魏迎春，曹代勇，寧樹(shù)正，吳國(guó)強(qiáng)

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)，北京 10008； 2.中國(guó)煤炭地質(zhì)總局，北京 100038)

煤、油氣、砂巖型鈾礦等多種沉積礦產(chǎn)同盆共存的事實(shí)，日益受到地質(zhì)學(xué)家的關(guān)注[1-6], 沉積盆地多種礦產(chǎn)富集機(jī)理和耦合成礦效應(yīng)已成為當(dāng)前礦產(chǎn)資源和盆地動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一[7]。含煤巖系(簡(jiǎn)稱煤系)是一套含有煤層并有成因聯(lián)系的沉積巖系，作為多種礦產(chǎn)資源的載體，除煤層發(fā)育之外，還共伴生豐富的能源礦產(chǎn)、金屬礦產(chǎn)和非金屬礦產(chǎn)。這些煤系礦產(chǎn)資源構(gòu)成一個(gè)資源豐富、類型多樣、相對(duì)獨(dú)立、又具有成因聯(lián)系與耦合關(guān)系的成礦環(huán)境和礦產(chǎn)賦存系統(tǒng)[6-15]。早在二十世紀(jì)初，人們便已關(guān)注煤和煤系中共伴生礦產(chǎn)種類及其利用技術(shù)等問(wèn)題[16-17]，近年來(lái)，隨著礦產(chǎn)資源綜合評(píng)價(jià)的深入和煤系綜合礦產(chǎn)資源概念的提出，涉及煤盆地和煤系礦產(chǎn)資源的研究成果日趨增加[1,12-13，18-20]。

鄂爾多斯盆地是世界級(jí)特大型多種能源盆地，礦產(chǎn)資源十分豐富，煤、石油、天然氣、油頁(yè)巖、沉積型鈾礦俱全，素有“半盆油、滿盆氣，遍地是煤”的美譽(yù)。鄂爾多斯盆地含煤巖系廣泛分布[21-22]，晚古生代克拉通坳陷與中生代陸內(nèi)坳陷繼承性發(fā)育，盆地構(gòu)造-熱演化史規(guī)律性明顯[23-24]，為含煤巖系多種礦產(chǎn)共生耦合成礦提供了良好的地質(zhì)條件。近年來(lái)，鄂爾多斯盆地與含煤巖系有關(guān)的煤層氣、致密砂巖氣、頁(yè)巖氣、煤中金屬元素礦產(chǎn)、砂巖型鈾礦等調(diào)查研究取得眾多成果[25-34]，推動(dòng)了含煤巖系礦產(chǎn)資源綜合評(píng)價(jià)和勘查理論與技術(shù)的發(fā)展。

在中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目“鄂爾多斯盆地煤系礦產(chǎn)資源賦存規(guī)律與資源評(píng)價(jià)”和國(guó)家自然科學(xué)基金等相關(guān)項(xiàng)目的支持下，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)和中國(guó)煤炭地質(zhì)總局有關(guān)單位對(duì)鄂爾多斯盆地煤系礦產(chǎn)資源開(kāi)展了全面深入的綜合研究工作，在鄂爾多斯盆地煤系礦產(chǎn)資源類型、賦存規(guī)律和資源潛力等方面取得重要進(jìn)展，為鄂爾多斯盆地煤及共伴生礦產(chǎn)勘查工作部署提供了科學(xué)依據(jù)，對(duì)于促進(jìn)煤系礦產(chǎn)綜合開(kāi)發(fā)利用、尤其煤系氣的共探共采具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和推動(dòng)作用。

