大南湖礦區(qū)中侏羅統(tǒng)西山窯組沉積體系及成煤環(huán)境

梁開華，王平麗，黃興龍，羅怡鑫，李增學(xué)

（1.山東省煤田地質(zhì)規(guī)劃勘察研究院，山東濟(jì)南 250104；2.山東科技大學(xué)，山東青島 266590；3.宜賓學(xué)院國(guó)際應(yīng)用技術(shù)學(xué)部，四川宜賓 644000）

0 引言

吐哈盆地是新疆三大沉積盆地之一，其內(nèi)蘊(yùn)藏著豐富的煤炭資源［1］。位于盆地東南部的大南湖礦區(qū)含煤區(qū)域面積超過1 500km2，研究其煤系沉積特征、聚煤規(guī)律，沉積相與沉積體系等，對(duì)當(dāng)?shù)孛禾抠Y源的開發(fā)具有理論和實(shí)際指導(dǎo)意義。

許多學(xué)者和專家對(duì)吐哈盆地中侏羅統(tǒng)西山窯組的層序地層做了大量研究工作，研究了沉積環(huán)境，劃分了盆地層序［2-4］，其特殊的沉積特征，為該區(qū)提供良好的聚煤環(huán)境。對(duì)于沉積體系和沉積相的劃分離不開對(duì)巖性的研究，對(duì)于沉積環(huán)境變化來(lái)說(shuō)，它的主要標(biāo)志為巖相組合，同樣巖相組合也可以作為預(yù)測(cè)含煤地層中煤層發(fā)育和成煤環(huán)境變化的主要依據(jù)，很多學(xué)者利用巖相及巖相組合特征劃分沉積相及沉積體系［5-7］。此外，煤巖煤質(zhì)對(duì)成煤環(huán)境也具有指示作用，不同煤層的煤礦物組成、煤巖類型組成存在一定差異，煤的沉積環(huán)境對(duì)煤巖煤質(zhì)的特點(diǎn)有著很大影響，已有學(xué)者利用巖相古地理學(xué)的分析和驗(yàn)證表明了煤巖煤質(zhì)反演含煤巖系沉積相是可行的［8-16］。越來(lái)越多的國(guó)內(nèi)外研究者根據(jù)煤質(zhì)特征對(duì)成煤環(huán)境的影響進(jìn)行分析研究［8，17-21］。

上述關(guān)于吐哈盆地油氣地質(zhì)、沉積地質(zhì)等方面的研究成果已非常深入，成為開展成煤環(huán)境和聚煤規(guī)律的重要基礎(chǔ)。沉積體系與層序劃分對(duì)當(dāng)?shù)孛禾抠Y源的開發(fā)具有理論和實(shí)際指導(dǎo)意義，可更好的促進(jìn)我國(guó)煤炭資源的開發(fā)利用。

1 地質(zhì)概況

1.1 地層特征

哈密市大南湖礦區(qū)隸屬于天山-興安嶺地層分區(qū)，地層分布見表1。

表1 大南湖礦區(qū)地層分布Table 1 Distribution of strata in Dananhu mining area

1.2 礦區(qū)構(gòu)造

研究區(qū)內(nèi)地層傾角一般3°～13°，地層產(chǎn)狀平緩，局部地區(qū)偏高（圖1）。區(qū)內(nèi)發(fā)育兩個(gè)背斜和一個(gè)向斜構(gòu)造，且發(fā)育一個(gè)落差較大的斷層，構(gòu)成井田西北部邊界。

圖1 大南湖礦區(qū)構(gòu)造綱要及鉆孔分布Figure 1 Structural outline and borehole distribution of Dananhu mining area

1.2.1 褶皺

（1）南湖背斜（M1）

南湖背斜（M1）是大南湖礦區(qū)的主要構(gòu)造，出露于本區(qū)西北部，軸向?yàn)榻鼥|西向，出露長(zhǎng)度大于16km，兩翼地層對(duì)稱出露，呈條帶狀、環(huán)狀，礦區(qū)東部、西部背斜兩翼出露西山窯組中段地層，中部?jī)梢沓雎段魃礁G組上段地層，背斜北翼地層傾角3°～10°，背斜南翼即南湖向斜（W1）北翼地層傾角一般3°～13°，為寬緩背斜，西山窯組上段、中段地層構(gòu)成背斜的主體。

