馬小平,雷國民,肖 鴻

(1.吐魯番金源礦冶有限責任公司,新疆 吐魯番 838200;2.新疆地礦局第一地質大隊,新疆 昌吉 831100;3.中國地質大學構造與油氣資源教育部重點實驗室,湖北 武漢 430074;4.新疆地質礦產勘查開發(fā)局,新疆 烏魯木齊 830000)

和什托洛蓋煤田位于準噶爾盆地的西北緣,是一個獨立的小型山間斷陷式盆地[1-2]。東西長約200km,南北寬10～40km,總面積6388km2(圖1)。近年來開展了大規(guī)模的煤炭勘查工作,探獲煤炭資源總量達1100×108t。盆內大部區(qū)域構造簡單,地層傾角平緩,多發(fā)育寬緩的背斜和向斜,斷裂構造不甚發(fā)育。目前主要勘探層位為中侏羅統(tǒng)西山窯組,其次為下侏羅統(tǒng)八道灣組。近年來,國內學者逐步將在近海相煤系層序地層學研究中取得的成果引入到了內陸湖相聚煤盆地。顧家裕[3]首次提出陸相盆地層序地層格架概念及模式,李思田和林暢松等[4]將層序地層學理論應用于鄂爾多斯盆地下侏羅統(tǒng)煤系地層延安組。王雙明和張玉平[5]從構造演化角度對鄂爾多斯侏羅系煤系地層聚煤規(guī)律進行了研究。莊新國和周繼兵等[6-7]對伊犁盆地和準噶爾盆地聚煤作用的層序地層學研究也表明構造沉降、湖平面變化、古氣候條件、沉積物供給以及古地貌等因素共同控制陸相聚煤盆地煤系地層的發(fā)育和煤巖層的層序地層分布。

本文綜合利用區(qū)內大量的鉆井巖芯和測井曲線資料,應用層序地層學與沉積學理論和方法,對和什托洛蓋煤田中侏羅統(tǒng)西山窯組層序地層特征、沉積體系類型及聚煤作用控制因素進行研究，以期為區(qū)域煤田勘查開發(fā)提供指導。

1 層序地層特征

1.1 層序界面特征

根據(jù)層序界面的識別特征[8-9],通過鉆井巖芯標定和測井曲線分析,和什托洛蓋煤田中侏羅統(tǒng)西山窯組共識別出1 個二級層序界面(SB3),2 個三級層序界面(SB1 和SB2)(圖2)。SB1 作為西山窯組與三工河組的分界面,鉆井巖芯顯示該界面為整合接觸,界面之上多發(fā)育辮狀河砂礫巖和中粗砂巖,多見對三工河組淺湖相泥巖沖刷侵蝕。在測井曲線上地層的分界也有規(guī)律,一般在西山窯組底部發(fā)育1～2 層砂巖,厚度在1～3m之間,密度達到2.7g/cm3,電阻率曲線峰值常為全孔最大,均呈尖峰異常顯示,界限兩側電阻率曲線呈明顯臺階狀,具突變面。SB2是西山窯組上、下段的整合分界面,在鉆井巖芯上分界面處巖性表現(xiàn)截然不同,上部辮狀河道厚層中粗砂巖直接覆蓋于下部三角洲平原粉砂巖、泥巖或煤層之上,為西山窯組內部的沉積相轉換面。測井曲線在地層的分界處規(guī)律也比較明顯,電阻率曲線與自然伽馬曲線均呈明顯的臺階,表現(xiàn)突變特征。SB3是西山窯組和上覆地層頭屯河組的構造運動區(qū)域不整合面,對應燕山運動I 幕。在鉆井巖芯上,該界面上下巖性、地層顏色表現(xiàn)出極大不同,界面之上地層多表現(xiàn)為風化殼和古土壤層,顏色顯示偏氧化環(huán)境的黃褐色、雜色等,接近層序界面處多發(fā)育砂礫巖,界面之下多發(fā)育偏還原環(huán)境的灰色、灰黑色泥巖、炭質泥巖和煤層,界面處多見砂礫巖對下部泥巖或煤層的侵蝕沖刷。測井曲線上頭屯河組巖層平均電阻率和自然伽馬值稍低于西山窯組含煤段地層,電阻率平均值差20～30Ω·m,自然伽馬平均值差10API左右。頭屯河組底部砂礫巖的電阻率曲線有明顯的高異常,與上部巖層電阻率平均差50～60Ω·m,形成一明顯的臺階。