1 鄂爾多斯盆地煤系礦產(chǎn)資源種類及其組合特征

受晚古生代至中生代不同的構(gòu)造和沉積環(huán)境的控制，鄂爾多斯盆地自下而上發(fā)育石炭-二疊系和侏羅系2套含煤巖系。不同含煤巖系賦存著不同的煤系礦產(chǎn)資源種類。鄂爾多斯盆地石炭-二疊紀(jì)煤系主要含煤層段為太原組和山西組，主要分布在西緣桌子山、賀蘭山煤田大部以及寧東煤田北部及韋州、萌城礦區(qū)，東北部準(zhǔn)格爾煤田、河?xùn)|煤田，盆地南部渭北石炭-二疊紀(jì)煤田，煤系礦產(chǎn)資源種類主要有能源礦產(chǎn)煤層氣、煤系頁(yè)巖氣、煤系致密砂巖氣以及金屬礦產(chǎn)鋁土礦/Al2O3、稀散元素鎵、鋰等。鄂爾多斯盆地侏羅紀(jì)煤系主要含煤層段為延安組，分布于盆地西緣寧東、寧南、隴東煤田，以及賀蘭山煤田汝箕溝礦區(qū)，盆地東北部東勝煤田以及盆地南部黃隴煤田，煤系礦產(chǎn)資源種類主要有能源礦產(chǎn)煤層氣、煤系頁(yè)巖氣、油頁(yè)巖、砂巖型鈾礦等。

在平面上，由于賦煤?jiǎn)卧目刂?，煤炭資源全區(qū)發(fā)育，煤系氣資源在東緣最佳，砂巖型鈾礦在盆地東北部最為發(fā)育，油頁(yè)巖主要發(fā)育盆地西緣，在盆地東部地區(qū)略有分布，而煤中金屬元素以盆地東北部以及南部相對(duì)較為富集，煤系非金屬礦產(chǎn)主要分布于盆地東部。垂向上，煤分布于石炭-二疊系太原組、山西組和侏羅系延安組；煤層氣主要產(chǎn)于石炭-二疊紀(jì)煤系，侏羅紀(jì)煤的含氣量實(shí)測(cè)資料比較少，煤田地質(zhì)勘探資料表明，鄂爾多斯盆地侏羅紀(jì)煤層含氣量大多很低，在局部地區(qū)和煤層深部區(qū)，含氣量將增高；煤系頁(yè)巖氣主要產(chǎn)于上古生界山西組；煤系致密砂巖氣主要分布于上古生界山西組和下石盒子組；油頁(yè)巖在早二疊世山西組、中侏羅世早期延安組均有分布；鈾礦主要位于中侏羅統(tǒng)；煤中稀散金屬元素和煤系非金屬礦產(chǎn)主要在石炭-二疊紀(jì)煤系富集。

通過(guò)分析研究區(qū)煤系礦產(chǎn)資源在平面和垂向上的分布特征，結(jié)合原生沉積環(huán)境以及后期構(gòu)造—熱—流體等綜合因素，采用煤系礦產(chǎn)資源工業(yè)分類方法，將鄂爾多斯盆地煤系礦產(chǎn)資源高度概括，查明了鄂爾多斯盆地煤系礦產(chǎn)資源的種類及其時(shí)空分布特征(表1)。

綜合煤系礦產(chǎn)原生沉積環(huán)境以及后期構(gòu)造—熱—流體等因素，劃分了煤—能源礦產(chǎn)—金屬礦產(chǎn)、煤—非金屬礦產(chǎn)、煤—能源礦產(chǎn)3種主要組合大類。在此基礎(chǔ)上，以石炭-二疊紀(jì)與侏羅紀(jì)兩大含煤巖系為主線，根據(jù)不同構(gòu)造單元煤系礦產(chǎn)發(fā)育特點(diǎn)，進(jìn)一步劃分為8種組合類型，包括石炭-二疊紀(jì)煤系(太原組和山西組)礦產(chǎn)資源5種組合類型：鄂爾多斯盆地北部煤—煤系氣—油頁(yè)巖—有益金屬元素組合類型、 鄂爾多斯盆地南部煤—煤層氣—有益金屬元素組合類型、 鄂爾多斯盆地西緣煤—煤系氣—煤中有益金屬元素組合類型、鄂爾多斯盆地東緣煤系氣—煤中Al2O3組合類型、陜北石炭-二疊紀(jì)煤田高嶺土—耐火黏土—鋁土礦組合類型；中侏羅世煤系(延安組)礦產(chǎn)資源3種組合類型：鄂爾多斯盆地北部煤—煤層氣—砂巖型鈾礦組合類型、鄂爾多斯盆地南部煤-煤層氣-煤系頁(yè)巖氣—油頁(yè)巖—砂巖型鈾礦—有益金屬元素組合類型、鄂爾多斯盆地西緣煤系氣—油頁(yè)巖—砂巖型鈾礦組合類型。

