黃興龍，梁圣建，王平麗，劉佳敏，李增學(xué)，馮 凱，李旭超

（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.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

中國的能源資源特征是富煤、貧油和少氣，研究推測預(yù)計到2025 年中國的能源消費總需求將達(dá)到55 億t 至56 億t 標(biāo)準(zhǔn)煤。其中，煤炭的能源消費需求預(yù)計達(dá)到28 億t 至29 億t 標(biāo)準(zhǔn)煤，將占能源消費總需求的50%～52%，這種狀況決定了未來相當(dāng)長一個時期內(nèi)煤炭資源依然是國家能源生產(chǎn)與消費的主體［1-2］。

含煤巖系沉積學(xué)的研究由來已久，在一代又一代學(xué)者堅持不懈的努力下，其理論體系與方法的研究越來越成熟，大致經(jīng)歷了旋回層、沉積模式和層序地層學(xué)三個研究時期。在層序地層學(xué)理論的影響下，我國學(xué)者對近海型含煤巖系層序地層的理論方法作了大量研究，提出了幕式聚煤作用、海侵事件成煤、海侵過程成煤、海相層滯后階段聚煤等理論［3-7］。現(xiàn)如今，作為一種年代地層格架分析方法，層序地層學(xué)在含煤巖系巖相古地理、聚煤規(guī)律、聚煤模式、超厚煤層成因機(jī)制、煤相、煤層氣資源評價等方面均得到了廣泛應(yīng)用［5，8-13］。由于不同煤層的煤巖類型、礦物組成及化學(xué)元素組成存在差異，因而可以通過對煤巖煤質(zhì)的研究，分析區(qū)內(nèi)物源、沉積環(huán)境、氣候和水動力條件，從而確定成煤環(huán)境［14-15］。煤的顯微組分通?？梢苑譃槿蠼M，分別是鏡質(zhì)組、殼質(zhì)組和惰質(zhì)組，常用于劃分煤相類型［16-19］。GI 指數(shù)（凝膠化指數(shù)）和TPI 指數(shù)（結(jié)構(gòu)保存指數(shù)），可用GI-TPI 圖解來反映泥炭沼澤的沉積環(huán)境［20］。

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，從煤層累計厚度的角度，揭示了富煤帶分布規(guī)律。由于研究區(qū)地處盆地邊緣，煤系沖積沉積比較發(fā)育，導(dǎo)致聚煤規(guī)律比較復(fù)雜，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(jìn)一步勘探提供一定指導(dǎo)。

1 地質(zhì)概況

1.1 研究區(qū)位置

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，區(qū)為一不規(guī)則多邊形（圖1）。

圖1 研究區(qū)位置Figure 1 Location of the research area

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(qiáng)烈作用，區(qū)內(nèi)上部地層遭受剝蝕。地層自下而上依次發(fā)育有三疊系（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

1.2.1 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(xì)粒砂巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖，局部發(fā)育薄煤層。砂巖主要以石英、長石為主。發(fā)育槽狀交錯層理、板狀交錯層理。

1.2.2 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。巖性主要以粒度粗細(xì)不同的一套灰白色、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，該組含較豐富的植物化石，地層產(chǎn)狀平緩3°～5°，與下部延長組（T3y）呈不整合接觸。

1.2.3 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(xì)粒砂巖，有少部分中粒砂巖。

1.2.4 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，顏色以紫紅色為主，灰綠色次之，夾灰黃色、黃綠色等色礫巖、砂礫夾砂巖透鏡體及少量泥巖薄層。上部以細(xì)、中粒礫巖為主，中部以中、粗礫巖為主，下部以粗、巨粒礫巖為主。膠結(jié)疏松、易碎，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(xì)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。成分主要是長石石英砂巖，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。

1.2.5 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(qiáng)。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。

2 沉積體系

東勝煤田延安組的沉積主要是陸相沉積，研究區(qū)內(nèi)沉積體系較單一，主要發(fā)育河流沉積體系。河流沉積體系中可進(jìn)一步識別出曲流河沉積體系以及辮狀河沉積體系，曲流河主要發(fā)育在延安組沉積中后期，辮狀河主要發(fā)育在延安組沉積早期，不同河流沉積體系的亞相和微相見表2。

表2 研究區(qū)延安組沉積相類型Table 2 Sedimentary facies types of Yan’an Formation in the study area