圖2 和什托洛蓋煤田100ZK1井層序地層及沉積體系劃分

1.2 體系域特征

層序內部體系域的劃分是在識別初始洪泛面(fs)和最大洪泛面(mfs)的基礎上進行的[10-11](圖3)。SQ1層序各體系域由盆內向邊緣逐步缺失。初始湖泛面上下巖性變化較大,界面之下為辮狀河粗粒沉積物,之上為濱淺湖細粒沉積物。最大湖泛面界面下發(fā)育淺湖相厚層泥巖,界面之上發(fā)育河道粗砂巖。低位體系域位于初始湖泛面之下,盆地基底隆升,湖平面較低,巖性主要為灰色塊狀層理砂礫巖、含礫粗砂巖和交錯層理中細砂巖,屬于河道滯留和河道砂壩側向遷移沉積,以進積方式為主。湖侵體系域形成于湖平面的迅速擴張和盆地基底沉降加快期,以退積式沉積方式為主。下部巖性以薄層狀細砂巖和粉砂巖為主,粒度向上變細,頂部發(fā)育淺湖相泥巖和煤層。高位體系域形成于沉積物供給速率略大于湖平面上升速率時的相對高位湖退期,主要發(fā)育了反映湖盆萎縮的進積或加積沉積組合樣式。底部以灰色交錯層理中粗砂巖為主,夾大量炭屑,粒度向上變細,中上部往往發(fā)育薄—中厚煤層,夾炭質泥巖和泥巖。

SQ2 初始湖泛面之下為辮狀河厚層中粗砂巖,之上為濱淺湖相粉砂巖、粉砂質泥巖或煤層。最大湖泛面之下發(fā)育濱淺湖厚層泥巖或煤層,界面之上可見河道中粗砂巖沉積。低位體系域巖性主要為灰色交錯層理中砂巖,局部為細砂巖,含大量炭屑及煤巖透鏡體,以進積的河道滯留沉積為主,頂部為河道邊緣細粒沉積。湖侵體系域下部以薄層狀粉砂巖、粉砂質泥巖為主,向上總體變細,頂部發(fā)育淺湖相泥巖、炭質泥巖及薄—中厚煤層。高位體系域底部主要為灰色交錯層理中細砂巖夾粉砂巖,中上部往往發(fā)育巨厚煤層,夾大段發(fā)育水平紋理的淺湖相泥質粉砂巖和泥巖。

1.3 沉積相類型及特征

通過對西山窯組沉積特征分析,識別出辮狀河沉積體系、辮狀河三角洲沉積體系和湖泊沉積體系（表1）。

表1 和什托洛蓋煤田西山窯組沉積體系一覽表

2 聚煤控制因素分析

2.1 構造沉降對煤炭聚集的控制

構造沉降為盆地沉積充填提供了有利條件,構造沉降使可容納空間增加,沉積物在堆積過程中免受后期剝蝕破壞,可以完整的保存下來。穩(wěn)定的構造沉降對泥炭沼澤的堆積和保存來說非常關鍵。若地下水位不變,泥炭堆積大于構造沉降速率時,暴露在空氣中的泥炭層表面將被氧化,富營養(yǎng)沼澤逐漸向凸起的貧營養(yǎng)沼澤轉化,沼澤發(fā)育終止不利于成煤；反之過快的構造沉降速率將導致可容空間增長速率遠遠大于泥炭堆積速率,泥炭沼澤區(qū)被水體淹沒轉化為湖泊環(huán)境[8]。由此可見穩(wěn)定的構造沉降為成煤提供了必要條件。和什托洛蓋盆地為典型的走滑伸展型盆地,盆地南緣左行走滑的達爾布特斷裂對盆地的構造演化起著重要的作用[2]。該斷裂的活動具有幕式性,在經(jīng)歷了三工河期的弱活動期后,西山窯期活動突然加劇。研究區(qū)西部不僅沉降幅度加大,物源供給也明顯增多,使其在西山窯期成為沉積中心,而東部地層則相應較薄。為探討構造沉降與煤炭聚集的規(guī)律,將SQ1 和SQ2 期總煤層厚與總煤層數(shù)分別對地層厚度做散點圖進行分析。