表1 鄂爾多斯盆地煤系礦產(chǎn)資源時(shí)空分布一覽表

2 煤系礦產(chǎn)資源(煤系氣)耦合成藏機(jī)制

煤系礦產(chǎn)資源形成的原生條件包括含煤地層沉積時(shí)的構(gòu)造過(guò)程、海平面變化、沉積過(guò)程和氣候條件。這四個(gè)地質(zhì)因素相互作用形成具有特定屬性的地層。其中，構(gòu)造和海平面變化共同作用形成相對(duì)海平面變化，進(jìn)而控制著可容納空間的變化；構(gòu)造和氣候共同作用控制沉積物類型和供給量；沉積物供給又決定了被充填的可容納空間；河流和海流分別與地表和海底作用又決定了填充在可容納空間中的相類型。結(jié)合沉降和構(gòu)造地層分析，層序地層分析可以用來(lái)理解記錄在地層中的受各個(gè)地質(zhì)因素控制的地層特征。由于各個(gè)地質(zhì)因素作用的時(shí)間和空間范圍是確定的，因此，通過(guò)分析地層特征在地層記錄中的時(shí)空分布，并將其與構(gòu)造、海平面變化和沉積作用的時(shí)間和空間范圍進(jìn)行比對(duì)，來(lái)分析研究鄂爾多斯盆地石炭二疊紀(jì)和侏羅紀(jì)含煤地層的層序地層格架、沉積充填演化、煤系(有機(jī))能源礦產(chǎn)發(fā)育的原生控制因素、煤中無(wú)機(jī)礦產(chǎn)的原生成礦條件和煤系礦產(chǎn)資源共存富集的層序地層控制。

從沉積充填和層序地層控制角度，劃分了盆地層序地層格架，探討了盆地充填演化對(duì)煤系礦產(chǎn)形成、賦存和分布的控制(圖1)?！吧轿魇健辫F礦和“G層”鋁土礦賦存在饑餓充填階段早期SS1中，主要來(lái)源于華北克拉通北側(cè)古內(nèi)蒙古隆起火山噴發(fā)形成的火山灰。煤和煤層氣主要賦存在饑餓充填階段晚期SS2高位體系域、平衡充填階段SS3濱岸平原和過(guò)飽和充填階段早期SS4海侵體系域中，對(duì)應(yīng)一級(jí)海平面上升的低位晚期—海侵—高位早期。煤系頁(yè)巖氣主要賦存在平衡充填階段SS3海灣、瀉湖體系中，對(duì)應(yīng)一級(jí)海平面上升的海侵期。煤系致密砂巖氣主要賦存在饑餓—平衡充填階段沉積SS2-3低位體系域以及過(guò)飽和充填階段早期SS4中，前者主要為下切河谷—海灣充填砂巖沉積，后者主要河道和三角洲前緣砂巖沉積。高嶺巖主要賦存在SS1-4下降體系域中，該時(shí)期，二級(jí)相對(duì)海平面下降導(dǎo)致地表暴露遭受風(fēng)化形成風(fēng)化型高嶺巖。