2.1 辮狀河沉積

辮狀河是一種河流彎曲度小于1.5 的多河道河流，其河道分岔參數(shù)大于1。辮狀河的特點是河床流速急、對河岸侵蝕快，河道寬而淺，一般較直但不穩(wěn)定，河道側(cè)向遷移迅速，激蕩不定，所以辮狀河又被稱為激蕩性河流。辮狀河一般出現(xiàn)在山區(qū)或河流上游地區(qū)及沖積扇上。辮狀河流的負(fù)載大，主要是粗底負(fù)載，懸移負(fù)載相對較少，其水流不斷分叉匯合，發(fā)育心灘，不發(fā)育邊灘，沉積物一般較粗，以礫石和砂質(zhì)沉積為主，自然伽馬曲線表現(xiàn)為頂?shù)淄蛔兊南錉睿▓D2）。在橫向上，辮狀河砂體分布范圍較寬，垂向上呈現(xiàn)出正粒序，但由于沉積物整體較粗，粒序變化不明顯，粒序的變化反映了洪泛事件能量大小的波動以及發(fā)生洪泛事件所攜帶沉積物的粗細(xì)［20-21］。在研究區(qū)內(nèi)辮狀河沉積體系主要發(fā)育在延安組的下部，可識別出兩個沉積亞相：河道和河漫。

圖2 研究區(qū)延安組典型沉積相a.辮狀河（孔號：25-3）；b曲流河（孔號：ZK9）Figure 2 Typical sedimentary facies of Yan’an Formation in the study area

2.2 曲流河沉積

曲流河彎曲度一般大于1.5，所以又稱蛇曲河，是一種高彎度單河道河流。其通常出現(xiàn)在河流的中下游以及平原地區(qū)，辮狀河則多分布在上游。比起辮狀河，曲流河沉積物粒度更細(xì)，河道坡降緩，流速慢，水流變化小，遷移更穩(wěn)定，更有規(guī)律，河道主要是側(cè)向侵蝕，并在凸岸發(fā)育邊灘，河道砂巖的自然伽馬曲線形態(tài)表現(xiàn)為松塔形，向上曲線幅值逐漸減?。▓D2b）。研究區(qū)內(nèi)的曲流河沉積體系主要發(fā)育在延安組二段到五段，可識別出河道、堤岸和河漫三個沉積亞相。

3 成煤環(huán)境分析

3.1 顯微組分與成煤環(huán)境

顯微煤巖組分是良好的成煤環(huán)境指標(biāo)，成煤植物在偏還原環(huán)境下經(jīng)凝膠化作用形成鏡質(zhì)組，在偏氧化環(huán)境下經(jīng)絲炭化作用形成惰質(zhì)組［22］。研究區(qū)煤層自下而上鏡質(zhì)組含量先增加再減少再增加，惰質(zhì)組含量先減少再增加再減少，鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組總量變化不大，占煤層有機(jī)顯微組分的大部分，它們之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系（圖3）。

圖3 東勝煤田延安組主采煤層顯微煤巖組分含量對比Figure 3 Comparison of the content of microscopic coal and rock components in the main coal seam of Yan’an Formation in Dongsheng Coalfield

許福美等學(xué)者將鏡惰比按大小不同劃分為四種成因類型：I 類，當(dāng)V/I＜0.25 時，為干燥-極干燥環(huán)境；Ⅱ類，當(dāng)0.25＜V/I＜1 時，為潮濕—弱覆水環(huán)境；Ⅲ類，1＜V/I＜4，為極潮濕-覆水環(huán)境；Ⅳ類，當(dāng)V/I＞4，為強(qiáng)覆水環(huán)境［23-24］。研究區(qū)各煤層平均鏡惰比為1.25，指示整體氣候溫暖濕潤。自下而上煤層鏡惰比先增加再減少再增加，4-2煤層的平均鏡惰比最高，5-1煤層的平均鏡惰比最低（圖4）。依據(jù)前面所提到的鏡惰比分類，研究區(qū)5-1煤層屬于潮濕-弱覆水環(huán)境，4-1、4-2和3-2、3-1煤層整體屬于極潮濕-覆水環(huán)境。

圖4 東勝煤田延安組主采煤層鏡惰比分布Figure 4 Layout of the main coal seam of Yan’an Formation in Dongsheng Coalfield

鏡惰比可以很好地反映成煤環(huán)境中泥炭沼澤的覆水程度和氧化還原程度［25］，層序一高位體系域5-1煤鏡惰比較低，反應(yīng)覆水環(huán)境較淺，演化到層序二湖侵體系域的4-2、4-1煤鏡惰比均大于1，表明煤層覆水環(huán)境由淺到深，還原性由小變大的成煤環(huán)境趨勢；之后從4-1煤到3-2、3-1煤鏡惰比先降低到1 附近后又上升到大于1（圖4），反應(yīng)煤層覆水環(huán)境由深到淺再到深，還原性由大變小再變大的成煤環(huán)境趨勢，河漫灘上的泥炭沼澤是研究區(qū)煤層的主要形成環(huán)境，成煤環(huán)境為淡水成煤環(huán)境，受河流作用影響，水面波動頻繁，弱還原與弱氧化交替出現(xiàn)。

