摘" "要：為揭示不同成煤環(huán)境下煤層彈性參數(shù)變化，以南華北盆地二疊系海陸過渡相成煤環(huán)境為研究區(qū)域，對采自不同古地理單元的煤樣在常溫常壓下進(jìn)行三維超聲測試實(shí)驗(yàn)，同時(shí)以含煤巖系砂泥比值作為確定古地理單元的主要依據(jù)，對研究區(qū)內(nèi)含煤地層沉積環(huán)境與煤層彈性參數(shù)的關(guān)系進(jìn)行研究。結(jié)果表明：各煤樣縱波速度均大于橫波速度，走向上縱橫波速＞傾向＞垂向，3個(gè)方向縱橫波速隨砂泥比值的增大呈先降后升的趨勢；各煤樣走向上的楊氏模量＞體積模量＞剪切模量，三者隨砂泥比值的增大呈先降后升的趨勢，而泊松比隨砂泥比值的增大則先升后降；隨海岸線由北向南不斷前移，沉積環(huán)境由三角洲分流平原到三角洲前緣，縱橫波速、楊氏模量、體積模量和剪切模量呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，而泊松比正好相反，呈先增大后減小的趨勢，預(yù)測相應(yīng)的煤層氣含氣量先增大后減小，煤層裂隙密度先增高后降低。

關(guān)鍵詞：南華北盆地；二疊系；沉積環(huán)境；彈性參數(shù)；超生實(shí)驗(yàn)；煤層氣

沉積環(huán)境是指在物理、化學(xué)及生物上不同于相鄰地區(qū)的一個(gè)地貌單元[1]，是沉積巖形成的決定因素，沉積巖的巖性、古生物及地球化學(xué)特征等相標(biāo)志又可重塑當(dāng)時(shí)古地理特征。在沉積環(huán)境下發(fā)育泥炭沼澤或泥炭坪進(jìn)而演變成現(xiàn)今煤層，對煤層中眾多有益信息的挖掘一直是地質(zhì)學(xué)家不斷進(jìn)行的工作[2-4]，而煤層彈性參數(shù)作為其中一種重要信息，在煤炭開采、瓦斯防治、煤層氣勘探開發(fā)及地震反演等眾多領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用[5-7]。

含煤地層沉積環(huán)境有多種沉積體系，同時(shí)各沉積體系又包括諸多具體的沉積相和沉積類型，不同沉積環(huán)境有不同的古氣候、古鹽度、古水深、古水流等沉積背景，形成不同巖性、厚度及組合類型[8-9]。不同巖性對應(yīng)不同彈性參數(shù)，一般認(rèn)為，砂巖和石灰?guī)r的縱、橫波速度一般高于砂質(zhì)泥巖、泥巖和煤[10]，因此含煤巖系沉積環(huán)境與在該環(huán)境下形成煤層的彈性參數(shù)應(yīng)有某種關(guān)聯(lián)，而這種內(nèi)在聯(lián)系未見報(bào)道。

本文以南華北二疊系海陸過渡相成煤環(huán)境為研究區(qū)，對不同古地理單元的5個(gè)煤樣在常溫常壓下分別進(jìn)行超聲實(shí)驗(yàn)，并經(jīng)過換算獲取各自煤樣的縱橫波速度及楊氏模量等彈性參數(shù)，通過沉積相指示參數(shù)與彈性模量間的回歸分析，探討兩者之間內(nèi)在聯(lián)系，為利用地震反演屬性預(yù)測成煤環(huán)境和煤層氣參數(shù)提供依據(jù)。

1" 區(qū)域地質(zhì)概況及樣品采集

研究區(qū)位于河南省和安徽省境內(nèi)，大地構(gòu)造位置位于華北板塊南部，西南部以秦嶺-大別造山帶為界，東部和南部與郯廬斷裂帶及下?lián)P子區(qū)相鄰，北部與北華北盆地南緣相連。從圖1可看出，NW-NWW向展布的構(gòu)造受控于秦嶺-大別造山帶，而NE-NNE向展布構(gòu)造則受控于郯廬走滑斷裂系，在這兩大構(gòu)造方向的影響下形成諸多二級和三級構(gòu)造單元[11]。

