東勝煤田西北緣延安組層序及成煤古地理特征

梁圣建，黃興龍，劉佳敏，王平麗，李增學(xué)，李曉靜，李旭超，馮 凱

（1.山東省煤田地質(zhì)規(guī)劃勘察研究院，山東濟南 250104； 2.山東科技大學(xué)，山東青島 266590； 3.中國石油化工股份有限公司華北油氣分公司，河南鄭州 450006）

0 引言

能源是社會發(fā)展和人類生存不可或缺的物質(zhì)基礎(chǔ)，能源的可持續(xù)發(fā)展對于世界和平和社會穩(wěn)定有著非常重要的作用［1］。鄂爾多斯盆地在我國是繼塔里木盆地之后的第二大沉積盆地，盆地內(nèi)資源十分豐富，蘊藏著煤炭、石油和天然氣等重要的沉積礦產(chǎn)，其儲藏的各種礦產(chǎn)資源總量約占全國的34%以上，目前已知的煤炭資源總量約占全國的38%左右，在中國，大多數(shù)重要的煤炭基地都與鄂爾多斯盆地有一定關(guān)系［2-3］。

針對延安組的層序劃分主要有三種類型。大部分學(xué)者將延安組地層劃分為三個三級層序［4-5］；也有學(xué)者認為延安組地層為一個完整的三級層序［6-7］；少數(shù)學(xué)者將延安組劃分為五個層序［8-9］；也有學(xué)者將延安組劃分出了3 個長期基準(zhǔn)面旋回［10-11］；也有學(xué)者認為存在1 個長期基準(zhǔn)面旋回以及5個中期基準(zhǔn)面旋回［12］或認為整體是一個長期基準(zhǔn)面旋回［13］。

鄂爾多斯盆地的沉積環(huán)境主要以河流、湖泊及三角洲為主［14-19］。研究區(qū)位于東勝煤田的西北部，主要包括新勝勘查區(qū)和油房壕井田兩部分，本文在沉積相分析和層序地層界面識別的基礎(chǔ)上，建立起區(qū)內(nèi)的等時層序地層格架，以三級層序體系域為作圖單元，恢復(fù)了區(qū)內(nèi)等時界面的巖相古地理格局，分析了層序地層格架下的沉積相發(fā)育特征。本研究通過分析研究區(qū)的煤層賦存特征及煤巖煤質(zhì)變化特征，揭示了延安組的成煤沉積環(huán)境及聚煤規(guī)律，為以研究區(qū)為代表的東勝煤田的進一步勘探提供一定指導(dǎo)。

1 地質(zhì)概況

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地處內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市西部，主要包括新勝勘查區(qū)和油房壕井田兩部分，為一不規(guī)則多邊形，東西最長約37 km，南北最寬約12.5 km，總面積約333.35 km2（圖1）。

1.2 區(qū)域地層特征

研究區(qū)地處東勝煤田的西北緣，由于受到新生代地質(zhì)營力的強烈作用，區(qū)內(nèi)上部地層遭受剝蝕。研究區(qū)中新生代地層自下而上依次發(fā)育：三疊系（T）、侏羅系（J）、白堊系（K）和第四系（Q）（表1）。

表1 研究區(qū)中新生代地層特征Table 1 Meso-Cenozoic stratigraphic characteristics in the study area

（1）上三疊統(tǒng)（T3）

主要是上三疊統(tǒng)延長組（T3y），該地層位于煤系地層的沉積底界，頂部主要以灰綠色中粒砂巖、粗粒砂巖為主，南部及個別地段發(fā)育一層灰紫色、灰黃色等雜色砂質(zhì)泥巖或泥巖。中下部為灰色中粒砂巖、細粒砂巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖，局部發(fā)育薄煤層。砂巖組分主要以石英、長石為主。發(fā)育槽狀交錯層理、板狀交錯層理。

