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(jì)南 250104； 2.山東科技大學(xué)，山東青島 266590； 3.中國(guó)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(huì)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(duì)于世界和平和社會(huì)穩(wěn)定有著非常重要的作用［1］。鄂爾多斯盆地在我國(guó)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(yùn)藏著煤炭、石油和天然氣等重要的沉積礦產(chǎn)，其儲(chǔ)藏的各種礦產(chǎn)資源總量約占全國(guó)的34%以上，目前已知的煤炭資源總量約占全國(guó)的38%左右，在中國(guó)，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(duì)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(gè)三級(jí)層序［4-5］；也有學(xué)者認(rèn)為延安組地層為一個(gè)完整的三級(jí)層序［6-7］；少數(shù)學(xué)者將延安組劃分為五個(gè)層序［8-9］；也有學(xué)者將延安組劃分出了3 個(gè)長(zhǎng)期基準(zhǔn)面旋回［10-11］；也有學(xué)者認(rèn)為存在1 個(gè)長(zhǎng)期基準(zhǔn)面旋回以及5個(gè)中期基準(zhǔn)面旋回［12］或認(rèn)為整體是一個(gè)長(zhǎng)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(shí)別的基礎(chǔ)上，建立起區(qū)內(nèi)的等時(shí)層序地層格架，以三級(jí)層序體系域?yàn)樽鲌D單元，恢復(fù)了區(qū)內(nèi)等時(shí)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(guò)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)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(zhǎng)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(yíng)力的強(qiáng)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(zhǎng)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(gè)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。砂巖組分主要以石英、長(zhǎng)石為主。發(fā)育槽狀交錯(cuò)層理、板狀交錯(cuò)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(cuò)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?yàn)槌练e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(zhǎng)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(wú)出露，以淺紫紅色為主，灰綠色次之，多呈斑點(diǎn)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。

（4）下白堊統(tǒng)（K1）

志丹群宜君組（K1y）在研究區(qū)內(nèi)地表無(wú)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(xì)、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(wú)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。砂巖成分主要是石英、長(zhǎng)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(zhǎng)石砂巖、巖屑長(zhǎng)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(shí)，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(shí)，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(wàn)km2，構(gòu)造演化開(kāi)始于早古生代末，當(dāng)時(shí)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(shí)華北大陸板塊開(kāi)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(zhǎng)、橫山一帶形成了煤田。在印支運(yùn)動(dòng)的作用下，整個(gè)地區(qū)受到了剝蝕和變形，到了早侏羅世全區(qū)才進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定的坳陷階段，經(jīng)過(guò)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(gè)盆地大致可劃分為六個(gè)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(tái)鄂爾多斯臺(tái)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(guò)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(dòng)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(méi)有巖漿巖侵入，煤田的構(gòu)造屬于簡(jiǎn)單型。

圖2 鄂爾多斯盆地構(gòu)造區(qū)劃圖（據(jù)參考文獻(xiàn)［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(dòng)影響，研究區(qū)內(nèi)構(gòu)造活動(dòng)十分輕微。燕山期初期東勝地區(qū)的相對(duì)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(bǔ)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(kuò)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(qiáng)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(duì)沉積相進(jìn)行綜合分析以及參考前人對(duì)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(duì)東勝煤田西北緣延安組進(jìn)行層序地層劃分，共識(shí)別出3個(gè)三級(jí)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(shí)別及類型。識(shí)別層序界面是地層劃分的關(guān)鍵。通過(guò)分析鉆井資料，可以較完整地識(shí)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(guò)程中形成的侵蝕、沖刷及無(wú)沉積間斷作用等，對(duì)層序內(nèi)部進(jìn)行劃分，識(shí)別不同的體系域，通過(guò)廣泛性的區(qū)域?qū)Ρ龋梢暂^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(lái)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(méi)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(yùn)動(dòng)造成的三疊世延長(zhǎng)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(zhǎng)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(lái)，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(guò)嚴(yán)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(lái)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(duì)體系域進(jìn)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(gè)旋回層的結(jié)束或另一個(gè)旋回層的開(kāi)始，可以作為一個(gè)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(jìn)行全區(qū)追蹤、對(duì)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(lái)的特征，研究區(qū)內(nèi)可劃分為3 個(gè)三級(jí)層序，三級(jí)層序在全區(qū)內(nèi)均有發(fā)育，層序、體系域可對(duì)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(zhǎng)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(gè)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(xì)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(gè)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(yùn)動(dòng)Ⅰ幕的影響，造成了延安組上部受到強(qiáng)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(shí)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(guò)嚴(yán)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(duì)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?yàn)槔?，說(shuō)明研究區(qū)成煤的古地理特征。

層序一湖侵體系域時(shí)期砂巖百分含量在13%～93%，平均58%，該時(shí)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(guò)對(duì)上述單因素圖進(jìn)行綜合分析及參考前人研究，認(rèn)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(duì)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(shí)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?yàn)槟媳毕?，在辮狀河道間發(fā)育4 個(gè)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(yùn)動(dòng)的影響，導(dǎo)致盆地被抬升，區(qū)域相對(duì)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(lái)的，該期沉積主要是填平補(bǔ)齊，并與下伏三疊系延長(zhǎng)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(dá)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(dòng)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(kāi)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(gè)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(diǎn)，河水溢出河道就會(huì)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(jiǎn)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(shì)平穩(wěn)，河流水動(dòng)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(rùn)，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(huì)發(fā)生成煤作用，但是在水動(dòng)力條件的作用下，河流對(duì)河床進(jìn)行切割和淹沒(méi)，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(duì)含煤巖系地層的劃分，本次研究根據(jù)層序界面的識(shí)別把延安組劃分為3個(gè)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(guò)對(duì)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。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。