子长–延川矿权区晚三叠世聚煤环境及聚煤规律_尹锦涛.pdf

第 44 卷 第 4 期 煤田地质与勘探 Vol. 44 No.4 2016 年 8 月 COAL GEOLOGY EXPLORATION Aug. 2016 收稿日期 2015-08-17 作者简介 尹锦涛（1983） ，男，河南西华人，硕士，工程师，从事非常规油气勘探开发研究工作. E-mailycyinjintao 引用格式 尹锦涛，吴颖，姜呈馥，等. 子长-延川矿权区晚三叠世聚煤环境及聚煤规律［J］. 煤田地质与勘探，2016，44（4）8-13. YIN Jintao，WU Ying，JIANG Chengfu，et al. Late Triassic coal-ing environment and coal-accumulating law in Zichang- Yanchuan mining area［J］. Coal Geology Exploration，2016，44（4）8-13. 文章编号 1001-1986（2016）04-0008-06 子长-延川矿权区晚三叠世聚煤环境及聚煤规律 尹锦涛 1，吴 颖2，姜呈馥1，孙建博1，吴 艳3，董敏涛3，吴敏杰3 （1. 陕西延长石油（集团）有限责任公司研究院，陕西 西安 710075；2. 延长油田股份有限公司， 陕西 延安 716099；3. 中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077） 摘要 为科学评价矿权区煤炭资源潜力，促进资源的合理勘探和综合开发利用，以沉积地质学、 煤田地质学、构造地质学理论为指导，应用煤田地质勘探、地球物理测井等方法，在深入系统地 调研矿权区煤田地质勘探开发现状的基础上，通过分析子长-延川矿权区晚三叠世煤层分布规律、 聚煤环境及聚煤规律，认为矿区内三叠系延长组五段煤层沉积体系为辫状河三角洲、滨-浅湖泊沉 积组合，煤层形成的主要控制因素为古构造和古气候条件。 关 键 词子长-延川；晚三叠世；聚煤环境；聚煤规律 中图分类号P618.11 文献标识码A DOI 10.3969/j.issn.1001-1986.2016.04.002 Late Triassic coal-ing environment and coal-accumulating law in Zichang-Yanchuan mining area YIN Jintao1，WU Ying2，JIANG Chengfu1，SUN Jianbo1，WU Yan3，DONG Mintao3，WU Minjie3 （1. The Research Institute of Yanchang Oil Field Co.， Ltd.， Xi′an 710075， China； 2. Yanchang Oil Field Co.， Ltd.， Yanan 716099， China； 3. Xian Research Institute， China Coal Technology and Engineering Group Corp.， Xian 710077， China） Abstract In order to improve the resource utilization efficiency and carry on comprehensive development，the resource potential of coal in Zichang-Yanchuan mining area is necessary to be uated properly. Based on theories of sedimen- tary，coal geology and tectonic geology and current coal development situation survey results，the distribution pattern of coal-bearing ation of Late Triassic coal ing environment was studied using coal geologic