（2）中—下侏羅統(tǒng)（J1-2）

主要發(fā)育延安組（J1-2y），該地層是主要的含煤地層，在全區(qū)廣泛發(fā)育。巖性主要以粒度不同的灰白色、淺灰色砂巖、深灰色和灰色砂質(zhì)泥巖以及泥巖和煤層組成，交錯層理和水平層理較發(fā)育，煤層主要發(fā)育2、3、4、5、6煤組，受古沉積基底起伏控制，部分地區(qū)由于古沉積基底抬高缺失6煤組及以下地層，又因為沉積后期剝蝕作用，缺失2 煤組，出現(xiàn)了“下缺上剝”現(xiàn)象，因此延安組地層在區(qū)內(nèi)的大部地區(qū)沉積不完整，該組產(chǎn)較豐富的植物化石，地層產(chǎn)狀平緩，一般3°～5°，與下部延長組（T3y）呈不整合接觸。

（3）中侏羅統(tǒng)（J2）

直羅組（J2z）以灰綠色為主，青灰色次之，上部夾紫紅色，巖性以中、粗粒砂巖為主，局部夾粉砂巖、砂質(zhì)泥巖及薄煤層，底部砂巖含炭屑及煤包裹體，與下伏地層延安組（J1-2y）呈平行不整合接觸。安定組（J2a）在研究區(qū)內(nèi)地表無出露，以淺紫紅色為主，灰綠色次之，多呈斑點狀或斑塊狀，主要是砂質(zhì)泥巖、泥巖，其次為粉砂巖-細粒砂巖，有少部分中粒砂巖。

（4）下白堊統(tǒng)（K1）

志丹群宜君組（K1y）在研究區(qū)內(nèi)地表無出露。以礫巖為主，顏色以紫紅色為主，灰綠色次之，夾灰黃色、黃綠色礫巖、砂巖透鏡體及少量泥巖薄層。上部以細、中礫巖為主，中部以中、粗礫巖為主，下部以粗、巨礫巖為主。膠結(jié)疏松、易散，充填物以粉砂質(zhì)為主。志丹群洛河組（K1l）也在研究區(qū)內(nèi)無出露，巖性主要以中粒砂巖、細粒砂巖為主，含少量含礫砂巖、粗粒砂巖、粉砂巖等，夾不穩(wěn)定的泥巖、砂質(zhì)泥巖。砂巖成分主要是石英、長石，顏色以紅色，棕紅色為主。志丹群環(huán)河組（K1h）在研究區(qū)內(nèi)廣泛出露，顏色為黃色、黃綠色、灰綠色、青灰色等，該組巖性主要是長石砂巖、巖屑長石砂巖及含礫砂巖，中間夾泥巖和泥質(zhì)粉砂巖。

（5）第四系（Q）

該地層為殘積、坡積黃褐色沙土，局部含礫石，較密實，壁立性好，具垂直節(jié)理、吸水性較強。沙礫層主要為環(huán)河組風(fēng)蝕殘積礫石，沙質(zhì)孔隙式充填，略具鈣質(zhì)膠結(jié)，夾沙土層，較密實，穩(wěn)定性較好。第四系與下伏地層呈角度不整合接觸。

1.3 區(qū)域構(gòu)造

鄂爾多斯盆地又稱陜甘寧盆地，面積約25 萬km2，構(gòu)造演化開始于早古生代末，當(dāng)時華北大陸板塊南北兩側(cè)相繼被大洋地殼俯沖，然后在大陸邊緣形成加里東褶皺帶，并造成了華北大陸板塊整體隆起，板內(nèi)淺海盆地逐漸消失。到了晚古生代，此時華北大陸板塊開始下沉，形成了陸表海沉積盆地，該盆地南北以加里東褶皺帶為界，向西與祁連海相連。三疊紀(jì)繼承了晚古生代的構(gòu)造格局，加上沉積作用的影響，在延安地區(qū)以北的子長、橫山一帶形成了煤田。在印支運動的作用下，整個地區(qū)受到了剝蝕和變形，到了早侏羅世全區(qū)才進入相對穩(wěn)定的坳陷階段，經(jīng)過一系列的演化，最終形成了鄂爾多斯盆地［20］。