南華北二疊系含煤地層由下至上包括山西組、下石盒子組和上石盒子組，其中，山西組與下石盒子組的界限由一套灰色中粗粒石英砂巖或長石砂巖組成，統(tǒng)稱為砂鍋窯砂巖，而下石盒子組底界為田家溝砂巖，為一套灰白色含礫中粗粒長石石英砂巖[12]。對研究區(qū)內(nèi)各主采煤層進(jìn)行原生結(jié)構(gòu)煤井下原位采樣，包括鶴壁和焦作礦區(qū)山西組二1煤、平頂山礦區(qū)山西組己15煤和下石盒子組戊9-10煤及淮南礦區(qū)上石盒子組13-1煤，同時(shí)對各煤樣走向、傾向和垂向3個(gè)方向進(jìn)行標(biāo)定（表1）。

2" 含煤巖系沉積環(huán)境特征及古地理單元的確定

南華北地區(qū)二疊系含煤沉積作為我國晚古生代重要成煤期，其沉積環(huán)境一直是眾多地質(zhì)學(xué)者研究的重點(diǎn)[13-17]，而不同古地理單元作為成煤場所與當(dāng)時(shí)沉積背景有很大關(guān)聯(lián)。

2.1" 研究區(qū)沉積環(huán)境演化

研究區(qū)在經(jīng)歷長期風(fēng)化夷平的中奧陶世石灰?guī)r頂面上，早二疊世太原組時(shí)期，盆地整體接受了來自NE向海侵，開始了陸表海的演化歷史，古地形北高南低，主要物源區(qū)為北面陰山古陸，呈高聳山地或高原，導(dǎo)致該沉積期南部地層厚度大于北部，而濱外碳酸鹽陸棚相和瀉湖相構(gòu)成了該期巖相古地理沉積的主要格架，局部發(fā)育潮汐砂壩相。

二疊世中晚期，由于華北板塊不斷向北仰沖，海平面一直處于下降階段，從而進(jìn)入海陸過渡相環(huán)境[18]。具體來說，山西組沉積相類型主要有濱海平原、潮坪、下三角洲平原的分流河道和分流間灣及有利于煤層發(fā)育的泥炭沼澤相，主要發(fā)育于濱海平原和下三角洲平原。下石盒子組時(shí)期海水大面積向南退縮，廣大地區(qū)均已演化為三角洲平原環(huán)境，發(fā)育的古地理單元有上三角洲平原、下三角洲平原和三角洲前緣等，但各單元間的界線已大幅向南移動，由于下三角洲平原分流間灣局部發(fā)育沼澤化，形成局部分布的煤層和炭質(zhì)泥巖。上石盒子組沉積期，隨海岸線繼續(xù)向南遷移，區(qū)內(nèi)巖相古地理及沉積環(huán)境進(jìn)一步演化，物源來自于北緣陰山古陸和南部秦嶺中條古陸，總體呈北高南低的三角洲沉積體系，三角洲平原和三角洲前緣發(fā)育，泥炭堆積形成具有工業(yè)價(jià)值的煤層（圖2）。

2.2" 研究區(qū)古地理單元的確定

巖相古地理分析是通過現(xiàn)存地層的地質(zhì)特征來恢復(fù)沉積期的古地理面貌[20]，而單因素分析和多因素綜合作圖法是確定古地理單元最常用的定量方法[21]，地層厚度、砂巖厚度、砂泥比值、煤層厚度、泥巖厚度及石灰?guī)r厚度等條件是在古地理單元分析中常用的參數(shù)，其中砂泥比值作為反映主要巖性的分布特征，在陸相和海陸過渡相沉積環(huán)境中是劃分古地理單元的主要依據(jù)。