3 盆地構(gòu)造-熱演化歷程及構(gòu)造格局對(duì)煤系礦產(chǎn)資源賦存規(guī)律的控制

盆地的構(gòu)造-熱演化對(duì)煤系礦產(chǎn)資源的形成、運(yùn)(遷)移和聚(富)集成藏具有重要的控制作用。構(gòu)造演化歷程影響含煤巖系的改造程度，在其產(chǎn)生的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)作用下含煤地層發(fā)生變形、變位，形成斷裂和褶皺等構(gòu)造要素，且通常呈現(xiàn)構(gòu)造格局分區(qū)分帶特征，從而決定了煤系礦產(chǎn)資源的空間分布的規(guī)律性。構(gòu)造演化過(guò)程中的構(gòu)造隆升、沉降和構(gòu)造熱事件對(duì)煤系礦產(chǎn)資源的賦存具有重要的控制作用。鄂爾多斯盆地煤系礦產(chǎn)資源的最終定位受盆地現(xiàn)今構(gòu)造格局的控制，盆地主體部分賦煤帶煤系埋藏深度大，且構(gòu)造變形微弱，有利于大面積連續(xù)型煤系氣藏的形成和保存，盆地周緣構(gòu)造變形強(qiáng)度較大，巖漿熱液和地下水流活動(dòng)性強(qiáng)，并靠近物源區(qū)，有利于煤系金屬元素、鈾元素的遷移和富集。構(gòu)造運(yùn)動(dòng)所形成的不同形態(tài)的地質(zhì)構(gòu)造，其不同的部位、不同的力學(xué)性質(zhì)和封閉情況對(duì)煤系礦產(chǎn)資源的賦存或逸散具有不同的作用，封閉性地質(zhì)構(gòu)造有利于煤系氣的賦存，開(kāi)放性的地質(zhì)構(gòu)造則有利于煤系金屬礦產(chǎn)、砂巖型鈾礦的形成。

4 鄂爾多斯盆地煤系氣賦存特征及煤中“三稀”礦產(chǎn)分布規(guī)律

鄂爾多斯盆地煤系泥巖TOC太原組平均4.1%，山西組平均3.0%。有機(jī)質(zhì)類型豐富，以Ⅱ2型和Ⅲ型干酪根為主。石炭-二疊紀(jì)煤層煤級(jí)高，為氣煤-無(wú)煙煤，Ro主要分布在0.5%～2.0%，局部受巖漿熱變質(zhì)作用的疊加，尤其是盆地西緣，Ro變化在1.0%～4.0%；侏羅紀(jì)煤層煤級(jí)低，以長(zhǎng)焰煤為主，Ro主要分布在0.40%～0.75%。煤系泥巖太原組Ro平均1.5%，山西組平均1.46%。煤巖孔隙度集中分布于4%～7%。滲透率從0.007×10-3～4.84×10-3μm2均有分布。太原組泥頁(yè)巖孔隙度略高，平均為4.7%，山西組為4%。泥頁(yè)巖中微孔隙和裂縫發(fā)育；上古生界泥頁(yè)巖滲透率相對(duì)較低，主要集中在0.02×10-3～0.2×10-3μm2。太原組砂巖孔隙度為0.5%～13.1%，滲透率為0.000 52～34.8 mD，山西組砂巖孔隙度為0.3%～19.1%，滲透率為0.000 52～71 mD。儲(chǔ)集空間以粒間孔、溶蝕孔為主，次為晶間孔， 還有少量的微裂隙和壓縮孔。

圖1 鄂爾多斯盆地上古生界層序演化與煤系礦產(chǎn)分布Figure 1 Upper Paleozoic sequence evolution and coal measures mineral resources distribution in Ordos Basin

延安組砂巖主要分布在盆地中北部和西南緣，厚度較大，孔隙度主要分布在10.9%～15.1%，滲透率主要分布在0.84～5.67 mD，儲(chǔ)集空間以粒間孔為主，其次為次生孔。

從有機(jī)質(zhì)豐度、類型、成熟度、儲(chǔ)層物性、生儲(chǔ)蓋組合等方面論證了鄂爾多斯盆地石炭-二疊紀(jì)煤系和侏羅紀(jì)煤系具有良好的煤系非常規(guī)氣發(fā)育條件和資源潛力，受原生沉積條件、盆地?zé)嵫莼蜆?gòu)造格局的控制，煤系非常規(guī)氣勘查目標(biāo)具有明顯的時(shí)空差異。盆地東緣石炭-二疊紀(jì)煤系發(fā)育煤層氣與致密氣組合，盆地中部以煤系致密氣為主，盆地南部和西部中侏羅世煤系低煤階煤層氣有較好的資源前景、盆地北部深層石炭-二疊紀(jì)煤系具有煤層氣—頁(yè)巖氣—致密氣組合。