根據(jù)鄂爾多斯盆地的構(gòu)造特征，整個盆地大致可劃分為六個構(gòu)造單元，依次為渭北隆起、伊盟隆起、伊陜斜坡、晉西撓褶帶、西緣逆沖帶及天環(huán)坳陷（圖2）［21］。東勝煤田的構(gòu)造單元屬于華北地臺鄂爾多斯臺坳向斜東勝隆起區(qū)，包括鄂爾多斯盆地北部伊盟隆起區(qū)及其與伊陜斜坡、天環(huán)坳陷的過渡區(qū)，具體位置位于東勝隆起區(qū)和鄂爾多斯盆地伊盟隆起的中東部。東勝煤田構(gòu)造變動十分輕微，僅北部有少量的短軸褶曲及北東向正斷層，斷距僅10m 左右?？傮w構(gòu)造形態(tài)為一南向西傾斜的緩傾單斜層，地質(zhì)傾角一般為1°～5°，基本不發(fā)育斷層、褶皺，部分地區(qū)有小的波狀起伏，幾乎沒有巖漿巖侵入，煤田的構(gòu)造屬于簡單型。

圖2 鄂爾多斯盆地構(gòu)造區(qū)劃圖（據(jù)參考文獻［21］修改）Figure 2 Tectonic zoning map of Ordos Basin（modified after reference［21］）

研究區(qū)位于東勝煤田西北部邊緣，主要包括新勝勘查區(qū)和油房壕井田兩部分，就研究區(qū)含煤地層及各煤層發(fā)育情況而言，主要受區(qū)域構(gòu)造活動影響，研究區(qū)內(nèi)構(gòu)造活動十分輕微。燕山期初期東勝地區(qū)的相對隆起，造成研究區(qū)含煤地層沉積基底的不平，燕山期早期出現(xiàn)了“填平補齊”作用［22］，導(dǎo)致研究區(qū)內(nèi)大部分地區(qū)缺失6煤組。之后盆地穩(wěn)定發(fā)展，由南部向北部擴張，沉積了5 煤組及以上地層。到了燕山期末期盆地整體處于抬升狀態(tài)，導(dǎo)致延安組上部地層受到強烈剝蝕，形成了如今2 煤組零星分布及區(qū)內(nèi)上部地層缺失的賦存特征。

2 層序劃分

鄂爾多斯盆地東勝煤田含煤地層主要集中在延安組，在對沉積相進行綜合分析以及參考前人對鄂爾多斯盆地北部地區(qū)層序劃分的基礎(chǔ)上，采用經(jīng)典層序地層學(xué)理論，對東勝煤田西北緣延安組進行層序地層劃分，共識別出3個三級層序（圖3）。

圖3 31-7鉆孔沉積相與層序地層劃分Figure 3 Sedimentary facies and sequence stratigraphic division of 31-7 drilling well

層序界面識別及類型。識別層序界面是地層劃分的關(guān)鍵。通過分析鉆井資料，可以較完整地識別研究區(qū)內(nèi)侏羅系延安組主要含煤巖系的大部分地層，然后結(jié)合巖性序列特征及沉積過程中形成的侵蝕、沖刷及無沉積間斷作用等，對層序內(nèi)部進行劃分，識別不同的體系域，通過廣泛性的區(qū)域?qū)Ρ?，可以較全面的反映研究區(qū)的沉積環(huán)境演化及平面分布特征。采用含煤巖系層序地層學(xué)的理論方法，根據(jù)東勝煤田的鉆井巖心分析，以下列層序界面來劃分層序。

（1）不整合面

不整合面的兩側(cè)地層是不連續(xù)的，中間有地層缺失，代表著該地區(qū)可能存在地層的抬升剝蝕，也可能是該區(qū)沒有接受沉積。研究區(qū)內(nèi)存在的一種典型的不整合面形成的層序界面，位于延安組的底界，是由于印支運動造成的三疊世延長組與上覆侏羅世延安組之間的角度不整合接觸，是延安組與延長組的分界線，也是研究區(qū)層序一的底界。

（2）古暴露剝蝕面

古暴露剝蝕面常出現(xiàn)在河流沉積環(huán)境中的泛濫盆地中，隨著河水退去，地表暴露出來，沉積物遭受剝蝕作用形成的一種層序界面，研究區(qū)內(nèi)延安組沉積后期就受到過嚴重的剝蝕，該剝蝕面位于延安組的頂界，是延安組與上覆直羅組的分界線，也是層序三的頂界。

（3）河道沖刷面及巖相轉(zhuǎn)換面

在研究區(qū)內(nèi)也存在沖刷面形成的界面，主要是由于河流的不斷遷移改道，原來穩(wěn)定的沉積環(huán)境突然被河流沖刷，造成地層的缺失和巖性的突變，如4-1煤及附近泥巖與上覆河道砂巖，此界面在研究區(qū)內(nèi)具有連續(xù)性。這種界面在對體系域進行劃分上有著至關(guān)重要的作用。