三角洲沉積體系在南華北盆地二疊系占據(jù)著非常重要的地位，同時(shí)也是該時(shí)期最重要的成煤環(huán)境。三角洲沉積體系作為過渡沉積環(huán)境，包括多個(gè)沉積相和沉積類型（表2）。

對各個(gè)采樣點(diǎn)的地層平均厚度、煤層平均厚度、泥巖平均百分含量及砂泥比平均值（樣品編號1、2、3的統(tǒng)計(jì)對象為山西組，編號4為下石盒子組，編號5為上石盒子組）分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（表3），結(jié)合前人研究成果及工業(yè)分析數(shù)據(jù)（表1） [22-23]，分別確定鶴壁六礦山西組沉積環(huán)境為下三角洲分流間灣、焦作古漢山山西組為下三角洲分流河道、平頂山八礦山西組為三角洲前緣、平頂山八礦下石盒子組為下三角洲分流間灣及淮南潘一礦上石盒子組為三角洲前緣。

3" 煤層彈性參數(shù)的測試與計(jì)算

常溫常壓條件下，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對所采煤樣進(jìn)行煤的超聲波實(shí)驗(yàn)，得到樣品走向（x）、傾向（y）和垂向（z）3個(gè)方向的縱橫波速平均值，根據(jù)常用力學(xué)參數(shù)間的轉(zhuǎn)換公式[24]，計(jì)算出各個(gè)樣品走向上的平均剪切模量、體積模量、楊氏模量和泊松比（表4）。

4" 沉積環(huán)境與彈性參數(shù)的關(guān)系分析

砂泥比值作為古地理單元?jiǎng)澐值闹饕罁?jù)，在很大程度上代表著沉積環(huán)境的變化，據(jù)表3中各古地理單元的砂泥比值、表4中各煤樣的縱橫波速及換算過后平均剪切模量、體積模量、楊氏模量和泊松比等，給出它們之間的散點(diǎn)圖及擬合關(guān)系。從圖中可知（圖3-5），各彈性參數(shù)與砂泥比值呈二次函數(shù)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)較高，平均可達(dá)0.89。

從砂泥比值與縱橫波速關(guān)系圖中可知，各樣品中走向上縱橫波速＞傾向＞垂向，且隨砂泥比值的增大呈先降低后升高的趨勢，變化拐點(diǎn)約0.8，同時(shí)，縱波速度遠(yuǎn)大于橫波速度，而橫波速度在砂泥比值大于0.8后變化速度明顯加快。由于煤層含氣量與縱橫波速度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[25]，因此，縱橫波速從三角洲平原到三角洲前緣先減小后增大，預(yù)測煤層含氣量先增大后減小，同時(shí)與三角洲分流間灣相比，橫波速度在三角洲分流河道及三角洲前緣數(shù)值更為相近。

從砂泥比值與彈性模量關(guān)系圖中可知，在所有測試樣品中，楊氏模量＞體積模量＞剪切模量，且三者隨砂泥比值的增大呈先降低后升高的趨勢，尤其以楊氏模量變化明顯；而泊松比隨砂泥比值的增大呈先升高后降低的趨勢，與彈性模量變化趨勢相反。同時(shí)，煤層裂隙密度的增加可導(dǎo)致煤儲層泊松比的增大[26]，因此，從三角洲分流河道到三角洲分流間灣再到三角洲前緣，楊氏模量、體積模量和剪切模量呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，而泊松比則相反，先增大后減小，導(dǎo)致煤層的裂隙密度先增大后減小。

5" 結(jié)論與討論

綜上所述，南華北盆地的沉積環(huán)境（砂泥比代表）與所采煤樣的縱橫波速及彈性模量呈較好的二次函數(shù)相關(guān)，平均相關(guān)性達(dá)89％，其中：