由圖4 可明顯看出SQ1 期和SQ2 期,無論總煤層厚還是總煤層數(shù)皆與地層厚度呈明顯的正比關系,即地層厚度高的區(qū)域總煤層厚與總煤層數(shù)也高,地層厚度小的區(qū)域總煤層厚與總煤層數(shù)也小,盆地沉積中心也是成煤中心?？扇菁{空間和沉積物供給速率變化密切相關。在陸相盆地中可容納空間增長速率與沉積物供給速率若皆快,且兩者的比值接近,則是成煤的最好條件,反之若兩者之間速率不平衡則不利于成煤。研究區(qū)SQ1和SQ2時期,盆地兩側斷層活動加劇,導致盆地西部物源供給迅速增加以及盆心沉降速率加快。同時由于盆緣地區(qū)可容納空間較小,很容易就被粗粒碎屑物填滿,不僅地層發(fā)育較薄,粗質碎屑沉積的淺水環(huán)境也不利于煤層的發(fā)育,所以盆地南、北緣地區(qū)地層厚度普遍較薄且煤層發(fā)育不佳。但隨著物源往盆地內部不斷進積,盆內可容納空間逐漸增大,而物源依然較強烈,地層厚度相應變厚,碎屑物顆粒明顯變細,適宜的水深環(huán)境,造就了良好的成煤環(huán)境,發(fā)育了多套厚煤層。

圖4 總煤層厚、總煤層數(shù)與地層厚度關系圖

2.2 沉積體系對煤炭聚集的控制

研究區(qū)西山窯組煤層底板巖相特征表明,沼澤煤層不僅可以發(fā)育在辮狀河流、辮狀河三角洲沖積平原區(qū),也可以發(fā)育于濱淺湖區(qū),煤層底板可以是河道粗碎屑巖,也可以是淺湖相泥巖,說明下伏沉積體系對泥炭沼澤發(fā)育沒有直接聯(lián)系,只是沼澤發(fā)育的基礎,而與泥炭沼澤同期發(fā)育的沉積體系才對聚煤作用有較大影響。研究區(qū)西山窯時期沉積環(huán)境主要為辮狀河、辮狀河三角洲和湖泊。河流河道的大量發(fā)育對泥炭沼澤發(fā)育不利,泥炭沼澤往往發(fā)育在遠離河流河道的洪泛平原或濱淺湖區(qū),這在研究區(qū)表現(xiàn)很明顯。為探討沉積環(huán)境與煤的聚集關系,用SQ1 和SQ2 期總煤層厚和總煤層數(shù)分別對含砂率做散點圖進行分析。