（4）大范圍的泥炭沼澤演化界面

穩(wěn)定的、大范圍分布的煤層大都形成于高位體系域晚期，常常代表著一個旋回層的結(jié)束或另一個旋回層的開始，可以作為一個層序與相鄰層序的界面，如研究區(qū)延安組的3-1煤層，是區(qū)內(nèi)層序二與層序三的界面，該煤層可以進行全區(qū)追蹤、對比。

綜合分析以上幾種界面類型，根據(jù)延安組鉆井巖心表現(xiàn)出來的特征，研究區(qū)內(nèi)可劃分為3 個三級層序，三級層序在全區(qū)內(nèi)均有發(fā)育，層序、體系域可對比性好。

從下至上依次為層序一、層序二、層序三，現(xiàn)分別描述如下。

層序一（SQ1）：包含延安組延一段、延二段，延安組與下部延長組的不整合面為其底界界面，5 煤組的煤層頂板為其頂界界面，沉積環(huán)境從辮狀河-曲流河演化，自下而上可以分為兩個體系域，分別是湖侵體系域（TST）以及高位體系域（HST）。其中湖侵體系域的巖性主要是砂巖、粉砂巖以及砂質(zhì)泥巖，部分地區(qū)含薄煤層。高位體系域則以細粒砂巖、泥巖為主，并發(fā)育5-1煤，部分地區(qū)發(fā)育5-2煤。

層序二（SQ2）：主要包括延三段和延四段，以3-1煤為頂界，以5-1煤上覆的厚層砂巖為底界，沉積環(huán)境主要是曲流河河道-河漫交替演化，原因就是氣候和環(huán)境導(dǎo)致河道的不斷遷移和改道，該期自下而上可以分為三個體系域：低位體系域（LST）、湖侵體系域（TST）以及高位體系域（HST）。低位體系域（LST）主要是厚層塊狀砂巖，煤層不發(fā)育，主要位于層序二底部，為河道沉積的產(chǎn)物。湖侵體系域以砂巖、泥巖以及粉砂巖互層為主，含4-1煤、4-2煤。高位體系域以主要位于層序頂部，曲流河二元結(jié)構(gòu)發(fā)育明顯，以砂巖、粉砂巖、泥巖為主，含3-1煤、3-2煤。

層序三（SQ3）：與延五段大致相當(dāng)，由于研究區(qū)受燕山運動Ⅰ幕的影響，造成了延安組上部受到強烈剝蝕，區(qū)內(nèi)大部分地區(qū)層序三不完整。層序三的頂界是延安組與上覆直羅組之間的古剝蝕面，底界是3-1煤與上覆厚層河道砂巖之間的巖相轉(zhuǎn)換面，3-1煤作為大范圍穩(wěn)定分布的煤層是很好的等時界面，該期沉積環(huán)境主要是曲流河沉積，由于層序三頂部經(jīng)過嚴重剝蝕，地層不完整，而且本段包含煤層較少，并且煤層厚度較薄且不穩(wěn)定，所以對本段的沉積環(huán)境及聚煤規(guī)律不做研究。

3 成煤古地理特征

以層序一湖侵體系域為例，說明研究區(qū)成煤的古地理特征。

層序一湖侵體系域時期砂巖百分含量在13%～93%，平均58%，該時期砂巖和地層厚度比值較高的區(qū)域主要分布在西部、中部以及中稍偏東地區(qū)，主要為河道發(fā)育區(qū)，在中部以及東西部邊緣地區(qū)砂巖和地層厚度比值較低，主要發(fā)育河漫灘、堤岸沉積等（圖4、圖5）。

圖4 研究區(qū)延安組層序一湖侵體系域砂巖含量等值線Figure 4 Sandstone content contour of TST in SQ1 of the Yan’an Formation in the study are

圖5 研究區(qū)延安組層序一湖侵體系域巖相古地理圖Figure 5 Lithofacies paleographic map of TST in SQl of the Yan’an Formation in the study area