（1） 各煤樣縱波速度均大于橫波速度，走向上縱橫波速＞傾向＞垂向，隨砂泥比值的增大呈先降后升的趨勢。

（2） 各煤樣走向上的楊氏模量＞體積模量＞剪切模量，且三者隨砂泥比值的增大呈先降后升的趨勢，而泊松比隨砂泥比值的增大呈先升后降的趨勢。

（3） 對于各煤樣的沉積環(huán)境而言，從三角洲分流河道到三角洲分流間灣再到三角洲前緣，縱橫波速、楊氏模量、體積模量和剪切模量呈先減小后增大的趨勢，而泊松比則相反，呈先增大后減小的趨勢，預(yù)測相應(yīng)的煤層氣含氣量先增大后減小，煤層裂隙密度先增大后降低。

同時(shí)還存在以下不足：

（1） 砂泥比值只是作為確定沉積環(huán)境中古地理單元的主要依據(jù)，在陸相和海陸過渡相中適用，無法應(yīng)用到海相沉積地層中，同時(shí)在確定古地理單元時(shí)還需考慮古生物及地球化學(xué)等條件，因此反映的結(jié)果只是相對變化趨勢。

（2） 由于取樣點(diǎn)處于不同含煤層系（山西組、下石盒子組和上石盒子組），不能保證砂泥比的統(tǒng)一處理，后續(xù)研究應(yīng)盡量將取樣點(diǎn)控制在同一含煤層系中。

（3） 由于所采煤樣超聲實(shí)驗(yàn)是在常溫常壓條件下進(jìn)行的，在實(shí)際地層應(yīng)用時(shí)還需考慮溫度、壓力和含水（氣量）導(dǎo)致的地震屬性差異。

參考文獻(xiàn)

[1] 馮增昭.中國沉積學(xué)（第二版）[M].北京：石油工業(yè)出版社.2013.

[2] 侯海海，陳泓圳，邵龍義，等.煤層分布規(guī)律新認(rèn)識：氣候演變控制下的聚煤模式[J].煤田地質(zhì)與勘探，2023，51（3）：10-18.

[3] 侯海海，張華杰，邵龍義，等.三疊紀(jì)末期全球生物大滅絕事件研究綜述[J].地質(zhì)論評，2023，69（4）：1434-1448.

[4] 侯海海，李強(qiáng)強(qiáng)，邵龍義，等.琿春盆地古近紀(jì)含煤地層層序-古地理與聚煤規(guī)律[J].煤田地質(zhì)與勘探，2022，50（6）：41-55.

[5] 王赟，張玉貴，許小凱.六種不同變質(zhì)程度煤的最大鏡質(zhì)組反射率與彈性參數(shù)的關(guān)系[J].地球物理學(xué)報(bào)，2013，56（6）：2116-2122.

[6] 張凱.應(yīng)力-應(yīng)變法煤體彈性波參數(shù)頻散特征實(shí)驗(yàn)研究[D].河南理工大學(xué)，2021.

[7] 吳雨珊，鄒冠貴，曾葫，等.煤彈性參數(shù)的影響因素分析及其AVO響應(yīng)特征[J].煤炭學(xué)報(bào)，2023，48（S1）：194-208.

[8] 高祥宇，邵龍義，王學(xué)天，等.樂平統(tǒng)含煤巖系旋回地層的天文周期驅(qū)動：以黔西北畢節(jié)地區(qū)為例[J].礦業(yè)科學(xué)學(xué)報(bào)，2022，7（1）：89-100.

[9] 邵龍義，徐小濤，王帥，等.中國含煤巖系古地理及古環(huán)境演化研究進(jìn)展[J].古地理學(xué)報(bào)，2021，23（1）：19-38.

[10] 孟召平，劉常青，賀小黑，等.煤系巖石聲波速度及其影響因素實(shí)驗(yàn)分析[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2008，25（4）：389-394.

[11] 徐漢林，趙宗舉，呂福亮，等.南華北地區(qū)的構(gòu)造演化與含油氣性[J].大地構(gòu)造與成礦學(xué)，2004，28（4）：450-463.

[12] 茹意.南華北盆地上古生界巖性組合與含氣性關(guān)系[D].中國地質(zhì)大學(xué)（北京），2022.