exploration s and well logging. It is concluded that the coal ed in T3y5 was deposited in braided river delta，lakeshore and shallow lake. The conditions of paleo-structure and paleo-climate controlled the ation of coal. Key words Zichang-Yanchuan； Late Triassic； coal-ing environment； coal accumulation law 延长油田股份有限公司子长-延川矿权区（以下 简称矿区）位于鄂尔多斯盆地东南部，总面积为 3 518.6 km2，行政区划主体隶属陕西省延安市宝塔 区、子长县、延川县管辖，矿区内三叠系延长组是延 长油田股份有限公司石油、 页岩气和煤炭资源的主要 开采层位，尤其是延长组五段（长 1 油层组）的煤炭资 源量大质优、煤种稀缺，价值可观［1-4］。但受行业及 矿权分离等条件的制约， 区内能源企业以开采单一矿 种为主， 对共生的能源矿产缺乏战略角度的综合勘探 开发， 导致资源一体化开发利用的水平较低。 加强多 种资源的综合勘探开发， 对于提高资源利用效率， 降 低成本， 促进能源企业可持续发展具有重要意义。 本 文以矿区煤炭资源为研究对象，在前人研究的基础 上， 从沉积相及古地理、 煤层特征等几个方面研究矿 区晚三叠世的聚煤环境、 聚煤控制因素及煤层分布规 律，为科学评价煤炭资源潜力打下基础。 1 地质背景 1.1 地 层 矿区地层属于华北地层大区晋冀鲁豫地层区鄂 尔多斯地层分区延河地层小区。 地层发育比较齐全， 自老而新有下寒武统霍山组、馒头组，中寒武统毛 庄组、徐庄组、张夏组，上寒武统三山子组，下奥 陶统冶里组、亮甲山组、马家沟组，中石炭统本溪 组、上石炭统太原组，下二叠统山西组、下石河子 组，上二叠统上石河子组、石千峰组，下三叠统刘 ChaoXing 第 4 期 尹锦涛等 子长-延川矿权区晚三叠世聚煤环境及聚煤规律 9 家沟组、和尚沟组，中三叠统纸坊组，上三叠统延 长组，下侏罗统富县组、延安组，中侏罗统直罗组、 安定组，下白垩统宜君组、洛河组、环河组、罗汉 洞组、泾川组、东胜组，以及古近系，新近系和第 四系。 1.2 构 造 矿区地处华北板块中部鄂尔多斯盆地陕北斜坡 东南部（图 1），区域构造简单，总体为向北西西倾斜 单斜构造，倾角 1～7，平均坡降 10 m/km，地层自 东向西依次变新。 图１ 矿区构造位置图 Fig. 1 Tectonic map of the mining area 2 煤层分布特征 2.1 含煤地层分布特征 矿区内含煤地层为上三叠统延长组五段， 为湖泊 三角洲沉积体系，除冯家坪-关庄一线东南部约占矿 区总面积 1/4 的范围被完全风化剥蚀外， 其他地方均 有不同程度的分布， 残留地层厚度为 0.80～ 406.20 m， 具有东薄西厚、东北薄西南厚的变化特点（图 2）。 区内延长组构造样式总体呈一走向北北东南 南西、向西缓倾斜的单斜构造，煤系倾角 1～5，沿 煤系走向和倾向有宽缓的波状起伏（图 3）。 2.2 地层的含煤性 延长组五段含煤（煤线）6 组共 10 层，单层煤层 厚度 0.05～2.61 m，总厚度为 10.02 m，含煤系数 4.23％。其中具对比意义的煤层有 7 层，自上而下编 号依次为 5 上、5 号、4 号、3 号、3 号、2 号、1 号 图 2 矿区延长组五段地层厚度等值线图 Fig. 2 Thickness contour map of T3y5 in the mining area 图 3 矿区延长组五段底面深度等值线图 Fig. 3 Bottom surface contour map of T3y5 in the mining area 煤层（表 1）。按照 DZ/T 0215-2002煤、泥炭地质 勘查规范 ，这些煤层中绝大部分是不可采煤层。陕 西省国土资源厅在 2009 年下发的关于“‘陕北三叠 纪煤田子长矿区’工业指标中煤层最低可采厚度的 请示”的批复 【陕国土资储发［2009］14 号】中，将陕 北三叠纪煤田煤层的最低可采厚度确定为 0.50 m。 