（2）南湖向斜（W1）

該向斜位于礦區(qū)中部，北接M1 背斜，南鄰M2背斜，軸向近東西向，出露長(zhǎng)度l28km，呈弓背向北略凸的弧形，為本區(qū)主要構(gòu)造。南湖向斜（W1）的北翼也就是南湖背斜（M1）的南翼地層平緩，主要由西山窯組上段、中段地層組成，南湖向斜（Wl）南翼傾角相對(duì)較大，局部地層傾角14°～26°，主要由西山窯組上段、中段地層組成。南湖向斜（W1）總體為南翼較陡，北翼平緩的寬緩褶曲。

（3）南湖南背斜（M2）

為研究區(qū)內(nèi)主要構(gòu)造，位于礦區(qū)南部，北鄰W1向斜，出露長(zhǎng)度119km，整體呈向北突出的弧形；兩翼地層對(duì)稱斷續(xù)出露，主要由西山窯組上段、中段地層組成，背斜南翼地層平緩，地層傾角幾乎近水平產(chǎn)出。該背斜總體為北翼陡，南翼平緩的寬緩褶曲。

1.2.2 斷層

研究區(qū)中部及礦區(qū)一號(hào)井田、三號(hào)井田南部，發(fā)育有區(qū)域斷裂F1，位于兩個(gè)井田的西北部邊界，為正斷層，走向NE，傾向NW，傾角70°，落差60～400m，本區(qū)及南部延展長(zhǎng)度28km。該斷層上、下盤煤層差異明顯：斷層以北，由北向南，含煤巖系厚度逐漸變大，煤層間距變大，各煤厚度變小，可采性變差；斷層以南，由南向北，含煤巖系厚度逐步變大，煤層間距逐漸變大，同時(shí)煤層厚度逐漸變大。

2 沉積相與沉積體系

2.1 沉積體系劃分方案

在鉆孔巖心資料觀察描述以及室內(nèi)巖石宏觀與微觀顯微結(jié)構(gòu)特征研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)大南湖礦區(qū)西山窯組的巖相類型的結(jié)構(gòu)特征和巖相組合類型以及它們?cè)谄矫嫔系姆植?，在大南湖礦區(qū)中侏羅統(tǒng)西山窯組識(shí)別出三種沉積體系，六種沉積相以及多種沉積類型（表2）。其中，曲流河-三角洲體系中的三角洲平原相是研究區(qū)內(nèi)西山窯組主要發(fā)育的沉積相類型。

表2 大南湖礦區(qū)中侏羅統(tǒng)西山窯組沉積體系與沉積相Table 2 System and sedimentary facies of Middle Jurassic Xishanyao Formation in Dananhu mining area

2.2 各沉積相基本特征

研究區(qū)內(nèi)西山窯組中段主要發(fā)育的沉積體系類型為辮狀河，曲流河-三角洲體系和湖泊沉積體系。

2.2.1 辮狀河沉積體系

辮狀河是位于沖積扇與曲流河-三角洲之間的過度河流，其巖石類型多為砂礫巖，特征為中等磨圓度，分選性差，砂質(zhì)膠結(jié)，局部夾薄層細(xì)粒砂巖，具有交錯(cuò)層理，如板狀交錯(cuò)層理，呈疊瓦狀排列，具有十分明顯的垂直向上旋回性。在大南湖礦區(qū)辮狀河體系中識(shí)別出河床滯留、泥炭沼澤和心灘三種微相，其巖性特征為底部可見塊狀礫巖，具有交錯(cuò)層理，向上逐漸變細(xì)，形成含礫粗粒砂巖、粗粒砂巖和中粒砂巖（圖2）。

圖2 典型的辮狀河沉積體系Figure 2 Typical braided river sedimentary system

（1）河床滯留

主要為辮狀河道底部的塊狀礫巖，有著一定的沖刷面，局部見植物類化石，在辮狀河體系中是粒度最粗的沉積段，巖性大多為含礫粗粒砂巖和礫巖，具有交錯(cuò)層理的粗粒砂巖以及平行層理中粒砂巖。