通過對上述單因素圖進行綜合分析及參考前人研究，認為砂巖厚度大、砂地比值高的地區(qū)（砂巖含量大于60%）可大致反映古河道的發(fā)育位置，辮狀河河道的砂巖含量一般大于80%；砂巖含量小于30%，則大致反映了河漫湖泊等相對水體較深的沉積區(qū)。由此恢復(fù)了延安組層序一湖侵體系域的古地理格局，該期主要發(fā)育辮狀河沉積體系，結(jié)合巖相類型與巖相組合，該時期發(fā)育3條辮狀河，分別位于研究區(qū)的西部、中部以及中部稍偏東地區(qū)，河流走向為南北向，在辮狀河道間發(fā)育4 個河漫湖泊。此外，河道間廣大區(qū)域發(fā)育河漫灘、河漫沼澤等沉積（圖5）。

早中侏羅世之前，由于東勝煤田在晚三疊世末期受的印支運動的影響，導(dǎo)致盆地被抬升，區(qū)域相對隆起，部分地區(qū)的地層被剝蝕或者缺失，層序一湖侵體系域（延一段）沉積主要是在凹凸不平的剝蝕面上發(fā)育起來的，該期沉積主要是填平補齊，并與下伏三疊系延長組呈角度不整合接觸，主要發(fā)育辮狀河沉積體系，河床有一定坡度，河水較淺，辮狀河道由西北向東南方向流經(jīng)研究區(qū)。河道中的砂巖含量較高，在河道主流線上達到最高值，約80%，向兩側(cè)逐漸減小，河道內(nèi)部發(fā)育心灘砂體。到了層序一高位體系域，該期湖平面下降，導(dǎo)致研究區(qū)河水流量減少，水動力條件和物源供給減弱，加上該期地區(qū)坡度降低，導(dǎo)致河流發(fā)生曲流化，延一段形成的辮狀河沉積開始發(fā)生河道收縮現(xiàn)象并且沿一定的方向遷移，造成河道范圍縮小，彎曲度升高，形成了曲流河沉積體系。

層序二發(fā)育早中期氣候溫暖潮濕，使鄂爾多斯盆地湖泛面整體上升，發(fā)生區(qū)域湖侵作用，該期曲流河繼續(xù)發(fā)育并在河道間形成大小不一的河漫湖泊，曲流河河道砂巖含量在整個沉積體系中是最高的，但一般小于辮狀河道，曲流河道在凸岸發(fā)育邊灘，不發(fā)育心灘，這是曲流河區(qū)別于辮狀河的一大特點，河水溢出河道就會沖破天然堤形成決口扇及河漫湖泊。河道間發(fā)育河漫灘，河漫湖泊及河漫沼澤，砂巖含量較低，河漫沼澤是最有利成煤地帶，其他沉積亞相如邊灘、天然堤及決口扇成煤條件均較差。

由于研究區(qū)構(gòu)造簡單且范圍不大，層序二后期整體沉積相變化不大，繼續(xù)發(fā)育曲流河沉積，由于沉積后期區(qū)內(nèi)地勢平穩(wěn)，河流水動力條件較弱，大面積的河漫灘及河漫沼澤沉積便形成了，這些地區(qū)是成煤的有利地帶。研究區(qū)東部和中西部地區(qū)的砂巖含量減少，加上氣候整體溫暖濕潤，為高質(zhì)量富煤中心的形成創(chuàng)造了有利條件。曲流河道內(nèi)也會發(fā)生成煤作用，但是在水動力條件的作用下，河流對河床進行切割和淹沒，導(dǎo)致形成的煤層厚度較薄、橫向連續(xù)性不是很好。

4 結(jié)論

1）采用層序地層學(xué)方法，根據(jù)研究區(qū)延安組地層結(jié)構(gòu)、巖相類型及組合，結(jié)合前人對含煤巖系地層的劃分，本次研究根據(jù)層序界面的識別把延安組劃分為3個層序，其中層序一、層序二為主要的含煤地層。

2）利用“單因素分析多因素綜合”的方法，通過對研究區(qū)延安組的地層厚度、砂巖厚度，泥巖厚度、煤層厚度、砂巖百分比等進行分析并繪制等值線圖，綜合分析恢復(fù)研究區(qū)巖相古地理面貌。層序一的沉積相有辮狀河沉積和曲流河沉積，層序二則以曲流河沉積為主。