据 此，矿区可采煤层有 4 层，分别是 5 上、5 号、3上、 3 号煤层，可采煤层厚度为 0.50～3.00 m（图 4），平均 为 1.83 m，可采含煤系数 0.81％。 ChaoXing 10 煤田地质与勘探 第 44 卷 表 1 矿区煤层编号表 Table 1 Coal bed number list in the mining area 含煤地层 煤层编号 T3y5-5 - 5 上 5 T3y5-4 4 3 上 T3y5-3 3 T3y5-2 2 延长组五段 （T3y5） T3y5-1 1 图 4 矿区延长组五段可采煤层累计厚度等值线图 Fig.4 Total thickness contour map of the minable coal seams in T3y5 3 聚煤环境与聚煤规律 3.1 聚煤古地理环境 鄂尔多斯盆地是在古生代华北克拉通盆地基础 上发育的中新生代多旋回叠加型沉积盆地，其雏形 出现于中三叠世纸坊期， 发育鼎盛时期是晚三叠世- 中侏罗世；早白垩世末期盆地开始消亡，晚白垩世 以来盆地处于后期改造阶段［5］。 晚三叠世晚期鄂尔多斯湖盆持续萎缩，盆地基 底不断抬升，长期的充填使得湖泊淤积，范围越来 越小，湖水变浅，地形变得更为平缓，准平原化和 沼泽化作用持续发展。此时气候半潮湿，裸子植物 繁殖，延长组五段含煤建造就是在这种背景下形成 的。同时，由于古地形非常平缓，古水流的方向变 换不定，辫状河体系和“浅水台地型”三角洲体系发 育［6-9］（图 5）。 图 5 延长组五段沉积环境与层序地层综合柱状图 （据田野［9］） Fig.5 Comprehensive column of sedimentary environment and sequential stratigraphy of T3y5 延长组五段在子长一带出露最全，保存完整， 总厚度 378.00 m。根据剖面上岩性组合、地层层序、 沉积旋回和古生物特征、含煤性的差异，自下而上 细分为 5 个亚段，编号分别是 1 亚段、2 亚段、3 亚 段、4 亚段、5 亚段（图 6）。 ChaoXing 第 4 期 尹锦涛等 子长-延川矿权区晚三叠世聚煤环境及聚煤规律 11 图 6 子长县丹头-石家川上三叠统延长组五段地质剖面图 Fig.6 Geologic section of T3y5 at Dantou-Shijiachuan，Yanchang County 1 亚段下部由中-细粒长石砂岩与粉砂质泥岩、 泥岩和炭质页岩互层构成，包括 3～5 个向上变细的 基本层序。砂岩位于每个基本层序之下部，呈半透 镜状，发育底冲刷界面，内部具有向上变细的正粒 序层理，底部砂岩含有零星的泥砾，向上变为细粒 长石石英砂岩，具板状交错层理，岩石分选性好， 为三角洲平原亚相分流河道沉积［8-9］。1 亚段中上部 以灰色粉砂岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、页岩为 主，夹 3～4 层煤线和细粒长石石英砂岩。细粒砂岩 呈上平下凸的半透镜体，略显正粒序层理和前积型 交错层理，具底侵蚀面，为河口坝沉积［8-9］。该亚段 顶部的灰色块状粉砂岩夹中细粒长石石英砂岩，发 育板状交错层理、波纹状交错层理，延伸稳定，为 三角洲前缘席状砂的典型沉积构造特征［8-9］。 2 亚段底部为 2 号煤层底板暗色钙质页岩夹透 镜状泥灰岩，含瓣鳃类，介形虫，鱼鳞等化石，属 浅湖及半深湖沉积。岩石特性反映气候干旱炎热， 湖泊蒸发作用较强，湖水变浅咸化，直至逐渐萎缩。 2 号煤层厚度不超过 0.28 m，但分布较广，是辫状 河三角洲平原亚相河漫沼泽的代表性产物［8-9］。上部 厚层-块状细粒长石石英砂岩、粉砂岩与粉砂质泥 岩、黑色炭质泥岩等呈互层状，夹 3～5 层煤线，反 映了沉积环境为三角洲前缘滨浅水缓坡带水下分流 河道与滨湖沼泽的多次转变。 3 亚段矿区内厚度变化较大， 为 19.30～35.70 m。 下部灰色厚层-块状细粒含黄铁矿长石石英砂岩分 布比较广泛，为浅湖沉积。上部暗色泥岩、砂质泥 岩夹细砂岩、煤层或煤线，反映了沉积环境由浅湖 向滨湖沼泽发展。 