[13] 邵龍義，董大嘯，李明培，等.華北石炭—二疊紀(jì)層序-古地理及聚煤規(guī)律[J].煤炭學(xué)報(bào)，2014，39（8）：1725-1734.

[14] 李增學(xué)，魏久傳，王明鎮(zhèn)，等.華北南部晚古生代陸表海盆地層序地層格架與海平面變化[J].巖相古地理，1996，16（5）：1-10.

[15] 翟詠荷，何登發(fā)，開百澤.鄂爾多斯盆地及鄰區(qū)中—晚二疊世構(gòu)造-沉積環(huán)境與原型盆地演化[J].巖性油氣藏，2024，36（1）：32-44.

[16] 桑樹勛，陳世悅，劉煥杰.華北晚古生代成煤環(huán)境與成煤模式多樣性研究[J].地質(zhì)科學(xué)，2001，36（2）：212-221.

[17] 邢智峰，張湘赟，李婉穎，等.PTME后華北板塊南緣生物復(fù)蘇后期古環(huán)境特征：來自豫西登封中三疊統(tǒng)二馬營組的證據(jù)[J].地學(xué)前緣，2023，30（5）：491-509.

[18] 尹玉靜.南華北地區(qū)中晚二疊世層序地層學(xué)及古地理研究[D].山東科技大學(xué)，2010.

[19] 李明培.華北地臺石炭—二疊系層序地層與巖相古地理研究[D].中國礦業(yè)大學(xué)（北京），2012.

[20] 朱筱敏，王華，朱紅濤，等.陸相層序地層學(xué)研究進(jìn)展及發(fā)展關(guān)注[J].石油學(xué)報(bào)，2023，44（8）：1382-1398.

[21] 馮增昭.單因素分析多因素綜合作圖法—定量巖相古地理重建[J].古地理學(xué)報(bào)，2004，6（1）：3-8.

[22] 胡斌，張璐，劉順喜，等.河南省中二疊世山西組古地理特征[J].古地理學(xué)報(bào)，2012，14（4）：412-420.

[23] 宋建軍.河南省石炭—二疊系層序地層及聚煤作用研究[D].中國礦業(yè)大學(xué)（北京），2009.

[24] 陳颙，黃庭芳，劉恩儒.巖石物理學(xué)[M].北京：北京大學(xué)出版社，2001.

[25] 陳信平，霍全明，林建東，等.煤層氣儲層含氣量與彈性參數(shù)之間的關(guān)系[J].地球物理學(xué)報(bào)，2013，56（8）：2837-2848.

[26] Ramos A C B，Davis T L.3-D AVO analysis and modeling applied to fracture detection in coalbed methane reservoirs[J].Geophysics，1997，62（6）：1683-1695..

Relationship Between Sedimentary Environment of Coal-bearing Strata in

Permian and Elastic Parameters of the Coal in Southern North China

Chen Fei1， Zhang Ji2， Xu Juan1， Hou Haihai3

（1.College of mining engineering and geology，Xinjiang Institute of Engineering，Urumqi，

Xinjiang，830023，China;2.Geological Society of，Urumqi，Xinjiang，830000，China;

3.College of mining，Liaoning Technical University，F(xiàn)uxin，Liaoning，123000，China）

Abstract： In order to study change of elastic parameters in coal-bearing strata under different sedimentary environment， ultrasonic experiment of five coal samples and the relationship between sedimentary environment and elastic parameters were studied， which took from different paleogeography unit in Southern North China. The results show that P-wave velocities in all samples exceed their S-wave（strike＞dip＞vertical）， and the velocities， Young's modulus， bulk modulus and shear modulus decreased firstly and increased then with the increasing of sand-mud ratio， but the variation trend of Poisson's ratio is just opposite. For sedimentary environment of each coal sample， the change of each parameter is the same with the above from delta distributary channel to the delta front， meanwhile coal-bed methane and fracture density increased firstly and then decreased.

Key words： Southern North Basin; Permian; Sedimentary environment; Elastic parameters; Ultrasonic experiment; Coalbed methane