與世界煤中均值比較，鄂爾多斯盆地石炭-二疊紀(jì)煤中Li、Ga、REY、Al2O3整體上屬于輕度富集狀態(tài)(CC>2)，侏羅紀(jì)煤中元素絕大部分處于正?；蛱潛p狀態(tài)。由于地下水等流體的淋濾作用，煤層頂?shù)装逯薪饘僭睾客ǔ８哂诿簩又薪饘僭睾?。受物源、沉積、構(gòu)造-熱演化等因素控制，煤中“三稀”礦產(chǎn)具有顯著的時(shí)空分布差異，垂向上，石炭-二疊紀(jì)煤高于侏羅紀(jì)煤，山西組煤高于太原組煤；平面上Li、Ga、REY、Al2O3呈北高南低的總體趨勢(shì)，且主要富集于盆地周緣地帶。Ga和Li元素以物理吸附方式賦存在黏土礦物中。黃鐵礦、石英與頂?shù)装逯蠫a和Li表現(xiàn)出明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系。REY與黏土礦物、方解石等表現(xiàn)出微弱的正相關(guān)關(guān)系， REY除了以無(wú)機(jī)態(tài)賦存外，還可能與有機(jī)質(zhì)締合。

5 煤系礦產(chǎn)資源耦合成礦模式

鄂爾多斯盆地蘊(yùn)含豐富的煤系礦產(chǎn)資源，煤、煤系氣、砂巖型鈾礦、煤系金屬礦產(chǎn)以及煤系非金屬礦產(chǎn)，且每種礦產(chǎn)均具有獨(dú)特的成礦機(jī)理，隨著盆地的構(gòu)造-熱演化過(guò)程，逐步在盆地內(nèi)富集成礦，經(jīng)過(guò)后期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的改造，最終在盆地不同的賦煤構(gòu)造單元和不同的地質(zhì)層位上定位成藏，構(gòu)成了現(xiàn)今盆地多種煤系礦產(chǎn)資源組合類型。而煤系各礦產(chǎn)資源在形成、運(yùn)移、改造、成藏的過(guò)程中，在時(shí)間結(jié)點(diǎn)和空間位置上表現(xiàn)出緊密的相關(guān)性，因此各礦產(chǎn)的成因和分布有機(jī)結(jié)合，彼此影響、耦合成礦[3，35]。

盆地的構(gòu)造-熱演化過(guò)程是煤系礦產(chǎn)資源耦合成礦的關(guān)鍵，主要體現(xiàn)在成礦時(shí)間和空間位置的耦合性。盆地穩(wěn)定沉降階段是煤系有機(jī)礦產(chǎn)形成的重要時(shí)期，無(wú)機(jī)礦產(chǎn)則主要形成于盆地的構(gòu)造活動(dòng)階段，且二者在盆地構(gòu)造-熱演化的地質(zhì)作用下，成礦母質(zhì)、成礦環(huán)境、成礦期以及賦存層位等方面均表現(xiàn)出明顯的相關(guān)性和耦合性，在盆地多旋回演化-改造過(guò)程中的關(guān)鍵變革時(shí)期表現(xiàn)的更為明顯，是煤系礦產(chǎn)資源耦合成礦的關(guān)鍵時(shí)期。鄂爾多斯盆地煤系礦產(chǎn)的大規(guī)模耦合成礦發(fā)生在燕山運(yùn)動(dòng)中晚期(J3—K1)構(gòu)造-熱變革期(圖2)，顯著的構(gòu)造熱事件不僅可以提高煤系烴源巖的變質(zhì)程度，促進(jìn)生排烴，而且可以為煤系金屬礦產(chǎn)的形成運(yùn)移提供物源；構(gòu)造應(yīng)力、熱應(yīng)力和深源流體壓力為煤系氣和金屬元素的運(yùn)移提供了驅(qū)動(dòng)力，促使巖石產(chǎn)生大量裂縫，構(gòu)成煤系礦產(chǎn)資源有利的運(yùn)移通道。