4 亚段为块状中细粒长石砂岩和泥质粉砂岩、 粉砂质泥岩互层，中部夹 4 号煤层，上部为 5 号可 采煤层，泥岩中有黄铁矿结核，清涧河一带厚度 95.84 m，属三角洲平原泥炭沼泽和三角洲前缘分流 间湾沉积［8-9］。 5 亚段由深色炭质页岩夹白色黏土岩条带、中 厚层状细砂岩、粉砂岩、粉砂质泥页岩组成，含腹 足类、双壳类、鱼类化石。其中，炭质页岩、细粒 砂岩与粉砂岩、泥页岩呈互层状，化石主要富集于 这些层位，为浅湖环境沉积的产物。上部以透镜状 细粒长石砂岩为主，夹泥质粉砂岩、粉砂质页岩， 富产腹足类化石。砂岩的分选性和磨圆度均较好， 小型波纹层理和单斜层理发育，为滨湖沉积。泥质 粉砂岩和粉砂质页岩中所夹的煤线主要位于该段顶 部，为湖岸沼泽沉积［8-9］。 晚三叠世末期的印支运动使鄂尔多斯盆地整体 抬升露出水面，湖盆最后枯竭，从而结束了延长组 的沉积历史。此后，因地壳大幅度抬升，盆地遭受 风化侵蚀及季节性洪水的冲刷，使得延长组五段顶 部遭受强烈的侵蚀切割， 形成沟谷纵横的丘陵地貌。 3.2 成煤作用与聚煤规律 煤是植物遗体经过复杂的物理化学、生物化学、 地球化学等作用转变而成的可燃有机岩石。要形成煤 炭，适宜于古植被发育与保存的古气候条件、古地理 条件、古构造条件，海（湖）平面变化与差异压实作用， 以及它们之间的有效配置是不可或缺的［10-12］。 3.2.1 成煤系统的形成与演化 鄂尔多斯盆地经过延长组的沉积充填， 到晚三叠 世瓦窑堡期盆地范围已向东退缩至铜川、 韩城、 宜君、 富县、安塞、子长、子洲、榆林、神木一带［7-9］。当 时古地形十分平缓，沉积速度缓慢，气候变的比较 潮湿， 以 Neocalamites rugosus 和 Danaeopsis fecunda 为代表的延长植物群较发育，具备富有机质泥炭堆 积的物质基础。延长组五段形成初期，矿区含煤岩 系主要由中细粒砂岩、粉砂岩和粉砂质泥岩组成， 沉积环境经过辫状河三角洲平原分流河道、决口扇 沉积到泛滥平原转化，在泛滥平原一带发育有沼泽 环境，却因当时植物尚不十分繁盛，加上盆地沉降 速度快慢交替相间，形成了砂泥岩组合。在这个时 期，当盆地沉降速度快时，沼泽环境很快被河流搬 运的碎屑物掩没，泥炭堆积被砂岩和粉砂岩等碎屑 岩替代；盆地沉降速度较慢时，流水向泛滥平原搬 运粗碎屑物质的能力下降，沼泽中裸子植物茂盛， ChaoXing 12 煤田地质与勘探 第 44 卷 被掩埋后形成泥炭。但这种状态是相对短暂的，虽 有多幕，但形成的煤层很薄，且不稳定，不具有经 济开采价值。1 亚段形成之后，区内曾有过一次地 壳抬升，湖水快速变浅，加上气候干旱炎热，湖盆 蒸发作用强烈，湖泊环境被辫状河三角洲平原所替 代，河漫滩沼泽化，形成的煤层虽薄，但分布较稳 定。此后，盆地沉降速度快慢交替，且经历了“快短 慢长”到“快长慢短”的持续沉降过程，但区内碎屑物 质的沉积速度始终大于植物的沉积速度，形成的砂 泥岩组合中泥炭夹层越来越少，煤层厚度薄且很不 稳定，开发利用价值不高。3 亚段上部 3 号煤层形 成于滨湖沼泽环境，均衡补偿状态持续时间较长， 煤层较稳定，局部可采。此后，盆地基底抬升，湖 泊环境很快被辫状河三角洲所替代，河流携带的大 量碎屑物质进入盆地，在区内形成了厚达 76.13 m 的砂泥质建造。随着盆地基底抬升和充填，三角洲 平原沼泽环境恢复，在 4 亚段上部形成了稳定可采 的 5 煤组。晚三叠世末期，鄂尔多斯盆地基底大幅 下降，来自周边的水体向盆地汇集，区内为湖泊环 境，开始了还原条件下的细碎屑岩沉积。此后，盆 地基底抬升，湖水变浅，从古陆搬运来的陆源碎屑 物质进入盆地，湖泊被淤积变浅，在湖岸出现暂短 的沼泽环境，发育煤线。 3.2.2 晚三叠世聚煤规律 盆地构造的活动性和基底的沉降速率是不均衡 的，它们与物源供应之间的关系是决定聚煤作用发 生的基本条件。泥炭堆积速率和可容纳空间的相互 关系，决定了富煤带的分布区域。一般来说，温暖 潮湿的气候条件、植物生长茂盛区、相对稳定盆地 基底、持续稳定的均衡补偿作用、滨岸沼泽沉积环 境，以及有利于促成有机质还原成煤的物理化学环 境， 是原始泥炭物质的形成与聚积的有利条件［10-15］。 