、泥巖厚度及石灰?guī)r厚度等條件是在古地理單元分析中常用的參數，其中砂泥比值作為反映主要巖性的分布特征，在陸相和海陸過渡相沉積環(huán)境中是劃分古地理單元的主要依據。

三角洲沉積體系在南華北盆地二疊系占據著非常重要的地位，同時也是該時期最重要的成煤環(huán)境。三角洲沉積體系作為過渡沉積環(huán)境，包括多個沉積相和沉積類型（表2）。

對各個采樣點的地層平均厚度、煤層平均厚度、泥巖平均百分含量及砂泥比平均值（樣品編號1、2、3的統(tǒng)計對象為山西組，編號4為下石盒子組，編號5為上石盒子組）分別進行統(tǒng)計（表3），結合前人研究成果及工業(yè)分析數據（表1） [22-23]，分別確定鶴壁六礦山西組沉積環(huán)境為下三角洲分流間灣、焦作古漢山山西組為下三角洲分流河道、平頂山八礦山西組為三角洲前緣、平頂山八礦下石盒子組為下三角洲分流間灣及淮南潘一礦上石盒子組為三角洲前緣。

3" 煤層彈性參數的測試與計算

常溫常壓條件下，在實驗室內對所采煤樣進行煤的超聲波實驗，得到樣品走向（x）、傾向（y）和垂向（z）3個方向的縱橫波速平均值，根據常用力學參數間的轉換公式[24]，計算出各個樣品走向上的平均剪切模量、體積模量、楊氏模量和泊松比（表4）。

4" 沉積環(huán)境與彈性參數的關系分析

砂泥比值作為古地理單元劃分的主要依據，在很大程度上代表著沉積環(huán)境的變化，據表3中各古地理單元的砂泥比值、表4中各煤樣的縱橫波速及換算過后平均剪切模量、體積模量、楊氏模量和泊松比等，給出它們之間的散點圖及擬合關系。從圖中可知（圖3-5），各彈性參數與砂泥比值呈二次函數關系，相關系數較高，平均可達0.89。

從砂泥比值與縱橫波速關系圖中可知，各樣品中走向上縱橫波速＞傾向＞垂向，且隨砂泥比值的增大呈先降低后升高的趨勢，變化拐點約0.8，同時，縱波速度遠大于橫波速度，而橫波速度在砂泥比值大于0.8后變化速度明顯加快。由于煤層含氣量與縱橫波速度呈負相關關系[25]，因此，縱橫波速從三角洲平原到三角洲前緣先減小后增大，預測煤層含氣量先增大后減小，同時與三角洲分流間灣相比，橫波速度在三角洲分流河道及三角洲前緣數值更為相近。

從砂泥比值與彈性模量關系圖中可知，在所有測試樣品中，楊氏模量＞體積模量＞剪切模量，且三者隨砂泥比值的增大呈先降低后升高的趨勢，尤其以楊氏模量變化明顯；而泊松比隨砂泥比值的增大呈先升高后降低的趨勢，與彈性模量變化趨勢相反。同時，煤層裂隙密度的增加可導致煤儲層泊松比的增大[26]，因此，從三角洲分流河道到三角洲分流間灣再到三角洲前緣，楊氏模量、體積模量和剪切模量呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，而泊松比則相反，先增大后減小，導致煤層的裂隙密度先增大后減小。

5" 結論與討論

綜上所述，南華北盆地的沉積環(huán)境（砂泥比代表）與所采煤樣的縱橫波速及彈性模量呈較好的二次函數相關，平均相關性達89％，其中：

（1） 各煤樣縱波速度均大于橫波速度，走向上縱橫波速＞傾向＞垂向，隨砂泥比值的增大呈先降后升的趨勢。

（2） 各煤樣走向上的楊氏模量＞體積模量＞剪切模量，且三者隨砂泥比值的增大呈先降后升的趨勢，而泊松比隨砂泥比值的增大呈先升后降的趨勢。

（3） 對于各煤樣的沉積環(huán)境而言，從三角洲分流河道到三角洲分流間灣再到三角洲前緣，縱橫波速、楊氏模量、體積模量和剪切模量呈先減小后增大的趨勢，而泊松比則相反，呈先增大后減小的趨勢，預測相應的煤層氣含氣量先增大后減小，煤層裂隙密度先增大后降低。

同時還存在以下不足：

（1） 砂泥比值只是作為確定沉積環(huán)境中古地理單元的主要依據，在陸相和海陸過渡相中適用，無法應用到海相沉積地層中，同時在確定古地理單元時還需考慮古生物及地球化學等條件，因此反映的結果只是相對變化趨勢。

（2） 由于取樣點處于不同含煤層系（山西組、下石盒子組和上石盒子組），不能保證砂泥比的統(tǒng)一處理，后續(xù)研究應盡量將取樣點控制在同一含煤層系中。

（3） 由于所采煤樣超聲實驗是在常溫常壓條件下進行的，在實際地層應用時還需考慮溫度、壓力和含水（氣量）導致的地震屬性差異。

參考文獻

[1] 馮增昭.中國沉積學（第二版）[M].北京：石油工業(yè)出版社.2013.

[2] 侯海海，陳泓圳，邵龍義，等.煤層分布規(guī)律新認識：氣候演變控制下的聚煤模式[J].煤田地質與勘探，2023，51（3）：10-18.