（2）泥炭沼澤

西山窯組辮狀河體系中的泥炭沼澤發(fā)育較少，煤層不穩(wěn)定，巖石類型以粉砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖為和薄煤層為主，局部夾雜菱鐵礦薄層。

（3）心灘

由于辮狀河道砂體互相疊置切割，導(dǎo)致曲流河道砂體疊置程度相對(duì)較低，由此形成了心灘，心灘沉積的上部主要為薄層粉砂巖、泥巖與煤層，發(fā)育沙紋層理和交錯(cuò)層理砂巖。

2.2.2 曲流河-三角洲體系

大南湖礦區(qū)的主要沉積類型為曲流河-三角洲，幾乎全區(qū)覆蓋，其中以三角洲平原沉積為主，三角洲前緣沉積發(fā)育較少，前三角洲沉積則基本不發(fā)育（圖3）。

圖3 典型的曲流河-三角洲沉積體系Figure 3 Typical meandering river-delta depositional system

2.2.2.1 三角洲平原

（1）分流河道

分流河道巖性特征主要為底部具有交錯(cuò)層理的砂巖。

（2）分流間灣

三角洲平原分流間灣發(fā)育于分流河道之上，巖性主要為具有交錯(cuò)層理的砂巖、水平層理的粉砂巖及泥巖互層。

（3）泥炭沼澤

三角洲平原泥炭沼澤在西山窯組中段發(fā)育較好，泥炭沼澤主要由厚煤層和碳質(zhì)泥巖夾層組成，巖石類型以粉砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖為主，局部見植物化石和菱鐵礦薄層。

（4）水下分流河道

水下分流河道的巖性特征為底部具有交錯(cuò)層理的砂巖。

2.2.2.2 三角洲前緣

（1）遠(yuǎn)砂壩與河口壩

三角洲前緣遠(yuǎn)砂壩沉積為三角洲的水下部分，位于河流和湖水的交匯區(qū)域，因此巖性粒度整體比較細(xì)。河口壩沉積于三角洲前緣上部，巖性主要為具塊狀層理、沙紋層理的淺灰色粉砂巖和砂質(zhì)泥巖。

（2）前三角洲

前三角洲主要位于三角洲前緣之上，過渡濱湖沉積，巖性主要為灰色-灰黑色泥巖。在本研究區(qū)西山窯組發(fā)育較少。

2.2.3 湖泊沉積體系

湖泊沉積體系在研究區(qū)西部較發(fā)育，西山窯組的湖泊沉積主要發(fā)育于西山窯組中段上部及上段。湖泊沉積類型可分為濱湖沉積與淺湖沉積（圖4）。

圖4 典型的湖泊沉積體系Figure 4 Typical lacustrine sedimentary systems

（1）淺湖泥

淺湖泥以淺湖沉積為主，主要為厚層泥質(zhì)沉積，單層厚度可超過10m，發(fā)育水平層理與生物擾動(dòng)構(gòu)造，含有植物葉片化石。

（2）泥炭沼澤

泥炭沼澤以濱、淺湖沉積為主，當(dāng)?shù)貙犹约昂矫嫦陆?，加上溫?zé)岢睗竦臍夂?，淹沒在水中的植物遺骸經(jīng)過泥炭化作用形成了泥炭沼澤。在全區(qū)分布較少，主要位于研究區(qū)二井田西部地區(qū)。

（3）濱湖砂壩

濱湖沙壩沉積巖性特征大多由粉砂質(zhì)沉積或泥質(zhì)沉積與煤層互層，發(fā)育水平層理和波狀層理，局部可見菱鐵礦結(jié)核與植物葉片化石。

3 成煤環(huán)境及聚煤規(guī)律

3.1 成煤環(huán)境

（1）顯微組分與成煤環(huán)境

各井田鏡質(zhì)組組分均較高（＞45%），其中一井田和二井田鏡質(zhì)組均高于惰質(zhì)組含量，三井田鏡質(zhì)組含量略小于惰質(zhì)組。依據(jù)許福美等鏡惰比分類，參考灰分含量變化，可以得出大南湖礦區(qū)一井田和二井田為極潮濕-覆水環(huán)境，而三井田為潮濕-弱覆水環(huán)境。