从前面的分析可以看出，晚三叠世瓦窑堡期，矿区 气候较温暖湿润，地壳垂直升降运动活跃，导致湖 泊水体进退频繁， 三角洲与正常湖泊环境频繁交替。 这种状态造成延长组五段的煤层层数多，而煤层厚 度较薄，厚煤层少。矿区晚三叠世瓦窑堡期聚煤作 用具有如下规律。 a. 时间上，聚煤作用经历了由弱到强再到弱的 过程 矿区晚三叠世聚煤作用总体较弱，且具有节律 性。从早到晚，煤的聚集强度经历了由弱到较强再 到弱的变化过程。从纵向上看，1 亚段、2 亚段和 3 亚段中下部所含煤层的层数较多，但厚度十分薄， 分布局限，稳定性普遍较差。3 号煤层位于 3 亚段 上部，煤岩体形态相对简单，但厚度变化较大，属 于局部可采煤层。此后，经过较长时间的非煤沉积 后，4 号煤层分布仅局限于延长组五段中部，厚度 薄且很不稳定。区内聚煤作用较强的是 4 亚段上部 沉积期，形成了全区较稳定的主采煤层--5 号煤层 和 5 上煤层。5 亚段的聚煤作用十分微弱，煤层呈线 状赋存于该段上部。 b. 空间上，盆地沉降中心与沉积中心、富煤中 心的分布一致 晚三叠世鄂尔多斯盆地沉积范围和沉积-沉 降中心的分布仍然受控于华北克拉通内陆坳陷盆 地性质。从矿区延长组五段分布范围和沉积厚度 等值线看（图 2），区内沉积中心位于子长县寺湾- 玉家湾-南沟岔一带。从区内延长组五段煤层厚度 累计等值线图（图 4）和延长组五段埋深等值线图 （图 3）可以看出，区内晚三叠世富煤中心、盆地沉 降中心与沉积中心均位于子长-蟠龙一带，三者基 本上是重合的。煤层厚度与含煤地层厚度为正相 关，以湖泊为中心，煤层厚度向周边逐渐变小， 体现了一种在湖泊缓慢淤浅背景下形成厚煤层的 聚煤特点。 c. 主要控煤因素分析 泥炭形成于沼泽环境，而沼泽可以发育在大陆 环境、海陆交互环境，以及近海环境中。只要有足 够的空气湿度和充足的植物遗体供给，就会有聚煤 作用发生。但就一个具体煤盆地而言，泥炭聚集主 要受基底沉降和沉积环境控制，泥炭的堆积和保存 需要合适的水体深度，即可容空间变化速率必须与 泥炭沉积速率保持某种平衡关系，才有利于泥炭的 堆积和保存［16-18］。 矿区延长组五段以湖泊三角洲沉积体系为主， 湖水范围及其扩张与收缩控制着三角洲的充填位 置。延长组五段 2 亚段、3 亚段、4 亚段形成时的湖 泊三角洲范围覆盖矿区内，具有明显的继承性。区 内煤层厚度多在0.40 m 以下， 仅5 号煤层是大部可采煤 层，3 号煤层为局部可采煤层。煤层层数多的主要原因 是延长组五段沉积时地壳升降运动十分频繁，导致 湖水短周期内反复进退， 而且每次持续时间也很短。 这样的背景对泥炭堆积不利，造成煤层层数较多但 缺少厚煤层。 矿区内 5 号厚煤层位于 4 亚段上部，其主要形 成于濒临三叠纪末期的一次构造转换时期，这个时 空界面也是盆地沉积构造背景发生重大转折的时 期。这时气候温暖湿润，河流作用减弱，环境缺氧， 在相对稳定的构造背景下， 早期湖泊淤浅形成煤层。 因此，控制该区煤层形成的主要因素是古构造和古 气候条件。 ChaoXing 第 4 期 尹锦涛等 子长-延川矿权区晚三叠世聚煤环境及聚煤规律 13 4 结 论 a. 子长-延川矿区三叠系延长组五段沉积体系 为三角洲沉积和湖泊沉积，相应煤层沉积体系为辫 状河三角洲，滨-浅湖泊沉积组合，形成了主要可采 煤层。 b. 延长组五段聚煤作用在时间上经历了由弱 到强再到弱的过程，空间上，盆地沉降中心、沉积 中心及富煤中心的分布是一致的，区内厚煤层形成 于湖侵过程中湖湾沼泽、三角洲平原间湾沼泽和曲 流河泛滥平原沼泽。 c. 区内煤层形成的主要控制因素为古构造和 古气候条件。 参考文献 ［1］ 王双明．鄂尔多斯盆地聚煤规律及煤炭资源评价［M］．北京 煤炭工业出版社，1996． ［2］ 张泓，白清昭，张笑薇，等．鄂尔多斯聚煤盆地的形成及构 造环境［J］．煤田地质与勘探，1995，23（3）1-9． ZHANG Hong，BAI Qingzhao，ZHANG Xiaowei，et al. ation and tectonic environments of Ordos coal-accumul- ating basin［J］. 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