6 煤系礦產(chǎn)資源潛力及綜合礦產(chǎn)有利區(qū)帶劃分

以鄂爾多斯盆地石炭-二疊紀(jì)和侏羅紀(jì)煤系為對(duì)象，依據(jù)相關(guān)計(jì)算規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，初步估算了2 000 m以淺煤系氣和局部礦區(qū)煤系鎵元素等主要煤系礦產(chǎn)資源量。2 000 m以淺煤層氣資源量為86 276.44×108m3，煤系頁(yè)巖氣72 330.44×108m3，煤系砂巖氣18 875.87×108m3，煤中鎵元素44.97萬(wàn)t(只含準(zhǔn)格爾和渭北石炭二疊紀(jì)煤田)。根據(jù)煤系氣的資源量分級(jí)結(jié)果或煤中元素含量的分級(jí)結(jié)果，結(jié)合開(kāi)采地質(zhì)條件分類，以礦區(qū)為單元，采用煤系礦產(chǎn)有利區(qū)評(píng)價(jià)方法，最終優(yōu)選出7個(gè)有利區(qū)，17個(gè)較有利區(qū)，29個(gè)次有利區(qū)。其中7個(gè)有利區(qū)分別為準(zhǔn)格爾煤中Li-Al2O3-Ga-REY與煤層氣有利區(qū)、河保偏煤系氣與煤中Al2O3有利區(qū)、離柳煤系氣與煤中Al2O3有利區(qū)、吳堡煤系氣有利區(qū)、石隰煤系氣有利區(qū)、鄉(xiāng)寧煤系氣有利區(qū)、韓城煤系氣有利區(qū)(圖3)。

圖2 鄂爾多斯盆地煤系礦產(chǎn)成礦演化史Figure 2 Coal measures mineral resources mineralization evolution history in Ordos Basin

圖3 鄂爾多斯盆地煤系礦產(chǎn)資源綜合評(píng)價(jià)有利區(qū)Figure 3 Coal measures mineral resources comprehensively assessed favorable areas in Ordos Basin

7 結(jié)論

(1)通過(guò)分析研究區(qū)煤系礦產(chǎn)資源在平面和垂向上的分布特征，結(jié)合原生沉積環(huán)境以及后期構(gòu)造—熱—流體等綜合因素，查明了鄂爾多斯盆地煤系礦產(chǎn)資源的種類及其共生組合特征，劃分了煤—能源礦產(chǎn)—金屬礦產(chǎn)、煤—非金屬礦產(chǎn)、煤—能源礦產(chǎn)3種主要組合大類和8種組合類型。

(2)恢復(fù)了盆地構(gòu)造-熱演化史和古地理環(huán)境，劃分了盆地層序地層格架，探討了各級(jí)層序旋回、盆地構(gòu)造-熱演化及構(gòu)造格局對(duì)煤系礦產(chǎn)形成、賦存、分布的控制，從沉積原生條件和構(gòu)造控礦角度，建立了鄂爾多斯盆地煤系礦產(chǎn)資源耦合成礦模式。

(3)以盆地石炭-二疊紀(jì)和侏羅紀(jì)煤系為對(duì)象，依據(jù)相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，初步估算了2 000 m以淺煤系氣和局部礦區(qū)煤系鎵元素等主要煤系礦產(chǎn)資源量，采用煤系礦產(chǎn)有利區(qū)評(píng)價(jià)方法，從煤系礦產(chǎn)資源共生組合和綜合評(píng)價(jià)角度，以礦區(qū)為單元，劃分了盆地煤系礦產(chǎn)資源有利區(qū)帶， 優(yōu)選出7個(gè)有利區(qū)， 17個(gè)較有利區(qū)。

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