西山窯組3、9、11、14、15、18、21、25、28 號(hào)煤層，鏡質(zhì)組含量較高（平均50%）、惰質(zhì)組含量稍低（平均＜40%），各煤巖組分含量差異不大；西山窯組5、28 號(hào)煤層，顯微組分分布趨于穩(wěn)定，由于覆水較淺，鏡質(zhì)組含量降低（平均＜45%），惰質(zhì)組含量增高（平均＞45%）（圖5）。

圖5 大南湖各礦區(qū)主采煤層煤巖顯微組分對(duì)比Figure 5 Comparison of maceral in main coal seams of Dananhu mining area

由上述可知，大南湖礦區(qū)西山窯組沉積期為潮濕環(huán)境，這種濕潤(rùn)環(huán)境有利于較長(zhǎng)時(shí)間聚煤，并且3、9、11、14、15、18、21、25號(hào)煤層鏡質(zhì)組含量較高，說(shuō)明在大南湖礦區(qū)3～25煤這段沉積期氣候最為濕潤(rùn)。

（2）灰分與成煤環(huán)境

由圖6可知，惰質(zhì)組與灰分成正相關(guān)，鏡質(zhì)組與灰分成負(fù)相關(guān)，惰質(zhì)組與灰分增加，鏡質(zhì)組減少，說(shuō)明此時(shí)水動(dòng)力較小，形成了發(fā)育完整的三角洲沉積。

圖6 大南湖礦區(qū)各煤層灰分與顯微組分相關(guān)性分布Figure 6 Correlation distribution of ash and maceral in coal seams in Dananhu mining area

（3）硫分與成煤環(huán)境

經(jīng)各主采煤層硫含量分布特征分析，其煤中硫分與灰分呈正相關(guān)性（圖7a），而有機(jī)硫與鏡質(zhì)組呈負(fù)相關(guān)性（圖7b），說(shuō)明在成煤時(shí)期，覆水變淺，凝膠化程度較低，鏡質(zhì)組升高，有機(jī)硫也隨之減少。

圖7 大南湖礦區(qū)主采煤層煤巖煤質(zhì)相關(guān)性Figure 7 Correlation of coal，rock and coal quality in main coal seam of Dananhu mining area

（4）煤灰成分與成煤環(huán)境

如圖8 所示，主采煤層的煤灰成分氧化物在縱向的分布特征上具有十分明顯的變化。各主采煤層從上至下SiO2和Al2O3的含量軌跡變化幾乎一致，兩者的關(guān)系為正相關(guān)，這兩種元素氧化物與另外幾種元素形成的氧化物的軌跡變化相反，為負(fù)相關(guān)，由此可以得出，SiO2與Al2O3主要來(lái)源于沉積環(huán)境中的陸源碎屑供給，而另外幾種元素形成的氧化物主要來(lái)源于成煤原始物質(zhì)所產(chǎn)生的礦物。

圖8 大南湖礦區(qū)主采煤層煤灰成分分布Figure 8 Distribution of coal ash composition in main coal seam of Dananhu Mining area

3.2 聚煤規(guī)律分析

根據(jù)巖性特征，將西山窯組劃分為3 個(gè)層序，Sq1在區(qū)域上相當(dāng)于西山窯組下含煤巖段，Sq2在區(qū)域上相當(dāng)于西山窯組中含煤巖段，Sq3 在區(qū)域上相當(dāng)于西山窯組上含煤巖段。

Sq1高水位體系域時(shí)期，由圖9可以看到大南湖礦區(qū)主要以辮狀河、曲流河三角洲沉積為主，砂泥比在研究區(qū)東北部和南部比較高，此時(shí)不利于成煤，聚煤作用較差，在二井田東緣砂泥比較低，煤層厚度最厚且厚度向南部和東部逐步遞減。這進(jìn)一步也說(shuō)明了含煤性的發(fā)育程度受到古地理環(huán)境的控制。全區(qū)共形成一個(gè)聚煤中心，Sq1 高水位體系域的聚煤中心位于一井田東緣，此時(shí)河流作用減弱，形成了大范圍曲流河-三角洲平原沉積環(huán)境，形成了穩(wěn)定并且厚度巨大的煤層，可采煤層總厚度達(dá)65m 以上。Sq1高水位體系域沉積發(fā)育18～29號(hào)煤，煤層穩(wěn)定，其中25 號(hào)煤層厚度最大可達(dá)18.52m，往研究區(qū)東部和南部方向，25 號(hào)煤層厚度變小，出現(xiàn)分叉現(xiàn)象，形成層數(shù)多而厚度小的煤層。