由圖5 可看出,SQ1 和SQ2 期總煤層厚、總煤層數(shù)與含砂率對應關系特征相似,即在含砂率大于0.6和小于0.1的區(qū)間,總煤層厚和總煤層數(shù)數(shù)值較小。在含砂率大于0.1、小于0.6的區(qū)間,總煤層厚和總煤層數(shù)數(shù)值較高,并在含砂率為0.55左右時出現(xiàn)最高值,只有SQ1期總煤層厚有一最高值出現(xiàn)在含砂率0.7 左右。以上特征反映沉積體系對聚煤影響很大,含砂率值大于0.6普遍被認為是辮狀河道環(huán)境,水動力過強,對與煤層的保存和富集起著破壞性的作用,所以在含砂率大于0.6后,總煤層厚和總煤層數(shù)數(shù)值皆變小。但局部含砂率高于0.6 的地區(qū),同時出現(xiàn)總煤層厚最高值,則可能為辮狀河道之間的洪泛平原區(qū)域,故而煤層也較厚。含砂率值小于0.1主要歸為深湖—半深湖環(huán)境,水體深度過大,不利于煤層的發(fā)育。含砂率值從0.1 到0.6 之間主要為濱淺湖—三角洲平原相環(huán)境,水動力條件和水體深度適宜,極有利于煤炭的富集和保存,總煤層厚和總煤層數(shù)的數(shù)值主要出現(xiàn)在這一區(qū)間內,可見處于盆緣和盆心之間的濱淺湖—三角洲平原環(huán)境是煤炭發(fā)育的最佳場所。

圖5 總煤層厚、總煤層數(shù)與含砂率關系圖

2.3 體系域對煤炭聚集的控制

陸相盆地的三級層序通?？梢詣澐殖鋈齻€體系域:低位體系域、湖擴體系域和高位體系域。各個體系域沉積過程和特征不相一致,對煤層的發(fā)育也有著不同的影響。在基準面旋回理論基礎上,可開展體系域與和什托洛蓋煤田西山窯組煤炭聚集規(guī)律之間關系的討論。低位體系域階段,由于基準面下降,盆地北緣處于基準面之上,受到風化剝蝕,只在盆地較中心處接受沉積,總體以辮狀河道沉積為主。由于可容納空間較小,物質來源豐富,導致盆地處于過飽和狀態(tài),水體太淺,不利于泥炭沼澤的發(fā)育,煤炭發(fā)育極少。研究區(qū)SQ1和SQ2層序的低位體系域內皆未出現(xiàn)可采煤層。湖擴體系域階段,湖平面擴大,基準面上升,湖盆邊緣卸載較粗粒的碎屑物,濱湖和淺湖地帶沉積細粒沉積物。若可容納空間的增長速率與泥炭的堆積速率增長皆較快且比值相近,在濱淺湖地帶就會形成泥炭沼澤并發(fā)育煤層。研究區(qū)SQ2 層序湖擴時期,可容納空間增長迅速,物質來源也豐富,其湖擴體系域內發(fā)育了多套煤層。高位體系域時期,湖平面變化相對穩(wěn)定,時升時降,但總的趨勢是從最大湖泛面開始逐漸下降。湖平面的回落影響基準面使其與之共同下降,暴露在基準面以上的區(qū)域越來越多,物源供給也逐漸增加。由于盆內可容納空間增大,且大量豐富的物源隨水流向前遷移,隨著流速降低而發(fā)生沉積,三角洲平原向湖盆中央方向不斷擴大,隨著基底的持續(xù)穩(wěn)定沉降,泥炭的堆積速率和可容空間增加速率處于持續(xù)平衡狀態(tài),萎縮的湖盆開始淤淺,形成了廣泛發(fā)育的厚煤層。而在盆地北部距物源較近區(qū)域,局部煤層被后期的河道砂體侵蝕沖刷,如研究區(qū)SQ2層序的高位體系域,發(fā)育巨厚煤層,與頂部砂體沖刷接觸。

3 結論

(1)和什托洛蓋煤田中侏羅統(tǒng)西山窯組可劃分為兩個三級層序(SQ1 和SQ2),發(fā)育低位體系域、湖擴體系域和高位體系域三個完整的體系域。主要發(fā)育辮狀河、辮狀河三角洲和湖泊三種沉積體系類型。

(2)煤層的發(fā)育與構造沉降、沉積體系和體系域類型密切相關。將基準面旋回理論運用于聚煤規(guī)律的研究,認為可容納空間增長速率與物源供給速率相近的濱淺湖—三角洲相環(huán)境有利于成煤,低位體系域內煤層不發(fā)育,高位體系域中晚期是煤炭發(fā)育的最佳時期。