3.2 灰成分與成煤環(huán)境

煤的灰分主要以Si、Fe、Al、Ca、Mg 等元素的氧化物表示，可作為聚煤環(huán)境分析的成因標(biāo)志之一［26］。煤灰成分與煤中礦物的種類和數(shù)量有一定的相關(guān)性，對恢復(fù)成煤環(huán)境具有重要的指導(dǎo)意義。根據(jù)測試結(jié)果，各煤層煤灰成分以SiO2、CaO 為主，其次SO3、Al2O3。SiO2平均含量在28.90%～36.02%之間，CaO 平均含量在22.79%～32.38%，SO3平均含量在9.62%～13.11%，Al2O3在11.38%～14.4%（圖5、表3）。平均含量較少的Fe2O3在5.96%～8.78%，MgO在3.42%～3.96%。其他TiO2、Na2O、K2O 及P2O5平均含量均低于2%。由圖5可以看出，不同煤層的煤灰成分含量的分布趨勢幾乎一致，SiO2和CaO 含量最高，這揭示了研究區(qū)各煤層的無機(jī)組分很有可能來自于相同的物源區(qū)。

表3 東勝煤田延安組主采煤層灰分含量Table 3 Ash content of the main coal seams of Yan’an Formation，Dongsheng Coalfield %

圖5 東勝煤田延安組主采煤層灰分分布Figure 5 Ash distribution of main coal seam of Yan’an Formation in Dongsheng Coalfield

煤中灰分成因主要以陸源碎屑成因為主，陸源碎屑成因的礦物質(zhì)主要是以碎屑或膠體的形式由水流搬運到泥炭沼澤并和成煤植物堆積在一起，煤層灰分高低與基底沉降及沼澤環(huán)境密切相關(guān)。郝吉生等曾采用灰分端員分析法及灰分比值的相對大小來反映成煤環(huán)境，若SO3/Fe2O3比值偏低，則反映煤中鐵質(zhì)礦物以菱鐵礦為主，黃鐵礦含量低，指示淡水介質(zhì)弱氧化-弱還原環(huán)境，常為沖積平原、三角洲平原和其它內(nèi)陸淺水盆地泥炭沼澤環(huán)境的典型特征［27］。研究區(qū)各煤層SO3/Fe2O3比值均小于2，結(jié)合沉積相分析其成煤環(huán)境正是河流沖積平原形成的泥炭沼澤。另一方面，研究區(qū)灰分CaO/MgO 的比值均大于5，其高值則指示煤中礦物質(zhì)以方解石及腐殖酸鈣鹽為主，反映溫暖潮濕—半潮濕氣候條件（圖6）。

圖6 東勝煤田延安組主采煤層灰分中CaO/MgO和SO3/Fe2O3分布Figure 6 Distribution of CaO/MgO and SO3/Fe2O3 in ash of main coal seam of Yan’an Formation，Dongsheng Coalfield

3.3 硫分與成煤環(huán)境

煤層中全硫可以分為有機(jī)硫和無機(jī)硫兩部分，通常情況下有機(jī)硫主要來源于成煤植物，無機(jī)硫主要受沉積時的水環(huán)境控制［28］。陸相沉積的煤層硫分含量通常較低，研究區(qū)全硫含量普遍低于1%，全硫組成以硫化鐵硫為主，其次為有機(jī)硫，硫酸鹽硫少量。煤中各種硫分相對含量的高低與成煤物質(zhì)在成煤時期的沉積環(huán)境及沼澤的覆水程度等也有十分密切的關(guān)系［29］，在煤層形成和演化過程中，泥炭沼澤微環(huán)境在垂直方向上的變化會導(dǎo)致煤中硫含量在垂直方向上的波動，反之我們也可以通過硫含量的相對大小來反映成煤時期環(huán)境［30］。通常煤層在水進(jìn)時呈現(xiàn)無機(jī)硫含量高、有機(jī)硫含量低的特點，在水退時呈現(xiàn)無機(jī)硫含量低、有機(jī)硫含量高的特點，如圖7所示，結(jié)合前文所劃分的體系域，4-2煤正是形成于湖平面上升時期，具有無機(jī)硫含量高、有機(jī)硫含量低的特點，此時泥炭沼澤的覆水程度加深。

圖7 東勝煤田延安組主采煤層有機(jī)硫和無機(jī)硫分布Figure 7 Distribution of organic sulfur and inorganic sulfur in main coal seam of Yan’an Formation，Dongsheng Coalfield

4 結(jié)論

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(jìn)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。其中，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。

通過對各種實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，揭示研究區(qū)的煤巖煤質(zhì)特征。研究發(fā)現(xiàn)其主要可采煤層顯微組分以鏡質(zhì)組為主，惰質(zhì)組次之，殼質(zhì)組及無機(jī)物含量最少，顯微煤巖類型為微鏡惰煤。參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對灰分、硫分進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)煤質(zhì)類型以低灰、低硫煤為主。由鏡惰比分析出研究區(qū)延安組成煤環(huán)境為潮濕-弱覆水環(huán)境和極潮濕-覆水環(huán)境，通過建立TPI-GI 坐標(biāo)圖識別出研究區(qū)存在兩種煤相類型即干燥森林沼澤相和潮濕森林沼澤相。