圖9 西山窯組Sq1高水位體系域古地理與煤層總厚度Figure 9 Paleogeography and total thickness of coal seam in Sq1 highstand systems tract domain of Xishanyao Formation

Sq2 時(shí)期，大南湖礦區(qū)主要為三角洲平原、三角洲前緣沉積，少部分為湖泊沉積（圖10）。砂泥比在研究區(qū)中部（一井田西南緣）比值較低，此時(shí)粗粒沉積物較少，有利于煤的形成，全區(qū)在Sq2沉積期形成一個(gè)聚煤中心。Sq2 沉積期的聚煤中心位于研究區(qū)中部（一井田西南緣），此時(shí)河流作用弱，形成了大范圍曲流河-三角洲平原沉積環(huán)境，形成了穩(wěn)定且較厚的煤層，可采煤層達(dá)15 層以上，煤層總厚度達(dá)70m以上。其它部分煤層厚度在20～60m，煤層3～15層，此時(shí)三角洲發(fā)育較好。在Sq2 末期主要發(fā)育三角洲前緣沉積和濱淺湖沉積，含煤0～3層，厚度薄并且不穩(wěn)定。

圖10 西山窯組Sq2高水位體系域古地理與煤層總厚度Figure 10 Paleogeography and total thickness of coal seam in Sq2 highstand systems tract domain of Xishanyao Formation

圖11 大南湖礦區(qū)曲流河-三角洲成煤模式Figure 11 Coal formation modle of meandering river-delta in the Dananhu minning area

3.3 成煤模式

大南湖礦區(qū)中侏羅統(tǒng)西山窯組在三工河組中晚期差異升降明顯，發(fā)育河漫湖泊沉積，但不利于泥炭沼澤的長(zhǎng)期發(fā)育，難以形成厚煤層，因此全區(qū)只在河道間沼澤形成局部可采煤層。大南湖礦區(qū)西山窯組早中期主要為曲流河-三角洲體系，湖盆周緣的凹陷區(qū)主要充填方式為辮狀河和曲流河-三角洲的進(jìn)積，當(dāng)三角洲的進(jìn)積淤填湖泊時(shí)，使得湖泊水體變淺，從而導(dǎo)致泥炭沼澤大量發(fā)育，并且大南湖坳陷還處于一個(gè)相對(duì)比較封閉的孤立洼陷，與主體湖盆無(wú)廣泛溝通，因此也沒有大規(guī)模的水侵對(duì)泥炭沼澤的發(fā)育構(gòu)成威脅，泥炭沼澤主要發(fā)育在三角洲間灣環(huán)境下，這種聚煤環(huán)境發(fā)育的煤層較好。因此，西山窯組中段發(fā)育的煤層厚度大、分布范圍廣穩(wěn)且定性較好，并且在部分地區(qū)形成了巨厚煤層。由上述可知，大南湖礦區(qū)主的成煤模式為河流-三角洲聚煤模式（圖12）。

4 結(jié)論

1）在大南湖礦區(qū)識(shí)別出3種沉積體系，6種沉積相以及多種沉積微相，中侏羅統(tǒng)西山窯組成煤的主要沉積環(huán)境為曲流河-三角洲體系的三角洲平原相沉積以及辮狀河體系的泥炭沼澤沉積。

2）通過巖相古地理圖分析研宄區(qū)的聚煤規(guī)律，Sq1 高水位體系域的聚煤中心位于一井田東緣，Sq2沉積期的聚煤中心位于一井田西南緣，富煤帶主要發(fā)育在曲流河-三角洲平原沉積。其中，Sq1 高水位體系域發(fā)育于26～29煤，主要發(fā)育辮狀河沉積體系，在19～25 煤發(fā)育完整的三角洲體系；在Sq2 低水位體系域發(fā)育較差的三角洲沉積，主要為粗粒沉積，在Sq2湖侵體系域和高水位體系域發(fā)育較好的的曲流河-三角洲沉積體系。

3）大南湖礦區(qū)成煤氣候條件溫暖潮濕，主要成煤環(huán)境為曲流河-三角洲沉積體系。