[3] 侯海海，張華杰，邵龍義，等.三疊紀末期全球生物大滅絕事件研究綜述[J].地質論評，2023，69（4）：1434-1448.

[4] 侯海海，李強強，邵龍義，等.琿春盆地古近紀含煤地層層序-古地理與聚煤規(guī)律[J].煤田地質與勘探，2022，50（6）：41-55.

[5] 王赟，張玉貴，許小凱.六種不同變質程度煤的最大鏡質組反射率與彈性參數的關系[J].地球物理學報，2013，56（6）：2116-2122.

[6] 張凱.應力-應變法煤體彈性波參數頻散特征實驗研究[D].河南理工大學，2021.

[7] 吳雨珊，鄒冠貴，曾葫，等.煤彈性參數的影響因素分析及其AVO響應特征[J].煤炭學報，2023，48（S1）：194-208.

[8] 高祥宇，邵龍義，王學天，等.樂平統(tǒng)含煤巖系旋回地層的天文周期驅動：以黔西北畢節(jié)地區(qū)為例[J].礦業(yè)科學學報，2022，7（1）：89-100.

[9] 邵龍義，徐小濤，王帥，等.中國含煤巖系古地理及古環(huán)境演化研究進展[J].古地理學報，2021，23（1）：19-38.

[10] 孟召平，劉常青，賀小黑，等.煤系巖石聲波速度及其影響因素實驗分析[J].采礦與安全工程學報，2008，25（4）：389-394.

[11] 徐漢林，趙宗舉，呂福亮，等.南華北地區(qū)的構造演化與含油氣性[J].大地構造與成礦學，2004，28（4）：450-463.

[12] 茹意.南華北盆地上古生界巖性組合與含氣性關系[D].中國地質大學（北京），2022.

[13] 邵龍義，董大嘯，李明培，等.華北石炭—二疊紀層序-古地理及聚煤規(guī)律[J].煤炭學報，2014，39（8）：1725-1734.

[14] 李增學，魏久傳，王明鎮(zhèn)，等.華北南部晚古生代陸表海盆地層序地層格架與海平面變化[J].巖相古地理，1996，16（5）：1-10.

[15] 翟詠荷，何登發(fā)，開百澤.鄂爾多斯盆地及鄰區(qū)中—晚二疊世構造-沉積環(huán)境與原型盆地演化[J].巖性油氣藏，2024，36（1）：32-44.

[16] 桑樹勛，陳世悅，劉煥杰.華北晚古生代成煤環(huán)境與成煤模式多樣性研究[J].地質科學，2001，36（2）：212-221.

[17] 邢智峰，張湘赟，李婉穎，等.PTME后華北板塊南緣生物復蘇后期古環(huán)境特征：來自豫西登封中三疊統(tǒng)二馬營組的證據[J].地學前緣，2023，30（5）：491-509.

[18] 尹玉靜.南華北地區(qū)中晚二疊世層序地層學及古地理研究[D].山東科技大學，2010.

[19] 李明培.華北地臺石炭—二疊系層序地層與巖相古地理研究[D].中國礦業(yè)大學（北京），2012.

[20] 朱筱敏，王華，朱紅濤，等.陸相層序地層學研究進展及發(fā)展關注[J].石油學報，2023，44（8）：1382-1398.

[21] 馮增昭.單因素分析多因素綜合作圖法—定量巖相古地理重建[J].古地理學報，2004，6（1）：3-8.

[22] 胡斌，張璐，劉順喜，等.河南省中二疊世山西組古地理特征[J].古地理學報，2012，14（4）：412-420.

[23] 宋建軍.河南省石炭—二疊系層序地層及聚煤作用研究[D].中國礦業(yè)大學（北京），2009.

[24] 陳颙，黃庭芳，劉恩儒.巖石物理學[M].北京：北京大學出版社，2001.

[25] 陳信平，霍全明，林建東，等.煤層氣儲層含氣量與彈性參數之間的關系[J].地球物理學報，2013，56（8）：2837-2848.

[26] Ramos A C B，Davis T L.3-D AVO analysis and modeling applied to fracture detection in coalbed methane reservoirs[J].Geophysics，1997，62（6）：1683-1695..

Relationship Between Sedimentary Environment of Coal-bearing Strata in

Permian and Elastic Parameters of the Coal in Southern North China

Chen Fei1， Zhang Ji2， Xu Juan1， Hou Haihai3

（1.College of mining engineering and geology，Xinjiang Institute of Engineering，Urumqi，

Xinjiang，830023，China;2.Geological Society of，Urumqi，Xinjiang，830000，China;

3.College of mining，Liaoning Technical University，F(xiàn)uxin，Liaoning，123000，China）

Abstract： In order to study change of elastic parameters in coal-bearing strata under different sedimentary environment， ultrasonic experiment of five coal samples and the relationship between sedimentary environment and elastic parameters were studied， which took from different paleogeography unit in Southern North China. The results show that P-wave velocities in all samples exceed their S-wave（strike＞dip＞vertical）， and the velocities， Young's modulus， bulk modulus and shear modulus decreased firstly and increased then with the increasing of sand-mud ratio， but the variation trend of Poisson's ratio is just opposite. For sedimentary environment of each coal sample， the change of each parameter is the same with the above from delta distributary channel to the delta front， meanwhile coal-bed methane and fracture density increased firstly and then decreased.

Key words： Southern North Basin; Permian; Sedimentary environment; Elastic parameters; Ultrasonic experiment; Coalbed methane